SU741251A1

SU741251A1 - Dc voltage stabilizer

Info

Publication number: SU741251A1
Application number: SU782573500A
Authority: SU
Inventors: Николай Ильич Дуплин; Сергей Романович Иванов; Сергей Иванович Орлов
Original assignee: Рязанский Радиотехнический Институт
Priority date: 1978-01-23
Filing date: 1978-01-23
Publication date: 1980-06-15

Description

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам питания аппаратуры постоянным током и может быть использовано при разработке вторичных источников питания. ' »The invention relates to electrical engineering, in particular to power supplies for DC equipment and can be used in the development of secondary power sources. '"

Известны импульсные стабилизаторы постоянного напряжения, регулирующий орган которых состоит из мощной преобразовательной ячейки, схемы сравнения и широтно-импульсного ^ιυмодулятора [11.Known pulsed DC voltage stabilizers, the regulatory body of which consists of a powerful converter cell, a comparison circuit and a pulse-width ^ιυ modulator [11.

Недостатками таких схем являются снижение КПД при работе на малых нагрузках по отношению к номинальному значению и низкая надежность. 15The disadvantages of such schemes are reduced efficiency when operating at low loads relative to the nominal value and low reliability. fifteen

Наиболее близким техническим Решением является стабилизатор напряжения постоянного тока, содержащий ряд параллельно соединенных основных 20 и резервных преобразовательных ячеек, управляемых коммутатором, вход которого подключен к выходу широтно-импульсного модулятора, и датчик тока [2] . ⁵ The closest technical solution is a DC voltage stabilizer containing a series of parallel-connected main 20 and backup converter cells controlled by a switch, the input of which is connected to the output of a pulse-width modulator, and a current sensor [2]. ⁵

Недостатком таких стабилизаторов является малоэффективное использование резервных ячеек, что приводит к ухудшению массогабаритных и Энергетических показателей устройства в 30 целом. Это объясняется тем, что в таких схемах резервная часть ячеек включается в работу полностью, независимо от уровня потребляемой мощности.The disadvantage of such stabilizers is the ineffective use of reserve cells, which leads to a deterioration of the overall dimensions and Energy parameters of the device in 30 as a whole. This is due to the fact that in such schemes, the spare part of the cells is included in the work completely, regardless of the level of power consumption.

Цель изобретения - повышение КПД стабилизатора и уменьшение веса и габаритов.The purpose of the invention is to increase the efficiency of the stabilizer and reduce weight and dimensions.

Поставленная цель достигается тем, что стабилизатор напряжения постоянного тока, содержащий ряд Дараллельно соединенных основных и резервных преобразовательных ячеек, управляемых коммутатором, вход которого подключен к выходу широтно-импульсного модулятора, и датчик тока, снабжен узлом сравнения, релейным элементом, интегратором и сумматором сигнала исправности ячеек, выходы которого и датчика тока соединены со входами узла сравнения, которая своим выходо) через последовательно соединенные релейный элемент и интегратор подключена ко входу коммутатора.This goal is achieved in that a DC voltage stabilizer containing a series of parallel-connected primary and backup converter cells controlled by a switch, the input of which is connected to the output of a pulse-width modulator, and the current sensor is equipped with a comparison unit, a relay element, an integrator, and a health signal adder cells, the outputs of which and the current sensor are connected to the inputs of the comparison node, which is its output) through a series-connected relay element and an integrator connected to about the input of the switch.

На фиг. 1 показана структурная схема стабилизатора; на фиг. 2 и 3 график и схема, поясняющие работу устройства.In FIG. 1 shows a block diagram of a stabilizer; in FIG. 2 and 3, a graph and diagram explaining the operation of the device.

Стабилизатор напряжения постоянно го тока состоит из основных и резерв ных ячеек 1, широтно-импульсного модулятора 2 (ШИМ), коммутатора 3 ШИМ сигналов, датчика 4 тока нагрузки, сумматора 5, узла 6 сравнения, релейного элемента 7 и интегратора 8.The DC voltage stabilizer consists of primary and backup cells 1, pulse width modulator 2 (PWM), switch 3 PWM signals, load current sensor 4, adder 5, comparison unit 6, relay element 7 and integrator 8.

Схема работает следующим образом.The scheme works as follows.

В установившемся и переходных Iрежимах стабилизация выходного напря-жения обеспечивается посредством широтно-импульсного управления работой силовых транзисторов ячеек 1.In the steady state and transient I modes, stabilization of the output voltage is provided by pulse-width control of the operation of power transistors of cells 1.

В.зависимости от тока нагрузки 1^ коммутатор 3 пропускает ШИМ сигнал в нужное количество ячеек 1. Если ячейка 1 включена и исправна, с ее информационного выхода снимается сигнал ''исправно'¹ (с отключенных-илинеисправных ячеек сигнал ''исправно'' равен нулю). Все сигналы ''исправно'' включенных ячеек¹ суммируются на сумматоре 5, при этом величина общего сигнала с выхода сумматора определяет количество включенных, исправно работающих ячеек. Суммарный сигнал сравнивается на узле 6 сравнения с величиной тока нагрузки 1_н , измеряемой датчиком 4 тока. Если напряжение датчика тока и₄превышает напряжение на выходе сумматора и₅ , это свидетельствует о недостаточном числе включенных исправных ячеек. При этом разность U_e = U₄- U_g становится выше порога срабатывания реле ли, что приведет к появлению положительного напряжения U₇ на выходе релейного элемента и к- накапливанию напряжения на выходе интегратора 8. В силу этого происходит последовательное во времени срабатывание коммутатора 3 подключение дополнительных ячеек 1. Включение любой исправной ячейки сопровождается дискретным увеличением напряжения ϋ₅ , а следовательно, уменьшением разности U₆ = U4 ~ Ug При U₆< ¢, U на выходе интегратора 8 напряжение постоянно по величине, что обеспечивает постоянное состояние коммутатора 3 и постоянное количество включенных ячеек.B. Depending on the load current 1 ^ switch 3 passes the PWM signal to the desired number of cells 1. If cell 1 is turned on and working, the signal 'good' ¹ is removed from its information output (the signal 'good' from the disconnected or faulty cells is zero). All signals of the `` properly '' switched on cells ¹ are summed up on the adder 5, while the value of the total signal from the output of the adder determines the number of included, properly working cells. The total signal is compared on the comparison node 6 with the magnitude of the load current 1 _n , measured by the current sensor 4. If the voltage of the current sensor and ₄ exceeds the voltage at the output of the adder and ₅ , this indicates an insufficient number of switched on serviceable cells. In this case, the difference U _e = U ₄ - U _g becomes higher than the threshold of relay operation, which will lead to the appearance of a positive voltage U ₇ at the output of the relay element and to the accumulation of voltage at the output of the integrator 8. Due to this, the switch 3 is sequentially activated in time connecting additional cells 1. The inclusion of any working cell is accompanied by a discrete increase in voltage ϋ ₅ , and therefore, a decrease in the difference U ₆ = U4 ~ Ug For U ₆ <¢, U at the output of integrator 8, the voltage is constant in value, which ensures a constant state of the switch 3 and a constant number of enabled cells.

Если ток нагрузки уменьшается, разность ид-и_Б становится отрицательной, происходит срабатывание, релейного элемента 7 в другую сторону и, уменьшение напряжения на выходе интегратора. При этом последовательно во времени отключаются лишнде ячейки. Релейный элемент 7 необходим для обеспечения устойчивой работы канала Дискретной подстройки по »оку нагрузки.Постоянная заряда интегратора 8 может быть выбрана очень небольшой (несколько микросекунд) , поэтому подключение ячеек при бросках тока нагрузки происходит практически мгновенно, что исключает, перегрузку ранее включенных ячеек 1.If the load current decreases, the difference id and _B becomes negative, the relay element 7 is triggered in the opposite direction and, the voltage at the output of the integrator decreases. At the same time, extra cells are disconnected sequentially in time. Relay element 7 is necessary to ensure stable operation of the Discrete tuning channel according to the load window. The charge constant of the integrator 8 can be selected very small (a few microseconds), therefore, the connection of cells during inrush currents of the load occurs almost instantly, which eliminates the overload of previously connected cells 1.

При выходе из строя одной или нескользких Тячеек сигналы исправности с них становятся равными нулю, пото му уменьшается напряжение и₅ и происходит увеличение напряжения интегратора. При этом коммутатор .3 подключает новые ячейки вплоть до того момента, пока не выполнится равенство U_e = U_A - U₅. Если подключается неисправная ячейка, увеличение напряжения U_s не происходи! и коммутатор автоматически ''перебирает'' другие ячейки, пока.не включится исправная,In the event of failure of one or the non-slip Tages, the service signals from them become equal to zero, therefore, the voltage decreases and ₅ and the integrator voltage increases. At the same time, the .3 switch connects new cells until the equality U _e = U _A - U _{5 is} satisfied. If a faulty cell is connected, do not increase the voltage U _s ! and the switch will automatically `` iterate over '' the other cells until the healthy one is turned on,

В предложенной схеме независимо х>т числа резервных ячеек, которое определяется требуемым значением вероятности безотказной работы схемы, постоянно поддерживается оптимальное соотношение между числом включенных ячеек и током нагрузки. При этом каждая включенная ячейка находится в номинальном режиме работы, а отключенные (основные и резервные) не включены вообще, потому не потребляют мощности на управление, отсутствуют динамические потери в транзисторах и диодах, потери в дросселях и емкостях фильтров, потери от сквозных токов в двухтактных схемах. В известных схемах все резервные ячейки включаются в работу заранее и независимо от тока нагрузки принимают участие в работе. При малых значениях и большой доле резервных ячеек преимущества дискретной подстройки регулирующего органа по току значительно уменьшаются, так как снижается КПД из-за дополнительных потерь мощности в ''ненужных'' ячейках. Постоянное включение резервных ячеек в известных схемах необходимо для сохранения работоспособности схемы при отказах одной или нескольких включенных ячеек и является единственно возможным путем увеличения надежности в условиях отсутствия информации о исправности отдельных ячеек.In the proposed circuit, independently x> m of the number of backup cells, which is determined by the required value of the probability of failure-free operation of the circuit, the optimal ratio between the number of switched on cells and the load current is constantly maintained. Moreover, each switched-on cell is in the nominal operating mode, and disconnected (main and backup) are not turned on at all, therefore they do not consume control power, there are no dynamic losses in transistors and diodes, losses in the chokes and filter capacities, losses from through currents in push-pull schemes. In known schemes, all redundant cells are included in the work in advance and, regardless of the load current, take part in the work. At low values and a large proportion of redundant cells, the advantages of discrete adjustment of the regulator by current are significantly reduced, since efficiency is reduced due to additional power losses in the `` unnecessary '' cells. The constant inclusion of redundant cells in known circuits is necessary to maintain circuit operability in the event of failure of one or more switched cells and is the only possible way to increase reliability in the absence of information about the health of individual cells.

Второе преимущество предложенного стабилизатора по сравнению с известными состоит в том, что отключенная часть резервных и основных ячеек находится в ненагруженном (холодном) резерве, в то время как в известных резервная часть постоянно включена _аи находится я нагруженном (горячем) резерве. Ненагруженный резерв при том же количестве избыточных ячеек позволяет достичь большой надежности устройства, или же при одинаковой надежности уменьшить число резервных ячеек, т. е. массу и габариты стабилизатора.The second advantage of the stabilizer compared to known it is that the disconnected part of the reserve and the main cell is unloaded (cold) reserve, while in the known part of the reserve is always on _and I and is loaded (hot) reserve. Unloaded reserve with the same number of redundant cells allows to achieve high reliability of the device, or with the same reliability to reduce the number of redundant cells, i.e. the weight and dimensions of the stabilizer.

Сигнал исправности преобразовательной ячейки может сниматься с наиболее характерных точек схемы. Одним из наиболее удобных схемных решений снятия таких сигналов и их суммирование является последовательное включение вторичных обмоток сглаживающих дросселей и выпрямление (Суммарного напряжения (фиг. 3) . Поскольку питающее напряжение Up не постоянно по величине, необходимо в качестве сигнала ''исправно'* выделять напряжение - , прикладываемое ко вторичной обмотке дросселя во время закрытого состояния силового транзистора, что обеспечивается диодом 9 (фиг. 3). Резисторы 10 шунтируют каждую из дополнительных обмоток дросселя для исключения индуктивного характера внутреннего сопротивления информационной цепи отключенной ячейки.The health signal of the converter cell can be removed from the most characteristic points of the circuit. One of the most convenient circuit solutions for the removal of such signals and their summation is the sequential inclusion of the secondary windings of the smoothing reactors and rectification (Total voltage (Fig. 3). Since the supply voltage Up is not constant in magnitude, it is necessary to isolate the voltage as a signal * - applied to the secondary winding of the inductor during the closed state of the power transistor, which is provided by the diode 9. (Fig. 3) Resistors 10 shunt each of the additional windings of the inductor to exclude Inductive nature of the internal resistance of the information circuit of a disconnected cell.

Таким образом, использование предложенного технического решения позволяет повысить КПД стабилизатора при одновременном снижении его массы и габаритов.Thus, the use of the proposed technical solution allows to increase the efficiency of the stabilizer while reducing its weight and dimensions.

Claims

The invention relates to electrical engineering, in particular, to DC power supply devices and can be used in the development of secondary power sources. Pulse DC voltage stabilizers are known, the regulating organ of which consists of a powerful converter cell, a comparison circuit, and a pulse width modulator 1.. The disadvantages of such schemes are reduced efficiency when operating at low loads relative to the nominal value and low reliability. The closest technical solution is a DC voltage regulator containing a series of parallel-connected main and backup converter cells controlled by a switch, the input of which is connected to the output of a pulse-width modulator, and a current sensor 2. The disadvantage of such stabilizers is the inefficient use of reserve cells, which leads to a deterioration in the weight and size and energy performance of the device as a whole. This is due to the fact that in such schemes, the spare part of the cells is fully operational, regardless of the power consumption level. The purpose of the invention is to increase the efficiency of the stabilizer and increase the weight and size. The goal is achieved by the fact that the DC voltage regulator contains a series of parallel-connected main and backup converter cells controlled by a switch whose input is connected to the output of a pulse-width modulator, and the current sensor is equipped with a comparison node, a relay element, the integrator and adder of the cell health signal, the outputs of which and the current sensor are connected to the inputs of the comparison node, which is connected via the serially connected relay element and the integrator via its output to the input of the switch. FIG. 1 shows a block diagram of a stabilizer; FIGS. 2 and 3 are a graph and a diagram explaining the operation of the device. The DC voltage stabilizer consists of the main and the cutout cells 1, the pulse-width modulator 2 (PWM), the switch 3 PWM signals, the load current sensor 4, the adder 5, the reference node 6, the relay element 7 and the integrator 8. The scheme works as follows. In steady-state and transient modes, the output voltage is stabilized by pulse-width control of the power transistors of cells 1. B. Depending on load current 1, switch 3 passes the PWM signal to the required number of cells 1. If cell 1 is on and healthy, from its information output the signal is cleared correctly (the signal from the disconnected or inoperative cells is equal to zero). All signals are properly switched on -h: it is summed on adder 5, while the value of the total signal from the output of the adder determines the number of switched-on, properly working cells. The sum signal is compared at node b in comparison with the magnitude of load current 1 measured by current sensor 4. If the voltage of the current sensor U exceeds the voltage at the output of the adder Ug, this indicates an insufficient number of switched-on healthy cells. At the same time, the difference between Ug and - Ug becomes higher than the relay trigger threshold, which leads to the appearance of a positive voltage U-7 at the output of the relay element and to the accumulation of voltage at the integrator 8 output. switch 3, the connection of additional cells 1. The inclusion of any serviceable cell is accompanied by a discrete increase in the voltage Ug, and consequently, a decrease in the difference Ug U Ug When U6 is at the output of the integrator 8, the voltage is constant in magnitude The status of the commutator 3 and the constant number of cells turned on. If the load current decreases, the difference becomes negative, the relay element 7 is triggered in the other direction and the voltage decreases at the integrator output. With eB, successively in time, the cells turn off extra; 1e. Relay element 7 is necessary to ensure stable operation of the channel of discrete adjustment by “load eye.” Constant charge of integrator 8 can be chosen to be very small (several microseconds), therefore connecting cells at surges in load current occurs almost instantaneously, which excludes overload of previously switched cells 1 When one or several G cells fail, the health signals from them become equal to zero, because the voltage U5 decreases and the integrator voltage increases. In this case, the switch 3 connects the new flesh cells until the moment when the equality Ug U - Ug holds. If a malfunctioning cell is connected, the voltage Ug does not increase and the switch automatically goes through the other cells until it turns on properly. In the proposed scheme, regardless of the .rt. Of the number of backup cells, which is determined by the required probability value of the failure-free operation of the scheme, the optimum ratio between the number of switched-on cells and the load current is constantly maintained. In this case, each switched on cell is in the nominal mode of operation, and the disconnected ones (main and standby) are not switched on at all, therefore they do not consume power for control, there are no dynamic losses in transistors and diodes, losses in throttle and filter capacitors currents in push-pull circuits. In accordance with the diagrams, all backup cells are included in the work in advance and, regardless of the load current, take part in the work. With small values and a large proportion of backup cells, the benefits of discrete adjustment of the regulator over current are significantly reduced, as the efficiency is reduced due to the additional power loss in unnecessary cells. The permanent inclusion of backup cells in known circuits is necessary to preserve the efficiency of the circuit when one or more of the included cells fail, and is the only possible way to increase the reliability in the absence of information on the health of individual cells. The second advantage of the proposed stabilizer in comparison with the actual ones is that the disconnected part of the reserve and main cells is in the unloaded (cold) reserve, while in the known reserve the permanent part is permanently on and in the loaded (hot) reserve. An unloaded reserve with the same number of redundant cells allows achieving a high reliability of the device, or, with the same reliability, reducing the number of reserve cells, i.e., the weight and dimensions of the stabilizer. The transducer cell health signal can be removed from the most characteristic points of the circuit. One of the most convenient circuit solutions for the removal of such signals and their summation is the sequential connection of the secondary windings of smoothing chokes and rectification of the Total Voltage (Fig. 3). Since the power supply voltage Up is not constant in magnitude, it is necessary as a signal to work properly, but to apply voltage to the secondary winding of the throttle during the closed state of the power transistor, which is provided by diode 9 (Fig. 3). Resistors 10 shunt each of the additional windings of the throttle to eliminate the inductive nature of the internal resistance of the information circuit of the switched cell. Thus, the use of the proposed technical solution makes it possible to increase the efficiency of the stabilizer while reducing its mass and dimensions. Claims The DC voltage regulator containing a series of parallel-connected main and backup converter cells is controlled by a switch whose input is connected to the output of a pulse-width modulator, and a current sensor, characterized in that, in order to improve efficiency and reduce mass and dimensions, the stabilizer is equipped with a comparison node, a relay element, an integrator and an adder of the cell health signals, the outputs of which and the current sensor are connected to the inputs of the comparison node, which by its output through Consequently, a relay element and an integrator are connected to the input of the switch. Sources of information taken into account during the examination 1. Duplin N.I. and others. Wide-range constant voltage stabilizer of high reliability. Electronic technology in automation. Ed. Yu.I. Kozheva. Soviet Radio, 1976, vol. 8. 2./{uplin N.I., Milovzorov V.P., .Musolin AK The use of adaptable structures in food systems. . Devices of secondary sources elektropITinn REA. MDNTP, M., 1976.. with. 32-36.

s

whether