Полномостовой источник питания с ассиметричной схемой управления силовыми ключами без аппаратного шим контроллера

Полномостовой источник питания с ассиметричной схемой управления силовыми ключами без аппаратного ШИМ контроллера относится к области электротехники, в частности, к преобразователям напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока, с защитой от возникновения внештатных ситуаций и неверных действий при эксплуатации, имеет гальваническую изоляцию с возможностью программного задания выходного напряжения в широком диапазоне. ПМ содержит в своем составе микроконтроллер, формирующий импульсы управления силовыми ключами, а так же измеряющий уровень выходного тока и напряжения и корректирующий ширину и частоту импульсов для поддержания необходимого уровня тока или напряжения. Так же ПМ содержит блоки защиты от перепадов напряжения, блок защиты от перегрузки и блок защиты от превышения напряжения, позволяющий защитить устройство в случае короткого замыкания выходов или обрыва нагрузки. Так же ПМ позволяет осуществлять задание уровня выходного напряжения и тока через цифровой интерфейс с удаленного устройства.

Полезная модель (ПМ) относится к области электротехники, в частности, к преобразователям напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока, с защитой от возникновения внештатных ситуаций и неверных действий при эксплуатации, без аппаратного ШИМ-контроллера, имеет гальваническую изоляцию с возможностью программного задания выходного напряжения в широком диапазоне.

Известен интеллектуальный источник питания (патент РФ 92210, G06F 1/00 от 02.11.2009 г.). Известный интеллектуальный источник питания содержит преобразователь напряжения, состоящий из шести полевых транзисторов, четырех драйверов затвора полевого транзистора и автотрансформатора, выходной фильтр, состоящий из двух LR-контуров, конденсатора, симметрирующего трансформатора, двух варисторов, RC-цепочки и разрядника, выходной фильтр, состоящий из RC-цепочки, диода, трех сглаживающих дросселей, двух сглаживающих конденсаторов, датчика тока, датчика напряжения, двух проходных конденсаторов и резистора, микроконтроллер, приемо-передатчик последовательного интерфейса, входную положительную шину, выходную положительную шину, общую отрицательную шину.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками ПМ, являются: микроконтроллер, приемо-передатчик последовательного интерфейса, драйвера затвора полевого транзистора, выходной фильтр, датчик тока, датчик напряжения.

В известном интеллектуальном источнике питания отсутствует электрическая изоляция между входными и выходными цепями, а так же блоки защиты от перезагрузок и превышения допустимого напряжения.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство «Интеллектуальный источник питания» (патент РФ 112540, Н02М 7/00, 2006), содержащее входной фильтр, преобразователь напряжения, выходной фильтр, микроконтроллер, приемопередатчик интерфейса, входную положительную шину, выходную положительную шину, причем преобразователь напряжения содержит четыре полевых транзистора, четыре драйвера затвора полевого транзистора, при этом четыре выхода порта универсальных входов/выходов микроконтроллера соединены с соответствующими драйверами затвора полевого транзистора, выходной фильтр содержит последовательную RC-цепь, три сглаживающих дросселя, два сглаживающих конденсатора, датчик тока, датчик напряжения, два проходных конденсатора, обкладки которых соединены с помощью резистора, при этом первый выход датчика тока соединен с первым входом, а выход датчика напряжения - со вторым входом аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера, второй выход датчика тока соединен с первым входом датчика напряжения и через первый проходной конденсатор - с положительным выходом источника питания, выходной фильтр заключен в экранирующий контур, в который включены два проходных конденсатора и резистор, порт UART микроконтроллера соединен с первыми выводами приемопередатчика интерфейса, вторые выводы которого подсоединяются к внешним устройствам (компьютер, тумблер включения, пульт управления), порт JTAG микроконтроллера подсоединяется к интерфейсу JTAG рабочего места для настройки и отладки программ микроконтроллера, входной фильтр содержит два дросселя, симметрирующий трансформатор, два варистора, отличающийся тем, что входной фильтр дополнительно содержит дроссель и варистор, при этом фаза «А» источника питания через первый дроссель и первую обмотку симметрирующего трансформатора соединена с первым и вторым варисторами, фаза «В» источника питания через второй дроссель и вторую обмотку симметрирующего трансформатора соединена со вторым и третьим варисторами, фаза «С» источника питания через третий дроссель и третью обмотку симметрирующего трансформатора соединена с первым и третьим варисторами, выходы входного фильтра соединены с дополнительными первичными обмотками силовых трансформаторов, соединенных «звездой», и входами трехфазного выпрямителя, в состав которого входят шесть диодов и конденсатор, один из выходов выпрямителя подключается к входной положительной шине, а другой - к входной отрицательной шине, преобразователь напряжения дополнительно содержит параллельную RL-цепь, первичную обмотку трансформатора, две последовательные RC-цепи и варистор, при этом стоки первого и второго полевых транзисторов соединены с входной положительной шиной, исток первого полевого транзистора соединен с параллельной RL-цепью и стоком третьего полевого транзистора, исток второго полевого транзистора соединен со вторым выводом первичной обмотки трансформатора, последовательной RC-цепью, и стоком четвертого полевого транзистора, первый вывод первичной обмотки трансформатора соединен с параллельной RL-цепью и последовательной RC-цепью, истоки третьего и четвертого полевых транзисторов соединены с входной отрицательной шиной, входная положительная шина соединена с входной отрицательной шиной через вторую последовательную RC-цепь и варистор, выходной фильтр дополнительно содержит вторичную обмотку трансформатора, два полевых транзистора, два драйвера затвора полевого транзистора, два диода, последовательную RC-цепь и варистор, при этом вторичная обмотка трансформатора зашунтирована первой последовательной RC-цепью, первый вывод вторичной обмотки трансформатора соединен с первым сглаживающим дросселем, стоком второго полевого транзистора и катодом второго диода, второй вывод вторичной обмотки трансформатора соединен со вторым сглаживающим дросселем, стоком первого полевого транзистора и катодом первого диода, причем точка соединения первого и второго сглаживающего дросселя и первого сглаживающего конденсатора через третий сглаживающий дроссель соединена с входом датчика тока, выходная положительная шина соединена с выходной отрицательной шиной через последовательную RC-цепь, второй сглаживающий конденсатор и варистор, при этом истоки первого и второго полевых транзисторов, аноды первого и второго диодов соединены с выходной отрицательной шиной, два выхода порта универсальных входов/выходов микроконтроллера соединены с первым и вторым драйверами затвора полевого транзистора, вторичные обмотки силовых трансформаторов соединены с дополнительными однофазными выпрямителями, состоящие каждый из четырех диодов, выходы однофазных выпрямителей соединены с третьим, четвертым и пятым входами аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера, и через диодную развязку с вторичным источником питания микроконтроллера, выход которого соединен с входом питания микроконтроллера.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками ПМ, являются блоки: входной фильтр (блок фильтра и защиты от перепадов напряжения у ПМ), выпрямитель (блок выпрямления входного напряжения у ПМ), вторичный источник питания микроконтроллера (блок вспомогательного питания у ПМ), микроконтроллер (блок микроконтроллера у ПМ), выпрямитель и выходной фильтр (блок выпрямления и фильтров у ПМ), датчик тока (блок измерителя выходного тока у ПМ), приемопередатчик интерфейса (блок цифрового интерфейса у ПМ).

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: отсутствие блока защиты от перегрузки, блока защиты от превышения напряжения, блока измерителя входного тока. Отсутствие этих блоков у аналога не позволяет обеспечить полноценную защиту источника питания в случае короткого замыкания выхода или обрыва нагрузки, т.к. на оцифровку выходного напряжения примененному в аналоге микроконтроллеру MSP430F5437IPN требуется некоторое время, что не позволяет отслеживать динамичные всплески выходного напряжения, например, при обрыве нагрузки. Так же отсутствие блока измерения входного тока и блока защиты от перегрузки не позволяет защитить входные ключи при кратковременных токовых перегрузках.

Задача, на решение которой направлена ПМ, состояла в создании мостового источника питания с ассиметричной схемой управления силовыми ключами без аппаратного ШИМ контроллера с защитой от возникновения внештатных ситуаций и неверных действий при эксплуатации, имеющего гальваническую изоляцию с возможностью программного задания выходного напряжения в широком диапазоне.

Технический результат достигается тем, что ПМ содержит микроконтроллер, блок согласования уровней тока и напряжения, блок измерителя входного тока, блок измерителя выходного тока, блок фильтров и защиты от перепадов напряжения, блок защиты от перегрузки, блок защиты от скачков напряжения.

Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом (фиг.), где:

1) блок силовых ключей;

2) блок измерителя входного тока;

3) блок силового трансформатора;

4) блок выпрямления и фильтров;

5) блок измерителя выходного тока;

6) блок фильтра и защиты от перепадов напряжения;

7) блок управления силовыми ключами;

8) блок выпрямления входного напряжения;

9) блок гальванической изоляции;

10) блок защиты от перегрузки;

11) блок защиты от превышения напряжения;

12) блок согласования уровней тока и напряжения;

13) блок вспомогательного питания;

14) блок микроконтроллера;

15) блок цифрового интерфейса.

Работа устройства начинается с подачи питающего напряжения на блок фильтра и защиты от перепадов напряжения (6). В этом блоке входное напряжение, поступающее на модуль, фильтруется и дальше подается на блок выпрямления входного напряжения (8), где переменное напряжение преобразуется в постоянное и подается на блок силовых ключей (1) и блок вспомогательного питания (13).

Бок вспомогательного питания (13) формирует гальванически изолированное от входных цепей питающее напряжения для управляющей части: блока микроконтроллера (14), а так же формирует неизолированное питающее напряжение для блока управления силовыми ключами (7).

После того, как блок вспомогательного питания сформирует все необходимые напряжения для работы модуля, запускается блок микроконтроллера (14). Этот блок определяет основной алгоритм работы всего устройства. После запуска блок микроконтроллера опрашивает блок согласования уровней тока и напряжения (12), блок цифрового интерфейса (15). После диагностики и опроса всех систем блок микроконтроллера (14) выдает управляющие импульсы через блок гальванической изоляции (9) на блок управления силовыми ключами (7), который, в свою очередь, формирует сигналы открытия и закрытия на блок силовых ключей (1).

Далее, с помощью блока силовых ключей (1) входное напряжение импульсами подается на блок силового трансформатора (3), где входное напряжение понижается и подается на блок выпрямления и фильтров (4), после чего, проходя через блок измерителя выходного тока (5), подается на нагрузку.

Данные об уровне выходного тока и напряжения поступают на блок согласования уровней тока и напряжения (12). В этом блоке согласуются уровни выходного тока и напряжения в уровни, необходимые блоку микроконтроллера(14).

Блок измерителя входного тока (2) предназначен для измерения тока, протекающего через силовые ключи. Измеренный ток подается на блок защиты от перегрузки (10), который сравнивает уровень текущего тока с максимально допустимым уровнем и, в случае его превышения, блокирует управляющие импульсы, формируемые блоком микроконтроллера (14).

Блок защиты от превышения напряжения (11) контролирует выходное напряжение и сравнивает его с максимально допустимым. Если выходное напряжение превышает заданный порог, то этот блок блокирует управляющие импульсы, формируемые блоком микроконтроллера (14).

В настоящее время на предприятии ООО "ПИК" изготовлен один опытный образец предлагаемого устройства. Испытания подтвердили его работоспособность и соответствие всем заявленным характеристикам.

Полномостовой источник питания с ассиметричной схемой управления силовыми ключами без аппаратного ШИМ контроллера, содержащий блок микроконтроллера, передающий импульсы управления через блок гальванической изоляции на блок управления силовыми ключами, блок согласования уровней тока и напряжения, блок фильтра и защиты от перепадов напряжения, блок выпрямления входного напряжения, подключенный к блоку вспомогательного питания и блоку силовых ключей, формирующему импульсы на блок силового трансформатора, подключенный к блоку выпрямления и фильтров, отличающийся тем, что содержит блок измерения входного тока, подключенный к блоку защиты от перегрузки, блок защиты от превышения напряжения, подключенный к блоку выпрямления и фильтров и формирующий команды блокировки для блока микроконтроллера.