Преобразователь напряжения с защитой от перегрузки
Преобразователь напряжения с защитой от перегрузки относится к высокочастотным транзисторным преобразователям, используемым в схемах источников вторичного электропитания (ИВЭП), а более точно к устройствам для защиты от сбоев коммутируемых элементов и замагничивания трансформаторов инверторных схем.
Полезная модель может использоваться в устройствах защиты коммутируемых элементов, таких как IGBT, и других полупроводниковых элементов, использующихся в инверторных схемах.
Задача полезной модели - предотвратить возникновение бросков токов при пусках инвертора.
Поставленная задача решается тем, что в преобразователе напряжения с защитой от перегрузки, содержащем высокочастотный преобразователь (инвертор), первый вход которого подключен к первому выводу источника питания через дроссель токоограничения и датчик тока, зашунтированные диодом, выход датчика тока соединен с одним из входов усилителя обратной связи, связанного с первым входом быстродействующего компаратора отсечки, на другой вход которого поступает опорное напряжение с внешнего контроллера, а выход связан с блоком управления инвертором на основе ШИМ преобразователя, выходы которого связаны с управляющими входами преобразователя напряжения (инвертора), первый вход указанного компаратора соединен с выходом операционного усилителя через обратный диод, кроме того, в устройство введена схема интегратора, состоящего из второго операционного усилителя и конденсатора, выход интегратора через обратный диод соединен с первым входом указанного компаратора, на один вход интегратора подается опорное напряжение с внешнего источника, а на другой - напряжение включения с внешнего контроллера.
Полезная модель относится к высокочастотным транзисторным преобразователям, используемым в схемах источников вторичного электропитания (ИВЭП), а более точно к устройствам для защиты от сбоев коммутируемых элементов и замагничивания трансформаторов инверторных схем. Полезная модель относится к устройствам защиты коммутируемых элементов, таких как IGBT, и других полупроводниковых элементов, использующихся в инверторных схемах. Для многих применений, в частности, для систем электроснабжения, используемых на космических аппаратах, существует необходимость в том, чтобы инверторная ступень имела малый вес и стоимость, была достаточно простой и надежной. Другое требование заключается в том, что системы электроснабжения работали на переменном токе с частотой намного более высокой, чем обычные наземные системы электроснабжения, например, 50 кГц, для дальнейшего снижения веса других элементов системы электроснабжения. Конверторы для таких систем преобразования постоянного тока в переменный ток высокой частоты достаточно сложны, и часто не имеют достаточной защиты от аварийных режимов.
В известных преобразователях (патент Японии. 
449348, "Способ и устройство защиты шим-инвертора от токовой перегрузки", патент США 5175676, "Усовершенствованная защита от короткого замыкания для преобразователей постоянного тока в переменный") для защиты силовых ключей от токовой перегрузки и коротких замыканий используется датчик тока и пороговые устройства, которые либо выключают преобразователь, либо переводят его в режим ограничения тока. Однако в транзисторных силовых ключах в мостовых схемах в связи с высокой скоростью нарастания тока датчики тока и пороговые устройства не обеспечивают защиту от выхода из строя транзисторов одного плеча, если они по каким-либо причинам окажутся одновременно открытыми. Установка в плечи моста ограничивающих резисторов и дросселей снижает КПД и увеличивает габариты. При включении и выключении преобразователя переходные процессы, происходящие в реактивных элементах, могут вывести силовые ключи из строя.
Известны схемы преобразователей напряжения с защитой от перегрузок, содержащие датчик тока во входной силовой цепи и блок защиты, включенный в цепь питания блока управления конвертора (см. патенты РФ 1065996, патент РФ 2110133). Недостаток таких схем заключается в том, что при скачкообразном изменении тока, защита не успевает сработать, и по силовым ключам проходит большой ток, который может привести к сбою работы инвертора, либо даже к выходу из строя ключевых элементов.
Известен преобразователь напряжения с защитой от перегрузки по патенту РФ 2269195, содержащий высокочастотный преобразователь, первый вход которого через датчик тока подключен к первому выводу источника питания, второй его вход подключен ко второму выводу источника питания, первый и второй выходы его подключены соответственно к первому и второму выводам первичной обмотки трансформатора, первый и второй выводы вторичной обмотки которого через последовательно соединенные выпрямитель и LC-фильтр подключены соответственно к первому и второму выходным выводам преобразователя. К первому выходному выводу преобразователя подключен первый вход узла обратной связи, второй вход которого подключен к выходу выпрямителя, выход узла обратной связи связан с первым входом блока управления. Блок управления содержит задающий генератор и формирователь управляющего сигнала, выполненный на основе широтно-импульсного модулятора. Элемент обратной связи выполнен на основе оптопары. Для предотвращения блокирования высокочастотного преобразователя при Iнаг>Imax введен транзисторный ключ, через который проходит возникший коммутационный выброс. Далее срабатывает защита, основанная на обратной связи.
Несмотря на некоторое повышение устойчивости работы при возникновении переходных процессов, схема не обеспечивает защиты ключевых элементов инвертора от скачкообразного изменения тока, в результате чего силовые транзисторы могут выйти из строя из-за ненормированного увеличения тока.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является преобразователь напряжения с защитой от перегрузки по полезной модели РФ 77730, содержащий высокочастотный преобразователь (инвертор), первый вход которого подключен к первому выводу источника питания через дроссель токоограничения и датчик тока, зашунтированные диодом, выход датчика тока соединен с одним из входов усилителя обратной связи, связанного с одним из входов быстродействующего компаратора отсечки, на другой вход которого поступает опорное напряжение с внешнего контроллера, а выход связан с блоком управления инвертором на основе ШИМ преобразователя, выходы которого связаны с управляющими входами преобразователя напряжения (инвертора). Устройство позволяет защитить ключевые транзисторные элементы от неправильной коммутации и выходу из строя. Недостатком указанного преобразователя является возможность ложного срабатывания защиты в пусковых режимах работы инвертора. В пусковых режимах возникают пусковые броски тока, которые могут вызвать срабатывание защиты, не дающее возможность включиться в режим работы.
Задача полезной модели - предотвратить возникновение бросков токов при пусках инвертора.
Поставленная задача решается тем, что в преобразователе напряжения с защитой от перегрузки, содержащем высокочастотный преобразователь (инвертор), первый вход которого подключен к первому выводу источника питания через дроссель токоограничения и датчик тока, зашунтированные диодом, выход датчика тока соединен с одним из входов усилителя обратной связи, связанного с первым входом быстродействующего компаратора отсечки, на другой вход которого поступает опорное напряжение с внешнего контроллера, а выход связан с блоком управления инвертором на основе ШИМ преобразователя, выходы которого связаны с управляющими входами преобразователя напряжения (инвертора), первый вход указанного компаратора соединен с выходом операционного усилителя через обратный диод, кроме того, в устройство введена схема интегратора, состоящего из второго операционного усилителя и конденсатора, выход интегратора через обратный диод соединен с первым входом указанного компаратора, на один вход интегратора подается опорное напряжение с внешнего источника, а на другой - напряжение включения с внешнего контроллера.
Далее сущность полезной модели поясняется рисунком, на котором представлена схема преобразователя напряжения с защитой от токовой перегрузки.
Преобразователь напряжения с защитой от перегрузки содержит высокочастотный преобразователь (инвертор) 1, первый вход которого соединен с первым выводом источника питания через последовательно соединенные датчик тока 2 и дроссель токоограничения 3, а второй его вход соединен непосредственно со вторым выводом источника питания. Выходные выводы высокочастотного преобразователя соединены с первичной обмоткой трансформатора 5, вторичная обмотка которого через последовательно соединенные выпрямитель и LC-фильтр связана с выходными выводами преобразователя. Цепь, включающая датчик тока 2 и дроссель 3 зашунтирована диодом 4, анод которого соединен с дросселем 3, а катод - с датчиком тока 2. Выход датчика тока 2 соединен с первым входом усилителя обратной связи 6, выполненного на основе операционного усилителя. Выход усилителя обратной связи 6 связан с быстродействующим компаратором отсечки 7 через обратный диод 8. Выход компаратора 7 связан с блоком управления 9, в состав которого входит формирователь управляющего сигнала на основе широтно-импульсного модулятора, выходы которого связаны с управляющими входами высокочастотного преобразователя 1. На другой вход компаратора 7 поступает опорное напряжение (Uоп), являющееся напряжением для защиты по максимальному току. Схема интегратора 10 состоит из второго операционного усилителя 11 и конденсатора 12. На первый входы интегратора поступает напряжение Uоп1 от внешнего источника питания, на второй вход - напряжение Uвкл от внешнего контроллера. Выход интегратора 10 чрез обратный диод 13 соединен с первым входом компаратора 7.
В пусковых режимах работы инвертора возникают сверхтоки, вызывающие срабатывание защиты и преждевременному выходу из строя силовых ключей инвертора 1. Для устранения этих недостатков, безударные, плавные пуски инвертора обеспечиваются за счет интегратора 10 системы управления. Операционный усилитель 6 и интегратор 10 системы управления, включены по схеме ИЛИ через диоды 8 и 13. При подаче напряжения питания в систему управления, но при отсутствии напряжения включения Uвкл (неинверсный вход интегратора 10), блок управления 9 не вырабатывает управляющих импульсов, инвертор 1 готов к работе, силовые ключи инвертора находятся в режиме отсечки, напряжение Uвых равно нулю.
После подачи управляющего напряжения включения Uвкл, напряжение на выходе интегратора 10 начинает плавно нарастать, обеспечивая плавное нарастание напряжения задания, поступающее на инверсный вход компаратора 7. Таким образом, на силовые ключи инвертора 1 с блока управления 9 поступают импульсы управления с плавно нарастающей шириной, от нулевой до номинальной величины, соответствующей нормальному режиму работы инвертора. Стабилизация выходных параметров инвертора осуществляется с помощью усилителя обратной связи 6, на входах которого сравниваются сигнал опоры и сигнал обратной связи по току, поступающий с датчика тока 2.
При резких коммутационных процессах, когда темп нарастания входного тока превышает максимально допустимый, при этом сигнал рассогласования с компаратора 7 поступает на блок управления 9 с задержкой, не обеспечивается защита от выхода из строя силовых ключей инвертора 1. Для решения этой проблемы в предлагаемом устройстве входной ток на ключи инвертора поступает через токоограничивающий дроссель 3, с параллельным обратным диодом 4. За счет наличия дросселя 3, темп нарастания тока замедляется до 1 А/мкс. За время нарастания аварийного тока сигнал рассогласования с компаратора 7, поступающий на блок управления 9 успевает обеспечить своевременный запрет на работу силовых ключей инвертора 1. В периоды межкоммутационных пауз, напряжение на дросселе 3 спадает за счет отпирающегося диода 4. Пока ток в дросселе не достигнет номинального значения, управление силовыми ключами инвертора будет заблокировано.
Предложенная схема защиты инвертора позволяет защитить ключевые транзисторные элементы от неправильной коммутации и выходу из строя из-за воздействия бросков тока в пусковых режимах работы.
Преобразователь напряжения с защитой от перегрузки, содержащий высокочастотный преобразователь (инвертор), первый вход которого подключен к первому выводу источника питания через дроссель токоограничения и датчик тока, зашунтированные диодом, выход датчика тока соединен с одним из входов усилителя обратной связи, связанного с одним из входов быстродействующего компаратора отсечки, на другой вход которого поступает опорное напряжение с внешнего контроллера, а выход связан с блоком управления инвертором на основе ШИМ преобразователя, выходы которого связаны с управляющими входами преобразователя напряжения (инвертора), отличающийся тем, что первый вход указанного компаратора соединен с выходом операционного усилителя через обратный диод, кроме того, в устройство введена схема интегратора, состоящего из второго операционного усилителя и конденсатора, выход интегратора через обратный диод соединен с первым входом указанного компаратора, на один вход интегратора подается опорное напряжение с внешнего источника, а на другой - напряжение включения с внешнего контроллера.
