Способ управления импульсным понижающим преобразователем напряжения со стабилизацией тока (варианты)

Изобретение относится к электротехнике, а именно, к способам управления импульсными преобразователями постоянного напряжения и тока, которые широко применяются для питания различных устройств во многих областях техники. При использовании такого преобразователя для имитации солнечной батареи для испытаний систем электроснабжения космических аппаратов важной задачей является стабилизация выходного тока преобразователя. Для этой цели необходимо обеспечить максимальное быстродействие реакции преобразователя на изменение напряжения.

Известен способ стабилизации предельного тока в преобразователе постоянного напряжения с ШИМ, когда полученный сигнал рассогласования текущего значения тока преобразователя и опорного значения тока, задающего его граничное значение, суммируется с сигналом рассогласования по напряжению. При этом с помощью нелинейного элемента с односторонней проводимостью исключается влияние токовой обратной связи на работу преобразователя до тех пор, пока его рабочий ток не превысит граничное значение. В режиме стабилизации предельного тока на выходе усилителя сигнала ошибки формируется результирующий сигнал рассогласования по току и напряжению, который с помощью синхронизирующего напряжения пилообразной формы преобразуется в выходной сигнал ШИМ (А.И. Чернышев, Ю.М. Казанцев, Е.Н. Патлахов. Стабилизатор напряжения с повышенной функциональной надежностью. - В кн.: Высокоэффективные источники и системы вторичного электропитания РЭА. Материалы семинара. Москва, 1983 г., с. 92-96.)

Модификацией известного способа стабилизации предельного тока преобразователя является случай, когда сигнал рассогласования по току через отдельный усилитель сигнала ошибки и нелинейный элемент суммируется с усиленным сигналом рассогласования по напряжению (Системы электропитания космических аппаратов / Б.П. Соустин, В.И. Иванчура, А.И. Чернышев, Ш.Н. Исляев. - Новосибирск: ВО "Наука". Сибирская издательская фирма, 1994. - 318 с.).

Обоим рассмотренным способам управления присущи недостатки:

- токовый контур работает только при превышении током предельной величины;

- низкая скорость реакции регулятора на возмущающее воздействие, вызванное изменением нагрузки, из-за низкой скорости обработки ошибки регулирования.

Известен способ управления импульсным преобразователем постоянного напряжения со стабилизацией предельного тока по патенту РФ №2249842, в котором выходной ШИМ-сигнал управления регулирующим элементом преобразователя получают в результате конъюнкции двух ШИМ-сигналов, первый из которых формируют на основе сигнала рассогласования по напряжению, а второй - на основе сигнала рассогласования по току. При этом уровень сигнала рассогласования по току корректируется в зависимости от значения демодулированного выходного ШИМ-сигнала управления регулирующим элементом.

Недостаток указанного решения заключается в том, что главная цель - стабилизация напряжения, а стабилизация тока происходит не в полном его диапазоне, а только в случае, когда ток достигает заданного предельного значения. Кроме того, недостатком является замедленная скорость реакции регулятора за счет медленной скорости обратной связи по напряжению, вызванной медленной работой ПИД-регулятора в цепи обратной связи по напряжению.

В качестве прототипа принят способ управления импульсным преобразователем, описанный в патенте США №5479090. Способ основан на использовании сигнала с датчика тока через ключевой элемент, сигнала с датчика тока выходного тока преобразователя и сигнала с датчика выходного напряжения. При этом преобразователь может работать в режиме стабилизации тока или в режиме стабилизации напряжения. При работе в режиме стабилизации тока с помощью этого способа получают сигнал рассогласования текущего значения тока преобразователя и опорного значения тока, суммируют его с пилообразным сигналом, полученным с генератора пилообразного сигнала при поступлении на него сигнала выходного напряжения преобразователя, полученный суммарный сигнал сравнивают с сигналом датчика тока через ключевой элемент, и при равенстве этих сигналов происходит формирование коэффициента заполнения тактового сигнала ШИМ с заданной частотой.

Недостатками данного способа является сложность схемы его реализации, а также низкая устойчивость к помехам. Всплеск шума генерируется при каждом включении ключевого элемента. Так как в качестве опорного сигнала формирования коэффициента заполнения используется сигнал с датчика тока ключа, то коэффициент заполнения не может равняться 0. Это обусловлено тем, что в момент коммутации ключ пропускает по сути ток короткого замыкания через возвратный диод длительностью времени равной длительности времени обратного восстановления диода. Сигнал с датчика тока на данном промежутке времени не может выступать в качестве опорного. Потому должна формироваться определенная задержка времени до начала сравнения сигналов формирования коэффициента заполнения.

Кроме того, такой метод управления нестабилен при коэффициенте заполнения больше 0,5, требуя применения компенсационной схемы, соединенной с входом компаратора для устранения этой нестабильности.

Задачей изобретения является упрощение схемы реализации способа с одновременным уменьшением пульсаций по току на выходе преобразователя понижающего типа со стабилизацией тока, за счет ускорения реакции на возмущающее воздействие, вызванное изменением выходного напряжения.

Поставленная задача реализуется тем, что в первом варианте способа управления импульсным преобразователем постоянного напряжения со стабилизацией тока, основанном на широтно-импульсной модуляции сигнала управления ключевым элементом, заключающемся в том, что в контуре управления током измеряют текущее значение тока преобразователя и получают сигнал рассогласования текущего значения тока преобразователя и его опорной величины, полученный сигнал рассогласования, суммируют с сигналом, пропорциональным выходному напряжению преобразователя, и полученным суммарным сигналом формируют ШИМ-сигнал управления ключевым элементом.

Во втором варианте способа управления импульсным преобразователем постоянного напряжения со стабилизацией тока, основанном на широтно-импульсной модуляции сигнала управления ключевым элементом, заключающемся в том, что в контуре управления током измеряют текущее значение тока преобразователя, получают сигнал рассогласования текущего значения тока преобразователя и его опорной величины, полученный сигнал рассогласования, суммируют с сигналом, пропорциональным результату деления выходного напряжения преобразователя на его входное напряжение, и полученным суммарным сигналом формируют ШИМ-сигнал управляющий ключевым элементом.

Сущность изобретения заключается в том, что введение обратной связи непосредственно по выходному напряжению или по сигналу деления этого напряжения на входное напряжение увеличивает скорость реакции преобразователя на изменение выходного напряжения, поскольку коэффициент заполнения выходных импульсов ШИМ в понижающем преобразователе пропорционален выходному напряжению (γ=U_вых/U_вх).

Пример функциональной схемы, реализующей предлагаемый способ управления показан на Фиг. 1. Входное напряжение постоянного тока U_вх поступает на импульсный понижающий преобразователь 1. В качестве ключа 2 в преобразователе 1 обычно применяют транзистор, Коммутация ключевого транзистора 2 обычно управляется импульсным модулятором, например ШИМ - контроллером 3. Схема обратной связи генерирует управляющий сигнал для рабочего цикла ШИМ-контроллера 3. Канал регулирования тока состоит из сумматора 4, который на основании сравнения сигнала обратной связи по току с датчика тока 5 и опорного сигнала I_Уст вырабатывает сигнал рассогласования по току с помощью ПИД - регулятора 6, сигнал с которого поступает на второй сумматор 7. Сумматор 7 соединен с выходом преобразователя. На второй вход сумматора 7 поступает сигнал выходного напряжения U_Вых, На выходе сумматора 7 формируется сигнал управления ШИМ-контроллером 3. Использование сигнала, пропорционального выходному напряжению, позволяет практически мгновенно установить требуемую длительность импульса.

Кроме того, по сравнению с прототипом устраняются помехи, вызванные при сравнении с пилообразным сигналом сигнала рассогласования по току. Это поясняется диаграммой, представленной на фиг. 3. Формирование коэффициента заполнения происходит традиционным способом, т.е. опорный пилообразный сигнал сравнивается с суммарным сигналом. На фиг. 3 Uп(t) - пилообразный сигнал, е(t) - сигнал рассогласования (в нашем случае суммарный сигнал), Uvt(t) - получаемый сигнал ШИМ с длительностью импульса t_и и периодом Т.

Второй вариант способа предназначен для случаев нестабильного входного напряжения, и реализуется с помощью аналогичного устройства, которое показано на Фиг. 2. В устройство введена схема перемножителя 8, на входы которого поступают напряжения U_вх, и U_вых преобразователя, на выходе получаем сигнал пропорциональный результату деления U_вых на U_вх. Этот сигнал поступает на второй вход сумматора 7, где суммируется с сигналом рассогласования по току, преобразованным ПИД-регулятором 6. На выходе сумматора 7 формируется сигнал управления ШИМ-контроллером 3. Использование сигнала, пропорционального результату деления выходного напряжения на входное напряжение преобразователя позволяет не только мгновенно установить требуемую длительность импульса но и устранить влияние нестабильности входного напряжения на стабилизацию тока.

Проведенные эксперименты показали эффективность данного способа управления для стабилизации тока преобразователя.

На Фиг. 4 и фиг. 5 осциллограммы тока и реакции регулятора на возмущающее воздействие для первого и второго вариантов способа, соответственно.

Таким образом, предложенный способ, при простоте схемной реализации, обеспечивает стабилизацию выходного тока преобразователя независимо от изменений входного или выходного напряжений.