Способ компенсации искажения формы импульсов

Изобретение относится к электротехнике, в частности к способу контроля параметров тока и может применяться при проектировании преобразователей напряжения для построения узла контроля тока в цепи силового трансформатора.

Известно устройство МС34025 (продукция компании ON Semiconductor; https://www.onsemi.com/pdf/datasheet/mc34025-d.pdf, фиг. 3), представляющее собой двухтактный ШИМ-контроллер с функцией ограничения тока в каждом цикле и с функцией защиты по току от сверхперегрузок.

Реализацию функции блокировки компаратора токовой защиты на короткий регулируемый интервал времени в начале каждого цикла предлагается делать с помощью дополнительных внешних элементов: двух дифференцирующих цепочек R1-C1 и R2-C2, биполярного транзистора VT1 суммирующего токовые импульсы, вызванные прохождением нарастающих фронтов выходных сигналов Output А и Output В через дифференцирующие цепочки и шунтирующего на время прохождения фронта вход компаратора токовой защиты, а так же интегрирующей цепочки R4-C3, подавляющей иголкообразные выбросы в токовом сигнале. Величина постоянной времени интегрирующей цепочки R4-C3 влияет как на скорость срабатывания защиты от перегрузки и должна быть минимальной так и на зависимость порога срабатывания защиты от перегрузки от входного напряжения и так же требует минимизации постоянной времени. Но с уменьшением величины постоянной времени R4-C3 падает фильтрующая способность данной цепочки и растет вероятность ложного срабатывания компаратора защиты от сверхперегрузки и переход преобразователя в режим перезапуска.

Известно устройство LM25037 (продукция компании TexasInstruments; https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm25037.pdf?ts=1617311027951, фиг. 5), представляющее собой ШИМ-контроллер, предназначенный для построения преобразователя по мостовой, полумостовой или двухтактной схемам.

В структуре данного контроллера присутствует узел шунтирования входа компаратора токовой защиты на время переходного процесса, вызванного включением силовых ключей в канале А или В.

Для устранения влияния помех, вызванных коммутацией силовых ключей рекомендуется сигнал с трансформатора тока подавать через интегратор Rf-Cf (фиг. 6), что вносит определенную задержку в цепь отрицательной обратной связи и уменьшает запас по фазе. Если же полоса пропускания Rf-Cf звена достаточна широка, то возникает вероятность срабатывания компаратора токовой защиты при работе преобразователя в области максимальных нагрузок и переход его в режим перезапуска.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является устройство UC2825A-Q1 (продукция компании TexasInstruments; https://www.ti.com/lit/ds/symlink/uc2825a-q1.pdf), с функцией защиты по току от сверхперегрузок и с функцией блокировки компаратора токовой защиты на короткий регулируемый интервал времени в начале каждого цикла. Это устройство содержит узел (компаратор, инвертирующий вход которого подключен к выводу CLK/LEB), который в начале каждого рабочего цикла формирует короткий импульс, блокирующий прохождение сигнала о перегрузке с выхода компаратора токовой защиты на вход триггера формирователя ШИМ-последовательности. Длительность импульса подбирается таким образом, что бы предотвратить ложные срабатывания компаратора токовой защиты от воздействия коммутационных токов большой амплитуды при включении силовых ключей.

Общим недостатком данных устройств является высокая чувствительность компаратора защиты от сверхперегрузки к помехам, вызванным коммутационными процессами при выключении силовых ключей в конце каждого рабочего цикла. При коммутации силовых ключей фронт напряжения проникает через паразитную межобмоточную емкость трансформатора тока в цепь измерения тока первичной обмотки и складывается с основным полезным сигналом, в результате чего происходит срабатывание компаратора защиты от сверхперегрузки и источник питания переходит в режим перезапуска.

Технический результат заключается в создании способа компенсации искажения формы импульсов оказывающего компенсирующее влияние помехи воздействие на цепь контроля тока путем суммирования в необходимой пропорции основного (измеряемого) сигнала с короткими импульсами напряжения пилообразной формы отрицательной полярности.

Амплитуда компенсирующих импульсов устраняет влияние проникающей через паразитную емкость помехи, но не блокирует работу канала защиты от сверхперегрузки.

Технический результат достигается тем, что способ компенсации искажения формы импульсов, который реализуется таким образом, что в аналоговом сумматоре (U2) суммируются в определенной пропорции импульсы, поступающие от трансформатора тока с компенсирующими импульсами, полученными из выходных сигналов, формируемых интегральным ШИМ-контроллером (U1) для управления силовыми ключами способом их логического суммирования (U7), пропускания через дифференцирующее звено (U6) и ослабления в аттенюаторе (U5); причем коэффициент, задаваемый аттенюатором (U5), задается таким образом, что формируемая таким образом кратковременная компенсирующая добавка в сигнал с выхода трансформатора тока частично или полностью компенсирует влияние помехи, вызванной влиянием паразитных параметров элементов схемы преобразователя, причем кратковременная компенсирующая добавка к сигналу формируется таким образом, что ШИМ-контроллер (U1) формирует две, сдвинутые друг относительно друга на 180°, последовательности управляющих импульсов, которые через гальванический барьер передаются на входы драйверов силовых ключей таким образом, что одновременно включается пара ключей, при этом при переменной коммутации диагоналей моста ток от входной сети протекает через первичную обмотку силового трансформатора (Т1) и последовательно с ней включенную первичную обмотку трансформатора тока (Т2), потенциал первичной обмотки трансформатора (Т2) при коммутации силовых ключей скачкообразно меняется, изменение потенциала с большой скоростью вызывает протекание токов через паразитную емкость (Сп), которое создает падение напряжения на элементах конструкции узла преобразования ток-напряжение (U12), в результате сигнал на выходе узла преобразования ток-напряжение (U12) искажается и подается на аналоговый сумматор (U2), где он суммируется с компенсирующими импульсами, в пропорции, задаваемый аттенюатором (U5).

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана структурная схема способа компенсации искажения формы импульсов; на фиг. 2 показано применение способа компенсации искажения формы импульсов в составе преобразователя, силовой контур которого построен на базе мостового инвертора; на фиг. 3 показано устройство МС34025 с функцией ограничения тока в каждом цикле и с функцией защиты по току от сверхперегрузок; на фиг. 4 показаны осцилограммы изменения параметров преобразователя от времени; на фиг. 5 показано устройство контроллера LM25037 с узлом шунтирования входа компаратора токовой защиты на время переходного процесса; на фиг. 6 показан вариант устранения влияния помех в устройстве LM25037 посредством интегратора.

На фиг. 1-2 приняты следующие обозначения:

Q1, Q2, Q3, Q4 - силовые ключи;

U1 - интегральный ШИМ-контроллер;

U2 - аналоговый сумматор;

U3 - трансформатора тока;

U5 - аттенюатор;

U6 - дифференцирующее звено;

U7 - логический сумматор;

U8, U9 - гальваническая развязка;

U10, U11, U13, U14 - драйверы силовых ключей;

U12 - преобразователь ток/напряжение;

Т1 - силовой трансформатор;

Т2 - трансформатор тока;

Сп - паразитная межобмоточная емкость трансформатора тока.

На фиг 4 приняты следующие обозначения:

1 - сигнал на выходе ШИМ-контроллера, управляющий оной из диагоналей мостового инвертора.;

2 - сигнал на выходе ШИМ-контроллера, управляющий другой диагональю мостового инвертора, сдвинутый по фазе по отношению к сигналу 1 на 180 градусов;

3 - сигнал на выходе логического сумматора U7;

4 - сигнал, прошедший через дифференцирующее звено U6;

5 - напряжение в точке подключения трансформатора тока Т2 к мостовой схеме, собранной на ключах Q1…Q4;

6 - сигнал на выходе узла U12, преобразующего ток вторичной обмотки трансформатора Т2 в напряжение;

7 - сигнал на выходе аналогово сумматора U2.

В предлагаемом способе компенсации искажения формы импульсов компенсирующее влияние помехи воздействие на цепь контроля тока достигается путем суммирования в необходимой пропорции основного (измеряемого) сигнала с короткими импульсами напряжения пилообразной формы отрицательной полярности.

Для этого в способе компенсации искажения формы импульсов применяется логический сумматор U7, дифференцирующее звено U6, аттенюатор U5, интегральный ШИМ-контроллер U1, аналоговый сумматор U2 и трансформатор тока U3, взаимодействующие следующим образом - в аналоговом сумматоре U2 суммируются в определенной пропорции импульсы, поступающие от трансформатора тока U3 с импульсами, полученными из выходных сигналов, формируемых интегральным ШИМ-контроллером U1 для управления силовыми ключами способом их логического суммирования, пропускания через дифференцирующее звено U6 и ослабления в аттенюаторе U5, позволяя тем самым создать кратковременную компенсирующую добавку.

При этом аттенюатором U5 задается коэффициент из расчета, что формируемая таким образом кратковременная компенсирующая добавка в сигнал с выхода трансформатора тока U3 частично или полностью компенсирует влияние помехи, вызванной влиянием паразитных параметров элементов схемы преобразователя, в которой может быть применен данный способ.

Далее приведен пример применения в составе преобразователя, силовой контур которого построен на базе мостового инвертора

В рассматриваемой схеме интегральный ШИМ-контроллер U1 формирует две, сдвинутые друг относительно друга на 180°, последовательности управляющих импульсов Out А и Out В (1 и 2 на фиг. 1), которые через гальванический барьер U8 и U9 передаются на входы драйверов силовых ключей U10, U11, U13 и U14 таким образом, что одновременно включаются или пара ключей Q1, Q4 или Q3, Q2. Коэффициент заполнения импульсов при этом не превышает 48%. При попеременной коммутации диагоналей моста ток от входной сети протекает через первичную обмотку силового трансформатора Т1 и последовательно с ней включенную первичную обмотку трансформатора тока Т2. Потенциал 3 первичной обмотки трансформатора Т2 при коммутации силовых ключей скачкообразно меняется в диапазоне от - Uвх до +Uвх. Изменение потенциала с большой скоростью вызывает протекание токов через паразитную емкость Сп, которое создает падение напряжения на элементах конструкции узла преобразования ток-напряжение U12. В результате сигнал на выходе узла U12 искажается, как показано на фиг. 4 - сигнал 6. В конце каждого такта происходит суммирование трапецеидального сигнала, отображающего ток первичной обмотки трансформатора Т1 и короткого колоколообразного сигнала помехи в той или иной полярности. Когда полярности совпадают, суммарная амплитуда результирующего сигнала может превышать пороговое значение, на которое настроена защита от сверхперегрузки, и вызывать перезапуск преобразователя. Снижение амплитуды сигналов на выходе узла преобразования ток-напряжение U12 ведет к повышению значения максимальной мощности, передаваемой преобразователем в режиме перегрузки, что неприемлемо, так как и может приводить к выходу его из строя.

Изменение параметров сигнала от времени представлено на осциллограммах (фиг. 4), где предлагаемый способ компенсации искажения формы импульсов и достижение технического результата (фиг. 4, поз. 7), достигается через компенсирующее влияние помехи воздействие на цепь контроля тока путем суммирования в необходимой пропорции основного (измеряемого) сигнала (фиг. 4, поз. 6) с короткими импульсами напряжения пилообразной формы отрицательной полярности (фиг. 4, поз. 4).

Основным принципом, заложенным в полезной модели, является использование того факта, что помеха, вызванная выключением одной из групп силовых ключей задержана по времени относительно перехода соответствующего управляющего выхода ШИМ-контроллера в выключенное состояние и поэтому введение кратковременной компенсирующей добавки в сигнал с выхода трансформатора тока не повлияет на параметры цепи отрицательной обратной связи преобразователя и не отключает полностью компаратор защиты от сверхперегрузки от слежения/контроля за током первичной обмотки силового трансформатора. Аттенюатором U5 подбирается такое соотношение между амплитудами сигналов от узлов U6 и U12, что выходной сигнал узла U5 полностью или частично компенсирует влияние помехи, проникающей через паразитную емкость Сп в сигнал на выходе узла U12. В случае же возникновения аварийной ситуации, связанной со сверхперегрузкой, контроль за током первичной обмотки не прерывается и преобразователь переходит в режим перезапуска.