преобразователь постоянного напряжения

Формула изобретения

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий по меньшей мере два последовательно соединенных силовых управляемых ключа, входы которых подключены к выходам соответствующих формирователей управляющих сигналов, один из входов каждого из которых подсоединен к соответствующему выходу блока управления, а другой его вход соединен с выходом светоприемника оптопары соответствующего узла защиты, последовательно со светоизлучателем которой включены диод и ограничительный резистор, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности путем исключения сквозных токов в аварийных режимах при обеспечении высокой помехозащищенности, ограничительные резисторы узлов защиты последовательно соединенных ключей соединены между собой через дополнительный резистор и образуют делитель напряжения, подключенный параллельно этим ключам, а последовательные цепочки, каждая из которых образована светоизлучателем и диодом, подсоединены между соответствующей точкой указанного делителя и общей точкой силовых ключей.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в силовых преобразователях, в частности в преобразователях, питающих приводы ультрацентрифуг.

Одной из проблем, возникающих при проектировании таких преобразователей, является проблема защиты от перегрузок.

Известны инверторы с защитой от перегрузок, содержащие по меньшей мере для последовательно соединенных силовых управляемых ключа, входы которых связаны со схемой управления. Схемное решение этих инверторов предусматривает наличие общего задающего генератора, выходной сигнал которого используется для формирования управляющих импульсов, подаваемые в базовые цепи силовых управляемых ключей.

Недостаток этих технических решений состоит в том, что изменение состояния одного силового ключа детерминирует состояние цепи управления другого ключа силового ключа. Другой недостаток заключается в том, что датчики состояний силовых ключей априорно находятся в одинаковом состоянии и, следовательно, не идентифицируют состояния силовых ключей в момент времени, когда оба ключа закрыты или открыты в разной степени, т.е. при переходных процессах. По этой причине инверторы содержат целый ряд дополнительных элементов защиты, что усложняет эти технические решения в целом.

Аналогичные недостатки имеет инвертор, в котором общий датчик также не идентифицирует состояния силовых ключей при переходных процессах. Таким образом, в инверторах не исключается вероятность сквозных токов в переходных режимах работы инвертора.

Известны также инверторы, в которых формирование управляющих импульсов осуществляется в автономных каналах, что позволяет исключить отмеченные выше недостатки. В известном инверторе сигнал управления на схему защиты ключа снимается с делителя R507, R506, подключенного к точкам +BUS. Схема защиты (CR505, U502) cрабатывает, когда величина +BUS становится значительной, т.е. при определенном высоком выходном напряжении инвертора. При меньших скоростях, т. е. при другом выходном напряжении инвертора диод CR505 закрыт, схема защиты отключена. Следовательно, защита силовых ключей осуществляется только в ограниченном диапазоне выходного напряжения инвертора. Кроме того, в этом инверторе вход системы защиты через R507 и диод CR505 гальванически связан с источником питания ключей 0504, 0505-шиной +BUS, что не уменьшает наводки по входу как следствие переключения силовых транзисторов, и помехозащищенность схемы в целом падает.

Таким образом, в этом инверторе не обеспечивается помехозащищенность и защита от сквозных токов во всем диапазоне изменения выходного напряжения инвертора.

Известный инвертор является наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и принят за прототип. Этот инвертор содержит по меньшей мере два последовательно соединенных силовых управляемых ключа, входы которых подсоединены к выходам формирователей управляющих сигналов, один из входов каждого из этих формирователей подсоединен к соответствующему выходу блока управления, а другой его вход связан с соответствующей схемой защиты, имеющей оптопару, светоизлучатель которой соединен последовательно с защитным диодом и ограничительным резистором. В этих инверторах решена задача контроля состояния силовых ключей в переходных режимах. Более того, обеспечивается контроль состояния силовых ключей во всем диапазоне изменения выходного напряжения инвертора.

Однако существенный недостаток прототипа состоит в том, что контроль состояния силовых ключей осуществляется путем слежения за током перехода коллектор-база проводящего транзистора. Этот ток протекает через соответствующий светодиод, обуславливает поступление сигнала "Запрет" на вход формирователя управляющих импульсов закрытого силового ключа.

На практике, вследствие различных причин (скачки питающего напряжения, нарушение теплового режима, а также технологический брак) переход коллектор-база силового транзистора нарушается, вследствие чего прорывается ток через соответствующий светодиод. В результате не формируется сигнал, запрещающий включение силового ключа. Учитывая, что открытый ключ вследствие разрушения перехода коллектор-база становится неуправляемым, создается ситуация, когда оба силовых ключа открыты, что неизбежно вызывает сквозной ток.

Другой недостаток этого инвертора заключается в том, что при функционировании датчика, контролирующего включенный силовой ключ, один из вспомогательных источников E₁(E₂) гальванически связан с источником питания силовых ключей. Это обстоятельство снижает помехозащищенность инвертора и может привести к формированию ложного сигнала при внезапном изменении питающего напряжения инвертора.

Цель изобретения - исключение сквозных токов в аварийных режимах при обеспечении высокой помехозащищенности.

Сущность предлагаемого технического решения состоит в том, что состояния силовых управляемых ключей идентифицируются во всех режимах работы инвертора и, в частности, в аварийных режимах, когда, например, у одного из силовых ключей разрушен переход коллектор-база. Это достигается путем подключения каждой последовательной цепочки, образованной согласно-последовательно соединительными светоизлучателями и диодом между соответствующей точкой резистивного делителя и общей точкой последовательно соединенных силовых управляемых ключей, причем указанный делитель подключен параллельно силовым управляемым ключам и образован упомянутыми ограничительными резисторами, которые соединены последовательно через дополнительный резистор. В результате в любом режиме работы инвертора состояние светодиода, контролирующего включенный силовой ключ, детерминировано потенциалами соответствующей общей точки делителя напряжения и общей точки силовых ключей. При этом как при переходном процессе, так и в случае разрушения перехода коллектор-база потенциал катода (анода) указанного светодиода будет обуславливать соответственно либо уменьшение, либо увеличение свечения этого светодиода. Таким образом, в любом из этих случаев прерывание тока через светодиод не произойдет и, следовательно, возможность формирования ложного разрешающего сигнала исключается. Кроме того, предложенное техническое решение исключает в любом режиме работы инвертора гальваническую связь между источником, питающим схему защиты и силовым источником питания, обуславливая повышение помехозащищенности.

Предложенное техническое решение будет использовано в инверторе, предназначенном для питания привода ультрацентрифуги УЦП2-85 нового поколения.

При проведении патентных исследований не выявлены аналоги со сходными отличительными признаками. Следовательно, выявленные отличия являются новыми. По сравнению с прототипом предложенное техническое решение обладает совокупностью существенных признаков и, следовательно, соответствует критериям изобретения.

На фиг. 1 приведена общая схема инвертора; на фиг. 2 - вариант реализации формирователя управляющих сигналов.

Инвертор содержит по меньшей мере два силовых управляемых ключа 1, 2, зашунтированных делителем напряжения, который образован резисторами R₁, R₂, R₃. Управление ключами осуществляется с помощью формирователей 3 и 4 управляющих сигналов. К общей точке ключей подсоединена одна из фаз нагрузки 5. К одним входам формирователей 3, 4 подсоединены выходы оптопар 6 и 7, состоящих из светоизлучателей 8 и 9 и светоприемником 10 и 11 соответственно.

Последовательно со светоизлучателями 8, 9 включены соответственно диоды 12 и 13. Ко вторым входам формирователей 3 и 4 подсоединены соответствующие выходы блока 14 управления.

Дополнительные на фиг. 2 показан пример схемной реализации формирователя 3(4). Последний включает в себя компаратор 15, инверсный вход которого подсоединен к общей точке делителя 16, 17, поключенной через резистор 18 к выходу компаратора 15. Прямой вход компаратора 15 подсоединен к эмиттеру светоприемника 10 оптопары 6, который через ограничительный резистор 19 подключен к общей шине источника Е₁, а через резистор 20 соединен с базой светоприемника 10. К выходу компаратора 15 подключена оптопара 21, состоящая из светоизлучателя 22 и светоприемника 23. Резистор 24 обеспечивает напряжение смещения для светоприемника 23, а резистор 25 ограничивает ток открытого светоприемника 23. Вспомогательные транзисторы 26 и 27 обеспечивают управление силовым ключом 1.

Инвертор работает следующим образом.

При подаче питания источника Е на резисторе Р₂ создается падение напряжения U. Если, например, номинальные значения резисторов R₁ и R₂одинаковы, то потенциал анода светоизлучателя 8 равен , а потенциал катода светоизлучателя 9 равен . При включении, например, ключа 2 потенциал общей точки силовых ключей (пренебрегая падением напряжения на ключ 2) становится равным - Е. В результате светоизлучатель 8 открывается, а светоизлучатель 9 закрывается. Светоизлучение, создаваемое в результате протекания тока через открытый светоизлучатель 8, обуславливает открывание светоприемника 10, вследствие чего резко изменяется потенциал эмиттера этого светоприемника. Поскольку делитель 16, 17 обеспечивает закрытое состояние компаратора 15 в исходном состоянии, изменение указанного эмиттера обуславливает изменение потенциала прямого входа компаратора 15 и, как следствие этого, изменение состояния последнего на открытое. В результате прерывается цепь питания светоприемника 23 оптопары 21. Поэтому даже в случае ложного сигнала с блока 14, обуславливающего протекание тока через светоизлучатель 22, светоприемник 23 будет оставаться в закрытом состоянии. При этом одновременно изменяется потенциал общей базы транзисторов 26 и 27, что полностью исключает возможность включения силового ключа 1.

Аналогичным образом исключается возможность включения ключа 2 при открытом ключе 1. В этом случае потенциал общей точки силовых ключей (пренебрегая падением напряжения на открытом ключе 1) равен +Е. Следовательно, под этим потенциалом находится катод светоизлучателя 8 и анод светоизлучателя 9. Потенциалы анода светоизлучателя 8 и катода светоизлучателя 9, как и в первом случае, равны и соответственно. Поэтому первый из них закрыт, а второй - открыт. Следовательно, ток, протекающий через светоизлучатель 9, обуславливает открывание светоприемника 11. В дальнейшем в канале управления (не показаны) ключа 2 протекает процесс, идентичный вышеописанному. В результате исключается возможность включения ключа 2 даже в случае ложного сигнала управления, поступающего с блока 14. В случае разрушения перехода коллектор-база, например, ключа 2, последний становится неуправляемым и находится в открытом состоянии. При этом, как показано выше, светодиод 8 открыт и создаваемое им светоизлучение исключает возможность открывания ключа 1. В переходных режимах светоизлучатель, подключенный параллельно (через резистор R₁ или R₃) закрывающемуся ключу, будет форсировать блокирование цепи управления этого ключа. Так, например, по истечении рассмотренного периода, когда был открыт ключ 2, а ключ 1 закрыт, наступает период, когда ключ 1 начинает открываться, а ключ 2 закрываться. При этом ток через светоизлучатель возрастает, обеспечивая открывание светоприемника 11 и, следовательно, блокирование управляющего входа ключа 2. Таким образом, как видно из описания работы инвертора, предложенное техническое решение обеспечивает защиту инвертора от сквозных токов во всех режимах, включая и аварийную ситуацию. Кроме того, в описанном инверторе источники питания Е₁ и Е₂ не имеют гальванической связи с источником Е в любом режиме работы, что обеспечивает высокую помехозащищенность.

Для оптимизации условий работы схемы защиты целесообразно выбрать соотношение номиналов резисторов R₁, R₂ и R₃ из следующего соотношения:

=0.1-0.3