RU2534742C1 - Step-up voltage converter - Google Patents

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: step-up voltage converter comprises an input circuit with a choke in one of branches, two power keys, two diodes, and a starting key with a resistor shunting it and two in-series output capacitors. In order to improve reliability of semiconductor elements and prevention of the core saturation upon supply of input voltage should be performed in four stages. Unbalanced conditions of the converter operation are eliminated by introduction into the scheme of two auxiliary keys controlled by two auxiliary drivers and two operating amplifiers (OA). A resistor is connected in series with each auxiliary key and each operating amplifier contains series circuits, which consist of a diode and resistor thus ensuring hysteresis of connection and disconnection of the auxiliary keys.

EFFECT: high reliability.

5 dwg

Description

Преобразователь относится к электротехническим устройствам и может быть использован для электроснабжения электронного и электромеханического оборудования при повышении постоянного напряжения в постоянное, он может найти также широкое применение в управляемых источниках вторичного электропитания.The converter relates to electrical devices and can be used to power electronic and electromechanical equipment by increasing the DC voltage to DC, it can also be widely used in controlled sources of secondary power.

Наиболее близким аналогом повышающего преобразователя, рассматриваемого в данной заявке, является преобразователь, показанный в [1], его схема представлена на Фиг.1. Преобразователь состоит из входной цепи, содержащей дроссель L, двух ключей VT1 и VT2, первый силовой вывод первого ключа подсоединен к выводу дросселя, второй силовой вывод первого ключа соединен с первым силовым выводом второго ключа, второй силовой вывод второго ключа соединен с полюсом входного источника, состоит из двух диодов VD1 и VD2, анод первого диода соединен с общей точкой дросселя и первого силового вывода первого ключа, катод первого диода соединен с первым выводом первого конденсатора С1, второй вывод первого конденсатора соединен с первым выводом второго конденсатора С2, второй вывод второго конденсатора соединен с анодом второго диода, катод которого соединен со вторым силовым выводом второго ключа и полюсом входного источника, общая точка ключей VT1 и VT2 соединена с общей точкой конденсаторов С1, С2, выход преобразователя подключен к первому выводу конденсатора С1 и второму выводу конденсатора С2.The closest analogue boost converter considered in this application is the converter shown in [1], its circuit is presented in figure 1. The converter consists of an input circuit containing an inductor L, two keys VT1 and VT2, the first power output of the first key is connected to the output of the inductor, the second power output of the first key is connected to the first power output of the second key, the second power output of the second key is connected to the pole of the input source, consists of two diodes VD1 and VD2, the anode of the first diode is connected to the common point of the inductor and the first power terminal of the first key, the cathode of the first diode is connected to the first terminal of the first capacitor C1, the second terminal of the first capacitor is connected with the first terminal of the second capacitor C2, the second terminal of the second capacitor is connected to the anode of the second diode, the cathode of which is connected to the second power terminal of the second key and the input source pole, the common point of the keys VT1 and VT2 is connected to the common point of the capacitors C1, C2, the output of the converter is connected to the first terminal of capacitor C1 and the second terminal of capacitor C2.

Отличительными особенностями схемы, показанной на фиг.1, являются возможность работы дросселя на частоте, в два раза более высокой, чем частота работы ключей, сниженные пульсации тока в нем, что позволяет значительно уменьшить размеры и стоимость входного дросселя.Distinctive features of the circuit shown in FIG. 1 are the ability to operate the inductor at a frequency two times higher than the frequency of operation of the keys, reduced ripple current in it, which can significantly reduce the size and cost of the input inductor.

Схема, показанная на фиг.1, рассматривалась в патенте [2], однако частота работы дросселя остается такой же, как частота работы каждого ключа, что является существенным недостатком предложенного варианта.The circuit shown in figure 1, was considered in the patent [2], however, the frequency of operation of the throttle remains the same as the frequency of operation of each key, which is a significant drawback of the proposed option.

В [1] и [2] не рассматривался процесс запуска преобразователя, правильная организация которого повышает надежность работы устройства, в частности не допускает насыщения сердечника дросселя, кроме того, авторы работы [1] полагали, что данной схеме несвойственен режим работы, называемый режимом несимметрии.In [1] and [2], the process of starting the converter was not considered, the correct organization of which increases the reliability of the device, in particular, it does not allow saturation of the throttle core, in addition, the authors of [1] believed that the operating mode, called the asymmetry mode, was not typical for this circuit .

В данной заявке рассматривается работа схемы, когда в установившемся режиме за период работы каждого ключа существует интервал времени открытого (замкнутого) состояния обоих ключей и интервал времени, когда один из ключей закрыт (разомкнут), а другой открыт (проводит), так называемый режим работы с перекрытием. Описанный режим позволяет многократно увеличить напряжение на выходе по сравнению со входным, что выгодно отличает данную схему от классической повышающей [3]. Работа схемы может происходить в несимметричном режиме, который заключается в том, что напряжения на двух выходных конденсаторах при одинаковой их емкости по разным причинам становятся неодинаковыми. В результате неравными становятся напряжения и токи в полупроводниковых элементах схемы, что снижает ее надежность, а преимущества по сравнению с классической повышающей схемой утрачиваются.This application discusses the operation of the circuit, when in the steady state for the period of operation of each key there is an interval of time of the open (closed) state of both keys and a time interval when one of the keys is closed (open) and the other is open (holds), the so-called operating mode with overlap. The described mode allows you to repeatedly increase the voltage at the output compared to the input, which distinguishes this circuit from the classic boost [3]. The operation of the circuit can occur in an asymmetric mode, which consists in the fact that the voltages at two output capacitors with the same capacitance become different for various reasons. As a result, the voltages and currents in the semiconductor elements of the circuit become unequal, which reduces its reliability, and the advantages are lost in comparison with the classical boost circuit.

В доступной для авторов данной заявки литературе не найден надежный способ запуска схемы, позволяющий гарантированно обеспечить выход на режим за заданное время при отсутствии перерегулирования, снижении токовых нагрузок на полупроводниковые приборы во время запуска и недопущении насыщения сердечника дросселя.In the literature available to the authors of this application, no reliable way to start the circuit has been found, which ensures guaranteed access to the mode in a given time in the absence of overshoot, reducing current loads on semiconductor devices during startup and preventing saturation of the inductor core.

Технический результат, на достижение которого направлено данное изобретение, заключается в повышении надежности работы силовых компонентов преобразователя применением алгоритма запуска, предусматривающего четыре этапа этого процесса, а также применении специально разработанной схемы симметрирования режима работы.The technical result to which this invention is directed is to increase the reliability of the power components of the converter using the start-up algorithm, which provides for four stages of this process, as well as the use of a specially developed scheme for balancing the operation mode.

На фиг.2 показана схема предлагаемого повышающего преобразователя, а на фиг.3 - временная диаграмма запуска.In Fig.2 shows a diagram of the proposed boost Converter, and Fig.3 is a timing diagram of the start.

Технический результат достигается тем, что, помимо основных ключей VT1, VT2, используется ключ VT3, необходимый при запуске, силовые выводы которого шунтированы резистором R1, датчик напряжения ДН1, измеряющий выходное напряжение, датчик ДН2, измеряющий напряжение на нижнем конденсаторе С2 емкостного делителя C1, C2, две последовательнее цепи, каждая из которых состоит из вспомогательного резистора R2, соединенного с первым силовым выводом вспомогательного ключа VT4 (R3, VT5), первый вывод вспомогательного резистора R2 подключен к точке соединения катода диода VD1, первого вывода конденсатора C1 и первого вывода датчика напряжения ДН1. Второй силовой вывод вспомогательного ключа VT4 соединен с первым выводом вспомогательного резистора R3, первым выводом конденсатора C2, точкой соединения силовых выводов основных ключей VT1, VT2 и первым выводом датчика напряжения ДН2. Второй силовой вывод вспомогательного ключа VT5 подключен ко второму выводу конденсатора C2, вторым выводам датчиков напряжения ДН1, ДН2 и аноду диода VD2. Управляющие выводы вспомогательных ключей VT4 и VT5 через вспомогательные драйверы DV1 и DV2 подключены к выводам операционных усилителей ОУ1 и ОУ2, входы которых в свою очередь подключены к напряжениям, пропорциональным Uвых и Uвых/2, получаемых с помощью датчиков ДН1 и ДН2. Цепи VD3, R4 и VD4, R5, включенные между выходами и неинвертирующими входами операционных усилителей ОУ1 и ОУ2 соответственно, устанавливают необходимые пределы гистерезиса каждого из операционных усилителей.The technical result is achieved by the fact that, in addition to the main keys VT1, VT2, the VT3 key is used, which is necessary at startup, the power terminals of which are shunted by the resistor R1, the voltage sensor DN1, which measures the output voltage, the sensor DN2, which measures the voltage at the lower capacitor C2 of the capacitive divider C1, C2, two series circuits, each of which consists of an auxiliary resistor R2 connected to the first power terminal of the auxiliary key VT4 (R3, VT5), the first terminal of the auxiliary resistor R2 is connected to the cathode connection point and the diode VD1, the first output of the capacitor C1 and the first output of the voltage sensor DN1. The second power terminal of the auxiliary key VT4 is connected to the first terminal of the auxiliary resistor R3, the first terminal of the capacitor C2, the connection point of the power terminals of the main switches VT1, VT2 and the first terminal of the voltage sensor DN2. The second power terminal of the auxiliary key VT5 is connected to the second terminal of the capacitor C2, the second terminals of the voltage sensors DN1, DN2 and the anode of the diode VD2. The control outputs of the auxiliary keys VT4 and VT5 through the auxiliary drivers DV1 and DV2 are connected to the terminals of the operational amplifiers ОУ1 and ОУ2, the inputs of which are in turn connected to voltages proportional to Uout and Uout / 2 obtained using sensors ДН1 and ДН2. The circuits VD3, R4 and VD4, R5 connected between the outputs and non-inverting inputs of the operational amplifiers ОУ1 and ОУ2, respectively, set the necessary hysteresis limits for each of the operational amplifiers.

Система управления (СУ), выполненная на основе цифрового сигнального процессора, управляет пусковым ключом VT3, обеспечивает запуск и обеспечивает широтно-импульсную модуляцию силовых ключей VT1, VT2.The control system (SU), based on a digital signal processor, controls the start key VT3, provides start-up and provides pulse-width modulation of power switches VT1, VT2.

Принцип работы схемы, показанной на фиг.2, заключается в следующем. При подаче входного напряжения Uвх начинает работу система управления СУ, в которой содержится вспомогательный источник питания, обеспечивающий работу драйверов DV1…DV5 и инициализацию цифрового контроллера. Все ключи VT1…VT5 находятся в закрытом состоянии, а через резистор R1 проходит ток, заряжающий конденсаторы С1, С2. При достижении суммарного напряжения на этих конденсаторах, близкого к напряжению Uвх, сигналом от СУ происходит включение ключа VT3 и шунтирование резистора R1 малым выходным сопротивлением ключа (интервал 0-t1, на фиг.3, показывающий нарастание выходного напряжения Uвых в процессе запуска). Начиная с момента времени t1, цифровой контроллер плавно расширяет управляющие импульсы, поступающие на затворы ключей VT1, VT2, причем работа этих ключей от момента времени t1 происходит без перекрытия. Работа ключей VT1, VT2 без перекрытия означает, что нет интервалов времени, когда оба ключа находятся во включенном состоянии. Управление ключами VT1, VT2 на этом этапе показано на фиг.4, где Т - период переключения каждого из ключей. Описанный процесс продолжается до момента времени t2 (фиг.3), при котором напряжение на выходе достигает значения 2UBX, а длительность включенного состояния каждого из ключей VT1, VT2 составляет половину периода Т. После момента времени t2 длительности включенного состояния каждого ключа продолжают увеличиваться и теперь ключи VT1, VT2 работают с перекрытием (фиг.5), что приводит к дальнейшему возрастанию Uвых. В момент времени t3 напряжение Uвых достигает значения 0,9Uвых.ном, где Uвых.ном - номинальное требуемое напряжение на выходе. Начиная с момента t3, в цифровом контроллере подключается цепь обратной связи, причем для того, чтобы избежать броска тока через ключи VT1, VT2 и обмотку дросселя, опорное напряжение регулятора нарастает плавно до получения требуемого значения напряжения на выходе Uвых.ном в момент времени t4. На этом процесс запуска заканчивается и к выходным клеммам может быть подключена нагрузка.The principle of operation of the circuit shown in figure 2, is as follows. When the input voltage Uin is applied, the control system of the control system begins, which contains an auxiliary power supply that ensures the operation of the DV1 ... DV5 drivers and the initialization of the digital controller. All keys VT1 ... VT5 are in a closed state, and current passes through the resistor R1, charging capacitors C1, C2. When the total voltage at these capacitors is close to the voltage Uin, the VT3 key is turned on by the signal from the SU and the resistor R1 is shunted by the low output resistance of the key (interval 0-t1, in Fig. 3, which shows the increase in the output voltage Uout during startup). Starting from time t1, the digital controller smoothly expands the control pulses entering the gates of the keys VT1, VT2, and these keys work from time t1 without overlapping. The operation of the keys VT1, VT2 without overlapping means that there are no time intervals when both keys are in the on state. Key management VT1, VT2 at this stage is shown in figure 4, where T is the switching period of each of the keys. The described process continues until time t2 (Fig. 3), at which the output voltage reaches 2UBX, and the on state of each of the keys VT1, VT2 is half the period T. After time t2, the duration of the on state of each key continues to increase and now the keys VT1, VT2 work with overlapping (figure 5), which leads to a further increase in Uout. At time t3, the voltage Uout reaches 0.9Uout.nom, where Uout.nom is the nominal required output voltage. Starting from the moment t3, a feedback circuit is connected in the digital controller, and in order to avoid inrush current through the keys VT1, VT2 and the inductor winding, the reference voltage of the controller rises smoothly to obtain the required output voltage Uout.nom at time t4. The start-up process ends and a load can be connected to the output terminals.

В рассматриваемом преобразователе часто возникает несимметричный режим, заключающийся в неравенстве напряжений на конденсаторах C1, C2. Причин появления несимметрии несколько, основные из них следующие:In the converter under consideration, an asymmetric mode often occurs, consisting in the inequality of the voltages across the capacitors C1, C2. There are several reasons for the appearance of asymmetry, the main ones are as follows:

- фактическое неравенство емкостей конденсаторов C1, C2;- the actual inequality of capacitance capacitors C1, C2;

- неравенство токов утечки запертых ключей VT1, VT2 и диодов VD1, VD2;- inequality of leakage currents of locked keys VT1, VT2 and diodes VD1, VD2;

- неравномерный отвод тепла от ключей VT1, VT2, что приводит к возрастанию сопротивления Rds.on в одном из них по сравнению в другим.- uneven heat removal from the keys VT1, VT2, which leads to an increase in the resistance of Rds.on in one of them compared to the other.

Для устранения несимметрии, снижающей надежность работы преобразователя и ухудшающей его КПД, предложена схема, показанная на фиг.2.To eliminate the asymmetry that reduces the reliability of the Converter and worsens its efficiency, the proposed circuit shown in figure 2.

Возрастание напряжения на нижнем конденсаторе C2, допустим, на 5% по сравнению с половиной напряжения Uвых.ном приводит к появлению высокого уровня напряжения на выходе ОУ2 и появлению высокого уровня напряжения на выходе драйвера DV2. В результате вспомогательный ключ VT5 включается, а ток, протекающий через вспомогательный резистор R3, приводит к снижению напряжения на конденсаторе C2. Аналогично происходит устранение несимметрии при понижении напряжения на конденсаторе C2. В этом случае включается вспомогательный ключ VT4 и ток, протекающий через резистор R2, приводит к снижению напряжения на конденсаторе C1 и его повышению на конденсаторе C2. Цепи VD3, R4 и VD4, R5, включенные между входами ОУ1, ОУ2 и их неинвертирующими входами, обеспечивают гистерезис отключения и включения вспомогательных ключей.An increase in the voltage at the lower capacitor C2, for example, by 5% compared with half the voltage Uout.nom, leads to the appearance of a high voltage level at the output of ОУ2 and the appearance of a high voltage level at the output of the DV2 driver. As a result, the auxiliary key VT5 is turned on, and the current flowing through the auxiliary resistor R3 leads to a decrease in the voltage across the capacitor C2. Similarly, the asymmetry is removed by lowering the voltage across the capacitor C2. In this case, the auxiliary switch VT4 is turned on and the current flowing through the resistor R2 leads to a decrease in the voltage across the capacitor C1 and its increase on the capacitor C2. The circuits VD3, R4 and VD4, R5, connected between the inputs of OS1, OS2 and their non-inverting inputs, provide hysteresis for switching off and on auxiliary keys.

ЛитератураLiterature

1. М.Т. Zhang, Y. Yang, F.C. Lee, M.M. Jovanovich, “Single-Phase three-level boost power factor correction converter”. Proceedings IEEE Applied Power Electronics Conf. APEC, 1995, pp.434-439.1. M.T. Zhang, Y. Yang, F.C. Lee, M.M. Jovanovich, “Single-Phase three-level boost power factor correction converter”. Proceedings IEEE Applied Power Electronics Conf. APEC, 1995, pp. 434-439.

2. Патент CN 102148566, H02M 1/155, опубликован 10.08.2011.2. Patent CN 102148566, H02M 1/155, published on 08/10/2011.

3. А.Г. Поликарпов, Е.Ф. Сергиенко. “Однотактные преобразователи напряжения в устройствах электропитания РЭА”, Москва: “Радио и связь”, 1989.3. A.G. Polikarpov, E.F. Sergienko. “Single-cycle voltage converters in REA power supply devices”, Moscow: “Radio and communication”, 1989.

Claims (1)

Повышающий преобразователь напряжения, содержащий входную цепь с дросселем в одной из ветвей, два силовых ключа, первый силовой вывод первого ключа подсоединен к выводу дросселя, второй силовой вывод первого ключа соединен с первым силовым выводом второго ключа, второй силовой вывод второго ключа соединен с полюсом входного источника, два диода, анод первого диода соединен с общей точкой дросселя и первого силового вывода первого ключа, катод первого диода соединен с первым выводом первого конденсатора, второй вывод первого конденсатора соединен с первым выводом второго конденсатора, второй вывод второго конденсатора соединен с анодом второго диода, катод которого соединен со вторым силовым выводом второго ключа и полюсом входного источника, общая точка силовых ключей соединена с общей точкой конденсаторов, выход преобразователя подключен к первому выводу первого конденсатора и второму выводу второго конденсатора, пусковой ключ, силовые выводы которого шунтированы зарядным резистором, отличающийся тем, что для повышения надежности полупроводниковых элементов при запуске и недопущения насыщения сердечника дросселя после подачи входного напряжения и заряда конденсаторов до уровня входного сигналом от системы управления (СУ) происходит включение зарядного ключа, при этом цифровой контроллер СУ плавно расширяет управляющие импульсы, поступающие на затворы силовых ключей, причем работа этих ключей происходит без перекрытия, а описанный процесс происходит до момента достижения напряжения на выходе значения 2Uвх, после этого длительности включенного состояния каждого силового ключа продолжают увеличиваться, ключи начинают работать с перекрытием и при достижении Uвых значения, близкого к Uвых.ном, в цифровом контроллере подключается цепь обратной связи, опорное напряжение регулятора нарастает плавно до получения требуемого значения напряжения на выходе Uвых.ном, несимметричный режим работы преобразователя устраняется введением в схему двух вспомогательных ключей, управляемых двумя вспомогательными драйверами и двумя ОУ, и двух резисторов, подключенных последовательно с каждым из вспомогательных ключей, каждый из ОУ содержит последовательные цепи, состоящие из диода и резистора, обеспечивающие гистерезис отключения и включения вспомогательных ключей. A step-up voltage converter containing an input circuit with a throttle in one of the branches, two power switches, the first power output of the first key is connected to the output of the inductor, the second power output of the first key is connected to the first power output of the second key, the second power output of the second key is connected to the input pole source, two diodes, the anode of the first diode is connected to a common point of the inductor and the first power terminal of the first key, the cathode of the first diode is connected to the first terminal of the first capacitor, the second terminal of the first capacitor connected to the first terminal of the second capacitor, the second terminal of the second capacitor is connected to the anode of the second diode, the cathode of which is connected to the second power terminal of the second key and the input source pole, the common point of the power switches is connected to the common point of the capacitors, the output of the converter is connected to the first terminal of the first capacitor and the second output of the second capacitor, a starting key, the power terminals of which are shunted by a charging resistor, characterized in that to increase the reliability of the semiconductor elements when starting and preventing saturation of the core of the inductor after supplying the input voltage and charge of the capacitors to the level of the input signal from the control system (SU), the charging key is turned on, while the digital controller of the SU smoothly expands the control pulses entering the gates of the power switches, and these keys work without overlap, and the described process occurs until the output voltage reaches 2Uin, after which the duration of the on state of each power switch is continued to increase When they reach the Uout value close to Uoutput, the feedback circuit is connected in the digital controller, the reference voltage of the regulator rises smoothly to obtain the required voltage value at the output Uoutput, the asymmetric operation mode of the converter is eliminated by entering a circuit of two auxiliary keys controlled by two auxiliary drivers and two op-amps, and two resistors connected in series with each of the auxiliary keys, each of the op-amps contains edovatelnye circuit consisting of a diode and a resistor, providing hysteresis opening and closing the auxiliary keys.

Images