RU77730U1 - VOLTAGE CONVERTER PROTECTED FROM OVERLOAD - Google Patents

Abstract

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 - обеспечение защиты преобразователя, который работает с относительно постоянной высокой выходной частотой, и который обеспечивает нормальную коммутацию управляемых ключевых элементов. Для решения поставленной задачи в преобразователе напряжения с защитой от перегрузки, содержащем 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 напряжения, датчик тока соединен с первым входом преобразователя через дроссель токоограничения, одним концом соединенный с анодом диода, катод которого соединен с датчиком тока, выход датчика тока соединен с одним из входов усилителя обратной связи, на другой вход которого поступает напряжение задания с внешнего контроллера, а его выход связан с бы�A voltage converter with overload protection refers to high-frequency transistor converters used in secondary power supply circuits (IVEP), and more specifically to devices for protecting against failures of switched elements and magnetizing transformers of inverter circuits. The utility model can be used in protection devices of switched elements, such as IGBT, and other semiconductor elements used in inverter circuits. The objective of the utility model is to provide protection for the converter, which operates at a relatively constant high output frequency, and which ensures the normal switching of controlled key elements. To solve the problem in a voltage converter with overload protection, containing a high-frequency converter, the first input of which is connected to the first output of the power source through a current sensor, its second input is connected to the second output of the power source, the first and second outputs are connected respectively to the first and second the terminals of the primary winding of the transformer, the first and second conclusions of the secondary winding of which are connected in series through the rectifier and the LC filter respectively to the first to the second output terminals of the voltage converter, the current sensor is connected to the first input of the converter through a current limiting inductor, one end connected to the anode of the diode, the cathode of which is connected to the current sensor, the output of the current sensor is connected to one of the inputs of the feedback amplifier, to the other input of which the reference voltage is supplied from an external controller, and its output is connected to

Description

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.The utility model relates to high-frequency transistor converters used in circuits of secondary power sources (IVEP), and more specifically to devices for protecting against failures of switched elements and magnetizing transformers of inverter circuits. The invention relates to protection devices for switched elements, such as IGBT, and other semiconductor elements used in inverter circuits. For many applications, in particular for power supply systems used on spacecraft, there is a need for the inverter stage to be lightweight and costly, sufficiently simple and reliable. Another requirement is that the power supply systems operate on alternating current with a frequency much higher than conventional ground-based power supply systems, for example, 50 kHz, to further reduce the weight of other elements of the power supply system. Converters for such systems converting direct current to high frequency alternating current are quite complex, and often do not have sufficient protection against emergency conditions.

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.In known converters (Japanese patent. No. 449348, "Method and device for protecting the PWM inverter against current overload", US patent No. 5175676, "Advanced short circuit protection for DC-AC converters") to protect power switches from current overload and short circuits, a current sensor and threshold devices are used, which either turn off the converter or put it into current limiting mode. However, in transistor power switches in bridge circuits, due to the high slew rate, current sensors and threshold devices do not provide protection against failure of transistors on one arm, if for some reason they turn out to be open. The installation of limiting resistors and chokes in the shoulders of the bridge reduces the efficiency and increases the size. When the converter is turned on and off, transients occurring in the reactive elements can disable power switches.

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.Known schemes of voltage converters with overload protection, containing a current sensor in the input power circuit and a protection unit included in the power circuit of the converter control unit (see RF patents No. 1065996, RF patent No. 2110133). The disadvantage of such circuits is that when the current changes abruptly, the protection does not have time to trip, and a large current passes through the power keys, which can lead to a malfunction of the inverter, or even to failure of key elements.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является 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.The closest in technical essence to the proposed utility model is a voltage converter with overload protection according to RF patent No. 2269195, containing a high-frequency converter, the first input of which is connected through the current sensor to the first output of the power source, its second input is connected to the second output of the power source, the first and its second outputs are connected respectively to the first and second terminals of the primary winding of the transformer, the first and second conclusions of the secondary winding of which are connected in series through nennye rectifier and LC-filter are connected respectively to first and second output terminals of the converter. The first input of the feedback unit, the second input of which is connected to the output of the rectifier, is connected to the first output terminal of the converter, the output of the feedback unit is connected to the first input of the control unit. The control unit contains a master oscillator and a driver of the control signal, made on the basis of a pulse-width modulator. The feedback element is based on an optocoupler. To prevent blocking of the high-frequency converter at Inag> Imax, a transistor switch is introduced through which the switching surge occurs. Further protection based on feedback is triggered.

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.Despite a slight increase in stability when transients occur, the circuit does not protect the key elements of the inverter from a sudden change in current, as a result of which power transistors can fail due to an abnormal increase in current.

Задача полезной модели - обеспечение защиты преобразователя, который работает с относительно постоянной высокой выходной частотой, и который обеспечивает нормальную коммутацию управляемых ключевых элементов.The objective of the utility model is to provide protection for the converter, which operates at a relatively constant high output frequency, and which ensures the normal switching of controlled key elements.

Поставленная задача решается тем, что в преобразователе напряжения с защитой от перегрузки, содержащем 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 напряжения, датчик тока соединен с первым входом преобразователя через дроссель токоограничения, одним концом соединенный с анодом диода, катод которого соединен с датчиком тока, выход датчика тока соединен с одним из входов усилителя обратной связи, на другой вход которого поступает напряжение задания с внешнего контроллера, а его выход связан с быстродействующим компаратором The problem is solved in that in a voltage converter with overload protection containing a high-frequency converter, the first input of which is connected to the first output of the power source through a current sensor, its second input is connected to the second output of the power source, the first and second outputs are connected respectively to the first and the second terminals of the primary winding of the transformer, the first and second terminals of the secondary winding of which are connected in series through the rectifier and the LC filter respectively to the transformer to the second and second outputs of the voltage converter, the current sensor is connected to the first input of the converter through a current limiting inductor, one end connected to the anode of the diode, the cathode of which is connected to the current sensor, the output of the current sensor is connected to one of the inputs of the feedback amplifier, to the other input of which reference voltage from an external controller, and its output is connected to a high-speed comparator

отсечки, соединенным с блоком управления, содержащим формирователь управляющего сигнала, выполненный на основе широтно-импульсного модулятора, выходы которого подключены к управляющим входам высокочастотного преобразователя напряжения.cut-off connected to a control unit containing a driver of the control signal, made on the basis of a pulse-width modulator, the outputs of which are connected to the control inputs of a high-frequency voltage converter.

Далее сущность полезной модели поясняется рисунком, на котором представлена схема преобразователя напряжения с защитой от токовой перегрузки.Further, the essence of the utility model is illustrated in the figure, which shows a diagram of a voltage converter with protection against current overload.

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. Цепь, включающая датчик тока 2 и дроссель 3 зашунтирована диодом 4, анод которого соединен с дросселем 3, а катод - с датчиком тока 2. Выходные выводы высокочастотного преобразователя соединены с первичной обмоткой 5₁ трансформатора 5 вторичная обмотка The voltage converter with overload protection contains a high-frequency converter (inverter) 1, the first input of which is connected to the first output of the power source through a series-connected current sensor 2 and a current limiting inductor 3, and its second input is connected directly to the second output of the power source. The circuit including the current sensor 2 and the inductor 3 is shunted by the diode 4, the anode of which is connected to the inductor 3, and the cathode is connected to the current sensor 2. The output terminals of the high-frequency converter are connected to the primary winding 5 _{1 of the} transformer 5 secondary winding

которого 5₂ через последовательно соединенные выпрямитель 6 и LC-фильтр 7 связана с выходными выводами преобразователя. Выход датчика тока 2 соединен с первым входом усилителя обратной связи 8, выполненного на основе операционного усилителя. Выход усилителя обратной связи 8 связан с быстродействующим компаратором отсечки 9, связанным с блоком управления 10, 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 9 поступает опорное напряжение (U_оп), являющееся напряжением для защиты по максимальному токуwhich 5 ₂ through a series-connected rectifier 6 and an LC filter 7 is connected to the output terminals of the Converter. The output of the current sensor 2 is connected to the first input of the feedback amplifier 8, based on the operational amplifier. The output of the feedback amplifier 8 is connected to a high-speed cutoff comparator 9 connected to a control unit 10, which includes a control signal generator based on a pulse-width modulator, the outputs of which are connected to the control inputs of the high-frequency converter 1. The reference voltage is applied to the other input of the comparator 9 (U _op ), which is the voltage for overcurrent protection

Устройство работает следующим образом:The device operates as follows:

При подаче напряжения от источника питания, блок управления 10 начинает вырабатывать импульсы, которые поступают на управляющие входы высокочастотного преобразователя напряжения 1. По первичной обмотке 5₁ трансформатора начинает протекать ток, который индуцируется во вторичную обмотку 5₂ и через выпрямитель 6 и LC-фильтр 7 подается в нагрузку, присоединенную на выходе преобразователя. В то же время с выхода датчика тока 2, ток, преобразованный в напряжение, через операционный усилитель 8 поступает на вход быстродействующего компаратора 9, на другой вход которого поступает опорное напряжение (U_оп).When a voltage is supplied from the power source, the control unit 10 starts to generate pulses that are fed to the control inputs of the high-frequency voltage converter 1. Current flows through the primary winding 5 _{1 of the} transformer, which is induced into the secondary winding 5 ₂ and through the rectifier 6 and the LC filter 7 fed to the load connected to the output of the Converter. At the same time, from the output of the current sensor 2, the current converted to voltage, through the operational amplifier 8, is fed to the input of a high-speed comparator 9, to the other input of which a reference voltage (U _op ) is supplied.

При получении сигнала рассогласования, сигнал от компаратора 9 подается на вход блока управления 10, где преобразуется в импульсный сигнал, с помощью которого осуществляется управление преобразователем 1. При отсутствии перенапряжения на выходе компаратора 8 сигнал отсутствует. При резких коммутационных процессах, когда входной ток превышает максимально допустимый ток с высокой скоростью нарастания, Upon receipt of the error signal, the signal from the comparator 9 is fed to the input of the control unit 10, where it is converted into a pulse signal by which the converter 1 is controlled. If there is no overvoltage at the output of the comparator 8, there is no signal. In case of sharp switching processes, when the input current exceeds the maximum permissible current with a high slew rate,

из-за наличия задержки, сигнал рассогласования с компаратора 9 может поступить на блок управления 10 с запозданием, и не обеспечить защиту от выхода из строя транзисторов высокочастотного преобразователя. В то же время в предлагаемом устройстве входной ток до его поступления на транзисторы инвертора поступает на дроссель 3, где скорость нарастания тока замедляется, примерно до величины 1а/мкс. За это время сигнал рассогласования с компаратора 9, поступающий на блок управления 10 успевает обеспечить сигнал запрета на коммутацию транзисторных ключей высокочастотного преобразователя 1. Через диод 2 напряжение на дросселе 3 спадает, как только его величина сравняется с номинальным, сигнал рассогласования исчезает, с блока управления поступает сигнал, разрешающий нормальную работу транзисторов инвертора 1. Пока не спадет аварийный ток в дросселе токоограничения, управление силовыми ключами инвертора заблокировано.due to the presence of a delay, the error signal from the comparator 9 may arrive late to the control unit 10, and may not provide protection against the failure of transistors of the high-frequency converter. At the same time, in the proposed device, the input current before it arrives at the inverter transistors is supplied to the inductor 3, where the slew rate of the current slows down to about 1a / μs. During this time, the mismatch signal from the comparator 9 arriving at the control unit 10 manages to provide a ban signal for switching transistor switches of the high-frequency converter 1. Through diode 2, the voltage on the inductor 3 drops, as soon as its value is equal to the nominal value, the mismatch signal disappears from the control unit a signal is received that permits the normal operation of the transistors of inverter 1. Until the emergency current in the current limiting choke decreases, the control of the inverter power keys is blocked.

Предложенная схема защиты инвертора позволяет защитить ключевые транзисторные элементы от неправильной коммутации и выходу из строя.The proposed inverter protection circuit allows you to protect key transistor elements from incorrect switching and failure.

Claims (1)

Преобразователь напряжения с защитой от перегрузки, содержащий высокочастотный преобразователь (инвертор), первый вход которого через датчик тока подключен к первому выводу источника питания, второй вход его 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 напряжения, отличающийся тем, что датчик тока соединен с первым входом преобразователя через дроссель токоограничения, один вывод которого соединен с анодом диода, катод которого соединен с указанным датчиком тока, выход датчика тока соединен с одним из входов усилителя обратной связи, связанного с быстродействующим компаратором отсечки, на другой вход которого поступает опорное напряжение с внешнего контроллера, а его выход связан с блоком управления, содержащим формирователь управляющего сигнала, выполненный на основе широтно-импульсного модулятора, выходы которого подключены к управляющим входам высокочастотного преобразователя напряжения (инвертора).

An overload protection voltage converter comprising a high-frequency converter (inverter), the first input of which is connected to the first output of the power source through a current sensor, its second input is connected to the second output of the power source, its first and second outputs are connected respectively to the first and second terminals of the primary transformer windings, the first and second conclusions of the secondary winding of which are connected through a rectifier and an LC filter in series to the first and second output terminals, respectively A voltage converter, characterized in that the current sensor is connected to the first input of the converter through a current limiting inductor, one output of which is connected to the anode of the diode, the cathode of which is connected to the specified current sensor, the output of the current sensor is connected to one of the inputs of the feedback amplifier associated with high-speed a cutoff comparator, to the other input of which the reference voltage is supplied from an external controller, and its output is connected to a control unit containing a control signal shaper made on Nove pulse width modulator, the outputs of which are connected to the control inputs of the high frequency voltage converter (inverter).