Principio de funcionamiento del circuito compartido de corriente

Método de caída, intercambio de corriente, tecnología de conversión de fuente de alimentación conmutada (imagen)

Autor: Liu Kecheng, Wang Weiguo, Guo Zuyou, Instituto 510, Grupo de la Quinta Academia de Ciencia y Tecnología Aeroespacial Fecha : 2006-1-1

Se realizó un análisis teórico sobre la tecnología de conversión de corriente compartida del método Droop, se estableció un modelo de circuito de un convertidor de conmutación de respaldo en caliente con fuente de alimentación en paralelo, se realizó el análisis del circuito y la verificación. se dieron los resultados

Introducción

Una de las direcciones de desarrollo de los sistemas de energía aeroespaciales es utilizar sistemas de energía distribuida para reemplazar los sistemas de energía centralizados. La ventaja es que simplifica el diseño de la energía. sistema de suministro y distribución y mejora la confiabilidad general del sistema. Para mejorar aún más su confiabilidad, los convertidores CC/CC utilizados en sistemas de distribución y suministro de energía distribuida generalmente adoptan métodos de respaldo paralelo para formar un sistema paralelo confiable.

Los métodos de respaldo paralelo comúnmente utilizados de los convertidores CC/CC que se utilizan actualmente en los satélites en China son el respaldo en frío (la copia primaria soporta toda la potencia de salida; si la copia primaria falla, se requieren instrucciones de control remoto para la copia primaria). y conmutación de respaldo), respaldo en caliente Modo de respaldo (la copia primaria asume toda la potencia de salida, si la copia primaria falla, la copia de respaldo genera trabajo automáticamente).

Algunos datos extranjeros muestran que la vida útil de los componentes electrónicos cuando la temperatura de funcionamiento supera los 50 °C es 1/6 de la vida útil de los componentes electrónicos a 25 °C. En otras palabras, la tasa de falla de los componentes electrónicos es muy grande. aumenta a medida que aumenta la temperatura. Para mejorar aún más la vida útil y la confiabilidad del convertidor CC/CC, los dispositivos de energía que afectan principalmente la vida útil del convertidor CC/CC deben diseñarse y usarse razonablemente con estrés laboral, y se debe implementar un modo de respaldo en caliente en el sistema de suministro de energía en paralelo (el principal y el de respaldo funcionan al mismo tiempo, cada uno de ellos es responsable de parte de la potencia de salida).

Este artículo estudia principalmente la tecnología de intercambio de corriente paralela de los convertidores CC/CC del método Droop y diseña un convertidor de intercambio de corriente basado en la topología del circuito flyback de dos convertidores CC/CC con salida en paralelo.

Topología del circuito y principio de funcionamiento del circuito flyback de un solo extremo Topología del circuito

Figura 1 Convertidor Flyback

El convertidor flyback se basa en el Buck básico: es formado insertando un transformador en el convertidor Boost. La composición del circuito se muestra en la Figura 1. El devanado primario del transformador en realidad actúa como un inductor de almacenamiento de energía. Más adelante se describirá que el diseño de la inductancia primaria afectará el modo de funcionamiento del convertidor flyback.

La primera etapa de operación del circuito es la etapa de almacenamiento de energía. En este momento, el interruptor Tr se enciende y el cambio lineal de la corriente del devanado primario Ip sigue la fórmula (1).

(1)

La segunda etapa de operación del circuito es la etapa de transferencia de energía. En este momento, el interruptor Tr está apagado, la corriente primaria es cero y el rectificador secundario. El diodo D se enciende. Se produce corriente inducida. Y de acuerdo con el principio de potencia constante, el valor de amperios-vueltas del devanado secundario es igual al valor de amperios-vueltas del devanado primario. La corriente del devanado secundario Is sigue la fórmula (2).

(2)

Donde es el voltaje del devanado secundario y es la inductancia equivalente del lado secundario del transformador. Modo de trabajo del circuito

(1) Condiciones para cambiar el modo de trabajo

Para el convertidor que se muestra en la Figura 1, suponga que el ciclo de trabajo de conducción del tubo de conmutación es D1 y el ciclo de trabajo de conducción del diodo La relación es D2 y el período de trabajo es Ts. Según el principio de incrementos iguales de corriente del inductor en estado estacionario:

(3)

En modo continuo, durante D1 (el interruptor). se enciende, el diodo se corta) la energía almacenada en L no se descarga completamente durante el período D2 (el tubo del interruptor se apaga y el diodo se enciende), por lo que hay:

( 4)

En modo discontinuo, la energía almacenada en L durante el período D1 (el interruptor está encendido y el diodo está apagado) se ha descargado completamente durante el período inferior a D2 (el interruptor está apagado). apagado y el diodo encendido), por lo que se tiene:

(5)

Así, se puede deducir la condición de continuidad crítica:

D1 D2=1 e IP al inicio de cada ciclo=0

Por lo tanto:

(6)

Donde, Lc es el valor crítico de inductancia continua.

Sustituir en la ecuación (3) es:

(7)

Usando el método de promedio del espacio de estados, el modelo de señal pequeña del convertidor flyback en modo CCM se puede establecer, como se muestra en la Figura 2.

Figura 2 Modelo de señal pequeña de convertidor flyback en modo CCM

La impedancia de salida de bucle abierto se puede derivar como:

(8)

Entre ellos

Se puede ver en la ecuación (8) que para el convertidor Buck-Boost diseñado, su impedancia de salida es solo una función de la relación de conducción del tubo de conmutación. Al controlar el ciclo de trabajo de conducción D del tubo de conmutación mediante PWM, se puede controlar la impedancia de salida de bucle abierto del convertidor.

Principio de distribución de corriente del método de caída

La ventaja de utilizar sistemas de energía distribuida en paralelo es que puede realizar la modularización del suministro de energía y el diseño estandarizado del sistema, y ​​puede realizar un diseño redundante y mejorar la confiabilidad del sistema. Sin embargo, se requieren medidas para compartir corriente entre fuentes de alimentación paralelas para garantizar una distribución uniforme de la tensión actual y la tensión térmica entre los módulos de fuente de alimentación paralelos.

El método de caída también se llama método de cambio de resistencia interna de salida, método de control de pendiente, método de caída de voltaje, método de caída de característica externa, método de control de pendiente de característica de salida. El circuito es simple y fácil de implementar con precisión de intercambio de corriente. no es alto, por lo que es adecuado para sistemas en paralelo con requisitos de regulación de bajo voltaje.

Figura 3 Modelo de circuito de fuente de alimentación conmutada

Figura 4 Curva de salida de la fuente de alimentación conmutada

Como se muestra en la Figura 3, la curva característica de salida de una única fuente de alimentación conmutada La fuente de alimentación es la siguiente. Como se muestra en la Figura 4, la relación entre el voltaje de salida Vo y la corriente de carga Io es:

(9)

Figura 5 Modelo de circuito de dos fuentes de alimentación conmutadas suministros conectados en paralelo

Cuando dos fuentes de alimentación conmutadas se conectan en paralelo como se muestra en la Figura 5, la corriente de carga de cada fuente de alimentación conmutada es:

(10)

(11)

Dónde

Figura 6 La pendiente característica externa de la fuente de alimentación conmutada después de la conexión en paralelo

Se puede ver en la Figura 6 que Para una fuente de alimentación con una pendiente característica externa pequeña (es decir, una impedancia de salida pequeña), el aumento en la corriente de distribución es mayor que la pendiente característica externa. Las fuentes de alimentación grandes tienen un gran crecimiento.

El principal medio para lograr el reparto de corriente mediante el método Droop es utilizar la retroalimentación de corriente para ajustar la pendiente característica externa de cada convertidor de modo que la impedancia de salida de los convertidores en paralelo sea casi la misma, logrando así una salida intercambio actual.

Como se mencionó anteriormente, la impedancia de salida del circuito de retorno es una función del ciclo de trabajo del tubo de conmutación. Por lo tanto, la forma de utilizar el circuito de retorno para realizar el método de caída de corriente compartida debe ser controlar. el tubo de conmutación a través de la señal de detección actual. Esto se logra activando el ciclo de trabajo, o la señal de detección actual debe participar en el control PWM.

Este artículo utiliza el método Droop para diseñar dos convertidores CC/CC paralelos de salida de 12 V. La estructura se muestra en la Figura 7 y las especificaciones técnicas son las siguientes.

Figura 7 Diagrama de bloques del principio de diseño CC-CC del método de caída de corriente compartida

Voltaje de entrada: 17 V ~ 32 V CC;

Voltaje de salida: 12 V CC;

Potencia máxima de salida: 30W;

Frecuencia de trabajo: 200kHz.

Regulación de tensión: inferior a ±3;

Regulación de carga: inferior a ±3;

Eficiencia: superior a 70;

Onda: a 70mV.

Resultados del diseño

● Regulación de carga

El modo de salida del convertidor flyback estudiado en este artículo es un diseño fuera de línea y la señal de muestreo de voltaje no llega desde la salida En lugar de muestrear directamente al final, se utiliza tecnología de muestreo de aislamiento magnético. Este diseño puede lograr una salida fuera de línea sin la ayuda del circuito de aislamiento de inicio y del circuito de accionamiento de aislamiento. El circuito es simple, pero la desventaja es que la tasa de regulación de carga no puede ser muy alta. Teóricamente, es difícil lograr una tasa de regulación de carga de ±5. La literatura relevante presenta que este diseño (salida de 12 V, cambios de corriente de 0,1 a 0,3 A) puede lograr una tasa de regulación de carga de ±3. para realizar la carga La tasa de regulación alcanza ±3 cuando la corriente de carga cambia de 0,1 a 1,3 A.

1. Acoplamiento del transformador

Dado que la señal de muestreo de voltaje se obtiene acoplando la señal de cambio de voltaje de salida a través del devanado de la señal de muestreo de voltaje del transformador, la calidad del acoplamiento de la señal afecta directamente la salida. Ajuste de carga de voltaje. La tasa es buena o mala. Después de repetidas pruebas, se han adquirido dos experiencias prácticas:

1. El transformador se enrolla utilizando el método de devanado "sándwich", es decir, primero se enrolla la mitad del devanado primario y luego el devanado secundario. , y luego se enrolla el devanado primario. Después de enrollar las vueltas restantes, envuelva el devanado secundario en el interior para minimizar la inductancia de fuga, como se muestra en la Figura 8.

Figura 8 Método de devanado del transformador

2. El devanado de salida y el devanado de muestreo de voltaje se enrollan en paralelo para lograr el mejor efecto de acoplamiento.

2. Modo de trabajo

Después de los experimentos, se descubrió que los diferentes modos de trabajo del circuito también tienen un gran impacto en la tasa de regulación de la carga. Cuando el diseño del circuito tiene una inductancia primaria grande y opera en modo continuo (CCM), la pendiente de la forma de onda de la señal de corriente (corriente máxima del inductor) causada por los cambios de carga es relativamente plana (la tasa de cambio es pequeña), lo que afecta el voltaje de salida. tasa de regulación de carga; mientras que el funcionamiento del circuito en modo discontinuo (DCM), también afecta la eficiencia.

Entonces, después de repetidas pruebas, el diseño del circuito tiene una inductancia primaria moderada (el número de vueltas primarias del transformador se ajusta a 6 vueltas) y, como resultado, el circuito opera en modo continuo crítico. La tasa de regulación de carga de voltaje de salida se ha mejorado hasta cierto punto.

3. Señal de muestreo de voltaje

En la prueba, también se encontró que reducir la impedancia de salida del devanado de muestreo de voltaje es equivalente a un cierto efecto de amplificación en la señal de muestreo de voltaje. lo que puede mejorar la señal de muestreo de voltaje hasta cierto punto. La tasa de regulación de carga de voltaje de salida se muestra en la Figura 9.

Figura 9 Reducir la impedancia de salida del devanado de muestreo de voltaje puede mejorar la regulación de la carga del voltaje de salida

Conclusión

Basado en la investigación y discusión relevantes de este artículo , así como el diseño combinado Para resolver los problemas prácticos encontrados en el diseño, la fuente de alimentación conmutada de intercambio de corriente de respaldo térmico flyback de un solo extremo diseñada tiene un mejor rendimiento. Los diversos parámetros de salida se muestran en la Tabla 1.

Tabla 1

Los resultados del intercambio actual de dos convertidores CC-CC en paralelo se muestran en la Figura 10.

Figura 10 Resultados del intercambio de corriente de dos convertidores CC-CC en paralelo

A partir de los resultados, dado que la impedancia de salida de DC/DC1 es menor que la impedancia de salida de DC/DC2, la estado estable Como resultado del ajuste, la corriente de salida de DC/DC1 es siempre mayor que la corriente de salida de DC/DC2, y el desequilibrio de la corriente de salida es de aproximadamente 12,78.

La impedancia de salida de DC/DC1 se puede ajustar a través de una resistencia en serie, lo que puede reducir aún más el desequilibrio. Sin embargo, esto reducirá la eficiencia de salida y, en segundo lugar, aumentará la tasa de regulación de la carga de salida.

A juzgar por los resultados del diseño, básicamente se logró la salida de CC/CC de respaldo en caliente, y la eficiencia general y varios indicadores cumplieron relativamente bien con los requisitos de diseño.

Referencias

1. Zhang Zhansong, Cai Xuansan. Principio y diseño de la fuente de alimentación conmutada. 2004.9

2. Diseño y aplicación de tecnología práctica de suministro de energía conmutada. Prensa de correos y telecomunicaciones del pueblo. 2003.8

3. Escrito por Marty Brown, traducido por Xu Dehong, Shen Xu, Yang Chenglin, Zhou Dengyan. Guía de diseño. Machinery Industry Press. 2005.1

4. Beijing Semiconductor Device Factory No. 5. Último manual de aplicación de datos del regulador de voltaje integrado

5. (Segunda edición). Publicado por la Sociedad Universitaria Xi'an Jiaotong. 1999.11

6. Gene F.Franklin [EE.UU.] J.David Powell, Abbas Emami-Naeini. Qidan, Zhang Like, Yuan Xin y otros. Prensa de la industria electrónica 2004.5