Релейное регулирование в импульсных DC/DC преобразователях

Релейный принцип регулирования выходных координат импульсных источников вторичного электропитания используется сравнительно редко. Во многом он проигрывает существующим альтернативам. Надо так же отметить, что жёсткая коммутация силовой цепи преобразователя является причиной больших динамических потерь в транзисторах, поэтому скользящие режимы (они же вибрационные), в случае релейного регулирования, не используются. С той целью, чтобы в силовой цепи устанавливался автоколебательный режим сравнительно редких переключений, применяют релейные регуляторы с гистерезисом.

В соответствии с обобщенной теорией построения релейных систем на входы регулятора необходимо подать выходную координату системы (точнее ошибку) и её производную. Выходная координата импульсного источника – это напряжение на нагрузке. А производная напряжения – пропорциональна току конденсатора фильтра. Соответствующая модель представленная на чертеже 1.

Любой импульсный источник электропитания с промежуточным накоплением энергии в индуктивности может работать либо в режиме прерывистого тока, либо в режиме непрерывного тока. Режимы различаются, если рассматривать вопросы регулирования. Для режима прерывистого тока задача обеспечения устойчивости схемы решается проще. Поэтому специалисты в преобразовательной технике всегда проявляли повышенный интерес к нему. Большие амплитуды токов, характерные для режима прерывистого тока сегодня не являются сдерживающим фактом.

Эксперимент № 1. Запустите процесс симуляции модели источника представленной на чертеже 1. Меняйте ползунковым регулятором величину сопротивления нагрузки. Убедитесь в том, что источник с релейным регулятором сохраняет устойчивость, как в режиме прерывистого тока, так и в режиме непрерывного тока. Остановите процесс симуляции.

Чертеж 1

Другая примечательная особенность релейного регулирования заключается в том, что если установить ограничитель сигнала в канале ошибки, то при включении системы (ровно как и при ступенчатом изменении сигнала задания) напряжение на нагрузке будет достигать установившегося значения без перерегулирования и с постоянной скоростью.

Эксперимент № 2. Запустите процесс симуляции модели представленной на чертеже 2. Убедитесь в том, что при включении источника и переходный процесс увеличения выходного напряжения весьма качественный, и амплитуда импульсов тока в индуктивности (ровно как и в силовом ключе) не достигает неприемлемых значений при любой нагрузке на выходе. Удалите блок limit в канале ошибки системы. Убедитесь в том, что амплитуда тока в цепи при запуске схемы существенно возрастает.

Чертеж 2

Особого внимания заслуживает схемотехническое решение, представленное на чертеже 3, позволяющие упростить схему импульсного источника с релейным регулятором. Суть его в том, что последовательно с конденсатором фильтра включают активное сопротивление малой величины. Падение напряжения на этом резисторе пропорционально току конденсатора. Это же напряжение является переменной составляющей в выходном напряжении источника. Именно эти две координаты должны поступать на входы классического релейного регулятора. Но раз они уже просуммированы, регулятор можно упростить до реле с гистерезисом (входящего в его состав).

Эксперимент № 3. Запустите процесс симуляции модели источника представленной на чертеже 3. Меняйте ползунковым регулятором величину сопротивления нагрузки. Убедитесь в том, что источник с корректирующим резистором в цепи конденсатора фильтра работоспособен во всех режимах. И функционирует так же, как источник, чья модель представлена на чертеже 1. Остановите процесс симуляции.

Чертеж 3

Оборотная сторона этого блестящего схемотехнического решения заключается в том, что информационные сигналы, используемые для релейного регулирования, не разделены, и невозможно организовать ограничение для одного из них. В результате режим прерывистого тока становится "запретным" для релейных DC/DC преобразователей по причине токовых перегрузок и перерегулирования в переходных режимах.

Эксперимент № 4. Запустите процесс симуляции модели представленной на чертеже 4. Убедитесь в том, что при включении источника силовой ключ замкнут продолжительное время. Но из-за большого номинала индуктивности фильтра и малой емкости, ток не достигает, в переходном процессе, неприемлемо больших значений. С помощью ползункового регулятора меняйте номинал нагрузки источника. Повторяйте команду запуска процесса симуляции. Убедитесь в том, что при малых нагрузках появляется перерегулирование.

Эксперимент № 5. Установите номиналы элементов силовой цепи источника такими же, как в модели представленной на чертеже 3 (Lф = 20 мкГ, Cф = 200 мкФ, Rк = 0.02 Ом, Rн = 10 Ом). Запустите процесс симуляции. Убедитесь в том, что токовая перегрузка, характерная для режима прерывистого тока во время запуска источника, действительно неприемлема.

Чертеж 4

Резюме. Релейное регулирование импульсных DC/DC преобразователей с промежуточным накоплением энергии в индуктивности применяют при отсутствии требований к динамике, для неменяющейся нагрузки. Регулятор настраивают на автоколебательный процесс. Фильтр рассчитывают на режим непрерывного тока.

11.01.2009