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diseño de circuito de protección contra cortocircuitos de salida del convertidor dc dc militar de alta potencia y entrada amplia

Diseño de circuito de protección contra cortocircuitos de salida del convertidor dc dc militar de alta potencia y entrada amplia


Resumen: Este El artículo analiza en primer lugar el principio de funcionamiento del circuito de protección contra cortocircuitos de salida tradicional y da su deficiencia en la aplicación del convertidor de CC de CC de alta potencia y entrada amplia. entonces se propone un nuevo circuito de protección contra cortocircuitos de salida. es más adecuado para convertidor dc dc militar de entrada de alta potencia y amplio rango. Y el principio de funcionamiento y parte clave del circuito se analizan en detalle. Finalmente, se realiza el análisis de simulación de comparación entre el circuito tradicional y el circuito propuesto mediante la utilización de software de simulación de sable

clave Palabras: protección corta, transformador de corriente, umbral compensación, entrada de voltaje de amplio rango


1. Introducción

El corriente de entrada de alta potencia y amplia gama El convertidor dc dc militar de entrada suele ser muy grande cuando está funcionando, si la falla de cortocircuito ocurre repentinamente en el proceso de trabajo, y la fuente de alimentación no tiene la función de protección contra cortocircuitos, el dispositivo de alimentación en la fuente de alimentación puede quemarse debido a una sobrecorriente instantánea, lo que provoca el daño de toda la fuente de alimentación. Sin embargo, el circuito de protección de cortocircuito de salida tradicional no es adecuado para alta potencia y entrada convertidor dc dc militar porque de algunas deficiencias. Este presenta un circuito de protección de salida mejorado para alta potencia y entrada dc dc militar convertidor.

circuito de protección de cortocircuito de salida tradicional

El El principio de funcionamiento del circuito se muestra en la figura 1. El la corriente de entrada del circuito se muestrea con Rs, y el voltaje de CA muestreado es rectificado y detectado por D1, R2, C2 y luego conectado al terminal de entrada positivo del comparador. El comparador se suministra con una tensión de referencia (VREF terminal) en un PWM chip de control, y el voltaje de referencia está conectado al terminal de entrada negativo del comparador después de ser dividido por resistencias R3 y R4, como tensión de umbral para protección contra cortocircuitos. voltaje de entrada directo del comparador es v + y la tensión de entrada inversa es V-. Cuando se produce un cortocircuito, v + > V-, el comparador la salida es alta, el transistor vi está encendido, el extremo comp del PWM chip se baja, el pulso de salida del PWM El chip se apaga y la fuente de alimentación entra en la protección . se elimina la falla de cortocircuito, v + < V-, el comparador la salida es baja, el triodo vi 1 se apaga y el circuito vuelve al funcionamiento normal. a través del análisis del circuito, si se aplica a alta potencia y entrada amplia convertidor dc dc militar, existen principalmente los siguientes defectos:

1) Cuando la potencia de salida de la fuente de alimentación es grande, la corriente de entrada será relativamente grande y la pérdida en rs será grande, que reducirá la eficiencia del suministro eléctrico.

2) cuando el rango de voltaje de entrada de la fuente de alimentación es relativamente amplio, la pendiente ascendente de la onda escalonada de la corriente pico primaria detectada por rs varía mucho con el voltaje de entrada, y cuando se produce un cortocircuito, ya que la pendiente ascendente de la corriente de pico primaria en el extremo superior de entrada es mucho mayor que la pendiente ascendente de la corriente de pico primaria del extremo inferior de entrada, un voltaje de umbral de protección contra cortocircuitos (punto b voltaje) Bajo En las mismas circunstancias, el valor de la corriente de protección contra cortocircuitos variará mucho, si el voltaje de umbral de la protección contra cortocircuitos no está configurado correctamente, incluso parecerá que el voltaje de entrada no se puede proteger en el extremo inferior y el extremo superior de entrada no se puede restaurar después de ingresar a la protección, que aumentará considerablemente la dificultad de la depuración del circuito de protección contra cortocircuitos.



figura 1. circuito de protección de cortocircuito de salida convencional



circuito de protección de cortocircuito de salida mejorado

En vista del circuito de protección de cortocircuito de salida tradicional, hay dos deficiencias en la aplicación de alta potencia amplio rango entrada convertidor dc dc militar, esto paper presenta un circuito de protección de salida mejorado que puede resolver dos problemas, el diagrama esquemático del circuito se muestra en la figura 2, sus mayores características son:

1) El El transformador de corriente se utiliza para muestrear la corriente de pico de entrada, que no solo puede reducir la pérdida de energía causada por Rs, sino también realizar el aislamiento eléctrico y reducir la interferencia.

2) se adoptan medidas de compensación para la tensión umbral de la protección contra cortocircuitos, es decir, una resistencia de compensación R1 está conectado entre la tensión de entrada y el extremo de entrada inverso (punto B) del comparador, de modo que cuando la tensión de entrada cambia, la tensión umbral de la protección contra cortocircuitos se ajustará correspondientemente y cuando el voltaje de entrada del producto está en el extremo alto y bajo, el valor de la corriente de protección contra cortocircuitos no difiere mucho, lo que facilita la depuración de la función de protección contra cortocircuitos.




Figura 2 circuito de protección de cortocircuito de salida mejorado


El circuito utiliza un transformador de corriente para muestrear la corriente de entrada del circuito, en el que R2 reinicia el transformador de corriente, la corriente pasa por D1 y R3 para obtener una tensión continua pulsante, la tensión pasa a través de un circuito de detección de picos compuesto por D2, R5, R6 y C2, y está conectado a un terminal positivo de entrada de un comparador, y el voltaje de referencia del PWM chip pasa a través de las divisiones de voltaje de las resistencias R1, R7 y R8 para obtener un voltaje VT1.Después la división de voltaje de R1, R7 y R8, VIN obtiene una tensión de compensación VT2, T1 y VT2 se superponen y conectan al extremo de entrada inverso del comparador como voltaje umbral de protección contra cortocircuitos, el voltaje terminal positivo del comparador es v +, el voltaje terminal negativo del comparador es V-, cuando la fuente de alimentación tiene un cortocircuito, v + > V-, el nivel de salida del comparador es alto, el transistor vi 1 está encendido, el pin de compensación del PWM el chip se baja y luego el pulso de salida se apaga. desaparece la falla de cortocircuito, v + < V-, el comparador La salida es alta y el circuito funciona normalmente. El diseño del transformador de corriente y el circuito de compensación del umbral de protección contra cortocircuitos son las dos partes clave del circuito, lo siguiente se centrará en el análisis de estos dos partes del circuito.

3,1 análisis y diseño de transformador de corriente

El transformador de corriente se divide en el transformador de corriente alterna y el transformador de corriente continua de impulsos, ambos utilice el principio de aislamiento electromagnético del transformador para realizar la detección de la corriente medida. El diferencia entre ellos es que en el transformador de corriente alterna, la señal alterna hará que el núcleo magnético del transformador se magnetice simétricamente, mientras que en el transformador de pulsos de corriente continua, el núcleo magnético sea unidireccional magnetizado, que pertenece al modo de trabajo del convertidor directo. Por lo general, en la aplicación de la fuente de alimentación conmutada, se utiliza el transformador de corriente continua de pulsos. Cuando Al diseñar el inductor mutuo de corriente continua de pulso, debe cumplir los siguientes requisitos:

(1) El materiales con pequeña permeabilidad magnética residual y alta debe ser seleccionado para hacer el transformador, y el núcleo magnético anular se usa generalmente para hacer que el núcleo magnético del transformador funcione en la curva de magnetización local.

2) El El circuito de reinicio del núcleo debe diseñarse para el inductor mutuo, porque en el inductor mutuo de pulsos de cc, el núcleo magnético está magnetizado unidireccionalmente, puede causar fácilmente la saturación del núcleo magnético. Por lo general, el método de reinicio del núcleo más simple es conectar una gran resistencia a tierra frente al diodo secundario del inductor mutuo, como la resistencia R2 en la figura 2.

(3) para reducir la pérdida, el transformador de corriente con relación de giro alta debería ser elegido, pero la relación de giro debería no sea demasiado grande, porque si el número de vueltas en el lado secundario es demasiado grande, su capacitancia distribuida también será grande, y cuando el núcleo se reinicia, el período de resonancia entre la inductancia del lado secundario y la capacitancia distribuida será más largo, entonces cuando el trabajo es relativamente grande, la bobina del lado secundario no tendrá tiempo suficiente para liberar energía para restablecer el núcleo, por lo tanto, la relación de giro de los lados primario y secundario del transformador de corriente generalmente toma 1: 30 hasta 1:50.

análisis y diseño de 3.2 circuito de compensación de umbral de protección contra cortocircuitos

El circuito de umbral de protección contra cortocircuitos de este El circuito se realiza conectando una resistencia de compensación R1 entre la tensión de entrada y la entrada inversa del comparador, y el valor de ri se determina de acuerdo con los requisitos reales del circuito.

como se muestra en FIG. 2, si la tensión del punto B, I. E., el voltaje umbral de la protección contra cortocircuitos, es VB, luego, de acuerdo con el teorema de superposición en la base del análisis del circuito, se puede obtener



El VB valor cual no es difícil de encontrar de la fórmula (1) se compone de dos partes. Si el valor de la primera parte es VB1 y el valor de la segunda parte es VB2, se puede obtener la siguiente ecuación.


Desde la fórmula (3) (4), se puede ver que cuando R1, R7, R8 se da, el valor de VB1 cambios en proporción directa al cambio de voltaje de entrada VIN, y el valor de VB2 es un valor fijo. en general VB y VIN los valores son cambios correlacionados positivamente, voltaje de entrada bajo, voltaje de umbral de protección contra cortocircuitos se reducirá, voltaje de entrada alto, el umbral de protección contra cortocircuitos aumentará. a la experiencia actual de ingeniería y al análisis previo, cuando la fuente de alimentación utiliza el circuito tradicional de protección contra cortocircuitos, la magnitud de la corriente de protección contra cortocircuitos y el valor del voltaje de entrada VIN están correlacionados negativamente, cuanto menor es el voltaje de entrada, mayor es la corriente de protección contra cortocircuitos, cuanto mayor es el voltaje de entrada, menor es la corriente de protección contra cortocircuitos y cuanto más amplio es el rango de voltaje de entrada, mayor es la variación del cortocircuito corriente de protección entre alta y baja tensión de entrada. esto circuito, porque de adoptar la medida de compensación al valor umbral de la protección contra cortocircuitos, el valor de voltaje umbral de la protección contra cortocircuitos en el extremo inferior de entrada de la fuente de alimentación es menor que que en la entrada de gama alta. comparado con el circuito de protección tradicional, puede hacer que la corriente de protección contra cortocircuitos en el extremo inferior de entrada de la fuente de alimentación aumente de manera adecuada y finalmente alcanzar el objetivo de que el valor de la corriente de protección contra cortocircuitos no difiera demasiado la fuente de alimentación se introduce en un amplio rango de tensión.

resultados del experimento de simulación

El circuito tradicional de protección contra cortocircuitos y el circuito de protección contra cortocircuitos propuesto en este se aplican a un 65W de un solo extremo flyback convertidor respectivamente, y los resultados experimentales muestran que las especificaciones de diseño del flyback convertidor son los siguientes:


(1) comparación de resultados de eficiencia energética

tabla 2 tabla de comparación de la eficiencia de la fuente de alimentación entre el circuito de protección tradicional y el circuito de protección mejorado


como se puede ver desde tabla 2, la eficiencia de la fuente de alimentación con el circuito de protección mejorado es obviamente más alto que que con el circuito de protección tradicional.

(2) análisis comparativo de la corriente de protección contra cortocircuitos de la fuente de alimentación

1) El situación cuando se utiliza el circuito de protección tradicional



Figura 3 voltaje de umbral utilizando un circuito de protección contra cortocircuitos convencional


Figura 4 forma de onda de la corriente de entrada de suministro para protección de cortocircuito de salida convencional

la figura 3 es el voltaje umbral del circuito tradicional de protección contra cortocircuitos, desde se puede ver la figura, cuando el voltaje de entrada cambia, su valor es fijo, alrededor de 0.42V, la figura 4 es el uso del circuito de protección de cortocircuito de salida tradicional, VIN a 15 V, 28 V, 50 V, cortocircuito de potencia, forma de onda de corriente de entrada, desde se puede ver la figura, cuando VIN = 15 V, la corriente de entrada promedio de la fuente de alimentación es de aproximadamente 1,69 A, cuando VIN = 28 V, la corriente de entrada promedio de la fuente de alimentación es de aproximadamente 0,81 A; cuando VIN = 50 V, la corriente de entrada promedio de la fuente de alimentación es de aproximadamente 5; Conclusión: 0.41A. se puede ver que en la fuente de alimentación que utiliza el circuito tradicional de protección contra cortocircuitos, cuando el rango de entrada de la fuente de alimentación es amplio, la variación de la corriente de protección contra cortocircuitos de entrada de la fuente de alimentación con el voltaje de entrada es muy grande.

2) El circuito de protección contra cortocircuitos mejorado en este se adopta el papel.


figura 5 cambio en el voltaje umbral con protección mejorada contra cortocircuitos de salida


Fig. 5 es un caso donde la tensión umbral del circuito de protección contra cortocircuitos mejorado cambia con el voltaje de entrada, y se puede ver desde la cifra que cambia la tensión umbral del circuito de protección contra cortocircuitos con el cambio de la tensión de entrada y aumenta con el aumento de la tensión de entrada, y FIG. 6 es una forma de onda de la corriente de entrada cuando los voltajes de entrada son 15V, 28V, 50V y la fuente de alimentación está en cortocircuito, y se puede ver desde la cifra que cuando la fuente de alimentación está protegida contra cortocircuitos, cuando v = 15 V, la corriente de entrada promedio durante un cortocircuito en la fuente de alimentación es de aproximadamente 1,26 A, cuando v = 28 V, la corriente de entrada media durante el cortocircuito de la fuente de alimentación es de aproximadamente 0,80 A, cuando VN = 50 V, la corriente de entrada media durante el cortocircuito de la fuente de alimentación es de aproximadamente 0,75 A, de modo que cuando el rango de entrada de la fuente de alimentación es amplio, la variación de la corriente de protección contra cortocircuitos de la fuente de alimentación con la tensión de entrada mejora obviamente en comparación con el de la fuente de alimentación mediante el tradicional circuito de protección contra cortocircuitos.




Figura 6 forma de onda de la corriente de entrada de suministro utilizando un circuito de protección contra cortocircuitos de salida mejorado

5. Conclusión

en vista de la limitación del circuito de protección de salida tradicional cuando se utiliza en la gama alta y entrada convertidor dc dc militar, esto presenta un circuito mejorado de protección contra cortocircuitos, que no solo reduce la pérdida, sino que también reduce la amplitud de variación de la corriente de protección contra cortocircuitos con la tensión de entrada y reduce en gran medida la dificultad de depurar la protección contra cortocircuitos.

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