Инверторный стабилизатор напряжения ресанта: Стабилизатор напряжения РЕСАНТА АСН-6000/1-И — купить в Москве в интернет-магазине электроинструментов Ресанта, цена, характеристики, фото.

Патент США на регулятор напряжения с двойным синхронным мостом Патент на инвертор CCFL (Патент № 6,108,215, выдан 22 августа 2000 г.)

1. Область изобретения

Это изобретение относится к области источников питания для портативных компьютерных систем и, в частности, к схеме инвертора с двойными преобразователями, включающей в себя синхронно переключающийся регулятор напряжения и автогенератор для подачи энергии на люминесцентные лампы с холодным катодом.

2. Описание родственного искусства

Жидкокристаллические дисплеи с подсветкой люминесцентными лампами с холодным катодом (CCFL) широко используются в дисплеях портативных компьютеров. Цепи для подачи питания на CCFL требуют управляемого источника питания переменного тока и петли обратной связи для точного отслеживания тока в лампе, чтобы поддерживать стабильность работы цепи и иметь возможность изменять яркость лампы. Такие схемы должны быть способны генерировать высокое напряжение для включения люминесцентной лампы, а затем понижать напряжение, когда в лампе начинает течь ток.

Инверторные схемы преобразуют нерегулируемое постоянное напряжение в регулируемый переменный ток и обычно включают в себя импульсный стабилизатор, которые подразделяются на различные конфигурации или «топологии». Одной из таких топологий является несимметричная цепь индуктивности, состоящая из относительно простых схем, в которых переключатель определяет, является ли напряжение, приложенное к катушке индуктивности, входным напряжением V dc или нулем. Таким образом, выходное напряжение является функцией среднего напряжения, приложенного к катушке индуктивности.Переключатель может быть реализован с использованием различных электронных компонентов, например силового транзистора, соединенного последовательно или параллельно с нагрузкой. Регулятор управляет включением и выключением переключателя, чтобы регулировать поток энергии к нагрузке. В импульсном регуляторе используются индуктивные элементы накопления энергии для преобразования коммутируемых импульсов тока в постоянный ток нагрузки. Таким образом, мощность в импульсном регуляторе передается через переключатель дискретными импульсами тока.

Для генерации потока импульсов тока импульсные регуляторы обычно включают в себя схему управления для включения и выключения переключателя.Рабочий цикл переключателя, который управляет потоком мощности к нагрузке, можно изменять различными способами. Например, рабочий цикл можно изменять, либо (1) фиксируя частоту потока импульсов и изменяя время включения или выключения каждого импульса, либо (2) фиксируя время включения или выключения каждого импульса и изменяя частоту потока импульсов. Какой бы метод ни использовался для управления рабочим циклом, переключатель в импульсных регуляторах либо находится в положении ВЫКЛ, когда мощность не рассеивается переключателем, либо в положении ВКЛ в состоянии с низким импедансом, когда переключателем рассеивается небольшое количество энергии.Обычно это приводит к довольно эффективной работе в отношении среднего количества рассеиваемой мощности.

Один из способов повышения эффективности регуляторов напряжения — это синхронное выпрямление. При синхронном выпрямлении пара переключателей, которые включены последовательно между входным напряжением и землей, синхронизируются, так что на вход индуктора подается либо входное напряжение, либо земля. Синхронное управление переключателями обеспечивает повышенную эффективность по сравнению с традиционными схемами, в которых используются переключатель и диод.

В предшествующем уровне техники выход регулятора напряжения используется для управления одной или несколькими лампами для освещения дисплея. Трансформатор преобразует входной сигнал регулятора напряжения в сигнал тока, имеющий частоту и величину, необходимые для приведения в действие лампы. Желательно уменьшить размер трансформаторов, используемых в настоящее время в сборках дисплея, обеспечивая при этом такую ​​же или большую мощность лампы. Также желательно создать схему инвертора, которая рассеивает меньше тепла, что может вызвать появление пятен, обесцвечивание и плохую чистоту цвета дисплея.

Потери энергии из-за различных паразитных путей обычно возникают в сборках дисплея. Например, энергия теряется в проводе, соединяющем вторичную обмотку трансформатора с первым концом лампы, а потери паразитной емкости вызывают потерю энергии в самой лампе. Дополнительные потери энергии накапливаются по длине лампы, начиная с заземленного конца, достигая максимального значения на незаземленном конце. Другой источник паразитных потерь связан с электрическими помехами от светоотражателя в блоке дисплея, который обычно изготавливается из металлического материала.Поэтому желательно создать схему инвертора, которая обеспечивает такую ​​же или большую мощность для одной или нескольких ламп при одновременном снижении паразитных потерь энергии.

Схема инвертора обычно устанавливается на одной из сторон панели дисплея, тем самым увеличивая ширину панели в сборе. В прошлом клавиатура портативного компьютера обычно была шире, чем дисплей, однако, поскольку размер дисплея превышает размер клавиатуры в более поздних портативных компьютерах, желательно переместить схему инвертора со стороны дисплея в сторону. другое место, чтобы не увеличивать ширину корпуса дисплея.Схема инвертора может быть расположена за панелью дисплея, однако желательно избегать увеличения глубины сборки панели. Кроме того, измененная схема инвертора не должна вызывать радиочастотные помехи или электромагнитные помехи для дисплея. В предшествующем уровне техники некоторые сборки дисплея включают тепловые и радиационные экраны, однако эти экраны увеличивают стоимость, увеличивают паразитные потери, индуцируют вихревые токи и увеличивают количество материала, который должен быть включен в сборку дисплея.

По мере увеличения физического размера дисплеев портативного компьютера мощность, необходимая для подсветки дисплея, также увеличивается. Для повышения удовлетворенности потребителей портативным оборудованием с батарейным питанием, в частности портативными компьютерами, желательно предоставлять оборудование, которое было бы энергоэффективным, а также как можно более легким и компактным. Кроме того, компьютерные дисплейные панели в настоящее время включают в себя множество компонентов, которые должны быть интегрированы производителями оборудования. Желательно объединить функциональные возможности компонентов в одну стандартизированную сборку, чтобы снизить стоимость и сложность производства.

Настоящее изобретение выгодно объединяет схему инвертора со схемой обратной связи и управления, чтобы обеспечить компактную, легкую и экономичную конструкцию для управления CCFL. В одном варианте осуществления настоящее изобретение обеспечивает схему инвертора для обеспечения сигнала возбуждения для работы люминесцентной лампы, содержащего широтно-импульсный модулятор, подключенный для приема сигнала обратной связи, указывающего ток в люминесцентной лампе. Широтно-импульсный модулятор генерирует управляющие сигналы, которые принимаются синхронно переключающимся регулятором напряжения, имеющим драйвер на высокой стороне и драйвер на низкой стороне.Саморезонансный преобразователь подключен к люминесцентной лампе и генерирует сигнал напряжения для освещения люминесцентной лампы. Саморезонансный преобразователь включает в себя трансформатор, имеющий первичную обмотку и, по меньшей мере, одну вторичную обмотку, конденсатор, соединенный параллельно с первичной обмоткой, и полную мостовую схему. Полная мостовая схема может включать в себя четыре переключающих транзистора, таких как полевые МОП-транзисторы, соединенные по Н-образной схеме с первичной обмоткой и конденсатором.

В одном варианте осуществления схема инвертора также включает в себя детектор нулевого напряжения, связанный с управлением переключением синхронно переключающегося регулятора напряжения на основе напряжения, вводимого в саморезонансный преобразователь.Схема инвертора также включает в себя схему таймера, подключенную для передачи и приема сигналов от саморезонансного преобразователя и для приема сигналов от детектора нулевого напряжения. Схема таймера выдает сигналы для управления частотой колебаний в саморезонансном преобразователе на основе сигналов от саморезонансного преобразователя и детектора нулевого напряжения.

В другом варианте осуществления схема инвертора включает в себя схему контроля перенапряжения и схему управления, соединенную для приема сигналов от саморезонансного преобразователя и для передачи сигналов на широтно-импульсный модулятор.

В другом варианте осуществления первый вывод по меньшей мере одной вторичной обмотки трансформатора соединен с одним концом люминесцентной лампы, второй вывод по меньшей мере одной вторичной обмотки трансформатора соединен с землей, а другой конец люминесцентной лампы соединен с землей. соединен с выпрямителем. Выпрямитель подключен для приема сигнала, показывающего ток на конце люминесцентной лампы.

В другом варианте осуществления саморезонансный преобразователь дополнительно включает в себя первую вторичную обмотку трансформатора, имеющую первый вывод, соединенный с одним концом люминесцентной лампы, вторую обмотку вторичного трансформатора, имеющую первый вывод, соединенный с другим концом люминесцентной лампы, первую измерительный резистор, подключенный между первой вторичной обмоткой трансформатора и второй вторичной обмоткой трансформатора, выпрямитель, подключенный для приема сигнала, указывающего ток на конце люминесцентной лампы, и второй измерительный резистор, подключенный между одним выводом первого измерительного резистора и еще один вывод второй вторичной обмотки трансформатора.

В другом варианте осуществления люминесцентная лампа подключена к схеме инвертора в плавающей конфигурации для большей энергоэффективности. Этот вариант осуществления включает трансформатор с первичной обмоткой и двумя вторичными обмотками, первый переключатель, имеющий один вывод, подключенный между первым резистором считывания и первой вторичной обмоткой трансформатора, второй переключатель, имеющий один вывод, подключенный между вторым резистором считывания и вторым вторичным трансформатором. обмотка и опорный резистор заземления, имеющий один вывод, соединенный с землей между первым резистором считывания и вторым резистором считывания.Другой вывод опорного резистора заземления соединен с другим выводом первого переключателя и другим выводом второго переключателя.

Настоящее изобретение также обеспечивает способ генерации сигналов напряжения для освещения люминесцентной лампы с использованием схемы двойного преобразователя, при этом схема двойного преобразователя включает в себя синхронно переключающийся регулятор напряжения, подключенный к саморезонансному преобразователю, и широтно-импульсный модулятор, подключенный для приема опорный сигнал и сигнал обратной связи, указывающие ток в люминесцентной лампе.Способ включает генерацию управляющих сигналов с помощью широтно-импульсного модулятора. Управляющие сигналы основаны на опорном сигнале и сигнале обратной связи. Способ дополнительно включает в себя ввод управляющих сигналов в импульсный регулятор напряжения для управления работой импульсного регулятора напряжения, генерацию первого сигнала напряжения на основе управляющих сигналов, ввод первого сигнала напряжения в саморезонансный преобразователь, генерацию второго сигнала напряжения. по первому напряжению; и ввод второго напряжения в люминесцентную лампу.

В другом варианте осуществления саморезонансный преобразователь включает в себя трансформатор, имеющий первичную обмотку, по меньшей мере, одну вторичную обмотку и конденсатор, подключенный параллельно первичной обмотке. Способ дополнительно включает соединение мостовой схемы, имеющей четыре переключающих транзистора в H-конфигурации, с первичной обмоткой и конденсатором, и управление работой саморезонансного преобразователя с помощью мостовой схемы.

В другом варианте осуществления способ дополнительно содержит управление переключением синхронно переключающегося регулятора напряжения с использованием детектора нулевого напряжения, который генерирует сигнал пересечения нуля на основе напряжения, подаваемого на саморезонансный преобразователь.

В другом варианте осуществления способ дополнительно включает соединение схемы таймера для передачи и приема сигналов от саморезонансного преобразователя и для приема сигналов от детектора нулевого напряжения, а также управление частотой колебаний в саморезонансном преобразователе на основе сигналов от саморезонансного преобразователя и детектора нулевого напряжения.

В другом варианте осуществления способ дополнительно включает соединение схемы контроля перенапряжения и управления для приема сигналов от саморезонансного преобразователя и передачи сигналов на широтно-импульсный модулятор.

В другом варианте осуществления саморезонансный преобразователь включает в себя трансформатор, имеющий первичную сторону с первичной обмоткой трансформатора и вторичную сторону с первой вторичной обмоткой трансформатора и второй вторичной обмоткой трансформатора. Лампа подключается в плавающей конфигурации для большей энергоэффективности путем соединения первого вывода первой вторичной обмотки трансформатора с одним концом люминесцентной лампы, соединения первого вывода второй вторичной обмотки трансформатора с другим концом люминесцентной лампы, соединения первый чувствительный резистор между первой вторичной обмоткой трансформатора и второй вторичной обмоткой трансформатора и соединяющий выпрямитель со вторичной обмоткой трансформатора для генерации сигнала обратной связи.Способ дополнительно включает в себя возбуждение первой вторичной обмотки трансформатора первым сигналом возбуждения переменного тока, возбуждение второй вторичной обмотки трансформатора вторым сигналом возбуждения переменного тока, который не совпадает по фазе с первым сигналом возбуждения переменного тока, и генерацию сигнала обратной связи, указывающего ток через хотя бы один конец люминесцентной лампы.

Выше были довольно широко очерчены цели, особенности и технические преимущества настоящего изобретения, так что подробное описание изобретения, которое следует ниже, может быть лучше понято.

Настоящее изобретение можно лучше понять, а его многочисленные цели, особенности и преимущества станут очевидными для специалистов в данной области техники со ссылкой на прилагаемые чертежи.

РИС. 1 — блок-схема компонентов, включенных в портативную компьютерную систему.

РИС. 2 — вид в перспективе схемы типичной конфигурации компонентов в сборке жидкокристаллического дисплея, использующей люминесцентные лампы с холодным катодом для задней подсветки.

РИС. 3 — блок-схема схемы инвертора предшествующего уровня техники.

РИС. 4 — блок-схема компонентов, включенных в силовую цепь согласно настоящему изобретению.

РИС. 4A-4E — принципиальные схемы вариантов осуществления компонентов в схеме инвертора в соответствии с настоящим изобретением.

РИС. 5A-5E показаны временные диаграммы напряжений в различных местах существующей схемы инвертора.

РИС. 6 — схематическая диаграмма другого варианта воплощения схемы инвертора согласно настоящему изобретению.

Использование одних и тех же условных обозначений на разных чертежах указывает на аналогичные или идентичные предметы.

Настоящее изобретение описывается здесь как применяемое к дисплеям портативных компьютеров, многие из которых подсвечиваются одной или несколькими люминесцентными лампами с холодным катодом (CCFL). Однако признается, что настоящее изобретение может использоваться во многих других приложениях, использующих один или несколько CCFL.

Ссылаясь на фиг. 1 показана упрощенная блок-схема портативной компьютерной системы 100, включающей в себя базовый блок 102 и панель 104 жидкокристаллического дисплея (ЖКД), которые электрически соединены для передачи и приема данных и сигналов управления между ними.Базовый блок 102 включает в себя центральный процессор (ЦП) 106, который может быть одним или несколькими микропроцессорами, которые обеспечивают основные возможности обработки данных компьютерной системы 100. ЦП 106 соединен с системным контроллером 108, памятью 110 и видеоконтроллером 112 через шину 114 . Шина 114 может состоять из одной или нескольких отдельных шин, которые подключены для передачи данных между компонентами компьютерной системы 100. Часы 116 подключены к системному контроллеру 108. Системный контроллер 108 обеспечивает адресные и управляющие сигналы, чтобы разрешить доступ для чтения и записи к память 110 через шину 114.

В компьютерную систему 100 включены различные контроллеры специального назначения, включая один или несколько контроллеров устройств ввода / вывода (I / O) 118, контроллеры 120 запоминающих устройств и видеоконтроллер 112. Контроллеры 118 устройств ввода / вывода связаны, как известно, с соответствующими I Устройства вывода / вывода, такие как аудиоколонки, микрофон, мышь, клавиатура и принтер, чтобы позволить пользователю вводить данные и получать информацию от компьютерной системы 100. Контроллеры 120 запоминающих устройств могут управлять работой различных типов запоминающих устройств. такие как жесткие диски, дисководы гибких дисков и дисководы компакт-дисков.Видеоконтроллер 112 соединен с видеопамятью с произвольным доступом (RAM) 122 и разъемом 124 жидкокристаллического дисплея (LCD) для электрического соединения ЖК-панели 104 с базовым блоком 102. Разъем 124 ЖК-дисплея электрически соединен со схемой 126 согласования мощности и дисплеем 128 с активной матрицей. Видеоконтроллер 112 подключен к шине 114 для подачи видео и сигналов управления на ЖК-панель 104 через разъем 124 ЖК-дисплея. Видео RAM 122 подключено к видеоконтроллеру 112 для хранения видеоданных. Видеоданные предоставляются видеоконтроллером 112 через разъем 124 ЖК-дисплея на драйверы ЖК-дисплея (не показаны) внутри ЖК-панели 104 для активации пикселей дисплея 128 с активной матрицей.

Также на ЖК-панель 104 через разъем 124 ЖК-дисплея подаются напряжения источника питания постоянного тока, которые вводятся в схему 126 согласования мощности. Для дисплея 128 с активной матрицей требуется источник света для освещения пикселей. ИНЖИР. 2 показаны компоненты, включенные в типичную ЖК-панель 104, включая один или несколько источников света для освещения, таких как CCFL 202, светоотражатель 204, светорассеивающая пластина 206, жидкий кристалл 208 и поляризационные пластины 210. CCFL 202 требует источника питания переменного тока. .Соответственно, схема 126 согласования мощности преобразует напряжения постоянного тока, подаваемые компьютерной системой 100, в напряжение переменного тока, используя инвертор постоянного тока в переменный ток (не показан). Схема обратной связи и управления (не показана) также включена в схему 126 согласования мощности для регулирования тока, подаваемого для освещения CCFL.

РИС. 3 показана схема 300 инвертора, известная, как правило, как генератор Ройера, включая понижающий стабилизатор 302, генератор 304 и широтно-импульсный модулятор (ШИМ) 306. Напряжение V dc является входом источника постоянного напряжения в понижающий стабилизатор 302, который включает в себя переключающий транзистор Q1. , безынерционный диод D1, катушка индуктивности L1 и конденсатор C1.Понижающий стабилизатор 302 понижает V dc пропорционально скважности переключающего транзистора Q1. ШИМ 306 производит выборку тока через CCFL путем отвода резистора R3 и использования обратной связи для управления затвором переключающего транзистора Q1 для управления его рабочим циклом и, таким образом, напряжением, подаваемым на генератор 304. Частота импульсов ШИМ выбирается так, чтобы сигнал мог быть фильтруется фильтром нижних частот, созданным L1 и C1. Коммутационные транзисторы Q2 и Q3 соединены базой с землей и поочередно проводят ток из-за положительной обратной связи между увеличением тока коллектора и увеличением тока базы, создаваемого индуктивной связью первичных обмоток трансформатора T1-P-1, T1-P-2, и T1-P-3.

Когда Q2 включается с небольшим током базы, ограниченным резистором R1, тогда ток коллектора Q2 увеличивается, и положительная обратная связь от обмотки T1-P-1 к обмотке T1-P-3 будет приводить в движение базу более положительно при возбуждении базы. Q3 отрицательный, чтобы оставить Q3 выключенным. Q2 быстро полностью включается. V reg появляется в основном на обмотке T1-P-1, когда ток коллектора нарастает. Сердечник трансформатора T1 может насыщаться, поскольку ток коллектора продолжает увеличиваться. Коэффициент усиления Q2 обратно пропорционален току коллектора.Следовательно, скорость увеличения пиков тока коллектора и падения напряжения на обмотке T1-P-1 падает с увеличением напряжения коллектора Q2 до V reg. Замедление увеличения тока коллектора подразумевает падение положительной обратной связи с базой Q2, и это возвращается к самому себе, чтобы быстро выключить Q2 и снизить ток коллектора. Поток в трансформаторе Ti схлопывается, что вызывает отрицательное смещение на базе Q2 и положительное смещение на базе Q3, чтобы включить Q3.Увеличивающийся ток коллектора через обмотку T1-P-2 обеспечивает положительную обратную связь для обмотки T1-P-3, чтобы полностью включить Q3, аналогично положительной обратной связи для Q2. Падение приведет к уменьшению скорости увеличения тока коллектора, и последующее падение положительной обратной связи отключает Q3. Выключение Q3 соответственно включает Q2.

Обмотки T1-P-1 и T1-P-2 имеют противоположную ориентацию, поэтому вторичный ток через T1-S меняет направление, когда Q3 включается, а Q2 выключается. Отношение количества витков в одной из первичных обмоток, по которым проходит ток коллектора, к количеству витков во вторичной обмотке вместе с величиной V.sub.reg определяет величину наведенного вторичного напряжения, приложенного к CCFL. Чтобы генерировать высокое напряжение для включения CCFL, отношение первичных обмоток к вторичной обмотке высокое, например, 300 вторичных на 1 первичную. Конденсатор C3 намного больше, чем емкость CCFL, когда он не проводит, поэтому высокое напряжение появляется в основном на CCFL. Как только CCFL поддерживает дугу, он обеспечивает относительно меньшее падение напряжения, например 200-300 вольт. Конденсатор C3 плюс сопротивление вторичной обмотки T1-S обеспечивает полное сопротивление для оставшегося падения напряжения во вторичной цепи.

Резисторы R5, R3 и R4 обеспечивают сигналы выборки тока CCFL для обратной связи с ШИМ 306. Поскольку диод D2 заряжает конденсатор C4 до пикового положительного напряжения на резисторе R5, резисторы R3 и R4 обеспечивают небольшой ток утечки от конденсатора C4, а также обеспечивают отвод к ШИМ 306. Когда напряжение во вторичной цепи выше порогового значения, ШИМ 306 снижает рабочий цикл переключающего транзистора Q1, тем самым понижая V reg, токи коллектора и вторичное напряжение.

В настоящем изобретении предусмотрена схема инвертора, которая исключает центральный отвод и обмотки третичного основания возбуждения, такие как третья первичная обмотка T1-P-3 и резистор R1 в схеме 300 инвертора.Удаление центрального ответвителя и третичной основной обмотки привода приводит к меньшему, менее дорогому и более эффективному трансформатору.

РИС. 4 показана блок-схема компонентов в схеме 400 инвертора согласно настоящему изобретению, которая включает в себя саморезонансный преобразователь 402 с детектором 404 перехода через нуль для переключения нулевого напряжения и адаптивный, асинхронно переключаемый предварительный регулятор 406 напряжения с антипересечением. проводимость. Схема 400 инвертора включает в себя широтно-импульсный модулятор (ШИМ) 408, подключенный для приема входного сигнала 410 пилообразного изменения от детектора 404 пересечения нуля.Подробная схематическая диаграмма варианта осуществления ШИМ 408 показана на фиг. 4А. ШИМ 408 принимает сигнал 412 ошибки, который генерируется посредством логического «ИЛИ» сигнала обратной связи 414 с сигналом 416 перенапряжения. Сигнал 414 обратной связи от усилителя 418 тока лампы указывает ток в люминесцентной лампе, а сигнал 416 перенапряжения пропорционален подача напряжения на лампу.

Принципиальная схема варианта осуществления предварительного регулятора 406 напряжения с синхронным переключением показана на фиг. 4B, включая привод 424 верхней стороны и привод 426 нижней стороны.Предварительный регулятор 406 коммутационного напряжения работает от нерегулируемого напряжения питания V dc постоянного тока, такого как батарея (не показана). Напряжение V o — это среднее напряжение, приложенное к катушке индуктивности L1. Для подачи переменного тока полевые МОП-транзисторы Q6 и Q9 приводятся в действие драйвером 424 верхнего плеча и драйвером 426 нижнего плеча соответственно. Чередующаяся последовательность действий открытия и закрытия путем переключения полевых МОП-транзисторов Q6 и Q9 регулирует напряжение таким образом, что чем дольше время переключения полевых МОП-транзисторов Q6 и Q9 закрыто, тем выше регулируемое напряжение из-за более высокого среднего тока, протекающего через катушку индуктивности L1.Полевые МОП-транзисторы Q7 и Q5 сдвигают уровень сигнала 422 ШИМ соответствующим образом для ввода в формирователь 424 высокого уровня и драйвер 426 низкого уровня соответственно. Опорное напряжение на формирователь 424 стороны высокого напряжения обеспечивается внутренним источником напряжения, подающим питание на стабилитрон ZD2, резистор R7 и биполярный транзистор Q2. Опорное напряжение на формирователь 426 нижнего плеча обеспечивается внутренним источником, подающим питание на стабилитрон ZD1, резистор R4 и биполярный транзистор Q3. Механизмы задержки, такие как диод 428 и полевой МОП-транзистор Q8, включены в предварительный регулятор 406 напряжения переключения, чтобы гарантировать, что полевой МОП-транзистор Q7 выключится до того, как полевой МОП-транзистор Q5 включится, и наоборот.Фиг. На фиг.5А-5С показаны примеры графиков временной истории выходных сигналов импульсной формы от формирователя 424 высокого напряжения и формирователя 426 нижнего плеча, а также временного графика от пика до пика тока через катушку L1 индуктивности, соответственно.

Напряжение V o, выдаваемое синхронно переключающимся предрегулятором 406 напряжения, вводится в саморезонансный преобразователь 402. Принципиальная схема саморезонансного преобразователя 402 показана на фиг. 4c. Саморезонансный преобразователь 402 включает в себя автономный генератор 434, в котором полномостовой выпрямитель, образованный полевыми МОП-транзисторами Q14, Q16, Q17 и Q18, электрически соединен с конденсатором C16 и первичной обмоткой трансформатора T1-PRI.Вторичная обмотка трансформатора T1-SEC имеет один вывод, соединенный с одним концом люминесцентной лампы 432 через балластный конденсатор C14, и второй вывод, соединенный с землей. Другой конец люминесцентной лампы 432 соединен с выпрямителем, который принимает сигнал, указывающий на ток, протекающий через люминесцентную лампу 432. Выпрямитель на фиг. 4c показан диод D9, соединенный с диодом D10. Диод D10 предотвращает падение напряжения на резисторах R40 и R41, блокируя ток в течение одной половины цикла формы волны возбуждения.Диод D10 можно исключить, однако энергоэффективность схемы 400 инвертора соответственно снизится.

Альтернативные варианты повышения энергоэффективности в настоящем изобретении могут включать изобретение, раскрытое в находящейся на рассмотрении заявке на патент США, озаглавленной «Сбалансированная система обратной связи для люминесцентных ламп с плавающим холодным катодом» (досье поверенного № M-5996 US), заявка назначена на тот же правопреемник, что и настоящая заявка, и включен сюда посредством ссылки.Вышеупомянутая заявка предоставляет устройство и способ для приведения в действие люминесцентной лампы с холодным катодом в плавающей конфигурации со схемой инвертора, имеющей трансформатор с первичной обмоткой и двумя вторичными обмотками. По крайней мере, один чувствительный резистор включен последовательно между выводами вторичных обмоток. Другой вывод каждой вторичной обмотки подключен к соответствующему концу люминесцентной лампы. Выпрямитель подключен к вторичной части трансформатора для приема сигнала, указывающего ток, по меньшей мере, на одном конце люминесцентной лампы и генерирования сигнала обратной связи.Сигналы возбуждения, основанные на сигнале обратной связи, используются для регулировки тока люминесцентной лампы.

Например, один вариант осуществления настоящего изобретения может включать в себя схему 600 выпрямителя, показанную на фиг. 6, который включает в себя первую вторичную обмотку 602 трансформатора, соединенную с одним концом люминесцентной лампы 604, вторую вторичную обмотку 606 трансформатора, соединенную с другим концом люминесцентной лампы 604, первый измерительный резистор 608, подключенный между первой вторичной обмоткой 602 трансформатора и второй вторичной обмоткой 606 трансформатора. , второй резистор 610 считывания, подключенный между одним выводом первого резистора 608 считывания и другим выводом обмотки 606 второго вторичного трансформатора.Выпрямительная часть схемы 600 включает в себя первый переключатель 612, имеющий один вывод, подключенный между первым измерительным резистором 608 и первой вторичной обмоткой 602 трансформатора, и второй переключатель 614, имеющий один вывод, подключенный между вторым измерительным резистором 610 и второй вторичной обмоткой 606 трансформатора. Первый переключатель 612 и второй переключатель 614 может быть реализован с использованием диодов или полевых МОП-транзисторов, таких как полевые МОП-транзисторы с 616 по 619, как показано на фиг. 6. Эта конфигурация уравновешивает величину напряжения, приложенного к концам лампы 604, и, следовательно, уменьшает паразитную емкость, наведенную в лампе 604 дальнего света, которая возникает, когда на одном конце лампы 604 присутствует высокое напряжение, а другой конец лампы 604 подключен к земля.Дополнительные преимущества этой конфигурации обсуждаются в упомянутой выше заявке.

Когда разрешающий сигнал 436 имеет высокий уровень, логическая схема в ШИМ 408, как показано на фиг. 4A вызывает вывод ВЫСОКОГО сигнала от компаратора U6. Это приводит к включению полевого МОП-транзистора Q6. Ток протекает через полевой МОП-транзистор Q6 и катушку индуктивности L1 (фиг. 4b), и напряжение прикладывается к верхней стороне конфигурации H-моста, образованной полевыми МОП-транзисторами Q14 и Q18 (фиг. 4c). Пары диагональных перемычек Q16-Q17 и Q14-Q18 попеременно проводят ток через первичную обмотку T1-PRI и конденсатор C16.Каждая диагональная пара включена примерно на 50% цикла. Частота цикла определяется емкостью конденсатора С16. Для освещения CCFL частота цикла составляет приблизительно 50 килогерц, однако конденсатор C16 может быть выбран для обеспечения другой желаемой частоты.

Временная диаграмма напряжения V o на стороне высокого напряжения моста, образованная полевыми МОП-транзисторами Q14 и Q18, показана на фиг. 5D. Детектор 404 пересечения нуля, показанный на фиг. 4D определяет, когда напряжение V o падает до нуля, принимая сигнал напряжения V.sub.o от переключателя предварительного регулятора 406 напряжения и сравнения его с опорным напряжением, обеспечиваемым внутренним источником напряжения, например внутренней 5-вольтовой батареей. Когда напряжение V o падает до нуля, в инверторе 400 происходят следующие события:

1. Выход компаратора U1 в схеме 404 переключения при нулевом напряжении установлен на ВЫСОКИЙ, вызывая разряд конденсатора С1.

2. Таймер 438 сбрасывается и начинает отсчет времени нового цикла.

3. Синхронно переключающийся регулятор напряжения 406 переключается с драйвера высокого напряжения на драйвер низкого уровня или с драйвера низкого уровня на драйвер высокого напряжения, в зависимости от того, какой драйвер используется в качестве времени переключения.

4. Используемая диагональная пара переключающих транзисторов Н-моста выключается, а противоположная пара переключающих транзисторов Н-моста включается.

На ФИГ. 4c, индуктор L1, первичная обмотка трансформатора T1-PRI и конденсатор C16 образуют контур резервуара, который генерирует синусоидальные сигналы напряжения и тока через саморезонансный преобразователь 402. На фиг. 4d, в любой момент, когда напряжение V o больше нуля, выходной сигнал компаратора U1 является НИЗКИМ. Конденсатор C1 в сочетании с резистором RI создает линейно нарастающее напряжение, как показано на фиг.5E, который вводится в PWM 408.

РИС. 4E показана схематическая диаграмма усилителя 418 тока лампы, который выдает сигнал 414 обратной связи на PWM 408. Разностный усилитель U8 принимает сигнал 440, указывающий ток через лампу 432, измеренный на резисторах R40 и R41. Сигнал 440 сравнивается с опорным напряжением 442, полученным с использованием данных SMB_DATA от шины управления системой (не показана) и потенциометра 444. Сигнал 414 обратной связи затем используется для управления шириной импульса сигнала 422 ШИМ, который вводится в Импульсный регулятор напряжения 406.Таким образом, ток лампы регулируется путем настройки времени, в течение которого Q6 находится во включенном состоянии.

Настоящее изобретение обеспечивает схему 400 интегрального инвертора с двойными преобразователями для контроля и управления освещением CCFL. Настоящее изобретение особенно выгодно для использования в портативных устройствах с батарейным питанием, таких как портативные компьютеры, поскольку оно представляет собой компактное и энергоэффективное решение для обеспечения питания CCFL. Известно, что полевые МОП-транзисторы во время работы рассеивают меньше энергии, чем диоды.Таким образом, настоящее изобретение включает сдвоенные преобразователи, которые в основном используют полевые МОП-транзисторы, а не переходные диоды. Импульсный регулятор 406 напряжения включает в себя полевые МОП-транзисторы Q5, Q6, Q7, Q8 и Q9 для синхронного переключения для подачи питания на катушку L1 индуктивности. Диод 430 на фиг. 4b используется во время переключения с формирователя 424 высокого уровня на формирователь 426 низкого уровня, как раз до тех пор, пока драйвер 426 низкого уровня не сможет включить полевой МОП-транзистор Q9. Аналогично, саморезонансный преобразователь 402 использует полевые МОП-транзисторы Q14, Q16, Q17 и Q18 вместо переходных диодов, дополнительно сохраняя энергию и обеспечивая питание для лампы 432.

Хотя изобретение было описано в отношении вариантов осуществления и изменений, изложенных выше, эти варианты осуществления и изменения являются иллюстративными, и изобретение не следует рассматривать как ограниченное в объеме этими вариантами осуществления и изменениями. Соответственно, различные другие варианты осуществления, модификации и усовершенствования, не описанные в данном документе, могут находиться в пределах сущности и объема настоящего изобретения, как определено следующей формулой изобретения.

Grid Edge Mega-Trends: интеллектуальные инверторы в качестве агентов управления сетью — работа в процессе

Джеффа Ст.Джон
26 июня 2020

Это второй выпуск в нашей серии из пяти частей, посвященных ключевым тенденциям, влияющим на границы сети, или преобразованию электросети из централизованной односторонней системы доставки в сетевую систему, объединяющую распределенные энергоресурсы, такие как солнечная энергия на крыше, зачетные батареи, электромобили и гибкие электрические нагрузки. Этот выпуск посвящен интеллектуальным инверторам, версиям устройств преобразования постоянного тока в переменный для солнечных и аккумуляторных систем с поддержкой цифровой связи и управления и подчеркивает их значительный потенциал — и сохраняющиеся препятствия — в качестве агентов гибкого управления сетью и Интеграция DER.

Интеллектуальные инверторы могут многое сделать для электросетей, сталкивающихся с перебоями из-за солнечных батарей на крыше, установленных за счетчиком батарей и других распределенных источников энергии.

Во-первых, они могут решить проблемы, которые создают сами DER, такие как управление провалами и скачками напряжения из-за высокой выработки солнечной энергии в распределительных цепях путем ввода или поглощения реактивной мощности или даже сокращения выработки — возможности, которые могут увеличить мощность размещения солнечных батарей, не угрожая стабильности сети. .

Во-вторых, в сочетании с более совершенными средствами связи и контроля они могут снизить потребность в новом коммунальном оборудовании, таком как конденсаторные батареи и регуляторы напряжения, или отложить необходимость модернизации цепей и трансформаторов для управления растущими объемами местной генерируемой и распределенной электроэнергии. .

Это не новость для тех, кто следит за разработками интеллектуальных инверторов в США. Начиная с авангардной работы над сетями, насыщенными солнечной энергией на крышах Гавайев, и продвигаясь к ведущей роли Калифорнии в разработке основного набора расширенных функций инверторов, теперь встроенных в IEEE 1547 -2018, пилотные проекты в Аризоне, Техасе, Нью-Йорке, Иллинойсе и других штатах показывают, что коммунальные предприятия могут управлять инверторами для решения проблем с перегрузкой солнечной энергии и повышения стабильности энергосистемы.

Между тем отраслевые стандарты подтолкнули производителей к внедрению этих возможностей в новые солнечные фотоэлектрические преобразователи и аккумуляторные инверторы — в основном для обслуживания Калифорнии, крупнейшего рынка страны. Начиная с середины 2018 года, Правило 21 Калифорнии требовало относительно простых автономных функций стабилизации сети для всех новых установок. Начиная с этого месяца, все новые инверторы должны поставляться с в значительной степени полным набором расширенных возможностей, включая динамическое управление напряжением / переменным током и вольт-ваттным напряжением, а также возможность связи с энергосистемой или агрегатором системы управления и мониторинга.

Как идет Калифорния, так и идет нация. Миннесота и Мэриленд теперь требуют IEEE 1547-2018 для новых солнечных установок. Этому примеру следуют и другие государственные нормативные акты, такие как Стандартные требования к межсетевому соединению Нью-Йорка. В феврале Национальная ассоциация регулирующих комиссий по коммунальным предприятиям приняла резолюцию для всех штатов о принятии стандарта IEEE 1547-2018 для межсетевых соединений DER, что, вероятно, приведет к появлению аналогичных требований по всей стране в ближайшие годы.

К ним относятся стандартное использование IEEE 2030.5 для обмена данными и управления инверторами, а также его реализацию Common Smart Inverter Profile от отраслевой группы SunSpec Alliance. Он «может обрабатывать реакцию спроса, он может обрабатывать различные ценовые сигналы, он может управлять нагрузкой, он может управлять настройками инвертора», — сказал Том Тэнси, председатель SunSpec. генераторы на определенном участке фидера и распространяют этот сигнал », чтобы координировать ответы в соответствии с потребностями этой цепи, сказал он.По мере того, как интеллектуальные инверторы становятся нормой в Калифорнии — что, по прогнозам компании Pacific Gas & Electric, произойдет примерно к 2025 году, — эти возможности могут стать доступными за счет большого количества установленных солнечных и аккумуляторных систем в целом.

Интеллектуальные инверторы также могут расширить пределы проникновения солнечной энергии, которые традиционно составляют около 15 процентов нагрузки схемы. Это уже превышено на некоторых схемах с интенсивным использованием солнечной энергии. Но исследовательский проект SunSpec, финансируемый Калифорнийской энергетической комиссией, показывает, что автономное и скоординированное управление интеллектуальным инвертором «обеспечивает 100-процентный уровень проникновения DER при одновременном повышении общей надежности сети.

Более того, в отчете было обнаружено, что включение полного набора интеллектуальных инверторных возможностей поддержки сети может открыть сотни миллионов долларов преимуществ для Калифорнии за счет сочетания повышенной надежности и качества электроэнергии, отсрочки модернизации передающей и распределительной сети, и увеличение доли распределенной солнечной энергии, чтобы помочь штату достичь своей цели — полностью избавиться от углерода к 2045 году.

Разрыв между теорией и реальностью для интеллектуальных инверторов в качестве сетевых агентов

Но все еще существует большой разрыв между тем, какие интеллектуальные инверторы могут делать теоретически и то, что от них можно ожидать в массовом масштабе — суровая правда, подтвержденная многими из тех же пилотных проектов, которые доказали свою потенциальную ценность.

Например, привлечение клиентов в достаточном количестве, чтобы доказать возможности инверторов с высокой степенью проникновения, было постоянной проблемой и заставило коммунальные предприятия Калифорнии полагаться на них в реальных сетевых операциях. Действительно, в рамках полевых испытаний проекта SunSpec CEC удалось привлечь только 12 клиентов.

В отчете SunSpec об испытании отмечалось, что участвующие интеллектуальные инверторы контролировались для предотвращения «нежелательного или непредсказуемого экспорта энергии, недостаточной поддержки реактивной мощности или неснижаемого повышения напряжения», что подтверждает предыдущие лабораторные испытания, указывающие на возможность 100-процентного проникновения солнечной энергии.

Но многие клиенты отказались передать свои инверторы под внешний контроль. Другим не хватало надежного подключения к Интернету для поддержки необходимой связи. Даже при наличии надежной связи «Правило 21 Калифорнии не препятствует владельцам активов выражать предпочтения, отличные от предпочтений оператора энергосистемы», — говорится в отчете. Другими словами, клиенты могут игнорировать команды коммунальных предприятий, если захотят.

Другие долгосрочные проекты показали, что автоматическое реагирование и управление коммунальными услугами могут смягчить проблемы, связанные с высоким уровнем проникновения солнечной энергии.Но это не обязательно означает, что эти результаты могут быть воспроизведены на более крупных участках сетки с гораздо большим количеством переменных.

В Остине, штат Техас, проект Shines, финансируемый Министерством энергетики, успешно интегрировал 30 интеллектуальных инверторов в жилой район с солнечными панелями, батареями и зарядными устройствами для электромобилей. «Я считаю, что подавляющее большинство заявлений о функциях поддержки сети и их влиянии, вероятно, верны», — сказал Скотт Хинсон, технический директор некоммерческой организации Pecan Street, партнера проекта Shines.

Но «поведение массы этих устройств со сложными системами управления — это неизвестно». По его словам, необходимо провести дополнительную работу для тестирования каждого этапа роста использования интеллектуальных инверторов, прежде чем можно будет ожидать материализованных преимуществ. «Это просто хорошая инженерия».

Даже включение автономного управления напряжением несет потенциальный риск, сказал Брайан Лидик, главный инженер по регулированию Межгосударственного совета по возобновляемым источникам энергии и соавтор недавней статьи по IEEE 1547-2018 . «Основное опасение, которое я слышал в некоторых штатах, — это возможность возникновения колебаний [приводящих к] инверторам, работающим против целей собственных конденсаторных батарей и регуляторов напряжения».

По мере того, как все больше штатов требуют интеллектуальных инверторов, он сказал: «Я надеюсь, что это приведет к увеличению емкости хостинга DER в системе». Но, добавил он, «мы между тем, чтобы просто ввести правила, и реализация какого-то автономного ответа ».

Разделение солнечной энергетики на коммунальные предприятия

У коммунальных предприятий есть несколько причин, по которым следует медленно переходить на интеллектуальные инверторы в качестве замены традиционной сетевой инфраструктуры.Во-первых, как отмечалось ранее, они сталкиваются с проблемами технических коммуникаций и средств контроля, а также с нормативными барьерами, заставляющими активы, принадлежащие клиентам, соответствовать требованиям, что ставит под сомнение их надежность.

Во-вторых, почти все коммунальные предприятия США, принадлежащие инвесторам, получают гарантированную норму прибыли от инвестиций в инфраструктуру и других капитальных затрат (капвложения). Просить их заменить эти инвестиции операционными расходами, выплаченными клиентам, как в случае с интеллектуальными инверторами, противоречит их экономическим интересам.

Параллельный проект Эдисона в Южной Калифорнии к проекту SunSpec, финансируемый Комиссией по энергетике Калифорнии и сосредоточенный на анализе стандартов коммунальных систем, включая IEEE 2030.5, обнаружил, что интеллектуальные инверторы могут «поддерживать электросеть во время нормальной работы, что позволяет лучше использовать коммунальные активы. , потенциальные отсрочки по инвестициям и, в конечном итоге, более высокий уровень проникновения DER ». В то же время было обнаружено, что «проверка технологий, как это сделала SCE в своем … проекте, — это лишь первый шаг в этих усилиях.

Бо Маглуян, директор по управлению продуктами в Outback Solar, компании EnerSys, которая участвовала в пилотном проекте SunSpec, сказал, что «платформы следующего поколения» должны быть разработаны, чтобы полностью использовать интеллектуальные инверторы. «Я думаю, что коммунальные предприятия знают, что им нужно пойти и выяснить», — сказал он. Но он добавил: «Похоже, что их основное внимание уделяется соединению« хлеб с маслом ». […] Они используют очень осторожный и пошаговый подход ».

В то же время компании, производящие солнечную энергию, опасаются, что коммунальные предприятия могут контролировать работу инверторов, поскольку ключевые функции балансировки энергосистемы, такие как ввод и сокращение реактивной мощности, снижают реальную выработку электроэнергии и доходы от производства солнечной энергии.

В прошлом году против предложения коммунальной компании PPL в Пенсильвании по мониторингу и управлению всеми новыми DER выступил ведущий американский производитель солнечных батарей Sunrun. Аналогичным образом, Иллинойс с 2019 года предлагал скидки на интеллектуальные инверторы для более крупных солнечных установок, но увидел, что солнечная промышленность отвергает идею расширения контроля над ними, что вынудило регулирующие органы штата отложить решение о том, как задействовать свои возможности для балансировки сети.

Новые модели регулирования, снижающие акцент на капиталовложениях, как в случае с U.Режим K.’s Revenue = Incentives + Innovation + Outputs может дать коммунальным предприятиям больше стимулов для поиска альтернатив инфраструктуре. То же самое можно сказать и о создании нормативных актов, позволяющих коммунальным предприятиям владеть интеллектуальными инверторами, как это сделали регуляторы Аризоны в рамках проекта программы партнерства по солнечной энергии компании APS. Но есть мало признаков того, что регулирующие органы разрешают коммунальным предприятиям владеть объектами, находящимися за счетчиком, помимо пилотных проектов.

«Многие коммунальные предприятия были бы рады вложить средства в системы« за счетчиком », но на самом деле это никуда не делось», — сказал Бен Келлисон, директор по исследованиям электросетей Wood Mackenzie.«Вместо этого [подходы, принятые] Калифорнией, Гавайями и Иллинойсом … кажутся дальнейшими шагами на следующие несколько лет, когда коммунальное предприятие создает стандарт функциональности для инверторов и определяет, как и когда он будет активировать или изменять поведение этих ресурсов позднее, с одобрения комиссии ».

Для того, чтобы интеллектуальные инверторы стали чем-то большим, чем просто решением проблем, создаваемых солнечными батареями, США, вероятно, придется дождаться появления систем, которые могут координировать сотни или тысячи DER для нужд централизованного управления и одновременно управлять локальными взаимодействиями, которые происходят слишком быстро чтобы вмешались центральные органы управления.Следите за новостями из этой серии на следующей неделе, чтобы узнать больше о прогрессе и проблемах на этом новом фронте на краю сетки.