ДВУНАПРАВЛЕННЫЙ ВОЛЬТОДОБАВОЧНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С МЯГКИМ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕМ ДЛЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Аннотация

Осипов А.В., Шемолин И.С., Лопатин А.А., Латыпов Р.А. Двунаправленный вольтодобавочный преобразователь с мягким переключением для систем электропитания. Рассмотрен двунаправленный вольтодобавочный преобразователь с активным выпрямителем для заряда-разряда аккумулятора систем электропитания космических аппаратов. Рассмотрены коммутационные процессы, показано, что в вольтодобавочном преобразователе за счет двуполярного тока сглаживающего дросселя формируется интервал рекуперации, обеспечивающий предварительный разряд паразитных емкостей транзисторов инвертора и их включение при нуле напряжения, т.е. в режиме ZVS. Установлено, что из-за уменьшения амплитуды пульсаций тока дросселя мягкая коммутация обеспечивается в узком диапазоне регулирования, что не является удовлетворительным. Показано, что диапазон мягкой коммутации может быть существенно расширен за счет подстройки частоты преобразования по условию появления интервала рекуперации. Проведены расчеты, определено, что при единичном коэффициенте трансформации и при отсутствии завышения индукции трансформатора предельный диапазон ZVS может достигать 80% от максимального. Рассмотрен режим заряда аккумулятора, показано, что большое значение отрицательного тока дросселя приводит к коммутационным выбросам напряжения при выключении транзисторов выпрямителя, устранить которые можно включением дополнительных снабберных конденсаторов. Проведена экспериментальная проверка полученных результатов, сделаны выводы, обсуждены полученные результаты.

Ключевые слова

Ключевые слова: система электропитания, вольтодобавочный преобразователь, мягкая коммутация.

Введение

Современные системы электропитания (СЭП) непременно содержат аккумуляторную батарею (АБ), обеспечивающую питание нагрузки постоянным напряжением при отсутствии энергии основного источника. В СЭП космических аппаратов силовой преобразователь, преобразующий энергию АБ, как правило, выполняется на основе схемы непосредственного повышающего преобразователя с дополнительным каскадом ограничения выходного тока. Увеличение мощности систем электропитания повышает требования к энергетическим характеристикам преобразователя, важнейшей из которых является КПД. В этой связи вольтодобавочные преобразователи более эффективны, так как высокочастотному преобразованию подвергается лишь часть потока энергии входного источника.

Анализ таких преобразователей наиболее полно проведен в работах [1–4]. Однако жесткое переключение транзисторов, сопровождаемое большими динамическими потерями, требует формирования режимов работы, обеспечивающих включение транзисторов при нуле напряжения (режим ZVS). Мягкое переключение может быть достигнуто применением демпфирующих цепей, как активных, так и пассивных [5]. Однако передача энергии коммутации транзисторов в нагрузку лишь вызывает дополнительные потери. Другим вариантом является применение резонансных преобразователей, ток которых изменяется по синусоидальному закону [6–7], что создает условия для мягкого включения. Однако наличие дополнительных реактивных элементов, образующих резонансный контур, увеличивает массу преобразователя.

Учитывая, что реализация мягкой коммутации, как правило, связана с обеспечением отрицательного тока транзистора при его включении, авторы стремятся создать эти условия с минимальными затратами, максимально используя электромагнитные элементы, уже присутствующие в схеме преобразователя. Возможно использование энергии намагничивания силового трансформатора для включения при нулевом напряжении [8], применение коммутирующего дросселя в двухтактном повышающем преобразователе [9], а также формирование интервалов рекуперации тока самого сглаживающего дросселя [10], в последнем случае необходим активный выпрямитель. Последний способ представляется наиболее эффективным, так как вообще не требует дополнительных элементов, хотя большая переменная составляющая тока и вызывает дополнительные потери.

Таким образом, целью настоящей работы является исследование характеристик вольтодобавочного преобразователя с активным выпрямителем в режиме двуполярного тока сглаживающего дросселя и определение условий мягкого включения транзисторов.

Вольтодобавочный преобразователь в режиме двуполярного тока сглаживающего дросселя

Рассматриваемый преобразователь состоит из инвертора и активного выпрямителя, соединенных по вольтодобавочной топологии и образующих высокочастотное звено, преобразующее часть потока энергии, необходимую для формирования требуемого выходного напряжения [11, 12] (рис. 1). При таком построении преобразователя выходное напряжение является суммой входного напряжения и добавленного регулируемого напряжения высокочастотного звена. Для реализации режима ограничения выходного тока при перегрузках или коротком замыкании в структуру преобразователя вводится дополнительный каскад.

Регулирование напряжения преобразователя основано на фазовом сдвиге управляющих импульсов транзисторов регулируемой стойки инвертора VT3, VT4 относительно нерегулируемой VT1, VT2, при этом управление транзисторами выпрямителя формируется логическим сложением управляющих импульсов диагоналей инвертора. Формирование такого управления приводит к появлению на такте управления двух интервалов – интервала вольтодобавки, при котором на вход LC-фильтра поступает напряжение 2U_АБ и интервала непосредственного соединения (закоротки) АБ с LC-фильтром.

Реализация выпрямителя на активных ключах позволяет исключить режим прерывистого тока и линеаризовать регулировочную характеристику во всем диапазоне изменения нагрузки:

U_max = U_АБ * (1 + K_пр)

При стабилизации выходного напряжения и K_тр=1, что применимо для большинства АБ, можно связать напряжение АБ с длительностью импульсов выходного напряжения инвертора:

U_АБ = U_max / U_АБ = 1 + y.    (1)

Работа преобразователя в режиме однополярного тока дросселя и его характеристики подробно рассмотрены в [11]. Однако в режиме двуполярного тока дросселя коммутационные процессы имеют ряд особенностей, так как появляется интервал отрицательного значения тока дросселя.

Особенности коммутационных процессов детально описаны в тексте статьи, включая формирование интервала рекуперации, обеспечивающего мягкое включение транзисторов (ZVS) инвертора за счет отрицательного тока дросселя, а также необходимость включения снабберных конденсаторов для демпфирования процессов в выпрямителе.

Вольтодобавочный преобразователь при изменении нагрузки и в режиме заряда аккумулятора

Уменьшение нагрузки преобразователя приводит к уменьшению постоянной составляющей тока дросселя и как следствие увеличению интервала рекуперации. В предельном случае на холостом ходу постоянная составляющая тока дросселя равна нулю.

При избытке энергии солнечной батареи и переходе в режим заряда АБ, изменяются длительности интервалов: интервал рекуперации превышает интервал прямой передачи (t_рек > t_пн), что определяет отрицательное направление передачи энергии. В этом режиме выпрямитель выполняет функцию инвертора тока, а инвертор – функцию выпрямителя.

Коммутационные процессы в режиме заряда АБ аналогичны процессам в режиме разряда, однако значение отрицательного тока выходного дросселя существенно больше, что вызывает более энергоемкий колебательный процесс и требует применения снабберных конденсаторов для подавления выбросов напряжения.

Определение диапазона мягкого переключения в вольтодобавочном преобразователе

Условием мягкого включения транзисторов преобразователя является наличие пульсаций тока дросселя, превышающих ток нагрузки. Амплитуда пульсаций тока дросселя зависит от длительности импульсов напряжения инвертора ?:

I_L = (U_АБ y(1-y)) / (2Lf)    (2)

где f – частота пульсаций тока дросселя, равная удвоенной частоте работы инвертора. Это ограничивает диапазон мягкой коммутации.

Расширения диапазона ZVS можно достичь уменьшением индуктивности дросселя, что приводит к увеличению отрицательного тока и потерям. Более эффективным способом является адаптивная подстройка рабочей частоты по условию обеспечения мягкой коммутации.

Расчеты показывают, что при частотной подстройке и отсутствии завышения индукции трансформатора предельный диапазон ZVS может достигать 80% от максимального. В режиме заряда АБ диапазон ZVS шире, чем в режиме разряда.

Результаты эксперимента двунаправленного вольтодобавочного преобразователя

Для экспериментальной проверки был спроектирован макет преобразователя. Осциллограммы подтвердили наличие интервала рекуперации и мягкое включение транзисторов (ZVS) в режиме разряда.

В режиме заряда АБ были зафиксированы коммутационные выбросы напряжения при выключении транзисторов выпрямителя, которые были успешно подавлены включением дополнительных снабберных конденсаторов.

Экспериментально проверен режим частотной подстройки при стабилизации выходного напряжения. Осциллограммы показали стабилизацию амплитуды пульсаций тока дросселя при изменении напряжения АБ и уменьшении ?, что соответствует теоретическим выводам.

Заключение

Представленный вольтодобавочный преобразователь с активным выпрямителем, благодаря интервалу отрицательного тока дросселя обладает мягким включением транзисторов как инвертора, так и выпрямителя (ZVS). Для расширения диапазона мягкого переключения предложено использовать частотную подстройку по условию возникновения интервала рекуперации. Экспериментальные результаты подтвердили работоспособность предложенных решений и соответствие теоретическим расчетам.

Список использованной литературы

1. Arthur G. Birchenough. The Series Connected Buck Boost Regulator Concept for High Efficiency Light Weight DC Voltage Regulation. – Available at: https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20030093550.pdf. (accessed: 6.04.2018).
2. Maksimovic D., Jacobson B. The Series Connected Buck Boost Regulator Concept for High Efficiency Light Weight DC Voltage Regulation // IEEE Transactions on Power Electronics. – 2012. – Vol. 27, No. 7. – PP. 3266–3276.
3. Park K.B., Moon G.W., Youn M.J. Nonisolated high step-up stacked converter based on boost-integrated isolated converter // IEEE Transactions on Power Electronics. – 2011. – Vol. 26, No. 2. – PP. 577–587.
4. Li W., He X. Review of nonisolated high-step-up DC/DC converters in photovoltaic grid-connected applications // IEEE Transactions on Power Electronics. – 2011. – Vol. 58, No. 4. – PP. 1239–1250.
5. Mao H., Lee F.C.Y., Zhou X., Dai H., Cosan M., Boroyevich D. Improved zero-current-transition converters for high-power applications // IEEE Transactions on Industry Applications. – 1997. – Vol. 33, No. 5. – PP. 1220–1232.
6. Corradini L., Seltzer D., Bloomquist D., Zane R., Maksimovic D., Jacobson B. Minimum current operation of bidirectional dual-bridge series resonant DC/DC converters // IEEE Transactions on Power Electronics. – 2012. – Vol. 27, No. 7. – PP. 3266–3276.
7. Осипов А.В., Ярославцев Е.В., Буркин Е.Ю., Свиридов В.В. Вольтодобавочный последовательный резонансный преобразователь с изменяемой структурой для систем электропитания // Изв. Том. политех. ун-та. Инжиниринг георесурсов. – 2018. – Т. 329, № 2. – С. 27–37.
8. Казанцев Ю.М., Лекарев А.Ф. Уменьшение потерь в двухтактных импульсных преобразователях напряжения // Электронные и электромеханические системы и устройства: сб. науч. трудов НПЦ «Полюс». Томск: Изд-во Томского НЦТИ, 1997. – С. 73–79.
9. Диксон Р.К., Дементьев Ю.Н., Михальченко Г.Я., Михальченко С.Г., Семенов С.М. Двухфазный повышающий преобразователь с мягкой коммутацией транзисторов и особенности его динамических свойств // Изв. Том. политех. ун-та. Инжиниринг георесурсов. – 2014. – Т. 324, № 4. – С. 96–101.
10. Waffler S., Kolar J.W. A novel low-loss modulation strategy for high-power bidirectional buck + boost converters // IEEE Transactions on Power Electronics. – 2009. Vol. 24, No. 6. – PP. 1589–1599.
11. Осипов А.В., Шемолин И.С., Школьный В.Н., Латыпов Р.А. Двунаправленный вольтодобавочный преобразователь с активным выпрямителем для заряда-разряда аккумулятора в системах электропитания // Доклады ТУСУРа. – 2018. – № 1. – С. 119–126.
12. Кобзев А.В., Коновалов Б.И., Семенов В.Д. Энергетическая электроника: учеб. пособие. – Томск: Томский межвузовский центр дистанционного образования, ТУСУР. – 2010. – 164 с.