WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |   ...   | 65 |

оценки статических потерь мощности на КЭ традиционного ПН с ШИМ и последовательного квазирезоБиблиографические ссылки нансного ПН с переключением при нулевых значениях тока, который показал, что: 1. Abu-Qahouq J., Batarseh I. Unified Steady-State – статические потери КЭ в ПН с ПНТ больше, чем Analysis of Soft-Switching DC-DC Converters // в традиционном ПН с ШИМ, а их отношение имеет IEEE Trans. Power Electronics. 2002. Vol. 17, № 5.

предел, который не зависит от параметров РК; P. 684–691.

– в случае когда входное и выходное напряжения 2. Mammano R. Resonant Mode Converter Topoloи ток нагрузки проектируемого ПН стабильны или gies // Unitrode Power Supply Design Seminar. New изменяются незначительно, параметры РК должны York, 1988. Topic 1. P. 1–12.

быть подобраны таким образом, чтобы обеспечить 3. Анализ режимов работы квазирезонансного параметр J близким к единице, при этом достигается преобразователя напряжения / Н. Н. Горяшин и др. // минимум статических потерь на КЭ; Изв. высш. учеб. заведений. Приборостроение. 2011.

– если диапазон регулирования существенный, Вып. 4. С. 7–13.

* т. е. когда параметр J изменяется более чем на 10 %, 4. Erickson R. W. Fundamentals of Power Electronics.

то статические потери на КЭ для режима ПНТ-2 мо- 1st ed. New York : Chapman and Hall, 1997.

гут быть значительно больше по сравнению с режи- 5. Окснер Э. С. Мощные полевые транзисторы и мом ПНТ-1 при идентичных КЭ. С другой стороны, их применение : пер. с англ. М. : Радио и связь, 1985.

N. N. Goryashin, A. A. Solomatova ESTIMATION OF AGGREGATED LOSSES OF POWER IN A QUASI-RESONANT CONVERTER The authors present a comparative analysis of aggregated losses of power in semiconductive elements of the traditional power converter with pulse-time modulation and quasi-resonant converter with zero-current key switching.

Keywords: quasi-resonant converter, zero-current key switching, aggregated losses of power.

© Горяшин Н. Н., Соломатова А. А., Математика, механика, информатика УДК 621.Н. Н. Горяшин, А. Ю. Хорошко О ПОВЫШЕНИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИМПУЛЬСНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ С РЕЗОНАНСНЫМ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕМ* Рассмотрены проблемы повышения эффективности преобразователя с широтно-импульсной модуляцией и коммутацией ключевого элемента при нулевых значениях напряжения для автономной системы электроснабжения космического аппарата.

Ключевые слова: преобразователь напряжения с резонансным переключением.

Автономные системы электроснабжения (СЭС) роли источников вторичного электропитания космиразличного назначения, в том числе и СЭС космиче- ческих аппаратов не всегда возможно.

ских аппаратов (КА), как правило, представляют со- Этого недостатка лишены ПН с ШИМ и резонансбой сложный комплекс из источников электроэнер- ным переключением (рис. 1). В целом их можно рассматривать как классические ШИМ-преобразователи гии, преобразующих и распределительных устройств, объединенных в систему автоматического регулиро- с добавленными резонансным контуром (РК) и вспования и предназначенных для обеспечения потреби- могательной цепью коммутации для организации так называемого мягкого переключения, т. е. переключетелей электроэнергией необходимого качества.

ния с минимизированными динамическими потерями.

В настоящее время в качестве вторичных источниВспомогательный ключ таких ПН работает только ков электропитания СЭС КА используются широко в одном из фронтов переключения основного ключа распространенные преобразователи напряжения (ПН) и служит для минимизации его динамических потерь.

с прямоугольной формой тока и напряжения ключеМинимизация потерь по второму фронту переключевого элемента (КЭ) и управлением посредством шиния обеспечивается с помощью одного из элементов ротно-импульсной модуляции (ШИМ).

РК. За счет того что РК работает относительно неДальнейшее улучшение энергетических характебольшую часть периода, функционирование таких ПН ристик таких преобразователей связано с совершенствозможно в более широком диапазоне входных навованием элементной базы: повышением быстродейпряжений и выходных токов по сравнению с резоствия КЭ и уменьшением падения напряжения на КЭ нансными и квазирезонансными преобразователями.

в открытом состоянии. Однако увеличение скорости Главным недостатком ПН с ШИМ и резонансным изменения напряжения на коллекторе (стоке) полупереключением является большее число дополнипроводникового КЭ приведет к увеличению коммутательных элементов, в частности наличие вспомогационных помех, наложенных на выходное напряжетельного ключа, приводящего к появлению дополниние импульсного преобразователя [1]. Разрешить эту тельных потерь мощности в элементах вспомогательпроблему можно за счет введения в силовую часть ной цепи. По этой причине сложно обеспечить высосхемы различных демпфирующих цепей, что повлекий КПД в точке энергетически значимого режима, чет за собой дополнительные потери энергии. Таким т. е. режима, при котором ПН работает основную образом, для уменьшения потерь на переключение часть времени на номинальную нагрузку, а также сои потерь от коммутационного шума КЭ следует перехранить требуемый минимальный КПД во всем рабоключать в моменты нулевых значений тока или начем диапазоне регулирования.

пряжения. Эти режимы возникают при резонансных Резонансный коммутирующий элемент (РКЭ) колебаниях в цепях с КЭ [2–4].

одного из таких преобразователей (рис. 1, а) работает Преобразователи напряжения, в которых испольследующим образом [3; 4]. В момент времени tзуются резонансные колебания, можно разделить на (рис. 1, б) открывается МДП-ключ VT2 и начинается три типа: резонансные, квазирезонансные с частотнопроцесс накопления энергии в индуктивности РК Lр.

импульсной модуляцией [2] и преобразователи с реВ момент времени t1 ток Lр достигает значения тока зонансным переключением и ШИМ [3; 4].

дросселя выходного фильтра и происходит заряд конДиапазон изменения значений входного напряжеденсатора РК Cр. По завершению данного процесса, ния и выходного тока ПН первых двух типов строго т. е. в момент времени t2, на основной ключ VT1 подаограничен, поскольку выход за его пределы приводит ется отпирающий импульс, при этом вспомогательный к срыву резонансного цикла и, как следствие, к значиключ VT2 закрывается. Ключ VT1 открывается при тельному увеличению потерь на КЭ. Как правило, нулевом значении напряжения, а ключ VT2 запирается указанный диапазон для СЭС КА шире установленпри протекании через него тока, превышающего значеных ограничений и именно по этой причине применение выходного тока. После прохождения импульса ние преобразователей с недостаточным разрешенным управления основного ключа VT1 скорость нарастания диапазоном входного напряжения и выходного тока в напряжения ограничивается за счет емкости РК.

*Работа выполнена при финансовой поддержке Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009–2013 годы» (государственный контракт № 14.740.11.1124).

Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева а б Рис. 1. Cхема РКЭ ШИМ-преобразователя с переключением при нулевых значениях напряжения (а) и упрощенные временные диаграммы его работы (б):

СУ КЭ – система управления ключевым элементом Если считать пульсации тока дросселя выходного регулирующей переменной определяется соотношефильтра нулевыми, то временные интервалы, на кото- нием рые разбивается один цикл работы ШИМ-преобра Fк IнZ0 Uвх Uвых = + 1 + (6) зователя с переключением при нулевых значениях 2 1+ - Uвх, 2 Uвх 2IнZ напряжения, могут быть описаны соотношениями [3]:

Uвх где 2 – коэффициент заполнения импульса управлеIL (t) = t, ния вспомогательного ключа, который должен выбиp Lр раться для режима минимального входного напряже t0 t < t1, (t) = Uвх, (1) UCр ния и максимального выходного тока, так как именно в этом режиме требуется максимальная длительность M вспомогательного импульса (интервал t0 < t < t2 на t = t1 - t0 =, Q рис. 1, б) [4]:

Fк Iн maxZ2 = + (7) IL (t) = IН + Uвх sin(0 (t - t1)),, p 2 Uвх min Z t1 t < t2, (t) = Uвх cos(0 (t - t1)), (2) UCр где Iн max – максимальный ток нагрузки; Uвх min – ми нимальное входное напряжение.

Однако дальнейший анализ показал, что соотноt = t2 - t1 =, шения (1)–(7) не учитывают влияния паразитных па раметров элементов РКЭ (рис. 2) и, как следствие, Uвх Uвх ( ) экспериментальная кривая тока через индуктивность Lp I (t) = Iн + Z0 - t - t2, Lp РК (рис. 2, а) отличается от теоретической (рис. 2, б) t2 t < t3, (3) в интервале времени t3 < t < t6.

t = t3 - t2 = 1 M, Для устранения этого недостатка в эксперимен 0 1+ Q тальные диаграммы были введены дополнительные ин2 тервалы, как показано на осциллограмме на рис. 2, а:

t4 = t4 - t3 = 1 - (t3 - t2 ). (4) t3 < t < t3*, t3* < t < t5, t5 < t < t5*, t5* < t < t5**, соответстFквующие переходным процессам в паразитном РК, Iн который образован индуктивностью РК и эквивалентCр U (t) = (t - t4 ), Cр ной паразитной емкостью Cп, включающей в себя ем t4 t < t5, (5) кость стока-истока вспомогательного ключа VT2 и t = t5 - t4 = Q, емкость диода VD1 (см. рис. 1, а). Процессы измене M ния тока в цепи РКЭ с учетом паразитного РК можно описать следующими соотношениями:

где 1 – относительный коэффициент заполнения им -Uвх пульса управления основного ключа; M = Uвых /Uвх;

Lр I (t) = sin(0п (t - t3)), Z0п Q = Rн /Z0, здесь Rн – сопротивление нагрузки, * t3 t < t3, (8) Z0 = (Lр /Cр)0,5 – волновое сопротивление РК;

* * t3 = t3 - t3 =, 0 = (LрCр)–0,5 – собственная частота РК; Uвх и Uвых – 20п входное и выходное напряжение ПН соответственно;

Fк = fк /f0, здесь fк – частота коммутации, f0 = 0 /2.

-Uвх UпVD2 * * ILр (t) = 1- (t - t3 ), t3 t < t5, (9) Зависимость выходного напряжения от входного Z0п Lр напряжения и тока нагрузки при заданном значении Математика, механика, информатика щественно изменяют режимы его работы по сравнеUвх IL (t) = ILр (t5 ) - (t - t5 ), нию с идеализированными, как показано в [3; 4], что р Lр * (10) в свою очередь приводит к увеличению статических t5 t < t5, потерь во вспомогательной цепи РКЭ, образованной t = ILр (t5 ) Lр, * VD1, VT2 и Lр.

U вх Динамические потери вспомогательного ключа Uвх I (t) = sin(0п (t - t5 )), * VT2 рассматриваемого ПН превышают динамические Lр Z0п потери классического ШИМ-преобразователя, так как * * (11) t5 t < t5*, вспомогательный ключ VT2 переключается в жестком ** ** * t5 = t5 - t5 =, режиме по обоим фронтам, а ток при его запирании 2 0п значительно выше выходного тока ПН, что приводит Uвх ** к снижению его КПД. Таким образом, замена динаILр =, t5 t < t0+Tк, (12) Z0п мических потерь ключа исходного ШИМ-преобразователя статическими потерями вспомогательной где Z0п= (Lр /Cп)0,5; 0п = (LрCп)–0,5.

цепи и динамическими потерями вспомогательного Теоретические временные диаграммы тока индукключа при переходе к резонансному переключению тивности РК с учетом дополнительных соотношений (8)–(12) (рис. 2, б) имеют высокую степень совпаде- РКЭ не приводит к ожидаемому снижению общих потерь.

ния с экспериментальными, что позволяет судить о справедливости предложенной модели. Из соотноше- Для уменьшения потерь во вспомогательной цепи ний (8)–(12) также следует, что при физической реа- был разработан модифицированный РКЭ, органилизации данного ПН паразитные компоненты полу- зующий мягкое переключение вспомогательного проводниковых элементов вспомогательной цепи су- ключа во всем диапазоне работы ПН (рис. 3).

а б Рис. 2. Экспериментальные (а) и теоретические (б) временные диаграммы токов и напряжений в цепи РКЭ:

1 – результат эксперимента; 2 – исходная математическая модель; 3 – уточненная математическая модель а б Рис. 3. Схема модифицированного РКЭ ШИМ-преобразователя с переключением при нулевых значениях напряжения (а) и упрощенные временные диаграммы его работы (б) Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева Схожий принцип положен в основу ПН повы- Длительность интервала времени t1 t < t2 опредешающего типа с ШИМ, описанного в [5].

ляется паразитным РК и для текущих условий его В отличие от исходного РКЭ, емкость модифицироисключение приводит к погрешности определения ванного РК ограничивает скорость запирания обоих выходного напряжения менее 1 %. А поскольку данключей (рис. 3, а). Фаза заряда емкости РК перенесена ный интервал влияет только на статическую характена интервал времени t2 t < t3, за счет чего значительно ристику, где такая точность, как правило, является снижено амплитудное значение тока через вспомогадостаточной, можно пользоваться упрощенным сооттельный ключ VT2 (рис. 3, б). В данном РКЭ ток РК ношением протекает через диоды VD1 и VD2, поэтому потери на диодах несколько выше, чем в исходном РКЭ.

fк Iн Uвх fк Uвых = 2 + 1 - Lр + Ср Uвх. (13) Форма напряжения основного ключа модифици- Uвх Iн рованной топологии ПН полностью совпадает с формой напряжения РКЭ на рис. 1, а, при условии, что в Для сравнительной оценки энергетической эффексоотношения для интервала времени t1 t < t2 будет тивности исследуемого ПН был создан эксперименподставлена емкость РК, равная эквивалентной паратальный образец ПН (табл. 1, 2 и рис. 4) с возможнозитной емкости Сп. По этой причине модифицированстью реализации двух режимов с резонансным переный РКЭ сохраняет все преимущества исходного, а ключением (см. рис. 1 и 3) и режима с классическим для анализа и синтеза статических и динамических ШИМ-преобразователем (рис. 5).

характеристик могут применяться одни и те же матеВ ходе эксперимента были получены кривые КПД матические соотношения, описывающие формы токов для исследуемых ПН (рис. 6).

и напряжений.

Таблица Параметр С1 С2 С3 С4 L1 fк Uвых Значение 100 мкФ 100 нФ 96 мкФ 5 мкФ 49 мкГн 330 кГц 27 В Рис. 4. Общая часть упрощенной электрической схемы эксперимента:

ФСУ – формирователь сигналов управления; ПИЭ – первичный источник электроэнергии;

ШИМ – широтно-импульсный модулятор Рис. 5. Коммутирующая ячейка классического ШИМ-преобразователя Математика, механика, информатика Таблица Параметр Lр Ср (см. рис. 1, а) Ср (см. рис. 3, а) VT1, VT2 VD1–VDЗначение 1,9 мкГн 1 нФ 4 нФ IRFB260N MBR20200CT а б Рис. 6. КПД преобразователей:

а – при Uвх = 40 В; б – при Uвх = 65 В; кривая 1 – классический ПН с ШИМ; кривая 2 – ПН с РКЭ (см. рис. 1, а);

Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |   ...   | 65 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.