Источник вторичного электропитания на основе высокочастотного преобразователя напряжения с резонансным переключением

Автономные системы электроснабжения (СЭС), как правило, представляют сложный комплекс из источников электроэнергии, преобразующих и распределительных устройств. В частности, на борту космических аппаратов (КА) имеется несколько различных первичных источников электроэнергии, различные типы потребителей электроэнергии, а также преобразующие устройства, которые, как правило, выполняются в виде ячеек, работающих в параллель и объединенных в единую систему автоматического регулирования [40]. Существует ряд факторов, который указывают на необходимость улучшения характеристик преобразующих устройств таких систем.

В настоящее время в качестве вторичных источников электропитания (ВИП) СЭС КА используются стабилизаторы напряжения (СН), построенные на базе ПН с прямоугольной формой тока и напряжения ключевого элемента (КЭ) и управлением посредством широтно-импульсной модуляции [30, 40] (далее по тексту — классические ШИМ — преобразователи). Повышение КПД ВИП позволит снизить нагрузку на систему терморегулирования КА, за счет чего снизить ее массу и стоимость [41]. Снижение массы ВИП позволит снизить массу КА в целом. Классические ШИМ — преобразователи ввиду высоких скоростей нарастания токов и напряжений являются источниками помех, излучаемых в виде электромагнитных волн, а также в виде наложенных на выходное напряжение импульсных выбросов напряжения [26, 55, 58]. Следовательно, такие характеристики преобразователей напряжении (ПН), как КПД и удельная мощность могут в значительной степени определять массогабаритные характеристики КА в целом, при этом задача улучшения электромагнитной совместимости также является актуальной.

В настоящее время совершенствование СЭС КА осуществляется за счет повышение рабочих частот классических ШИМ-преобразователей совместно с применением более совершенной элементной базы [22, 55]. При этом, повышение скорости переключения приводит к увеличению электромагнитных помех. В целях предотвращения ухудшения указанных параметров применяются цепи, ограничивающие скорость изменения тока и напряжения полупроводниковых ключей [75], что, в свою очередь, увеличивает потери энергии. Повышение частоты преобразования улучшает массогабаритные характеристики выходных фильтров ПН, при этом возрастают и динамические потери на коммутирующих ключах.

Таким образом, применяемые в настоящее время методы совершенствования стабилизаторов напряжения (СН) СЭС КА не приводят к улучшению характеристик на качественном уровне — улучшение одних характеристик неизбежно приводит к ухудшению других.

Для уменьшения потерь на переключение, снижения потерь вызванных коммутационными процессами полупроводниковых ключей, возможно применять резонансные режимы работы КЭ [3, 20, 21, 22, 30, 35, 65].

К основным достоинствам ПН, использующих резонансные режимы работы, следует отнести: сниженная нагрузка на систему терморегулирования К, А за счет снижения потерь на переключение КЭ [17], снижение габаритных размеров и массы элементов выходного фильтра и повышение быстродействия благодаря возможности повышения частоты коммутации без существенного увеличения потерь мощности на полупроводниковых ключах [22, 65].

Особенностями работы стабилизированного СН в составе автономных СЭС КА является то, что первичный источник энергии может иметь большой диапазон выходных напряжений в зависимости от режима работы, как например, фотоэлектрический преобразователь или аккумуляторная батарея, при этом токи нагрузки могут изменяться в широком диапазоне [1, 43, 83, 89]. Две наиболее распространенных группы ПН с резонансным режимом работы КЭ — резонансные и квазирезонансные, имеют существенную зависимость режимов переключения от входного напряжения и тока нагрузки [6, 22, 65], что существенно затрудняет их использование в режиме стабилизации выходного напряжения применимо к СЭС КА. Поскольку обе перечисленных группы ПН имеют частотный закон регулирования, при параллельной работе на общую нагрузку возможно возникновение биений выходного напряжения из-за разных частот преобразования между ячейками ПН. По перечисленным причинам в настоящее время такие преобразователи в составе отечественных КА не применяются [40].

Таким образом, задача построения преобразователя напряжения с резонансным режимом переключения для применения в составе СЭС КА является актуальной.

Цель работы — повышение эффективности энергопреобразующего комплекса в составе системы электроснабжения космического аппарата за счет применения импульсных преобразователей напряжения с резонансным переключением.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Формулировка критериев эффективности вторичных источников электроэнергии автономных систем электроснабжения, построенных по блочно-модульному принципу.

2. Классификация режимов работы электронного ключевого элемента в цепи резонансного контура импульсных преобразователей напряжения. Выбор режима работы ключевого элемента по критерию наилучшей энергетической эффективности.

3. Разработка математической модели процессов переключения импульсного преобразователя напряжения с переключением при нулевых значениях напряжения и широтно-импульсной модуляцией.

4. Оценка влияния параметров резонансного режима работы полупроводниковых силовых ключей на энергетическую эффективность, а также на динамические свойства выбранного типа преобразователя с резонансным режимом, работающего в составе стабилизированного источника вторичного электропитания.

5. Анализ устойчивости работы стабилизатора напряжения, построенного на базе преобразователя напряжения с переключением при нулевых значениях напряжения и широтно-импульсной модуляцией. Исследование влияния характера нагрузки на динамические свойства СН.

6. Анализ возможности организации параллельной работы ячеек ПН выбранного типа в составе стабилизатора напряжения СЭС КА без токовыравнивающих обратных связей (с параметрическим токовыравниванием), определение требований к отклонению значений элементов ПН и управляющих воздействий.

7. Разработка методики проектирования преобразователя с переключением при нулевых значениях напряжения и ШИМ.

8. Экспериментальная проверка справедливости разработанных математических моделей.

Объект исследования — стабилизированный источник электропитания, построенный на базе преобразователей напряжения с переключением при нулевых значениях напряжения и широтно-импульсной модуляцией.

Предмет исследования — электромагнитные процессы, происходящие в резонансном контуре, электронных ключах, выходном фильтре и нагрузке стабилизатора напряжения, построенного на базе высокочастотного преобразователя с переключением при нулевых значениях напряжения и широтно-импульсной модуляцией.

Методы исследования базируются на общих положениях теории электрических цепей, алгебраических и дифференциальных уравнений, теории чувствительности, вычислительных методах и использовании современных инструментальных систем и методов математического моделирования с использованием пакетов: MathCAD, Micro-Cap. Проверка основных теоретических положений осуществлялась путем экспериментальных исследований на физических моделях и имитационном моделировании.

Новые научные результаты диссертационной работы, выносимые на защиту: математическая модель стабилизатора напряжения на основе импульсного последовательного преобразователя с резонансным режимом переключения при нулевых значениях напряжения и широтно-импульсной модуляцией, учитывающая влияние паразитных компонентов силовых полупроводниковых ключей на его энергетические показателиопределены условия организации параметрического токовыравнивания между параллельно работающими ячейками преобразователей с переключением при нулевых значениях напряжения и широтно-импульсной модуляцией в составе стабилизированного источника вторичного электропитания, построенного по модульному принципу при заданном отклонении выходных токов ячеек преобразователейразработана методика проектирования последовательного стабилизатора напряжения на базе импульсного преобразователя с переключением при нулевых значениях напряжения и широтно-импульсной модуляцией, позволяющая совместно решать энергетическую и динамическую подзадачи на этапе синтеза его силовой части.

Значение для теории: использованы элементы теории чувствительности для оценки влияния разброса параметров преобразователей с переключением при нулевых значениях напряжения и широтно-импульсной модуляцией, работающих в параллель в составе стабилизатора напряжения, на отклонение их выходных токовсозданы предпосылки для дальнейшего развития методов проектирования вторичных источников электропитания, построенных по модульному принципу на основе преобразователей с резонансным переключением и широтно-импульсным регулированием.

Практическая ценность заключается в улучшении энергетических, динамических характеристик и электромагнитной совместимости стабилизаторов напряжения, за счет применения в их составе импульсного преобразователя с переключением при нулевых значениях напряжения и широтно-импульсной модуляцией.

Достоверность полученных результатов и выводов диссертационной работы подтверждается совпадением результатов теоретических расчетов, математического, имитационного моделирования в формате Р-Брюе и экспериментальных исследований.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались: на V Всероссийской конференции творческой молодежи «Актуальные проблемы авиации и космонавтики» в г. Красноярске (2009г.) — на XVIII Научно-технической конференции «Электронные и электромеханические системы и устройства» в г. Томске (2010г.) — на XIV Международной научной конференции «Решетневские чтения» в г. Красноярске (2010г.) — на VI Всероссийской конференции творческой молодежи «Актуальные проблемы авиации и космонавтики» в г. Красноярске (2010г.) — на Научно-технической конференции молодых специалистов «Разработка, производство, испытания и эксплуатация космических аппаратов и систем» в г. Железногорск (2011г.).

Реализация полученных результатов. Результаты диссертационных исследований использованы в ОАО «ИСС» г. Железногорск, в учебном процессе на кафедре «Системы автоматического управления» СибГАУ им. Академика М. Ф. Решетнева. Работа выполнялась при финансовой поддержке по гранту № 2.1.2/2473 «Методы повышения эффективности использования резонансных режимов в высокочастотных импульсных преобразователях напряжения (ИПН)» аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» 2009;2011г.- Государственного контракта № 14.740.11.1124 «Методы повышения эффективности энергопреобразующих устройств энергосистем космических аппаратов».

Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009;2013 гг.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 10 печатных работах, из них статей из перечня ВАК — 4, прочих статей — 1, тезисов докладов — 3, материалов конференций — 2.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 90 наименований, двух приложений. Работа изложена на 146 страницах машинописного текста, содержит 82 рисунка и 3 таблицы.

4.7 Выводы по главе 4.

Проведенные экспериментальные исследования подтверждают справедливость разработанных моделей. В частности, формы напряжения РКЯ совпадают с построенными по разработанной модели переключения, формы переходного процесса СН, построенного на базе ПН с резонансным переключением, совпадают с построенным по разработанной линеаризованной модели. Преобразователь на базе предложенной коммутирующей ячейки имеет КПД выше классического ШИМпреобразователя на 0.4% - 4% в зависимости от выходного тока, преимущество сохраняется, в том числе, в режиме, близком к холостому ходу (при выходном токе 10% от номинального), при этом амплитуда коммутационного шума, наложенного на выходное напряжение, снижена не менее, чем в 10 раз во всем диапазоне регулирования.

Экспериментально подтверждено, что условия параметрического токовыравнивания при параллельной работе двух ячеек преобразователя с ПНН и ШИМ в составе стабилизатора напряжения выполняются во всем диапазоне регулирования, в том числе, при ступенчатом изменении тока нагрузки. Относительное отклонение выходных токов ячеек во всем диапазоне регулирования не превысило 14.5% от номинального выходного тока каждой ячейки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе решались проблемы повышения эффективности энергопреобразующих устройств систем электроснабжения космических аппаратов за счет применения резонансных режимов работы ключевого элемента. Основным результатом является методика проектирования стабилизатора напряжения, построенного на базе высокочастотного преобразователя с переключением при нуле напряжения и ШИМ, которая строится на результатах, описанных ниже.

1. Показано, что паразитные элементы компонентов МДП-ключей и диодов Шоттки оказывают существенное влияние на процессы переключения ключевых элементов, поэтому известная до настоящего времени модель не обладает достаточной точностью.

2. Разработана уточненная модель переключения преобразователя напряжения с ПНН, с помощью которой выявлены существенные недостатки организации резонансного цикла последнего — высокое амплитудное значение тока вспомогательного ключа и его запирание в «жестком» режиме. Как следствие, была предложена новая коммутирующая ячейка, где вспомогательный ключ запирается при нулевых значениях напряжения, а также, при рассмотренных параметрах СЭС и коммутирующей ячейки, амплитуда тока вспомогательного ключа снижена на 20% в энергетически значимом режиме. Полученные модели переключения позволяют определять зависимость потерь в коммутирующей ячейке от параметров РК, на основании чего возможно выбирать рациональные значения параметров РК с точки увеличения КПД стабилизатора напряжения в целом.

3. Определено влияние РК на динамические свойства и выходные характеристики стабилизатора напряжения, показано, что они существенно изменяются внутри диапазона регулирования. Для оценки динамических свойств СН как замкнутой системы автоматического регулирования, была предложена методика, использующая в роли критерия коэффициент демпфирования эквивалентного динамического звена линеаризованной системы. Установлено, что резонансный контур оказывает демпфирующее действие, эквивалентное увеличению внутреннего сопротивления преобразователя напряжения. Было показано, что для обеспечения устойчивости стабилизатора напряжения на базе преобразователя рассматриваемого типа, возможно использовать линейные корректирующие устройства, традиционно применяемые для обеспечения устойчивости стабилизаторов напряжения на базе классических ШИМ — преобразователей, при этом обеспечивается лучшее качество переходных процессов при возмущениях со стороны нагрузки при прочих равных условиях.

4. Доказана возможность организации параллельной работы ячеек ПН с ПНН и ШИМ в режиме стабилизации выходного напряжения без применения дополнительных токовыравнивающих обратных связей (в режиме параметрического токовыравнивания). Разработан аналитический метод оценки токораспределения между параллельно работающими ячейками и расчета требований к отклонениям параметров РК и коэффициента заполнения широтно-импульсного сигнала управления ключами.

5. Разработана методика проектирования последовательного стабилизатора напряжения на базе ПНН — преобразователя с ШИМ, которая позволяет совместно подходить к решению энергетической и динамической подзадач, а также задачу обеспечения параллельной работы в режиме параметрического токовыравнивания, при проектировании силовой части. Выявленная зависимость потерь мощности в коммутирующей ячейке и динамических свойств стабилизатора напряжения от параметров РК является гладкой функцией, как следствие, возможно варьировать параметрами РК в целях достижения требуемых энергетических и динамических характеристик стабилизатора напряжения в целом.

6. Проведенное экспериментальное исследование показывает, что преобразователь на базе предложенной коммутирующей ячейки имеет КПД выше классического ШИМ — преобразователя на 0.4% - 4% в зависимости от выходного тока, преимущество сохраняется, в том числе, в режиме, близком к холостому ходу (при выходном токе 10% от номинального), при этом амплитуда коммутационного шума, наложенного на выходное напряжение, снижена приблизительно в 10 раз во всем диапазоне регулирования.

7. Экспериментально подтверждено, что условия параметрического токовыравнивания при параллельной работе двух ячеек преобразователя с ПНН и ШИМ в составе стабилизатора напряжения выполняются во всем диапазоне регулирования, в том числе, при ступенчатом изменении тока нагрузки. Относительное отклонение выходных токов ячеек во всем диапазоне регулирования и установившемся режиме не превысило 14.5% от номинального выходного тока каждой ячейки.