ВОЛЬТОДОБАВОЧНОЕ ЗАРЯДНО-РАЗРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ
STORAGE BATTERY VOLTAGE BOOSTING CHARGING AND DISCHARGE DEVICE

Изобретение относится к области электротехники, электроники и преобразовательной техники и может быть использовано при проектировании и создании энергопреобразующей аппаратуры для систем электропитания с аккумуляторной батареи, в том числе для систем электропитания космических аппаратов.
Техническим результатом изобретения является уменьшение статических потерь в транзисторах и мощности реактивных элементов преобразователя.
Перспективным направлением разработки и проектирования энергопреобразующей аппаратуры для систем электропитания (СЭП) с аккумуляторной батареей (АБ), в частности, СЭП автоматических космических аппаратов (КА), является их реализация на основе инверторно-трансформаторных преобразователей энергии, что связано с улучшенной удельной мощностью таких устройств и систем по сравнению с СЭП на основе непосредственных преобразователей энергии, а так же с возможностью реализации единого зарядно-разрядного устройства АБ, обеспечивающего, как режим разряда АБ, так и режим заряда АБ за счет рекуперации энергии. Примеры реализации таких устройств и систем описаны в [1-5].
Наиболее близкой по технической сущности к заявленному изобретению является схема последовательного зарядно-разрядного резонансного преобразователя энергии, описанная в [5] (фиг. 1), которая содержит аккумуляторную батарею (АБ), инвертор, выполненный по мостовой схеме на транзисторах VT1-VT4, с входным С-фильтром (С1), последовательный резонансный LC-контур, состоящий из последовательно соединенных дросселя Lr и конденсатора Cr, трансформатор TV, активный выпрямитель, выполненный по мостовой схеме на транзисторах VT5-VT8, выходной С-фильтр (С2) и нагрузку (Н).
Аккумуляторная батарея через инвертор напряжения со входным С-фильтром (С1), в выходной цепи которого установлен последовательный резонансный LC-контур, подключена к первичной обмотке трансформатора, вторичная обмотка которого соединена со входом активного выпрямителя, выход которого соединен с выходной шиной питания нагрузки, параллельно которой установлен выходной С-фильтр (С2).
Недостатком схемы преобразователя является то, что в резонансном режиме разряда АБ обтекание обоих мостов общим током, пропорциональным нагрузке завышает статические потери транзисторов. При этом применение кремниевых радиационно-стойких транзисторов, имеющих большие значения паразитных емкостей, ограничивает рабочую частоту преобразователя, со снижением которой, эффективность от применения резонансной схемы уменьшается, а недостаток, связанный с увеличенными статическими потерями становится более принципиальным.
Целью настоящего изобретения является минимизация статических потерь в режиме разряда АБ и уменьшение мощности реактивных элементов преобразователя, что достигается за счет применения вольтодобавочной схемы, преобразующей неполный поток энергии.
На фиг. 2 представлена функциональная схема заявляемого вольтодобавочного зарядно-разрядного преобразователя энергии АБ, которая содержит устройство контроля степени заряженности аккумуляторной батареи (УКЗБ) 1, аккумуляторную батарею 2, датчик тока АБ 3, инвертор напряжения (ИН) 9, выполненный по мостовой схеме на транзисторах 5-8 с входным С-фильтром 4, трансформатор с первичной 10.1 и вторичной 10.2 обмотками, систему управления (СУ) 11, транзистор 12, диод 13, активный выпрямитель (АВ) 18, выполненный по мостовой схеме на транзисторах 14-17, выходной Г-образный LC-фильтр, на основе дросселя 19 и выходного конденсатора 20, датчик тока нагрузки 21 и нагрузку 22.
Измерительные входы УКЗБ 1 соединены с измерительными выходами АБ 2. Информационный выход УКЗБ 1, выходы датчиков тока 3 и 21 и силовые шины нагрузки 22 соединены с измерительными входами СУ 11. Управление транзисторами ИН 9 и АВ 18 реализуется СУ 11 согласно режиму работы преобразователя по принятому закону управления. Плюсовая шина АБ 2 через датчик тока АБ 3 соединена с первым выводом входного С-фильтра 4, стоками транзисторов 5 и 7 ИН 9 и стоком транзистора 12. Минусовая шина АБ 2 соединена со вторым выводом входного С-фильтра 4, истоками транзисторов 6 и 8 ИН 9, анодом диода 13, вторым выводом выходного конденсатора 20 и вторым выводом нагрузки 22. Выход мостового ИН 9 подключен к первичной обмотке трансформатора 10.1, вторичная обмотка 10.2 которого соединена со входом мостового АВ 18. Исток транзистора 12 соединен с катодом диода 13 и истоками транзисторов 14 и 15 АВ 18. Стоки транзисторов 16 и 17 АВ 18 соединены с первым выводом выходного дросселя 19, второй вывод которого соединен с первым выводом конденсатора 20 и подключен к первому выводу нагрузки 22 через датчик тока нагрузки 21.
Преобразователь работает в следующих режимах.
1. Режим разряда АБ.
Регулирование напряжения вольтодобавочного зарядно-разрядного преобразователя энергии АБ основано на фазовом сдвиге управляющих импульсов транзисторов 7, 8 регулируемой стойки ИН 9 относительно транзисторов 5, 6 нерегулируемой стойки ИН 9. Управляющие импульсы транзисторов АВ 18 формируются сложением управляющих импульсов транзисторов диагоналей ИН 9. Например, управляющие импульсы транзисторов 14, 17 АВ 19 формируются путем сложения управляющих импульсов транзисторов 5, 8 ИН 9, что приводит к появлению интервала вольтодобавки и интервала непосредственного соединения АБ с выходным LC-фильтром.
AБ
Интервал вольтодобавки, образованный отпиранием транзисторов одной из диагоналей ИН 9 и соответствующей диагонали АВ 18 характеризуется подачей на вход Г-образного LC-фильтра напряжения. Интервал непосредственного соединения АБ с выходным LC-фильтром, формируется отпиранием смежных транзисторов ИН 9 (Например, транзисторов 6, 8 ИН 9) и всех транзисторов АВ 18, закорачивающих обмотки трансформатора. При этом напряжение АВ 18 равно нулю и на вход Г-образного LC-фильтра подается напряжение U. При этом на интервале непосредственного соединения АБ с выходным LC-фильтром статические потери пропорциональны сопротивлению открытого канала одного транзистора, что является минимально возможным. Поэтому общие статические потери зависят от напряжения АБ, увеличиваясь по мере глубины регулирования. При этом реализация выпрямителя на активных ключах позволяет сохранить непрерывность тока дросселя.
AБ
На интервале вольтодобавки, открыты транзисторы 5, 8 ИН 9 и транзисторы 15, 16 АВ 18, что обеспечивает вольтодобавку ко входному напряжению и увеличение тока выходного дросселя 19. В некоторый момент времени выключается транзистор 5, что приводит к окончанию интервала вольтодобавки. На интервале паузы, за счет наличия паразитной индуктивности рассеяния, ток трансформатора продолжает протекать в прежнем направлении и перезаряжает паразитные емкости транзисторов 5, 6 таким образом, что емкость транзистора 6 разряжается, а емкость транзистора 5 заряжается до напряжения АБ (U). Затем отпирает обратный диод транзистора 6 и закорачивает первичную обмотку трансформатора 10.1. Одновременно с разрядом паразитной емкости транзистора 6 происходит процесс разряда паразитных емкостей транзисторов 14, 17 АВ 18. После процесса разряда следует открытие обратных диодов транзисторов.
ВЫХ
АБ
По истечении межкоммутационной паузы, происходит включение транзистора 6 ИН 9 и транзисторов 14, 17 АВ 18. Включение этих транзисторов будет мягким за счет предварительно разряженной паразитной емкости сток-исток. Преобразователь переходит в режим закоротки, в котором к выходному дросселю 19 прикладывается обратное напряжение U-U, что обеспечивает уменьшение его тока.
ВЫХ
АБ
Выключается транзистор 8 ИН 9, а также транзисторы 15, 16 АВ 18. Ток, протекающий по транзисторам 15, 16, шунтируется их обратными диодами. На интервале паузы к дросселю 19 по-прежнему приложено обратное напряжение U-U. Ток дросселя 19 продолжает уменьшаться до начала следующего интервала вольтодобавки. Первичная обмотка трансформатора 10.1 также закорочена. Таким образом, на интервалах паузы так же, как и на интервале закоротки происходит непосредственное соединение АБ 2 с выходным Г-образным LC-фильтром.
По истечении межкоммутационной паузы, происходит включение транзистора 7 регулируемой стойки ИН 9, которое произойдет жестко. Включение приводит к появлению нарастающего тока в трансформаторе, уменьшению тока в обратных диодах АВ 18 и переходу к интервалу вольтодобавки. Начиная с интервала вольтодобавки, процессы в вольтодобавочном зарядно-разрядном преобразователе энергии АБ повторяются и будут идентичны вышеописанным, как в транзисторах ИН 9, так и АВ 18.
Таким образом, в преобразователе в режиме разряда АБ 2, включение транзисторов 7 и 8 регулируемой стойки происходит «жестко», а включение остальных транзисторов преобразователя сопровождается предварительным разрядом паразитных емкостей и происходит «мягко». В ИН 9 это достигается за счет инерционности тока индуктивности рассеяния трансформатора, а в АВ 18 за счет непрерывности тока выходного дросселя 19.
2. Режим заряда АБ.
В режиме заряда АБ выходная шина питания нагрузки является источником энергии, АБ является нагрузкой, и ток выходного дросселя 19 меняет направление. АВ 18 работает аналогично инвертору тока, а ИН 9 работает, как выпрямитель. АВ 18 осуществляет преобразование тока дросселя 19 в ток формы близкой к прямоугольной с широтно-импульсным (ШИМ) регулированием.
При этом интервал непосредственного соединения АБ 2 с выходным LC-фильтром образуется фазовым сдвигом управляющих импульсов транзисторов регулируемой стойки 7, 8 относительно нерегулируемой 5, 6 ИН 9, а управляющие импульсы транзисторов АВ 18 формируются сложением управляющих импульсов диагоналей ИН 9. Это приводит к появлению двух интервалов - интервала токовой добавки, при котором ток АБ 2 является суммой тока дросселя 19 и тока ИН 9, и интервала закорачивания инвертора тока, в этом случае ток АБ 2 равен току дросселя 19.
ВЫХ
AБ
На интервале закорачивания инвертора тока открыты смежные нижние транзисторы 6, 8 ИН 9 и все транзисторы АВ 18. К дросселю 19 прикладывается обратное напряжение U-U, что обеспечивает рост зарядного тока. Первичная обмотка трансформатора 10.1 при этом закорочена открытыми транзисторами ИН 9 и не участвует в обмене энергией между АБ 2 и выходной шиной. На данном интервале ток дросселя 19 является зарядным током АБ 2.
В некоторый момент времени, выключаются транзистор 8 ИН 9 и транзисторы 15, 17 АВ 18. Это приводит к коммутационным перегрузкам из-за последовательного включения дросселя 19 и индуктивности рассеяния трансформатора, имеющих разные значения токов. Следовательно, в момент коммутации на закрывшихся транзисторах 15, 17 возникает перенапряжение, поэтому в такой схеме рекомендовано уменьшение индуктивности рассеяния трансформатора или применение демпфирующих цепей.
На интервале паузы, ток дросселя 19 начинает протекать через трансформатор, разряжая емкость сток-исток и отпирая обратный диод транзистора 7, что обеспечивает его последующее мягкое включение.
AБ
ВЫХ
С данного момента времени трансформатор начинает передавать ток в АБ 2, который складывается с током дросселя 19, к дросселю 19 прикладывается разница напряжений 2⋅U-U, которая обеспечивает уменьшение его тока. Мягко включается транзистор 7 шунтирующий уже открытый диод. Далее транзистор 6 мягко выключается, так как его ток шунтируется обратным диодом и продолжает протекать в прежнем направлении на интервале паузы.
ВЫХ
АБ
Происходит жесткое включение транзисторов 15, 16 АВ 18 и 5 ИН 9, через который закорачивается первичная обмотка трансформатора 10.1. К дросселю 19 вновь прикладывается обратное напряжение U-U, обеспечивая рост зарядного тока. Далее процессы повторятся в другой полярности. Таким образом, коммутация транзисторов АВ 18 жесткая, а в ИН 9, жестко коммутируются только транзисторы нерегулируемой стойки. 3. Режим токоограничения АБ.
ОГР
ОГР
Переход в режим токоограничения в вольтодобавочном зарядно-разрядном преобразователе энергии АБ происходит при превышении порогового значения тока нагрузки, согласно диаграммам (фиг. 3). По достижению определенного порога, транзистор 12 закрывается на фиксированный промежуток времени t, позволяющий току уменьшиться до безопасных значений, после чего вновь открывается. Таким образом в режиме токоограничения, транзистор 12 имеет ограничение по верхнему пределу частоты работы, заданной временем t, однако фиксированная частота работы в режиме отсутствует, т.к. последняя зависит от быстроты достижения тока дросселя 19 порогового значения. Такой принцип работы транзистора 12 гарантированно обеспечивает ограничение тока нагрузки, и, как следствие, тока разряда АБ 2 при любой скорости роста тока дросселя 19 в отличие от фиксированного ШИМ-регулирования.
ОГР
ОГР
В режиме токоограничения, частота работы вольтодобавочного зарядно-разрядного преобразователя энергии АБ определяется нагрузкой 22 и индуктивностью выходного дросселя 19. Например, при коротком замыкании выхода преобразователя, происходит разряд выходного конденсатора 20 и к дросселю 19 прикладывается напряжение АБ 2, обеспечивающее скорость роста тока, пропорционально индуктивности. Таким образом, уменьшение индуктивности выходного дросселя 19 приведет к необходимости уменьшения интервала времени t. Уменьшение t в свою очередь приведет к увеличению динамических потерь транзистора 12 и соответственно к перегреву.
Таким образом, в заявляемом изобретении вольтодобавочное зарядно-разрядное устройство АБ характеризуется уменьшенными статическими потерями, что позволяет существенно повысить КПД преобразования и открывает широкие возможности практического применения исследуемой схемы. Малые статические потери делают схему наиболее эффективной в области низких частот, традиционных, например, для космической аппаратуры, реализуемой на кремниевых транзисторах с большими затворными емкостями. К тому же применение вольтодобавочной схемы уменьшает мощность реактивных элементов, так как преобразуется часть потока энергии. Однако это достигается путем увеличения количества транзисторов и усложнения СУ, поэтому такая топология преобразователя эффективна на больших мощностях, при массе реактивных элементов превышающей массу транзисторов и драйверов.
Источники информации
1. Розанов Ю.К. Полупроводниковые преобразователи со звеном повышенной частоты. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 184 с.
2. Yaqoob М. Extension of soft-switching region of dual-active-bridge converter by a tunable resonant tank / M. Yaqoob, K.H. Loo, Y.M. Lai // IEEE Transactions on Power Electronics. - 2017. - T. 32 (12). - C. 2299-2306.
3. Пат. CN 106685232, H02M 3/335. Modulation method with high efficiency in dual-active full-bridge converter full power range / Li Guojie, Tong Anping, Jiang Xiuchen. Заявка №CN 201710027904 от 16.01.2017. Опубл. 17.05.2017.
4. Inoue S. A bidirectional DC-DC converter for an energy storage system with galvanic isolation / S. Inoue, H. Akagi // IEEE Transactions on Power Electronics. - 2007. - T. 22 (6). - №7820224. - C. 9093-9104.
5. Осипов А.В. Последовательный резонансный преобразователь для систем электропитания от аккумуляторов / А.В. Осипов, В.Н. Школьный, Ю.А. Шиняков, Е.В, Ярославцев, И.С. Шемолин // Доклады ТУСУРа. - 2017. - Т. 20. - №2. - с. 103-110.