Способ регулирования выходного напряжения повышающего преобразователя постоянного напряжения
METHOD OF REGULATING THE OUTPUT VOLTAGE OF A DC VOLTAGE BOOST CONVERTER

Предлагаемое изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано при создании малогабаритных и энергоэффективных, многоуровневых повышающих регуляторов постоянного напряжения.
Известен способ дискретного регулирования выходного напряжения повышающего преобразователя постоянного напряжения (Электротехника, №10, 2007, с. 34-40, рис. 1 - блок А1.1), содержащего входной, выходной и общий выводы для подключения соответственно источника постоянного напряжения и нагрузки, n соединенных параллельно цепочек, включенных между входным и общим выводами, состоящих каждая из последовательно соединенных зарядного диода, конденсатора и зарядного ключа, (n-1) разрядных ключей, каждый из которых включен между разноименными выводами конденсаторов соответствующих смежных цепочек, разрядный ключ, включенный между входным выводом и точкой соединения конденсатора и зарядного ключа последней цепочки, заключающийся в дискретном изменении количества разряжающихся на нагрузку последовательно соединенных конденсаторов путем поочередной коммутации разрядных ключей.
К недостаткам данного способа регулирования следует отнести отсутствие плавной регулировки выходного напряжения, низкий КПД и завышенные массогабаритные показатели преобразователя ввиду больших динамических потерь мощности и низкой частоты переключения полупроводниковых элементов его силовой цепи вследствие их жесткой коммутации.
Кроме того, известен способ дискретного регулирования выходного напряжения многоуровневого повышающего преобразователя постоянного напряжения (Комбинированный преобразователь постоянного тока для стартер-генератора вспомогательной установки летательного аппарата, «Электропитание» №3, 2018 г„ с. 15-24, рис. 2), содержащего входной, выходной и общий выводы для подключения соответственно источника постоянного напряжения и нагрузки, n соединенных параллельно цепочек, включенных между входным и общим выводами, состоящих каждая из последовательно соединенных зарядного диода, конденсатора, реактора и зарядного ключа в виде транзисторно-диодного модуля, а также (n-1) разрядных ключей, включенных между точкой соединения реактора и зарядного ключа предыдущей цепочки и точкой соединения зарядного диода и конденсатора последующей цепочки, разрядный ключ, включенный между входным выводом и точкой соединения реактора и зарядного ключа последней цепочки, разрядный диод, включенный между точкой соединения зарядного диода с конденсатором первой цепочки и выходным выводом преобразователя, являющийся прототипом предлагаемого изобретения и заключающийся в дискретном изменении числа последовательно соединенных конденсаторов, разряжающихся на нагрузку, путем коммутации разрядных ключей.
Увеличение КПД преобразователя при таком способе регулирования происходит благодаря мягкой коммутации полупроводниковых элементов его силовой цепи за счет снижения динамических потерь мощности при их переключении в моменты времени, когда их токи равны нулю. Данное свойство мягкой коммутация дает также и возможность увеличить частоту переключения полупроводниковых элементов силовой цепи преобразователя, что в свою очередь обеспечивает улучшение его массогабаритных показателей за счет снижения номиналов реактивных элементов.
Следует отметить, что мягкая коммутация полупроводниковых элементов данного преобразователя реализуется благодаря наличию в его цепочках последовательных колебательных контуров, образованных реакторами 3 и конденсаторами 4, обеспечивающих кусочно синусоидальную форму их токов.
Главный недостаток прототипа - отсутствие энергоэффективной плавной регулировки его выходного напряжения.
Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей прототипа путем обеспечения энергоэффективной плавной регулировки его выходного напряжения без применения дополнительных регулирующих элементов при сохранении высокого КПД и улучшенных массогабаритных показателях.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в повышающем преобразователе постоянного напряжения, содержащем входной, выходной и общий выводы для подключения соответственно источника постоянного напряжения и нагрузки, n соединенных параллельно цепочек, включенных между входным и общим выводами, состоящих каждая из последовательно соединенных зарядного диода, конденсатора, реактора и зарядного ключа в виде транзисторно-диодного модуля, (n-1) разрядных ключей, каждый из которых включен между точкой соединения реактора и зарядного ключа предыдущей цепочки и точкой соединения зарядного диода и конденсатора последующей цепочки, последний разрядный ключ в виде транзисторно-диодного модуля включенный между входным выводом и точкой соединения реактора и зарядного ключа последней цепочки, разрядный диод, включенный между точкой соединения зарядного диода с конденсатором первой цепочки и выходным выводом, плавное увеличение (уменьшение) его выходного напряжения осуществляется поочередным увеличением (уменьшением) длительности открытого состояния разрядных ключей, начиная с первого (последнего), в интервале от нуля (половины периода частоты их коммутации) до половины периода частоты их коммутации (нуля).
Кроме того, для заданного числа цепочек n плавное регулирование выходного напряжения преобразователя в ограниченном диапазоне от n⋅Е до (n+1)⋅Е может быть осуществлено управлением длительностью открытого состояния зарядного ключа последней цепочки в интервале от нуля до половины периода частоты его коммутации, либо совместным управлением длительностью открытого состояния зарядного ключа последней цепочки и последнего разрядного ключа в тех же пределах.
На Фиг. 1 приведена принципиальная схема силовой цепи многоуровневого повышающего преобразователя постоянного напряжения реализующего предлагаемый энергоэффективный способ плавного регулирования его выходного напряжения. На Фиг. 2. приведены временные диаграммы токов и напряжений. На Фиг. 3. приведены типовые регулировочные характеристики.
Устройство (фиг. 1), реализующее предлагаемый способ, содержит n цепочек, состоящих каждая из последовательно соединенных зарядного диода 1, конденсатора 2, реактора 3 и зарядного ключа 4 в виде транзисторно-диодного модуля. Цепочки соединены параллельно и включены между входным 5 и общим 6 выводами преобразователя. Точки соединения реактора 3 и зарядного ключа 4 предыдущей цепочки через разрядные ключи (7-9) соединены с точкой соединения зарядного диода и конденсатора 2 последующей цепочки. Последний разрядный ключ 10 выполненный в виде транзисторно-диодного модуля соединяет входной вывод 5 с точкой соединения реактора 3 и зарядного ключа 4 последней цепочки. Разрядный диод 11 включен между точкой соединения зарядного диода 1 с конденсатором 2 первой цепочки и выходным выводом 12. Между выходным и общим выводами включена нагрузка 13.
Принцип работы преобразователя заключается в периодическом параллельном заряде конденсаторов его цепочек от источника постоянного напряжения Е с их последующим последовательным разрядом на нагрузку также через источник Е.
Если количество цепочек, участвующих в преобразовании равно n, а длительность открытого состояния зарядных 4 и разрядных (7-10) ключей одинакова и равна половине периода частоты их коммутации  (в градусах соответствует величине ), то все полупроводниковые элементы преобразователя работают в режиме мягкой коммутации. При этом величина его выходного напряжения максимальна и равна (n+1)⋅Е.
В исходном состоянии разрядные ключи (7-10) закрыты. В результате количество цепочек, участвующих в преобразовании n оказывается равным нулю, а напряжение, прикладываемое к нагрузке от первичного источника постоянного напряжения через диоды 1 и 11 равно Е.
Последующее плавное увеличение выходного напряжения в диапазоне от Е до (n+1)⋅Е осуществляется плавным изменением числа цепочек от нуля до n путем поочередного увеличения длительности открытого состояния разрядных ключей (7-10) в интервале от нуля до половины периода частоты их коммутации. Обратный процесс плавного уменьшения выходного напряжения в диапазоне от (n+1)⋅Е до Е осуществляется поочередным уменьшением длительности открытого состояния разрядных ключей в интервале от половины периода частоты их коммутации в обратном порядке.
Из временных диаграмм токов и напряжений, приведенных на Фиг. 2. видно, что в предлагаемом многоуровневом регуляторе постоянного напряжения жесткая коммутация возникает только при открывании зарядного ключа 4 в обратном направлении и закрывании, например, разрядного ключа 10 последней из цепочек, участвующей в преобразовании. Коммутация остальных полупроводниковых ключей и диодов происходит в мягком режиме.
При регулировке выходного напряжения преобразователя изменением длительности открытого состояния разрядных ключей (7-10) длительность открытого состояния зарядных ключей 4 в цепочках, участвующих в преобразовании, неизменна и равна половине периода частоты их коммутации .
Скачок разрядного тока через коммутируемый разрядным ключом (7-10), реактор 3 последней цепочки устраняется его протеканием через последовательно соединенные конденсаторы 2 и реакторы 3 предыдущих цепочек, разрядный диод 11, нагрузку 13 и обратный диод, ее зарядного ключа 4.
Таким образом, в результате поочередного управления длительностью открытого состояния разрядных ключей (7-10) в пределах от нуля до  происходит плавное изменение величины выходного напряжения на нагрузке 13 в диапазоне его значений от величины Е до (n+1)⋅Е.
Высокий КПД предлагаемого регулятора постоянного напряжения обеспечивается снижением динамических потерь мощности в полупроводниковых элементах всех предыдущих цепочек и разрядных ключей вследствие их мягкой коммутации в моменты времени, когда их токи равны нулю.
Динамические потери мощности в жестко коммутируемом зарядном ключе 4 последней цепочки и последнем разрядном ключе (7-10), участвующих в преобразовании также незначительны, т.к. прикладываемое к ним напряжение не превышает низкой величины напряжения входного источника Е.
На Фиг. 3. приведены типовые регулировочные характеристики, представляющие собой зависимости коэффициента преобразования  и коэффициента полезного действия η предлагаемого регулятора от длительности (в градусах θ) открытого состояния его разрядных ключей.
Они получены моделированием в среде PSIM для преобразователя с максимальной мощностью 8 кВт, имеющего напряжение источника постоянного напряжения Е=24 В и количество цепочек n=6.
Необходимо отметить, что при заданном числе цепочек n энергоэффективная плавная регулировка выходного напряжения в ограниченном диапазоне от n⋅Е до (n+1)⋅Е может быть осуществлена также и управлением длительностью открытого состояния зарядного ключа 4 последней цепочки в интервале от нуля до половины периода частоты его коммутации, либо совместным управлением длительностью открытого состояния зарядного ключа 4 последней цепочки и последнего разрядного ключа 10 в тех же пределах.
При этом скачок зарядного тока через коммутируемый зарядным ключом 4 реактор 3 последней цепочки устраняется его протеканием через обратный диод последнего разрядного ключа 10 ее диод 1 и конденсатор 2.
Целесообразность такого способа регулирования заключается в удобстве управления длительностью открытого состояния зарядного ключа последней цепочки относительно общего вывода преобразователя.
Таким образом, предлагаемый способ регулирования данного повышающего преобразователя обеспечивает расширение его функциональных возможностей, т.к. наряду с дискретным регулированием способен осуществить также и энергоэффективную плавную регулировку выходного напряжения без применения дополнительных регулирующих элементов.