Способ регулирования выходного напряжения преобразователей постоянного напряжения в постоянное
METHOD OF CONTROLLING OUTPUT VOLTAGE OF DC-TO-DC CONVERTERS

Заявленные технические решения объединены единым изобретательским замыслом, относятся к области преобразовательной техники и могут быть использованы в импульсных DC-DC преобразователях.
Известен способ регулирования выходного напряжения путем изменения временного интервала прерывателя преобразователя (Моик B.C., Лаптев Н.Н. Стабилизированные транзисторные преобразователи. М., «Энергия», 1972, с. 245).
Известен способ регулирования напряжения частотно-импульсным методом, в котором изменение уровня напряжения производится путем изменения скважности импульсов (Будко П.А., Веселовский А.П., Винограденко A.M., Косарева Л.И. «Регулирование напряжения в преобразователях высокочастотными импульсами с изменяющейся скважностью», Мехатроника, автоматизация, управление, том 19, №8, 2018, с. 516-522).
Известен способ регулирования выходного напряжения, в котором регулирование осуществляется путем закорачивания накопительного дросселя на интервале разомкнутого состояния прерывателя (Б.А. Багинский, Патент СССР №1091283, МПК Н02М 3/135, Н02Р 13/16, опубл. 07.05.1984, бюл. №17).
Известен способ преобразования и регулирования постоянного напряжения с широтно-импульсной модуляцией, в котором преобразование заключается в сравнении опорного пилообразного сигнала с положительной и инвертированной отрицательной полуволнами задающего синусоидального сигнала (Чубуков К.А., Донской Н.В., Куклин И.В., Патент РФ №2356160, МПК Н02М 7/527, опубл. 20.05.2009, бюл. №14).
Известен способ регулирования, в котором выходное напряжение регулируют за счет коммутации тока накопительного дросселя (Б.А. Багинский, Е.В. Ярославцев, Патент СССР №744869, МПК Н02М 3/135 Н02Р 13/16, опубл. 30.06.1980, бюл. №24).
Общим недостатком вышеуказанных способов является частичная линейность регулировочных характеристик выходного напряжения лишь на определенном отрезке регулирования и нелинейность во всем диапазоне регулирования от 0 до 1. Устранение выявленных недостатков позволит обеспечить более широкое применение устройств DC-DC такого вида в силовой электронике, электроприводе и других областях.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу (прототипом), является однотактный обратноходовый преобразователь постоянного напряжения (Швецов Ю.К. Патент РФ №2297089, МПК Н02М 3/335, опубл. 10.04.2007, бюл. №10), в котором регулирование (стабилизация) выходного напряжения преобразователя осуществляется путем изменения временных интервалов управляющих импульсов силового электронного ключа. Изменение временных интервалов управляющих импульсов осуществляется формированием напряжения обратной связи.
В зависимости от разности между опорным напряжением и напряжением обратной связи изменяются параметры формируемых на выходе схемы управления управляющих импульсов, вызывающие изменения времени замкнутого и разомкнутого состояний силового электронного ключа. Энергия, накапливаемая, на такте «прямого хода» преобразователя, поддерживает на заданном уровне выходное напряжение.
Недостатком способа регулирования напряжения в прототипе является нелинейность регулировочной характеристики во всем диапазоне регулирования, что не всегда обеспечивает потребность использования преобразователей такого типа.
Техническим результатом, достигаемым с помощью заявляемого способа регулирования выходного напряжения преобразователей, является обеспечение линейной регулировочной характеристики DC-DC преобразователя во всем диапазоне регулирования, расширение области применения DC-DC преобразователей.
В заявленном способе указанный технический результат достигается тем, что регулирование выходного напряжения преобразователя постоянного напряжения осуществляется путем формирования последовательности силовых импульсов различной длительности, среднее значение которых изменяется по линейному закону.
cp
cp
T
c
c
T
cp
T
c
Выполнение условия линейности осуществляется путем сравнения значений опорных треугольных импульсов заданной частоты с положительной полуволной синусоидального сигнала управления. Для этого определяют среднее значение напряжения U на выходе преобразователя, выявляют направление регулирования напряжения (повышение, либо понижение), устанавливают интервал, в котором его необходимо регулировать [0;G] либо [G;1] (значение точки G соответствует соотношению  на регулировочной характеристике), изменяют значение амплитуды положительной полуволны синусоидального сигнала управления в большую или меньшую сторону в зависимости от направления регулирования, сравнивают значения полуволны с опорными треугольными импульсами. Если напряжение U необходимо регулировать в диапазоне [0;G], то длительность импульсов на выходе преобразователя определяют из условия U(x) > Usin x, где Usin x - синусоидальное напряжение на полупериоде π, U(x) - напряжение, соответствующее высоте треугольных импульсов. Если напряжение U необходимо регулировать в диапазоне [G;1], то длительность импульсов на выходе преобразователя определяют из условия U (х) < U sin х.
cp
i
В результате сравнения значения полуволны с опорными треугольными импульсами на полупериоде синусоидального сигнала управления формируют набор силовых импульсов равной амплитуды, но с различной длительностью, среднее значение которых U изменяется по линейному закону  где U - среднее значение напряжения на i-м участке, m - число треугольных импульсов на участке π, b - коэффициент пропорциональности, U - напряжение на входе преобразователя.
0
При необходимости регулирования только в диапазоне от 0 до 0,64 U длительность импульсов на выходе преобразователя определяется интервалами, на которых амплитуда опорных треугольных импульсов больше амплитуды положительной полуволны синусоидального сигнала управления без учета изменения алгоритма решения задачи в точке G.
0
При необходимости регулирования только в диапазоне от 1 до 0,36 U длительность импульсов на выходе преобразователя определяется интервалами, на которых амплитуда опорных треугольных импульсов меньше амплитуды положительной полуволны синусоидального сигнала управления без учета изменения алгоритма решения задачи в точке G.
От частоты следования треугольных импульсов зависит точность регулирования выходного напряжения преобразователя.
Изменение амплитуды положительной полуволны синусоидального сигнала управления определяет величину длительности силовых импульсов на выходе преобразователя напряжения. Для линейного регулирования во всем диапазоне (от 0 до 1) высота треугольных импульсов не должна превышать максимального возможного значения амплитуды положительной полуволны синусоидального сигнала управления. Принципиально превышение высоты треугольных импульсов максимально возможного значения амплитуды положительной полуволны синусоидального сигнала управления возможно, однако, это снижает диапазон регулирования.
Благодаря новой совокупности существенных признаков способа регулирования выходного напряжения преобразователей постоянного напряжения в постоянное и введенной последовательности действий, основанной на сравнении значений опорных треугольных импульсов заданной частоты с положительной полуволной синусоидального сигнала управления, результатом которой является формирование силовых прямоугольных импульсов различной длительности на выходе преобразователя, среднее значение которых изменяется по линейному закону, за счет чего обеспечивается линейная регулировочная характеристика DC-DC преобразователя во всем диапазоне регулирования, расширение области применения DC-DC преобразователей.
Сущность предлагаемого способа регулирования выходного напряжения преобразователей постоянного напряжения в постоянное состоит в том, что регулирование осуществляется путем формирования последовательности силовых импульсов различной длительности, среднее значение которых изменяется по линейному закону. Выполнение условия линейности осуществляется путем сравнения опорных равнобедренных треугольных импульсов заданной частоты с положительной полуволной синусоидального сигнала управления.
Заявленный способ регулирования выходного напряжения преобразователя постоянного напряжения в постоянное поясняется чертежами, на которых показаны:
На фиг.1а - временные диаграммы сигнала треугольной формы и положительной полуволны синусоидального сигнала управления.
T
c
На фиг.1б - прямоугольные силовые импульсы напряжения, удовлетворяющие условию U(x) < U sin x.
T
c
На фиг.1в - прямоугольные силовые импульсы напряжения, удовлетворяющие условию U(x) > U sin x.
T
c
T
c
На фиг.2 - линейная регулировочная характеристика преобразователя напряжения, полученная в результате применения предлагаемого способа регулирования, где точка G соответствует соотношению  и является точкой пересечения регулировочных прямых в соответствующих диапазонах (U(x) > U sin x для диапазона регулирования от 0 до  U(x) < U sin x диапазона регулирования от 1 до
На фиг.3 - блок-схема, реализующая способ регулирования выходного напряжения преобразователей постоянного напряжения в постоянное.
Временные диаграммы, поясняющие предложенный способ представлены на фиг.1, в них приняты следующие обозначения:
sinx - синусоидальное напряжение на полупериоде π;
- напряжение, соответствующее высоте треугольных импульсов;
- число треугольных импульсов на участкеπ;
- нечетные прямые (левые стороны равнобедренных треугольных импульсов);
- четные прямые (правые стороны равнобедренных треугольных импульсов);
- координаты оснований треугольных импульсов на оси х;
- координаты вершин треугольных импульсов на оси х;
- координаты пересечений сторон треугольников с синусоидальной кривой на оси х;
1
2
n
- напряжения синусоидальной кривой, соответствующие координатам х, х, …x;
k
0
2m
k - порядковый номер координаты x от х до x.
Реализация заявленного способа регулирования напряжения объясняется алгоритмом, представленным на фиг.3.
На шаге 1 определяется значение напряжения на нагрузке (выходе преобразователя).
На шаге 2 принимается решение о необходимости регулирования.
На шаге 3 принимается решение о направлении регулирования напряжения на нагрузке (увеличение либо уменьшение), а также интервале регулирования.
T
c
На шаге 4 происходит формирование импульсов при условии U(x) > U sin x.
T
c
На шаге 5 происходит формирование импульсов при условии U(x) < U sin x.
Специфика реализации способа регулирования выходного напряжения преобразователей постоянного напряжения в постоянное такова, что с целью получения линейной регулировочной характеристики преобразователя реализуется следующая последовательность действий: определяют среднее значение напряжения на выходе преобразователя, задают направление регулирования напряжения (повышение, либо понижение), выявляют интервал, в котором его необходимо регулировать: [0;G] либо [G;1] (значение точки G соответствует соотношению среднего значения напряжения на выходе преобразователя ко входному значению, равным  на регулировочной характеристике), изменяют значение амплитуды положительной полуволны синусоидального сигнала управления в большую или меньшую сторону в зависимости от направления регулирования, сравнивают значения полуволны с опорными треугольными импульсами. Если напряжение необходимо регулировать в диапазоне [0;G], то длительность импульсов на выходе преобразователя определяется интервалами, на которых амплитуда опорных треугольных импульсов больше амплитуды положительной полуволны синусоидального сигнала управления. Если напряжение необходимо регулировать в диапазоне [G;1], то длительность импульсов на выходе преобразователя определяется интервалами, на которых амплитуда опорных треугольных импульсов меньше амплитуды положительной полуволны синусоидального сигнала управления. В результате сравнения значения полуволны с опорными треугольными импульсами на полупериоде синусоидального сигнала управления формируют набор силовых импульсов равной амплитуды, но с различной длительностью среднее значение которых изменяется по линейному закону.
С целью доказательства линейности регулировочной характеристики необходимо выполнить совместное решение уравнение линейной и синусоидальной функции. Для этого применяется прием, при котором последовательность треугольных импульсов рассматривается как набор линейных функций, пересекаемых синусоидальной функцией.
c
k
Нечетные прямые  треугольных импульсов пересекают синусоидальную кривую напряжения Usin x в точках  с координатами на оси х, соответствующим x=1,3,…,2 m-1
c
Четные прямые  треугольных импульсов пересекают синусоидальную кривую напряжения Usin x в точках  с координатами на оси х, соответствующим
1
1
2
2
Учитывая, что уравнение прямой, проходящей через 2 точки с координатами (х;у) и (х;у) имеет вид (2)
1
2
1
2
Для нечетных сторон треугольника уравнения (3) после подстановки координат х,х и y,y примет вид (4):
где , а для четных сторон прямоугольников вид (5):
Для четных и нечетных прямых (сторон треугольных импульсов) уравнения (3) и (4) запишутся в общем виде (6):
где
Точки пересечения синусоидальной кривой с прямыми (6) аналитически не получить, поэтому точкой пересечения синусоидальной кривой  и прямой  будем считать точку
Ординату этой точки положим равной среднему значению функции в точках, ограничивающих область задания прямой .
k
Координаты точки M удовлетворяют уравнению прямой .
Подставляя из (7) выражение для  получаем для  следующее выражение:
T
c
На фиг.1б представлены прямоугольные импульсы, удовлетворяющие условию: U(x) < U sin x, при этом:
При m >> 1:  так как
-
cp
Получаем следующее значение среднего напряжения U на нагрузке:
T
c
На фиг.1 в представлены прямоугольные импульсы, удовлетворяющие условию: U(х) > Usin x,
Получаем следующее значение среднего напряжения  на нагрузке:
В результате, регулировочная характеристика выходного напряжения преобразователя постоянного напряжения в постоянное будет иметь линейный характер во всем диапазоне регулирования (от 0 до 1) и соответствовать уравнениям (10) и (11) в виде, представленном на фиг.2.
Таким образом, заявляемый способ регулирования выходного напряжения преобразователей постоянного напряжения в постоянное обладает существенным положительным эффектом, позволяющим осуществлять линейное регулирование выходного напряжения DC-DC преобразователей линейно во всем диапазоне от 0 до 1.
Литература
1. Веселовский А.П., Будко П.А., Бурьянов О.Н., Винограденко A.M. Особенности систем управления вентильных преобразователей // Проблемы технического обеспечения войск в современных условиях: тезисы докладов II межвузовской НПК (Санкт-Петербург, Военная академия связи, 2017 г.). Санкт-Петербург.2017. С. 150-154.
2. Веселовский А.П., Будко П.А., Винограденко A.M., Косарева Л.И. Регулирование напряжения в преобразователях высокочастотными импульсами с изменяющейся скважностью // Мехатроника, автоматизация, управление. 2018. №8 (19). С. 516-522.
3. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. - М.: ACADEMA, 2006. - 265 с: ил.