CC BY
31УДК 621.314
ВОЛЬТОДОБАВОЧНЫЙ РЕЗОНАНСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ С АКТИВНЫМ ВЫПРЯМИТЕЛЕМ
А. В. Осипов1, И. М. Журавлев2, М. Е. Хлыстунов2, А. А. Лопатин2
1 Томский университет систем управления и радиоэлектроники Российская Федерация, 634050, Томская область, г. Томск, просп. Ленина, 40 2АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52 E-mail: zhuravlevim@iss-reshetnev.ru
Предложен резонансный преобразователь энергии солнечной батареи для систем электропитания космических аппаратов, исследованы его характеристики в режиме стабилизации выходного напряжения. Показано, что вольтодобавочный преобразователь имеет в 2 раза меньшую габаритную мощность трансформатора и резонансного контура по отношению к классическому гальванически развязанному преобразователю.
Ключевые слова: система электропитания космического аппарата, вольтодобавка, инверторный преобразователь, последовательный резонансный контур.
RESONANT ADD-VOLTAGE CONVERTER SOLAR ENERGY WITH ACTIVE RECTIFIER
A. V. Osipov1, I. M. Zhuravlev2, M. E. Hlistunov2, A. A. Lopatin2
1Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics
40, Lelina Av.,Tomsk, Tomsky oblast, 634050, Russian Federation
2JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: zhuravlevim@iss-reshetnev.ru
A resonant add-voltage topology converter solar energy with active rectifier is proposed for spacecraft power supply systems, investigated his characteristics in output voltage stabilization mode. Shown that add-voltage topology converter has in a half overall power of the transformer and resonant circuit than classical inverter converter.
Keywords: spacecraft power supply system, add-voltage topology, inverter, serial resonance circuit.
Применение резонансных преобразователей в системах электропитания (СЭП) космического аппарата (КА) для преобразования энергии солнечной батареи (БС) является перспективным направлением из-за возможности обеспечения мягкой коммутации транзисторов. Однако большая масса элементов резонансного контура и трансформатора при применении классической топологии преобразователя (рис. 1, а) является фактором, сдерживающим его широкое применение. Кроме того, применение в СЭП КА режимов, при которых эксплуатация БС происходит на токовой ветви ВАХ приводит к изменению напряжения на БС в диапазоне от 0 до иВых. Это предопределяет эффективность повышающего преобразователя и затрудняет применение вольтодобавочных структур, особенно эффективных при узкодиапазонном регулировании, так как высокочастотному преобразованию подвергается только часть энергии, определяемая диапазоном регулирования [1-3]. Целью настоящей работы является исследование характеристик резонансного преобразователя вольтодобавочной топологии при питании от БС.
Классический резонансный ЬС преобразователь, состоящий из инвертора и выпрямителя, связанных по
переменному току резонансным контуром (рис. 1, а), неоднократно рассматривался в литературе [2; 3]. Преобразователь может работать как в режиме ши-ротно-импульсного регулирования напряжения инвертора, что обеспечивает понижение выходного напряжения, так в режиме регулирования выпрямителем и повышения выходного напряжения, при этом ZVS переключение силовых транзисторов обеспечивается подстройкой частоты преобразования. Регулирование реализуется фазовым сдвигом регулируемой стойки транзисторов относительно нерегулируемой, что формирует интервалы закорачивания инвертора или выпрямителя, подробно регулирование резонансного преобразователя изложено в [3-5]. С учетом того, что в принятых режимах эксплуатации напряжение на БС меньше требуемого выходного, регулирования выпрямителем достаточно для стабилизации выходного напряжения.
Недостатком такого преобразователя является завышенная мощность элементов контура и трансформатора, что обусловлено преобразованием полного потока энергии. Уменьшить мощность преобразуемой энергии можно применением вольтодобавочной схемы (рис. 1, б).
Решетневскуе чтения. 2018
б
Рис. 1. Резонансные преобразователи с активным выпрямителем: а - гальванически развязанный; б - вольтодобавочный
а
а б
Рис. 2. Характеристики резонансных преобразователей: регулировочная характеристика (а) зависимость добротности резонансного контура от угла регулирования (б)
В этом случае ток БС распределяется между инвертором и выпрямителем 1БС = 1инв + 1выпр, что существенно уменьшает потери в преобразователе. Изменение выходной мощности обеспечивается регулированием входного напряжения, что описывается регулировочной характеристикой:
- для преобразователя с гальванической развязкой
и
иН иве и Н
бс = соб2 а„
соб2 а,
- для преобразователя с вольтодобавкой
Цм
иН
Цбс
и Н
1
1 + соб а„
соб а,
1 + соб а„
вочного преобразователя позволяет уменьшить не только потери в преобразователе, но и габаритную мощность электромагнитных элементов. При единичном коэффициенте трансформации максимальное значение амплитуды рабочей индукции трансформатора будет соответствовать точке аинв = авыпр = 0, в которой его напряжение составляет иту = ивых/2, что в 2 раза меньше чем в гальванически развязанном преобразователе.
Масса элементов резонансного контура определяется его добротностью Q, которая не является постоянной величиной и меняется в процессе регулирования, так как меняется активное сопротивление по переменному току Я,с. Для вольтодобавочной схемы получены характеристики добротности при условии р = Ян_тш, где р - волновое сопротивление, Ян_тш -минимальное сопротивление нагрузки, при регулировании инвертором
Таким образом, в вольтодобавочном преобразователе диапазон регулирования разбивается на два поддиапазона (рис. 2, а): регулирование выпрямителем обеспечивает стабилизацию выходного напряжения при иБС е [0...иВых/2], а регулирование инвертором при иБСе [ иВЫХ/2...иВЫХ]. Применение вольтодоба-
Qac
Я,.
1 + КТ
' 1 - ибс
При регулировании выпрямителем
Q =-Р- = —
¿~-ас геС: т-» <->
1
1 + КТ
я,.
8 С0Б агео1 1 - иБС
1
2
Характеристики показаны на рис. 2, б, увеличение добротности при регулировании выпрямителем обусловлено уменьшением интервала подключения нагрузки к контуру, т. е. уменьшению Rac, при регулировании инвертором добротность увеличивается ввиду уменьшения сопротивления приведенного к выпрямителю. Минимальное значение добротности соответствует Оинв = авыпр = 0 и при равных параметрах резонансного контура вольтодобавочный преобразователь имеет добротность в 2 раза больше, чем у гальванически развязанной схемы. Поэтому можно утверждать, что при равных значениях добротности вольтодоба-вочная схема будет обладать в 2 раза меньшей реактивной мощностью элементов контура.
Таким образом, применение вольтодобавочного преобразователя (рис. 1, б) позволяет существенно улучшить энергетические характеристики канала преобразования энергии БС. Применение гальваноразвя-занного преобразователя (рис. 1, а) является явно избыточным и нерациональным при условии UEC < UEbIx.
Библиографические ссылки
1. Minimum current operation of bidirectional dualbridge series resonant DC/DC converters / L. Corradini, D. Seltzer, D. Bloomquist et al. // IEEE Trans. Power Electron. 2012. Vol. 27, № 7. P. 3266-3276.
2. Arthur G. Birchenough. The Series Connected Buck Boost Regulator Concept for High Efficiency Light Weight DC Voltage Regulation.
3. Последовательный резонансный преобразователь электропитания от аккумуляторов / А. В. Осипов, В. Н. Школьный, Ю. А. Шиняков и др. // Доклады ТУСУР. 2017. Т. 20, № 2. С. 103-110.
4. Система электроснабжения космического аппарата с интегрированным повышающим преобразователем напряжения / Ю. М. Казанцев, К. Г. Гордеев, А. Ф. Лекарев и др. // Вопросы электромеханики. 2011. Т. 125. С. 41-44.
5. Системы электропитания космических аппаратов на основе регулируемых инверторов тока / А. В. Осипов, Ю. А. Шиняков, А. И. Отто и др. // Известия Томского политехнического университета. 2014. Т. 324, № 4. С. 102-108.
References
1. Minimum current operation of bidirectional dualbridge series resonant DC/DC converters / L. Corradini, D. Seltzer, D. Bloomquist et al. // IEEE Trans. Power Electron. 2012. Vol. 27. № 7. P. 3266-3276.
2. Arthur G. Birchenough. The Series Connected Buck Boost Regulator Concept for High Efficiency Light Weight DC Voltage Regulation.
3. ACC power converter with serial resonance circuit / A. V. Osipov, V. N. Shkolny, Y. A. Shinaykov et al. // Proceedings of Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics. 2017. Т. 20, № 2. P. 103-110.
4. Spacecraft power supply systems with boost converter / Y. M. Cazantcev, K. G. Gordeev, A. F. Lekarev et al. // Question of electromechanical. 2011. Т. 125. P. 41-44.
5. Power supply systems of spacecraft based on adjustable current inverters / A. V. Osipov, Y. A. Shi-naykov, A. I. Otto et al. // Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. 2014. Т. 324, № 4. P. 102-108.
© Осипов А. В., Журавлев И. М., Хлыстунов М. Е., Лопатин А. А., 2018
