Преобразователь электрической энергии постоянного тока для систем электропитания аэрокосмических аппаратов Российский патент 2021 года по МПК H02J7/35 

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для построения систем непрерывного электропитания постоянного тока аэрокосмических аппаратов с двумя независимыми источниками электрической энергии, одним из которых является солнечная батарея, вторым аккумуляторная батарея.

Известен преобразователь для систем электропитания постоянного тока космических аппаратов [А. К. Weinberg, P. R. Boldo, "A high power, high frequency, DC to DC converter for space applications," 23rd Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference, Toledo, 1992, pp.1140-1147 vol. 2.], являющийся аналогом предлагаемого изобретения, содержащий двухобмоточный трансформатор и дроссель с двумя магнитосвязанными обмотками, при этом первые разноименные выводы обмоток трансформатора соединены друг с другом и с первыми разноименными выводами обмоток дросселя, к второму выводу каждой обмотки трансформатора подключен сток одного из двух транзисторов и анод одного из двух диодов, катоды которых объединены и подключены к положительному выводу конденсатора, отрицательный вывод которого подключен к общей точке схемы, истоки транзисторов объединены и подключены к общей точке схемы, второй вывод первой обмотки дросселя подключен к первичному источнику питания постоянного тока, второй вывод которого соединен с общей точкой схемы, второй вывод второй обмотки дросселя подключен к аноду диода, катод которого соединен с положительным выводом конденсатора, нагрузка преобразователя подключена параллельно конденсатору.

Основным недостатком этого устройства является отсутствие возможности ограничения тока нагрузки при возникновении перегрузки и короткого замыкания, что значительно снижает надежность схемы. Помимо этого, представленный преобразователь питается только от одного источника постоянного тока, что не позволяет обеспечивать непрерывное электропитание нагрузки при отказе первичного источника питания и также снижает общую надежность электроснабжения.

Кроме того, известен преобразователь для систем электропитания постоянного тока (патент РФ №2676678), являющийся прототипом предлагаемого изобретения, содержащий две параллельно включенные ветви, каждая из которых состоит из двух последовательно включенных транзисторов с обратными диодами, солнечную батарею, аккумуляторную батарею и два дросселя, каждый из которых одним выводом подключен к узлу соединения двух последовательно включенных транзисторов, вторые выводы дросселей объединены, отрицательные выводы солнечной батареи, аккумуляторной батареи и двух параллельных ветвей подключены к общей точке схемы, положительные выводы двух параллельных ветвей объединены и подключены к катоду диода, анод которого соединен с положительным выводом солнечной батареи, каждый узел соединения двух последовательно включенных транзисторов в параллельных ветвях соединен с анодом одного из двух диодов, катоды которых объединены и подключены к положительному выводу конденсатора, отрицательный вывод которого подключен к общей точке схемы, к точке объединения выводов дросселей подключен сток транзистора, исток которого соединен с общей точкой схемы, также к точке объединения выводов дросселей подключен двунаправленный ключ, образованный встречно-последовательным включением транзисторов, второй вывод которого подключен к положительному выводу аккумуляторной батареи, нагрузка преобразователя подключена параллельно конденсатору.

Основными недостатками данного устройства является низкий коэффициент полезного действия и сложность управления из-за большого количества полупроводниковых ключей, а также большие размеры пассивных магнитных элементов, что негативно сказывается на удельных энергетических характеристиках преобразователя.

Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков, а именно уменьшение количества полупроводниковых силовых ключей и необходимой величины магнитных элементов для повышения коэффициента полезного действия и удельных массогабаритных показателей преобразователя.

Поставленная задача достигается тем, что в известный преобразователь для систем электропитания постоянного тока, содержащий два дросселя, солнечную батарею и аккумуляторную батарею, отрицательные выводы которых объединены и подключены к общей точке схемы, два диода, катоды которых объединены и подключены к положительному выводу выходного конденсатора, отрицательный вывод которого соединен с общей точкой схемы, введен двухобмоточный трансформатор, первые разноименные выводы обмоток которого соединены друг с другом и с первым выводом одного из двух дросселей, второй вывод которого подключен к точке соединения двух последовательно включенных транзисторов, образующих стойку, при этом нижний транзистор стойки подключен к общей точке схемы, а верхний транзистор стойки соединен с положительным выводом аккумуляторной батареи и положительным выводом входного конденсатора, отрицательный вывод которого подключен к общей точке схемы, второй вывод каждой из двух обмоток трансформатора соединен с анодом одного из двух диодов и стоком одного из двух транзисторов, истоки которых подключены к общей точке схемы, между точкой объединения обмоток трансформатора и первым выводом второго дросселя введен дополнительный транзистор, также введен диод между первым выводом второго дросселя и положительным выводом выходного конденсатора, положительный вывод солнечной батареи подключен к второму выводу второго дросселя.

На фиг. 1 представлен вариант принципиальной электрической схемы предлагаемого устройства.

На фиг. 2 представлены графики импульсов управления силовых ключей устройства в режиме регулятора мощности солнечной батареи.

На фиг. 3 представлены графики импульсов управления силовых ключей устройства в режиме преобразователя напряжение аккумуляторной батареи.

На фиг. 4 представлены графики импульсов управления силовых ключей устройства в режиме стабилизатора тока заряда аккумуляторной батареи.

На фиг. 5 представлены графики импульсов управления силовых ключей устройства в совмещенном режиме регулятора мощности солнечной батареи и стабилизатора тока заряда аккумуляторной батареи.

Предлагаемое устройство (фиг. 1) содержит солнечную батарею 10; аккумуляторную батарею 14; нагрузку 7; диоды 4, 5, 8; транзисторы с обратными диодами 1, 2, 11, 13, 15; дроссели 9, 12; конденсаторы 6, 16; двухобмоточный трансформатор 3.

Первые разноименные выводы обмоток трансформатора 3 соединены друг с другом и с первым выводом дросселя 12, второй вывод которого подключен к точке соединения двух последовательно включенных транзисторов 13 и 15, образующих стойку, при этом исток транзистора 15 подключен к общей точке схемы, а сток транзистора 13 соединен с положительным выводом входного конденсатора 16, отрицательный вывод которого подключен к общей точке схемы. Истоки транзисторов 1 и 2 подключены к общей точке схемы, а стоки соединены с вторым выводом одной из двух обмоток трансформатора 3 и анодом одного из двух диодов 4 и 5 соответственно, катоды которых объединены и соединены с положительным выводом выходного конденсатора 6, отрицательный вывод которого подключен к общей точке схемы. К точке объединения обмоток трансформатора 3 подключен исток транзистора 11, сток которого подключен к первому выводу дросселя 9 и аноду диода 8, катод которого соединен с положительным выводом выходного конденсатора 6. Второй вывод дросселя 9 подключен к положительному выводу солнечной батареи 10, отрицательный вывод которой соединен с общей точкой схемы. Аккумуляторная батарея 14 подключена параллельно входному конденсатору 16, а нагрузка 7 подключена параллельно выходному конденсатору 6.

Предлагаемое устройство функционирует следующим образом.

Преобразователь электрической энергии постоянного тока имеет два входа и питается от независимых источников электрической энергии, одним из которых является солнечная батарея, вторым аккумуляторная батарея. Благодаря такой структуре обеспечивается непрерывность электропитания нагрузки во всех режимах работы аэрокосмического аппарата. Солнечная батарея в данном случае является основным источником энергии. При номинальной освещенности ее мощности достаточно для питания нагрузки и поддержания заряда аккумулятора. Аккумуляторная батарея является резервным источником питания, компенсирующим недостаток энергии в случае частичного или полного затенения солнечной батареи. Таким образом предлагаемый преобразователь обеспечивает три основных и два совмещенных режима работы, а также имеет возможность ограничения выходного тока при перегрузке и коротком замыкании.

При достаточной освещенности, когда мощность солнечной батареи равна или превышает мощность нагрузки, устройство работает в режиме регулятора мощности солнечной батареи (РМБС). В данном режиме питание нагрузки преобразователя обеспечивается только за счет энергии солнечной батареи, а аккумуляторная батарея полностью заряжена и ее ток равен нулю. Выходное напряжение преобразователя стабилизируется коммутацией силового ключа 11, в то время как ключи 1 и 2 замкнуты, а ключ 15 разомкнут.Аккумуляторная батарея отключается от выхода схемы с помощью ключа 13, который в данном режиме разомкнут.

Полный цикл работы преобразователя в режиме РМБС состоит из двух интервалов коммутации ключа 11. Относительная длительность импульса управления транзистора на первом интервале работы определяется величиной коэффициента заполнения D₁, который принимает значения в диапазоне от 0 до 1. Относительная длительность второго интервала коммутации определяется как 1-D₁. Период коммутации T_S определяет время полного цикла работы преобразователя и зависит от частоты коммутации силовых ключей. Графики импульсов управления транзисторов 1, 2, и 11 (F₁, F₂, F₁₁ соответственно) в режиме РМ-БС представлены на фиг. 2.

Если солнечная батарея находится в тени и ее мощность равна нулю, устройство функционирует в режиме преобразователя напряжения аккумуляторной батареи (ПНАБ). Питание нагрузки в таком случае осуществляется только за счет накопленной энергии аккумулятора, а ток солнечной батареи равен нулю. Выходное напряжение преобразователя стабилизируется коммутацией силовых ключей 1 и 2, в то время как ключи 11 и 15 разомкнуты. Транзистор 13 необходим для ограничения выходного тока преобразователя при перегрузке или коротком замыкании и в нормальном режиме работы замкнут.

Полный цикл работы преобразователя в режиме ПНАБ состоит из четырех интервалов коммутации ключей 1 и 2. Относительная длительность импульсов управления транзисторов на первом и третьем интервалах работы определяется величиной коэффициента заполнения D₂, который принимает значения в диапазоне от 0 до 0,5. Относительная длительность второго и четвертого интервалов коммутации определяется как 0,5-D₂. Период коммутации T_S определяет время полного цикла работы преобразователя и зависит от частоты коммутации силовых ключей. Графики импульсов управления транзисторов 1, 2, и 13 (F₁, F₂, F₁₃ соответственно) в режиме ПНАБ представлены на фиг. 3.

Если мощность солнечной батареи отлична от нуля, а мощность нагрузки равна нулю, устройства переходит в режим стабилизатора тока заряда аккумуляторной батареи (СТЗАБ). В таком случае вся мощность солнечной батареи может быть направлена на заряд аккумулятора. Ток заряда аккумуляторной батареи регулируется коммутацией ключа 15, в то время как ключ 11 замкнут, а транзисторы 1 и 2 разомкнуты. Транзистор 13 разомкнут и выполняет функцию диода. Стабилизация выходного напряжения преобразователя в данном режиме не требуется.

Полный цикл работы преобразователя в режиме СТЗАБ состоит из двух интервалов коммутации ключа 15. Относительная длительность импульса управления транзистора на первом интервале работы определяется величиной коэффициента заполнения D₃, который принимает значения в диапазоне от 0 до 1. Относительная длительность второго интервала коммутации определяется как 1-D₃. Период коммутации T_S определяет время полного цикла работы преобразователя и зависит от частоты коммутации силовых ключей. Графики импульсов управления транзисторов 11 и 15 (F₁₁, F₁₅ соответственно) в режиме СТЗАБ представлены на фиг. 4.

Если мощность солнечной батареи отлична от нуля, но меньше мощности нагрузки, недостаток энергии компенсируется аккумуляторной батареей и устройство функционирует в совмещенном режиме РМБС+ПНАБ. В таком случае преобразователь питается одновременно от двух источников электрической энергии, обеспечивая непрерывное и стабильное электроснабжение нагрузки. Алгоритм управления устройством в данном режиме работы полностью соответствует алгоритму в режиме ПНАБ. Выходное напряжение стабилизируется коммутацией силовых ключей 1 и 2, в то время как ключи 11 и 15 разомкнуты, а ключ 13 замкнут. При этом весь генерируемый ток солнечной батареи протекает в нагрузку через диод 8. Графики импульсов управления транзисторов 1, 2, и 13 (F₂, F₂, F₁₃ соответственно) в совмещенном режиме РМБС+ПНАБ представлены на фиг. 3.

Если мощность солнечной батареи превышает мощность нагрузки, часть энергии может быть направлена на заряд аккумуляторной батареи. В таком случае устройство переходит в совмещенный режим РМБС+СТЗАБ при котором одновременно обеспечивается стабилизация выходного напряжения преобразователя и тока заряда аккумулятора. Ток заряда аккумуляторной батареи регулируется коммутацией ключа 15. Транзистор 13 при этом разомкнут и выполняет функцию диода. Выходное напряжение преобразователя стабилизируется коммутацией ключа 11, в то время как ключи 1 и 2 разомкнуты.

Полный цикл работы преобразователя в режиме РМБС+ПНАБ состоит из трех интервалов коммутации ключей 11 и 15. Относительные длительности импульсов управления ключей 11 и 15 определяются коэффициентами заполнения D₁ и D₃ соответственно, которые принимают значения в диапазоне от 0 до 1. Относительная длительность третьего интервала коммутации определяется как 1-D₁. Период коммутации T_s определяет время полного цикла работы преобразователя и зависит от частоты коммутации силовых ключей. Графики импульсов управления транзисторов 11 и 15 (F₁₁, F₁₅ соответственно) в режиме РМБС+СТЗАБ представлены на фиг. 5.

В предлагаемом устройстве также предусмотрена возможность ограничения тока аккумуляторной батареи при возникновении перегрузки или короткого замыкания в нагрузке. Для этого используется транзистор 13, обратный диод транзистора 15 и индуктивность 12, образующие понижающий импульсный преобразователь. Такое техническое решение в целом повышает надежность эксплуатации системы электропитания аэрокосмических аппаратов.

Технический результат изобретения, достигаемый от изменения топологии схемы, по сравнению с известным устройством, заключается в повышении коэффициента полезного действия, упрощении алгоритма управления и уменьшении массогабаритных параметров за счет уменьшения количества полупроводниковых ключей и требуемой величины пассивных магнитных элементов.

Использование: в области электротехники. Технический результат – уменьшение количества полупроводниковых силовых ключей и, как следствие, повышение коэффициента полезного действия и удельных массогабаритных показателей преобразователя. Преобразователь содержит два дросселя, солнечную батарею и аккумуляторную батарею, отрицательные выводы которых объединены и подключены к общей точке схемы, два диода, катоды которых объединены и подключены к положительному выводу выходного конденсатора, отрицательный вывод которого соединен с общей точкой схемы. Первые разноименные выводы обмоток двухобмоточного трансформатора соединены друг с другом и с первым выводом одного из двух дросселей, второй вывод которого подключен к точке соединения двух последовательно включенных транзисторов, образующих стойку, при этом нижний транзистор стойки подключен к общей точке схемы, а верхний транзистор стойки соединен с положительным выводом аккумуляторной батареи и положительным выводом входного конденсатора, отрицательный вывод которого подключен к общей точке схемы. Второй вывод каждой из двух обмоток трансформатора соединен с анодом одного из двух диодов и стоком одного из двух транзисторов, истоки которых подключены к общей точке схемы, между точкой объединения обмоток трансформатора и первым выводом второго дросселя включен транзистор, между первым выводом второго дросселя и положительным выводом выходного конденсатора включен диод, положительный вывод солнечной батареи подключен ко второму выводу второго дросселя. 5 ил.

Преобразователь электрической энергии постоянного тока для систем электропитания аэрокосмических аппаратов, содержащий два дросселя, солнечную батарею и аккумуляторную батарею, отрицательные выводы которых объединены и подключены к общей точке схемы, два диода, катоды которых объединены и подключены к положительному выводу выходного конденсатора, отрицательный вывод которого соединен с общей точкой схемы, отличающийся тем, что первые разноименные выводы обмоток двухобмоточного трансформатора соединены друг с другом и с первым выводом одного из двух дросселей, второй вывод которого подключен к точке соединения двух последовательно включенных транзисторов, образующих стойку, при этом нижний транзистор стойки подключен к общей точке схемы, а верхний транзистор стойки соединен с положительным выводом аккумуляторной батареи и положительным выводом входного конденсатора, отрицательный вывод которого подключен к общей точке схемы, второй вывод каждой из двух обмоток трансформатора соединен с анодом одного из двух диодов и стоком одного из двух транзисторов, истоки которых подключены к общей точке схемы, между точкой объединения обмоток трансформатора и первым выводом второго дросселя включен транзистор, между первым выводом второго дросселя и положительным выводом выходного конденсатора включен диод, положительный вывод солнечной батареи подключен ко второму выводу второго дросселя.