Система управления импульсным силовым преобразователем в режиме среднего тока Российский патент 2023 года по МПК G05F1/56 

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники, а именно: к области преобразовательной электротехники, в частности, к системам управления импульсными силовыми преобразователями по контролируемым напряжению и току, а именно: к системам управления преобразователем напряжения понижающего и повышающего типа, и может найти применение для электропитания разных устройств во многих областях техники, например, в мощных импульсных преобразователях понижающего и повышающего типа, используемых для заряда аккумуляторной батареи на борту летательного аппарата с гибридной силовой установкой, а также в источниках вторичного электропитания оборудования и функциональной аппаратуры летательных аппаратов со стабилизированными напряжением и предельным током в нагрузке.

Решением проблемы повышения уровней загрязнения окружающей среды и шума и вибраций вследствие увеличения количества авиаперевозок может стать по аналогии с автомобилями замена традиционных летательных аппаратов с двигателем внутреннего сгорания на полностью электрические или частично электрические, гибридные летательные аппараты. Среди прочего проблема создания таких летательных аппаратов обусловлена разработкой силовых установок небольшого веса и габаритов с большим КПД с оптимальным распределением и использованием энергии на борту летательных аппаратов.

Энергия может запасаться в суперконденсаторах, топливных элементах и литиевых батареях, которые характеризуются плотностью энергии, удельной мощностью, сроком службы и стоимостью.

Суперконденсаторы обладают высокой удельной мощностью и обеспечивают длительный срок службы с высоким КПД, а также быструю зарядку/разрядку [1, 2], и могут работать в широком диапазоне температур. Их главный недостаток - высокая стоимость и большой вес при меньшей удельной энергии по сравнению с аккумуляторными батареями. Поэтому суперконденсаторы используются там, где требуется несколько циклов или когда нет альтернативы из-за экстремальных рабочих температур.

В отличие от аккумуляторной батареи, топливный элемент непрерывно вырабатывает электричество. Топливные элементы могут достигать плотности более 1000 Вт/кг [3]. Использование топливных элементов позволяет перераспределять тягу, что положительно сказывается на аэродинамической эффективности летательных аппаратов. Кроме того, многофункциональная интеграция водородного топливного элемента в летательный аппарат позволяет использовать побочные продукты как вода, тепло или обедненный кислород для обеспечения таких жизненно важных процессов, как борьба с обледенением, кондиционирование, водоснабжение [4]. Однако для функционирования топливных элементов необходимы резервуары для водорода, система для управления отводом тепла, что существенно влияет на массу этого источника энергии и также сказывается на эффективности его использования на борту летательных аппаратов [5].

Литиевые аккумуляторные батареи обладают высокой плотностью энергии, малым весом, могут быть достаточно компактными и эргономичными. Их основным преимуществом по сравнению с топливными элементами является возможность зарядки во время полета. Кроме того, их можно подключать последовательно и параллельно для увеличения рабочего напряжения и/или тока. Однако очень важно правильно управлять работой аккумуляторов и состоянием их заряда на борту электрического самолета. Особое внимание следует уделять циклам зарядки и разрядки аккумулятора. Неправильная работа аккумуляторных батарей, их перегрузка, повреждение или короткое замыкание могут стать причиной возгорания. Для обеспечения правильных режимов заряда литиевых батарей необходим оптимально работающий силовой преобразователь с контролем тока и напряжения заряда в процессе зарядки [6-9].

Комбинированный (понижающе-повышающий) преобразователь представляет собой тип преобразователя постоянного тока, имеющего величину выходного напряжения больше или меньше, чем величина входного напряжения. Другими словами, комбинированный преобразователь включает функциональные возможности понижающего преобразователя, так и функциональные возможности повышающего преобразователя.

Известна система управления преобразователем напряжения с отдельными схемами комбинированного преобразования, выполненная с возможностью преобразования входного напряжения в выходное напряжение и подачи выходного напряжения на нагрузку, и содержащая схему понижения напряжения, включающую первый набор переключателей, содержащий первые переключатели, и схему повышения напряжения, включающую второй набор переключателей, причем второй набор переключателей выполнен с возможностью управления независимо от первого набора переключателей; и блок управления, выполненный с возможностью управления подачей питания от преобразователя напряжения на нагрузку через схему понижения напряжения в режиме понижения напряжения путем управления операциями переключения первых переключателей, использующих соответствующие сигналы управления с широтно-импульсной модуляцией, соответственно, и путем выключения второго набора переключателей, и управления подачей питания от преобразователя напряжения на нагрузку через схему повышения напряжения в режиме повышения напряжения путем управления операциями переключения вторых переключателей, использующих соответствующие сигналы управления с широтно-импульсной модуляцией, соответственно, и путем выключения первого набора переключателей [10].

Недостатком данного технического решения является большое количество полупроводниковых элементов, создающих дополнительные потери. Кроме того, подобная схема не обеспечивает быстрое измерение тока в индукторе, что не позволяет использовать такие современные эффективные методы контроля широтно-импульсной модуляцией, как режим пикового тока и режим среднего тока.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению (прототипом) является система управления импульсным силовым преобразователем в режиме среднего тока, содержащая широтно-импульсный модулятор, электрически связанный посредством драйвера с затвором силового полевого транзистора, первый и второй операционные усилители, резисторы и датчик тока для измерения тока в индукторе импульсного силового понижающего преобразователя, выводящий сигнал, соответствующий току в индукторе импульсного силового понижающего преобразователя, совместно с интегрирующими RC-цепочками обратной связи по току и по напряжению для формирования проинтегрированного сигнала ошибки, подаваемого на модулятор, контролирующий совместно с датчиком тока для измерения тока в индукторе импульсного силового понижающего преобразователя коммутационное устройство, формирующее совместно с индуктором импульсного силового понижающего преобразователя электрическую цепь импульсного силового понижающего преобразователя, дополнительно введены понижающий резистор, третий операционный усилитель и диод, формирующие мультиплексор принудительного переключения между режимами стабилизации тока и напряжения, функционирующий при открытом диоде как повторитель, при этом на вход мультиплексора подается опорный сигнал, соответствующий заданному предельному значению току, второй вход мультиплексора электрически связан с выходом второго операционного усилителя и входом первого операционного усилителя, а выход мультиплексора электрически связан со входом первого операционного усилителя [11].

Недостатком данного технического решения является невозможность системы обеспечивать режим повышения напряжения, что требуется в ряде практически важных применений, включая заряд аккумуляторов, поддержание постоянного напряжения на шине инверторного электродвигателя.

Новым достигаемым техническим результатом предполагаемого изобретения является повышение стабильности функционирования системы управления силовым преобразователем при зарядке аккумуляторной батареи как по напряжению, так и по току, с повышенной эффективностью в широком диапазоне напряжений, коэффициентов преобразования и уровней мощности импульсного силового преобразователя при улучшении переходной характеристики при резком изменении режима работы.

Новый технический результат достигается тем, что в системе управления импульсным силовым преобразователем в режиме среднего тока, содержащей широтно-импульсный модулятор, электрически связанный посредством драйвера с затвором силового полевого транзистора, первый и второй операционные усилители, резисторы и датчик тока для измерения тока в индукторе импульсного силового понижающего преобразователя, выводящий сигнал, соответствующий току в индукторе импульсного силового понижающего преобразователя, совместно с интегрирующими RC-цепочками обратной связи по току и по напряжению для формирования проинтегрированного сигнала ошибки, подаваемого на модулятор, контролирующий совместно с датчиком тока для измерения тока в индукторе импульсного силового понижающего преобразователя коммутационное устройство, формирующее совместно с индуктором импульсного силового понижающего преобразователя электрическую цепь импульсного силового понижающего преобразователя, дополнительно введены понижающий резистор, третий операционный усилитель и диод, формирующие мультиплексор принудительного переключения между режимами стабилизации тока и напряжения, функционирующий при открытом диоде как повторитель, при этом на вход мультиплексора подается опорный сигнал, соответствующий заданному предельному значению току, второй вход мультиплексора электрически связан с выходом второго операционного усилителя и входом первого операционного усилителя, а выход мультиплексора электрически связан со входом первого операционного усилителя, в отличие от прототипа, выход первого операционного усилителя последовательно электрически соединен с дополнительно введенными в систему управления устройством вычитания напряжения, вторым широтно-импульсным модулятором, вторым драйвером и вторым полевым транзистором, через точку соединения индуктора и второго полевого транзистора со вторым силовым диодом и сглаживающим конденсатором, причем индуктор и второй полевой транзистор, второй силовой диод и сглаживающий конденсатор соединены с возможностью формирования силовой электрической цепи повышающего напряжения.

Датчик тока для измерения тока в индукторе импульсного силового преобразователя может быть выполнен в виде датчика компенсационного типа с элементом Холла.

Система управления может быть выполнена с возможностью масштабирования посредством применения многофазной схемы, в которой система управления выполнена в виде отдельной фазы более мощного импульсного силового преобразователя.

На фиг.1-5 представлены принципиальная схема системы управления силовым преобразователем в режиме среднего тока (фиг.1), логические схемы переключения между режимами понижения/повышения напряжения силового преобразователя (фиг.2, фиг.3), форма напряжения двухстадийного процесса зарядки литиево-ионных аккумуляторов (фиг.4), схема системы управления многофазным понижающе-повышающим импульсным силовым преобразователем (фиг.5).

Система управления импульсным силовым преобразователем в режиме среднего тока содержит широтно-импульсный модулятор 1, электрически связанный посредством драйвера 2 с затвором силового полевого транзистора 3, первый и второй операционные усилители 4, 5, резисторы 6, 7, датчик тока 8 для измерения тока в индукторе 9 импульсного силового преобразователя, первую RC-цепочку 10, 11, 12 частотной коррекции обратной связи по току для формирования проинтегрированного сигнала ошибки на входе широтно-импульсного модулятора 1, вторую RC-цепочку 13,14 частотной коррекции обратной связи по напряжению, силовой полевой транзистор 3, первый силовой диод 15, диод 16, понижающий резистор 17.

Петля обратной связи по току системы управления силовым преобразователем в режиме среднего тока содержит датчик тока 8 для измерения тока в индукторе 9 импульсного силового преобразователя, широтно-импульсный модулятор 1, первый операционный усилитель 4, первую RC-цепочку 10, 11, 12 частотной коррекции обратной связи по току для формирования проинтегрированного сигнала ошибки на входе широтно-импульсного модулятора 1. Петля стабилизации напряжения системы управления силовым преобразователем в режиме среднего тока содержит делитель напряжения из резисторов 6, 7, вторую RC-цепочку 13, 14 частотной коррекции, второй операционный усилитель 5, третий операционный усилитель 18, понижающий резистор 17 и диод 16, формирующие мультиплексор принудительного переключения между режимами стабилизации тока и напряжения (фиг.1).

Первый операционный усилитель 4 также последовательно электрически соединен с дополнительно введенными в систему управления устройством вычитания напряжения 19, вторым широтно-импульсным модулятором 20, вторым драйвером 21 и вторым полевым транзистором 22, через точку соединения индуктора 9 и второго полевого транзистора 22 со вторым силовым диодом 23 и сглаживающим конденсатором 24, причем индуктор 9 и второй полевой транзистор 22, второй силовой диод 23 и сглаживающий конденсатор 24 электрически соединены с возможностью формирования силовой электрической цепи повышающего напряжения (фиг.1).

Мультиплексор принудительного переключения между режимами стабилизации тока и напряжения предназначен для пропускания на выход наименьшего из поданных на его входы сигнала: при открытом диоде 16 мультиплексор пропускает на выход опорный сигнал, соответствующий заданному предельному току, который подается на один из его входов, а при закрытом диоде 16 пропускает на выход сигнал ошибки со второго операционного усилителя 5, подаваемый на другой вход мультиплексора. Сигнал с выхода мультиплексора поступает на вход первого операционного усилителя 4.

Мультиплексор принудительного переключения между режимами стабилизации тока и напряжения позволяет импульсному силовому преобразователю работать также в режиме стабилизации тока, причем значение выходного тока импульсного силового преобразователя можно задавать с высокой точностью и оперативно менять.

Индуктор 9 предназначен для накопления электрической энергии.

В качестве индуктора 9 может быть использован, например, силовой дроссель с сердечником из ферромагнетика или сендаста с высокой магнитной проницаемостью, работающим на частотах сотни кГц.

Широтно-импульсный модулятор 1 предназначен для формирования импульсов управления силовым полевым транзистором 3 нужной длительности.

В качестве широтно-импульсного модулятора 1 может быть использован, например, компаратор LMV7239.

Операционные усилители 4, 5, 18 предназначены для усиления разности входного и опорного сигналов.

В качестве операционных усилителей 4, 5, 18 может быть использован, например, AD8604ARZ.

Резисторы 6, 7, 10, 12, 14 предназначены для формирования нужной передаточной функции цепи обратной связи по току и по напряжению.

В качестве резисторов 6, 7, 10, 12, 14 могут быть использованы, например, металлопленочные smd-резисторы типоразмера 0805.

Понижающий резистор 17 предназначен для регулировки уровня напряжения на выходе мультиплексора принудительного переключения между режимами стабилизации тока и напряжения.

В качестве понижающего резистора 17 может быть использован, например, smd-резистор типоразмера 0805.

Датчик тока 8 предназначен для измерения тока в индукторе 9.

В качестве датчика тока 8 может быть использован, например, датчик Холла ACS730KLCTR с высокой чувствительностью.

Первый силовой диод 15 может быть выполнен в виде диода Шоттки, предназначенного для реализации работы импульсного силового преобразователя и выполняющего роль неуправляемого ключа в импульсном силовом преобразователе, необходим для работы преобразователя в режиме понижения напряжения.

В качестве первого силового диода 15 Шоттки может быть использован, например, карбид-кремниевый диод C5D10170H.

Диод 16 предназначен для обеспечения возможности функционирования третьего операционного усилителя 18 в качестве мультиплексора принудительного переключения между режимами стабилизации тока и напряжения.

В качестве диода 16 может быть использован, например, диод 1N4148.

Устройство вычитания напряжения 19 предназначено для формирования необходимого уровня напряжения на входе второго широтно-импульсного модулятора 20.

В качестве устройства вычитания напряжения 19 может быть использован дифференциальный усилитель AD8129.

Второй широтно-импульсный модулятор 20 предназначен для формирования импульсов управления вторым полевым транзистором 22 нужной длительности.

В качестве второго широтно-импульсного модулятора 20 может быть использован компаратор LMV7239.

Второй драйвер 21 предназначен для формирования мощных импульсов управления вторым полевым транзистором 22.

В качестве второго драйвера 21 может быть использована микросхема UCC5390.

Силовой полевой транзистор 3 выполняет роль управляемого ключа в силовом преобразователе. При его работе в импульсном режиме реализуется режим понижения напряжения.

В качестве силового полевого транзистора 3 может быть использован, например, силовой карбид-кремниевый транзистор C2M0045170D.

Второй силовой полевой транзистор 22 предназначен для работы преобразователя в режиме повышения напряжения.

В качестве второго силового полевого транзистора 22 может быть использован, например, транзистор C2M0045170D.

Второй силовой диод 23 предназначен для реализации работы импульсного силового преобразователя, выполняет роль неуправляемого ключа в импульсном силовом преобразователе и необходим для работы схемы в режиме повышения напряжения.

В качестве второго силового диода 23 может быть использован диод Шоттки, например, карбид-кремниевый диод C5D10170H.

Сглаживающий конденсатор 24 предназначен для снижения пульсации выходного сигнала напряжения Vout с выхода импульсного силового преобразователя.

В качестве сглаживающего конденсатора 24 может быть использован либо набор керамических smd-конденсаторов, либо набор пленочных конденсаторов суммарной микрофарадной емкости, рассчитанный на работу при высоких напряжениях сотни вольт -киловольты.

Конденсатор 11 предназначен для частотной коррекции обратной связи по току с целью обеспечения устойчивой работы импульсного силового преобразователя.

Конденсатор 13 предназначен для частотной коррекции обратной связи по напряжению с целью обеспечения устойчивой работы импульсного силового преобразователя.

В качестве конденсаторов 11, 13 могут быть использованы керамические smd-конденсаторы 0805.

Система управления силовым преобразователем в режиме среднего тока работает следующим образом.

Предлагаемая система управления импульсным силовым преобразователем в режиме среднего тока основана на обеспечении контроля режима среднего тока преобразователя посредством использования двух петель обратной связи: внутренней по среднему току и внешней - по напряжению, на базе силовых электрических цепей понижающего и повышающего напряжения.

На вход импульсного силового преобразователя приходит постоянное напряжение Vin. Управление импульсным силовым преобразователем реализовано через обратную связь по напряжению и току. Датчик тока 8 измеряет ток, который течет через индуктор 9 (фиг.1). Сигнал тока поступает на усилитель сигнала ошибки по току, включающий первый операционный усилитель 4 и первую RC-цепочку 10, 11, 12 частотной коррекции обратной связи по току для обеспечения устойчивой работы системы в целом. Таким образом, на вход первого операционного усилителя 4 поступают сигнал напряжения Vis, пропорциональный току в индукторе 9, и опорный сигнал напряжения Vset. Значение сигнала напряжения Vset формируется в зависимости от значения опорного напряжения Vref1, значения опорного напряжения Vref1 и текущего значения напряжения Vout на выходе импульсного силового преобразователя, формирующегося на нагрузке 25, в качестве которой может служить аккумуляторная батарея. Напряжение Vout после делителя напряжения, содержащего резисторы 6 и 7, поступает на усилитель ошибки по напряжению, содержащий второй операционный усилитель 5 и вторую корректирующую RC-цепочку 13, 14 частотной коррекции, где сравнивается с опорным значением напряжения Vref1. Второй операционный усилитель 5 формирует сигнал ошибки Е, который вместе с установленным опорным значением напряжения Vref2 поступает на вход мультиплексора принудительного переключения между режимами стабилизации тока и напряжения, содержащего понижающий резистор 17, третий операционный усилитель 18 диод 16. Если сигнал ошибки Е больше значения Vref1, то диод 16 открыт, мультиплексор принудительного переключения между режимами стабилизации тока и напряжения работает как повторитель, и сигнал напряжения Vset равен сигналу напряжения Vref1. В этом случае импульсный силовой преобразователь работает как стабилизатор тока.

Если сигнал ошибки Е меньше значения опорного напряжения Vref1, то диод 16 закрыт и сигнал напряжения Vset равен Е, так как падением напряжения на понижающем резисторе 17 можно пренебречь. В этом случае импульсный силовой преобразователь работает как стабилизатор напряжения.

То есть после формирования сигнала обратной связи по среднему току осуществляют его сравнение с полученным установленным опорным значением напряжения Vset, которое может принимать значение как Vref1, так и Е, в результате принудительного переключения между режимами стабилизации тока и напряжения, тем самым контролируя режим среднего тока.

Формирование сигнала обратной связи по току с выхода первого операционного усилителя 4 Veca одновременно осуществляют на дополнительно введенный второй широтно-импульсный модулятор 20 после вычитания из сигнала обратной связи по току фиксированного напряжения Vd, соизмеримого с разностью между максимальным и минимальным значениями пилообразного сигнала Vramp посредством дополнительно введенного устройства вычитания напряжения 19, на выходе которого формируют управляющие импульсы повышающего напряжения нужной скважности посредством силовой цепи повышающего напряжения, образованной дополнительно введенными вторым драйвером 21, вторым силовым полевым транзистором 22 и вторым силовым диодом 23, идентичными силовым элементам в цепи понижения напряжения и выполняющими аналогичные функции. Практически значение напряжение Vd выбирается в диапазоне от 0,95 до 1,05 от значения Vramp.

Сигнал с выхода первого операционного усилителя 4 Veca поступает как на широтно-импульсный модулятор 1, так и на второй широтно-импульсный модулятор 20 после вычитания из него фиксированного напряжения Vd. На входе широтно-импульсного модулятора 1 сигнал Veca сравнивается с пилообразным сигналом напряжения Vramp. На выходе широтно-импульсного модулятора 1 формируются управляющие импульсы понижающего напряжения нужной скважности, которые после драйвера 2 поступают на затвор силового полевого транзистора 3, который вместе с первым силовым диодом 15, индуктором 9 и сглаживающим конденсатором 24 формирует силовую цепь понижающего преобразователя (фиг.1). На выходе второго широтно-импульсного модулятора 20 формируются управляющие импульсы повышающего напряжения нужной скважности, которые после второго драйвера 21 поступают на затвор второго силового полевого транзистора 22, который вместе со вторым силовым диодом 23, индуктором 9 и сглаживающим конденсатором 24 формирует силовую цепь повышающего преобразователя (фиг.1).

Переключение между режимами понижения и повышения напряжения происходит автоматически исходя из уровней сигналов Veca, Vd и амплитуды пилообразного сигнала Vramp.При проектировании возможно заложить один из случаев: 1) когда размах пилы Vramp Vp меньше значения напряжения Vd, и 2) когда Vp > Vd.

В первом случае (Vp меньше Vd (фиг.2)) в зависимости от величины сигналов с усилителей ошибки Veca и Veca - Vd реализуют либо режим прямого преобразования (то есть когда постоянно открытый транзистор 3 пропускает входное напряжение напрямую, а второй полевой транзистор 22 постоянно закрыт, либо режим понижения, либо режим повышения напряжения.

Во втором случае (Vp больше Vd (фиг.3)) можно реализовать два описанных выше основных режима понижения и повышения напряжения. Но еще существует смешанный режим, когда оба силовых полевых транзистора 3 и 22 находятся в переключательном режиме. С точки зрения потерь лучше реализовать первый случай и задать Vd > Vp, поскольку переключательные потери в смешанном режиме удваиваются. Но второй случай имеет преимущество в более плавной регулировке управления режимами благодаря отсутствию мертвой зоны, то есть зоны шириной, равной (Vd - Vp) (фиг.2), в которой изменение сигнала ошибки Veca не приводит к изменению скважностей импульсов управления полевым транзистором 3 и вторым полевым транзистором 22.

Благодаря наличию петель обратной связи в импульсном силовом преобразователе: 1) по току, образованной датчиком среднего тока 8 и усилителем ошибки по току, включающем первый операционный усилитель 4 и первую RC-цепочку 10, 11, 12 частотной коррекции обратной связи по току, и 2) по напряжению, образованной делителем напряжения, содержащим резисторы 6, 7, усилителем ошибки по напряжению, содержащем второй операционный усилитель 5 и вторую RC-цепочку 13, 14 частотной коррекции, и мультиплексором принудительного переключения между режимами стабилизации тока и напряжения, содержащем понижающий резистор 17, третий операционный усилитель 18 и диод 16. Предлагаемое техническое решение позволяет независимо и с высокой точностью устанавливать и контролировать как средний ток импульсного силового преобразователя, так и напряжение на выходе импульсного силового преобразователя. Для формирования необходимой передаточной функции замкнутой системы управления в петле обратной связи по току введена первая RC-цепочка 10, 11, 12 и вторая RC-цепочка 13, 14 частотной коррекции в петле обратной связи по напряжению.

Данная система управления может эффективно работать в импульсных силовых преобразователях напряжения понижающе-повышающего типа в режиме среднего тока, используемых для зарядки литиевых аккумуляторных батарей на борту летательных аппаратов с гибридной силовой установкой, что обусловлено двухстадийным процессом зарядки литиево-ионных аккумуляторов (фиг.4). На начальной стадии I аккумулятор заряжается при постоянном токе и напряжение на нагрузке 25 (аккумуляторной батарее) постепенно нарастает. При достижении заданного напряжения на стадии II зарядка продолжается при постоянном напряжении и сопровождается постепенным спадом тока зарядки.

При необходимости, выходной сигнал обратной связи по напряжению импульсного силового преобразователя может быть дополнительно скомбинирован с сигналом обратной связи по среднему току.

При необходимости, можно ограничивать искажение выходных сигналов в петле обратной связи по напряжению и в петле обратной связи по току посредством ограничения изменения полосы пропускания сигналов в петле обратной связи по напряжению и в петле обратной связи по току.

При необходимости, можно формировать импульсы определенной длительности посредством широтно-импульсного модулятора 1 и второго широтно-импульсного модулятора 20 в зависимости от уровня сигнала ошибки на входе широтно-импульсного модулятора 1 и второго широтно-импульсного модулятора 20.

Предложенная система может быть масштабирована за счет применения многофазной схемы. При этом описанная выше схема работы (фиг.5) служит отдельной фазой более мощного понижающего-повышающего преобразователя. В этом случае сигналы токов Vis различны и измеряются в каждой фазе отдельно, а сигнал напряжения на входе первого операционного усилителя Vset является общим для всех фаз, что обеспечивает точный баланс токов в разных фазах (каналах) преобразователя. Все фазы подключают к выходу в одной точке. Выходной сглаживающий конденсатор 24 также для них общий.

На основании вышеизложенного новый достигаемый технический результат предполагаемого изобретения обеспечивается следующими по сравнению с прототипом техническими преимуществами.

1. Достигается повышение стабильности системы управления импульсным силовым преобразователем при зарядке нагрузки 25 (аккумуляторной батареи) по току не менее чем на 1000%, что обеспечивает нормальный процесс заряда батареи, например, на борту летательного аппарата, при обеспечении высокого отношения мощности преобразователя к его массе и его высокой эффективности за счет работы транзисторных ключей 3, 22 на частоте сотни кГц и использовании в схеме управления ключами режима среднего тока с возможностью стабилизации как напряжения, так и тока.

2. Обеспечивается более высокая (не менее чем на 10%) эффективность работы импульсного силового преобразователя за счет транзисторных ключей 3, 22 на частоте сотни кГц и использовании в схеме управления ключами режима среднего тока с возможностью стабилизации как напряжения, так и тока.

3. Продлевается срок службы нагрузки 25 (аккумуляторных батарей) при заряде с импульсного силового преобразователя посредством предлагаемой системы управления за счет оптимизации тока заряда не менее чем на 10%.

4. Обеспечивается повышение эффективности в широком диапазоне напряжений, коэффициентов преобразования и уровней мощности импульсного силового преобразователя не менее чем на 5% за счет применения высокочастотных силовых полупроводниковых силовых транзисторов.

5. Улучшается переходная характеристика при резком изменении режима работы не менее чем на 5% за счет применения режима среднего тока для управления понижающе-повышающим импульсным силовым преобразователем напряжения.

В настоящее время в Институте электрофизики и электроэнергетики РАН проведены испытания предлагаемой системы управления импульсным силовым преобразователем в режиме среднего тока, и на их основе выпущена конструкторская документация на данную систему управления.

Используемые источники

1. Zhang Y. et al. Model and control for supercapacitor-based energy storage system for metro vehicles, Electrical Machines and Systems, ICEMS 2008, p.2695-2697.

2. Lu Y., Hess H. L., Edwards D. B. Adaptive control of an ultracapacitor energy storage system for hybrid electric vehicles, IEMDC07, vol. 1, p.129-133.

3. Bradley Т. H. et al. Test results for a fuel cell-powered demonstration aircraft: SAE Technical Paper, 2006, 01-3092.

4. Sharpe J. E. et al.: Modelling the potential of adsorbed hydrogen for use in aviation, Microporous and Mesoporous Materials, vol. 209, p.135-140.

5. Verstraete D. Long range transport aircraft using hydrogen fuel, International Journal of Hydrogen Energy, vol. 38, no. 34, p.14824-14831.

6. Варюхин A.H., Гордин M.B., Дутов A.B., Мошкунов С.И., Хомич В.Ю., Шершунова Е.А. Мощный импульсный преобразователь постоянного тока на карбид-кремниевых транзисторах // Прикладная физика. 2021. №1. С.75-81.

7. Варюхин А.Н., Гордин М.В., Захарченко B.C., Маланичев В.Е., Малашин М.В., Мошкунов С.И., Небогаткин С.В., Хомич В.Ю., Шершунова Е.А. Силовой многофазный импульсный преобразователь для гибридных летательных аппаратов // Известия Российской академии наук. Энергетика. 2019. №6. С.121-129.

8. Варюхин А.Н., Захарченко B.C., Гелиев А.В., Гордин М.В., Киселев И.О., Журавлев Д.И., Загуменов Ф.А., Казаков А.В., Вавилов В.Е. Формирование обликов электрической силовой установки для сверхлегкого пилотируемого самолета // Авиационные двигатели. 2020. №3(8). С.5.

9. Шершунова Е.А., Мошкунов С.И., Варюхин А.Н., Гордин М.В. Четырехфазный импульсный преобразователь постоянного напряжения для применения в составе гибридных и электрических силовых установок летательных аппаратов. Тезисы 19-й Международной Конференции «Авиация и Космонавтика». 2020. С.232-233.

10. Патент RU 2617991, 2017, МКИ Н02М 3/158, Н02М 1/088, G05F 1/565.

11. Патент RU 2767050, 2022, МКИ G05F 1/56.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к области преобразовательной электротехники, в частности к системам управления импульсными силовыми преобразователями по контролируемым напряжению и току, а именно: к системам управления преобразователем напряжения понижающего и повышающего типа, и может найти применение для электропитания разных устройств во многих областях техники. Технический результат - повышение стабильности функционирования системы управления силовым преобразователем при зарядке аккумуляторной батареи как по напряжению, так и по току с повышенной эффективностью в широком диапазоне напряжений, коэффициентов преобразования и уровней мощности импульсного силового преобразователя при улучшении переходной характеристики при резком изменении режима работы - достигается тем, что в системе управления импульсным силовым преобразователем в режиме среднего тока, содержащей широтно-импульсный модулятор, электрически связанный посредством драйвера с затвором силового полевого транзистора, первый и второй операционные усилители, резисторы и датчик тока для измерения тока в индукторе импульсного силового понижающего преобразователя, выводящий сигнал, соответствующий току в индукторе импульсного силового понижающего преобразователя, совместно с интегрирующими RC-цепочками обратной связи по току и по напряжению для формирования проинтегрированного сигнала ошибки, подаваемого на модулятор, контролирующий совместно с датчиком тока для измерения тока в индукторе импульсного силового понижающего преобразователя коммутационное устройство, формирующее совместно с индуктором импульсного силового понижающего преобразователя электрическую цепь импульсного силового понижающего преобразователя, дополнительно введены понижающий резистор, третий операционный усилитель и диод, формирующие мультиплексор принудительного переключения между режимами стабилизации тока и напряжения, функционирующий при открытом диоде как повторитель, при этом на вход мультиплексора подается опорный сигнал, соответствующий заданному предельному значению тока, второй вход мультиплексора электрически связан с выходом второго операционного усилителя и входом первого операционного усилителя, а выход мультиплексора электрически связан со входом первого операционного усилителя, при этом выход первого операционного усилителя последовательно электрически соединен с дополнительно введенными в систему управления устройством вычитания напряжения, вторым широтно-импульсным модулятором, вторым драйвером и вторым полевым транзистором, через точку соединения индуктора и второго полевого транзистора со вторым силовым диодом и сглаживающим конденсатором, причем индуктор и второй полевой транзистор, второй силовой диод и сглаживающий конденсатор соединены с возможностью формирования силовой электрической цепи повышающего напряжения. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Система управления импульсным силовым преобразователем в режиме среднего тока, содержащая широтно-импульсный модулятор, электрически связанный посредством драйвера с затвором силового полевого транзистора, первый и второй операционные усилители, резисторы и датчик тока для измерения тока в индукторе импульсного силового преобразователя, выводящий сигнал, соответствующий току в индукторе импульсного силового преобразователя, совместно с интегрирующими RC-цепочками обратной связи по току и по напряжению для формирования проинтегрированного сигнала ошибки, подаваемого на модулятор, контролирующий совместно с датчиком тока для измерения тока в индукторе импульсного силового преобразователя коммутационное устройство, формирующее совместно с индуктором импульсного силового преобразователя электрическую цепь импульсного силового преобразователя, понижающий резистор, третий операционный усилитель и диод, формирующие мультиплексор принудительного переключения между режимами стабилизации тока и напряжения, функционирующий при открытом диоде как повторитель, при этом на вход мультиплексора подается опорный сигнал, соответствующий заданному предельному значению тока, второй вход мультиплексора электрически связан с выходом второго операционного усилителя и входом первого операционного усилителя, а выход мультиплексора электрически связан со входом первого операционного усилителя, отличающаяся тем, что выход первого операционного усилителя последовательно электрически соединен с дополнительно введенными в систему управления устройством вычитания напряжения, вторым широтно-импульсным модулятором, вторым драйвером и вторым полевым транзистором, через точку соединения индуктора и второго полевого транзистора со вторым силовым диодом и сглаживающим конденсатором, причем индуктор и второй полевой транзистор, второй силовой диод и сглаживающий конденсатор соединены с возможностью формирования силовой электрической цепи повышающего напряжения.

2. Система управления по п. 1, отличающаяся тем, что датчик тока для измерения тока в индукторе импульсного силового преобразователя выполнен в виде датчика компенсационного типа с элементом Холла.

3. Система управления по п. 1, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью масштабирования посредством применения многофазной схемы, в которой система управления выполнена в виде отдельной фазы более мощного импульсного силового преобразователя.