RU2741830C1 - Dc power converter for power supply systems for aerospace vehicles - Google Patents

Dc power converter for power supply systems for aerospace vehicles Download PDF

Info

Publication number
RU2741830C1
RU2741830C1 RU2020131754A RU2020131754A RU2741830C1 RU 2741830 C1 RU2741830 C1 RU 2741830C1 RU 2020131754 A RU2020131754 A RU 2020131754A RU 2020131754 A RU2020131754 A RU 2020131754A RU 2741830 C1 RU2741830 C1 RU 2741830C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
terminal
circuit
common point
positive terminal
converter
Prior art date
Application number
RU2020131754A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Александрович Харитонов
Дмитрий Александрович Штейн
Максим Андреевич Жарков
Дмитрий Владиславович Коробков
Денис Анатольевич Курочкин
Сергей Владимирович Классен
Original Assignee
Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования «Новосибирский Государственный Технический Университет»
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования «Новосибирский Государственный Технический Университет» filed Critical Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования «Новосибирский Государственный Технический Университет»
Priority to RU2020131754A priority Critical patent/RU2741830C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2741830C1 publication Critical patent/RU2741830C1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/35—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering with light sensitive cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/56—Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers

Abstract

FIELD: electrical engineering.
SUBSTANCE: converter contains two chokes, a solar battery and a storage battery, the negative terminals of which are combined and connected to a common point of the circuit, two diodes, the cathodes of which are combined and connected to the positive terminal of the output capacitor, the negative terminal of which is connected to the common point of the circuit. The first opposite terminals of the windings of the two-winding transformer are connected to each other and to the first terminal of one of the two chokes, the second terminal of which is connected to the junction point of two consecutively connected transistors forming a rack, while the lower transistor of the rack is connected to a common point of the circuit, and the upper transistor of the rack is connected with a positive terminal of the storage battery and a positive terminal of the input capacitor, the negative terminal of which is connected to a common point of the circuit. The second terminal of each of the two windings of the transformer is connected to the anode of one of the two diodes and the drain of one of the two transistors, the sources of which are connected to a common point of the circuit, a transistor is connected between the combining point of the transformer windings and the first terminal of the second choke, between the first terminal of the second choke and the positive terminal the output capacitor a diode is switched on, the positive terminal of the solar battery is connected to the second terminal of the second choke.
EFFECT: decrease in the number of semiconductor power switches and, as a consequence, increase in efficiency and specific weight and dimensions of the converter.
1 cl, 5 dwg

Description

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.The proposed invention relates to the field of electrical engineering and can be used to build continuous DC power supply systems for aerospace vehicles with two independent sources of electrical energy, one of which is a solar battery, the second is a storage battery.

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.Known converter for DC power supply systems of spacecraft [A. K. 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.], which is an analogue of the invention, containing a two-winding transformer and a choke with two magnetically coupled windings, while the first dissimilar leads of the transformer windings are connected to each other and to the first dissimilar leads of the choke windings, the drain of one of the two transistors is connected to the second lead of each winding of the transformer and the anode of one of the two diodes, the cathodes of which are combined and connected to the positive terminal of the capacitor, the negative terminal of which is connected to the common point of the circuit, the sources of the transistors are combined and connected to the common point of the circuit, the second terminal of the first winding of the inductor is connected to the primary DC power source, the second the output of which is connected to the common point of the circuit, the second output of the second winding of the inductor is connected to the anode of the diode, the cathode of which is connected to the positive terminal of the capacitor, the load of the converter is connected in parallel to the capacitor.

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.The main disadvantage of this device is the inability to limit the load current in the event of an overload and short circuit, which significantly reduces the reliability of the circuit. In addition, the presented converter is powered by only one direct current source, which does not allow providing continuous power supply to the load in the event of a failure of the primary power source and also reduces the overall reliability of the power supply.

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.In addition, a converter for DC power supply systems is known (RF patent No. 2676678), which is a prototype of the present invention, containing two parallel-connected branches, each of which consists of two series-connected transistors with reverse diodes, a solar battery, a storage battery and two chokes, each of which is connected with one lead to the junction of two series-connected transistors, the second leads of the chokes are combined, the negative leads of the solar battery, the storage battery and two parallel branches are connected to a common point of the circuit, the positive leads of the two parallel branches are combined and connected to the cathode of the diode, the anode of which connected to the positive terminal of the solar battery, each node connecting two series-connected transistors in parallel branches is connected to the anode of one of the two diodes, the cathodes of which are combined and connected to the positive terminal of the capacitor, the negative terminal of which o is connected to the common point of the circuit, the drain of the transistor is connected to the point of combining the outputs of the chokes, the source of which is connected to the common point of the circuit, also to the point of combining the outputs of the chokes, a bidirectional key is connected, formed by the anti-series connection of transistors, the second output of which is connected to the positive terminal of the battery , the load of the converter is connected in parallel with the capacitor.

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.The main disadvantages of this device are low efficiency and control complexity due to the large number of semiconductor switches, as well as large sizes of passive magnetic elements, which negatively affects the specific energy characteristics of the converter.

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.The task (technical result) of the proposed invention is to eliminate these disadvantages, namely to reduce the number of semiconductor power switches and the required size of magnetic elements to increase the efficiency and specific weight and dimensions of the converter.

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.The task is achieved by the fact that in a known converter for DC power supply systems, containing two chokes, a solar battery and a storage battery, the negative terminals of which are combined and connected to a common point of the circuit, two diodes, the cathodes of which are combined and connected to the positive terminal of the output capacitor, the negative terminal of which is connected to a common point of the circuit, a two-winding transformer is introduced, the first dissimilar winding terminals of which are connected to each other and to the first terminal of one of the two chokes, the second terminal of which is connected to the junction point of two series-connected transistors forming a rack, while the lower transistor the rack is connected to a common point of the circuit, and the upper transistor of the rack is connected to the positive terminal of the battery and the positive terminal of the input capacitor, the negative terminal of which is connected to the common point of the circuit, the second terminal of each of the two transformer windings is connected to an One of the two diodes and the drain of one of the two transistors, the sources of which are connected to the common point of the circuit, an additional transistor is introduced between the point of combining the windings of the transformer and the first terminal of the second choke, a diode is also introduced between the first terminal of the second choke and the positive terminal of the output capacitor, positive terminal the solar battery is connected to the second terminal of the second choke.

На фиг. 1 представлен вариант принципиальной электрической схемы предлагаемого устройства.FIG. 1 shows a variant of the circuit diagram of the proposed device.

На фиг. 2 представлены графики импульсов управления силовых ключей устройства в режиме регулятора мощности солнечной батареи.FIG. 2 shows the graphs of the control pulses of the power switches of the device in the mode of the solar battery power regulator.

На фиг. 3 представлены графики импульсов управления силовых ключей устройства в режиме преобразователя напряжение аккумуляторной батареи.FIG. 3 shows the graphs of the control pulses of the power switches of the device in the mode of the converter battery voltage.

На фиг. 4 представлены графики импульсов управления силовых ключей устройства в режиме стабилизатора тока заряда аккумуляторной батареи.FIG. 4 shows the graphs of the control pulses of the power switches of the device in the mode of the current stabilizer of the battery charge.

На фиг. 5 представлены графики импульсов управления силовых ключей устройства в совмещенном режиме регулятора мощности солнечной батареи и стабилизатора тока заряда аккумуляторной батареи.FIG. 5 shows the graphs of the control pulses of the power switches of the device in the combined mode of the solar battery power regulator and the current stabilizer of the battery charge.

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.The proposed device (Fig. 1) contains a solar battery 10; storage battery 14; load 7; diodes 4, 5, 8; transistors with reverse diodes 1, 2, 11, 13, 15; chokes 9, 12; capacitors 6, 16; double winding transformer 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.The first opposite terminals of the windings of the transformer 3 are connected to each other and to the first terminal of the choke 12, the second terminal of which is connected to the junction point of two series-connected transistors 13 and 15, forming a rack, while the source of the transistor 15 is connected to the common point of the circuit, and the drain of the transistor 13 connected to the positive terminal of the input capacitor 16, the negative terminal of which is connected to the common point of the circuit. The sources of transistors 1 and 2 are connected to the common point of the circuit, and the drains are connected to the second terminal of one of the two windings of the transformer 3 and the anode of one of the two diodes 4 and 5, respectively, the cathodes of which are combined and connected to the positive terminal of the output capacitor 6, the negative terminal of which is connected to the common point of the circuit. The source of the transistor 11 is connected to the point of combining the windings of the transformer 3, the drain of which is connected to the first terminal of the inductor 9 and the anode of the diode 8, the cathode of which is connected to the positive terminal of the output capacitor 6. The second terminal of the inductor 9 is connected to the positive terminal of the solar battery 10, the negative terminal of which is connected with a common point of the circuit. The battery 14 is connected in parallel with the input capacitor 16, and the load 7 is connected in parallel with the output capacitor 6.

Предлагаемое устройство функционирует следующим образом.The proposed device operates as follows.

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.The DC / DC converter has two inputs and is powered by independent sources of electrical energy, one of which is a solar battery, the second is a storage battery. Thanks to this structure, the continuity of power supply to the load is ensured in all modes of operation of the aerospace vehicle. The solar battery in this case is the main source of energy. At rated illumination, its power is sufficient to power the load and maintain the battery charge. The battery is a backup power source that compensates for the lack of energy in the event of partial or complete shading of the solar panel. Thus, the proposed converter provides three main and two combined modes of operation, and also has the ability to limit the output current during overload and short circuit.

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.With sufficient illumination, when the power of the solar battery is equal to or exceeds the power of the load, the device operates in the mode of the solar battery power regulator (RMBS). In this mode, the inverter load is powered only by the solar battery energy, and the battery is fully charged and its current is zero. The output voltage of the converter is stabilized by switching the power switch 11, while keys 1 and 2 are closed, and the key 15 is open. The battery is disconnected from the circuit output using the switch 13, which is open in this mode.

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 TS 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.The complete cycle of the converter operation in the RMBS mode consists of two switching intervals of the key 11. The relative duration of the control pulse of the transistor in the first operating interval is determined by the duty cycle D 1 , which takes values in the range from 0 to 1. The relative duration of the second switching interval is determined as 1- D 1 . The switching period T S determines the time of the complete operation cycle of the converter and depends on the switching frequency of the power switches. Graphs of control pulses of transistors 1, 2, and 11 (F 1 , F 2 , F 11, respectively) in the PM-BS mode are shown in FIG. 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.If the solar battery is in the shade and its power is equal to zero, the device operates in the mode of the battery voltage converter (PNAB). In this case, the load is powered only by the accumulated energy of the battery, and the solar battery current is zero. The output voltage of the converter is stabilized by switching power switches 1 and 2, while switches 11 and 15 are open. Transistor 13 is necessary to limit the output current of the converter in case of overload or short circuit and is closed in normal operation.

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 TS 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.The complete cycle of the converter operation in the PNAB mode consists of four switching intervals of switches 1 and 2. The relative duration of the control pulses of transistors in the first and third intervals of operation is determined by the duty cycle D 2 , which takes values in the range from 0 to 0.5. The relative duration of the second and fourth switching intervals is defined as 0.5-D 2 . The switching period T S determines the time of the complete operation cycle of the converter and depends on the switching frequency of the power switches. Graphs of control pulses of transistors 1, 2, and 13 (F 1 , F 2 , F 13, respectively) in the PNAB mode are shown in Fig. 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.If the power of the solar battery is different from zero, and the load power is equal to zero, the device switches to the mode of the battery charge current stabilizer (STZAB). In this case, all the power of the solar battery can be directed to charge the battery. The battery charge current is regulated by switching the switch 15, while the switch 11 is closed, and the transistors 1 and 2 are open. Transistor 13 is open and acts as a diode. Stabilization of the output voltage of the converter in this mode is not required.

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 TS 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.The complete converter operation cycle in STZAB mode consists of two switching intervals of switch 15. The relative duration of the control pulse of the transistor in the first operating interval is determined by the duty cycle D 3 , which takes values in the range from 0 to 1. The relative duration of the second switching interval is determined as 1- D 3 . The switching period T S determines the time of the complete operation cycle of the converter and depends on the switching frequency of the power switches. Graphs of control pulses of transistors 11 and 15 (F 11 , F 15, respectively) in the STZAB mode are shown in Fig. 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.If the power of the solar battery is different from zero, but less than the load power, the lack of energy is compensated for by the battery and the device operates in the combined mode of RMBS + PNAB. In this case, the converter is powered simultaneously from two sources of electrical energy, providing a continuous and stable power supply to the load. The device control algorithm in this mode of operation is fully consistent with the algorithm in the PNAB mode. The output voltage is stabilized by switching power switches 1 and 2, while switches 11 and 15 are open, and switch 13 is closed. In this case, the entire generated current of the solar battery flows into the load through the diode 8. Graphs of the control pulses of transistors 1, 2, and 13 (F 2 , F 2 , F 13, respectively) in the combined mode RMBS + PNAB are shown in Fig. 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.If the power of the solar battery exceeds the power of the load, some of the energy can be directed to charge the battery. In this case, the device switches to the combined mode RMBS + STZAB, which simultaneously stabilizes the output voltage of the converter and the battery charge current. The battery charge current is regulated by switching the key 15. The transistor 13 is open and acts as a diode. The output voltage of the converter is stabilized by switching key 11, while keys 1 and 2 are open.

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 Ts 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.The complete operation cycle of the converter in the RMBS + PNAB mode consists of three switching intervals of switches 11 and 15. The relative durations of the control pulses of switches 11 and 15 are determined by the filling factors D 1 and D 3, respectively, which take values in the range from 0 to 1. The relative duration of the third the switching interval is defined as 1-D 1 . The switching period T s determines the time of the complete operation cycle of the converter and depends on the switching frequency of the power switches. Graphs of control pulses of transistors 11 and 15 (F 11 , F 15, respectively) in the RMBS + STZAB mode are shown in Fig. five.

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.The proposed device also provides for the possibility of limiting the battery current in the event of an overload or short circuit in the load. For this, a transistor 13, a reverse diode of the transistor 15 and an inductance 12 are used, forming a buck pulse converter. This technical solution generally increases the operational reliability of the power supply system for aerospace vehicles.

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.The technical result of the invention, achieved by changing the topology of the circuit, in comparison with the known device, is to increase the efficiency, simplify the control algorithm and reduce the weight and size parameters by reducing the number of semiconductor switches and the required size of passive magnetic elements.

Claims (1)

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.DC electric power converter for power supply systems of aerospace vehicles, containing two chokes, a solar battery and a storage battery, the negative terminals of which are combined and connected to a common point of the circuit, two diodes, the cathodes of which are combined and connected to the positive terminal of the output capacitor, the negative terminal of which is connected with a common point of the circuit, characterized in that the first opposite terminals of the windings of the two-winding transformer are connected to each other and to the first terminal of one of the two chokes, the second terminal of which is connected to the junction point of two series-connected transistors that form a rack, while the lower transistor of the rack is connected to common point of the circuit, and the upper transistor of the rack is connected to the positive terminal of the battery and the positive terminal of the input capacitor, the negative terminal of which is connected to the common point of the circuit, the second terminal of each of the two windings of the transformer is connected to the anode of one of the two diodes and the drain of one of the two transistors, the sources of which are connected to a common point of the circuit, a transistor is switched on between the point of combining the windings of the transformer and the first terminal of the second inductor, a diode is switched on between the first terminal of the second inductor and the positive terminal of the output capacitor, the positive terminal of the solar battery connected to the second terminal of the second choke.
RU2020131754A 2020-09-28 2020-09-28 Dc power converter for power supply systems for aerospace vehicles RU2741830C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020131754A RU2741830C1 (en) 2020-09-28 2020-09-28 Dc power converter for power supply systems for aerospace vehicles

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020131754A RU2741830C1 (en) 2020-09-28 2020-09-28 Dc power converter for power supply systems for aerospace vehicles

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2741830C1 true RU2741830C1 (en) 2021-01-29

Family

ID=74554484

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020131754A RU2741830C1 (en) 2020-09-28 2020-09-28 Dc power converter for power supply systems for aerospace vehicles

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2741830C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060132093A1 (en) * 2004-12-22 2006-06-22 Nguyen Don J Battery pack leakage cut-off
RU2397593C2 (en) * 2008-10-31 2010-08-20 Общество с ограниченной ответственностью "Национальная инновационная компания "Новые энергетические проекты" Power plant and its control method
RU2414037C1 (en) * 2009-11-16 2011-03-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) Independent photovoltaic electric power supply system
RU2676678C1 (en) * 2017-12-04 2019-01-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский государственный технический университет" (НГТУ) Energy conversion equipment for dc power supply systems
RU2677629C1 (en) * 2017-12-18 2019-01-18 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский государственный технический университет" (НГТУ) Energy-conversion equipment for power supply systems for aerospace devices

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060132093A1 (en) * 2004-12-22 2006-06-22 Nguyen Don J Battery pack leakage cut-off
RU2397593C2 (en) * 2008-10-31 2010-08-20 Общество с ограниченной ответственностью "Национальная инновационная компания "Новые энергетические проекты" Power plant and its control method
RU2414037C1 (en) * 2009-11-16 2011-03-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) Independent photovoltaic electric power supply system
RU2676678C1 (en) * 2017-12-04 2019-01-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский государственный технический университет" (НГТУ) Energy conversion equipment for dc power supply systems
RU2677629C1 (en) * 2017-12-18 2019-01-18 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский государственный технический университет" (НГТУ) Energy-conversion equipment for power supply systems for aerospace devices

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lakshmi et al. Nonisolated high gain DC–DC converter for DC microgrids
Zhang et al. An impedance network boost converter with a high-voltage gain
Silveira et al. A nonisolated DC–DC boost converter with high voltage gain and balanced output voltage
Biswas et al. GaN based switched capacitor three-level buck converter with cascaded synchronous bootstrap gate drive scheme
Nahavandi et al. Single stage DC-AC boost converter
Lin et al. Analysis and implementation of an interleaved ZVS bi-flyback converter
CN112953202B (en) Voltage conversion circuit and power supply system
Chen et al. A new nonisolated three-port DC-DC converter with high step-up/down ratio
RU2676678C1 (en) Energy conversion equipment for dc power supply systems
RU2741830C1 (en) Dc power converter for power supply systems for aerospace vehicles
Mohanty SEPIC based multi input DC-DC converter
Zhao et al. A novel high step-up quasi-Z-source DC-DC converter with coupled-inductor and switched-capacitor techniques
Priya et al. Comparison of n-stage cascade cockcroft-walton voltage multiplier applied to transformer-less dc-dc boost converter
RU2677629C1 (en) Energy-conversion equipment for power supply systems for aerospace devices
Wang et al. A ZVS-PWM interleaved boost DC/DC converter
Moosavi et al. A low-cost soft-switching high step-up flyback converter with stacked output cells
Ahmeti et al. Study of a Multi-Port DC-DC Converter for an Energy Storage System
Lodh et al. Highly efficient and compact Sepic-Boost-Flyback integrated converter with multiple outputs
Vinnikov et al. Maximizing energy harvest of the impedance source PV microconverter under partial shading conditions
Hwu et al. Photovoltaic energy conversion system constructed by high step-up converter with hybrid maximum power point tracking
Hossam-Eldin et al. A topological review on recent improvements of three-phase impedance source inverter
CN113938001A (en) Three-level converter, control method thereof and power supply system
Wang et al. A soft-switching interleaved boost dc/dc converter
Manikandan et al. Performance Analysis of Solar Based High Step-Up DC-DC Converter with Various Filters
Lee et al. High gain boost converter with quasi-resonant switched capacitor and coupled inductor