А. М. Газалиев ректор, академик нан рк, д

 
88 
Труды университета 
 
УДК 621.314.6 
 
Резонансные конверторы постоянного тока 
на основе структур с переключаемыми 
конденсаторами для автономных систем 
 
Л.Г. ЗОТОВ
1
, к.т.н., доцент, 
А.Д. МЕХТИЕВ
2
, к.т.н., доцент, зав. кафедрой,  
В.В. ЮГАЙ
2
, докторант PhD, 
А.Н. КОНОВАЛОВА
2
, студентка, 
1
Новосибирский государственный технический университет, 
2
Карагандинский государственный технический университет 
 
Ключевые слова: электроснабжение, конвертор, энергосистема, преобразователь, конденсатор. 
 
днонаправленные – повышающие и понижающие, 
а  также  двунаправленные  повышающие  –  пони-
жающие  конверторы  постоянного  тока  на  основе 
структур  с переключаемыми конденсаторами находят 
широкое  применение  при  создании  автономных  си-
стем  энергоснабжения  (АСЭ),  которые  питаются  от 
источников  постоянного  тока  –  солнечных  модулей 
или  аккумуляторных  батарей  (АБ).  Данные  преобра-
зователи  применяются  в  устройствах  питания  специ-
альных  радиоэлектронных  комплексов,  многоуровне-
вых  системах  энергоснабжения  салонов  автомобилей 
повышенной  комфортности,  а  также  автономных 
энергосистемах малоэтажных жилищных комплексов. 
Характерными  для  DC-DC  конверторов  показате-
лями  качествами  являются:  малые  вес  и  габариты, 
низкий коэффициент гармоник входного и выходного 
токов,  высокий  КПД.  Для  достижения  максимальных 
значений параметров, применяются DC-DC конверто-
ры  на  основе  структур  с  переключаемыми  конденса-
торами [1-7].  
Благодаря применению многотактного режима ра-
боты  DC-DC  конверторов,  достигается  уменьшение 
коэффициента гармоник входного и выходного токов. 
При  этом  снижение  веса  и  габаритов  достигается  ис-
пользованием  резонансного  метода  построения  [1], 
[5],  [6],  [7],  который  наряду  с  повышением  КПД  за 
счет применения режима мягкой коммутации силовых 
ключей,  позволяет  также  существенно  увеличить  ча-
стоту преобразования f
п
 до величины порядка 500 кГц 
и выше [7]. 
В общем случае преобразователи состоят из k
l
 од-
нотипных  повышающих  конденсаторных  преобразо-
вателей  (ОКП),  работающих  на  общую  нагрузку  на 
высокой  (несколько  сотен  килогерц)  частоте  f
п
  и  со-
держащих каждый по n конденсаторно-диодных цепо-
чек  (КДЦ).  Принцип  действия  повышающего  (пони-
жающего)  ОКП  заключается  в  периодическом  парал-
лельном (последовательном) подзаряде конденсаторов 
его цепочек от АБ – Е
АБ
 через зарядные ключи (VT
1
 – 
VT
3
),  с  дальнейшим  последовательным  (параллель-
ным)  разрядом  на  нагрузку  через  разрядные  ключи 
(VT
4
 – VT
6
). 
Поскольку разряд (заряд) конденсаторов происхо-
дит через последовательно соединенную АБ, то сило-
вая  цепь  ОКП  упрощается  уменьшением  числа  КДЦ 
на  единицу.  В  результате  выходные  напряжения  по-
вышающего  и  понижающего  DC-DC  конверторов 
оказываются  равными 
2
(
1)
АБ
U
h
E

 
  и 
,
1
АБ
2
E
U
n


 
что  соответствует  коэффициентам  преобразования 
1
П
K
n
 
 и 
1
.
1
П
K
n


 Увеличение количества ОКП 
–  k
1
  приводит  к  пропорциональному  увеличению  вы-
ходной  мощности  DC-DC  конвертора  и  снижению 
коэффициентов  гармоник  суммарных  входных  токов 
i
1Σ
(t). 
Принципиальные  схемы  силовых  цепей  простей-
ших  –  трехтактных  повышающего  и  понижающего 
DC-DC  конверторов  приведены  на  рисунке  1,  а  на 
рисунке  2  даны  временные  диаграммы,  поясняющие 
их работу. 
В  многотактных,  резонансных  повышающих  DC-
DC  конверторах  входной  ток  определяется  суммой 
токов  отдельных  ОКП  имеющих  форму  положитель-
ных  синусоидальных  импульсов  равномерно  распре-
деленных  по  периоду  частоты  коммутации  силовых 
ключей 
1
П
к
f
T

 и сдвинутых друг  относительно дру-
га на 
1
к
T
t
k
 
. При этом эффект снижения коэффици-
ента  гармоник  тока 
 
 
1
АБ
I
t
i
t


  достигается  двумя 
методами  фазового  управления  силовыми  ключами 
(рисунок 2). В первом методе подзаряд конденсаторов 
ОКП  осуществляется  положительными  импульсами 
синусоидального  тока  длительностью 
0.5
з
к
t
T
 

 
(рисунок 2а), т.е. 
 
1
1
1
1
0
1
sin
,
k
к
к
i
T
i
t
I
t
i
k






 
 





 где 
2
.
к
П
f




 
Его  главное  достоинство  в  резком  снижении  ко-
эффициента гармоник тока I
АБ
 
(t) при нечетных значе-
ниях  числа  ОКП  –  k
1
  (таблица  1)  [4].  Недостаток  – 
относительно  большая  амплитуда  тока  I
1
  через  сило-
вые элементы  ОКП,  определяемая для повышающего 
О
 

Раздел «Автоматика. Энергетика. Управление» 
3  2015 
89 
 
 
 
Рисунок 1 – Принципиальные схемы силовой цепи 3-тактных – повышающего и понижающего  
DC-DC конверторов 
 
 
Рисунок 2 – Временные диаграммы 3-тактного повышающего DC-DC конвертора 
 
и 
понижающего 
конверторов, 
уравнениями 
1
1
,
Н
I
I
k



 


1
1
,
1
Н
I
I
k
n



 
 где I
H
 –  среднее значе-
ние выходного тока нагрузки DC-DC конвертора 
 
Таблица 1 
k
1
 
1
~
1
1
гi
ср
I
K
I




 
k
1
 
2 
0.483455 
0.60804 
1 
4 
0.097759 
0.042200 
3 
6 
0.042200 
0.015040 
5 
8 
0.023451 
0.003803 
7 
 
Таблица 2 
k
1
 
1
~
1
1
гi
ср
I
K
I




 
k
1
 
2 
0.483455 
- 
1 
4 
0.042200 
0.097759 
3 
6 
0.015232 
0.023451 
5 
8 
0.008204 
0.010732 
7 
 
Второй метод отличается от первого увеличенной 
длительностью  синусоидальных  импульсов  зарядных 
токов  ОКП 
1
1
1
,
з
к
k
t
T
k





 





  протекающих  через 
силовые ключи ОКП с такими же частотой 
1
П
к
f
T

 и 
временным сдвигом относительно друг друга 
1
к
T
t
k
 
 
(рисунок 2б), т.е. 
 
1
1
1
1
0
1
sin
,
k
к
s
i
T
i
t
I
t
i
k







 






 
где 
1
1
2
,
2 (
1)
s
к
s
k
T
k








 
1
1
1
2
s
к
k
T
T
k



  



 – соот-
ветственно  частота  и  период  синусоиды,  описываю-
щей импульсы зарядного тока. 
Главное  достоинство  второго  метода  –  снижение 
амплитуд  синусоидальных  импульсов  токов  через 
силовые элементы ОКП в 
1
1
1
2
k
k


 раза по сравнению 
с первым методом. Для повышающего и понижающе-
го  DC-DC  конверторов  они  соответственно  равны 
1
1
,
2 (
1)
Н
I
I
k





 
1
1
.
2 (
1) (
1)
Н
I
I
k
n




  
 
Кроме 
того,  сравнение  величин  коэффициентов  гармоник 
токов 


 
 
1
АБ ВЧ
I
t
i
t


  для  обоих  методов  (таблицы 
1,2)  показывает  преимущество  второго  метода  по 
сравнению с первым при четном числе ОКП в DC-DC 
конверторе. 
При  первом  методе  фазового  управления  для  по-
вышающего  и понижающего конверторов  количество 
ОКП  –  k
1
,  величины  емкости  C
1
  и  индуктивности  L
1
 
цепочек  определяются  величиной  I
H
,  пульсацией 

 
90 
Труды университета 
 
напряжения  на  конденсаторах  C
1 
–
 
ΣU
C1
  и  частотой 
коммутации ключей ω
к
. 
1
1
1
1
2
1
2
1
,  
C
Н
к
к
I
k C
L
U
С



 



 

 – для повышающего 
конвертора, 


1
1
1
2
1
1
2
1
,  
1
Н
к
C
к
I
k C
L
n
U
С



 



   

  –  для  пони-
жающего конвертора. 
При  втором  методе  фазового  управления  величи-
ны индуктивностей в цепи заряда L
1з
 и в цепи разряда 
L
1р
  отличаются  друг  от  друга  и  для  обоих  типов  
преобразователей 
определяются 
выражениями 
1
2
1
1
,
з
s
L
С



 


1
1
2
1
1
.
1
р
з
L
L
k



 
Конденсатор  С
Ф
  предназначен  для  обеспечения 
режима мягкой коммутации разрядных транзисторных 
ключей (VT
4
, …, VT
6
). Величина его емкости выбира-
ется из условия  




1
1
1
1
1
2
1
C
Н
Ф
к
АБ
АБ
U
I
С
C
k
E
n
E
n









 
 
 
– 
для повышающего конвертора; 




2
1
1
1
1
1
1
2
Н
C
Ф
к
АБ
АБ
I
n
U
С
C
n
k
E
E


 





 


  –  для 
понижающего конвертора. 
Моделирование  режимов  работы  DC-DC  конвер-
торов  (рисунок  1),  для  типовых  технических  условий 
показывает, что режим мягкой коммутации их разряд-
ных ключей гарантировано обеспечивается при С
Ф 
=
 
С
1
. 
При  создании  АСЭ  современных  автомобилей  с 
повышенной  комфортностью  и  увеличенным  энерго-
обеспечением  салона,  достигающим  6-10  кВт  и  пита-
емых  от  АБ  с  различными  уровнями  напряжения, 
необходимы  универсальные, двунаправленные преоб-
разователи,  способные  работать  в  режимах  повыше-
ния и понижения постоянного напряжения. Энергоси-
стема  составлена  из  двух  аккумуляторных  батарей  с 
напряжениями  14  и  42  Вольта,  взаимодействующих 
друг  с  другом  через  двунаправленный  преобразова-
тельный модуль (ПМ), имеющий коэффициент преоб-
разования,  равный  К
П 
=
 
n
 
+
 
1.  На  рисунке  3  показана 
принципиальная  схема  его  силовой  цепи  и  даны  вре-
менные  диаграммы,  поясняющие  ее  работу.  Двуна-
правленный  режим  работы  ПМ  обеспечивается  при-
менением  в  его  силовой  цепи  двунаправленных  клю-
чей на основе IGBT транзисторов – (V
1
, V
2
) и (V
3 
–
 
V
5
), 
соединенных  последовательно  через  емкости  С.  В 
данном  случае  ПМ  представляет  собой  двухуровне-
вую систему обмена электрической энергией постоян-
ного  тока  аккумуляторных  батарей  E
1
  и  E
2
.  Если 
уровни  напряжения  батарей  удовлетворяют  условию 
Е
2 
=
 
Е
1
·(n
 
+
 
1),  то  обмен  электрической  энергией  от-
сутствует. При изменении напряжения батарей баланс 
нарушается и возникает режим обмена электрической 
энергией,  причем  если  Е
1
·(n
 
+
 
1)
 
>
 
Е
2
,  то  батарея  E
1
 
подзаряжает батарею E
2
, а если Е
1
·(n
 
+
 
1)
 
<
 
Е
2
, то про-
исходит  обратный  процесс.  Временные  диаграммы 
(рисунок  3)  показывают  различие  форм  входного  – 
i
1
(t)  и  выходного  –  i
2
(t)  токов  ПМ.  Ток  i
1
(t)  является 
прерывистым  и  представляет  собой  суперпозицию 
синусоидальных импульсов, с амплитудами I
1
 и 
1
1
I
n

 
сдвинутых  друг  относительно  друга  на  0,5·T
к
.  Функ-
ция  тока  i
2
(t)  является  разрывной  и  представляет  со-
бой периодическую последовательность синусоидаль-
ных импульсов длительностью 0,5·T
к
 и амплитудой I
2
. 
Закон  сохранения  заряда  дает  строгие  соотношения 
средних и амплитудных значений токов в ПМ.  


1
1
2
2
1 ,  
.
cр
cр
I
I
n
n
I
I



 
Главным достоинством ОКП (рисунок 3) является 
простота его силовой цепи, включающей в  себя  один 
ПМ, а недостатком – высокий уровень коэффициентов 
гармоник входного i
1
(t) и выходного i
2
(t) токов. 
Устранение  указанного  недостатка  достигается 
объединением нескольких ПМ в группу, образующую 
многотактный,  двунаправленный  DC-DC  конвертор 
МДК  (рисунок  4).  Временные  диаграммы  токов  и 
напряжений,  поясняющие  его  работу  приведены  на 
(рисунок 5). Если количество ПМ равно k
1
, то умень-
шение  коэффициента  гармоник  токов  на  входе  и  вы-
ходе  двунаправленного  конвертора  достигается  рав-
номерным  распределением  их  импульсов  по  периоду 
Т
к
, со сдвигом во времени друг относительно друга на 
величину 
1
,
к
T
t
k
 
 как показано на рисунке 5. 
Суммарные  входной  i
1Σ
(t)  и  выходной  i
2Σ
(t)  токи 
определяются суммой токов отдельных ПМ  
 


1
1
1
1
0
1
1
sin
1
sin
2
1
,
2
k
к
к
i
к
к
к
T
t
I
t
i
 
k
T
T
t
i
i
n
k
i









 
  









 
 
  
   




 

 
 


1
1
2
1
0
1
1
sin
2
1
.
2
k
к
к
к
i
T
T
i
t
I
t
i
i
 
n
k






  
  
   





 
При  этом  коэффициенты  гармоник  суммарных 
входного  i
1Σ
(t)  и  выходного  i
2Σ
(t)  токов  также  опреде-
ляются из таблицы 1, откуда следует, что их снижение 
для нечетных k
1
 происходит более быстрыми темпами 
и на существенно пониженном уровне. Отсюда следу-
ет  вывод  о  целесообразности  построения  двунаправ-
ленных  DC-DC  конверторов,  состоящих  только  из 
нечетного количества ПМ. 
Учитывая  все  вышеизложенное,  можно  сделать 
следующие выводы: 
На основе двунаправленных, многотактных, резо-
нансных DC-DC конверторов предложен новый метод 
построения  высокоэффективной  двухуровневой  си-
стемы  обмена  электрической  энергией  постоянного 
тока для энергоснабжения современных автомобилей. 
Предложены  новые  методы  построения  много-
тактных,  резонансных  –  повышающих,  понижающих 
и двунаправленных повышающе-понижающих DC-DC 
конверторов  на  основе  структур  с  переключаемыми 
конденсаторами, отличающихся высоким КПД и низ-
ким  уровнем  коэффициентов  гармоник  входного  и 
выходного токов. 

Раздел «Автоматика. Энергетика. Управление» 
3  2015 
91 
 
 
Рисунок 3 – Принципиальная схема силовой цепи двунаправленного ПМ и временные диаграммы,  
поясняющие ее работу 
 
 
Рисунок 4 – Принципиальная схема силовой цепи двунаправленного МДК 
 
Проанализированы  два  метода  фазового  управле-
ния  предложенных  DC-DC  конверторов.  При  этом 
показано,  что  первый  метод  позволяет  резко  снизить 
коэффициенты гармоник входного и выходного токов 
конвертора  при  нечетных  количествах  ОКП.  Исполь-
зование  второго  метода  существенно  снижает  ампли-
туды  импульсов  токов  через  элементы  силовой  цепи 
конверторов.  Кроме  того,  второй  метод  имеет  пре-
имущество  перед первым по  уменьшению  коэффици-
ентов гармоник входного и выходного токов при чет-
ных количествах ОКП.  
Приведены выражения для расчета параметров ре-
активных  элементов  силовой  цепи  конверторов,  а 
также  для  средних  и  импульсных  значений  токов  че-
рез  силовые  ключи,  позволяющие  осуществить  их 
выбор. 
 
Рисунок 5 – Временные диаграммы, поясняющие  
работу двунаправленного МДК 

жүктеу/скачать 6,19 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: