Энергоэффективный конденсаторный DC-DC преобразователь для автономной системы электроснабжения
Л.Г. Зотов, И.М. Большаков
Вестник ИГЭУ, 2023 г. выпуск 4, сс. 70—76
Скачать PDF
Состояние вопроса. Главное требование, предъявляемое к автономным системам электроснабжения, – улучшенные массогабаритные и энергетические показатели. Перспективным направлением решения данной проблемы является применение преобразователей постоянного напряжения на основе резонансных структур с переключаемыми конденсаторами. Улучшение энергетических показателей преобразователя достигается за счет использования режима мягкой коммутации применяемых в них полупроводниковых элементов, обеспечивающего снижение динамических потерь мощности, и увеличения уровня напряжения первичного источника. Улучшение массогабаритных показателей преобразователя обеспечивается многотактным принципом построения, позволяющим значительно увеличить частоту преобразования до нескольких сотен килогерц благодаря кратному уменьшению установленной мощности полупроводниковых элементов; высокими удельными энергетическими показателями современных многослойных керамических конденсаторов, более чем на два порядка превышающими аналогичные показатели реакторов и трансформаторов; оптимизацией параметров полупроводниковых и реактивных элементов, способствующей дополнительному снижению массы и объема системы электроснабжения.
Материалы и методы. Анализ массогабаритных показателей повышающего преобразователя постоянного напряжения и оценка величины его КПД проведены в предположении пропорциональности массы и объема реактивных элементов преобразователя максимальной накапливаемой в них энергии и пропорциональности массы и объема полупроводниковых элементов их установленной мощности.
Результаты. Предложена и исследована схема разнополярного преобразователя постоянного напряжения на основе структур с переключаемыми конденсаторами, обладающая пространственной симметрией, обеспечивающей значительное улучшение массогабаритных показателей за счет двукратного снижения суммарной установленной мощности применяемых полупроводниковых элементов. Оценены объемные и энергетические показатели исследуемого преобразователя в составе системы электроснабжения. Предложен метод построения силовой цепи конденсаторного преобразователя с улучшенными энергетическими и массогабаритными показателями в составе автономной системы электроснабжения.
Выводы. Установлены наиболее эффективные способы улучшения массогабаритных и энергетических показателей преобразователей постоянного напряжения: улучшение массогабаритных показателей достигнуто двукратным снижением величины установленной мощности полупроводниковых элементов и оптимизацией параметров реактивных элементов; улучшение энергетических показателей достигнуто повышением уровня входного напряжения преобразователя и мягкой коммутацией его полупроводниковых элементов.
1. Zotov L.G., Zinoviev G.S., Bolshakov I.M. Structural Synthesis of Capacitor DC-DC Converters // 2022 IEEE 23rd International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM). – 2022. – P. 467–470. DOI: 10.1109/EDM55285.2022.9855184.
2. Folmer S., Stala R. DC-DC High Voltage Gain Switched Capacitor Converter With Multilevel Output Voltage and Zero-Voltage Switching // IEEE Access. – 2021. – Vol. 9. – P. 129692–129705. DOI: 10.1109/ACCESS.2021.3111546.
3. Zotov L.G., Bolshakov I.M. Optimum Choice of Reactive Elements Parameters for Step-up DC Voltage Capacitor Converter // 2021 IEEE 22nd International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM). – 2021. – P. 337–342. DOI: 10.1109/EDM52169.2021.9507712.
4. Roy T., Sadhu P.K. A Step-Up Multilevel Inverter Topology Using Novel Switched Capacitor Converters With Reduced Components // IEEE Transactions on Industrial Electronics. – 2021. – Vol. 68, no. 1. – P. 236–247. DOI: 10.1109/TIE.2020.2965458.
5. Janabi A., Wang B. Switched-capacitor voltage boost converter for electric and hybrid electric vehicle drives // IEEE Transactions on Power Electronics. – 2020. – Vol. 35, no. 6. – Р. 5615–5624. DOI: 10.1109/TPEL.2019.2949574.
6. Improved Bootstrap Methods for Powering Floating Gate Drivers of Flying Capacitor Multilevel Converters and Hybrid Switched-Capacitor Converters / Z. Ye, Y. Lei, W.-C. Liu, et al. // IEEE Transactions on Power Electronics. – 2020. – Vol. 35, no. 6. – P. 5965–5977. DOI: 10.1109/TPEL.2019.2951116.
7. Xie H., Li R. A Novel Switched-Capacitor Converter With High Voltage Gain // IEEE Access. – 2019. – Vol. 7. – P. 107831–107844. DOI: 10.1109/ACCESS.2019.2931562.
8. A Switched-Capacitor DC–DC Converter With Variable Number of Voltage Gains and Fault-Tolerant Operation / R. Stala, Z. Waradzyn, A. Penczek, et al. // IEEE Trans. Ind. Electron, 2019. – Vol. 66, no. 5. – P. 3435–3445. DOI: 10.1109/TIE.2018.2851962.
9. Nguyen M.-K., Duong T.-D., Lim Y.-C. Switched-Capacitor-Based Dual-Switch High-Boost DC–DC Converter // IEEE Transactions on Power Electronics. – 2017. – Vol. 33, no. 5. – P. 4181–4189. DOI: 10.1109/TPEL.2017.2719040.
10. Efficiency analysis of MOSFET-based air-choke resonant DC–DC step-up switched-capacitor voltage multipliers / Z. Waradzyn, R. Stala, A. Mondzik, et al. // IEEE Trans. Ind. Electron. – 2017. – Vol. 64, no. 11. – P. 8728–8738. DOI: 10.1109/TIE.2017.2698368.