Санкт-Петербург

Постановка задачи. Перечислим основные заданные параметры разрабатываемого 
повышающего преобразователя напряжения: напряжение питания может изменяться в 
диапазоне от 175 до 320 В, номинальный диапазон изменения напряжения питания 250–
280 В, значение выходного стабилизированного напряжения должно составлять 610 В. 
Максимальный коммутируемый ток выбранных транзисторов – 1250 А. Номинальная 
выходная мощность должна составлять 60 кВт. Параметры основных силовых элементов 
установки: коэффициент трансформации трансформатора 1:6, емкость батареи 
конденсаторов фильтра 9900 мкФ. 
На рис. 1 показана функциональная схема силовой части преобразователя, где DC – 
источник напряжения постоянного тока; VT1–VT4 – IGBT-транзисторы мостового инвертора; 
VD1–VD4 – диоды; L – добавочная индуктивность; Т – высокочастотный повышающий 
трансформатор; С
f
  – емкостной фильтр; R
l
– активное сопротивление нагрузки. 
Рис. 1. Функциональная схема силовой части преобразователя 
Рассмотрим передаточную функцию заданного преобразователя «напряжение на 
выходе–управляющий сигнал» [1]: 
,
1
)
(
)
(
2
пит
вых








l
d
f
d
l
f
R
R
C
R
R
L
s
C
L
s
nU
D
U
s
W
(1) 
где 
вых
U
– напряжение выхода; D – коэффициент заполнения, сигнал управления замкнутой 
системы; 
пит
U
– напряжение питания; 1/n – коэффициент трансформации; 
sw
f
– несущая 
частота ШИМ; L′ – эквивалентная суммарная индуктивность инвертора, приведенная к 
вторичной обмотке трансформатора; L
s
– эквивалентная суммарная индуктивность 
инвертора, равная сумме индуктивностей рассеивания трансформатора и добавочной, 
s
sw
d
L
f
n
R
2
4

. 
В [6] проведен анализ тепловых процессов и коммутационных потерь, приведший к 
выводу, что оптимальная частота ШИМ 
0
sw
f
для исследуемого преобразователя составляет 
7,25 кГц, и выведены зависимости максимального тока, коммутируемого транзисторами, и 
среднего тока выхода инвертора 
av
I
от коэффициента ШИМ 
ШИМ
K
и 
sw
f
: 
,
ШИМ
пит
max
L
f
K
U
I
sw

,
)
/
/
(
пит
max
max
ШИМ
c
av
T
U
I
R
L
I
I



(2) 

---

Альманах научных работ молодых ученых 
XLVII научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО. Том 1 
200 
где 
c
R
– эквивалентное суммарное сопротивление схемы замещения инвертора; 
sw
f
T
/
1
ШИМ

– период несущей частоты. 
Из (2) можно сделать вывод, что при фиксированных значениях 
max
I
, L′, 
c
R
поддержание величины среднего тока на выходе инвертора при увеличении напряжения его 
питания достижимо только при увеличении несущей частоты ШИМ. Так, ее оптимальное 
значение применимо для минимального значения напряжения питания и максимального 
значения 
ШИМ
K
. 
Обеспечим требуемые показатели качества рассматриваемой системы, передаточная 
функция которой (1) зависит от настраиваемой несущей частоты, введением обратной связи 
по напряжению с помощью ПИ-регулятора [7]: 
)
1
1
(
)
(
Ts
k
s
W
pi


. 
Найдем параметры ПИ-регулятора 
0
0
, T
k
для минимального значения напряжения 
питания 
175
пит0

U
В и установленного минимального значения несущей частоты ШИМ 
7,25
0

sw
f
кГц. Время переходного процесса должно быть не более 0,5 с, запас по фазе 
должен быть 80 градусов: 
).
10
63
,
1
1
1
(
10
12
)
(
5
4
0
s
s
W
pi






При изменении входного напряжения несущая частота будет изменяться, а параметры 
ПИ-регулятора настраиваться по выражениям: 
.
,
пит
0
0
пит
0
0
0
U
T
TU
k
k
f
f
T
T
sw
sw


(3) 
а 
б 
в 
Рис. 2. Блок схема предлагаемого способа (а); структурная схема замкнутой системы (б); 
графики переходных процессов замкнутой системы (в) 

---

Альманах научных работ молодых ученых 
XLVII научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО. Том 1 
201 
На рис. 2, а, представлена блок-схема предлагаемого алгоритма, условия проверяются 
по (2), расчет коэффициентов регулятора выполняются по (3), а на рис. 2, б, представлена 
структурная схема синтезированной замкнутой системы. 
На рис. 2, а, б, 
вых

U
– измеренное значение напряжение выхода преобразователя; e – 
отклонение выхода от заданного значения 
з
U ; 
з
_
av
I
– заданный средний ток выхода 
инвертора; 
з
max_
I
– заданный максимальный ток, коммутируемый транзисторами. 
На рис. 2, в, приведены графики переходных процессов замкнутой системы для 
максимального значения напряжения питания 
320
пит

U
В: 
1
U
– переходная характеристика 
с фиксированными параметрами регулятора 
0
0
, T
k
и 
7,25
0

sw
f
кГц; 
2
U
– переходная 
характеристика с настраиваемыми параметрами регулятора k, T и
0
1

sw
f
кГц. 
Настройка параметров улучшает показатели качества переходного процесса: 
перерегулирование 0%. 
На рис. 3, а, представлен опытный образец – преобразователь мощностью 60 кВт, 
входящий 
в 
состав 
частотного 
преобразователя. 
На 
рис. 3, б, в, 
приведены 
экспериментальные данные: напряжение (инвертированное) U
i
и ток I
i
выхода мостового 
инвертора при 
187
пит

U
B, 
27
,
0
ШИМ

K
, 
35
,
7

sw
f
кГц (190 В/дел и 600 А/дел) (рис. 3, б); 
напряжение U
i 
и ток I
i
выхода мостового инвертора для малого 
16
,
0
ШИМ

K
, 
320
пит

U
B, 
10

sw
f
кГц (320 В/дел и 1200 А/дел) (рис. 3, в). 
а 
б 
в 
Рис. 3. Частотный преобразователь (а); экспериментальные результаты (б) и (в) 
Рис. 3 демонстрируют работу силовых ключей в режиме мягкой коммутации и 
ограничение пикового тока до заданного значения 1000 А. 
Предложен способ управления мостовым преобразователем с настройкой параметров 
регулятора в зависимости от напряжения питания инвертора, достоверность которого 
подтверждается приведенными осциллограммами, снятыми с реального устройства. 
Разработанный метод можно доработать и использовать и при одновременном изменении 
нагрузки в широком диапазоне от 10% до 100%.