Способ импульсной стабилизации постоянного напряжения на нагрузке солнечного генератора

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может использоваться, в частности, при создании бортовых систем электроснабжения космических аппаратов.

Известны способы импульсной стабилизации напряжения на нагрузке, основанные на периодической коммутации (прерывании) последовательной цепи между выходом первичного источника электроэнергии с нестабилизированным напряжением и нагрузкой под управлением широтно-импульсного коммутационного сигнала - см., например, У. Титце, К. Шенк. Полупроводниковая схемотехника, 12-е издание, Москва, 2015, том 2, гл. 16.

Недостатком способов импульсной стабилизации напряжения на нагрузке, основанных на периодическом прерывании последовательной цепи между выходом первичного источника электроэнергии с нестабилизированным напряжением и нагрузкой (последовательной коммутации) являются повышенные требования по допустимому напряжению в разомкнутом состоянии, предъявляемые к электронному коммутатору (ключу), в особенности, при использовании высоковольтного солнечного генератора с понижающим напряжение стабилизатором, обусловленные существенным превышением напряжением холостого хода этого генератора напряжения в рабочей точке его вольт - амперной характеристики - см. Ю.М. Казанцев и др. Токовый преобразователь энергии солнечной батареи в системе электропитания космических аппаратов. Известия Томского политехнического университета. 2011. Т. 319. №4.

От указанного недостатка свободны известные способы стабилизации напряжения на нагрузке солнечного генератора с использованием периодической параллельной коммутации его выхода на замыкающую цепь под управлением переключающего сигнала, формируемого широтно-импульсной модуляцией аналогового регулирующего сигнала, получаемого, в свою очередь, преобразованием сигнала рассогласования между стабилизируемым напряжением на нагрузке и опорным напряжением, при этом замыкающая цепь может, как содержать постоянное нормированное балластное сопротивление, так и не содержать его (короткозамыкающая цепь) - см., например, патенты на устройства, в которых использованы данные способы - RU 2158436 G05B 19/02, RU 2199808 H02J 7/36, RU 2211480 H02J 7/35, а также патенты на способы питания нагрузки постоянным током - RU 2258292 H02J 7/35, RU 2548664 H02J 7/34.

Недостатками известных способов стабилизации напряжения на нагрузке солнечного генератора с использованием периодической параллельной коммутации его выхода на замыкающую цепь под управлением широтно-импульсного переключающего сигнала, являются:

- при наличии в замыкающей цепи постоянного балластного сопротивления - повышенное тепловыделение за счет выделения мощности в балластном сопротивлении в интервале, когда цепь замкнута;

- при отсутствии в замыкающей цепи постоянного балластного сопротивления (короткозамыкающая цепь) - повышенные требования к элементу коммутации (электронному ключу) по величине максимально допустимого тока, протекающего в интервале замыкания (особенно, в начале этого интервала), обусловленные наличием выходной емкости солнечного генератора. Величина тока, протекающего через элемент коммутации во время разряда указанной емкости, ограничивается только сопротивлением соответствующего участка бортовой кабельной сети, которое конструктивно минимизируется для снижения аппаратурного тепловыделения.

Указанная выходная емкость для мощных солнечных генераторов, выполненных в виде распространенной конфигурации параллельно объединенных по выходу стрингов (последовательных цепей фотоэлектронных преобразователей) для получения требуемых напряжения и тока, может достигать существенной величины (нескольких микрофарад или даже десятков микрофарад). В особенности это касается генераторов, построенных на энергоэффективных многокаскадных, в частности, распространенных трехкаскадных арсенид - галлиевых фотоэлектронных преобразователях. Так, по данным ведущих отечественных производителей солнечных батарей на основе трехкаскадных арсенид - галлиевых фотоэлектронных преобразователей - выходная емкость генератора с током короткого замыкания около 50 А и выходным напряжением в рабочей точке вольт - амперной характеристики около 29 В составляет ~ 7,5 мкФ.

Наиболее близким к заявляемому (прототипом) является способ питания нагрузки постоянным током RU 2543079 H02J 7/35, использующий периодическую параллельную коммутацию выхода солнечного генератора на короткозамыкающую цепь под управлением переключающего сигнала, формируемого широтно-импульсной модуляцией аналогового регулирующего сигнала, получаемого, в свою очередь, преобразованием сигнала рассогласования между стабилизируемым напряжением на нагрузке и опорным напряжением.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, и его техническим результатом является снижение требований к замыкающей цепи по допустимой величине пропускаемого тока и повышение аппаратурной надежности за счет уменьшения величины максимального тока через замыкающую цепь.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе, включающем в себя

- периодическое замыкание выходов солнечного генератора между собой посредством замыкающей цепи, коммутируемой бинарным широтно-импульсным управляющим сигналом, формируемым путем широтно-импульсной модуляции регулирующего сигнала, получаемого преобразованием аналогового сигнала рассогласования между стабилизируемым и опорным напряжениями, дополнительно осуществляют

- разделение каждого из периодически следующих временных интервалов замыкания выходов солнечного генератора на два смежных временных участка, первый из которых, примыкающий к началу интервала замыкания, имеет постоянную заданную длительность, а второй, примыкающий к окончанию первого временного участка, заканчивается одновременно с окончанием интервала замыкания выходов солнечного генератора,

- на первом временном участке - линейное или ступенчато - линейное уменьшение величины сопротивления замыкающей цепи в пределах между заданными начальным и конечным значениями,

- фиксацию достигнутого в конце первого временного участка конечного значения сопротивления замыкающей цепи,

- сохранение зафиксированного значения сопротивления замыкающей цепи на протяжении второго временного участка до окончания временного интервала замыкания выходов солнечного генератора.

На чертежах фиг. 1 и фиг. 2, поясняющих сущность заявляемого способа, обозначены:

- U - напряжение бинарного периодического коммутирующего широтно-импульсного сигнала;

- Т_П - постоянный период повторения коммутирующих импульсов - соответственно, период замыканий выходов солнечного генератора посредством замыкающей цепи;

- Т_З k, Т_З k+1 - изменяющаяся в процессе регулирования длительность интервала замыкания выходов солнечного генератора;

- цифрами 1 и 2 - соответственно первый и второй смежные временные участки согласно разделению интервалов замыкания выходов солнечного генератора;

- T₁ - постоянная длительность первого временного участка;

- Т₂ k, Т₂ k+1 - изменяющаяся в процессе регулирования длительность второго временного участка;

- t - текущее время;

- to k, t₀ k+1 - моменты начала временных интервалов замыкания выходов солнечного генератора;

- R(t) - текущая величина сопротивления замыкающей цепи;

- R_OFF - сопротивление замыкающей цепи в разомкнутом состоянии;

- R_B и R_E - начальное и, соответственно, конечное заданные значения сопротивления замыкающей цепи на первом временном участке;

- t₁, … t₈ - моменты скачкообразного изменения сопротивления замыкающей цепи при его ступенчато - линейном уменьшении на первом временном участке (для случая восьми ступеней, представленного на фиг. 2, где отрезком пунктирной прямой показан также график линейного снижения сопротивления замыкающей цепи без скачкообразных изменений).

Поскольку с целью уменьшения аппаратурного тепловыделения в интервале замыкания выходов солнечного генератора на участке 2 целесообразно иметь как можно меньшее значение сопротивления замыкающей цепи, то для практически важных случаев можно считать R_E ≈ 0.

Тогда линейное снижение сопротивления замыкающей цепи на первом временном участке описывается выражением

Обозначив I_{Ц 1} ток, протекающий через замыкающую цепь на первом временном участке, являющийся суммой собственно тока солнечного генератора I_Г и разрядного тока I_P его выходной емкости, и умножая (1) на I_{Ц 1} получим текущее значение напряжения на замыкающей цепи для первого временного участка

Из приведенных выражений следует, что при условии постоянства I_{Ц 1} на первом временном участке напряжение U₁(t) на замыкающей цепи снижается линейно от начального значения, равного до нуля.

Поскольку ток солнечного генератора на рабочем (токовом) участке вольт - амперной характеристике остается практически постоянным почти до величины тока короткого замыкания, то можно принять его равным среднему значению 1 г ср>близкому к величине тока короткого замыкания:

Тогда, при условии выполнения соотношений (1) и (2), разрядный ток выходной емкости солнечного генератора на всем протяжении первого временного участка также остается постоянным. Действительно

где Q и С - соответственно заряд и величина выходной емкости солнечного генератора, U_C = U₁(t) - текущее значение напряжения на ней. Подставляя (2) в (4), получим

(знак «минус» в (5) указывает на разрядный характер тока I_{P 1} по отношению к емкости С, а в замыкающей цепи токи I_КЗ и I_{P 1} суммируются с одинаковыми знаками). С другой стороны, с учетом графика на фиг. 2,

где U_PT - напряжение в рабочей точке вольт - амперной характеристики солнечного генератора.

Тогда выражение (5) можно переписать в следующем виде:

a R_B задавать из соотношения

в котором I_P max - максимально допустимый разрядный ток выходной емкости солнечного генератора, определяемый с учетом величины I_КЗ и заданного максимально допустимого тока замыкающей цепи.

В силу того, что на втором временном участке сопротивление замыкающей цепи близко к нулю, а вне интервала замыкания может считаться практически бесконечным, тепловыделение в замыкающей цепи происходит, главным образом, на первом временном участке. При этом количество выделяемой в цепи энергии за время T₁ составит

где R _{Ц 1 СР} = R_B / 2 - среднее значение сопротивления замыкающей цепи на первом временном участке.

Тогда средняя мощность тепловыделения в замыкающей цепи

Отсюда следует, что для минимизации этой мощности длительность первого временного участка T₁ следует задавать как можно меньшей по сравнению с периодом следования интервалов замыкания Т_П. При этом необходимо учитывать ограничения по величине разрядного тока выходной емкости солнечного генератора, определяемого для первого временного участка выражением (7).

Как показывают расчеты, в реальных случаях длительность T₁ может составлять (2…4) % от величины Т_П.

Таким образом, линейное снижение сопротивления замыкающей цепи на первом временном участке в соответствии с (1) при выборе R_B согласно (8) позволяет ограничить величину тока через эту цепь заранее определенным значением, обеспечивая возможность соответствующего снижения требований к замыкающей цепи по допустимой величине пропускаемого тока и повышения аппаратурной надежности. Тем самым достигается технический результат и решение задачи заявляемого изобретения.

На чертеже фиг. 3 представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ. Она включает солнечный генератор 3 с выходной емкостью С, выходную шину 4 положительной полярности солнечного генератора, блок развязывающих диодов 5, нагрузочную шину 6 положительной полярности, коммутатор 7 с управляемым сопротивлением замыкающей цепи, блок 8 управления коммутатором, широтно-импульсный модулятор 9, электронный регулятор 10, усилитель 11 сигнала рассогласования, источник опорного напряжения 12.

На схеме также обозначены цепи опорного напряжения 13, сигнала рассогласования 14, аналогового регулирующего сигнала 15, широтно-импульсного регулирующего сигнала 16, цепи управления коммутатором 17, общая шина отрицательной полярности 18. Кроме того, условно обозначены блок фильтрующих конденсаторов С_Ф и нагрузка R_H.

Схема устройства от шины 4 до выхода широтно-импульсного модулятора 9 и его работа вплоть до формирования выходного сигнала 16 (включительно) модулятора 9 аналогичны схемам и функционированию устройств, реализующих известные способы импульсной стабилизации напряжения на нагрузке, основанные на периодическом замыкании выходов солнечного генератора посредством замыкающей цепи, управляемой широтно-импульсным бинарным сигналом, формируемым известным образом из сигнала рассогласования между стабилизируемым и опорным напряжениями.

В то же время, реализация дополнительных операций, являющихся специфическими для заявляемого способа, осуществляется коммутатором 7 и блоком управления 8.

Изменение сопротивления замыкающей цепи коммутатора 7 по линейному закону согласно выражению (1) принципиально может быть осуществлено с использованием известного свойства полевых транзисторов, заключающегося в линейной зависимости между током стока и напряжением «сток - исток» при относительно низких (до нескольких вольт) значениях последнего. Такая зависимость моделирует «омическое», т.е. линейное сопротивление, величина которого зависит от напряжения «затвор - исток» - см., например, П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники: В 2 - х томах. Пер. с англ. М.: Мир, 1983. - Т. 1, гл. 6, а также У. Титце, К. Шенк. Полупроводниковая схемотехника, 12-е издание, Москва, 2015, том 1, гл. 3.

Коммутатор на полевых транзисторах, реализующий изменение сопротивления замыкающей цепи по линейному закону (1), может быть построен в виде двумерной (матричной) структуры, состоящей из параллельного соединения групп последовательно соединенных полевых транзисторов (стрингов), при этом количество стрингов определяется соотношением между максимальным током через замыкающую цепь I_{Ц 1} из выражения (2) и максимально допустимым током стока единичного транзистора, а количество транзисторов в стринге - соотношением между напряжением U_PT из выражения (6) и наибольшим напряжением «сток - исток» единичного транзистора, определяющим границу между линейной областью и областью насыщения его выходных характеристик для напряжения «затвор - исток», при котором обеспечивается требуемое начальное значение сопротивления канала.

Блок управления таким коммутатором должен формировать на первом временном участке интервала замыкания напряжения «затвор - исток», одновременно и одинаково изменяющиеся для всех транзисторов матрицы таким образом, чтобы обеспечить линейное уменьшение сопротивления замыкающей цепи, т.е. параллельного соединения всех стрингов, по закону (1).

На чертеже фиг. 4 показана структурная схема функциональной части устройства, реализующего предлагаемый способ, которая позволяет осуществить дополнительные операции, являющиеся специфическими для заявляемого способа. Она содержит блок управления коммутатором 8, включающий первый одновибратор 19, срабатывающий по фронту запускающего импульса, второй одновибратор 20, срабатывающий по срезу запускающего импульса, генератор 21 линейно нарастающего напряжения с ключом сброса 22, аналоговые сумматоры 23, коммутатор 7, выполненный в виде матрицы размером «S×Р» из n - канальных МОП - транзисторов Т₁₁…T_SP с параллельно подключенными между стоком и истоком каждого транзистора одинаковыми резисторами R₁₁…R_SP, обеспечивающими выравнивание наряжений «сток - исток» для всех транзисторов матрицы вне интервала замыкания. Сопротивление каждого из этих резисторов должно быть достаточно большим, чтобы, с одной стороны, не оказывать шунтирующего влияния на канал открытого транзистора, а с другой - не нагружать выход солнечного генератора существенным током при закрытых транзисторах матрицы, т.е. вне интервала замыкания, для предотвращения избыточного аппаратурного тепловыделения. В практических случаях сопротивление каждого резистора может выбираться в пределах десятки - сотни килоом.

На фиг. 4 также обозначены цепи подключения широтно-импульсного регулирующего сигнала 16, шины положительной полярности солнечного генератора 4 и общей шины отрицательной полярности 18.

Работа данной функциональной части происходит следующим образом.

По фронту широтно-импульсного регулирующего сигнала (соответствующего моменту t₀ на фиг. 2) запускается первый одновибратор 19 и формирует импульс длительностью T₁ (длительность первого временного участка), в течение которого генератор 21 формирует линейно нарастающее напряжение, которое, после суммирования с напряжением истока полевого транзистора соответствующей строки первого столбца матрицы «S×Р», поступает в качестве управляющего напряжения на затворы всех транзисторов данной строки. Таким образом, осуществляется синхронное и одинаковое изменение напряжения «затвор - исток» всех транзисторов матрицы, за счет которого омическое сопротивление коммутатора 7 между шинами 4 и 18 уменьшается по закону, близкому к линейному.

В момент окончания импульса первого одновибратора 19 нарастание выходного напряжения генератора 21 останавливается и далее это напряжение сохраняется неизменным до момента сброса к исходному (нулевому) значению. Этот сброс осуществляется с помощью ключа 22, управляемого коротким импульсом сброса, формируемым вторым одновибратором 20 по срезу широтно-импульсного регулирующего сигнала 16, т.е. в момент окончания интервала замыкания выходов солнечного генератора. С этого момента и до поступления следующего импульса широтно-импульсного регулирующего сигнала 16 напряжения на выходах сумматоров 23 равны напряжению на истоках соответствующих транзисторов первого столбца матрицы, вследствие чего все транзисторы матрицы закрыты и цепь между шинами 4 и 18 разомкнута, если не считать весьма высокого сопротивления совокупности резисторов R₁₁…R_SP.

Видоизменение структуры блока 8, состоящее в замене генератора 21 последовательно соединенными счетчиком тактовых импульсов, вырабатываемых дополнительно введенным генератором, и цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП), позволяет реализовать ступенчато-линейное изменение сопротивления замыкающей цепи на первом временном участке, степень приближения которого к гладкому линейному определяется разрядностью счетчика и ЦАП. Кроме того, введение перед цифро-аналоговым преобразователем постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), адрес считывания для которого формируется вышеуказанным счетчиком, даст возможность для уточняющей корректировки ступенчато-линейного изменения сопротивления замыкающей цепи с учетом неидеальности соответствующих характеристик транзисторов матрицы.

Важно отметить, что реализация функциональной части по схеме фиг. 4, в том числе, с видоизмененной структурой блока 8, предъявляет существенные требования к идентичности характеристик транзисторов матрицы, при этом количество последних может оказаться довольно большим из-за необходимости обеспечения достаточно низких значений сопротивления между шинами 4 и 18 на интервале замыкания выходов солнечного генератора, особенно при значительной величине его тока в рабочей точке вольт - амперной характеристики и, соответственно, тока короткого замыкания.

Более экономичная структура, позволяющая осуществить дополнительные операции, являющиеся специфическими для заявляемого способа, представлена на фиг. 5. Она содержит блок управления 8, включающий одновибратор 19, срабатывающий по фронту запускающего импульса, генератор тактовых импульсов 24 и сдвиговый регистр 25, а также коммутатор 7, состоящий из набора биполярных транзисторных ключей К₀…K_N, каждый из которых подключен коллекторной цепью к соответствующему токоограничивающему резистору из набора R₀…R_N.

На фиг. 5 также обозначены цепи подключения широтно-импульсного регулирующего сигнала 16, постоянного напряжения логической единицы 26, шины положительной полярности солнечного генератора 4 и общей шины отрицательной полярности 18.

Работа функциональной части, представленной на фиг. 5, происходит следующим образом.

По фронту широтно-импульсного регулирующего сигнала 16 (соответствующего моменту t₀ на фиг. 2) запускается одновибратор 19 и формирует импульс длительностью T₁ (длительность первого временного участка), поступающий на разрешающий вход V регистра 25. Одновременно во время действия сигнала 16 снимается обнуляющий сигнал с инверсного входа R регистра 25. Таким образом, в течение первого временного участка под воздействием тактовых импульсов генератора 24, поступающих на тактовый вход С регистра 25, происходит последовательная запись логической единицы через информационный вход D в разряды регистра 25, начиная с 0 - го, и по N - й. Появление логической единицы на каждом из выходов регистра 25 вызывает включение (перевод в состояние насыщения) соответствующего ключа из набора К₀…K_N коммутатора 7. Такое пошаговое управление ключами коммутатора обеспечивает ступенчатое уменьшение сопротивления между шинами 4 и 18 от начального значения R₀=R_B до конечного (минимального), соответствующего параллельному соединению всех резисторов набора R₀…R_N.

Величины R₁…R_N можно подобрать таким образом, чтобы на каждом шаге сопротивление между шинами 4 и 18, начиная от R_B, уменьшалось на одинаковую величину

где R_B=R₀ и R_E≈0 - соответственно начальное и конечное значения сопротивления замыкающей цепи (между шинами 4 и 18), а N - число шагов уменьшения сопротивления этой цепи на первом временном участке согласно графику на фиг. 2.

Тогда на каждом i - ом шаге сопротивление замыкающей цепи, равное параллельному соединению подключенных ключами резисторов, составит

Отсюда можно найти величину сопротивления каждого резистора Ri в коммутаторе 7.

Действительно, переписав (12) для j=(i-1), получим

Параллельное соединение R(t_i-1) и Ri дает

откуда

и с учетом (12) и (13)

Окончательно, с учетом (11),

где i=1, 2,…N, а величина R_B=R₀ должна выбираться по соотношению (8).

По срезу импульса одновибратора 19, что соответствует окончанию первого временного участка длительностью Ti, снимается разрешающий сигнал на входе V регистра 25 и на всех его N выходах остаются записанными уровни логической единицы, что обеспечивает фиксацию конечного (минимального) значения сопротивления замыкающей цепи в коммутаторе 7 и сохранение его на протяжении второго временного участка до момента сброса разрядов регистра 25 в нулевое значение по снятию сигнала 16 на инверсном входе R, соответствующего окончанию временного интервала замыкания выходов солнечного генератора. После этого до поступления следующего импульса широтно-импульсного регулирующего сигнала 16 все ключи коммутатора 7 закрыты и шины 4 и 18 разомкнуты.

Из ступенчато-линейного характера уменьшения сопротивления замыкающей цепи по соотношению (12) с учетом практически неизменного, согласно выражениям (3) и (7), суммарного тока I_{Ц 1} через эту цепь на первом временном участке следует аналогичный характер изменения напряжения между шинами 4 и 18

где U(t_i) - напряжение между шинами 4 и 18 в момент t_i,

i=1,2,…N,

- величина ступени изменения этого напряжения.

Из (16) и (15) можно определить максимальные величины тока через каждый ключ К_i коммутатора 7 из набора К₀…K_N:

откуда, с учетом (6) и (11), получим

при этом

С учетом того, что на каждом последующем шаге практически неизменный ток I_{Ц 1} распределяется на большее количество ключей, соотношения (18) и (19) позволяют определить требования по максимальному пропускаемому току для каждого из ключей блока 7.

В приведенных рассуждениях учитывалось, что напряжение насыщения ключа, выполненного на специализированных мощных ключевых биполярных транзисторах, близко к нулю (не превышает малых долей вольта) и почти не зависит от протекающего тока.

При практической реализации ключи могут выполняться с использованием параллельного соединения минимально необходимого количества одинаковых транзисторов в одном ключе.

Таким образом, полученный технический результат подтверждает достижение цели заявляемого изобретения.