В монографии изложены принципы построения и алгоритмы управления нового класса энергоэффективных устройств и систем силовой электроники на основе резонансных структур с переключаемыми конденсаторами. Снижение их массы и объема объясняется более чем на два порядка лучшими удельными энергетическими показателями современных многослойных керамических конденсаторов по сравнению с аналогичными показателями трансформаторов и дросслей. Предложенная концепция их совершенствования, обеспечивающая дополнительное улучшение энергетических и массогабаритных показателей, базируется на фундаментальных принципах временнóй и пространственной симметрии. Проведен детальный анализ электрических процессов, протекающих в силовой цепи, разработанных устройств и систем, позволяющий осуществить инженерный расчет и оптимизацию параметров их реактивных элементов. Монография предназначена для специалистов, научных работников и аспирантов, специализирующихся в области создания малогабаритных автономных устройств и систем силовой электроники.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение .................................................................................................................. 7
Глава 1. Принципы построения полупроводниковых преобразова-
телей постоянного напряжения на основе СПК ........................... 11
1.1. Преобразователи с переключаемыми конденсаторами ....................... 11
1.2. Преобразователи с переключающимися конденсаторами .................. 19
1.3. Преобразователи с мягкой коммутацией.............................................. 21
Выводы ........................................................................................................... 37
Глава 2. Нерегулируемые полупроводниковые преобразователи
постоянного напряжения на основе резонансных СПК ............. 39
2.1. Концепция построения полупроводниковых ППН (РСПК) ............... 39
2.2. Многотактные повышающие ППН (РСПК) ......................................... 45
2.2.1. Принципы построения и анализ функционирования ................... 45
2.2.2. Анализ электрических процессов в многотактных повы-
шающих ППН (РСПК) .................................................................... 50
2.2.3. Анализ влияния числа тактов преобразования повышаю-
щего ППН (РСПК) на его массогабаритные показатели ............. 73
2.3. Квазирезонансные повышающие ППН (СПК) ..................................... 78
2.4. Понижающие ППН (РСПК) ................................................................... 87
2.4.1. Принцип построения и анализ функционирования пони-
жающих ППН (РСПК) .................................................................... 87
2.4.2. Анализ электрических процессов в многотактных понижа-
ющих ППН (РСПК) ......................................................................... 92
2.5. Двунаправленные ППН (РСПК) .......................................................... 100
2.6. Многотактные ППН (РСПК) с выходным напряжением отри-
цательной полярности .......................................................................... 103
2.7. Повышающие каскадные ППН (РСПК) .............................................. 106
2.8. Понижающие каскадные ППН (РСПК) .............................................. 122
2.9. Частотный метод КФС спектрального анализа входных и вы-
ходных токов многотактных ППН (РСПК) ........................................ 130
2.9.1. Спектральный анализ входного и выходного тока много-
тактного повышающего ППН (РСПК) ........................................ 130
2.9.2. Спектральный анализ входного и выходного тока много-
тактного понижающего ППН (РСПК) ......................................... 139
Выводы ................................................................................................................ 143
Глава 3. Многоуровневые регуляторы постоянного напряжения
на основе СПК ................................................................................... 145
3.1. Введение. Концепция построения МРПН .......................................... 145
3.2. Ступенчатые МРПН (СПК) ................................................................. 148
3.3. Повышающие квазирезонансные МРПН (СПК) ................................ 153
3.3.1. Повышающие однотактные квазирезонансные МРПН (СПК) . 153
3.3.2. Повышающие двухтактные квазирезонансные МРПН (СПК) . 161
3.4. Двунаправленные квазирезонансные МРПН (СПК) ......................... 165
3.5. Каскадные квазирезонансные РПН (СПК) ......................................... 175
3.6. МРПН (РСПК) с секционированным источником............................. 180
3.6.1. Двунаправленные двухуровневые РПН (СИ) ............................ 184
3.6.2. Двунаправленные трехуровневые РПН (СИ) ............................. 190
3.6.3. Минимизация коэффициентов гармоник входного и вы-
ходного тока трехуровневого РПН (СИ) .................................... 194
3.6.4. Работа трехуровневого РПН (СИ) в режиме рекуперации ........ 201
3.6.5. Трехуровневые РПН (СИ) со средней точкой ............................. 205
3.7. Понижающие МРПН (РСПК) с секционированным источником ..... 208
Выводы ........................................................................................................... 215
Глава 4. Многоуровневые системы электроснабжения постоянного
тока на основе управляемых РСПК .............................................. 217
4.1. Введение. Концепция построения и функционирования
МСЭПТ ................................................................................................... 217
4.2. Повышающие двухуровневые СЭПТ .................................................. 219
4.3. Повышающие трехуровневые СЭПТ ................................................... 224
4.4. Минимизация коэффициента гармоник входного и выходного
тока повышающей двухуровневой СЭПТ .......................................... 235
4.5. Минимизация коэффициента гармоник входного тока трех-
уровневой СЭПТ ................................................................................... 242
4.6. Понижающие МСЭПТ .......................................................................... 250
Выводы .......................................................................................................... 251
Глава 5. Многоуровневые системы обмена электрической энергией
постоянного тока на основе РСПК ................................................ 253
Введение ....................................................................................................... 253
5.1. Двухуровневые СОЭ ............................................................................ 254
5.2. Анализ электрических процессов в силовой цепи ДПМ двух-
уровневой СОЭ ..................................................................................... 258
5.3. Многотактные двухуровневые СОЭ ................................................... 278
5.4. Трехуровневые СОЭ ............................................................................. 283
5.5. Инженерный метод расчета входных и выходных токов СОЭ ........ 285
5.6. Регулируемые СОЭ ............................................................................... 291
5.6.1. Регулируемые СОЭ на основе АИМ ............................................ 293
5.6.2. Регулируемые СОЭ на основе ШИМ ........................................... 298
Выводы ........................................................................................................... 303
Глава 6. Многоуровневые автономные инверторы напряжения и уси-
лители звуковых сигналов на основе управляемых СПК ........ 305
6.1. Принципы построения АИН с ШИМ управлением ........................... 305
6.2. АИН-усилитель мощности класса D и DG ......................................... 309
6.3. Трехуровневый АИН-усилитель мощности класса DG с вольт-
добавкой ................................................................................................. 313
6.4. Инверторные системы энергоснабжения автономных объектов
с распределенной нагрузкой ............................................................... 327
6.5. Трехуровневый УЗС класса DG с вольтдобавкой ............................. 332
Выводы ......................................................................................................... 341
Глава 7. Электронные трансформаторы на основе СПК ......................... 343
Введение ....................................................................................................... 343
7.1. Нерегулируемые резонансные ЭСТ .................................................... 345
7.1.1. Нерегулируемые однотактные ЭСТ ............................................. 345
7.1.2. Нерегулируемые многотактные ЭСТ ........................................... 348
7.1.3. Нерегулируемые каскадные ЭСТ ................................................. 352
7.2. Регулируемые квазирезонансные ЭСТ ................................................ 356
7.2.1. Однотактные регулируемые ЭСТ ................................................. 356
7.2.2. Многотактные регулируемые ЭСТ .............................................. 367
7.3. Регулируемые каскадные ЭСТ ............................................................. 372
7.3.1. Регулируемые однотактные каскадные ЭСТ .............................. 372
7.3.2. Регулируемые многотактные каскадные ЭСТ ............................ 375
Выводы .......................................................................................................... 377
Заключение .......................................................................................................... 378
Список сокращений ............................................................................................ 380
Библиографический список ............................................................................... 382