Матрично-топологічний синтез структур вентильних перетворювачів

•DP1L та DP2L – перший топологічний критерій працездатності забезпечує можливість взаємообміну елемента L з будь-яким з ключів P1 и P2 в обрамленні ГТМ. Отже, на перетині рядків P1, P2 та стовпця L повинні знаходитись ненульові елементи;

•VAR – заповнення вакансій незалежними логічними змінними, що позначаються великими буквами латинського алфавіту.

Зауважимо, якщо m32=0, що відповідає закорочуванню обмотки АТ ключем P2, то m31= np для того, щоб закорочувалась саме регулююча обмотка Wp з метою запобігання викривлення форми вихідної напруги за рахунок індуктивностей розсіяння АТ. В цьому разі створюється контур G-P2-E внаслідок додавання по модулю 2 першого та третього рядків ГТМ.

При m32=1 забезпечується виконання другого топологічного критерію працездатності у ввімкнутому стані ключа P2 та повинно бути m31 np для запобігання закорочування навантаження ключем P2. Множину варіантов дозволеного заповнення позиції 31 утворює набір {nx, nx+np, nx+1}, де nx=WX /W1 – коефіцієнт трансформації, що відповідає додатковій обмотці WX автотрансформатора. В результаті маємо 4 варіанти заповнення ГТМ, наведені на рис. 3.

 

Їм відповідають схеми а)... г) на рис. 8, в яких фазування обмоток АТ здійсненено таким чином, що ввімкнутий стан ключа P1 призводить до зростання амплітуди вихідної напруги. Схеми а) та б) відомі, варіанти в) та г) розширюють схемотехніку цього класу перетворювачів при - = 2.

 

Процедура синтезу при зростанні числа ключів до чотирьох (- = 4) дозволила виявити нові схеми перетворювачів, приведені на рис. 8д та рис. 8є. При цьому схема д) володіє позитивною властивістю – меншою встановленою потужністю АТ у порівнянні зі схемою є), оскільки обмотка Wx створена частиною первинної обмотки W1.

В результаті застосування матрично-топологічної теорії побудови ВП розроблено методики синтезу та одержано набори схем однокаскадних інверторів, двоінтервальних однотактних перетворювачів постійної напруги, безпосередніх перетворювачів частоти (БПЧ). Виявлено нові схеми: однокаскадних інверторів – дві, двоінтервальних однотактних перетворювачів постійної напруги без гальванічної розвязки – дві та три схеми шестипульсних БПЧ, що свідчить про ефективність розробленого методу синтезу. Подальший аналіз показав, що більшість з нових схем має деякі переваги у порівнянні з відомими. Це дає підстави рекомендувати запропонований метод структурного синтезу для використання в патентних дослідженнях.

В четвертому розділі напрямок схемного пошуку обмежено перетворювачами постійної напруги в постійну – однотактними, двотактними та квазірезонансними. При цьому матрично-топологічний метод синтезу застосовується в різновиді цілеспрямованого перебору та для підсхем.

Для двотактних перетворювачів отримано макромодель з виділеними підсхемами інвертора та випрямляча. Матрично-топологічний комбінаторний перебір способів їх з’єднання з навантаженням та вхідним джерелом дає 5 відомих варіантів. Для отримання регульованого двотактного перетворювача постійної напруги в нерегульований двотактний конвертор вводяться додаткові елементи, а період його роботи містить чотири інтервали сталості структури. Здійснено синтез повного набору схем для випадку, коли - = 6, в перетворювачі здійснюється попарна комутація вентилів (-oi = 4), електромагнітні процеси в згладжувальному L1C1-фільтрі відповідають перетворювачу знижувального типу, має місце гальванічна розв’язка вхідних та вихідних кіл за допомогою трансформатора L2, причому первинна обмотка дроселя L1 розташована у вхідній підсхемі. Цей набір містить 4 відомі схеми.

Розроблено методику синтезу достатньо широкого класу однотактних перетворювачів з гальванічною розв'язкою, у яких = - – 1 (неповна кількість конденсаторів). До них, зокрема, належить прямоходовий перетворювач з розмагнічувальною обмоткою (- = 2, = 1). В цих ВП один з багатообмоткових індуктивних елементів – трансформатор при зміні тривалості керуючих імпульсів працює в режимі преривчастого магнітного потоку, в той час як осердя інших індуктивних елементів незалежно розмагнічуються напругами на відповідних конденсаторах в режимі безперервного магнітного потоку. В результаті кількість інтервалів сталості структури перетворювача зростає до трьох, причому на третьому інтервалі струм намагнічування трансформатора дорівнює нулю, що дає підставу відокремити вказані перетворювачі в окремий підклас ВП  триінтервальних однотактних перетворювачів з неповною кількістю конденсаторів. Синтезований повний набір схем цих перетворювачів з двома БІЕ та одним конденсатором нараховує 7 схем, три з яких отримано вперше. Деякі з винайдених схем мають переваги у порівнянні з відомими за к. к. д. та встановленою потужністю трансформатора.

Як відомо, квазірезонансні перетворювачі (КРП), транзистори яких працюють в режимі переключення при нульовому струмі (ПНС) або при нульовій напрузі (ПНН), дозволяють підвищити частоту комутації до декількох мегагерц, істотно поліпшити масогабаритні показники перетворювача та його електромагнітну сумісність. Вказані фактори роблять КРП дуже перспективним класом перетворювачів постійної напруги, і актуальним є отримання повних наборів квазірезонансних схем. Методику синтезу основано на формалізації здатності КРП поєднувати в собі властивості широтно-імпульсних і резонансних перетворювачів. Від ШІМ-перетворювачів вони переймають принцип накопичення енергії в реактивних елементах схеми з наступною передачею її в наватаження, а від резонансних  додатковий LРCР -контур, що забезпечує синусоїдальну форму струму або напруги ключа. Властивості ШІМ-перетворювачів враховуються макромоделлю базової схеми у вигляді ГТМ і топологічно перебираються всі можливі способи підключення додаткових реактивних елементів LРCР..

Для базової схеми широтно-імпульсного перетворювача Кука-Полікарпова синтезовано наступні ГТМ, що описують схемні рішення КРП-ПНС (рис. 9а) і КРП-ПНН (рис. 9б).

 

 Рис. 9

 

Комбінаторний перебір значень незалежних