Быстродействующие импульсные стабилизаторы напряжения

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ  И  НАУКИ  РОССИЙСКОЙ  ФЕДЕРАЦИИ 
 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
В. И. Иванчура, Д. В. Капулин, Ю. В. Краснобаев 
 
 
БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЕ  ИМПУЛЬСНЫЕ 
СТАБИЛИЗАТОРЫ  НАПРЯЖЕНИЯ 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2011 

УДК 621.316.722 
ББК 32.88.4 
И23 
 
 
Рецензенты: 
А. Н. Ловчиков, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой информатики  
и вычислительной техники ГОУ ВПО «Сибирский государственный 
аэрокосмический университет им. акад. М. Ф. Решетнёва»; 
В. С. Кудряшов, д-р техн. наук, проф., зам. нач. отдела ОАО «Информационные спутниковые системы им. акад. М. Ф. Решетнёва» 
 
 
Иванчура, В. И. 
И23 
 
Быстродействующие импульсные стабилизаторы напряжения : 
монография / В. И. Иванчура, Д. В. Капулин, Ю. В. Краснобаев. – 
Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2011. – 172 с. 

ISBN 978-5-7638-2317-2 
 
 
Рассмотрены особенности импульсных стабилизаторов напряжения с оптимальным по быстродействию управлением в составе систем электроснабжения автономных объектов. Разработана универсальная амплитудноимпульсная модель силовых цепей импульсных стабилизаторов напряжения 
постоянного тока. На ее основе излагается методика синтеза оптимального 
по быстродействию закона управления модулями. Подробно представлена 
реализация синтезированных законов с использованием аналоговых и дискретных решений. Приведены результаты экспериментальных исследований 
с использованием программного схемотехнического моделирования. 
Предназначена для научных и инженерно-технических работников, занимающихся проектированием, разработкой и созданием систем электроснабжения, а также для аспирантов и студентов, обучающихся по направлению подготовки «Управление и информатика в технических системах». 
 
УДК 621.316.722 
ББК 32.88.4 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7638-2317-2                                Сибирский федеральный университет, 2011 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
 
Введение ........................................................................................................  
5 
 
Глава 1. Синтез и исследование оптимальных по быстродействию 
законов управления импульсными стабилизаторами ........  
7 
1.1. Универсальная амплитудно-импульсная модель силовых 
цепей импульсных стабилизаторов ...........................................  
7 
1.2. Синтез оптимального по быстродействию закона управления импульсными стабилизаторами ..........................................  13 
1.3. Влияние нагрузки на оптимальный по быстродействию закон управления ............................................................................  20 
1.4. Динамические характеристики быстродействующих импульсных стабилизаторов ...........................................................  26 
 
Глава 2. Реализация синтезированных законов управления в импульсных стабилизаторах напряжения с учетом специфики аналоговой схемотехники ...............................................  36 
2.1. Адаптация закона управления ИСН понижающего типа  
к изменению входного напряжения...........................................  39 
2.2. Адаптация закона управления ИСН повышающего типа  
к изменению входного напряжения...........................................  41 
2.3. Адаптация закона управления ИСН инвертирующего типа  
к изменению входного напряжения...........................................  43 
2.4. Синтез устройства управления ИСН..........................................  44 
2.5. Определение параметров динамического наблюдателя напряжения на емкости конденсатора выходного фильтра ........  46 
2.6. Определение параметров интегратора сигнала рассогласования по напряжению .................................................................  47 
2.7. Описание модели ИСН понижающего типа ..............................  50 
2.8. Описание модели ИСН повышающего типа .............................  56 
2.9. Уточнение значения постоянной времени T0 апериодического звена, реализующего ДНН .....................................................  60 
2.10. Определение ограничений на величину коэффициента усиления Kр интегратора сигнала рассогласования по напряжению ...  63 
2.11. Методика определения частотных характеристик выходного импеданса ИСН .......................................................................  70 
 
Глава 3. Реализация непрерывного закона управления импульсными стабилизаторами напряжения в устройстве управления с дискретным принципом работы ...............................  75 
3.1. Особенности цифрового управления процессами ....................  75 
3.2. Структурная схема дискретного устройства управления ИСН ...  78 

3.3. Дискретизация сигналов. Восстановление непрерывного 
сигнала по отдельным отсчетам ................................................  79 
3.4. Определение адекватного количества интервалов дискретизации .............................................................................................  82 
3.5. Описание моделей ИСН с дискретным управлением ..............  86 
3.6. Исследование работоспособности ИСН с дискретным 
управлением при различном количестве интервалов дискретизации ..........................................................................................  103 
3.6.1. Анализ работы экстраполятора информационных 
сигналов .............................................................................  104 
3.6.2. Исследование переходных процессов в ИСН понижающего типа ...................................................................  115 
3.6.3. Исследование переходных процессов в ИСН повышающего типа ...................................................................  121 
3.7. Исследование частотных характеристик модуля выходного 
импеданса ИСН с дискретным управлением ............................  128 
3.8. Дискретизация опорного сигнала ШИМ ...................................  133 
 
Глава 4. Реализация устройства управления быстродействующим 
импульсным стабилизатором по дискретным значениям 
переменных состояния ...............................................................  139 
4.1. Алгоритм обработки дискретных значений переменных состояния ..........................................................................................  141 
4.2. Моделирование процессов в ИСН с управлением по дискретным значениям переменных состояния .............................  144 
4.3. Исследование модуля выходного импеданса ИСН с управлением по дискретным значениям переменных состояния ....  153 
 
Заключение ...................................................................................................  156 
 
Библиографический список ......................................................................  158 
 
Приложения ..................................................................................................  160 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 
Источники вторичного электропитания (ИВЭП) широко применяются в различных устройствах для передачи электроэнергии от ее источников 
и накопителей к потребителям при обеспечении необходимых параметров. 
Они осуществляют преобразование таких характеристик электрической 
энергии, как род тока, номинал напряжения и частоты, число выходных 
каналов и число фаз. Разработчики аппаратуры, в состав которой входят 
ИВЭП, как правило, предъявляют к ним широкий ряд требований, обычно 
включающий требования по массе и габаритам, КПД, надежности, ремонтопригодности и стоимости.  
Если ИВЭП решает задачу передачи электроэнергии от ее источников к потребителям, требующим электропитания стабилизированным напряжением постоянного тока, то в состав такого ИВЭП входит стабилизатор напряжения, регулирующий элемент которого может работать  
в непрерывном или импульсном режимах. В качестве регулирующего элемента в современных стабилизаторах  обычно  используются  транзисторы. 
Стабилизаторы напряжения с регулирующим элементом, работающим в непрерывном режиме, позволяют обеспечить низкий уровень пульсаций и высокую стабильность напряжения на выходе ИВЭП в статическом режиме работы и малые амплитуду и длительность отклонения 
выходного напряжения в динамических режимах работы, вызванных коммутацией потребителей энергии. Такие стабилизаторы имеют и ряд недостатков. Важнейший из них – низкий КПД, вследствие чего требуется,  
во-первых, решение задачи по отводу тепла от регулирующего элемента 
стабилизатора и, во-вторых, увеличение мощности первичного источника 
энергии, питающего ИВЭП. Всё это увеличивает массу, габариты и стоимость как ИВЭП, так и изделия в целом. 
Стабилизаторы напряжения с регулирующим элементом, работающим в импульсном режиме, – импульсные стабилизаторы напряжения 
(ИСН) имеют высокий КПД, низкие удельные значения массы, габаритов  
и стоимости. Однако они, как правило, уступают стабилизаторам с непрерывным режимом работы регулирующего элемента по уровню пульсаций 
напряжения на выходе в статическом режиме работы и амплитуде и длительности отклонения выходного напряжения в динамических режимах 
работы.  
При повышенных требованиях к КПД и качеству напряжения на выходе ИВЭП в его состав включают стабилизаторы напряжения, имеющие 
два регулирующих элемента, один из которых работает в импульсном режиме, другой – в непрерывном. Фактически в таком стабилизаторе осуществляется последовательное включение ИСН и стабилизатора с непрерывным режимом работы регулирующего элемента. Причем посредством ИСН 

осуществляется предварительная стабилизация напряжения на уровне,  
незначительно превышающем требуемый уровень напряжения на выходе 
ИВЭП, а окончательная стабилизация напряжения на требуемом уровне  
и с высоким качеством обеспечивается стабилизатором с непрерывным 
режимом работы регулирующего элемента. Благодаря малому уровню падения напряжения на регулирующем элементе обеспечивается относительно высокий КПД непрерывного стабилизатора.  
Совмещение достоинств ИСН и непрерывных стабилизаторов в одном стабилизаторе позволяет улучшить ряд его характеристик, но существенно усложняет схемотехнику, что в конечном итоге приводит к удорожанию стабилизатора и снижению его надежности и ремонтопригодности. 
Поэтому такие стабилизаторы находят ограниченное применение.  
В то же время совершенствование ИСН позволяет существенно 
улучшить их динамические и статические характеристики и приблизить  
их к уровню, обеспечиваемому непрерывными стабилизаторами. Это достигается, во-первых, за счет применения современной элементной базы  
и схемотехнических решений, позволяющих поднять частоту переключения силовых транзисторов до нескольких сотен килогерц и, во-вторых,  
за счет применения новых законов управления регулирующим элементом, 
позволяющих минимизировать длительность переходных процессов. 
Настоящая монография посвящена исследованию особенностей импульсных стабилизаторов напряжения с оптимальным по быстродействию 
управлением в составе систем электроснабжения автономных объектов.  
В первой главе монографии рассматривается методика синтеза законов управления ИСН с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), основанная на теории систем автоматического управления с амплитудноимпульсной модуляцией (АИМ). Для ИСН с тремя основными топологиями 
силовых цепей – понижающего, повышающего и инвертирующего типов – 
осуществляется синтез последовательного корректирующего устройства, 
обеспечивающего ИСН минимальную конечную длительность переходных 
процессов при возмущающих воздействиях в виде ступенчатых изменений 
тока нагрузки и входного напряжения. Приводятся результаты исследований динамических характеристик ИСН с использованием амплитудноимпульсной модели. 
Вторая, третья и четвертая главы монографии посвящены вопросам 
реализации синтезированного закона управления ИСН с ШИМ. Рассмотрены варианты реализации закона управления по мгновенным и дискретным значениям координат состояния. Первый вариант реализации предполагает использование аналоговых схемотехнических решений при 
построении ИСН, второй вариант предназначен для создания устройств 
управления ИСН на основе микроконтроллерной техники. 

Глава 1 

 
СИНТЕЗ  И  ИССЛЕДОВАНИЕ   
ОПТИМАЛЬНЫХ  ПО  БЫСТРОДЕЙСТВИЮ   
ЗАКОНОВ  УПРАВЛЕНИЯ  ИМПУЛЬСНЫМИ  СТАБИЛИЗАТОРАМИ 
 
 
1.1. Универсальная амплитудно‐импульсная модель  
силовых цепей импульсных стабилизаторов 
 
При создании ИСН с широтно-импульсной модуляцией в системах 
электропитания автономных объектов на первый план выдвигается задача 
исследования динамических характеристик и формирования оптимальных 
по быстродействию законов управления в режиме «малого» сигнала. Используя обоснованный в [1] подход, можно проводить исследование динамики по непрерывным моделям для полезных составляющих процессов,  
а «искажения квантования», вносимые ШИМ, и их влияние оценивать  
по стационарному периодическому режиму для соответствующих уровней 
полезных составляющих. При синтезе систем по таким непрерывным моделям не используются возможности импульсного регулирования. 
Другие подходы предполагают учет дискретной природы процессов 
в системах с ШИМ посредством сведения к моделям с амплитудноимпульсной модуляцией [2], либо к моделям с переменной структурой  
в пространстве состояний [3]. Недостатком моделей в переменных состояния является отсутствие общей теории синтеза законов управления при заданных критериях качества. Частная задача синтеза матрицы управления 
преобразователей с ШИМ при конечной длительности процессов решена  
в [4]. Большие возможности при решении задач синтеза открывает метод,  
изложенный в [5], основанный на вычленении из общего процесса некоторого стационарного процесса, соответствующего неизменной длительности 
импульсов управления, и процесса регулирования, обусловленного отклонением длительности импульсов управления от стационарного значения. 
Из всех известных подходов к синтезу законов управления, обеспечивающих ИСН с ШИМ высокое быстродействие при стабилизации выходного напряжения, особый интерес представляет метод [6], заключающийся: 
• в представлении силовых цепей стабилизаторов с ШИМ в режиме 
малых отклонений адекватной амплитудно-импульсной моделью по регулируемым составляющим процессов; 
• в синтезе закона управления с использованием полиномиальных 
уравнений [7] синтеза систем с АИМ; 
• в реализации синтезированного закона управления в ИСН с учетом 
специфики ШИМ. 

Этот метод позволил его авторам синтезировать закон управления, 
обеспечивающий минимальную конечную длительность переходных процессов в ИСН с силовой цепью понижающего типа (ИСН ПН), приведенном на рис. 1.1, а. Такой закон назван авторами оптимальным по быстродействию, а ИСН с таким законом управления – быстродействующим. 
В то же время авторы этого метода не смогли применить его для 
синтеза оптимальных по быстродействию законов управления для ИСН 
ПН с модифицированной силовой цепью (рис. 1.1, б), для ИСН с силовой 
цепью повышающего типа (ИСН ПВ, рис. 1.2, а) и ее модификации 
(рис. 1.2, б), для ИСН с силовой цепью инвертирующего типа (ИСН ИН, 
рис. 1.3, а) и ее модификации (рис. 1.3, б), для двухтактного (рис. 1.4)  
и однотактного преобразователей. Это объясняется тем, что для указанных 
выше ИСН и стабилизированных преобразователей не были найдены амплитудно-импульсные модели по регулируемым составляющим координат 
состояния и способы выделения регулируемых составляющих координат 
состояния из общего процесса их изменения. 
На практике широко применяются ИСН и стабилизированные преобразователи всех рассматриваемых типов и модификаций. Определим 
для них амплитудно-импульсные модели по регулируемым составляющим координат состояния и способы выделения регулируемых составляющих координат состояния. 
 

 
 

 

+Uвх 
+Uвых 
VD
L

Cвх 
C 
K

+Uвх 
+Uвых 
VD
L

Cвх 

 
C
K
ω1 

ω2 

а 
б 

Рис. 1.2. Силовые цепи ИСН ПВ 

+Uвх 
+Uвых 

VD 

L 

Cвх 
C 

K 
+Uвх 
+Uвых 

VD 

L 

Cвх 
C 

K 

ω2 

ω1 

а 
б 
Рис. 1.1. Силовые цепи ИСН ПН 

Под регулируемыми составляющими процесса понимают отклонения переменных ИСН от их значений в стационарном режиме, обусловленные приращением текущей длительности импульса tи.р относительно 
стационарной длительности tи.ст. Рассмотрим выделение регулируемой составляющей на примере процессов в ИСН с силовой цепью повышающего 
типа. Для этого из общего процесса в ИСН ПВ с ШИМ вычленим стационарный процесс, соответствующий неизменной (стационарной) длительности tи.ст импульсов управления регулирующим элементом (РЭ), и процесс 
регулирования, обусловленный приращением длительности tи импульса 
управления на величину tи.р относительно стационарной длительности tи.ст. 
Полезную информацию о процессе регулирования несут только регулируемые составляющие. Поэтому для процесса регулирования в режиме малых отклонений, когда tи.р << T, где Т – период преобразования, переход  
от системы с ШИМ к системе с АИМ осуществим путем замены регулируемой составляющей импульсов напряжения uL р(t), воздействующих  
со стороны регулирующего элемента на дроссель и имеющих длительность 
tи.р(t), эквивалентными по вольт-секундной «площади» δ-функциями. 
В качестве примера на временных диаграммах (рис. 1.5) приведен 
процесс изменения напряжения uL(t) и тока iL(t) дросселя L и напряжения 

+Uвх 

+Uвых 
VD1 
L 

Cвх 

C 

K1 
K2 

ω1 

ω2 
VD2 

TV 

Рис. 1.4. Силовая цепь двухтактного преобразователя 

+Uвх 
–Uвых 
VD

L

Cвх 
C 

K

ω2 

ω1 

б 
Рис. 1.3. Силовые цепи ИСН ИН 

+Uвх 
–Uвых 
VD

L
Cвх 
C 

K

а 

uC(t) на емкости конденсатора С в схеме на рис. 1.2, а с разделением на регулируемую (помечена индексом «р») и стационарную (помечена индексом «ст») составляющие. В качестве нагрузки ИСН принят источник тока, 
что позволяет не учитывать влияние нагрузки на регулируемые составляющие. Влияние реальной нагрузки  рассмотрено  ниже,  в  параграфе 1.3. 
Во всех схемах регулируемая составляющая напряжения uL p(t)  
на дросселе L имеет вид двухполярных импульсов с амплитудой uL p.a(t)  
и длительностью tи.p(t) (см. рис. 1.2, а). Амплитуда uL p.a(t) регулируемой 
составляющей напряжения определяется как разность напряжений uL нак(t) 
и uL рас(t) на дросселе L на интервалах накопления и расходования энергии 
дросселя:  
 
 
)
(
)
(
)
(
рас
 
нак
 
p.a
 
t
u
t
u
t
u
L
L
L
−
=
. 
(1.1) 

 
Например, на интервале накопления энергии ключ K включен и в ИСН повышающего и инвертирующего типов uL нак(t) = uвых(t). На интервале расходования энергии ключ K выключен и в ИСН повышающего типа 
uL pас(t) = uвх(t) − Uвых, а в ИСН инвертирующего типа uL pас(t) = −Uвых, где 
uвх(t) и Uвых – напряжения на входе и выходе ИСН соответственно. Следовательно, в повышающем ИСН 
 

вых
рас
 
нак
 
р.a
 
)
(
)
(
)
(
U
t
u
t
u
t
u
L
L
L
=
−
=
, 

 
в инвертирующем – 
 

вых
вх
рас
 
нак
 
р.a
 
)
(
)
(
)
(
)
(
U
t
u
t
u
t
u
t
u
L
L
L
+
=
−
=
. 

 
Аналогично, с использованием (1.1), определены амплитуды uL p.a(t) 
регулируемых составляющих напряжения на дросселе для всех рассматриваемых схем. Особенность определения uL p.a(t) для схем с автотрансформаторным включением дросселя состоит в том, что амплитуда uL p.a(t) определяется как амплитуда напряжения не на всем дросселе, а на его части  
с числом витков ω2, которая через диод VD подключается к конденсатору 
С и выходу ИСН [8]. При этом 
 
 
)
(
)
(
тр
нак
 
t
u
K
t
u
L
L
=
, 
(1.2) 

 
где 
тр
K
 – коэффициент трансформации; 

 

тр
2
1;
K
= ω
ω  

 
uL(t) – напряжение, приложенное ко всему дросселю L на интервале накопления энергии.