Энергоэффективные устройства и системы силовой электроники на основе структур с переключаемыми конденсаторами

 
 
 
 
 
 
РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ 
СЕРИИ «МОНОГРАФИИ НГТУ» 
 
 
д-р техн. наук, проф. (председатель)  А.А. Батаев 
д-р техн. наук, проф. (зам. председателя)  А.Г. Вострецов 
д-р техн. наук, проф. (отв. секретарь)  В.Н. Васюков 
 
д-р техн. наук, проф. А.А. Воевода 
д-р техн. наук, проф. В.И. Денисов 
д-р физ.-мат. наук, проф. А.К. Дмитриев 
д-р физ.-мат. наук, проф. В.Г. Дубровский 
д-р филос. наук, проф. В.И. Игнатьев 
д-р физ.-мат. наук, проф. О.В. Кибис 
д-р социол. наук, проф. Л.А. Осьмук 
д-р техн. наук, проф. Н.В. Пустовой 
д-р техн. наук, проф. Г.И. Расторгуев 
д-р физ.-мат. наук, проф. В.А. Селезнев 
д-р техн. наук, проф. Ю.Г. Соловейчик 
д-р техн. наук, проф. А.А. Спектор 
д-р техн. наук, проф. А.Г. Фишов 
д-р экон. наук, проф. М.В. Хайруллина 
д-р техн. наук, проф. В.А. Хрусталев 
д-р техн. наук, проф. А.Ф. Шевченко 
 
 
 

УДК 621.314.2:621.319.4 
З-882 

Рецензенты: 
Заслуженный деятель науки РФ, д-р техн. наук,  
профессор В.Ф. Дмитриков 
академик РАЕН, д-р техн. наук Б.Ф. Симонов 
д-р техн. наук, профессор С.П. Халютин 
д-р техн. наук, профессор С.А. Харитонов 
 
Зотов Л.Г. 
З-882  
Энергоэффективные устройства и системы силовой электроники на основе структур с переключаемыми конденсаторами : 
монография / Л.Г. Зотов. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2020. – 
403 с. – (Монографии НГТУ). 

ISBN 978-5-7782-4243-2 

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 дросселей. 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.  
 
УДК 621.314.2:621.319.4 
 
ISBN 978-5-7782-4243-2 
© Зотов Л.Г., 2020 
 
© Новосибирский государственный 
 
технический университет, 2020 

УДК 621.314.2:621.319.4 
З-882 

Reviewers: 
Professor V.F. Dmitriev, D.Sc. (Eng.), RF Honoured Sciensist 
B.F. Simonov, D.Sc. (Eng.), Member of RANS  
Professor S.P. Khalyutin, D.Sc. (Eng.),  
Professor S.A. Kharitonoov, D.Sc. (Eng.), 
 
 
Zotov L.G. 
З-882  
Power-eficient power electronics devices and systems based on 
structures with switched capacitors : monograph / L.G. Zotov. – Novosibirsk : NSTU Publisher, 2020. – 403 p. – (NSTU Monographs). 

ISBN 978-5-7782-4243-2 

The monograph describes the design principles and control algorithms 
of a new class of power-efficient power electronics devices and systems 
based on resornance structures with switched capacitors. The reduction in 
their weight and volume is explained by more than two-order better specific energy characterisics of modern multi-layer ceramic capacitors 
compared to similar characteristics of transformers and chokes. The concept of their updating proposed in the monograph provides an additional 
improvement of energy and weight-and-dimentional characteristics and is 
based on the fundamental principles of time and space symmetry.A detailed analysis of electric processes occurring in the power circuit of the 
proposed devices and systems which allows performing engineering calculations and optimization of their reactive components is carried out. 
The monograph is ntended for specialists, research workers and postgraduate students specializing in the field of compact autonomous devices and systems o power electronics.  
 
 
 
 
 
УДК 621.314.2:621.319.4 
 
ISBN 978-5-7782-4243-2 
© Zotov L.G., 2020 
 
© Novosibirsk State Technical University, 2020 

ÂÂÅÄÅÍÈÅ 

 
7 

 
 
 
 
 
 
 
 
ÂÂÅÄÅÍÈÅ 
 
рогресс в решении научно-технической проблемы комплексного улучшения энергетических и массогабаритных показателей автономных устройств и систем силовой электроники (СЭ) может 
быть достигнут c помощью применения новых принципов преобразования электрической энергии, обеспечивающих широкое внедрение 
современных методов гибридно-интегральной технологии. 
Перспективным направлением решения данной задачи является 
применение полупроводниковых преобразователей постоянного и переменного напряжения (ППН) на основе резонансных структур с переключаемыми конденсаторами (РСПК). 
Актуальность, целесообразность и привлекательность такого подхода обусловлена как технологичностью, так и значительным улучшением энергетических и массогабаритных показателей рассматриваемых ППН (РСПК) по сравнению с аналогами на основе трансформаторов и реакторов. 
Улучшение энергетических показателей достигается широким 
применением режима мягкой коммутации используемых в них транзисторных ключей (ТК) типа MOSFET. Улучшение массогабаритных показателей ППН (РСПК) объясняется многотактным принципом их построения, обеспечивающим благодаря децентрализации увеличение 
частоты преобразования до значений 
п
100
f

кГц и низкими удель
ными энергетическими показателями порядка 

3
см
 40 Дж
VC
k










 совре
менных многослойных керамических конденсаторов.  
 

Ï 

 

Отметим, что аналогичный показатель для дросселей с ферритовым 

сердечником, имеющий величину порядка 

3
3
см
3.77 10  Дж
VL
k











, ока
зывается на два порядка хуже.  
В утилитарном смысле необходимость исследования и целесообразность применения многотактных ППН (РСПК) в автономных 
устройствах и системах силовой электроники обусловлена перспективой их построения по многотактному принципу, позволяющему в сочетании с разработанными алгоритмами управления отдельными модулями достичь ряда синергетических (сверхсуммарных) эффектов по 
комплексному улучшению энергетических и массогабаритных показателей. 
1. Первый эффект заключается в увеличении КПД и улучшении 
массогабаритных показателей преобразователя благодаря мягкой коммутации (МК) его полупроводниковых элементов (ПЭ). Эффект объясняется не только снижением динамических потерь мощности в ПЭ при 
их переключении, но и сопутствующим МК улучшением их частотных 
свойств [86]. Результатом является увеличение частоты преобразования ППН (РСПК) −
пf , обеспечивающее улучшение его массогабаритных показателей. 
2. Второй эффект возникает благодаря кусочно-синусоидальной 
форме импульсов входного и выходного тока каждого из k преобразовательных модулей (ПМ) в составе ППН (РСПК). Он проявляется в 
виде 2k-кратного разрежения спектра и четырехкратного снижения 
коэффициента гармоник его суммарного входного и выходного тока,  
а также в улучшении массогабаритных показателей за счет уменьшения 
величины емкости выходного сглаживающего конденсатора в 2k раз. 
3. Третий эффект состоит в улучшении массогабаритных показателей многотактного ППН (РСПК) за счет дополнительного увеличения 
его частоты преобразования ввиду снижения мощности применяемых 
ПЭ в k раз.  
4. Четвертый эффект заключается в создании условий для применения перспективной гибридно-интегральной технологии при производстве многотактных ППН (РСПК), поскольку керамический конденсатор является наиболее технологичным элементом современной электроники. 

ÂÂÅÄÅÍÈÅ 

 
9 

С фундаментальной точки зрения указанные эффекты возникают 
благодаря реализованной возможности увеличения порядка дискретной временнóй симметрии электрических процессов, протекающих в 
силовой цепи рассматриваемого типа преобразователей при их функционировании.  
Основной гносеологический вывод по результатам проведенного 
исследования заключается в том, что проблема комплексного улучшения показателей качества устройств и систем силовой электроники на 
основе СПК, наряду с использованием достижений современной технологии, эффективно решается повышением показателей дискретной 
временнóй симметрии электрических процессов, протекающих в их 
силовой цепи.  
Необходимо отметить, что значительный вклад в решение проблемы повышения энергоэффективности устройств и систем СЭ на основе 
СПК, улучшения их массогабаритных показателей внесли следующие 
отечественные и зарубежные ученые и специалисты: 
В.К. Аркадьев, Н.В. Баклин, Б.П. Терентьев, Б.С. Александрович, 
Л.М. Браславский, А.М. Сажнев, В.Г. Кобылянский, Г.С. Зиновьев, 
А. Кушнеров, E. Marx, J.K. Dickson, G.B. Gunn, M. Kisco, I.M. Marzolf, 
M.D. Seeman, S.R.Sanders, F. Ueno, I. Oota, I. Xarada и Fang Zheng Peng. 
Заметное влияние на формирование концепции построения регулируемых ППН (РСПК) оказали работы отечественных ученых А.В. Кобзева, Г.Я. Михальченко, Н.М. Музыченко и американского исследователя Кука (Slobodan M. Cuk). 
В монографии рассмотрены следующие устройства и системы СЭ 
на основе РСПК:  
1) нерегулируемые повышающие, понижающие, одно- и двунаправленные многотактные ППН;  
2) многоуровневые одно- и двунаправленные регуляторы постоянного напряжения (МРПН);  
3) многоуровневые системы электроснабжения постоянного тока 
(МСЭПТ) с управляемой структурой;  
4) многоуровневые двунаправленные системы обмена электрической энергией (МСОЭ) постоянного тока;  
5) автономные инверторы напряжения (АИН) и усилители звуковых сигналов (УЗС);  
 

6) нерегулируемые и регулируемые электронные силовые трансформаторы напряжения (ЭСТ) переменного тока. 
Монография написана по материалам докторской диссертации, защищенной автором в Томском государственном университете систем 
управления и радиоэлектроники (ТУСУР) в 2018 году.  
Диссертация подготовлена на кафедре электроники и электротехники Новосибирского государственного технического университета 
(НГТУ).  
Автор выражает глубокую признательность и благодарность научному консультанту − доктору технических наук, профессору кафедры 
Г.С. Зиновьеву; заведующему кафедрой − доктору технических наук, 
профессору С.А. Харитонову и коллективу кафедры за многогранную 
помощь, понимание и творческую поддержку.