Новая группа активных инверторов с импедансным источником с меньшим количеством компонентов и сниженным напряжением на активных ключах

Меньше коробки питания с меньшей электрической нагрузкой

От электромобилей до заводских роботов — многие современные машины полагаются на электронные «коробки питания», которые превращают постоянное напряжение батареи в управляемую высоковольтную форму сигнала. Проблема в том, что существующие конструкции часто тратят пространство зря и создают сильную электрическую нагрузку на элементы, что может сократить срок службы и увеличить стоимость. В этой статье предложена новая семейство схем инверторов, которое позволяет получить больше полезного напряжения от того же источника при меньшем нагреве и электрическом напряжении на внутренних компонентах, и всё это в более компактном исполнении.

Почему преобразование постоянного тока в переменный так сложно

Инверторы — это устройства, которые преобразуют постоянный ток от батарей или источников в переменные формы сигнала, пригодные для двигателей, нагревателей и промышленных процессов. Традиционные решения либо только понижают напряжение, либо требуют дополнительной ступени для его повышения, что добавляет габариты и сложность. Популярный обходной путь — так называемый Z-источник (Z-source) — строит специальную входную сеть из катушек и конденсаторов, которая может одновременно повышать и формировать напряжение в одной ступени. Однако многие такие схемы страдают от больших колебаний напряжения на элементах, прерываний входного тока и большого числа громоздких компонентов. Эти недостатки важны в реальных машинах, где критичны размеры, эффективность и надежность.

Новый способ расположения знакомых блоков

Авторы предлагают пять тесно связанных топологий, каждая из которых основана на простой идее: сохранить основной силовой мост, формирующий выходную форму сигнала, но подключить его к «активной импедансной» сети, собранной всего из двух катушек, двух конденсаторов, двух диодов и одного дополнительного ключа. Изменяя место подключения входного источника к этой сети, получают пять вариантов (обозначенных PT1–PT5), которые по-разному балансируют коэффициент повышения напряжения и электрическую нагрузку. Специальный метод управления задаёт моменты коммутации так, что в определённые интервалы ток циркулирует внутри сети и накапливает энергию, а в остальную часть цикла накопленная энергия передаётся на выход с повышенным напряжением. Такой подход исключает необходимость дополнительных трансформаторов и сохраняет низкое число компонентов.

Как схема управления формирует поток энергии

Чтобы новые инверторы работали, ключи должны управляться тщательно сформированными импульсами. Авторы разрабатывают стратегию широтно-импульсной модуляции, использующую треугольный несущий сигнал и пару простых ступенчатых сигналов. Логические комбинации этих сигналов определяют, когда каждая ветвь выходного моста работает в обычном режиме, а когда допускается кратковременное «короткое» состояние, позволяющее активной импедансной сети заряжаться. Регулируя долю времени, проведённую в этом специальном состоянии (рабочий цикл), схема плавно настраивает величину повышения входного напряжения. Команда подробно анализирует каждый режим работы, записывая уравнения для напряжений на катушках и конденсаторах и для токов во всех ключевых ветвях, и на их основе выводит формулы для выбора размеров компонентов и оценки пульсаций.

Сравнение напряжений, размеров и эффективности

Вооружившись математическими выражениями для коэффициента усиления напряжения и электрических нагрузок, авторы сравнивают свои пять вариантов с рядом известных альтернатив из научной литературы. Они рассматривают суммарные напряжения на конденсаторах, диодах и ключах, зависимость коэффициента усиления от рабочего цикла и объём, требуемый для катушек и конденсаторов. В целом новые схемы соответствуют или превосходят возможности повышения напряжения предыдущих разработок, одновременно снижая суммарную напряженную нагрузку на элементы, особенно в топологиях PT3, PT4 и PT5. Поскольку пассивные компоненты могут быть меньше и их требуется меньше, улучшается общая удельная мощность. Моделирование эффективности при разных уровнях мощности показывает, что первая топология, PT1, в частности может достигать КПД выше 90% при компактном наборе компонентов.

От уравнений к прибору на столе

Работа выходит за рамки бумажных моделей. Команда собрала физический прототип топологии PT1, используя общедоступные катушки, конденсаторы, диоды и транзисторы, и реализовала логику управления на небольшом микроконтроллере с драйверами затворов. Измерения выходного напряжения, внутренних уровней на конденсаторах, напряжений на диодах и ключах, а также входного и катушечного токов в целом хорошо совпадают с прогнозами аналитической модели, с лишь небольшими отклонениями из‑за реальных потерь. Дальнейшие эксперименты демонстрируют, что простая смена рабочего цикла позволяет в реальном времени регулировать выходное напряжение, при этом входной ток и внутренние токи остаются плавными, что помогает снизить шум и нагрев.

Что это означает для реальных машин

Проще говоря, это исследование показывает, как перестановка знакомых электронных компонентов позволяет инверторам выдавать более высокое и настраиваемое выходное напряжение без излишнего напряжения на собственных элементах и без увеличения габаритов. Предложенные схемы особенно подходят для автономных промышленных установок, таких как ванные для гальваники и индукционные нагреватели, где допустимы высокочастотные, не совсем синусоидальные формы сигнала и не применимы строгие требования к сетевым стандартам. Снижая напряженную нагрузку, уменьшая число компонентов и сохраняя высокий КПД, новые семейства инверторов обещают более компактные, надёжные и экономичные силовые ступени для будущего промышленного оборудования.

Цитирование: Ranjbarizad, V., Babaei, E. & Salahshour, S. A new group of active impedance source inverters with lower components and voltage stress across active switches. Sci Rep 16, 11270 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40820-z

Ключевые слова: силовая электроника, инвертор с импедансным источником, высокий коэффициент усиления напряжения, промышленное преобразование энергии, энергоэффективные инверторы