11

Investigations of Usefulness of Investigations of Usefulness of Average Models for Calculations Average Models for Calculations

Characteristics of the Boost Characteristics of the Boost

Converter at the Steady StateConverter at the Steady State

Krzysztof Górecki, Janusz Zarębski, Rafał Zarębski Krzysztof Górecki, Janusz Zarębski, Rafał Zarębski

Katedra Elektroniki Morskiej, Akademia Morska w GdyniKatedra Elektroniki Morskiej, Akademia Morska w Gdyni

D EP A R T M E N T

F MARINE ELECTRONIC

Badanie przydatności modeli Badanie przydatności modeli uśrednionych do wyznaczania uśrednionych do wyznaczania

charakterystyk przetwornicy boost w charakterystyk przetwornicy boost w

stanie ustalonymstanie ustalonym

22

Plan prezentacjiPlan prezentacji

• WprowadzenieWprowadzenie

• Metoda modeli uśrednionychMetoda modeli uśrednionych

• Wyniki analizWyniki analiz

• PodsumowaniePodsumowanie

33

WprowadzenieWprowadzenie• Przetwornice dc-dc są powszechnie Przetwornice dc-dc są powszechnie

wykorzystywane w zasilaczach impulsowychwykorzystywane w zasilaczach impulsowych

• W pracy rozważana jest przetwornica boostW pracy rozważana jest przetwornica boost

• Istotne są charakterystyki w stanie ustalonymIstotne są charakterystyki w stanie ustalonym

44

Wprowadzenie (c.d.)Wprowadzenie (c.d.)• Dwie grupy metod analizy:Dwie grupy metod analizy:

– Metoda analizy stanów przejściowychMetoda analizy stanów przejściowych– Metoda modeli uśrednionychMetoda modeli uśrednionych

• Metoda modeli uśrednionychMetoda modeli uśrednionych– Krótki czas trwania obliczeńKrótki czas trwania obliczeń– Uproszczony sposób modelowania elementów Uproszczony sposób modelowania elementów

półprzewodnikowychpółprzewodnikowych

• Cel pracyCel pracy– Analiza zakresu zmian parametrów sygnału Analiza zakresu zmian parametrów sygnału

sterującego i rezystancji obciążenia, w których sterującego i rezystancji obciążenia, w których stosowanie metody modeli uśrednionych stosowanie metody modeli uśrednionych zapewnia pożądaną dokładność obliczeńzapewnia pożądaną dokładność obliczeń

55

Metoda modeli Metoda modeli uśrednionychuśrednionych

• Założenia metody modeli uśrednionych:Założenia metody modeli uśrednionych:– Charakterystyki elementów półprzewodnikowych Charakterystyki elementów półprzewodnikowych

modelowane funkcjami odcinkami-liniowymimodelowane funkcjami odcinkami-liniowymi– Brak inercji elektrycznej elementów Brak inercji elektrycznej elementów

półprzewodnikowych półprzewodnikowych – Uwzględniono tylko straty w stanie włączenia Uwzględniono tylko straty w stanie włączenia

elementów półprzewodnikowychelementów półprzewodnikowych

• W pracy rozważany jest uśredniony model W pracy rozważany jest uśredniony model klucza diodowo-tranzystorowego – składnika klucza diodowo-tranzystorowego – składnika wszystkich przetwornic dławikowych wszystkich przetwornic dławikowych

66

Metoda modeli uśrednionych Metoda modeli uśrednionych (c.d.)(c.d.)

• Postać uśrednionego modelu kluczaPostać uśrednionego modelu klucza

Dav VVd

dEt

2

1 av

DON Id

Rd

d

REr 12

1

avId

dGd 1

1

77

Wyniki analizWyniki analiz• Wyznaczono charakterystyki przetwornicy Wyznaczono charakterystyki przetwornicy

boost w stanie ustalonym przy wykorzystaniu:boost w stanie ustalonym przy wykorzystaniu:– Analizy stanów przejściowych z modelami Analizy stanów przejściowych z modelami

tranzystora i diody wbudowanymi w programie tranzystora i diody wbudowanymi w programie SPICE (linie ciągłe)SPICE (linie ciągłe)

– Analizy stałoprądowej z uśrednionym modelem Analizy stałoprądowej z uśrednionym modelem klucza diodowo-tranzystorowego (linie kreskowe)klucza diodowo-tranzystorowego (linie kreskowe)

• Badano wpływ częstotliwości i współczynnika Badano wpływ częstotliwości i współczynnika wypełnienia sygnału sterującego oraz wypełnienia sygnału sterującego oraz rezystancji obciążenia na napięcie wyjściowe i rezystancji obciążenia na napięcie wyjściowe i sprawność przetwornicy oraz na moce sprawność przetwornicy oraz na moce wydzielane w elementach wydzielane w elementach półprzewodnikowychpółprzewodnikowych

88

Wyniki analiz (c.d.)Wyniki analiz (c.d.)• Wpływ współczynnika wypełnienia d i Wpływ współczynnika wypełnienia d i

rezystancji obciążenia Rrezystancji obciążenia R00

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1d

V0

[V]

BOOSTf = 100 kHzVin = 12 V

R0 = 1 Ω

R0 = 100 Ω

R0 = 10 Ω

R0 = 3 Ω

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1d

η [

%]

BOOSTf = 100 kHzVin = 12 V

R0 = 1 Ω

R0 = 100 Ω

R0 = 10 Ω

R0 = 3 Ω

model uśredniony modele wbudowane w SPICE

99

Wyniki analiz (c.d.)Wyniki analiz (c.d.)• Wpływ częstotliwości f i współczynnika wypełnienia d Wpływ częstotliwości f i współczynnika wypełnienia d

• Czasy trwania obliczeń za pomocą obu metod różnią się Czasy trwania obliczeń za pomocą obu metod różnią się nawet o 5 rzędów wielkościnawet o 5 rzędów wielkości

model uśredniony modele wbudowane w SPICE

0

10

20

30

40

50

60

70

0,1 1 10f [MHz]

V0

[V]

BOOST R0 = 10 Ω Vin = 12 V

d = 0.1

d = 0.9

d = 0.3

d = 0.7

d = 0.5

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,1 1 10f [MHz]

η [

%]

BOOST R0 = 10 Ω Vin = 12 V

d = 0.1

d = 0.9

d = 0.3

d = 0.7

d = 0.5

1010

PodsumowaniePodsumowanie• Porównano charakterystyki przetwornicy boost, uzyskane za

pomocą analizy stanów przejściowych z fizycznymi modelami elementów półprzewodnikowych oraz uzyskane za pomocą analizy stałoprądowej z uśrednionym modelem klucza diodowo-tranzystorowego.

• Uzyskano zadawalającą zgodność wyników obliczeń charakterystyk V0(d), η(d) otrzymanych za pomocą obu metod dla częstotliwości sygnału sterującego f = 100 kHz.

• Wzrost częstotliwości powoduje wzrost różnic między uzyskanymi wynikami obliczeń, a dla dużych częstotliwości obserwowane różnice mają charakter nie tylko ilościowy, ale nawet jakościowy.

• Wzrost częstotliwości kluczowania powoduje spadek wartości napięcia wyjściowego i sprawności przetwornicy oraz wzrost mocy traconej w tranzystorze. Model uśredniony nie uwzględnia tego efektu ze względu na pominięcie inercji elektrycznej elementów półprzewodnikowych przy formułowaniu tego modelu.

• Z porównania czasów trwania obliczeń wynika, że zastosowanie metody modeli uśrednionych zapewnia uzyskanie wyników obliczeń w czasie znacznie krótszym, nawet o kilka rzędów wielkości, niż w przypadku zastosowania analizy stanów przejściowych.