О.М. Городній, мол. наук. співроб.

В.В. Гордієнко, канд. техн. наук

Б.І. Чуб, магістрант

Чернігівський державний технологічний університет, м. Чернігів, Україна

ПОРІВНЯЛЬНА ОЦІНКА ЕНЕРГЕТИЧНОЇ ЕФЕКТИВНОСТІ ІМПУЛЬСНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ З КВАЗІРЕЗОНАНСНИМИ ТА ЗВИЧАЙНИМИ КЛЮЧАМИ ЗА РЕЗУЛЬТАТАМИ МОДЕЛЮВАННЯ

У середовищі MATLAB Simulink досліджується робота послідовного квазірезонансного імпульсного перетворювача, що перемикається при нульовому струмі (КРІП-ПНС), та імпульсного перетворювача з широтно-імпульсною модуляцією (ІП). Визначена величина розсіюваної потужності, що виділяється на транзисторі. Порівняно показники ефективності роботи КРІП-ПНС та класичної схеми імпульсного перетворювача. Результати моделювання порівняно з теоретичними розрахунками. Запропоновано схемотехнічні рекомендації щодо поліпшення електромагнітних процесів у досліджуваних перетворювачах.

Ключові слова: імпульсний перетворювач, потужність, ефективність, MATLAB, м’яке включення, квазірезонансний перетворювач.

В среде MATLAB Simulink исследуется работа последовательного квазирезонансного импульсного преобразователя, переключаемого при нулевом токе (КРИП-ПНТ), и импульсного преобразователя с широтно-импульсной модуляцией (ИП). Определена величина рассеиваемой мощности, которая выделяется на транзисторе. Сравнено показатели эффективности работы КРИП-ПНТ и классической схемы импульсного преобразователя. Результаты моделирования сравнено с теоретическими расчётами. Предложены схемотехнические рекомендации по улучшению электромагнитных процессов в исследуемых преобразователях.

Ключевые слова: импульсный преобразователь, мощность, эффективность, MATLAB, мягкое включение, квазирезонансный преобразователь.

Zero-current-switch quasi-resonant buck converter (ZCS-QR), and PWM converter operation is studied using MATLAB Simulink environment. In this paper, we calculated the power dissipation in the transistor. A comparative effectiveness analysis of ZCS-QR and conventional pulse converter is carried out. The simulation-based results were compared with theoretical calculations. Circuit design recommendations on improving the electromagnetic processes in the studied converters are given.

Key words: pulse converter, power, efficiency, MATLAB, soft switch, quasi-resonant converter.

Постановка проблеми. Основні трудності при дослідженні імпульсних перетворювачів пов’язані з пошуком шляхів підвищення їх енергетичної ефективності, яка залежить від потужності, що розсіюється на силовому транзисторі та від спектра струму живлячої мережі. Аналітична оцінка цих показників у широкому частотному діапазоні регулювання є проблематичною у зв’язку з суттєвою нелінійністю процесів ШІМ та ЧІМ. Особливо це стосується КРІП, де на високих частотах комутації на них значно впливає резонансний контур та паразитні параметри силового транзистора.

Електронне моделювання на основі коректної моделі та відповідного програмного забезпечення дозволяє подолати ці труднощі з допустимою похибкою.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Вивченням квазірезонансних перетворювачів займаються в багатьох країнах світу [1]. Вперше вплив резонансного контуру на роботу електронної схеми було висвітлено у [2]. В [3] досліджена робота широтно-імпульсного перетворювача, а також розрахована інтегральна потужність розсіювання в силових ключах ІП. В [4] встановлено, що завдяки введенню у схему резонансного контуру можна суттєво підвищити енергетичні показники перетворювача.

Виділення невирішених раніше частин загальної проблеми. Попередні результати моделювання схем КРІП-ПНС суттєво відрізнялися від експериментальних даних. Це пояснюється невдалим вибором моделі або ж алгоритмів числового обчислення, які використовуються у сучасному програмному забезпеченні. Все це не дозволяє дати коректну оцінку енергетичним показникам різноманітним схемним варіаціям імпульсних перетворювачів.

Мета статті. Полягає у проведенні дослідження електромагнітних процесів у КРІП-ПНС та ІП, порівнянні потужності розсіювання в електронному ключі у всьому діапазоні робочих частот (від 100 до 1000 кГц) та наданні рекомендацій, що дозволяють зменшити втрати потужності в динамічних режимах.

Вступ. Проектування схем за допомогою ЕОМ у теперішній час є одним зі способів підвищення продуктивності та якості інженерної праці і набуває все більшого поширення в радіоелектроніці та обчислювальній техніці. При комп’ютерному моделюванні можна перевірити працездатність схеми, не вдаючись до складних розрахунків. Основними параметрами вибору програмного забезпечення є наявність необхідних бібліотек елементів та відповідність моделей реальному об’єкту.

Особливу увагу необхідно приділяти моделям нелінійних елементів. У випадку КРІП-ПНС та ІП таким елементом є транзистор. Практика показала, що результати моделювання електронного ключа на високих частотах у різноманітних програмних продуктах можуть суттєво відрізнятися від експериментальних даних. Так, у PSIM не враховується вплив паразитних параметрів транзистора. А у OrCAD PSpice та LTspice IV при перемиканні виникають викиди струму великої амплітуди, яких немає у дійсності.

Оптимальну модель вдалося отримати лише у MATLAB Simulink. Цей математичний пакет набув найбільшої популярності у світі при аналізі систем силової електроніки. В ньому реалізована бібліотека для роботи з електронними пристроями – SimPowerSystems. До її складу входять моделі пасивних та активних електротехнічних елементів, джерел енергії, трансформаторів та іншого обладнання. Комбінуючи їх можливості з іншими блоками, у Simulink користувач може виконувати різноманітні види аналізу: розрахунок сталого режиму роботи, імпедансу, ділянки кола, отримання частотних характеристик, аналіз стійкості, спектрів струмів та напруг.

Однією з найбільших переваг SimPowerSystems є те, що складні схеми можна моделювати, поєднуючи методи імітаційного та структурного моделювання [5]. Так, поряд з схемою пристрою за допомогою звичайних блоків Simulink досить просто реалізувати систему керування, яка відображає лише алгоритм роботи. Це прискорює та збільшує точність аналізу схем силової електроніки. При використанні такого математичного пакету суттєво спрощується обробка результатів моделювання. Виходячи з цього, MATLAB можна вважати одним з найкращих пакетів моделювання електротехнічних пристроїв та систем. Якщо створити точну модель КРІП-ПНС, то можна отримати базу для подальшої роботи над вивченням паразитних ефектів та пошуком шляхів щодо зменшення їх негативного впливу на коефіцієнт корисної дії та сумісність з мережею.

У параметрах моделювання (Solver options) необхідно обрати один з двох методів:

- ode23t – метод трапецій з інтерполяцією, найбільш наближений до того, що використовується у SPICE-моделюванні;

- ode15s – багатокроковий метод змінного порядку (від 1 до 5), що використовує формули числового диференціювання.

Моделювання електромагнітних процесів у ІП.

Класична схема імпульсного перетворювача зображена на рисунку 1. У стандартній моделі транзистора MOSFET не враховується вплив паразитної ємності між стоком та витоком. Тому її роль виконує зовнішня ємність Cp. Елементи схеми мають такі параметри: Lf = 50 мкГн; Cf = 220 нФ; Rn = 10 Ом; Cp = 100 пФ, Uвх = 30 В. Падіння напруги на діодах у відкритому стані складає 0,7 В.

Рис. 1. Досліджувана схема імпульсного перетворювача з ШІМ

Оскільки у ІП перемикання ключового елементу відбувається при порівняно великих значеннях напруги та струму, у ці моменти спостерігаються максимуми розсіюваної потужності, що видно і на траєкторії робочої точки транзистору (рис. 2).

Рис. 2. Траєкторія робочої точки транзистора у ІП

Цього недоліку позбавлені схеми з так званим «м’яким перемиканням», коли у моменти комутації струм або напруга дорівнюють нулю.

На рисунках 3 та 4 зображені часові діаграми роботи ІП, де Uу – напруга управління, Uсв – напруга між стоком та витоком транзистора, Iк – струм, що протікає через транзистор, P – миттєва потужність розсіювання. На них можна виділити шість характерних точок та три інтервали роботи транзистора:

- інтервал включення 1-3;

- транзистор знаходиться у відкритому стані 3-4;

- закривання транзистора 4-6.

Рис. 3. Часові діаграми роботи ІП

 

а б

Рис. 4. Часові діаграми роботи ІП: а – інтервал включення; б – інтервал виключення

Моделювання електромагнітних процесів у послідовному КРІП-ПНС.

Досліджувана схема перетворювача зображена на рисунку 5. Моделювання відбувалося за таких параметрів схеми: Cr = 2 нФ; Lr = 1,1 мкГн; Lf = 50 мкГн; Cf = 220 нФ; Rn = 10 Ом; Cp = 110 пФ, Uвх = 30 В. Падіння напруги на діодах у відкритому стані складає 0,7 В.

Рис. 5. Досліджувана схема КРІП-ПНС

У результаті отримали часові діаграми роботи перетворювача (рис. 6 та 7), де Ucr – напруга на резонансній ємності. На них можна виділити дев’ять характерних точок та п’ять наступних інтервалів

- інтервал включення транзистора 1-2;

- інтервал наростання струму 2-3;

- ділянка резонансу 3-7;

- інтервал розряду резонансної ємності (виключення)7-8;

- інтервал провідності діода 8-1.

Рис. 6. Часові діаграми роботи КРІП-ПНС

а б

Рис. 7. Часові діаграми роботи послідовного КРІП-ПНС:
а – інтервал включення; б – інтервал виключення

Траєкторія робочої точки ключового елементу показана на рисунку 8. За рахунок паразитної ємності у схемі виникають коливання з частотою, більшою за частоту комутації та частоту резонансного контуру. Це явище спостерігалося і в експериментальному дослідженні [4]. Вищі гармоніки призводять до розширення спектру струму, що споживається, і тому необхідно зменшувати їхню амплітуду.

Рис. 8. Траєкторія робочої точки транзистора у послідовному КРІП-ПНС

Порівняння розсіюваної потужності у КРІП-ПНС та ІП

Проаналізувати втрати енергії на транзисторі можна за допомогою інтегральної потужності.

(1)

У MATLAB, де всі дані зберігаються у вигляді матриць, використовується числове інтегрування за методом прямокутників або трапецій. Оскільки останній має значно меншу похибку обчислень, при розрахунках обрано саме його.

Діапазон робочих частот перетворювачів складає 100-1000 кГц. Результати вимірювань занесено до таблиці 1 і зображено на рисунку 9. За рахунок м’якого включення у схемі КРІП-ПНС вдалося зменшити потужність розсіювання більш ніж у 7 разів у всьому діапазоні робочих частот.

Слід зазначити, що значення відповідають теоретично розрахованим [6], розбіжності не перевищують 5 %.

Таблиця 1

Значення розсіюваної потужності у досліджуваних схемах

Рис. 9. Порівняння потужностей розсіювання на транзисторі у схемах перетворювачів

Шляхи поліпшення електромагнітних процесів у КРІП-ПНС

Рис. 10. Поліпшена схема КРІП-ПНС

У послідовному КРІП-ПНС при перемиканні спостерігається наступний ефект: за рахунок зворотного відновлення діода збуджується коливальний контур, утворений паразитною ємністю транзистора та резонансною індуктивністю.

Коли транзистор закривається, його диференціальний опір різко збільшується і в паразитному контурі виникають довготривалі коливання. Зменшити час цих коливань та одночасно рекуперувати енергію паразитного контуру в джерело живлення можливо шляхом введення додаткового діода VD3. При цьому в паразитний контур паралельно вводиться дуже малий внутрішній опір джерела живлення і коливання швидко затухають. Всі інші параметри схеми не змінювались.

На часових діаграмах (рис. 11 та 12) помітно п’ять інтервалів роботи транзистору:

- інтервал включення1-2;

- інтервал наростання струму 2-3;

- інтервал резонансу 3-6;

- ділянка розряду паразитної ємності (виключення) 6-7;

- інтервал провідності діода 7-8.

Рис. 11. Часові діаграми роботи оптимізованої схеми КРІП-ПНС

 

а б

Рис. 12. Часові діаграми роботи поліпшеної схеми послідовного КРІП-ПНС:
а – інтервал включення; б – інтервал виключення

Значно менші пульсації напруги та струму помітні і на траєкторії робочої точки (рис. 13).

Рис. 13. Траєкторія робочої точки транзистора у поліпшеному КРІП-ПНС

Висновки і пропозиції. 1. Доведено, що моделювання електронних процесів у КРІП-ПНС та ІП доцільно виконувати у MATLAB Simulink.

2. Показано, що втрати потужності на силовому транзисторі КРІП-ПНС майже в сім разів менше, ніж у ІП.

3. Для демпфування високочастотних коливань, що виникають у контурі, утвореному паразитною ємністю транзистора та резонансною індуктивністю, доцільно шунтувати транзистор зворотнім діодом.

Список використаних джерел

1. Tomioka S. A zero-current-switched quasi-resonant boost converter in power factor correction application / S. Tomioka, S. Abe, M. Shoyama, T. Ninomiya, E. Firmansyah // Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC). – 2009, Twenty-Fourth Annual IEEE, February 6. – Р. 5.

2. Ли Ф. К. Высокочастотные квазирезонансные преобразователи. ТИИЭР / Ф. К. Ли // Энергетическая электроника / под ред. В. А. Лабунцова. – М.: Мир, 1988. –№ 4. – Т. 76. – С. 83-97.

3. Денисов Ю. О. Розрахунок інтегральної потужності розсіювання в силових ключах ІП / Ю.О. Денисов, О. М. Городній, О. М. Зозуля // Вісник Чернігівського державного технологічного університету. Серія “Технічні науки”: наук. зб. – Чернігів: ЧДТУ, 2009. – № 40. – 388 с.

4. Денисов Ю. О. Моделирование процессов коммутации в КРИП ПНТ с учетом паразитных параметров / Ю. О. Денисов, О. М. Городній, О. В. Савченко // Технічна електродинаміка. – 2008. – № 1. – С. 87-90.

5. Черных И. В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink / И. В. Черных. – М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008. – 288 с.: ил.

6. Денисов Ю. О. Особливості роботи та статичні характеристики КРІП-ПНС паралельного типу / Ю. О. Денисов, О. М. Городній, О. А. Купко // Вісник Чернігівського державного технологічного університету. Серія “Технічні науки”: наук. зб. – Чернігів: ЧДТУ, 2012. – № 1 (55). – С. 247-253.