Krzysztof Górecki Katedra Elektroniki Morskiej Akademia Morska w Gdyni Modelowanie i analiza obcowzbudnych stabilizatorów impulsowych zawierających dławikowe przetwornice dc-dc z uwzględnieniem samonagrzewania Krzysztof Górecki Katedra Elektroniki Morskiej Akademia Morska w Gdyni

Plan wystąpienia Wprowadzenie Cel i zakres pracy Metody analizy stabilizatorów i przetwornic dc-dc Modele układów scalonych Wyniki badań stabilizatorów impulsowych Podsumowanie

Wprowadzenie (1) Stabilizatory impulsowe – podukłady zasilaczy impulsowych Impulsowe przekazywanie energii ze źródła zasilania do obciążenia Wysoka sprawność energetyczna

Wprowadzenie (2) Przetwornica dc-dc zawiera Sterownik wytwarza ciąg impulsów prostokątnych o regulowanym współczynniku wypełnienia Regulator impulsowy - sterownik zintegrowany z tranzystorem kluczującym

Wprowadzenie (3) Przy analizie i projektowaniu układów elektronicznych powszechnie wykorzystuje się programy komputerowe Standardowy program do analizy układów – SPICE Jak wynika z literatury [1, 2], obecnie projektanci układów impulsowych nie korzystają z narzędzi komputerowych bo brakuje: wiarygodnych modeli elementów, skutecznych i szybkich algorytmów obliczeniowych Liczne publikacje na temat modelowania i analizy układów impulsowych [1] N. Mohan, W. P. Robbins, T. M. Undeland, R. Nilssen, O. Mo: Simulation of Power Electronic and Motion Control Systems - An Overview. Proceedings of the IEEE, vol. 82, 1994, pp. 1287 - 1302. [2] D. Maksimovic, A. M. Stankovic, V.J.Thottuvelil, G.C. Verghese: Modeling and simulation of power electronic converters. Proceedings of the IEEE, Vol.89, No.6, 2001, pp. 898-912.

Wprowadzenie (4) W układach stabilizatorów zachodzi zjawisko samonagrzewania – wzrost temperatury wnętrza poszczególnych elementów układu na skutek wydzielania w nich energii elektrycznej i nieidealnego chłodzenia tych elementów Skutki samonagrzewania: Wzrost temperatur wnętrza elementów, Pogorszenie niezawodności, Zmiana przebiegu charakterystyk i parametrów roboczych układów z tymi elementami Literaturowe modele i algorytmy analizy układów impulsowych nie uwzględniają samonagrzewania Klasyczne algorytmy analizy elektrotermicznej wymagają nieakceptowalnie długiego czasu trwania obliczeń

Cel i zakres pracy Cel Nowe metody wyznaczania nieizotermicznych charakterystyk przetwornic dc-dc Nowe elektrotermiczne modele dyskretnych i scalonych elementów składowych przetwornic dc-dc i stabilizatorów impulsowych dla programu SPICE Zakres - stabilizatory zawierające obcowzbudne dławikowe przetwornice dc-dc.

Metody analizy stabilizatorów (1) Z zasady działania układów impulsowych naturalnym sposobem wyznaczania ich charakterystyk jest analiza stanów przejściowych Zaleta: Możliwość wyznaczenia czasowych przebiegów napięć i prądów w układzie, Możliwość oceny stabilności układu, Informacja o tętnieniach napięć i prądów Problemy: Sposób modelowania elementów kluczujących, Występowanie impulsów Diraca w chwili przełączenia, Długi czas trwania analizy niezbędny do uzyskania stanu ustalonego w układzie.

Metody analizy stabilizatorów (2) Metoda modeli uśrednionych wykorzystuje okresowość sygnałów w stanie ustalonym Zalety: Wyznaczenie charakterystyk przetwornic w stanie ustalonym za pomocą analizy dc, Krótki czas trwania obliczeń, Brak problemów ze zbieżnością. Wady: Uproszczone modele elementów kluczujących, Brak informacji o fluktuacjach napięć i prądów, Konieczność sformułowania struktury zastępczej analizowanego układu przed obliczeniami

Autorskie metody analizy przetwornic dc-dc Opracowano metody: izotermicznej analizy stratnych przetwornic przy wykorzystaniu modeli uśrednionych, wyznaczania nieizotermicznych charakterystyk przetwornic dławikowych przy wykorzystaniu liniowego elektrotermicznego uśrednionego modelu przełącznika diodowo –tranzystorowego wyznaczania nieizotermicznych charakterystyk przetwornic dławikowych przy wykorzystaniu ich nieliniowych elektrotermicznych modeli uśrednionych elektrotermicznej analizy stanów przejściowych ze sztucznymi wartościami termicznych stałych czasowych przyspieszonej elektrotermicznej analizy stanów przejściowych w przetwornicach dc-dc małosygnałowej elektrotermicznej analizy przetwornic dc-dc

Liniowy uśredniony model przełącznika diodowo –tranzystorowego Ogólna koncepcja [1] We wszystkich przetwornicach dc-dc można wyróżnić przełącznik diodowo-tranzystorowy Dioda i tranzystor w stanie ustalonym włączane są naprzemiennie a sygnał sterujący jest okresowy [1] R. Ericson, D. Maksimovic: Fundamentals of Power Electronics. Norwell, Kluwer Academic Publisher, 2001.

Liniowy elektrotermiczny uśredniony model przełącznika diodowo –tranzystorowego [1] W celu sformułowania modelu elektrotermicznego: Uzależniono charakterystyki elementów półprzewodnikowych od temperatury, Opracowano model generacji ciepła i model termiczny elementów kluczujących, Opracowano sposób implementacji modelu w programie SPICE w postaci podukładu Przy formułowaniu modelu generacji ciepła występuje problem wyznaczania nadwyżki temperatury elementu pobudzanego okresowym sygnałem w.cz. [1] Górecki K.: A New Electrothermal Average Model of the Diode-Transistor Switch. Microelectronics Reliability, Vol. 48, No. 1, 2008, pp. 51-58.

Wyznaczanie nadwyżki temperatury elementu sterowanego sygnałem w. cz Wyznaczanie nadwyżki temperatury elementu sterowanego sygnałem w.cz. w stanie ustalonym Założenia: skupiony model termiczny elementu Moc opisana sumą okresowych ciągów impulsów prostokątnych Okres sygnału sterującego TS znacznie krótszy od najkrótszej termicznej stałej czasowej tthi Wzór końcowy Rth – rezystancja termiczna P(AV) – wartość średnia mocy Uzasadnienie wzoru – praca [1] [1] Górecki K., Zarębski J.: Wyznaczanie temperatury wnętrza przyrządów półprzewodnikowych sterowanych sygnałem w.cz. Elektronika, Nr 6, 2006, s.21.

Liniowy elektrotermiczny uśredniony model przełącznika diodowo –tranzystorowego

Liniowy elektrotermiczny uśredniony model przełącznika diodowo –tranzystorowego - wyniki Czas trwania obliczeń krótszy o 4 rzędy wielkości izotermiczny model uśredniony autorski model uśredniony pomiar elektrotermiczna analiza transient

Metoda przyspieszonej analizy elektrotermicznych stanów przejściowych przetwornic dc-dc Koncepcja ogólna Przewidywanie wartości napięć w stanie ustalonym na podstawie wyników elektrotermicznej analizy stanów przejściowych przetwornicy przy wykorzystaniu algorytmu splotowego Ze względu na nieliniowość elementów półprzewodnikowych obliczenia trzeba wykonywać iteracyjnie

Metoda przyspieszonej analizy elektrotermicznych stanów przejściowych przetwornic dc-dc

Metoda przyspieszonej analizy elektrotermicz-nych stanów przejściowych przetwornic dc-dc Wyniki – przetwornica buck czas trwania obliczeń krótszy o 3 rzędy wielkości metoda przyspieszonej analizy transient klasyczna analiza transient

Elektrotermiczne modele elementów półprzewodnikowych i układów scalonych Elektrotermiczne modele hybrydowe Diody MOSFETa

Sposób formułowania elektrotermicznych modeli układów scalonych

Autorskie elektrotermiczne modele układów scalonych Opracowano elektrotermiczne modele monolitycznych sterowników PWM o sprzężeniu napięciowym (SG3525A) PWM o sprzężeniu prądowym (UC3842) Opracowano elektrotermiczne modele monolitycznych regulatorów impulsowych LT1073 MC34063A L4975 Zarębski J., Górecki K.:. Microelectronics Journal, Elsevier, Vol. 37, No. 8, 2006, pp. 728-734. Zarębski J., Górecki K.: Microelectronics Reliability, Vol. 47, No. 7, 2007, pp. 1145-1152. Górecki K., Zarębski J.: Informacije MIDEM, Vol. 36, No. 1, 2006, pp. 31-36. Górecki K., Zarębski J.: Kwartalnik Elektroniki i Telekomunikacji, Vol. 50, Nr 3, 2004, s.365. Zarębski J., Górecki K.: IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 23, Nr 2, 2008, pp. 1023 – 1026. Zarębski J., Górecki K., Posobkiewicz K.: Kwartalnik Elektroniki i Telekomunikacji, Nr 4, 2005, s.571. Zarębski J., Górecki K.: 13th Int. Conf. on Electr. Drives and Pow. Electr. EDPE 2005, E05-71, p. 81. Górecki K.: Int. J. of Num. Modelling: Electronic Networks, Dev. and Fields, Vol. 20, No. 4, 2007, pp. 181–195.

Model sterownika PWM o sprzężeniu prądowym – UC3842 W modelu uwzględniono: wszystkie wyprowadzenia sterownika, wpływ temperatury na charakterystyki poszczególnych bloków ograniczoną wydajność prądową wzmacniacza błędu pobór prądu przez bloki sygnałowe zjawisko samonagrzewania nieliniowe modele elementów półprzewodnikowych

Model sterownika PWM o sprzężeniu prądowym – wyniki

Model regulatora MC34063A - wyniki model literaturowy model autorski pomiar

Wyniki badań stabilizatorów impulsowych model literaturowy model autorski pomiar

Podsumowanie (1) Uzyskane wyniki obliczeń i pomiarów dowodzą, że : pod wpływem samonagrzewania wartość napięcia wyjściowego przetwornic dławikowych może zmienić się o kilkadziesiąt procent, a nawet może nastąpić zmiana kształtu charakterystyk rozważanych przetwornic, wpływ samonagrzewania na charakterystyki sterowników PWM może być istotny, zwłaszcza przy dużych wartościach napięcia zasilania, zaproponowane przez autora makromodele elektrotermiczne zapewniły lepszą zgodność wyników obliczeń i pomiarów niż modele literaturowe,

Podsumowanie (2) Zaproponowany sposób formułowania elektrotermicznych makromodeli układów scalonych stosowanych w stabilizatorach impulsowych jest uniwersalny i można przy jego wykorzystaniu opracować makromodel dowolnego sterownika lub regulatora impulsowego, Opracowane metody analizy umożliwiają wyznaczenie nieizotermicznych charakterystyk przetwornic dc-dc w stanie ustalonym przy akceptowalnym czasie trwania obliczeń i zadawalającej dokładności, Opracowane modele i algorytmy mogą być przydatne dla projektantów rozważanej klasy układów elektronicznych, umożliwiając skrócenie czasu projektowania takich układów, Modele te mogą być użyteczne w dydaktyce do zilustrowania zjawisk zachodzących w stabilizatorach impulsowych oraz analizy wpływu wybranych czynników na właściwości użytkowe badanego układu.

Dziękuję za uwagę.