1 Investigations of Usefulness of Average Models for Calculations Characteristics of the Boost Converter at the Steady State Krzysztof Górecki, Janusz Zarębski, Rafał Zarębski Katedra Elektroniki Morskiej, Akademia Morska w Gdyni Badanie przydatności modeli uśrednionych do wyznaczania charakterystyk przetwornicy boost w stanie ustalonym

2 Plan prezentacji Wprowadzenie Wprowadzenie Metoda modeli uśrednionych Metoda modeli uśrednionych Wyniki analiz Wyniki analiz Podsumowanie Podsumowanie

3 Wprowadzenie Przetwornice dc-dc są powszechnie wykorzystywane w zasilaczach impulsowych Przetwornice dc-dc są powszechnie wykorzystywane w zasilaczach impulsowych W pracy rozważana jest przetwornica boost W pracy rozważana jest przetwornica boost Istotne są charakterystyki w stanie ustalonym Istotne są charakterystyki w stanie ustalonym

4 Wprowadzenie (c.d.) Dwie grupy metod analizy: Dwie grupy metod analizy: –Metoda analizy stanów przejściowych –Metoda modeli uśrednionych Metoda modeli uśrednionych Metoda modeli uśrednionych –Krótki czas trwania obliczeń –Uproszczony sposób modelowania elementów półprzewodnikowych Cel pracy Cel pracy –Analiza zakresu zmian parametrów sygnału sterującego i rezystancji obciążenia, w których stosowanie metody modeli uśrednionych zapewnia pożądaną dokładność obliczeń

5 Metoda modeli uśrednionych Założenia metody modeli uśrednionych: Założenia metody modeli uśrednionych: –Charakterystyki elementów półprzewodnikowych modelowane funkcjami odcinkami-liniowymi –Brak inercji elektrycznej elementów półprzewodnikowych –Uwzględniono tylko straty w stanie włączenia elementów półprzewodnikowych W pracy rozważany jest uśredniony model klucza diodowo-tranzystorowego – składnika wszystkich przetwornic dławikowych W pracy rozważany jest uśredniony model klucza diodowo-tranzystorowego – składnika wszystkich przetwornic dławikowych

6 Metoda modeli uśrednionych (c.d.) Postać uśrednionego modelu klucza Postać uśrednionego modelu klucza

7 Wyniki analiz Wyznaczono charakterystyki przetwornicy boost w stanie ustalonym przy wykorzystaniu: Wyznaczono charakterystyki przetwornicy boost w stanie ustalonym przy wykorzystaniu: –Analizy stanów przejściowych z modelami tranzystora i diody wbudowanymi w programie SPICE (linie ciągłe) –Analizy stałoprądowej z uśrednionym modelem klucza diodowo-tranzystorowego (linie kreskowe) Badano wpływ częstotliwości i współczynnika wypełnienia sygnału sterującego oraz rezystancji obciążenia na napięcie wyjściowe i sprawność przetwornicy oraz na moce wydzielane w elementach półprzewodnikowych Badano wpływ częstotliwości i współczynnika wypełnienia sygnału sterującego oraz rezystancji obciążenia na napięcie wyjściowe i sprawność przetwornicy oraz na moce wydzielane w elementach półprzewodnikowych

8 Wyniki analiz (c.d.) Wpływ współczynnika wypełnienia d i rezystancji obciążenia R 0 Wpływ współczynnika wypełnienia d i rezystancji obciążenia R 0 model uśredniony modele wbudowane w SPICE

9 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 nawet o 5 rzędów wielkości Czasy trwania obliczeń za pomocą obu metod różnią się nawet o 5 rzędów wielkości model uśredniony modele wbudowane w SPICE

10 Podsumowanie 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 V 0 (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.