Investigations of Usefulness of Average Models for Calculations Characteristics of the Boost Converter at the Steady State

1
Investigations of Usefulness of Average Models
for Calculations Characteristics of the Boost
Converter at the Steady State
Badanie przydatnosci modeli usrednionych do
wyznaczania charakterystyk przetwornicy boost w
stanie ustalonym

• Krzysztof Górecki, Janusz Zarebski, Rafal
  Zarebski
• Katedra Elektroniki Morskiej, Akademia Morska w
  Gdyni

2
Plan prezentacji

• Wprowadzenie
• Metoda modeli usrednionych
• Wyniki analiz
• Podsumowanie

3
Wprowadzenie

• Przetwornice dc-dc sa powszechnie wykorzystywane
  w zasilaczach impulsowych
• W pracy rozwazana jest przetwornica boost
• Istotne sa charakterystyki w stanie ustalonym

4
Wprowadzenie (c.d.)

• Dwie grupy metod analizy
• Metoda analizy stanów przejsciowych
• Metoda modeli usrednionych
• Metoda modeli usrednionych
• Krótki czas trwania obliczen
• Uproszczony sposób modelowania elementów
  pólprzewodnikowych
• Cel pracy
• Analiza zakresu zmian parametrów sygnalu
  sterujacego i rezystancji obciazenia, w których
  stosowanie metody modeli usrednionych zapewnia
  pozadana dokladnosc obliczen

5
Metoda modeli usrednionych

• Zalozenia metody modeli usrednionych
• Charakterystyki elementów pólprzewodnikowych
  modelowane funkcjami odcinkami-liniowymi
• Brak inercji elektrycznej elementów
  pólprzewodnikowych
• Uwzgledniono tylko straty w stanie wlaczenia
  elementów pólprzewodnikowych
• W pracy rozwazany jest usredniony model klucza
  diodowo-tranzystorowego skladnika wszystkich
  przetwornic dlawikowych

6
Metoda modeli usrednionych (c.d.)

• Postac usrednionego modelu klucza

7
Wyniki analiz

• Wyznaczono charakterystyki przetwornicy boost w
  stanie ustalonym przy wykorzystaniu
• Analizy stanów przejsciowych z modelami
  tranzystora i diody wbudowanymi w programie SPICE
  (linie ciagle)
• Analizy stalopradowej z usrednionym modelem
  klucza diodowo-tranzystorowego (linie kreskowe)
• Badano wplyw czestotliwosci i wspólczynnika
  wypelnienia sygnalu sterujacego oraz rezystancji
  obciazenia na napiecie wyjsciowe i sprawnosc
  przetwornicy oraz na moce wydzielane w elementach
  pólprzewodnikowych

8
Wyniki analiz (c.d.)

• Wplyw wspólczynnika wypelnienia d i rezystancji
  obciazenia R0

model usredniony modele wbudowane w SPICE
9
Wyniki analiz (c.d.)

• Wplyw czestotliwosci f i wspólczynnika
  wypelnienia d
• Czasy trwania obliczen za pomoca obu metod róznia
  sie nawet o 5 rzedów wielkosci

model usredniony modele wbudowane w SPICE
10
Podsumowanie

• Porównano charakterystyki przetwornicy boost,
  uzyskane za pomoca analizy stanów przejsciowych z
  fizycznymi modelami elementów pólprzewodnikowych
  oraz uzyskane za pomoca analizy stalopradowej z
  usrednionym modelem klucza diodowo-tranzystorowego
  .
• Uzyskano zadawalajaca zgodnosc wyników obliczen
  charakterystyk V0(d), ?(d) otrzymanych za pomoca
  obu metod dla czestotliwosci sygnalu sterujacego
  f 100 kHz.
• Wzrost czestotliwosci powoduje wzrost róznic
  miedzy uzyskanymi wynikami obliczen, a dla duzych
  czestotliwosci obserwowane róznice maja charakter
  nie tylko ilosciowy, ale nawet jakosciowy.
• Wzrost czestotliwosci kluczowania powoduje spadek
  wartosci napiecia wyjsciowego i sprawnosci
  przetwornicy oraz wzrost mocy traconej w
  tranzystorze. Model usredniony nie uwzglednia
  tego efektu ze wzgledu na pominiecie inercji
  elektrycznej elementów pólprzewodnikowych przy
  formulowaniu tego modelu.
• Z porównania czasów trwania obliczen wynika, ze
  zastosowanie metody modeli usrednionych zapewnia
  uzyskanie wyników obliczen w czasie znacznie
  krótszym, nawet o kilka rzedów wielkosci, niz w
  przypadku zastosowania analizy stanów
  przejsciowych.