Аналіз процесів передачі енергії у підвищуючому імпульсному перетворювачі

  • V. V. Martynyuk Хмельницький національний університет http://orcid.org/0000-0001-5758-4244
  • V. D. Kosenkov Хмельницький національний університет
  • O. V. Geydarova Хмельницький національний університет
  • M. V. Fedula Хмельницький національний університет http://orcid.org/0000-0002-3765-2016
Ключові слова: підвищуючий імпульсний перетворювач, втрати енергії, перехідний процес, критичний режим, моделювання

Анотація

Вступ. У статті описується аналіз процесів передачі енергії у підвищуючому перетворювачі за умов зміни навантаження. Досліджено лабораторний макет перетворювача при різних формах перехідного процесу, викликаного зміною навантаження. Перехідні струми і напруги виміряно в гармонічних і негармонічних режимах. Проведено оцінку параметрів перехідних режимів. Аналіз процесів переходу енергії здійснено за допомогою двох моделей підвищуючого перетворювача.
Постановка проблеми. Кола підвищуючих перетворювачів використовуються в областях електроніки, де мінімізація втрат енергії є критично важливою. Втрати енергії у підвищуючому перетворювачі залежать від форми перехідних процесів, викликаних зміною навантаження. Мінімізація втрат енергії вимагає точного аналізу процесів передачі енергії, які виникають при зміні навантаження. Запропонована робота описує реакції схеми перетворювача на зміни навантаження вдвічі з чотирма різними режимами перехідного процесу.
Результати. Аналіз процесів передачі енергії здійснюється з використанням двох моделей. Перша модель базується на методиці ітеративного відображення, де струми і напруги кожного періоду сигналу керування затвором транзистора визначаються за параметрами схеми і початковими умовами, заданими попереднім періодом керуючого сигналу. Така модель дозволяє проводити точний аналіз перехідних процесів і пульсацій струму та напруги. Проте, модель ітеративного відображення характеризується похибками числової апроксимації, і вимагає більше часу для виконання обчислень. Друга модель аналітично описує огинаючі перехідних процесів струму і напруги перетворювача. Така модель базується на методі усереднення у просторі станів, що широко використовується для моделювання імпульсних схем. Така модель не враховує форми пульсацій струмів і напруги, але забезпечує більш простий опис перехідних процесів, які корисні для цілей схемотехніки. Результати моделювання, отримані з ітеративного відображення та усереднення у просторі станів, співпадають з експериментальними даними, із відносною похибкою, яка не перевищує 3%.
Висновки. Проведений аналіз показує, що втрати енергії у підвищуючому перетворювачі залежать від перехідного процесу. Протягом перехідного процесу, викликаного зміною навантаження, найменші втрати енергії можуть бути отримані за умови критичної форми перехідного процесу, що розташована між гармонічним та негармонічним режимами. Такий результат отримано експериментально і підтверджено як ітераційним відображенням, так і моделями усереднення стану простору. Аналітичні результати підтверджуються процедурою оптимізації в середовищі MATLAB.

Біографії авторів

V. V. Martynyuk, Хмельницький національний університет

Мартинюк В. В., д.т.н., завідувач кафедри телекомунікацій та комп'ютерно-інтегрованих технологій

V. D. Kosenkov, Хмельницький національний університет

Косенков В. Д.,

O. V. Geydarova, Хмельницький національний університет

Гейдарова О. В.,

M. V. Fedula, Хмельницький національний університет

Федула М. В., к.т.н., старший викладач кафедри телекомунікацій та комп'ютерно-інтегрованих технологій

Посилання

Williams B.W. (2008) Basic DC-to-DC Converters. IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 23, Iss. 1, pp. 387-401. DOI: 10.1109/tpel.2007.911829

Forouzesh M., Siwakoti Y.P., Gorji S.A., Blaabjerg F. and Lehman B. (2017) Step-Up DC–DC Converters: A Comprehensive Review of Voltage-Boosting Techniques, Topologies, and Applications. IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 32, Iss. 12, pp. 9143-9178. DOI: 10.1109/tpel.2017.2652318

Luo F.L. and Ye H. (2004) Advanced DC/DC Converters, CRC Press.

Magaldi G.L., Serra F.M. and Silva L.I. (2015) Energy management control strategy for stand-alone photovoltaic system. 2015 XVI Workshop on Information Processing and Control (RPIC). DOI: 10.1109/rpic.2015.7497119

Khan F.H. Modular DC-DC converters. ProQuest Diss Theses 2007;Ph.D.

Williams B.W. (2014) Generation and Analysis of Canonical Switching Cell DC-to-DC Converters. IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 61, Iss. 1, pp. 329-346. DOI: 10.1109/tie.2013.2240633

Angelone G., Vasca F., Iannelli L. and Camlibel K. (2012) Dynamic and Steady-State Analysis of Switching Power Converters Made Easy: Complementarity Formalism. Advances in Industrial Control, pp. 217-243. DOI: 10.1007/978-1-4471-2885-4_7

Rosas-Caro J.C., Mayo-Maldonado J.C., Valderrabano-Gonzalez A., Beltran-Carbajal F., Ramirez-Arredondo J.M. and Rodriguez-Rodriguez J.R. (2015) DC-DC multiplier boost converter with resonant switching. Electric Power Systems Research, Vol. 119, pp. 83-90. DOI: 10.1016/j.epsr.2014.09.003

Ganesan R.G. and Prabhakar M. (2014) Non-isolated high step-up interleaved boost converter. International Journal of Power Electronics, Vol. 6, Iss. 3, pp. 288. DOI: 10.1504/ijpelec.2014.064654

Çelebi M. (2018) Efficiency optimization of a conventional boost DC/DC converter. Electrical Engineering, Vol. 100, Iss. 2, pp. 803-809. DOI: 10.1007/s00202-017-0552-0

Sai Krishna Reddy M., Kalyani C., Uthra M. and Elangovan D. (2015) A Small Signal Analysis of DC-DC Boost Converter. Indian Journal of Science and Technology, Vol. 8, Iss. S2, pp. 1. DOI: 10.17485/ijst/2015/v8is2/57787

Ramu G., Nagesh Kumar G. V. and Dharma Raj C.H. (2016) Performance Analysis of Boost Fed Dc Drive under Load Uncertainties. Indian Journal of Science and Technology, Vol. 9, Iss. 45. DOI: 10.17485/ijst/2016/v9i45/103878

Beltrame F., Dupont F.H., Sartori H.C., Roggia L., Cancian E.C. and Pinheiro J.R. (2013) Different optimum designs investigation of DC/DC boost converter applied to the photovoltaic system. 2013 Brazilian Power Electronics Conference. DOI: 10.1109/cobep.2013.6785167

Eltamaly A.M. and Farh H.M. (2015) Smart maximum power extraction for wind energy systems. 2015 IEEE International Conference on Smart Energy Grid Engineering (SEGE). DOI: 10.1109/sege.2015.7324623

Chen Y.-C., Chen C.-I. and Shao Z.-T. (2016) A DC-DC boost converter with high voltage gain for distributed generation. 2016 IEEE 5th Global Conference on Consumer Electronics. DOI: 10.1109/gcce.2016.7800382

Shi C., Miller B., Mayaram K. and Fiez T. (2011) A Multiple-Input Boost Converter for Low-Power Energy Harvesting. IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, Vol. 58, Iss. 12, pp. 827-831. DOI: 10.1109/tcsii.2011.2173974

Asadi F. and Eguchi K. (2018) Dynamics and Control of DC-DC Converters. Synthesis Lectures on Power Electronics, Vol. 6, Iss. 1, pp. 1-241. DOI: 10.2200/s00828ed1v01y201802pel010

Marodkar M., Adhau S., Sabley M. and Adhau P. (2015) Design and simulation of DC-DC converters for Photovoltaic system based on MATLAB. 2015 International Conference on Industrial Instrumentation and Control (ICIC). DOI: 10.1109/iic.2015.7150983

Li S., Attou A., Yang Y. and Geng D. (2015) A maximum power point tracking control strategy with variable weather parameters for photovoltaic systems with DC bus. Renewable Energy, Vol. 74, , pp. 478-488. DOI: 10.1016/j.renene.2014.08.056

Panda R.K., Mohapatra A. and Srivastava S.C. (2016) A Lyapunov based controller for boost converter to integrate solar photovoltaic source. 2016 IEEE Innovative Smart Grid Technologies - Asia (ISGT-Asia). DOI: 10.1109/isgt-asia.2016.7796452

Fermeiro J., Pombo J., Calado M. and Mariano S. (2017) A new controller for DC-DC converters based on particle swarm optimization. Applied Soft Computing, Vol. 52, pp. 418-434. DOI: 10.1016/j.asoc.2016.10.025

Chan W.C.Y. and Tse C.K. (1998) What form of control function can drive a discontinuous-mode boost converter to chaos via period-doubling?. International Journal of Circuit Theory and Applications, Vol. 26, Iss. 3, pp. 281-286. DOI: 10.1002/(sici)1097-007x(199805/06)26:3<281::aid-cta10>3.0.co;2-0

Furukawa Y., Nibu S., Colak I., Eto H. and Kurokawa F. (2016) Transient response of digital peak current mode boost converter for DC bus voltage compensation. 2016 IEEE International Conference on Renewable Energy Research and Applications (ICRERA). DOI: 10.1109/icrera.2016.7884448

Chalermpol R. Y.K. and Chunkang V. (2014) Improve the transient response of DC/DC converter. 2014 International Electrical Engineering Congress (iEECON). DOI: 10.1109/ieecon.2014.6925833

Ioinovici A. (1987) Exact transient solution of the boost converter computed using the alternor equations. International Journal of Electronics, Vol. 63, Iss. 5, pp. 767-772. DOI: 10.1080/00207218708939183

Husna A.W.N., Siraj S.F. and Mat M.H. (2011) Effect of Load Variations in DC-DC Converter. 2011 Third International Conference on Computational Intelligence, Modelling & Simulation. DOI: 10.1109/cimsim.2011.78

Guo L., Hung J.Y. and Nelms R. (2011) Comparative evaluation of sliding mode fuzzy controller and PID controller for a boost converter. Electric Power Systems Research, Vol. 81, Iss. 1, pp. 99-106. DOI: 10.1016/j.epsr.2010.07.018

Boora A.A., Zare F. and Ghosh A. (2011) A new family of multi-output DC-DC converter topologies to supply an asymmetrical four-level diode-clamped inverter. COMPEL - The international journal for computation and mathematics in electrical and electronic engineering, Vol. 30, Iss. 2, pp. 451-482. DOI: 10.1108/03321641111101023

Liu M., Tse C.K. and Wu J. (2003) A wavelet approach to fast approximation of steady-state waveforms of power electronics circuits. International Journal of Circuit Theory and Applications, Vol. 31, Iss. 6, pp. 591-610. DOI: 10.1002/cta.252

Middlebrook R.D. and Ćuk S. (1977) A general unified approach to modelling switching-converter power stages. International Journal of Electronics, Vol. 42, Iss. 6, pp. 521-550. DOI: 10.1080/00207217708900678

Arjun M. and Patil V. (2015) Steady state and averaged state space modelling of non-ideal boost converter. International Journal of Power Electronics, Vol. 7, Iss. 1/2, pp. 109. DOI: 10.1504/ijpelec.2015.071204

Chetty P.R.K. (1982) Current Injected Equivalent Circuit Approach to Modeling of Switching DC-DC Converters in Discontinuous Inductor Conduction Mode. IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. IE-29, Iss. 3, pp. 230-234. DOI: 10.1109/tie.1982.356670

Nwosu C.A. (2008) State-Space Averaged Modeling of a Nonideal Boost Converter. Pacific Journal of Science and Technology, Iss. 9, pp. 302–308.

Rahman S. and Lee F. (1982) Computer Simulations of Optimum Boost and Buck-Boost Converters. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol. AES-18, Iss. 5, pp. 598-608. DOI: 10.1109/taes.1982.309272

STW88N65M5 N-channel 650 V, 0.024 Ohm typ., 84 A MDmesh M5 Power MOSFET Technical Data n.d. https://www.st.com/en/power-transistors/stw88n65m5.html

30CPQ150 High Performance Schottky Rectifier, 2 x 15 A Technical Data n.d. https://www.vishay.com/docs/96455/vs-30cpq140-n3.pdf

Kislovski A.S., Redl R. and Sokal N.O. (1991) Dynamic Analysis of Switching-Mode DC/DC Converters. DOI: 10.1007/978-94-011-7849-5

Alonge F., Pucci M., Rabbeni R. and Vitale G. (2017) Dynamic modelling of a quadratic DC/DC single-switch boost converter. Electric Power Systems Research, Vol. 152, pp. 130-139. DOI: 10.1016/j.epsr.2017.07.008

Chuang B. and Jingmei W. (2008) Discrete iterative mapping for the analysis of bifurcation and chaos in forward converter. 2008 International Conference on Communications, Circuits and Systems. DOI: 10.1109/icccas.2008.4657965

Chen X., Chen Y., Zhang B. and Qiu D. (2017) A Modeling and Analysis Method for Fractional-Order DC–DC Converters. IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 32, Iss. 9, pp. 7034-7044. DOI: 10.1109/tpel.2016.2628783

Wang F.-Q. and Ma X.-K. (2011) Fractional order modeling and simulation analysis of Boost converter in continuous conduction mode operation. Acta Phys. Sin., Vol. 60, No 7, 070506.

Опубліковано
2019-06-30
Як цитувати
Martynyuk, V. V., Kosenkov, V. D., Geydarova, O. V. і Fedula, M. V. (2019) «Аналіз процесів передачі енергії у підвищуючому імпульсному перетворювачі», Вісник НТУУ "КПІ&quot;. Серія Радіотехніка, Радіоапаратобудування, 0(77), с. 17-29. doi: 10.20535/RADAP.2019.77.17-29.
Номер
Розділ
Радіотехнічні кола та сигнали