Аналіз процесів передачі енергії у підвищуючому імпульсному перетворювачі
DOI:
https://doi.org/10.20535/RADAP.2019.77.17-29Ключові слова:
підвищуючий імпульсний перетворювач, втрати енергії, перехідний процес, критичний режим, моделюванняАнотація
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.
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.
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у нашому журналі.
2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована нашим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у нашому журналі.
3. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення рукопису роботи авторами в мережі Інтернет (наприклад, на arXiv.org або на особистих веб-сайтах). Причому рукописи статей можуть бути розміщенні у відкритих архівах як до подання рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання. Це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії, позитивно позначається на оперативності ознайомлення наукової спільноти з результатами Ваших досліджень і як наслідок на динаміці цитування вже опублікованої у журналі роботи. Детальніше про це: The Effect of Open Access.
