резонансный преобразователь с фиксированными последовательностями

Из рисунка видно, что в области около 500 кГц сопротивление конденсатора равняется приблизительно 0.1мОм. Следовательно, сопротивление параллельного соединения 14 конденсаторов будет равно 0,1/8 = 13мОм, что удовлетворяет требованиям таблицы 10.Моделирование в среде MatlabSimulink (Simscape)Описание моделиДальнейшим этапом подтверждения результатов является реализация схемы в среде моделирования в MatlabSimulink при помощи элементов из библиотеки Simscape. На рисунке 14 представлена модель CSRC, реализованная при помощи элементов из данной библиотеки.Элементы из библиотеки учитывают такие паразитные параметры как переходные ёмкости полупроводниковых приборов, ESR конденсаторов и время обратного восстановления. Таким образом, реализованная модель способна отразить процессы, которые могут возникнуть в реальной схеме.На рисунке 15 представлен вид окон задания для транзисторов, представленных в схеме. Среди параметров транзисторов существенными в данной модели являются параметры, относящиеся к вкладке Mainи JunctionCapacitance. В качестве системы управления коммутацией транзисторов принято соединение источников импульсного напряженияUs1 и Us2 и ШИМ-контроллеров напряжения А1 и А2. Окно задания параметров Us2 представлено на рисунке 16. Здесь kсоответствует коэффициенту преобразования частоты (52), tlr – полная длительность импульса тока (15). Отличие задания на Us1 состоит в обнулении параметра TD.Модель CSRC (Simscape)Окно задания основных (слева) и динамических параметров (справа)транзисторов (Simscape)Окно задания параметров источников импульсного напряжения (Simscape)На рисунке 17 представлен внешний вид окон задания для диодов VD1и VD2, а на рисунке 18 – для диодов VD3и VD4. Параметры вкладки ChargeDynamics приняты на основании табличных значений для соответствующих диодов, параметры Forwardvoltage (падение напряжения на открытом транзисторе) иOnresistance(сопротивление открытого транзистора) получены из анализа вольт-амперных характеристик (см. рисунок 19).Окно задания основных (слева) и динамических параметров (справа) диодов VD1и VD2 (Simscape)Окно задания основных (слева) и динамических параметров (справа) диодов VD3и VD4 (Simscape)Вольт-амперные характеристики диодов VD1/VD2 (слева) и VD3/VD4 (справа)Для моделирования работы трансформатора воспользуемся следующей схемной реализацией, представленной на рисунке 20, где Rw1 и Rw2.1/Rw2.1 – сопротивление обмоток трансформатора согласно (79) и (80), соответственно, Ls1и Ls2.1/Ls2.1 – индуктивности рассеяния (пренебрежимо малы), Rµ и Lµ –сопротивление (примем бесконечности) и индуктивность намагничивания согласно (71), ITV1/ITV2 – идеальные трансформаторы напряжения с коэффициентом трансформации n согласно (22).Принципиальная схема трансформатора TVРезультаты моделирования преобразователя, собранного на основе элементов из библиотеки Simscape,при напряжении источника питания на уровне 530 В представлены на рисунке 21. Временные диаграммы модели CSRC (SimScape)Как можно видеть из рисунка 21, характер зависимостей соответствует теоретическим диаграммам (см. рисунок 2) и результатам моделирования с элементами библиотеки SimPowerSystem. Результаты сравнения характерных параметров загрузки элементов представлены в таблице 13. Сравнение результатов моделирования№ПараметрРазм-тьSimPwrSysSimScapeОшибка, %Амплитуда напряжения транзисторовВ619612.811,04Амплитуда тока транзисторовА35.8538266,74Модуль мощности на индуктивностиВт250425923,53Обратное напряжение диодов VD1/VD2В628621.21,07Амплитуда тока диодов VD1/VD2А24.9925.250,11Среднее значение тока диодовVD1/VD2А1.131.221,08Действующее значение тока диодовVD1/VD2А4.304.392,18Обратное напряжение диодов VD3/VD4В203,0201,80,59Амплитуда тока диодов VD3/VD4А110.5114.563,68Среднее значение тока диодовVD3/VD4А24.9925.492,04Действующее значение тока диодовVD3/VD4А46.2947.101,76Амплитуда напряжения CrВ619616.210,45Действующее значение тока CrА20.4421.34,21Действующее значение тока CoutА9,829,840,23Напряжение на выходе UoutВ99,7797,132,64Размах пульсаций напряжения на выходе UoutВ0,4800,4810,23Ток на выходе UoutА49.99850.831,67Из таблицы видно, что расхождение 14-ти из 17-ти параметров составляет не более 3 %, что говорит о высокой степени сходимости. Расхождение в оставшихся параметрах связано с пересчетом параметров, зависящих от Umin. Но даже при условии данных различий, ошибка не превышает 7 %, что так же отражает высокую степень сходимости результатов.КПД схемы при Uвх = 530 В и номинальной мощности Pном, приучете мощности, потребляемой системой управления, составил 92,14 %. Наибольший вклад в потери внесли транзисторные ключи – потери составили 101,5 Вт на каждой паре транзисторов (2,03 %). Потери на каждом из диодовVD1/VD2с соответствующей снабберной цепью составили 42 Вт (0,84 %), для диодов VD3/VD4 – 32 Вт (0,64 %). Таким образом, суммарные потери КПДтолько на полупроводниковых приборах составили 7,02 %.Физический экспериментОписание макетаДля проведения физического эксперимента выбрана элементная база, представленная в п.6 «Выбор элементной базы». С этой целью сконструирована печатная плата, внешний видкоторой представлен на рисунках 22, 23. На рисунке 24 представлен внешний вид готового макета.На рисунках ниже не показаны шины, выполненные проволокой поверх печатной платы, необходимые для увеличения допустимой токовой нагрузки. Внешний вид печатной платы в САПР:слева – лицевая сторона, справа – тыльная сторона Внешний вид печатной платы:слева – лицевая сторона, справа – тыльная сторона Внешний вид преобразователяПринципиальная схема испытательной установки представлена на рисунке 25. В качестве источника питания преобразователя использовался трехфазный выпрямитель с фильтрующей конденсаторной батареей, суммарной емкостью более 3 мФ. К входу выпрямителя подключена трехфазная сеть, имеющая гальваническую развязку за счет трехфазного трансформатораТП3-380/380-5. Регулировка величины напряжения производилась лабораторным автотрансфоматоромTSGC2-6000KVA. В качестве нагрузки преобразователя использовался тормозной резистор, величина которого составляла 2 Ом (при 100 В - ). Для питания и управления драйвером использовались источник питания HY3003-3 и генератор переменных сигналов AWG-4124.В качестве фильтрового конденсатора установлена батарея электролитических, пленочных и керамических конденсаторов суммарной емкостью более 6,3 мФ. Принципиальная схема испытательной установкиЭкспериментальные результатыНа рисунке 26 представлены осциллограммы основных временных диаграмм, отражающих работу схемы при входном напряжении 628 В и частоте входных импульсов 150 кГц. Данный режим отражает максимальную токовую загрузку (см. выражение 8), а также максимальные пульсаций на выходе (см. выражение 54). Отличительной особенностью в макете является колебательный характер переходного процесса в напряжении сток-исток транзистора. Данные процессы также могут быть вызваны влиянием индуктивностей проводников, связанных с транзисторными ключами.Стоит отметить, что размах пульсаций в выходном напряжении преобразователя составляет не более 50 мВ при среднем значении 100 В, что соответствует требованиям задания. 1 канал (желтый) – напряжение сток-исток транзистора VT1;2 канал (красный) – напряжение на конденсаторе Cr;3 канал (синий) – переменная составляющая напряжения на выходе;4 канал (зеленый) – ток в резонансном контуре Осциллограммы основных параметров преобразователяКроме того, в ходе испытаний были получены следующие характеристики:Зависимости выходной мощности от частоты импульсов управления при различном входном напряжении (см. рисунок 27);Энергетические характеристики (с учетом потерь во входной фильтрующей батарее конденсаторов):зависимость КПД от входного напряжения при выходном напряжении ≈100 В (см. рисунок 28);зависимость КПД от частоты импульсов управления при различном входном напряжении (см. рисунок 29);зависимость потерь мощности от частоты импульсов управления при различном входном напряжении (см. рисунок 30). Зависимость выходного напряжения от частоты импульсов управленияпри входном напряжении 530, 580 и 630 В Зависимость выходной мощности от частоты импульсов управленияпри входном напряжении 530, 580 и 630 В Зависимость КПД от частоты импульсов управления при входном напряжении 530, 580 и 630 В Зависимость потерь мощности от частоты импульсов управленияпри входном напряжении 530, 580 и 630 В Зависимость КПД от входного напряжения при выходном напряжении ≈100 ВИз рисунков 27, 28 видно, практически линейное нарастание выходного напряжения и мощности на выходе преобразователя, что подтверждается выражением 51. Также из рисунков видно, что на частотах около 250 – 300 кГц цепь выходит в режим насыщения, что говорит о расположении в данной области резонансной частоты. В данной области также возрастает значение потерь в преобразователе (см. рисунок 31), что отражается в снижении КПД (см. Рисунок 31). В связи с этим на рисунке 30 показана зависимость КПД от входного напряжения при постоянном напряжении на выходе 100 В и мощностью 2750 Вт (55 % от номинального значения). Из рисунка видно, что наивысший КПД схема имеет в области низких входных напряжений, что соответствует высокочастотным режимам. Моделирование макетаДля проверки предлагаемых причин отклонения результирующих диаграмм от теоретических, проведено моделирование электротехнических процессов в среде MatlabSimulinkс элементами библиотеки Simscape. В частности, в модель введены индуктивности в цепь транзисторных ключейVT1и VT2 (величиной 0,7 нГн каждая), в цепь диодов VD1и VD2(величиной 70 нГн), а также в цепь после трансформатора индуктивность величиной 0,3 мкГн и сопротивление 1,5 мОм. Для соответствия масштаба графиков с экспериментальными диаграммами, соответствующие сигналы были масштабированы по амплитудному значению.1 канал (желтый) – напряжение сток-исток транзистора VT1;2 канал (красный) – напряжение на конденсаторе Cr;3 канал (синий) – переменная составляющая напряжения на выходе;4 канал (зеленый) – ток в резонансном контуре Результаты моделирования основных параметров преобразователяКак видно из полученных диаграмм, длительность импульса тока, характерные выбросы и установившиеся значения напряжения на емкости и колебательность переходных процессовтранзисторов соответствуют экспериментальным значениям. Таким образом, можно сделать вывод, что предложенные причины их проявления соответствуют действительности.Также проведено моделирование по подтверждению графика зависимости КПД от входного напряжения при выходном напряжении 100 В. Получившийся график представлен на рисунке 33.Как можно видеть, характер зависимости также ниспадающий с увеличением входного напряжения и имеет насыщение в области низких напряжений. Численное соответствие может быть достигнуто путемболее точного определения параметров паразитных элементов. Зависимость КПД модели от входного напряжения при Uвых≈100 ВРезультаты исключения представленных паразитных параметров цепи из модели представлены на рисунке34 и 35. Как видно из рисунка 36, для достижения напряжения 100 В на выходе необходимо уменьшить частоту коммутации в 1,45 раз. Это достигается за счет увеличения амплитуды входного тока и снижения потерь на паразитных элементах, что отражается также на графике зависимости КПД от напряжения на входе. В частности, в области высоких значений входного напряжения за счет исключения дополнительных резонансных эффектов график линеаризуется. Сравнение графиков макета и моделей с учетом и без учета паразитных параметров представлено на рисунке 36.1 канал (желтый) – напряжение сток-исток транзистора VT1;2 канал (красный) – напряжение на конденсаторе Cr;3 канал (синий) – переменная составляющая напряжения на выходе;4 канал (зеленый) – ток в резонансном контуреРезультаты моделирования основных параметров преобразователя без паразитных параметров схемыЗависимость КПД модели без паразитных параметров схемыот входного напряжения при Uвых≈100 ВЗависимость КПД макета (реал), компьютерной модели макета (модель) и модели без паразитных параметров схемы (идеал) от входного напряжения при Uвых≈100 ВЗаключениеРассмотренная схема имеет такие преимущества как:снижение коммутационных потерь, связанное с режимом мягкой коммутации;простота в управлении – достаточно сформировать импульсы управления длительностью больше TLr0max, а дальнейшая регулировка производится за счет изменения частоты подачи данных импульсов.Однако, в связи с особенностями работы, данная схема имеет следующие недостатки:невысокий уровень КПД в режиме низких частот, вызванный высокой токовой загрузкой, чередующейся с бестоковыми паузами.существенное влияние паразитных элементов схемы на резонансную частоту контура и режимы работы.импульсный характер потребления тока большой величины (Iпик>>Iсред) от источника.В связи с представленными недостатками, сформированы следующие рекомендации:область применения: приложения, в которых требуется преобразователь напряжения с гальванической развязкой, снижение входного напряжения которого не более 15 – 25 %.при проектировании печатной платы необходимо минимизировать длину соединительных полупроводников, максимально увеличивая их сечение.входной источник питания должен иметь низкое выходное сопротивление, на входе преобразователя рекомендуется установить фильтрующую емкость.