XIII International PhD Workshop OWD 2011, October Study of small signal transmittances BOOST converter

Transkrypt

1 XIII International PhD Workshop OWD 11, 5 October 11 Study of small signal transmittances BOOST converter Badanie transmitancji małosygnałowych przetwornicy BOOST Norbert Smolukowski, Politechnika Koszalińska bstract The article presents the results of simulation and measurement converter voltage pulse BOOST type with parasitic elements as shown in Fig.. Still growing interest DC/DC converters is that the devices are more and wider use of power electronics, ranging from professional systems uninterruptible power supply through energy systems based on renewable energy sources into everyday devices. The result is that the growing interest in research of this type of device. The target of such studies is to better understand and improve these devices and the basic information that gives us knowledge about the dynamics of the converter its stability and helps to design the control system is small signal transfer function. The studies are concerned with two small signal transmittances taking into account the parasitic elements of the converter. Simulation tests were used to package Mathcad calculation while the measurement tests used a specially designed and constructed measuring system, which is presented in the article on Fig.11 to Fig.13. Simulation results are shown in Fig.3 to Fig.1. Simulation were conducted on the basis of equations (3) and (7). The measurement results are shown in Fig.14 to Fig.17. Streszczenie rtykuł prezentuje wyniki badań symulacyjnych i pomiarowych impulsowej przetwornicy napięcia stałego typu BOOST. Wciąż rosnące zainteresowanie przetwornicami prądu stałego spowodowane jest tym iż urządzenia te znajdują coraz to szersze zastosowanie energoelektronice, począwszy od profesjonalnych systemów bezprzerwowego zasilania poprzez systemy energetyczne oparte na źródłach energii odnawialnej do urządzeń codziennego użytku. Powoduje to, iż rośnie także zainteresowanie badaniami tego typu urządzeń. Celem takich badań jest lepsze poznanie i udoskonalanie tych urządzeń a podstawową informacją, która daje nam wiedzę na temat dynamiki przetwornicy, jej stabilności i wspomaga projektowanie układu sterowania jest transmitancja małosygnałowa. Przedstawione badania dotyczą dwóch transmitancji małosygnałowych uwzględniających elementy pasożytnicze przetwornicy. Do badań symulacyjnych wykorzystano pakiet obliczeniowy MathCad, natomiast do badań pomiarowych zastosowano specjalnie zaprojektowany i zbudowany układ pomiarowy, który jest przedstawiony w artykule. 1.Wprowadzenie W dobie dzisiejszego rozwoju energoelektroniki osiągane sprawności energetyczne rzędu 9% impulsowych układów przetwarzania energii powodują wypieranie liniowych układów regulatorów napięcia. Taka sytuacja prowadzi do intensyfikacji prac nad układami impulsowymi. rtykuł ten przedstawia wyniki badań symulacyjnych i pomiarowych impulsowej przetwornicy napięcia stałego typu BOOST. Badania koncentrują się na wyznaczeniu ważnych zależności amplitudowofazowych przetwornicy dla pobudzeń małosygnałowych. Transmitancje małosygnałowe opisują sposób zachowania się układu przetwornicy i są potrzebne przy projektowaniu układu sterującego pracą kluczy tranzystorowych. Wyniki prezentowane w artykule opierają się na badaniach bloku głównego przetwornicy BOOST prezentowanej na rys.1 wraz z elementami pasożytniczymi przedstawionymi na rys.. Rys.1. Schemat przetwornicy BOOST bez elementów pasożytniczych Fig.1. BOOST converter circuit without parasitic elements Rys.. Schemat przetwornicy BOOST z elementów pasożytniczych Fig.. BOOST converter circuit with parasitic elements 117

2 Przetwornica została tak zaprojektowana aby podwyższała napięcie stałe z 5VDC do 4VDC i mogła pracować z obciążeniem do. Przertwornica pracuje w trybie ciągłego prądu cewki tzn. w trybie CCM. Pierwsza z transmitancji określona jako line-tooutput transfer function jest oznaczona jako g(s), druga control-to-output transfer function oznaczona jako d(s). Elementami pasożytniczymi są rezystancje szeregowe: diody, tranzystora, cewki i kondensatora. Rezystancje te zostały wyznaczone na podstawie danych katalogowych elementów bądź w drodze dodatkowych pomiarów.w rozdziale II przedstawiono definicje transmitancji małosygnałowych oraz wzory opisujące transmitancje przetwornicy BOOST. Rozdział III przedstawia wyniki symulacji zaś rozdział V wyniki pomiarów rzeczywistej przetwornicy. Opis układu pomiarowego zawarty został w rozdziale IV. (1 g s C L + s( G L + C R +.Transmitancje małosygnałowe Transmitancje małosygnałowe opisują małosygnałowe modele wpływu składowej zmiennej napięcia wejściowego U g(s) oraz współczynnika wypełnienia Θ(s) na składową zmienna napięcia wyjściowego U (s). [1] U = U + Θ( ) (1) g g d s Transmitancja małosygnałowa g(s) przetwornicy BOOST bez elementów pasożytniczych []: 1 D g = () s LC + sg L + (1 D ) Transmitancja małosygnałowa g(s) przetwornicy BOOST z elementami pasożytniczymi [3]: D)(1 + scrc ) = (3) CR (1 D )) + G R + (1 D ) C = C( 1+ RCG ) (4) si BLL + U (1 D) d = (6) s LC + sgl + (1 D) R = D( RT RD ) + RD + RL (5) Transmitancja małosygnałowa d(s) przetwornicy Transmitancja małosygnałowa d(s) przetwornicy BOOST z elementami pasożytniczymi [3]: BOOST bez elementów pasożytniczych []: s I BLLCRC + s( U XCRC I BL( L + CRC R )) + U X I BLR d = (7) s C L + s( G L + C R + CR (1 D )) + G R + (1 D ) U X = U I ( R R ))(1 D ) (8) ( BL T D 3. Symulacje transmitancji małosygnałowych przy użyciu pakietu obliczeniowego MathCad Symulacje komputerowe zostały przeprowadzone dla bloku głównego przetwornicy BOOST o C C parametrach podanych poniżej: U G=5VDC, D =,79, L=µ, C=µF, G =,7mS, R L=75mΩ, R C=,8Ω, R D=,6Ω, R T=,4Ω, f k=kz Rys.3. Charakterystyka amplitudowa transmitancji g(s)bez elementów pasożytniczych Fig.3. mplitude bode plot- transfer function g (s) without parasitic elements 118

3 Rys.4. Charakterystyka fazowa transmitancji g(s)bez elementów pasozytniczych Fig.4. Phase bode plot -transfer function g (s) without parasitic elements Rys.5. Charakterystyka amplitudowa transmitancji g(s) z elementami pasożytniczymi Fig.5. mplitude bode plot- transfer function g (s) with parasitic element Rys.6. Charakterystyka fazowa transmitancji g(s) z elementami pasożytniczymi Fig.6. Phase bode plot- transfer function g (s) with parasitic elements Rys.7. Charakterystyka amplitudowa transmitancji d(s)bez elementów pasożytniczych Fig.7. mplitude bode plot - transfer function d (s) without parasitic elements 119

4 Rys.8. Charakterystyka fazowa transmitancji d(s)bez elementów pasożytniczych Fig.8. Phase bode plot - transfer function d (s) without parasitic elements Rys.9. Charakterystyka amplitudowa transmitancji d(s)z elementami pasożytniczymi Fig.9. mplitude bode plot- transfer function d (s) with parasitic elements Rys.1. Charakterystyka fazowa transmitancji d(s) z elementami pasożytniczymi Fig.1. Phase bode plot- transfer function d (s) with parasitic elements 4. Układ pomiarowy Do przeprowadzenia badań wykorzystano specjalnie przygotowany układ który dostarczył wymuszeń małosygnałowych. miany napięcia wejściowego u g(t) uzyskano z zasilacza napięcia stałego z możliwością dodawania składowej zmiennej. Sygnał kluczujący prace tranzystora uzyskano ze zbudowanego do tego celu układu generatora sygnału prostokątnego z możliwością modulacji szerokości impulsu za pomocą sygnału Rys.11. Małosygnałowe zmiany napięcia wejściowego Fig.11 Small signal input voltage 1 sinusoidalnego. asadę tworzenia sygnału kluczującego pokazuje rys.1. Jak widać od wielkości offset-u napięcia U d(t) zależy składowa stała

5 współczynnika wypełnienia, a od amplitudy sygnału U d(t) zależy wielkość zmian małosygnałowych d m. Rys.1. Małosygnałowe zmiany współczynnika wypełnienia Fig.1. Small signal duty cycle Stanowisko pomiarowe zostało zestawione tak jak przedstawia rys.13. Wyniki pomiarów zostały odczytane z oscyloskopu dwukanałowego. 5. Wyniki pomiarów Wyniki pomiarów rzeczywistej przetwornicy BOOST zostały zaprezentowane w postaci Rys.13. Schemat blokowy stanowiska pomiarowego Fig.13. Block diagram of a measuring charakterystyk amplitudowo-fazowych w konfrontacji z wynikami symulacji komputerowej. Rys.14. Charakterystyka amplitudowa transmitancji g(s) rzeczywistej przetwornicy BOOST Rys.14. mplitude bode plot- transfer function g (s) real BOOST converter Rys.15. Charakterystyka fazowa transmitancji g(s) rzeczywistej przetwornicy BOOST Rys.15. Phase bode plot- transfer function g (s) real BOOST converter 11

6 Rys.16. Charakterystyka amplitudowa transmitancji d(s) rzeczywistej przetwornicy BOOST Rys.16. mplitude bode plot- transfer function d (s) real BOOST converter Rys.17. Charakterystyka fazowa transmitancji d(s) rzeczywistej przetwornicy BOOST Rys.17. Phase bode plot- transfer function d (s) real BOOST converter 6. Podsumowanie Wyniki przeprowadzonych badań w dużym stopniu pokrywają się z wartościami uzyskanymi na drodze symulacji rzeczywistych charakterystyk przetwornicy BOOST. Dowodzi to faktu iż użyta metoda pomiarowa okazała się poprawna. Jak widać po analizie wyników pomiarów, elementy pasożytnicze które często zostają pomijane ze względu na relatywnie małe wartości, bardzo mocno wpływają na kształt i przebieg charakterystyk amplitudowofazowych przetwornicy. Odchyłki punktów pomiarowych od charakterystyk symulacyjnych są wynikiem przyjętego modelu małosygnałowego przetwornicy, który jest też jedynie przybliżeniem rzeczywistej przetwornicy. Wyniki badań zaprezentowane w artykule skłaniają do tego, aby kolejnym krokiem było sprawdzenie transmitancji małosygnałowej dla zmiennej konduktancji obciążenia. Ponadto planowane są badania przetwornicy BOOST zbudowanej na elementach wysokotemperaturowych oraz z węglika krzemu i zbadania wpływu wysokiej temperatury na prace urządzenia. W celu zmniejszenia błędów pomiarowych oraz z automatyzowania procesu pomiarowego rozpoczęte zostały prace nad budową systemu pomiarowego opartego na mikrokontrolerach i współpracującego z komputerem PC. 6. Literatura 1. W.Janke Materiały do wykładów Elektroniczne systemy przetwarzania energii Koszalin 1. R. W. Erickson and D.Maksimovic Fundamentals of Power Electronics Second Edition - University of Colorado, Boulder 3.W.Janke Techniki opisu impulsowych przetwornic napięcia stałego - Katedra Systemów Elektronicznych, Politechnika Koszalińska 11 dres służbowy utora: Mgr inż. Norbert Smolukowski Politechnika Koszalińska Wydział Elektriniki i Informatyki, Katedra Systemów Elektronicznych Ul. Śniadeckich Koszalin tel. (94) , tel. (94) , fax (94) norsmol@o.pl 1