Gelişmiş Faz Kaydırmalı Tam Köprü DC / DC Dönüştürücünün Modellemesi Üzerine Araştırma
0 Önsöz
Tam köprü topolojisi, çeşitli endüstriyel uygulamalarda güç dönüştürücülerinin baskın topolojisi haline geldi.Tam köprülü DC / DC dönüştürücüdeki MOS tüpü, dönüşümü sağlamak için Sıfır Gerilim Anahtarlama (ZVS) koşulları altında çalışmalıdır. Öte yandan, anahtarlama kayıplarını ve sistem elektromanyetik girişimini (Elektromanyetik Girişim, EMI) azaltabilir. Faz kaydırmalı tam köprülü DC / DC dönüştürücü, basit çalışma prensibi, yüksek güç yoğunluğu ve düşük EMI nedeniyle elektrikli araç şarj cihazları gibi güç dönüştürücülerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Geleneksel faz kaydırmalı tam köprülü DC / DC dönüştürücüler, görev döngüsü kaybı ve ikincil taraf doğrultucu diyotta aşırı tepe voltajı gibi doğal teknik eksikliklere sahiptir. Literatürde, gelişmiş bir faz kaydırmalı tam köprü DC / DC dönüştürücü topolojisi önerilmiştir.Bu topoloji, ikincil yan doğrultucu diyotta aşırı tepe voltajı sorununu ek yardımcı devreler gerektirmeden çözmektedir.Aynı zamanda çalışmalar, dönüştürücünün geliştirildiğini göstermiştir. Mevcut sürekli olmayan akım modunda (Kesintili Akım Modu, DCM) en iyi çalışma modudur, şu anda mevcut kesintili faz kaydırmalı tam köprü dönüştürücü nedeniyle, görev döngüsü kaybı sorunu yoktur.
Güç elektroniği sistemlerinin modellenmesi, sayısal yöntemlerden analitik yöntemlere kadar bir gelişim sürecinden geçmiştir. Sayısal yöntem, fiziksel anlamı belirsizliği ve aşırı hesaplama miktarı nedeniyle yavaş yavaş analitik yönteme geçmiştir; analitik yöntemde, durum-uzay ortalama yöntemi ve devre ortalaması yöntemi baskındır. Durum uzayı ortalama yöntemi, net fiziksel kavramlar ve basit ve net modellerin avantajlarına sahiptir.Güç elektroniği modellemesinde yaygın olarak kullanılmaktadır.Bununla birlikte, DCM'de çalışan yüksek dereceli dönüştürücü sistemleri ve dönüştürücülerin modelleme ve hesaplama sürecinde durum uzayı ortalama yöntemi kullanılmaktadır. Zahmetli; devre ortalama yöntemindeki anahtarlama elemanı ortalama model yöntemi, anahtarlama elemanlarını doğrudan işleyebilir.Fiziksel anlamı açık, anlaşılması kolay ve analiz süreci basit ve açıktır.Parazitik parametreler dikkate alınarak ideal olmayan dönüştürücü modellemenin genişletilmesi ve gerçekleştirilmesi uygundur. Geleneksel faz kaydırmalı tam köprülü DC / DC dönüştürücülerin modellenmesi, çoğunlukla durum uzayı ortalama yöntemini benimser ve çoğunlukla, sürekli akım modunda (Sürekli Akım Modu, CCM) çalışan dönüştürücü modellemesinin analizi ve tartışmasına odaklanır.
Tez, faz kaydırmalı tam köprülü DC / DC dönüştürücünün iyileştirilmiş topolojisini hedeflemektedir.Dönüştürücü yüksek dereceli bir sistemdir ve DCM'de çalışır.Modelleme yöntemini ve spesifik modelleme sürecini sağlayan literatür yoktur.Bu nedenle, önce tez Çalışma prensibini analiz edin ve ardından anahtarlama elemanı ortalama model yöntemine dayalı olarak dönüştürücü küçük sinyal modelinin kurulumunu inceleyin, DCM dönüştürücü güç kademesi çıkış aktarım işlevini türetin ve genlik-frekans özelliklerini, frekans tarama yöntemiyle elde edin, gelişmiş faz kaydırmalı tam köprüyü onaylayın Topolojik yapı DC / DC dönüştürücü modelleme yöntemi ve inşa edilen modelin makul geçerliliği.
1.1 Çalışma prensibi analizi
Geleneksel faz kaydırmalı tam köprü devresi, MOS bağlantı kapasitansını ve transformatörün birincil kaçak endüktans rezonansını kullanarak güç anahtarının yumuşak anahtarlamasını gerçekleştirmek için bir faz kaydırma kontrol yöntemi kullanır. Makalede önerilen gelişmiş faz kaydırmalı tam köprü topolojisi geleneksel topolojiye dayanmaktadır ve ikincil doğrultucu köprünün arkasına sadece küçük bir kapasitör paralel bağlanmıştır Topoloji Şekil 1'de gösterilmiştir.
Bu topolojide, anahtarlama tüpleri Q1 ve Q2 ön kolu oluşturur, anahtarlama tüpleri Q3 ve Q4 gecikmeli kolu oluşturur, Lk dönüştürücünün birincil yan rezonant indüktörüdür, T transformatördür, D1-D4 ikincil tam köprü doğrultucu devresini oluşturur ve C1 ek bir artış Kapasitör, L2 ve C2, çıkış LC filtre ağını oluşturur ve R, devre yüküdür. Dönüştürücünün çalışma süreci literatürde ayrıntılı olarak açıklanmıştır.
1.2 Ana bileşenlerin parametre tasarımı
Dönüştürücünün tasarım gereksinimleri şunlardır: giriş gerilimi 380 V, çıkış gerilimi 200 ~ 450 V, çıkış gerilimi dalgalanması < % 2, maksimum çıkış akımı 6 A ve anahtarlama süresi fs = 40 kHz'dir.
Vo = 400 V, Io = 5 A, Po = 2 kW seçin ve transformatörün birincil ve ikincil taraflarının dönüştürme oranı K = 0,92: 1'dir.
1.2.1 Rezonant indüktör
Anahtarlama borusunun sıfır gerilim açmasını gerçekleştirmek için, anahtarlama borusu bağlantı kapasitansındaki yükü çıkarmak ve aynı köprü kolundaki başka bir MOS borusunun bağlantı kapasitansını yüklemek için yeterli enerjiye sahip olmak gerekir.Çok küçük endüktans değeri, faz kaydırmalı köprü koluna neden olacaktır. Histerez kolunun yumuşak geçişi başarısız olur, eğer çok büyükse, konvertörün hacmini artıracak ve konvertörün verimini azaltacaktır.
Burada: Ip, transformatörün birincil akımıdır, Coss, giriş voltajı koşulu altındaki MOS tüpünün boşaltma kaynağı parazitik kapasitansıdır ve Vin, giriş voltajıdır.
Yumuşak anahtarlamanın% 20 yük altında gerçekleştirilebileceği düşünüldüğünde rezonans endüktansı Lk 38,5 H'dir.
1.2.2 Paralel kapasitörler
Paralel kapasitans hesaplama formülü şöyledir:
Formülde: Vcf, kondansatörün her iki ucundaki voltaj dalgalanmasını temsil eder, genellikle çıkış voltajının% 5 ila% 10'unu alır ve fs anahtarlama frekansıdır. Kapasitans değeri 1 F'dir.
1.2.3 Çıkış filtresi indüktörü
Filtre indüktöründeki akımın maksimum dalgalanması çıkış akımının% 20'sidir ve indüktör akımının minimum çıkış akımının altında sürekli kalması gerekir.Tam yük akımının% 10'u alınırsa, çıkış filtresi indüktörü:
Burada: K, transformatörün birincil ve ikincil taraflarının dönüşüm oranıdır, VLf, filtre endüktansı L2 üzerindeki DC voltaj düşüşüdür ve VD, doğrultucu diyotun durumdaki voltaj düşüşünü temsil eder. L2 = 500 H olarak alın.
1.2.4 Çıkış filtresi kondansatörü
Yük bataryasının şarj voltaj dalgalanmasının tepeden tepeye değerinin% 2'den az olması gerekliliğine göre, kapasitans değeri:
Formülde: fcf = 2fs, Vopp, çıkış voltaj dalgalanmasının tepeden tepeye değeridir. Çıkış voltajı dalgalanma faktörü% 2 ise, kapasitans 50 F'dir.
2 Faz kaydırmalı tam köprü DC / DC dönüştürücünün modellemesini geliştirin
Literatür, ideal koşullar altında geleneksel faz kaydırmalı tam köprü dönüştürücünün çalışma modunu analiz eder, BUCK dönüştürücünün ortalama eşdeğer modelini birleştirir ve görev döngüsü kaybının faz kaydırmalı tam köprü devresi üzerindeki etkisini dikkate alır ve geleneksel faz kaydırmalı tam köprü devresini kurar. Eşdeğer köprü dönüştürücü modeli.
Geliştirilmiş faz kaydırmalı tam köprülü DC / DC dönüştürücünün çalışma modal analizine dayanarak, tez, iki aşamalı LC devresine sahip BUCK dönüştürücünün eşdeğer devresiyle başlar ve Şekil 2'de gösterildiği gibi geliştirilmiş faz kaydırmalı tam köprü dönüştürücünün eşdeğer devresini elde eder. Gösterildiği gibi, burada Vg ve L1 sırasıyla güç kaynağı voltajı ve eşdeğer dönüşüm yoluyla T transformatörünün birincil tarafından ikincil tarafa Vdc ve Lk'ye karşılık gelen rezonans endüktansıdır.
Şekil 2'nin eşdeğer devresi, iki aşamalı LC filtreli BUCK dönüştürücü ile aynıdır.Dönüştürücünün DCM'de çalıştığı düşünülürse, dönüştürücünün küçük sinyal modelini oluşturmak için anahtarlama elemanı ortalama modeli yöntemi kullanılır.Analiz kolaylığı için iL1 ve vC1 olarak seçilir. Durum değişkenleri, burada iL1, indüktör L1'den geçen akımı temsil eder ve vC1, C1 kondansatörü boyunca voltajı temsil eder.
Anahtarlama elemanı ortalama modeli yöntemine göre, akım kontrollü akım kaynağı iQ, anahtarlama tüpü Q1'in yerini almak için kullanılır, voltaj kontrollü voltaj kaynağı vD, serbest devinimli diyot D'nin yerini almak için kullanılır ve terminal voltajı vL1, indüktör L1'in yerini almak için her zaman sıfır akım kaynağı iL1'dir. Faz kaydırmalı tam köprülü DC / DC dönüştürücünün eşdeğer devresi ve ilgili değişkenlerin küçük sinyal karışıklığı ve doğrusallaştırması, faz kaydırmalı tam köprülü DC / DC dönüştürücünün AC küçük sinyal eşdeğer devresini iyileştirmek için kullanılabilir. Bunların arasında her değişkenin küçük sinyal bozuklukları vardır.
Şekil 3'ten, indüktör L2 üzerindeki akımın ve çıkış voltajının görev döngüsüne transfer fonksiyonları şunlardır:
Formülde: VC2, C2 kapasitöründeki voltajdır ve sistem çıkış voltajını temsil eder ve iL2, indüktör L2'den akan akımdır.
3 Sistem tarama frekansı simülasyon araştırması
MATLAB / Simulink yazılımına dayanarak, geliştirilmiş bir faz kaydırmalı tam köprü topolojisi DC / DC dönüştürücüsünün Simulink modelini oluşturun ve simülasyon araştırması yapın.Simülasyon parametreleri Vdc = 380 V, Lk = 38,5 H, C1 = 10 F, L2 = 500 H, C2 = 20 F, D = 0.5, VC2 = 422 V, R = 400 , 0.92: 1 trafo oranı, anahtarlama frekansı fs = 40 kHz, çıkış geriliminin görev döngüsüne transfer fonksiyonunun bode grafiği Şekil 4'te gösterilmektedir. Gösterildi.
L2 indüktöründen akan akım ile sistemin giriş görev döngüsü d arasındaki genlik-frekans ve faz-frekans ilişkisini frekans süpürme yoluyla analiz edin ve aşağıdaki gibi ayrık nokta uydurma ile elde edilen genlik-frekans karakteristik eğrisini ve faz-frekansı karakteristik eğrisini uydurun. Şekil 5'te gösterilmektedir. Şekil 4 ve 5, statik kazanç, geçiş frekansı ve faz marjı gibi temel parametrelerin iki şekilde yaklaşık olarak eşit olduğunu ortaya koymaktadır. Simulink simülasyon modeli ile ideal model arasındaki fark göz önüne alındığında, ikisinin genlik-faz karakteristik eğrileri temelde aynıdır; bu, geliştirilmiş faz kaydırmalı tam köprü topolojisinin DC / DC dönüştürücüsünün modelleme yöntemini ve inşa edilen modelin makul geçerliliğini kanıtlar.
4. Sonuç
Geleneksel faz kaydırmalı tam köprü devresinin teknik eksiklikleri göz önüne alındığında, makale, gelişmiş bir faz kaydırmalı tam köprü devre topolojisi benimsemeyi önermektedir.Geleneksel faz kaydırmalı tam köprü devre modelleme yöntemine benzetildikten sonra, anahtarlama elemanı ortalama modeli yöntemi, topoloji çalışmasını oluşturmak için ilk kez kullanılır DCM'nin küçük sinyal modeline ve frekans taraması analizine dayanarak, geliştirilmiş faz kaydırmalı tam köprü DC / DC dönüştürücü modelleme yöntemi ve oluşturulan model makul ve etkilidir; önerilen modelleme yöntemi basit hesaplama, açık fiziksel anlam ve rahatlığa sahiptir. İdeal olmayan modeller oluşturmak için devre paraziti parametrelerini dikkate almanın avantajlarını genişletin. Topolojinin kontrolör tasarımı ve sistem kontrol sistemi performansının genel iyileştirilmesi için sağlam bir araştırma temeli oluşturdu.
Referanslar
Chen Jian, Lu Zhiguo.Aşama kaydırmalı tam köprülü yumuşak anahtarlama dönüştürücünün topoloji analizi.Jongqing Üniversitesi Dergisi (Natural Science Edition), 2005 (12): 27-31.
PAHLEVANINEZHAD M, DROBNIK J, JAIN P K, ve diğerleri.Elektrikli araçlar için kullanılan bir sıfır voltaj anahtarlamalı DC / DC dönüştürücü için bir yük uyarlamalı kontrol yaklaşımı. Endüstriyel Elektronik üzerine IEEE İşlemleri, 2012, 59 (2): 920-933.
Majid Pahlevani, Suzan Eren, Alireza Bakhshai. Seri-paralel akımla çalışan tam-köprü DC / DC dönüştürücü. Güç Elektroniği üzerine IEEE İşlemleri, 2016, 31 (2): 1275-1293.
Zhao Chen, Wu Xinke ve diğerleri.Düşük çıkış voltajlı yüksek çıkış akımı uygulamaları için yeni bir senkronize düzeltilmiş yumuşak anahtarlamalı faz kaydırmalı tam köprü dönüştürücünün optimum tasarım değerlendirmesi ve uygulaması. Güç Elektroniği IEEE İşlemleri, 2009, 24 (2): 1275-1293.
Cheng Yan, Sun Yongjun Güç Elektroniği Dönüştürücü Modellemesine Genel Bakış Elektrikli Sürücü Otomasyonu, 2008, 30 (6): 4-9.
Zhang Weiping Anahtarlamalı dönüştürücülerin modellenmesi ve kontrolü Beijing: China Electric Power Press, 2006: 263-275.
Hu Xuezhi, Nan Guangqun. Faz kaydırmalı tam köprülü ZVS DC / DC dönüştürücü için modelleme ve simülasyon araştırması. Üçüncü Uluslararası Akıllı Bilgi Teknolojisi Uygulaması Sempozyumu, 2009: 549-552.
Weng Chuanhui, Cai Fenghuang. Küçük sinyal modelleme ve faz kaydırmalı tam köprü devresinin simülasyonu Elektrik Teknolojisi, 2016 (4): 63-66.
yazar bilgileri:
Cui Chao, Li Hongmei, Zhang Hengguo, Zeng Shenjie
(Elektrik ve Otomasyon Mühendisliği Okulu, Hefei Teknoloji Üniversitesi, Hefei 230009, Anhui)
