The Analysis of Energy Transition Processes in Boost Converter
Вісник НТУУ "КПІ". Серія Радіотехніка, Радіоапаратобудування.
Переглянути архів Інформація| Поле | Співвідношення | |
| Title |
The Analysis of Energy Transition Processes in Boost Converter
Анализ процессов передачи энергии в повышающем импульсном преборазователе Аналіз процесів передачі енергії у підвищуючому імпульсному перетворювачі |
|
| Creator |
Martynyuk, V. V.
Kosenkov, V. D. Geydarova, O. V. Fedula, M. V. |
|
| Subject |
boost converter
energy losses transient process critical mode modelling повышающий преобразователь потери энергии переходный процесс критический режим моделирование підвищуючий імпульсний перетворювач втрати енергії перехідний процес критичний режим моделювання |
|
| Description |
Introduction. This article presents the analysis of energy transition processes in boost converter under the conditions of load changing. The boost converter laboratory layout is investigated with forms of the transient process caused by load changing. The transient currents and voltages are measured in harmonic and anharmonic modes. The parameters of boost converter transient modes are estimated. The analysis of energy transition processes is performed using two boost converter models. Problem statement. The boost converter circuits are used in the areas of electronics where the minimization of energy losses is strictly required. The boost converter energy losses depend on the form of transient processes caused by load changing. The purpose of energy losses minimization requires exact analysis of energy transition processes which appear under load changing. The presented work describes the responses of boost converter circuit to changing the load twice with four different transient modes. Results. The analysis of energy transition processes is performed with two models. The first model is based on the iterative mapping technique, where the currents and voltages of each period of gate driving signal are determined from the circuit parameters and initial conditions given by the previous period of driving signal. Such model allows to perform an exact analysis of current and voltage ripple transient processes. But the iterative mapping model is characterized by numerical approximation errors and requires more computation time. The second model describes the envelopes of boost converter current and voltage transient processes analytically. This model is based on the state-space averaging method which is widely used for modelling of switching circuits. Such model does not take into account the waveforms of current and voltage ripples, but it provides a more simple description of transient process envelopes which are useful for the circuit design purposes. The modeling results obtained from iterative mapping and state space averaging, match with the experimental data. Conclusions. The performed analysis shows that the energy losses depend on the transient process mode significantly. During the load transient process time, the smallest energy losses can be obtained under the critical load transient process form which is situated between periodic and aperiodic modes. Such result is obtained experimentally and confirmed by the both iterative mapping and state-space averaging models. The analytical results are confirmed by optimization procedure in MATLAB environment.
Введение. В статье описывается анализ процессов передачи энергии в повышающем преобразователе при изменении нагрузки. Исследован лабораторный макет преобразователя при различных формах переходного процесса, вызванного изменением нагрузки. Переходные токи и напряжения измерены в гармонических и негармонических режимах. Проведена оценка параметров переходных режимов. Анализ процессов перехода энергии осуществлен с помощью двух моделей повышающего преобразователя. Постановка проблемы. Цепи повышающих преобразователей используются в областях электроники, где минимизация потерь энергии является критически важной. Потери энергии в повышающем преобразователе зависят от формы переходных процессов, вызванных изменением нагрузки. Минимизация потерь энергии требует точного анализа процессов передачи энергии, которые возникают при изменении нагрузки. Предложенная работа описывает реакции схемы преобразователя на изменения нагрузки вдвое с четырьмя различными режимами переходного процесса. Результаты. Анализ процессов передачи энергии осуществляется с использованием двух моделей. Первая модель основана на методике итеративного отображения, где токи и напряжения каждого периода сигнала управления затвором транзистора определяются по параметрам схемы и начальными условиями, заданными предыдущим периодом управляющего сигнала. Такая модель позволяет проводить точный анализ переходных процессов и пульсаций тока и напряжения. Однако, модель итеративного отображения характеризуется погрешностями числовой аппроксимации, и требует больше времени для выполнения вычислений. Вторая модель аналитически описывает огибающие переходных процессов тока и напряжения преобразователя. Такая модель базируется на методе усреднения в пространстве состояний, который широко используется для моделирования импульсных схем. Такая модель не учитывает формы пульсаций токов и напряжений, но обеспечивает более простое описание переходных процессов, полезное при разработке схемотехники. Результаты моделирования, полученные из итеративного отображения и усреднения в пространстве состояний, совпадают с экспериментальными данными, с относительной погрешностью, которая не превышает 3%. Выводы. Проведенный анализ показывает, что потери энергии в повышающем преобразователе зависят от переходного процесса. В течение переходного процесса, вызванного изменением нагрузки, наименьшие потери энергии могут быть получены при критической форме переходного процесса, расположенной между гармоничным и негармоничным режимами. Такой результат получен экспериментально и подтвержден как итеративным отображением, так и моделями усреднения состояния пространства. Аналитические результаты подтверждаются процедурой оптимизации в среде MATLAB. 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. |
|
| Publisher |
National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute"
|
|
| Date |
2019-06-30
|
|
| Type |
info:eu-repo/semantics/article
info:eu-repo/semantics/publishedVersion |
|
| Format |
application/pdf
|
|
| Identifier |
http://radap.kpi.ua/radiotechnique/article/view/1570
10.20535/RADAP.2019.77.17-29 |
|
| Source |
Visnyk NTUU KPI Seriia - Radiotekhnika Radioaparatobuduvannia; No 77 (2019); 17-29
Вестник НТУУ "КПИ". Серия Радиотехника, Радиоаппаратостроение; № 77 (2019); 17-29 Вісник НТУУ "КПІ". Серія Радіотехніка, Радіоапаратобудування; № 77 (2019); 17-29 2310-0389 2310-0397 |
|
| Language |
eng
|
|
| Relation |
http://radap.kpi.ua/radiotechnique/article/view/1570/1414
|
|
| Rights |
Авторське право (c) 2019 V. V. Martynyuk, V. D. Kosenkov, O. V. Geydarova, M. V. Fedula
https://creativecommons.org/licenses/by/4.0 |
|