Адаптивні моделі для FSBB перетворювача
DOI:
https://doi.org/10.15588/1607-6761-2025-2-5Ключові слова:
FSBB перетворювач, ECAD програми, Switching моделі, програмовані поведінкові елементи, показникі якості моделіАнотація
Мета роботи. розробка економічної адаптивної моделі силового каскаду чотириключового перетворювача знижувально-підвищувального типу (FSBB) разом із системою керування, яка адекватно моделює всі режими його роботи.
Методи дослідження. Основним методом дослідження є математичне моделювання; для розрахунку параметрів моделі використані емпіричні формули; для структурного синтезу моделі конвертера застосовано підхід поведінкового програмування.
Отримані результати. Показано перспективи використання FSBB конвертера в системах перетворення енергії, де вхідна та вихідна напруга варіюються відносно одна одної. Визначені переваги використання програм автоматизованого проектування (ECAD) для моделювання перетворювачів разом із системами керування як багатодоменних систем. Підходи до моделювання конвертерів спільно із системами керування проаналізовані та зазначені обмеження використання моделей на базі "усереднення простору станів" для дослідження електромагнітних характеристик та температурного менеджменту в силовій ступені перетворювача.
Запропоновано метод формування динамічної моделі FSBB для ECAD програми Micro-Cap12 на основі імітації поведінки силових ключів в часі та заміни їх програмованими резисторами. Для контролю жорсткості моделі та прискорення симуляції отримано оптимальні занчення опорів цих резисторів. Розроблено також модель конвертера для програми PSIM і проведено порівняльний аналіз показників якості моделінгу та симуляції в програмах Micro-Cap та PSIM. Сформовані рекомендації по галузям використання розроблених моделей.
Наукова новизна. Наукова новизна роботи полягає в способі представлення економічної Spice-сумісної динамічної моделі FSBB, в якій інтегруються силова ступінь та система керування завдяки використанню поведінкових моделей для силових ключів. В цих поведінкових елементах запрограмовані умови комутації шляхом порівняння несучого сигнала із референсним контролюючої підсистеми ШІМ; обидва сигнали нормовані і референсний пропорційний до показника duty cycle. Шляхом динамічного перевизначення параметра duty cycle, модель адаптується для будь-якого режиму конвертера (знижувального, підвищувального і транзитного), що робить її універсальною. Розроблено також просту модель конвертера спільно із системою керування для програми PSIM, яка дає можливості не тільки аналізувати електромагнітні характеристики, але й імпортувати необхідні передаточні функції для оптимального синтезу контролера у SmartControl.
Практична цінність. Обидві запропоновані моделі дозволяють аналізувати динамічні процеси в FSBB перетворювачі, оптимально поєднуючи такі суперечливі показники якості симуляції, як точність і економічність. Модель для Micro-Cap 12 дозволяє адекватно симулювати перехідні процеси силовї ступені конвертера, оскільки її отримано без попередньої лінеаризації та усереднення, крім того вона може бути доповнена температурними коефіцієнтами, ця опція відсутня для моделі PSIM. Модель PSIM дає можливість отримання передаточної функції для синтезу системи керування.
Посилання
Vasylenko, O.V., Snizhnoi, G.V. (2024). Pіdkhodi u modelyuvannі sistem peretvorennya yelektroenergії v gіbridnikh transportnikh zasobakh [Approaches in modeling electrical energy conversion systems in hybrid vehicles]. Elektrotehnika i elektroenergetika, 4, 36-47. (in Ukrainian) DOI: https://doi.org/10.15588/1607-6761-2024-4-4
Camara, M.B., Gualous, H., Gustin, F., Berthon, A., Dakyo, B. (2010). DC/DC Converter Design for Supercapacitor and Battery Power Management in Hybrid Vehicle Applications - Polynomial Control Strategy. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 57, 2, 587-597. DOI:10.1109/TIE.2009.2025283
Soedibyo, Amri, B., Ashari, M. (2015). The comparative study of Buck-boost, Cuk, Sepic and Zeta converters for maximum power point tracking photovoltaic using P&O method. 2nd International Conference on Information Technology, Computer, and Electrical Engineering (ICITACEE), 327-332. DOI: 10.1109/ICITACEE.2015.7437823.
Ma, Y., Wang, S., Zhang, S., Fan, X. (2013). An automatic peak-valley current mode step-up/step-down DC-DC converter with smooth transition. Proceedings of International Conference on ASIC. 1-4. DOI: 10.1109/ASICON.2013.6812054.
Malou, A., Allard, B., Hijazi, A., lin shi, Xuefang. (2018). 4-Switch Buck-Boost DC–DC Converter: A Case Study. Journal of Low Power Electronics. 14. 558-581. DOI:10.1166/jolpe.2018.1583.
Vasylenko, O., Reva, V., Snizhnoi, G. (2019). Simulation of ACS for magnetic susceptibility measurements in ECAD based on time domain functions. Proceedings of the Second International Workshop on Computer Modeling and Intelligent Systems (CMIS-2019), 2353, 689-701. Access mode: http://ceur-ws.org/Vol-2353/paper55.pdf
Plesnik, M. (2006). Use of the State-Space Averaging Technique in Fast Steady-State Simulation Algorithms for Switching Power Converters. Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering. 2224-2227. DOI:10.1109/CCECE.2006.277579
Vasylenko, O., Snizhnoi, G. (2018). PWM controller's models for investigation ACS in SPICE- family ECAD programs. Elektrotehnika i elektroenergetika, 1, 64-71.
Hymowitz, C.E. (1998). Power specialist’s app note book. San Pedro. CA 90733-0710 USA, intusoft, 171.
Gallo, E., Biadene, D., Cvejić, F., Spiazzi, G., Caldognetto, T. (2024). An Energy-Based Model of Four-Switch Buck-Boost Converters. IEEE Transactions on Power Electronics. 1-11. DOI: 10.1109/TPEL.2023.3349327.
Zhang, W., Lin, H., Zhang, Y., Jin, J. (2017). Modeling and Controlling Strategy of Four-Switch Buck-boost Convertor with Smooth Mode Transitions. The Open Electrical & Electronic Engineering Journal. 11. 57-67. DOI: 10.2174/1874129001711010057.
Qi, Z., Tang, J., Pei, J., Shan, L. (2020). Fractional Controller Design of a DC-DC Converter for PEMFC. IEEE Access, 8, 120134-120144, DOI: 10.1109/ACCESS.2020.3005439
Feng, H., Liu, Y., Guo, C., Li, Y., Li, T. (2025). Graphical Smooth Switching Control Method of Four-Switch Buck-Boost Converter in Fuel Cell Systems. IEEE Access. 1-1. DOI: 10.1109/ACCESS.2025.3535562.
Wu, C., Si, G., Zhang, Y., Yang, N. N. (2014). The fractional-order state-space averaging modeling of the Buck-Boost DC/DC converter in discontinuous conduction mode and the performance analysis. Nonlinear Dynamics, 79, 1, 889–703. DOI: 10.1007/s11071-014-1695-4
Dupe, V., Jammes, B., Seguier, L., Alonso, C. (2013). Behavioral modeling of power losses in FSBB converters. PCIM Europe Conference Proceedings.
Torrey, D., Selamogullari, U. (2002). A Behavioral Model for DC-DC Converters using Modelica. 2 International Modelica Conference, Proceedings, 167-172.
Basso, C. Switch-Mode Power Supplies Spice Simulations and Practical Designs. (2008). McGraw-Hill Professional, ISBN: 978-0-07-158935-2. 117.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2025 O.V. Vasylenko, G.V. Snizhnoi
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.
Положення про авторські права Creative Commons
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
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 цьому журналі.
Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи.
