МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЗОНАНСНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

DOI: 10.47026/1810-1909-2024-4-14-35

УДК 621.314.5

ББК 31.15

Г.А. БЕЛОВ, Г.В. МАЛИНИН

Ключевые слова: резонансный преобразователь постоянного напряжения типа LCC, метод основной гармоники, временной анализ, векторно-матричные уравнения, установившийся режим, внешняя характеристика, имитационное моделирование.

Аналитическое исследование резонансных преобразователей постоянного напряжения с целью их анализа и правильного проектирования является актуальной задачей. В настоящее время для решения этой задачи используются метод основной гармоники и метод временного анализа. Применение метода основной гармоники для анализа характеристик установившегося режима преобразователя типа LCC оказывается простым только при использовании LC-сглаживающего фильтра на его выходе. Для широко применяемого LCC-преобразователя с емкостным фильтром на выходе метод основной гармоники дает значительную погрешность. Поэтому характеристики LCC-преобразователя в настоящее время изучаются в основном методами временного анализа и имитационного моделирования.

Цель исследования – обоснование внешних характеристик преобразователя типа LCC методами основной гармоники и временного анализа и сравнение полученных результатов с результатами имитационного моделирования.

Материалы и методы. Математическое моделирование преобразователя проводилось методами теории цепей и автоматического управления. При исследовании преобразователя с использованием временного анализа использовались векторно-матричные методы решения дифференциальных уравнений, методы разделения движения и припасовывания. Имитационное моделирование преобразователя проводилось в среде динамического моделирования MATLAB/Simulink.

Результаты исследований. Внешние (нагрузочные) характеристики преобразователей наравне с зависимостями коэффициента усиления напряжения от частоты переключений позволяют обосновать выбор типа преобразователя и рекомендации по их проектированию. Дан вывод внешних характеристик преобразователя и зависимостей тока короткого замыкания и напряжения холостого хода от частоты переключений методом основной гармоники. Временной анализ проведен для наиболее сложного трехинтервального на полупериоде переключений режима преобразователя. Векторно-матричным методом решены дифференциальные уравнения, описывающие процессы на трех интервалах линейности преобразователя. Получены аналитические соотношения, позволяющие рассчитывать переходные процессы методом припасовывания и определять характеристики установившегося режима. Последнее существенно усложняется с увеличением числа интервалов линейности преобразователя на полупериоде переключений. Это объясняется тем, что перед расчетом характеристик установившегося режима приходится решать нелинейное уравнение этого режима, что сильно усложняется уже при трех интервалах линейности на полупериоде.

Выводы. Метод основной гармоники для LCC-преобразователя имеет ограниченное применение, поскольку дает приближенные результаты, которые уточняются более точными методами. Метод временного анализа является наиболее подходящим и точным методом исследования. Но его применение усложняется с ростом числа интервалов линейности преобразователя при анализе его установившегося режима работы.

Литература

1. Анализ характеристик установившегося режима резонансных преобразователей типа LLC / Г.А. Белов, Г.В. Малинин, Л.С. Севриков, Ю.М. Семенов // Электротехника. 2021. № 8. С. 15–20.
2. Белов Г.А., Малинин Г.В. Сравнение резонансных преобразователей постоянного напряжения типов LLC и LCC // Практическая силовая электроника. 2023. № 3(91). С. 2–10.
3. Осипов А.В., Запольский С.А. Вольтодобавочный резонансный LCL-T преобразователь для автономных систем электропитания на возобновляемых источниках энергии // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2018. Т. 329, № 3. C. 77–88.
4. Ройтенберг Я.Н. Автоматическое управление. М.: Наука, 1978. 552 с.
5. Awasthi A., Bagawade S., Kumar A., Jain P. Time-Domain Analysis of APWM-Frequency Modulated Low-Q LLC Resonant Converter for Wide Input and Load Range Applications. IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2019, pp. 1334 –1340. DOI: 10.1109/ECCE.2019.8912706.
6. Abdel-Rahman S. Resonant LLC Converter: Operation and Design. Application Note AN2012-09, 2012, Infineon Technologies North America (IFNA) Corp. Available at: https://www.infineon.com/dgdl/Application_Note_Resonant+LLC+Converter+Operation+and+Design_Infineon.pdf?fileId=db3a30433a047ba0013a4a60e3be64a1 (Access Date: 2024, Aug. 12).
7. Borage M., Nagesh K.V., Bhatia M.S., Tiwari S. Design of LCL-T Resonant Converter Including the Effect of Transofmer Winding Capacitance. IEEE Trans. Ind. Electron, 2009, vol. 56, no. 5, pp. 1420–1427. DOI: 10.1109/TIE.2012.2227897.
8. Borage M., Tiwari S., Kotaiah S. Analysis and Design of an LCL-T Resonant Converter as a Constant-Current Power Supply. IEEE Trans. Ind. Electron, 2005, vol. 41, no. 6, pp. 1547–1554. DOI: 10.1109/TIE.2005.858729.
9. Gilbert A.J. Analysis, Design and Control of LCC Resonant Power Converters. Boston, University of Sheffield, 2007, 204 p.
10. Glitz E.S., Ordonez M. MOSFET Power Loss Estimation in LLC Resonant Converters: Time Interval Analysis. IEEE Transactions on Power Electronics, 2019, vol. 34, iss. 12, pp. 11964–11980. DOI: 10.1109/TPEL.2019.2909903.
11. Fan S., Li H., Wang Z., Yuan Y. Time Domain Analysis and Efficiency Research of High Voltage Power Supply for Electron Beam Welder Based on LCC Resonance in DCM. In: IEEE 20^th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), 2017, pp. 1–5. DOI: 10.1109/ICEMS.2017.8056097.
12. Kumar A., Awasthi A., Salari O. et al. A Novel Time Domain Analysis of the LLC-L Resonant Converter for the Use of the CLL and LLC Resonant Converter. IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2019, pp. 3453–3460. DOI: 10.1109/APEC.2019.8722120.
13. Middlebrook R.D., Cuk S. A general unified approach to modeling switching-converter power stages. In: IEEE PESC Record. New York, 1976, pp. 18–34. DOI: 10.1109/PESC.1976.707289.
14. Nagarajan C., Madheswaran M. Performance Estimation of LCL-T Resonant Converter with Fuzzy/PID Controller Using State Space Analysis. International Journal of Computer and Electrical Engineering, 2010, vol. 2, no. 3, pp. 534–542. DOI:1007/s00202-011-0203-9.
15. Pawellek A., Bucher A., Duerbaum T. Resonant LCC converter for low-profile applications. In: 15^th IEEE Mediterranean Electrotechnical Conference, 2010, pp. 1309–1314. DOI: 10.1109/MELCON.2010.5475966.
16. Soeiro T.B., Mühlethaler J., Linnér J. et al. Automated Design of a High-Power High Frequency LCC Resonant Converter for Electrostatic Precipitators. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, vol. 60, no. 11, pp. 4805–4819.
17. Steigerwald R.L. A comparison of Half-Bridge Resonant Converter Topologies. IEEE Trans. Power Electronics, 1988, vo1. 3, no. 2, pp. 174–182. DOI: 10.1109/APEC.1987.7067142.
18. Zhang Haifeng, Wang Peng. Design of an LCC Resonant Converter for Furnace Power Supply during Electron Bean Melting. IEEJ Journal of Industry Applications, 2017, vol. 6, pp. 387–394. DOI: 10.1541/ieejjia.6.387.
19. Zouggar S., Nait Charif H., Azizi M. Neural control and transient analysis of the LCL-type resonant converter. The European Physical Journal AP, 2000, 11, no. 1, pp. 21–26. DOI: 10.1051/epjap:2000142.

Сведения об авторах

Белов Геннадий Александрович – доктор технических наук, профессор кафедры промышленной электроники, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (belovga2020@mail.ru; ORCID: https://orcid.org/0009-0001-6427-417X).

Малинин Григорий Вячеславович – кандидат технических наук, заведующий кафедрой промышленной электроники, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (malgrig6@mail.ru; ORCID: https://orcid.org/0000-0003-3993-0435).

Формат цитирования

Белов Г.А., Малинин Г.В. Методы исследования резонансных преобразователей // Вестник Чувашского университета. 2024. № 4. С. 14–35. DOI: 10.47026/1810-1909-2024-4-14-35.

Загрузить полный текст статьи