Моделирование конвертера с топологией SEPIC-Cuk для получения разнополярных напряжений

Неизолированный конвертер для получения разнополярных напряжений от однополярного источника с топологией SEPIC-Cuk описан в [5]. Конвертер может быть построен и использованием раздельных и связанных индуктивностей.

Схемы конвертера с топологией SEPIC-Cuk

Схема содержит 3 ключа: силовой ключ SW1 и 2 диода, SD1 и SD2.

Усреднённая модель PWM ключа (average PWM switch model) представляет собой переключающий тумблер с 2-мя позициями, поэтому возникает затруднение при использовании такой модели.

Шаги трансформации схемы

Для изоляции путей токов добавлен идеальный диод D1.

Недостатком схемы является отсутствие общей точки между выходными напряжениями.

SEPIC-Cuk конвертер с несвязанными индуктивностями

Полная схема усреднённой модели показана на рисунке ниже.

Схема с усреднённой моделью SEPIC-Cuk конвертера с несвязанными индуктивностями, TINA-TI

U2 и Vref используются для задания рабочей точке по постоянному току. Для подключения к выходу используется преобразователь напряжение-напряжение E1.

TINA-TI не имеет модели идеального диода, поэтому использовалось следующее определение:

Для проверки использована модель временной области (transient model). Одинаковая схема была использована в LTspice, где используется SPICE, и SIMPLIS, где используется кусочно-линейное моделирование.

Схема с временной моделью SEPIC-Cuk конвертера с несвязанными индуктивностями, LTspice

Результаты моделирования показаны на изображениях ниже.

Малосигнальная функция управление-выход, SEPIC-Cuk с несвязанными индуктивностями, усреднённая модель, TINA-TI

Малосигнальная функция управление-выход, SEPIC-Cuk с несвязанными индуктивностями, усреднённая модель, SIMPLIS

Малосигнальная функция управление-выход, SEPIC-Cuk с несвязанными индуктивностями, усреднённая модель, LTspice

•На временной модели отсутствует небольшое искажение вблизи 2 кГц, вероятно из-за большого шага частот.

•Около 7 кГц наблюдается резонансный пик, который намного больше в LTspice.

•Выше 7 кГц наблюдается резкое изменения фазы на угол порядка 360 градусов, так что графики выглядят по-разному из-за интерпретации значения фазы в программах.

SEPIC-Cuk конвертер со связанными индуктивностями

Схемы со связанными индуктивностями показаны ниже. Коэффициент связи установлен равным 0.99.

Схема с усреднённой моделью SEPIC-Cuk конвертера со связанными индуктивностями, TINA-TI

Схема с временной моделью SEPIC-Cuk конвертера со связанными индуктивностями, LTspice

Малосигнальная функция управление-выход, SEPIC-Cuk со связанными индуктивностями, усреднённая модель, TINA-TI

Малосигнальная функция управление-выход, SEPIC-Cuk со связанными индуктивностями, усреднённая модель, SIMPLIS

Малосигнальная функция управление-выход, SEPIC-Cuk со связанными индуктивностями, усреднённая модель, LTspice

В этом случае больших различий не наблюдается.

Заключение

Расчёт в LTspice по 20-ти точкам занимает пару часов, 500 точек в SIMPLIS несколько секунд, 1000 точек в TINA-TI для показанной усреднённой модели. Хотя SIMPLIS и великолепная программа, в реальности потребовалось потратить много времени чтобы заставить схему работать из-за проблемы сходимости. А вот показанная усреднённая модель просто сразу работает.

Недостатком модели является отсутствие общей точки между выходными напряжениями.

Частота звона конвертера с несвязанными индуктивностями определяется суммой индуктивностей и связывающей ёмкости, и следовательно может быть достаточно низкой.

Для конвертера со связанными индуктивностями частота определяется суммой индуктивностей утечки и связывающей ёмкости, поэтому она намного выше.

Как результат, лучше использовать такой конвертер со связанными индуктивностями.

Малосигнальная функция управление-выход сходна с таковой SEPIC конвертера, поэтому подход к построению схемы компенсации такой же.

1. Christophe Basso, “Switch-Mode Power Supplies, Second Edition: SPICE Simulations and Practical Designs”, 2nd Edition.

3. Christophe Basso, “Transfer Functions of Switching Converters”. Stairway Press.

4. Wei Gu, “A Unified LTspice AC Model for Current-Mode DC-to-DC Converters”.

5. AD, AN-1106, Kevin Tompsett, “An Improved Topology for Creating Split Rails from a Single Input Voltage”.

8. SIMetrix/SIMPLIS. Программа симуляции для индустрии силовой электроники.