Метод проектирования DC/DC преобразователей автономных радиотехнических устройств тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Лавренов Алексей Игоревич

• Лавренов Алексей Игоревич
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Лавренов Алексей Игоревич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ РЕШЕНИЙ

1.1. Схемотехника импульсных DC/DC преобразователей

1.2. Методы проектирования импульсных DC/DC преобразователей

1.3. Методы контроля теплового состояния DC/DC преобразователей

1.4. Выводы по разделу

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ SEPIC И ZETA ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

2.1. Схемотехника SEPIC преобразователя

2.2. Математическая модель SEPIC преобразователя

2.3. Аналитический вывод уравнений, описывающих размахи пульсаций токов и напряжений SEPIC преобразователя

2.4. Моделирование в среде Multisim SEPIC преобразователя

2.5. Схемотехника Zeta преобразователя

2.6. Математическая модель Zeta преобразователя

2.7. Пульсации токов и напряжений Zeta преобразователя

2.8. Моделирование в среде Multisim Zeta преобразователя

2.9. Выводы к разделу

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДА ПРОЕКТИРОВАНИЯ

3.1. Методика расчета DC/DC преобразователя

3.2. Пример расчета номиналов электрорадиоэлементов Zeta преобразователя

3.3. Подтверждение результатов расчетов в среде моделирования Multisim

3.4. Программно-методический комплекс проектирования DC/DC преобразователей

3.5. Сравнение методов расчета Zeta преобразователя

3.6. Метод перехода от поля излучения к полю температуры

3.7. Тепловизионный метод определения температурного поля на поверхности

печатной платы

3.8. Метрологический анализ тепловизионного метода определения температурного поля на поверхности печатной платы

3.9. Выводы по разделу

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ZETA ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

4.1. Схемотехника Zeta преобразователя на базе драйвера TPS40200

4.2. Трассировка печатной платы Zeta преобразователя

4.3. Экспериментальное исследование Zeta преобразователя на основе драйвера TPS40200

4.4. Выводы по разделу

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод проектирования DC/DC преобразователей автономных радиотехнических устройств»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Генеральным направлением развития радиоэлектроники первой четверти XXI века является переход от сетевого питания к батарейному (автономному), обусловленный ростом спроса на мобильные устройства, носимую электронику, IoT-системы и аппаратуру для экстремальных условий эксплуатации. Это требует миниатюризации устройств электропитания при одновременном обеспечении высокой энергоэффективности, что особенно критично для радиотехнических, медицинских (например, имплантатов) и информационных систем (спутниковые коммуникаторы, дроны). К таким устройствам предъявляются жесткие требования не только по массогабаритным параметрам и надежности, но и по стабильности электропитания в широком диапазоне температур (от -60 °C до +125 °C) и при динамически изменяющейся нагрузке.

Первичными источниками энергии в автономных системах служат литий-ионные аккумуляторы, топливные ячейки, а также перспективные радиоизотопные термоэлектрические генераторы. Однако их выходное напряжение нестабильно: оно может варьироваться на 20...30 % и более в зависимости от степени разряда, температуры и нагрузки. Существующие импульсные DC/DC преобразователи, несмотря на высокий КПД (до 95 %), часто не обеспечивают требуемого уровня пульсаций (менее 1 %) при компактных размерах. Особенно остро эта проблема проявляется в топологиях SEPIC и Zeta, где традиционные методы проектирования не учитывают магнитную связь дросселей. Это и определяет актуальность темы исследования.

Степень разработанности темы. Разработка импульсных бестрансформаторных DC/DC преобразователей началась во второй половине прошлого столетия. Первыми практически реализованными топологиями явились базовые (повышающие, понижающие и полярно-инвертирующие), а в дальнейшем

на их основе были построены комбинированные (понижающе-повышающие) DC/DC преобразователи по топологиям SEPIC, Cuk и Zeta.

Вопросы физики, схемотехники и проектирования DC/DC преобразователей для автономных радиотехнических устройств (РТУ) рассмотрены в работах Белова Г.А., Коршунова А.И., Лукина А.В., Андриянова А.И., Поликарпова А.Г., Крючкова В.В., Амелина С.А., Neuhausler J., Falin J., Erickson R.W., Kazimierczuk M.K., Maksimovic D. и других.

Традиционно методы проектирования DC/DC преобразователей базируются на осциллограммах, зарегистрированных в конкретных условиях, интуиции и опыте разработчика, а также расчетным соотношениям, полученным полуэмпирическим путем. Представляется, что наиболее перспективным методом проектирования является метод, основанный на математических моделях.

Математические модели импульсных DC/DC преобразователей, реализующих базовые топологии, а также топологию Cuk получены Коршуновым А.И. А математические модели импульсных DC/DC преобразователей, построенных по топологиям SEPIC и Zeta, отсутствуют. Надо отметить, что с точки зрения электронной компонентной базы преобразователи SEPIC, Zeta и Cuk идентичны, но со схемотехнической точки зрения они существенно различаются.

Современные преобразователи по названным топологиям часто проектируются с использованием связанных дросселей, что в значительной мере способствует миниатюризации и улучшению стабильности электропитания РТУ.

В связи с отсутствием математических методов проектирования импульсных бестрансформаторных DC/DC преобразователей, основанных на связанных дросселях, разработка новых методов проектирования является перспективным направлением исследований.

Исходя из этого объектом исследования является процесс проектирования DC/DC преобразователей автономных РТУ, а предметом исследования - метод проектирования DC/DC преобразователей, математические модели

преобразователей, алгоритм и программно-методическая реализация расчета номиналов электрорадиоэлементов (ЭРЭ) DC/DC преобразователей.

Целью работы является уменьшение пульсаций токов и напряжений импульсных DC/DC преобразователей.

Цель достигается решением следующих задач.

1. Разработка предельных непрерывных математических моделей (ПНММ) DC/DC преобразователей.

2. Усовершенствование ПНММ DC/DC преобразователя, построенного по Zeta топологии, с учетом магнитной связи дросселей.

3. Создание методики расчета электронной компонентной базы DC/DC преобразователя на основе его математической модели, учитывающей магнитную связь дросселей и их активное эквивалентное сопротивление.

4. Экспериментальное исследование DC/DC преобразователя, схемотехника которого учитывает магнитную связь дросселей.

5. Разработка программно-методического комплекса автоматизированного проектирования DC/DC преобразователей.

6. Разработка способа и устройства бесконтактного контроля теплового состояния термонагруженных узлов и компонентов DC/DC преобразователей.

7. Апробация и внедрение результатов работы.

При выполнении диссертационного исследования использованы методы математического моделирования и САПР радиоэлектроники, методы неразрушающего теплового контроля и технической диагностики, методы численных и экспериментальных исследований и обработки их результатов.

Научная новизна полученных результатов.

1. Разработан метод проектирования DC/DC преобразователей автономных РТУ, отличающийся применением математических моделей преобразователей и переходом от поля излучения к полю температуры с учетом спектральной и температурной зависимостей излучательной способности в конкретных условиях.

2. Разработаны математические модели SEPIC и Zeta преобразователей, отличающиеся учетом магнитной связи дросселей и их активного эквивалентного сопротивления.

3. Разработан алгоритм расчета номиналов ЭРЭ Zeta преобразователя на основе предложенной математической модели, отличающийся учетом магнитной связи дросселей и их активного эквивалентного сопротивления.

4. Разработан программно-методический комплекс, отличающийся архитектурой (составом и структурой программных модулей).

5. Предложен бесконтактный способ и устройство его реализации для определения поля температуры на поверхности платы, отличающийся учетом спектральной и температурной зависимостей излучательной способности компонентов в конкретных условиях.

Соответствие паспорту специальности

Задачи диссертационной работы и полученные результаты соответствуют пунктам 14, 15, 16 и 18 паспорта специальности 2.2.13. Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения.

Достоверность результатов диссертационного исследования подтверждена сравнением результатов аналитических расчетов, компьютерного моделирования и экспериментального исследования, а также сравнением с результатами, полученными известными методами проектирования.

Теоретическая значимость работы заключается в развитии современных методов проектирования DC/DC преобразователей автономных РТУ.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанный метод позволяет как упростить и ускорить проектирование, а так и уменьшить требования к квалификации разработчика в предметной области.

Апробация результатов работы производилась на:

1. V Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем Радиоинфоком-2021», г. Москва, 15-19 ноября 2021 года.

2. XI Международной научно-практической конференции, посвященной празднованию 100-летия конструкторского бюро «Туполев», 55-летия Иркутского филиала МГТУ ГА, 75-летия Иркутского авиационного технического колледжа, г. Иркутск, 13-14 октября 2022 года.

3. Национальной научно-практической конференции «Фундаментальные, поисковые, прикладные исследования и инновационные проекты», г. Москва, 1011 ноября 2022 года.

4. Международной научно-технической конференции, посвященной 100-летию отечественной гражданской авиации «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества», г. Москва, 18-19 мая 2023 года.

5. XII Международной научно-практической конференции, посвященной празднованию 100-летия отечественной гражданской авиации «Актуальные проблемы и перспективы развития гражданской авиации», г. Иркутск, 12-13 октября 2023 года.

6. VII Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем Радиоинфоком-2023», г. Москва, 20-24 ноября 2023 года.

7. XX Международной научно-практической конференции «Инновационные, информационные и коммуникационные технологии», г. Махачкала, 01-10 октября 2023 года.

8. Национальной научно-практической конференции «Фундаментальные, поисковые, прикладные исследования и инновационные проекты», г. Москва, 0708 декабря 2023 года.

9. Национальной научно-практической конференции «Фундаментальные, поисковые, прикладные исследования и инновационные проекты», г. Москва, 2728 мая 2024 года.

10. VIII Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем Радиоинфоком-2024», г. Москва, 18-22 ноября 2024 года.

Личный вклад автора

Основные результаты диссертационного исследования получены лично автором. Совместно с научным руководителем обсуждались все этапы работы над исследованием. Личный вклад включает выбор методов анализа, моделирование, разработку математических моделей, метода и экспериментального стенда.

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 32 работах, из них 8 статей в рецензируемых журналах из Перечня ВАК по специальности, 4 статьи в рецензируемых журналах из Перечня ВАК по другим специальностям, 3 работы в изданиях, индексируемых Web of Science и Scopus, 2 патента на изобретение, 5 свидетельств о государственной регистрации программы для ЭВМ и 10 публикаций в других рецензируемых изданиях.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Разработанный метод проектирования DC/DC преобразователей позволяет снизить пульсации токов дросселей до двух раз при неизменных условиях эксплуатации.

2. Разработанные математические модели SEPIC и Zeta преобразователей позволяют определить постоянные значения токов в обмотках дросселей и напряжений на конденсаторах, а также размах их переменных составляющих. Расхождение результатов, полученных с помощью математической модели и экспериментального исследования достигает 16 % для постоянного тока, протекающего через обмотку дросселей, и 0.05 % для постоянных напряжений на конденсаторах.

3. Разработанный программно-методический комплекс позволяет выполнить проектирование в автоматизированном режиме DC/DC преобразователя с требуемыми характеристиками.

4. Способ перехода от поля излучения к полю температуры при бесконтактном тепловом контроле РТУ позволяет определить температуру ЭРЭ с относительной погрешностью, не превышающей 1.5 % для спектрального диапазона 2...6 мкм, 2.2 % - для 8.14 мкм и 1.8% - для 0.3.50 мкм с использованием современного приборно-методического обеспечения.

Внедрение результатов. Диссертационное исследование проводилось в рамках НИР «78-РТС», «94-РТС» и «170-ИРИ» РТУ МИРЭА. Основные полученные результаты использованы в образовательном процессе РТУ МИРЭА (двух семестровая дисциплина «Схемотехника электронных устройств»), а также были использованы в ОКР по созданию аэродромной орнитологической РЛС «РОСК» и РЛС обзора летного поля «Алькор» ОКБ «ЛЭМЗ» (г. Москва) и внедрены при разработке радиоэлектронного комплекса 1ЯПГ изделия 116Ж6 АО НПОДАР (г. Москва).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, перечня сокращений и трех приложений. Диссертация содержит 172 страницы текста, 73 иллюстраций, 4 таблицы. Список литературы включает 115 наименований.

ГЛАВА 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ РЕШЕНИЙ

Характерной чертой развития автономных радиотехнических устройств является переход от сетевого питания к батарейному. Примером могут служить средства телекоммуникации, медицинская техника, беспилотные летательные аппараты и т.п. Определяющим узлом устройства электропитания РТУ являются импульсные DC/DC преобразователи, выполняющие функции регулирования и стабилизации напряжения питания. Поэтому к этим устройствам предъявляют достаточно жесткие требования по КПД, массогабаритным параметрам и стабильности выходного напряжения, а также уровню его пульсаций.

1.1. Схемотехника импульсных DC/DC преобразователей

В настоящее время DC/DC преобразователи выпускаются в виде ИМС низкой стоимости c высокими надежностью, частотами коммутации электронных ключей [1-3] и КПД [4-6], а также значительными выходными токами (до 3 А) [7-8] и малой потребляемой мощностью в ждущем режиме, что особенно важно для приборов с автономным питанием. Они работоспособны в широком диапазоне входных напряжений: входное напряжение может быть ниже выходного, равно выходному или выше выходного напряжения или другой полярности.

Среди импульсных DC/DC преобразователей можно выделить две группы топологий, каждая из которых включает три типа топологий:

• базовые преобразователи:

• преобразователи повышающего типа (тип ПВ)

• преобразователи понижающего типа (тип ПН)

• преобразователи полярно-инвертирующего типа (тип ПИ)

• понижающе-повышающие преобразователи:

• Cuk преобразователи

• SEPIC преобразователи

• Zeta преобразователи.

Преобразователи повышающего типа Схема силовой части типа ПВ [9-10] (в зарубежной литературе встречаются такие названия: boost converter, step-up converter) позволяет повысить входное напряжение и получить на выходе преобразователя напряжение ивых равное или большее напряжения ивх на его входе.

В схеме бустерного преобразователя различают две фазы работы: фаза накопления энергии дросселем и фаза передачи энергии дросселем на выход, т.е. на параллельно включенные С1||Ян конденсатор С1 и нагрузку RH (рисунок 1.1).

В этой схеме на интервале времени , когда регулирующий транзистор VT1 полностью открыт (напряжение между стоком и истоком иси = 0), ток iL1, протекающий через обмотку дросселя, возрастает. При этом ЭДС индукции e¿ ¿1 на обмотке дросселя L1 имеет полярность, указанную на рисунке 1.1 без скобок. Диод VD1 при этом закрыт, так как находится под обратным напряжением, равным напряжению ивых на выходе преобразователя. Напряжение UL1 на обмотке дросселя равно входному напряжению ивх и обеспечивает протекание тока iL1 через обмотку дросселя. В магнитном поле дросселя накапливается энергия. При этом выходной конденсатор С1 разряжается на сопротивление нагрузки RH. Это происходит в фазе накопления энергии дросселем.

В интервале времени tn, когда силовой транзистор закрыт, то под действием суммы входного напряжения ивх и ЭДС индукции e¿ ¿1 на обмотке дросселя диод VD1 открыт и выходной конденсатор С1 преобразователя заряжается. Напряжение на закрытом транзисторе равно выходному напряжению преобразователя. Это происходит в фазе передачи энергии дросселя на выход преобразователя, т.е. на параллельно включенные С1||Ян нагрузку RH и конденсатор С1.

Рисунок 1.1 - Схема силовой части DC/DC преобразователя повышающего типа

В фазе накопления энергии дросселем (рисунок 1.2, а) входное напряжение обеспечивает протекание тока по цепи: (+^вх) ^ Ы ^ УТ1 ^ (-ивх). Фаза передачи энергии, накопленной дросселем, в нагрузку реализуется в течение времени при закрытом силовом транзисторе УТ1 (рисунок 1.2, б). В этой фазе диод УЭ1 открыт, так как к нему приложено напряжение, равное сумме ивх и ЭДС £1, наведенной на обмотке дросселя Ы (на рисунке 1.2, б полярность указана в скобках), которое является для диода УЭ1 прямым. При этом входной ток ¿Ь1 течет по цепи: (+^вх) ^ Ы ^ УЭ1 ^ С1||Ян ^ (— ивх). Более того, входное напряжение ивх и ЭДС £1Ь1, наведенная на обмотке дросселя, включены последовательно, следовательно, конденсатор С1 заряжается до напряжения, превышающего входное напряжение на Ь1. Значение превышения напряжения на конденсаторе по сравнению с ивх зависит от ряда параметров (в том числе от параметров самого дросселя).

Рисунок 1.2 - Схема силовой части DC/DC преобразователей типа ПВ: а - фаза накопления энергии дросселем; б - фаза передачи энергии дросселя в

нагрузку

В реальных бустерных преобразователях проявляется влияние паразитных параметров, используемых электрорадиокомпонентов: резистивное сопротивление обмотки дросселя, сопротивление канала полностью открытого MOSFET и динамическое сопротивление диода. Поэтому при проектировании таких DC/DC преобразователей коэффициент заполнения не должен превышать 0.9.

Преобразователи понижающего типа

Схема силовой части типа ПН [11-13] (в зарубежной литературе встречаются такие названия: buck converter, chopper, step-down converter) позволяет получить на выходе DC/DC преобразователя напряжение ивых меньшее, чем на его входе ивх (рисунок 1.3).

По другой классификации узлов и блоков устройство электропитания, реализованное по схеме (рисунок 1.3), можно называть DC/DC преобразователем с гальванической связью между его входом и выходом.

БУ выполняет управляющую функцию для транзистора VT1. Блок управления задает частоту коммутации силового транзистора VT1, которая может изменяться в диапазоне от ~5 кГц до ~4 МГц. Выводы у БУ предназначены: 1 и 2 - для реализации обратной связи, т.е. регистрации ивых или части его, а выводы 3 и 4 -

для управления транзистором УТ1 за счет формирования у него напряжения изи затвор-исток.

Рисунок 1.3 - Схема силовой части понижающего типа компенсационного стабилизатора напряжения постоянного тока с импульсным регулированием

Дроссель L1 вместе с конденсатором С1 образует Г-образный пассивный сглаживающий выходной фильтр.

Возвратный диод VD1 обеспечивает разрядку дросселя L1 при выключенном транзисторе VT1. Иногда возвратный диод VD1 включают в состав сглаживающего фильтра. В этом случае сглаживающий фильтр будет состоять из трех компонент VD1,L1 и С1.

Сравнивая схемы DC/DC преобразователей, силовые части которых построены по типам ПН и ПВ, надо отметить принципиальное их различие в функции, выполняемой дросселем. В схеме силовой части типа ПН дроссель является одним из элементов пассивного сглаживающего фильтра. В схеме силовой части типа ПВ дроссель выполняет функцию накопителя энергии, которая используется для увеличения выходного напряжения. Дроссель в этой схеме принципиально необходим. Значение, на которое возрастает ивых, определяется индуктивностью Ll1 дросселя и коэффициентом заполнения D.

Работа силовой части типа ПН состоит из двух фаз: фазы накопления энергии дросселем и конденсатором и фазы передачи энергии дросселя и конденсатора в нагрузку (рисунок 1.4).

Пренебрегая падением напряжения иси между стоком и истоком транзистора УТ1 по сравнению с входным напряжением ивх, можно считать, что напряжение ^вх сф на входе сглаживающего фильтра равно входному напряжению ивх, т.е. ^вх сф = ^вх (рисунок 1.3). Следовательно, входной ток ¿вх будет протекать по цепи: (+^вх) ^ ^ И ^ С1 У ^ (— [/вх). Здесь, как и ранее параллельное включение С1 и обозначено С1 У Ян. На рисунке 1.4, а показана схема рассматриваемой силовой части типа ПН в фазе накопления энергии дросселем и конденсатором.

Рисунок 1.4 - Схема силовой части DC/DC преобразователей типа ПН: а - в фазе накопления энергии в дросселе; б - в фазе передачи энергии дросселя в нагрузку

При полностью открытом силовом транзисторе УГ1 входное напряжение £/вх оказывается приложенным ко входу сглаживающего фильтра УБ1, L1 и С1, причем напряжение £/вх для диода КШ является обратным, и он закрыт. Протекающий через обмотку дросселя ¿1 возрастающий входной ток ¿вх наводит на его обмотке ЭДС, полярность которой в соответствии с правилом Ленца указана на

рисунке 1.4, а. В магнитном поле дросселя L1 накапливается энергия WL1 = Ll1 • 1вх/2, где Ll1 - индуктивность дросселя L1.

Этот же входной ток iBX заряжает конденсатор С1, который определяет выходное напряжение ивых преобразователя. Таким образом, в электрическом поле конденсатора накапливается энергия WC1 = СС1 • ивых/2, где СС1 - емкость конденсатора С1.

Следовательно, в фазе накопления энергии дросселем и конденсатором, длительность которой равна tH, происходит аккумулирование энергии в магнитном поле дросселя и в электрическом поле конденсатора.

Затем БУ формирует на выводах 3 и 4 (рисунок 1.3) сигнал, выключающий силовой транзистор VT1. Фаза накопления энергии закончилась и начинается фаза передачи энергии дросселя в нагрузку, длительность которой равна tn.

Схема силовой части типа ПН в фазе передачи энергии дросселя в нагрузку показана на рисунке 1.4, б. В этом режиме источником энергии, обеспечивающим протекание тока разрядки ipa3p дросселя L1, является энергия, накопленная в его магнитном поле. Ток, протекающий через обмотку дросселя L1, уменьшается, а значит, ЭДС на обмотке дросселя в соответствии с правилом Ленца изменяет полярность (на рисунке 1.3 и рисунке 1.4, б она показана в скобках). Ток разрядки протекает по цепи: (+)L1 ^ C1 || RH ^ VD1 ^ (-)L1.

Конденсатор С1 подзаряжается током ipa3p и одновременно разряжается на нагрузку RH, обеспечивая на ней напряжение ивых.

По окончании фазы передачи энергии дросселя в нагрузку, длительность которой равна tn, БУ формирует на выводах 3 и 4 (рисунок 1.3) сигнал, открывающий силовой транзистор VT1.

Преобразователи полярно-инвертирующего типа

Схема силовой части DC/DC преобразователя типа ПИ [14-16] (в зарубежной литературе встречается такое название: buck-boost converter) позволяет получить на

выходе напряжение большее, равное или меньшее чем напряжение на входе, при этом полярность выходного напряжения ивых инвертируется, т.е. она будет обратной по отношению к полярности входному напряжению ивх.

В DC/DC преобразователе, силовая часть которого построена по схеме полярно-инвертирующего типа, в течение фазы накопления энергии дросселем силовой транзистор VT1 полностью открыт (рисунок 1.5). К обмотке дросселя L1 прикладывается входное напряжение ивх. Через обмотку дросселя протекает увеличивающийся ток и в магнитном поле дросселя накапливается энергия. На обмотке дросселя наводится ЭДС индукции £j , полярность которой на рисунке 1.5 показана без скобок. В этой фазе диод VD1 закрыт и находится под обратным напряжением.

При выключении регулирующего транзистора на обмотке дросселя наводится ЭДС индукции L1 другой полярности (она на рисунке 1.5 указана в скобках), под действием которой открывается диод VD1. Это начало фазы передачи энергии дросселя на выход, т.е. на параллельно включенные конденсатор и нагрузку.

Рисунок 1.5 - Схема силовой части полярно-инвертирующего типа

В течение этой фазы энергия, накопленная в магнитном поле дросселя, передается на выход, а выходной конденсатор С1 заряжается. Полярность

напряжения на выходе соответствует полярности ЭДС индукции, наведенной на обмотке дросселя, и противоположна полярности входного напряжения.

У рассматриваемых DC/DC преобразователей возможны два режима работы дросселя: с безразрывным (непрерывным) током и разрывным током.

Фазы работы силовой части типа ПИ иллюстрирует рисунок 1.6. На рисунке 1.6, а показана фаза накопления энергии дросселем. В течение этой фазы электронный ключ (в данном случае транзистор VT1) полностью открыт и входное напряжение ивх практически полностью приложено к обмотке дросселя L1. Для упрощения принято, что напряжение сток-исток иси силового транзистора равно нулю.

Рисунок 1.6 - Иллюстрация фаз работы DC/DC преобразователя, силовая часть которого построена по схеме полярно-инвертирующего типа

В фазе передачи энергии дросселя в нагрузку (в течение времени паузы tn) транзистор VT1 закрыт. Передача энергии со входа на выход преобразователя не происходит, полярность ЭДС индукции L1 на обмотке дросселя изменятся (на рисунке 1.6, б она указана в скобках) и ток протекает по цепи: (+)£j L1 ^ С1||Ян ^ VD1^(-)zt L1.

Сик преобразователи В составе схемы Сик преобразователя [17-19] имеются два дросселя, два конденсатора, диод, ключ, обычно выполненный в виде полевого транзистора, и блок управления, определяющий режим транзистора (рисунок 1.7). Дроссели £1 и Ь2 выполняют функцию накопления и передачи энергии посредством электромагнитной индукции, разделительный конденсатор С1 выполняет функцию развязки каскадов по постоянному току. Его иногда называют летающим, т.к. он выполняет функции не только разделения, а также накопления и передачи энергии между двумя секциями схемы. Конденсатор С2 выполняет роль выходного сглаживающего фильтра. Блок управления имеет обратную связь с выходом для поддержания постоянного выходного напряжения, изменяя коэффициент заполнения тактового сигнала, который подается на затвор транзистора.

Рисунок 1.7 - Принципиальная схема DC/DC преобразователя по топологии Cuk

Функционально преобразователь можно представить, как последовательно соединенные секции: входная - повышающий преобразователь, выходная -понижающий преобразователь. При анализе работы преобразователя процесс преобразования энергии можно разделить на две фазы по состоянию ключа: фазу накопления (рисунок 1.8) энергии - транзистор УТ1 открыт и происходит накопление энергии в дросселях, и фазу передачи (рисунок 1.9) - транзистор УТ1

закрыт и дроссели отдают накопленную энергию. В первой фазе, через обмотку дросселя Ы1 протекает линейно возрастающий ток 1Ь1 и на обмотке дросселя Ы1 наводится ЭДС, полярность которой указана на рисунке 1.8.

В этом же интервале времени заряжается дроссель Ы2 от накопленной конденсатором С1 энергии в предыдущей фазе работы. Через обмотку дросселя Ы2 протекает ток /12 и на ней наводится ЭДС, полярность которой обозначена на рисунке 1.8. В этой фазе диод УБ1 закрыт, так как к нему приложено обратное напряжение, равное напряжению на конденсаторе С1, заряженном во второй фазе.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Лавренов Алексей Игоревич, 2025 год

АКТ ИСПОЛЬЗОВАН

результатов кандидатской диссертации Алексея Иго;

проектирования DC/DC преобразователей автономных радиотехнических устройств» в образовательном процессе МИРЭА - Российского технологического университета

Настоящим актом удостоверяем, что результаты диссертационной работы Лавренова А.И., представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук, а именно, разработанный метод проектирования DC/DC преобразователей, основанный на предельных математических моделях, описание которого опубликовано в научных работах, реализованных в рамках инициативной НИР «170-ИРИ»:

1. Битюков, В. К. Математическая модель Zeta-иреобразователя с индуктивно связанными дросселями (Часть I) / В. К, Битюков, А. И. Лавренов, Д. Р. Петров // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. - 2023. - Т. 194, № 3. - С. 49-54. - EDN WMCEXF;

2. Битюков, В. К. Математическая модель Zcta-преобразователя с индуктивно связанными дросселями (часть 2) / В. К. Битюков, А. И. Лавренов, Д. Р. Петров // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. - 2023. - Т. 195, № 4. - С. 48-52. - EDN MNUSIK;

3. Битюков, В. К. Пульсации токов и напряжений Zeta преобразователя с индуктивно связанными дросселями (Часть 1) / В. К. Битюков, А. И. Лавренов. Д. Р. Петров// Проектирование и технология электронных средств. -2023. -№ 3. - С. 36-4 [. - EDN DOAWCN;

4. Битюков, В. К, Пульсации токов и напряжений Zeta преобразователя с индуктивно связанными дросселями (Часть 2) / В, К. Битюков, А. И. Лавренов, Д. Р. Петров // Проектирование и технология электронных средств. -2023. -№ 4. -С. 27-31. -EDN DSPQRT;

5. Битюков. В. К. Метод проектирования DC/DC-преобразователей, построенных по Zeta-топологии / В. К. Битюков, А. И. Лавренов // Russian Technological Journal. - 2025. - Т. 13, № h - С. 59-67. - DOI 10.32362/2500316Х-2025-13-1 -59-67. - EDN APNAQO;

6. Биткжов, В. К. Проектирование DC/DC-преобразователя, построенного по Zeta-тошлогии на базе драйвера TPS40200 / В. К. Битюков, А. И Лавре,юв Д. Л. Малицкий // Russian Technoiogical Journal. - 2025 -Т 13 №2 - Г V* л с -DOl 10.32362/2500-316X^2025-13-2-36-45 - EDN T1PRXB- ' " '

5/080 ''гОП tfr7755 ^ГР°ССИЙСК8Я ФеДеРШДИЯ' МГЖ ШШ 25/52' G0U 5/080. ООП 5/60. Способ бесконтактного измерения поля температурь, па

поверхности печатной платы радиоэлектронного устройства : № 2023101023 • • «публ. 08.06.2023 / В. К. Витков, А. И. Лавренов^ М. Ю. Никольшин, А. В. Фрунзе ; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "МИРЭА -I ос си и с к и и технологический университет, - FDN UPBAME

использованы в лекционных, практических и лабораторных занятиях по дисциплине «Схемотехника электронных устройств» при подготовке бакалавров и специалистов по направлениям 11.03.01 Радиотехника, 1, .05.01 Радиоэлектронные

""Г' 1,03 03 Жирование и технодо™ Донных средств и 1 1.03.02 Инфокоммуникационные технологии и системы связи

Опуоликовапные в открытых источниках научно-практические

Р ультаты позволят обучающимся на базе прлборно-ме^одическоп,

обеспечения кафедры радиоволной процессов и технологий Института

радиотехники и информатики РТУ МИРЭА углубленно изучить новый метод

—— DC/DC преобразователей автономных радиотехнических

Председатель комиссии:

Директор ПРИ РТУ МИРЭА, д.т.н,, профессор

Члены комиссии:

Заведующий кафедрой РПТ, Д.т.н., доцент

Заведующий кафедрой КПРЭС, Д.т.н., профессор

Заведующий кафедрой РЭСК, Д.т.н., доцент

Начальник учебно-методического управления РТУ МИРЭА, к.и.н., доцент

А.Н. Дементьев

М,С. Костин С.У. Увайсов С.Н. Замуруев

О.Г. Савка