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.

Рисунок показывает трансформацию схемы.

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:

.subckt d_ideal a k
d1 a k dio
.model dio d is=1e-15 n=1m
.ends d_ideal

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

Видимые различия:

•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

Результаты представлены ниже.

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.

Ссылки

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

https://www.amazon.com/Switch-Mode-Power-Supplies-Second-Simulations-dp-0071823468/dp/0071823468/

2. Сайт Christophe Basso.

https://cbasso.pagesperso-orange.fr/Spice.htm

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

https://stairwaypress.com/product/transfer-functions-of-switching-converters/

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

https://www.analog.com/en/technical-articles/a-unified-ltspice-ac-model-for-current-mode-dc-to-dc-converters.html

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

https://www.analog.com/media/ru/technical-documentation/application-notes/AN-1106.pdf

6. Texas Instruments, TINA-TI, SPICE симулятор.

https://www.ti.com/tool/TINA-TI

7. LTspice. SPICE симулятор от Analog Devices.

https://www.analog.com/en/design-center/design-tools-and-calculators/ltspice-simulator.html

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

https://www.simplistechnologies.com/