Wyznaczanie nieizotermicznych charakterystyk dławikowych przetwornic dc-dc o sterowaniu PWM w stanie ustalonym przy wykorzystaniu metody modeli uśrednionych

摘要

The dc-dc choppers are the base components of switched voltage regulators. For the analysis of such a class of electronic circuits the classical transient analysis or the dc analysis with the use of averaged models of such converters is applied. The average models method makes it possible to obtain the characteristics of the considered converters at steady state in less calculation time than in the transient analysis method. The literature averaged models of dc-dc converters were elaborated by neglecting the selfheating phenomenon and nonlinear characteristics of semiconductor devices. In this paper a new method of calculating the dc-dc converters characteristics with PWM control in steady state with selfheating in semiconductor devices taken into account, is proposed. This method is based on the conception of the averaged models method and it enables the calculations of the values of such dc-dc converters parameters as the output voltage and the efficiency of the converter, as well as the inner temperatures of the diode and the transistor, which are important from the point of view of the reliability of the converters. In the elaborated method, realized with the use of SPICE, the averaged electrothermal model of dc-dc converter is formulated. This model consists of three kinds of circuits. The first one constitutes the electrical network composed of the controlled voltage sources and resistors. The structure of this circuit results from the principles of formulating the averaged models of dc-dc converters. The second kind of circuits includes the series connection of the transistor and the diode described with the use of built-in SPICE models of the considered devices and the controlled voltage sources, which model the temperature influence on the voltage across the switched-on semiconductor devices.%W pracy zaproponowano metodę wyznaczania charakterystyk przetwornic dc-dc w stanie ustalonym, przy uwzględnieniu samonagrzewania w elementach półprzewodnikowych. Proponowana metoda bazuje na koncepcji modeli uśrednionych i pozwala na wyznaczenie wartości napięcia wyjściowego i sprawności, a także, istotnych z punktu widzenia niezawodności przetwornicy, temperatur wnętrza zawartych w niej tranzystorów i diod. W opracowanej metodzie, realizowanej przy wykorzystaniu programu SPICE, formułuje się cztery obwody. Pierwszy z nich stanowi sieć złożoną ze sterowanych źródeł napięciowych oraz rezystorów, której struktura wynika z opisanej w literaturze zasady formułowania uśrednionych modeli przetwornic. Drugi obwód zawiera szeregowo połączone tranzystor i diodę, opisane za pomocą modeli wbudowanych w programie SPICE oraz sterowane źródła napięciowe, modelujące wpływ temperatury na napięcie między zaciskami wyjściowymi włączonego tranzystora oraz spadek napięcia na diodzie spolaryzowanej w kierunku przewodzenia. Trzeci i czwarty obwód stanowią analogi elektryczne modeli termicznych tranzystora i diody. Przedstawiono sposób formułowania wymienionych obwodów na przykładzie dławikowych przetwornic buck oraz boost.