Метод проектирования DC/DC-преобразователей, построенных по Zeta-топологии

Цели. Цели работы – разработка нового метода проектирования DC/DC-преобразователей, построенных по топологии Zeta с возможным учетом магнитной связи дросселей, проведение расчетов по предложенной методике номиналов дросселей и конденсаторов Zeta-преобразователя с индуктивно связанными дросселями и проверка достоверности предельной непрерывной математической модели и метода проектирования, основанного на ней, с помощью SPIСE-моделирования в системе автоматизированного проектирования Multisim.

Методы. Поставленные задачи решены при помощи аналитического анализа предельной непрерывной математической модели. Предложенным методом выполнен расчет номиналов связанных дросселей и конденсаторов преобразователя.

Результаты. С помощью системы автоматизированного проектирования Multisim проведено моделирование Zeta-преобразователя со связанными дросселями, в ходе которого получены нагрузочные и передаточные характеристики преобразователя, показывающие зависимости токов, протекающих в связанных дросселях, и напряжений на конденсаторах от входного напряжения, а также зависимость выходного напряжения от тока нагрузки. Показано, что представленный метод проектирования достоверен и полностью соответствует результатам моделирования. Установлена корреляция передаточных и нагрузочных характеристик токов и напряжений, полученных моделированием и расчетным путем. Отличия рассчитанных с помощью предельной непрерывной математической модели значений от результатов моделирования в системе автоматизированного проектирования Multisim сопоставимы с погрешностью измерений.

Выводы. Предложенный метод проектирования позволяет рассчитать номиналы элементов Zeta-топологии как с учетом индуктивной связи дросселей, так и без него. Кроме того, с помощью данного метода возможно рассчитать постоянные значения и пульсации токов дросселей и напряжений на конденсаторах. Приведенный в статье метод проектирования DC/DC-преобразователей можно использовать как для предварительного оценочного расчета, так и для более детального расчета с анализом работы устройства при различных входных напряжениях и сопротивлениях нагрузки.

1. Одиноков А.О., Кремзуков Ю.А. Выбор топологии преобразователя постоянного напряжения. SEPIC или Zeta. Практическая силовая электроника. 2022;4(88):44–47. https://www.elibrary.ru/fayaac

2. Битюков В.К., Симачков Д.С., Бабенко В.П. Схемотехника электропреобразовательных устройств. Вологда: Инфра-Инженерия; 2023. 384 с. ISBN 978-5-9729-1439-5

3. Erickson R.W., Maksimović D. Fundamentals of Power Electronics. NY: Springer; 2020. 1084 p. https://doi.org/10.1007/9783-030-43881-4

4. Гутер Л.Р. Перспективы разработки многофункциональных модулей DC/DC для космической техники. Практическая силовая электроника. 2023;1(89):37–39. https://www.elibrary.ru/vcxjlf

5. Васюков И.В., Павленко А.В., Батищев Д.В. Обзор и анализ топологий преобразователей систем электропитания на водородных топливных элементах для беспилотных летательных аппаратов киловаттного класса мощности. Известия вузов. Электромеханика. 2022;65(2):19–26.

6. Крамм М.Н., Бодин О.Н., Бодин А.Ю., Чыонг Т.Л.Н., Жихарева Г.В. Особенности построения многоэлектродной системы электрокардиологического скрининга. Медицинская техника. 2022;5(335):37–41. https://www.elibrary.ru/camqob

7. Лукин А.В., Шайхутдинов М.В. Ускоренные испытания на надежность импульсных источников питания DC/DC серии СМВ6А. Практическая силовая электроника. 2022;3(87):26–33. https://www.elibrary.ru/lbnupb

8. Белов Г.А., Петров К.И. Исследование динамической модели резонансного преобразователя постоянного напряжения. Практическая силовая электроника. 2022;2(86):8–13. https://www.elibrary.ru/efnqkz

9. Третьяков Н.К., Кузьменко В.П., Соленая О.Я. Проектирование источников переменного напряжения с использованием современных решений. Практическая силовая электроника. 2024;1(93):40–45. https://www.elibrary.ru/wqmtyd

10. Белов Г.А. Временной анализ резонансного преобразователя постоянного напряжения типа LLC в режиме прерывистого тока. Практическая силовая электроника. 2022;1(85):2–13. https://www.elibrary.ru/vwnrci

11. Коршунов А.И. Предельная непрерывная модель системы с периодическим высокочастотным изменением структуры. Силовая электроника. 2021;5(92):48−51.

12. Битюков В.К., Лавренов А.И., Петров Д.Р. Пульсации токов и напряжений Zeta преобразователя с индуктивно связанными дросселями (Часть 1). Проектирование и технология электронных средств. 2023;3:36–41. https://www.elibrary.ru/doawcn

13. Битюков В.К., Лавренов А.И., Петров Д.Р. Пульсации токов и напряжений Zeta преобразователя с индуктивно связанными дросселями (Часть 2). Проектирование и технология электронных средств. 2023;4:27–31. https://www.elibrary.ru/dspqrt

14. Zhu F., Li Q. Coupled Inductors with an Adaptive Coupling Coefficient for Multiphase Voltage Regulators. IEEE Transactions on Power Electronics. 2023;38(1):739–749. https://doi.org/10.1109/TPEL.2022.3203855

15. Битюков В.К., Лавренов А.И., Малицкий Д.А. Анализ пульсаций DC/DC преобразователя, построенного по Zeta топологии, с использованием его предельной непрерывной математической модели. Russian Technological Journal. 2023;11(4):36–48. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2023-11-4-36-48