Проектирование DC/DC-преобразователя, построенного по Zeta-топологии на базе драйвера TPS40200

Цели. Целью работы является исследование типовых характеристик разработанного Zeta-преобразователя на основе драйвера TPS40200 (Texas Instruments, США) при различных входных напряжениях и нагрузках и сравнение экспериментальных характеристик Zeta-преобразователя с аналогичными, полученными при помощи SPICE¹-моделирования в системе автоматизированного проектирования (САПР) Multisim, а также с помощью предельной непрерывной математической модели.

Методы. Использована предельная непрерывная математическая модель Zeta-преобразователя и САПР Multisim. Принципиальная электрическая схема преобразователя разработана по методике расчета обвязки драйвера TPS40200, представленной в его технической документации. С использованием САПР Altium Designer произведена разводка печатной платы.

Результаты. Спроектирован и создан экспериментальный стенд DC/DC-преобразователя, построенного по Zeta-топологии со связанными дросселями на базе драйвера TPS40200. Результаты исследования показали высокую корреляцию как его нагрузочных характеристик, так и его постоянных и переменных составляющих токов, протекающих через обмотки дросселей, и напряжений на конденсаторах от входного напряжения при двух сопротивлениях нагрузки 50 и 100 Ом, полученных различными методами: экспериментальным, расчетным и моделированием.

Выводы. Предельная непрерывная математическая модель преобразователя и метод расчета, основанный на ней, являются базой для проектирования DC/DC-преобразователей, построенных по топологии Zeta. Экспериментально доказана достоверность математической модели, а также метода проектирования. Предложенный метод проектирования позволяет учесть магнитную связь и активное сопротивление обмоток дросселей. Учет магнитной связи позволяет уменьшить номиналы дросселей до двух раз при неизменных пульсациях либо уменьшить пульсации до двух раз при неизменных номиналах дросселей.

1. Коротков С.М., Лукин А.В. Источники питания для светодиодного освещения. Практическая силовая электроника. 2012;2(46):3–9. https://www.elibrary.ru/papuhr

2. Образцов А., Образцов С. Схемотехника DC/DC-преобразователей. Современная электроника. 2005;3:36–43.

3. Бодин О.Н., Безбородова О.Е., Митрошин А.Н., Чувыкин Б.В., Мартынов Д.В., Едемский М.В. Интеллектуальная телемедицинская информационная система. Биомедицинская радиоэлектроника. 2024;27(2):103–110. https://doi.org/10.18127/j15604136-202402-14

4. Битюков В.К., Симачков Д.С., Бабенко В.П. Схемотехника электропреобразовательных устройств. Вологда: Инфра-Инженерия; 2023. 384 с. ISBN 978-5-9729-1439-5. https://www.elibrary.ru/pqyagy

5. Мананникова Н.Г., Шевцов Д.А. Новая структура двухтранзисторного силового каскада для однотактного прямообратноходового преобразователя электроэнергии. Практическая силовая электроника. 2023;1(89):17–20. https://www.elibrary.ru/cuolqz

6. Анисимова Т.В., Данилина А.Н., Крючков В.В. Повышающий преобразователь постоянного напряжения с плавающим конденсатором. Практическая силовая электроника. 2021;1(81):28–33. https://www.elibrary.ru/ijaakd

7. Минибаев Л.М. Использовании техники нулевых пульсаций при проектировании источников питания. В сб.: Проблемы и тенденции научных преобразований в условиях трансформации общества: сборник статей Всероссийской научно-практической конференции. Уфа: Аэтерна; 2020. С. 23–26. https://www.elibrary.ru/pazzxq

8. Zhu F., Li Q. Coupled Inductors with an Adaptive Coupling Coefficient for Multiphase Voltage Regulators. IEEE Trans. Power Electron. 2023;38(1):739–749. https://doi.org/10.1109/TPEL.2022.3203855, https://www.elibrary.ru/hizbts

9. Zhang Ch., Yuan X., Wang J., et al. Si/WBG Hybrid Half-Bridge Converter Using Coupled Inductors for Power Quality Improvement and Control Simplification. IEEE Trans. Power Electron. 2024;39(3):3339–3352. https://doi.org/10.1109/TPEL.2023.3342133, https://www.elibrary.ru/kbwvtg

10. Tseng K.Ch., Huang G.Yu., Hsiung H.Yu. An isolated high step-down DC–DC converter with dual coupled inductors for ultracapacitor charger applications. Int. J. Circuit Theor. Appl. 2024;52(7):3341–3356. https://doi.org/10.1002/cta.3905, https://www.elibrary.ru/bfcarn

11. Битюков В.К., Лавренов А.И., Петров Д.Р. Математическая модель Zeta-преобразователя с индуктивно связанными дросселями (часть 2). Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. 2023;195(4):48–52. https://elibrary.ru/mnusik

12. 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

13. Коршунов А.И. Предельная непрерывная модель системы с периодическим высокочастотным изменением структуры. Силовая электроника. 2021;5(92):48−51. https://www.elibrary.ru/sxwxqb

14. Белов Г.А. Структурные динамические модели импульсных преобразователей постоянного напряжения в РПТ. Практическая силовая электроника. 2019;1(73):2–8. https://www.elibrary.ru/jvniqr

15. Амелина М.А., Амелин С.А. Непрерывные модели составных преобразователей постоянного напряжения. В сб.: Энергетика, информатика, инновации – 2021: Сборник трудов XI Международной научно-технической конференции. Т. 1. Смоленск: Универсум; 2021. С. 323–325. https://www.elibrary.ru/klxdcg

16. Битюков В.К., Лавренов А.И. Метод проектирования DC/DC-преобразователей, построенных по Zeta-топологии. Russian Technological Journal. 2025;13(1):59–67. https://doi.org/10.32362/2500316X-2025-13-1-59-67