Энергетические и шумовые характеристики повышающе-понижающего преобразователя SEPIC с униполярным и биполярным выходом

Повышающе-понижающий преобразователь, построенный по топологии SEPIC, имеет ряд преимуществ, которые выделяют его среди других конфигураций. Он позволяет из униполярного входного напряжения получить как униполярное, так и биполярное выходное напряжение с хорошей симметричностью между положительным и отрицательным выходными напряжениями, а также обеспечивает экономичность и схемотехническую простоту в униполярной и биполярной топологии за счет использования единственного переключателя, для управления которым возможно использовать существующие интегральные контроллеры повышающих преобразователей. Рассмотрены топологии повышающе-понижающего преобразователя SEPIC, построенного по традиционной схеме (с двумя катушками индуктивности) и по схеме на магнитосвязанных дросселях. Для анализа процессов и факторов, влияющих на эффективность работы преобразователя, выполнено схемотехническое моделирование в среде Electronics Workbench. Представлены результаты исследования импульсного преобразователя постоянного входного напряжения, построенного по повышающе-понижающей топологии SEPIC, в униполярное или биполярное выходное напряжение. Схемотехническое моделирование позволило уточнить характеристики коммутационных процессов, оценить уровень пульсаций входного тока и его спектральные характеристики, сформулировать рекомендации по выбору параметров элементов преобразователей и формированию сигналов управления. По результатам моделирования получены нагрузочные, регулировочные и шумовые характеристики преобразователя. Для преобразователя на дискретных и магнитосвязанных дросселях проведено исследование уровня симметричности положительного и отрицательного выходного напряжения. Дана оценка влияния индуктивностей рассеяния в преобразователях с магнитной связью индуктивных элементов. Приведены примеры практической реализации преобразователей, построенных по топологии SEPIC. Установлено, что сопротивление обмоток дросселя менее 0.5 Ом практически не сказывалось на КПД преобразователя, оставаясь порядка 0.9 в широком диапазоне токов нагрузки, а основным источником потерь преобразования являлся пассивный диодный ключ. Синхронные схемы преобразователей ряда производителей обладают большей эффективностью, но требуют более сложных контроллеров управления активными ключами с элементами защиты от сквозных токов.

1. Лукин А.В., Кастров М.Ю., Малышков Г.М. и др. Преобразователи напряжения силовой электроники. М.: Радио и связь; 2004. 416 с. ISBN 5-256-01680-6

2. Битюков В.К., Симачков Д.С., Бабенко В.П. Источники вторичного электропитания: 4-е изд., перераб. и доп. М.: Инфра-Инженерия; 2020. 376 с.

3. Иоффе Д. Разработка импульсного преобразователя напряжения с топологией SEPIC. Компоненты и технологии. 2006;9(62):126−132.

4. Ferrera M.B., Duran E., Marques J.M.A., Litran S.P. A SEPIC-Cuk combination converter for bipolar DC microgrid applications. In: IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT). 2015, p. 884−889. https://doi.org/10.1109/ICIT.2015.7125209

5. Кастров М.Ю., Соловьев И.Н. Трехфазный выпрямитель с коррекцией коэффициента мощности на основе преобразователя SEPIC, работающего в режиме непрерывных токов. Практическая силовая электроника. 2010;4(40):5−12.

6. Falin J. Designing DC/DC converters based on SEPIC topology. Analog Applications Journal. 2008;4Q:18−21. URL: https://www.ti.com/lit/an/slyt309/slyt309.pdf

7. Томсетт К. Улучшенная топология для формирования биполярного питания из одного входного напряжения. Электронные компоненты. 2012;3:67−73.

8. Макаренко В. О применении связанных катушек индуктивности в DC/DC-преобразователях. Электронные компоненты и системы. 2013;8:24−29. URL: http://www.ekis.kiev.ua/UserFiles/Image/pdfArticles/8_2013/Inductors_in_rising_DC-DC_part1_EKIS_8_2013-3.pdf

9. Беттен Д. Преимущества DC/DC-преобразователей топологии SEPIC со связанными индуктивностями. Журнал по применению аналоговых компонентов. 2011;2Q:14−17. URL: https://www.ti.com/lit/an/rust018/rust018.pdf

10. Бабенко В.П., Битюков В.К. Имитационное моделирование процессов переключения силовых полевых транзисторов в программе Electronics Workbench. Радиотехника и электроника. 2019;64(2):199−205. https://doi.org/10.1134/S0033849419020025

11. Бабенко В.П., Битюков В.К., Кузнецов В.В., Симачков Д.С. Моделирование статических и динамических потерь в MOSFET-ключах. Российский технологический журнал. 2018;6(1):20−39. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2018-6-1-20-39

12. Бабенко В.П., Битюков В.К., Симачков Д.С. Схемотехническое моделирование DC/DC-преобразователей. Информационно-измерительные и управляющие системы. 2016;14(11):69−82.

13. Keeping S. The SEPIC option for battery-power management. Digi-Key Electronics. URL: https://www.digikey.gr/en/articles/the-sepic-option-for-battery-powermanagement

14. Raghavendra K., Zeb K., Muthusamy A., et al. A comprehensive review of DC–DC converter topologies and modulation strategies with recent advances in solar photovoltaic systems. Electronics. 2020;9(1):31. https://doi.org/10.3390/electronics9010031

15. Plasoianu Gh. Два варианта преобразователя SEPIC. Радиолоцман. 2019;96:64−66.