Динамика импульсных преобразователей напряжения с учетом неидеальности усилителя ошибки в составе аналоговой системы управления

Рассматривается импульсный преобразователь напряжения с высокой частотой коммутации ключа с аналоговой системой управления, способной обеспечить требуемые частоты преобразования. Изучаемый преобразователь имеет систему управления с пропорционально-интегральным регулятором, реализованным на основе операционного усилителя общего назначения. Операционные усилители с такими параметрами широко применяются в составе современных микросхем управления импульсными преобразователями напряжения. В работе изучено влияние технологического разброса коэффициента усиления операционного усилителя на динамику преобразователя. Исследования проводились как с использованием разработанной нелинейной динамической модели системы, так и с использованием малосигнальной динамической модели разомкнутого контура. Разработана методика выбора параметров регулятора с учетом технологического разброса коэффициента усиления операционного усилителя на основе нелинейной динамической модели. Анализ результатов, полученных с использованием нелинейной динамической модели, показал значимое влияние указанного разброса на динамику системы даже при значительном удалении частоты среза разомкнутой системы управления от частоты высокочастотного полюса операционного усилителя. Это требуется учитывать при проектировании импульсных преобразователей напряжения с аналоговыми системами управления, а именно при выборе параметров регуляторов.

Показано, что при значениях регулятора, выбранных по предлагаемой методике, влияние технологического разброса коэффициента усиления на частотные характеристики разомкнутого контура в областях низких и средних частот минимально, что говорит об эффективности методики. Предлагаемый подход можно использовать при проектировании импульсных преобразователей электроэнергии с высокой частотой преобразования, где начинает оказывать влияние неидеальность усилителя ошибки.

1. Белов Г. А. Теория импульсных преобразователей. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2016. 330 с.

2. Белов Г. А. Импульсные преобразователи с системами управления на серийных микросхемах. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2015. 330 с.

3. Белов Г. А. Динамика импульсных преобразователей. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2001. 448 с.

4. Мелешин В. И. Транзисторная преобразовательная техника. М.: Техносфера, 2005. 632 с.

5. Севернс Р., Блум Г. Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания. М.: Энергоатомиздат, 1988. 294 с.

6. Будко П. А., Веселовский А. П., Винограденко А. М., Косарева Л. И. Регулирование напряжения в преобразователях высокочастотными импульсами с изменяющейся скважностью // Мехатроника, Автоматизация, Управление, 2018. № 8. С. 516—522.

7. Zhusubaliyev Zh. T., Mosekilde E. Bifurcations and chaos in piece-wise-smooth dynamical systems. Singapore: World Scientific Pub Co Inc, 2003. 376 p.

8. Алейников О. А., Баушев В. С., Кобзев А. В., Михальченко Г. Я. Исследование локальной устойчивости периодических режимов в нелинейных импульсных системах // Электричество. 1991. № 4. С. 16—21.

9. Алейников О. А., Баушев В. С., Кобзев А. В., Михальченко Г. Я. О стационарных состояниях стабилизатора напряжения с широтно-импульсным регулированием // Тезисы доклада XIV научно-технической конференции, посвященной 40-летию научно-исследовательского, проектноконструкторского и технологического института электромеханики НПО "Полюс". 1990. С. 72—73.

10. Белов Г. А. Исследование импульсного стабилизатора методом точечных отображений // Проблемы преобразовательной техники. 1983. № 4.2. С. 115—118.

11. Андриянов А. И., Булохов Н. М. Исследование нелинейной динамики замкнутых систем управления с составными преобразователями напряжения // Мехатроника, автоматизация, управление. 2013. № 12. С. 39—45.

12. Андриянов А. И. Проектирование импульсных преобразователей постоянного напряжения с учетом динамических нелинейностей // Электротехнические системы и комплексы, 2021. № 2 (51). С. 39—44.

13. Samanta B., Ghosh S., Panda G. K., Saha P. K. Chaos control on current-mode controlled DC-DC boost converter using TDFC // 2017 IEEE Calcutta Conference (CALCON). 2017. P. 159—163.

14. Bueno R. S., Marrero J. L. R. Application of the OGY method to the control of chaotic DC-DC converters: theory and experiments // 2000 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS). 2000. Vol. 2. P. 369—372.

15. Андриянов А. И. Развитие теории управления нелинейными динамическими процессами импульсных систем электропитания: дис. ... докт. тех. наук. Брянск, 2022. 515 с.

16. Error Amplifier Limitations in High Performance Regulator Applications. URL: https://www.ti.com/lit/pdf/snva411 (дата обращения: 20 февраля 2022).

17. Демирчян К. С., Бутырин П. А. Моделирование и машинный расчет электрических цепей: учеб. пособие для электр. и электроэнерг. спец. вузов. М.: Высшая школа, 1988. 335 с.

18. Rybalka S., Demidov A., Kulchenkov E. Design and modelling of operational amplifier for energy systems // VIII International Conference on Advanced Agritechnologies, Environmental Engineering and Sustainable Development (AGRITECH-VIII 2023). 2023. Vol. 390. P. 06029.

19. Андриянов А. И. Паралельная программа для исследования нелинейной динамики импульсных преобразователей электроэнергии "AHaos Cluster" // Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ RU 2021617613, опубл. 18.05.2021. Заявка № 2021616876 от 04.05.2021