Development of a Mathematical Model of a Two-stage DC-DC Converter
DOI:
https://doi.org/10.24160/1993-6982-2024-6-11-19Keywords:
power supply system, two-stage conversion, DC-DC converter, nonlinear dynamics, mathematical model, control systemAbstract
The article considers an aggregated power supply system containing two stages of DC-DC conversion. Each stage is a completely autonomous converter with an individual control system serving to stabilize the output voltage. Such systems belong to the class of nonlinear dynamic systems; therefore, nonlinear dynamic models need to be used for analyzing their dynamics. Currently, such systems are studied using small-signal modeling, which implies linearization of the system in a small vicinity of the operating point; however, such approach limits the capabilities of such models. The mathematical model proposed in the article is piecewise linear in nature. In this model, the movements in the system in the linearity section are described in analytical form. Each linearity section of the mathematical model corresponds to a certain combination of open (conducting) switches in the circuit. The transition from section to section is carried out using the fitting method. The valve switching moments in the circuit are found either analytically or using numerical methods, so that the proposed model can be called a combined numerical-and-analytical one. To check how correct the proposed mathematical model is, a comparison was made between the results obtained using the verified MatLab Simulink software package and the results obtained using the proposed mathematical model. It has been demonstrated that the proposed model yields acceptable accuracy and features higher computation speed in comparison with the model implemented in the MatLab Simulink environment, which is important when studying the nonlinear dynamics of such devices. The proposed mathematical model is versatile in nature and after certain adaptation can be used to model aggregated two-stage power supply systems based on other types of DC-DC converters.
References
2. Дмитриков В.Ф., Шушпанов Д.В., Петроченко А.Ю., Алексеев М.А. Проблемы устойчивости при создании агрегатированных и распределенных систем вторичного электропитания // Электротехника. 2020. № 2. С. 35—42.
3. Middlebrook R.D. Input Filter Considerations in Design and Application of Switching Regulators // IEEE Industry Applications Society Annual Meeting. 1976. Pp. 366—382.
4. Баушев В.С., Жусубалиев Ж.Т. О недетерминированных режимах функционирования стабилизатора напряжения с широтно-импульсным регулированием // Электричество. 1992. № 8. С. 47—53.
5. Михальченко С.Г. и др. Бифуркационные явления в преобразователе напряжения с частотно-импульсным управлением для ветрогенераторной установки // Известия Томского политехн. ун-та. Серия «Инжиниринг георесурсов». 2020. Т. 331. № 12. С. 215—225.
6. Михальченко С.Г. и др. Режимы работы установок электропитания центробежных насосов с многоуровневой широтно-импульсной модуляцией // Известия Томского политехн. ун-та. Серия «Инжиниринг георесурсов». 2022. Т. 333. № 7. С. 166—177.
7. Жусубалиев Ж.Т. и др. Хаотическая динамика импульсных систем. Курск: ЗАО «Универ», 2021.
8. Андриянов А.И. Расчет оптимальных параметров систем управления нелинейными динамическими процессами импульсных преобразователей напряжения // Автоматизация и моделирование в проектировании и управлении. 2022. № 4(18). С. 87—96.
9. Белов Г.А., Малинин Г.В. Векторно-матричный метод расчета переходных процессов в резонансном преобразователе постоянного напряжения типа LCL-T // Практическая силовая электроника. 2020. № 1(77). С. 28—37.
10. Севернс Р., Блум Г. Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания. М.: Энергоатомиздат, 1988.
11. Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника. М.: Техносфера, 2005.
12. Белов Г.А. Системы управления полупроводниковыми преобразователями. Чебоксары: Изд-во Чувашского ун-та, 2023.
---
Для цитирования: Андриянов А.И., Баранчиков М.В. Разработка математической модели двухкаскадного преобразователя постоянного напряжения // Вестник МЭИ. 2024. № 6. С. 11—19. DOI: 10.24160/1993-6982-2024-6-11-19
---
Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
#
1. Dmitrikov V.F., Shushpanov D.V. Ustoychivost' i Elektromagnitnaya Sovmestimost' Ustroystv i Sistem Elektropitaniya. M.: Goryachaya Liniya – Telekom, 2019. (in Russian).
2. Dmitrikov V.F., Shushpanov D.V., Petrochenko A.Yu., Alekseev M.A. Problemy Ustoychivosti pri Sozdanii Agregatirovannykh i Raspredelennykh Sistem Vtorichnogo Elektropitaniya. Elektrotekhnika. 2020;2:35—42. (in Russian).
3. Middlebrook R.D. Input Filter Considerations in Design and Application of Switching Regulators. IEEE Industry Applications Society Annual Meeting. 1976:366—382.
4. Baushev V.S., Zhusubaliev Zh.T. O Nedeterminirovannykh Rezhimakh Funktsionirovaniya Stabilizatora Napryazheniya s Shirotno-impul'snym Regulirovaniem. Elektrichestvo. 1992;8:47—53. (in Russian).
5. Mikhal'chenko S.G. i dr. Bifurkatsionnye Yavleniya v Preobrazovatele Napryazheniya s Chastotno-impul'snym Upravleniem dlya Vetrogeneratornoy Ustanovki. Izvestiya Tomskogo Politekhn. Un-ta. Seriya «Inzhiniring Georesursov». 2020;331;12:215—225. (in Russian).
6. Mikhal'chenko S.G. i dr. Rezhimy Raboty Ustanovok Elektropitaniya Tsentrobezhnykh Nasosov s Mnogourovnevoy Shirotno-impul'snoy Modulyatsiey. Izvestiya Tomskogo Politekhn. Un-ta. Seriya «Inzhiniring Georesursov». 2022;333;7:166—177. (in Russian).
7. Zhusubaliev Zh.T. i dr. Khaoticheskaya Dinamika Impul'snykh Sistem. Kursk: ZAO «Univer», 2021. (in Russian).
8. Andriyanov A.I. Raschet Optimal'nykh Parametrov Sistem Upravleniya Nelineynymi Dinamicheskimi Protsessami Impul'snykh Preobrazovateley Napryazheniya. Avtomatizatsiya i Modelirovanie v Proektirovanii i Upravlenii. 2022;4(18):87—96. (in Russian).
9. Belov G.A., Malinin G.V. Vektorno-matrichnyy Metod Rascheta Perekhodnykh Protsessov v Rezonansnom Preobrazovatele Postoyannogo Napryazheniya Tipa LCL-T. Prakticheskaya Silovaya Elektronika. 2020;1(77):28—37. (in Russian).
10. Severns R., Blum G. Impul'snye Preobrazovateli Postoyannogo Napryazheniya dlya Sistem Vtorichnogo Elektropitaniya. M.: Energoatomizdat, 1988. (in Russian).
11. Meleshin V.I. Tranzistornaya Preobrazovatel'naya Tekhnika. M.: Tekhnosfera, 2005. (in Russian).
12. Belov G.A. Sistemy Upravleniya Poluprovodnikovymi Preobrazovatelyami. Cheboksary: Izd-vo Chuvashskogo Un-ta, 2023. (in Russian)
---
For citation: Andriyanov A.I., Baranchikov M.V. Development of a Mathematical Model of a Two-stage DC-DC Converter. Bulletin of MPEI. 2024;6:11—19. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2024-6-11-19
---
Conflict of interests: the authors declare no conflict of interest
