Buck Converter

Инвертирующий преобразователь.

Тип: AcausalElectricPowerSystems.Converters.Buck

Путь в библиотеке:

/Physical Modeling/Electrical/Semiconductors & Converters/Converters/Buck Converter

Описание

Блок Buck Converter представляет собой преобразователь, который понижает напряжение постоянного тока в зависимости от подключенного контроллера и генератора управляющих сигналов. Понижающие преобразователи также известны как понижающие регуляторы напряжения, поскольку они уменьшают амплитуду напряжения.

Блок Buck Converter позволяет моделировать асинхронный преобразователь с одним коммутационным аппаратом или синхронный преобразователь с двумя коммутационными аппаратами. Возможны следующие типы коммутационных аппаратов:

GTO — запираемый тиристор. Информацию о вольт-амперной характеристике (ВАХ) устройства см. в разделе GTO.
Ideal Semiconductor Switch — идеальный полупроводниковый управляемый переключатель. Информацию о ВАХ устройства см. в Ideal Semiconductor Switch.
IGBT — идеальный биполярный транзистор с изолированным затвором для схем коммутации. Информацию о ВАХ устройства см. в IGBT (Ideal, Switching).
MOSFET — идеальный -канальный МОП-транзистор для схем коммутации. Информацию о ВАХ устройства см. в MOSFET (Ideal, Switching).
Thyristor — тиристор с кусочно-линейной ВАХ. Информацию о ВАХ устройства см. в Thyristor (Piecewise Linear).
Averaged Switch — усредненный преобразователь. Порт управляющего сигнала G принимает значения в интервале от 0 до 1. Когда значение G равно 0 или 1, Averaged Switch полностью разомкнут или полностью замкнут соответственно. Ключ ведет себя аналогично блоку Ideal Semiconductor Switch с антипараллельным диодом. Когда значение G находится между 0 до 1, Averaged Switch частично разомкнут. Можно усреднить сигнал с помощью блока широтно-импульсной модуляции (PWM) за определенный период времени. Это позволяет выполнить субдискретизацию модели и использовать сигналы модуляции вместо сигналов ШИМ.

Топология преобразователя

Buck Converter можно смоделировать как асинхронный преобразователь с направленным портом управления затвором физического сигнала, или как синхронный преобразователь с электрическим портом управления. Чтобы выбрать топологию преобразователя, установите для параметра Modeling option значение:

Nonsynchronous converter — асинхронный преобразователь с дополнительными направленным и электрическими портами управления затвором.
Synchronous converter — синхронный преобразователь с мультиплексированными сигналами затвора.

Модели асинхронных понижающих преобразователей содержат коммутационный аппарат, диод, катушку индуктивности и выходной конденсатор. buck converter 1

Модель синхронного понижающего преобразователя содержит два коммутационных аппарата, катушку индуктивности и выходной конденсатор. buck converter 2

В каждом случае конденсатор сглаживает выходное напряжение.

Защита

В модели синхронного преобразователя можно включить встроенный защитный диод для коммутационного аппарата S2. Встроенный диод защищает полупроводниковое устройство, обеспечивая проводящий путь для обратного тока. Индуктивная нагрузка может вызвать высокий скачок обратного напряжения, когда полупроводниковое устройство внезапно отключает подачу напряжения на нагрузку.

Для включения и настройки внутреннего защитного диодного блока используйте группу параметров Diode. В этой таблице показано, как настроить параметр Model dynamics в зависимости от ваших целей.

Цели Значение для выбора Встроенный защитный диод

Цели	Значение для выбора	Встроенный защитный диод
Не включайте защиту	`None`	Нет
Включите защиту	Приоритет отдавайте скорости моделирования	`Diode with no dynamics`	Блок Diode
Приоритетом точности модели является точное указание динамики заряда в обратном режиме	`Diode with charge dynamics`	Динамическая модель блока Diode

Не включайте защиту

None

Нет

Включите защиту

Приоритет отдавайте скорости моделирования

Diode with no dynamics

Блок Diode

Приоритетом точности модели является точное указание динамики заряда в обратном режиме

Diode with charge dynamics

Динамическая модель блока Diode

Вы также можете включить демпферную цепь для каждого коммутационного аппарата. Демпферные цепи содержат последовательно соединенные резистор и конденсатор. Они защищают коммутационные аппараты от высоких напряжений, возникающих при отключении питания индуктивной нагрузки. Демпферные цепи также предотвращают чрезмерные изменения тока при включении коммутационного аппарата.

Для включения и настройки демпферной цепи для каждого коммутационного аппарата, используйте группу параметров Snubbers.

Подключение сигналов к порту управления затвором

Модель асинхронного преобразователя (Nonsynchronous converter) с опцией направленного порта управления (PS):
- Создайте направленный сигнал управления, например, из базовых математических блоков, и подключите его к порту G.
Модель асинхронного преобразователя (Nonsynchronous converter) с опцией электрического порта управления (Electrical):
- Подключите положительный сигнал постоянного напряжения к порту G+.
- Подключите отрицательный сигнал постоянного напряжения к порту G-.
Модель синхронного преобразователя (Synchronous converter):
- Мультиплексируйте преобразованные сигналы управления затвором в один вектор с помощью блока Two-Pulse Gate Multiplexer.
- Подключите векторный сигнал к порту G.

Кусочно-постоянная аппроксимация в усредненном коммутаторе

Если установить для параметра Switching device значение Averaged Switch и использовать для создания модели решатель разбиения, блок Buck Converter создает нелинейные разбиения, поскольку уравнения усредненного режима включают режимы , которые являются функциями входного сигнала G. Для активации кусочно-постоянной аппроксимации установите для параметра Integer for piecewise constant approximation of gate input (0 for disabled) значение большее, чем 0. Тогда этот блок будет рассматривать режим как кусочно-постоянное целое число с фиксированным диапазоном. Это превращает ранее нелинейные разбиения в линейные, изменяющиеся во времени.

Целочисленное значение в диапазоне [0,K], где — значение параметра Integer for piecewise constant approximation of gate input (0 for disabled), теперь ассоциируется с каждым режимом реального значения в диапазоне [0,1]. Блок вычисляет режим кусочно-постоянной аппроксимации путем деления исходного режима на , чтобы нормализовать его обратно к диапазону [0,1]:

Допущения и ограничения

Только усредненный импульсный преобразователь, управляемый ШИМ, регистрирует как режим непрерывной проводимости (CCM), так и режим прерывистой проводимости (DCM). Усредненный импульсный преобразователь, управляемый рабочим циклом, фиксирует только CCM.

Порты

Ненаправленные

# 2+ — положительная выходная клемма
электричество

Details

Электрический порт, связанный с положительной клеммой 2 напряжения постоянного тока.

Имя для программного использования

p2

# 2– — отрицательная выходная клемма
электричество

Details

Электрический порт, связанный с отрицательной клеммой 2 напряжения постоянного тока.

Имя для программного использования

n2

# 1+ — положительная входная клемма
электричество

Details

Электрический порт, связанный с положительной клеммой 1 напряжения постоянного тока.

Имя для программного использования

p1

# 1– — отрицательная входная клемма
электричество

Details

Электрический порт, связанный с отрицательной клеммой 1 напряжения постоянного тока.

Имя для программного использования

n1

Вход

# G — контакт (вывод) затвора
скаляр

Details

Порт управляющего сигнала, связанный с затвором переключателя.

Зависимости

Чтобы использовать этот порт, установите для параметра Modeling option значение Nonsynchronous converter и для параметра Gate-control port значение PS.

Типы данных	`Float64`
Поддержка комплексных чисел	Нет

Параметры

Parameters

# Modeling option — моделирование асинхронного или синхронного преобразователя
Nonsynchronous converter | Synchronous converter

Details

Выбор модели асинхронного или синхронного преобразователя.

Значения	`Nonsynchronous converter` \| `Synchronous converter`
Значение по умолчанию	`Nonsynchronous converter`
Имя для программного использования	`topology`
Вычисляемый	Нет

Switching Device

# Gate-control port — определяет порт управления: направленный или электрический
Signal | Electrical

Details

Направленный или электрический порт управления затвором переключателя.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Modeling option значение Nonsynchronous converter.

Значения	`Signal` \| `Electrical`
Значение по умолчанию	`Signal`
Имя для программного использования	`gate_control_port`
Вычисляемый	Нет

Details

Тип коммутационного устройства для преобразователя. Для синхронной модели переключатели идентичны.

Значения	`GTO` \| `Ideal Semiconductor Switch` \| `IGBT` \| `MOSFET` \| `Thyristor` \| `Averaged Switch`
Значение по умолчанию	`Ideal Semiconductor Switch`
Имя для программного использования	`switching_device_type`
Вычисляемый	Нет

# On-state resistance — сопротивление во включенном состоянии
Ohm | mOhm | kOhm | MOhm | GOhm

Details

Сопротивление между анодом и катодом во включенном состоянии.

Для различных типов коммутационных устройств параметр On-state resistance рассчитывается следующим образом:

Для GTO — скорость изменения напряжения по отношению к току выше прямого напряжения.
Для Ideal Semiconductor Switch — сопротивление анода-катода, когда прибор включен.
Для IGBT — сопротивление коллектор-эмиттер, когда прибор включен.
Для Thyristor — сопротивление анода-катода, когда прибор включен.
Для Averaged Switch — сопротивление анода-катода при включенном устройстве.

Единицы измерения	`Ohm` \| `mOhm` \| `kOhm` \| `MOhm` \| `GOhm`
Значение по умолчанию	`0.001 Ohm`
Имя для программного использования	`R_on`
Вычисляемый	Да

# Off-state conductance — проводимость в выключенном состоянии
S | nS | uS | mS | 1/Ohm

Details

Проводимость анод-катод в выключенном состоянии.

Проводимость, когда устройство выключено. Значение должно быть меньше , где — значение параметра On-state resistance.

Для различных типов коммутационных устройств сопротивление в состоянии покоя рассчитывается следующим образом:

Для GTO — анодно-катодная проводимость.
Для Ideal Semiconductor Switch — проводимость анод-катод.
Для IGBT — проводимость коллектор-эмиттер.
Для MOSFET — проводимость сток-исток.
Для Thyristor — проводимость анода-катода.

Единицы измерения	`S` \| `nS` \| `uS` \| `mS` \| `1/Ohm`
Значение по умолчанию	`1.0e-5 1/Ohm`
Имя для программного использования	`G_off`
Вычисляемый	Да

# Threshold voltage — пороговое напряжение
V | uV | mV | kV | MV

Details

Пороговое напряжение для цепи затвор-катод. Переключатель включается, когда напряжение цепи затвор-катод превышает это значение.

Для различных типов коммутационных устройств параметр Threshold voltage рассчитывается следующим образом:

Для Ideal Semiconductor Switch — напряжение затвор-катод.
Для IGBT — напряжение затвор-эмиттер.
Для MOSFET — напряжение затвор-исток.

Единицы измерения	`V` \| `uV` \| `mV` \| `kV` \| `MV`
Значение по умолчанию	`6.0 V`
Имя для программного использования	`V_threshold`
Вычисляемый	Да

Diode

# Model dynamics — модель диода
Diode with no dynamics | Diode with charge dynamics

Details

Тип диода. Возможны следующие варианты:

Diode with no dynamics — выберите эту опцию для приоритета скорости моделирования с помощью блока Diode. Эта опция используется по умолчанию для асинхронного преобразователя.
Diode with charge dynamics — выберите эту опцию, чтобы повысить точность модели с точки зрения динамики заряда в обратном режиме, используя модель коммутирующего диода блока Diode.

Если для параметра Switching device в настройках выбрано значение Averaged Switch, этот параметр не отображается, и для параметра Model dynamics автоматически устанавливается значение Diode with no dynamics.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Modeling option значение Nonsynchronous converter.

Значения	`Diode with no dynamics` \| `Diode with charge dynamics`
Значение по умолчанию	`Diode with no dynamics`
Имя для программного использования	`protection_diode_parameterization_nonsynchronous`
Вычисляемый	Нет

# Forward voltage — напряжение прямого тока
V | uV | mV | kV | MV

Details

Минимальное напряжение, требуемое на анодном и катодном блоках, чтобы наклон ВАХ диода был равен , где — значение параметра On resistance.

Единицы измерения	`V` \| `uV` \| `mV` \| `kV` \| `MV`
Значение по умолчанию	`0.8 V`
Имя для программного использования	`V_f_diode`
Вычисляемый	Да

# On resistance — сопротивление открытого перехода
Ohm | mOhm | kOhm | MOhm | GOhm

Details

Скорость изменения напряжения по отношению к току выше напряжения, заданного параметром Forward voltage.

Единицы измерения	`Ohm` \| `mOhm` \| `kOhm` \| `MOhm` \| `GOhm`
Значение по умолчанию	`0.001 Ohm`
Имя для программного использования	`R_on_diode`
Вычисляемый	Да

# Off conductance — проводимость закрытого перехода
S | nS | uS | mS | 1/Ohm

Details

Проводимость диода с обратным смещением.

Единицы измерения	`S` \| `nS` \| `uS` \| `mS` \| `1/Ohm`
Значение по умолчанию	`1.0e-5 1/Ohm`
Имя для программного использования	`G_off_diode`
Вычисляемый	Да

LC filter

# Inductance — индуктивность
H | nH | uH | mH

Details

Индуктивность LC-фильтра.

Единицы измерения	`H` \| `nH` \| `uH` \| `mH`
Значение по умолчанию	`1.0e-6 H`
Имя для программного использования	`L_f`
Вычисляемый	Да

# Inductor series resistance — последовательное сопротивление индуктора
Ohm | mOhm | kOhm | MOhm | GOhm

Details

Последовательное сопротивление индуктора.

Единицы измерения	`Ohm` \| `mOhm` \| `kOhm` \| `MOhm` \| `GOhm`
Значение по умолчанию	`0.0 Ohm`
Имя для программного использования	`R_l`
Вычисляемый	Да

# Capacitance — емкость
F | pF | nF | uF | mF

Details

Емкость LC-фильтра.

Единицы измерения	`F` \| `pF` \| `nF` \| `uF` \| `mF`
Значение по умолчанию	`1.0e-7 F`
Имя для программного использования	`C_f`
Вычисляемый	Да

# Capacitor effective series resistance — сопротивление конденсатора
Ohm | mOhm | kOhm | MOhm | GOhm

Details

Последовательное сопротивление конденсатора.

Единицы измерения	`Ohm` \| `mOhm` \| `kOhm` \| `MOhm` \| `GOhm`
Значение по умолчанию	`1.0e-6 Ohm`
Имя для программного использования	`R_f`
Вычисляемый	Да

Снаббер

# Snubber — активация демпфера

Details

Добавление демпфера к коммутационному устройству.

Значение по умолчанию	`false (выключено)`
Имя для программного использования	`snubber_option`
Вычисляемый	Нет