DC-DC Converter

Модель поведения преобразователя энергии.

dc dc converter

Описание

Блок DC-DC Converter представляет собой модель поведения DC-DC преобразователя энергии. Преобразователь регулирует напряжение на стороне нагрузки. Чтобы сбалансировать входную мощность, выходную мощность и потери, необходимое количество энергии берется со стороны источника питания. В качестве альтернативы преобразователь может поддерживать рекуперированный поток энергии от стороны нагрузки к источнику питания.

Представленная ниже схема иллюстрирует поведение преобразователя.

dc dc converter 1

Компонент потребляет постоянную мощность и соответствует потерям в преобразователе, которые не зависят от тока нагрузки. Потребляемая мощность задается значением параметра Converter losses at zero output power. Резистор соответствует потерям, которые увеличиваются с ростом тока нагрузки, и определяется значением параметра Percentage efficiency at rated output power.

Источник напряжения определяется следующим уравнением:

где

— это заданное значение напряжения на стороне нагрузки, определяемое значением параметра Output voltage reference demand. Кроме того, это значение можно подать на вход порта Vref, если для параметра Voltage Reference установлено значение External;
— это значение, которое задано в параметре Output voltage droop with output current. Дополнительную информацию см. в разделе Падение напряжения.

Значение тока источника рассчитывается таким образом, чтобы мощность, поступающая в преобразователь, равнялась сумме мощности, вытекающей из него, плюс потери в преобразователе.

Чтобы задать поведение преобразователя, когда напряжение, выдаваемое нагрузкой выше опорного значения выходного напряжения преобразователя, используйте параметр Power direction:

Unidirectional power flow from supply to regulated side — ток блокируется диодом в выключенном состоянии, и ток источника тока равен нулю. Установите проводимость этого диода с помощью параметра Diode off-state conductance.
Bidirectional power flow — энергия передается на сторону питания, и становится отрицательным.

Блок также может включать динамику регулирования напряжения. Если для параметра Dynamics выбрать значение Specify voltage regulation time constant, то в уравнение, определяющее значение источника напряжения, будет добавлено запаздывание первого порядка. При включенной динамике ступенчатое изменение нагрузки приводит к переходному процессу выходного напряжения, причем постоянная времени определяется параметром Voltage regulation time constant.

Падение напряжения

Падение напряжения — это уменьшение выходного напряжения для устройства, управляющего нагрузкой. Падение напряжения имеет важное значение в схемах регулирования напряжения, поскольку оно повышает устойчивость систем к переходным процессам в нагрузке.

Отдельное значение падения напряжения позволяет управлять изменением выходного напряжения в зависимости от нагрузки, независимо от потерь, зависящих от нагрузки. Чтобы активировать падение напряжения, выберите параметр Enable droop. Чтобы задать величину спада, установите для параметра Droop parameterization значение:

By voltage droop with output current — установите падение напряжения напрямую, задав значение параметра Output voltage droop with output current.
By percent voltage droop at rated load — падение напряжения в процентах от параметра Output voltage reference demand в зависимости от значения параметра Voltage droop percent at rated load рассчитывается из уравнения:

где — значение параметра Output voltage reference demand. Если для параметра Voltage reference установлено значение External, то вместо него блок использует постоянное значение параметра Voltage reference used to calculate droop percent.

На графике показано, как блок рассчитывает падение напряжения.

dc dc converter 2 ru

Падение напряжения — это наклон линии, где и .

Табличная эффективность

Эффективность DC-DC преобразователя можно получить в зависимости от выходного тока, входного напряжения и температуры.

Эти уравнения определяют связь между потерями и эффективностью:

, если ( ),

где

— потери в DC-DC преобразователе;
— входное напряжение;
— входной ток;
— выходной ток;
— температура устройства, если в блоке используется тепловой порт;
— эффективность DC-DC преобразователя в зависимости от выходного тока, входного напряжения и температуры, которая задана в параметре Percentage efficiency table, eff(I2,V1,T).

Если выходной ток равен 0, то потери преобразователя равны значению параметра Converter losses at zero output power.

Потери мощности в зависимости от выходного тока рассчитываются следующим образом:

Если выходной ток меньше последней отрицательной точки тока или больше первой положительной точки тока в параметре Vector of output currents for tabulated efficiencies, I2, то блок использует значения параметра Percentage efficiency table, eff(I2), чтобы найти соответствующее значение эффективности (с помощью линейной интерполяции или ближайшей экстраполяции) и затем преобразовать это значение в потери.
В противном случае блок переносит нулевой выходной ток с последней отрицательной или первой положительной точкой в таблице, как показано на рисунке.

dc dc converter 3 ru

Если установлен флажок Enable thermal port, то в дополнение к выходному току и входному напряжению блок вычисляет эффективность в зависимости от температуры. Расчет потерь остается таким же, как и в варианте когда тепловые порты скрыты.

Моделирование ситуации, когда напряжение питания не может соответствовать нагрузке

Блок DC-DC Converter использует параметр Minimum supply voltage to function для защиты сети, когда напряжение питания не может обеспечить требования нагрузки. Это происходит, если последовательно с источником питания подключить выключатель, а затем выключить его, или если в соединении источника питания имеется последовательное сопротивление, на котором падает слишком большое напряжение. Во время моделирования, если напряжение падает ниже значения параметра Minimum supply voltage to function, блок ослабляет регулирование выходного напряжения. Как только напряжение падает ниже 90% от значения параметра Minimum supply voltage to function, вход преобразователя ведет себя как фиксированное сопротивление, равное значению параметра Input resistance if not functioning. Аналогично, выход блока DC-DC Converter ведет себя как фиксированное сопротивление, равное значению параметра Output resistance if not functioning.

Моделирование тепловых эффектов

Этот блок имеет один дополнительный тепловой порт. Чтобы включить тепловой порт, установите флажок Enable thermal port.

Блок передает тепло, полученное в результате электрических потерь, через блок Controlled Heat Flow Rate Source блоку Thermal Mass. Электрические свойства блока не меняются в зависимости от температуры. Тепловые свойства для этого блока задаются с помощью параметров Thermal mass и Initial temperature.

Допущения

Две электрические сети, подключенные к клеммам со стороны питания и со стороны регулирования, должны иметь свой собственный блок Electrical Reference.
Уравнение со стороны источника определяет ограничение мощности на произведение напряжения и тока . Для моделирования решатель должен быть способен однозначно определить . Чтобы гарантировать, что решение уникально, блок реализует два утверждения:
- — это утверждение гарантирует, что знак определен однозначно.
- — это утверждение относится к случаю, когда напряжение питания блока имеет последовательное сопротивление.
При наличии последовательного сопротивления существует два возможных стационарных решения для , удовлетворяющих ограничению мощности, причем наилучшим является то, которое имеет меньшую величину.

Порты

Ненаправленные

1+ — входная положительная клемма
электричество

Электрический ненаправленный порт, связанный с положительной клеммой входной цепи.

1- — входная отрицательная клемма
электричество

Электрический ненаправленный порт, связанный с отрицательной клеммой входной цепи.

2+ — выходная положительная клемма
электричество

Электрический ненаправленный порт, связанный с положительной клеммой выходной цепи.

2- — выходная отрицательная клемма
электричество

Электрический ненаправленный порт, связанный с отрицательной клеммой выходной цепи.

Vref — выходная отрицательная клемма
скаляр

Электрический ненаправленный порт, через который подается внешний опорный сигнал напряжения.

Зависимости

Чтобы использовать этот порт, установите для параметра Voltage Reference значение External.

H — тепловой порт
тепло

Тепловой ненаправленный порт, представляющий собой тепловую массу. Дополнительные сведения см. в разделе Моделирование тепловых эффектов.

Зависимости

Чтобы использовать этот порт, установите для параметра Enable thermal port значение включено.

Main

Voltage reference — опорное напряжение
Internal (по умолчанию) | External

Опция для способа моделирования опорного напряжения.

Output voltage reference demand — установленное значение напряжения
10.0 В (по умолчанию)

Заданное значение для регулятора напряжения и значение выходного напряжения при отсутствии выходного тока.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Voltage Reference значение Internal.

Rated output power — номинальная мощность
10.0 Вт (по умолчанию)

Выходная мощность, для которой задано значение эффективности в процентах. Этот параметр также используется для расчета падения напряжения , если падение задано в процентах.

Enable droop — учет падения напряжения
включено (по умолчанию) | выключено

Опция учета падения напряжения.

Droop parameterization — модель падения напряжения
By voltage droop with output current (по умолчанию) | By percent voltage droop at rated load

Выберите один из следующих методов параметризации падения напряжения:

By voltage droop with output current — укажите абсолютное значение падения напряжения . Это вариант по умолчанию.
By percent voltage droop at rated load — укажите падение напряжения в процентах при номинальной нагрузке.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Enable droop значение включено.

Output voltage droop with output current — падение напряжения при 1 А
0.1 В/А (по умолчанию)

Количество вольт, на которое упадет выходное напряжение по сравнению с заданным значением при выходном токе 1 A.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Enable droop значение включено, а для параметра Droop parameterization значение By voltage droop with output current.

Voltage droop percent at rated load — процент падения напряжения при номинальной нагрузке
2 (по умолчанию)

Процент, на который падает напряжение по сравнению с номинальным выходным напряжением при потреблении номинальной нагрузки. Если для параметра Voltage reference установлено значение Internal, то для расчета процента падения блок использует параметр Output voltage reference demand. Если для параметра Voltage reference установлено значение External, блок использует параметр Voltage reference used to calculate droop percent.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Enable droop значение включено, а для параметра Droop parameterization значение By percent voltage droop at rated load.

Voltage reference used to calculate droop percent — значение напряжения, используемое для расчета процента падения напряжения
10 В (по умолчанию)

Опорное напряжение, которое параметр Voltage droop percent at rated load использует для расчета падения напряжения во время моделирования.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Enable droop значение включено, для параметра Voltage reference значение External, а для параметра Droop parameterization значение By percent voltage droop at rated load.

Power direction — направление потока энергии
Unidirectional power flow from supply to regulated side (по умолчанию) | Bidirectional power flow

Выберите один из следующих методов направления преобразования энергии:

Unidirectional power flow from supply to regulated side — большинство маломощных регуляторов являются однонаправленными. Это вариант по умолчанию.
By percent voltage droop at rated load — преобразователи большой мощности могут быть двунаправленными, например, преобразователи, используемые в электромобилях для обеспечения рекуперативного торможения.

Diode off-state conductance — однонаправленный диод
1e−8 1/Ом (по умолчанию)

Идеальный диод включен со стороны выхода для предотвращения нагнетания тока в преобразователь в однонаправленной конфигурации.

Losses

Converter losses at zero output power — постоянные потери
1 Вт (по умолчанию)

Мощность, потребляемая компонентом в эквивалентной схеме, которая соответствует потерям в преобразователе, не зависящим от тока нагрузки.

Converter losses — потери при преобразовании
Assume proportional to square of output current (по умолчанию) | Tabulate efficiency

Параметризация потерь при преобразовании.

Percentage efficiency at rated output power — номинальная эффективность
80 (по умолчанию)

Эффективность, определяемая как отношение выходной мощности нагрузки к входной мощности питания в процентах.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Converter losses значение Assume proportional to square of output current.

Variables for tabulation — табличные переменные
Output current (по умолчанию) | Output current and input voltage | Output current and temperature | Output current, input voltage, and temperature

Укажите параметры, от которых зависит эффективность: выходной ток, входное напряжение и температура. Чтобы включить температурные опции, необходимо открыть тепловой порт блока.

Vector of output currents for tabulated efficiencies, I2 — выходные токи для табличных значений эффективности
[-2, -1, 1, 2] А (по умолчанию) | вектор положительных возрастающих скаляров

Вектор выходных токов для табличных эффективностей. Размерность этого вектора должна быть больше или равна трем и равна размерности Percentage efficiency table, eff(I).

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Converter losses значение Tabulate efficiency.

Percentage efficiency table, eff(I2) — табличные значения эффективности в зависимости от тока
[66, 76, 80, 74] (по умолчанию) | матрица положительных скаляров

Табличные значения эффективности в процентах в зависимости от тока. Размерность этого вектора должна быть равна размерности Vector of output currents for tabulated efficiencies, I2.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Converter losses значение Tabulate efficiency, а для Variables for tabulation значение Output current.

Vector of input voltages for tabulated efficiencies, V1 — входные напряжения для табличных значений эффективности
[15, 30, 45] В (по умолчанию) | вектор положительных возрастающих скаляров

Вектор входных напряжений для табличных эффективностей. Размерность этого вектора должна быть больше или равна двум.

Зависимости

Percentage efficiency table, eff(I2,V1) — табличные значения эффективности в зависимости от тока и напряжения
[66, 66, 66; 76, 76, 76; 80, 80, 80; 74, 74, 74] (по умолчанию) | матрица положительных скаляров

Табличные значения эффективности в процентах в зависимости от тока и напряжения.

Зависимости

Vector of temperatures for tabulated efficiencies, T — значения температуры для табличных значений эффективности
[280, 300, 320] К (по умолчанию) | вектор положительных возрастающих скаляров

Вектор значений температуры для табличных эффективностей. Размерность этого вектора должна быть равна или больше 2.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Converter losses значение Tabulate efficiency.

Percentage efficiency table, eff(I2,T) — табличные значения эффективности в зависимости от тока и температуры
[66, 66, 66; 76, 76, 76; 80, 80, 80; 74, 74, 74] (по умолчанию) | матрица положительных скаляров

Табличные значения эффективности в процентах в зависимости от тока и температуры.

Зависимости

Percentage efficiency table, eff(I2,V1,T) — табличные значения эффективности в зависимости от тока, напряжения и температуры
repeat([66.0, 76.0, 80.0, 74.0], 1, 3, 3) (по умолчанию) | трехмерная матрица скаляров

Табличные значения эффективности в процентах в зависимости от тока, напряжения и температуры.

Зависимости

Dynamics

Dynamics — динамическая модель
No dynamics (по умолчанию) | Specify voltage regulation time constant

Укажите, нужно ли включать динамику регулирования напряжения:

No dynamics — динамика регулирования напряжения не учитывается.
Specify voltage regulation time constant — добавьте запаздывание первого порядка в уравнение, определяющее значение напряжения источника. При включенной динамике ступенчатое изменение нагрузки приводит к переходному изменению выходного напряжения.

Voltage regulation time constant — постоянная времени динамики
0.02 с (по умолчанию)

Постоянная времени, связанная с переходными процессами напряжения при ступенчатом изменении тока нагрузки.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Dynamics значение Specify voltage regulation time constant.

Initial output voltage demand — начальное требуемое напряжение
10 В (по умолчанию)

Значение в нулевой момент времени. Обычно определяется параметром Output voltage reference demand. Однако, если есть необходимость инициализировать модель без переходных процессов при подаче установившегося тока нагрузки, то можно задать начальное значение с помощью этого параметра и соответственно увеличить его, чтобы учесть выходное сопротивление и падение напряжения.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Dynamics значение Specify voltage regulation time constant.

Off State

Minimum supply voltage to function — минимальное напряжение питания для работы
1 В (по умолчанию)

Минимальное напряжение питания для работы преобразователя и регулирования выходного напряжения до заданного значения. Когда напряжение питания падает ниже 90% от значения этого параметра, вход блока DC-DC Converter ведет себя как фиксированное сопротивление, равное значению параметра Input resistance if not functioning. Аналогично, выход блока DC-DC Converter ведет себя как фиксированное сопротивление, равное значению параметра Output resistance if not functioning.

Input resistance if not functioning — входное сопротивление, если не функционирует
1000 Ом (по умолчанию)

Входное сопротивление при падении напряжения питания ниже 90% от значения параметра Minimum supply voltage to function.

Output resistance if not functioning — выходное сопротивление, если не функционирует
1000 Ом (по умолчанию)

Выходное сопротивление при падении напряжения питания ниже 90% от значения параметра Minimum supply voltage to function.

Thermal

Thermal mass — тепловая масса
100 Дж/К (по умолчанию)

Тепловая масса, связанная с тепловым портом H. Она представляет собой энергию, необходимую для повышения температуры теплового порта на один градус.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Enable thermal port значение включено.

Initial temperature — начальная температура на тепловом порте
298.15 К

Начальная температура, связанная с тепловым портом H.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Enable thermal port значение включено.