Projekty Katedry Energoelektroniki
Projekt nr 2011/01/B/ST7/06738
Tytuł: Elektrotermiczne modele elementów indukcyjnych dla programu SPICE dedykowane do analizy układów impulsowego przetwarzania energii elektrycznej
Kierownik projektu dr hab. inż. Krzysztof Górecki, prof. nadzw. AMG
Elementy indukcyjne, tzn. dławiki i transformatory są ważnym składnikiem przetwornic dc-dc. Elementy te zawierają rdzenie ferromagnetyczne, których właściwości wpływają na charakterystyki tych elementów oraz, w konsekwencji, na właściwości układów z tymi elementami. W szczególności, materiały ferromagnetyczne wykorzystywane do konstrukcji rdzeni, np. stopy żelaza z krzemem lub z niklem, ferryty, czy też materiały nanokrystaliczne wykazują różne wartości takich parametrów dopuszczalnych jak indukcja nasycenia, stratność, przenikalność początkowa oraz temperatura Curie. Wymienione parametry, z wyjątkiem temperatury Curie, są uzależnione od temperatury. Charakter tej zależności jest cechą wybranego materiału. Jak wynika z badań wnioskodawców najsilniej temperatura wpływa na parametry rdzeni ferrytowych, a najsłabiej - na parametry rdzeni proszkowych. Temperatura rdzenia stanowi sumę temperatury otoczenia Ta oraz przyrostu temperatury ?T spowodowanego przez zjawiska cieplne, czyli samonagrzewanie i wzajemne sprzężenia termiczne między rdzeniem a uzwojeniami elementu magnetycznego. W celu uwzględnienia w analizach komputerowych wpływu zjawisk cieplnych na właściwości elementów i układów elektronicznych oraz energoelektronicznych niezbędne są specjalne modele elektrotermiczne wszystkich elementów składowych analizowanego układu oraz specjalne algorytmy obliczeniowe. Obecnie standardowym narzędziem do analizy komputerowej układów elektronicznych i energoelektronicznych jest program SPICE. We wcześniejszych pracach wykonawców, zaproponowano elektrotermiczne modele półprzewodnikowych elementów kluczujących (diod i tranzystorów) oraz monolitycznych układów sterujących dla programu SPICE. W czasie realizacji tego projektu wykazano, że nieliniowości elementów indukcyjnych istotnie wpływają na charakterystyki przetwornic dc-dc w zakresie małych oraz dużych prądów płynących przez te elementy, a zjawisko samonagrzewania w istotny sposób wpływa na nieliniowości charakterystyk przetwornic dc-dc. W literaturze występuje wiele modeli elementów indukcyjnych, które jednak w większości nie uwzględniają wpływu temperatury otoczenia ani zjawiska samonagrzewania na charakterystyki tych elementów. Znane są również mikroskopowe modele rdzeni ferromagnetycznych umożliwiające wyznaczanie czasowo-przestrzennych rozkładów wielkości magnetycznych w rdzeniu oraz rozkładów temperatury. Jednak wysoki stopień złożoności tych modeli praktycznie uniemożliwia zastosowanie ich przy analizie układów elektronicznych ze względu na problemy związane ze zbieżnością i czasem obliczeń. W ramach realizacji projektu opracowano nowe elektrotermiczne modele elementów indukcyjnych, dedykowane do analizy przetwornic dc-dc z wykorzystaniem programu SPICE, uwzględniające nieliniowości i inercję tych elementów oraz samonagrzewanie i wzajemne sprzężenia cieplne między rdzeniem a uzwojeniami. Poprawność opracowanych modeli wykazano doświadczalnie dla dławików i transformatorów z rdzeniami ferrytowymi, proszkowymi i nanokrystalicznymi o różnych wymiarach i różnej liczbie zwojów w uzwojeniach poprzez porównanie obliczonych i zmierzonych charakterystyk tych elementów. Charakterystyki te wyznaczono w szerokim zakresie zmian prądu i częstotliwości. Oprócz napięć i prądów zaciskowych rozważanych elementów, opracowane modele umożliwiają również wyznaczenie wartości natężenia pola magnetycznego i indukcji w rdzeniu oraz temperatury rdzenia i uzwojeń. Użyteczność opracowanych modeli zapewniają autorskie algorytmy estymacji wartości parametrów tych modeli, bazujące na danych podawanych przez producentów rdzeni ferromagnetycznych oraz parametrów geometrycznych uzwojeń. W ramach projektu opracowano również metodę wyznaczania wartości parametrów cieplnych dławika i transformatora. W celu wykazania praktycznej użyteczności opracowanych modeli do analizy przetwornic dc-dc, skonstruowano wybrane dławikowe i transformatorowe przetwornice dc-dc z różnymi rodzajami rdzeni w dławikach i transformatorach, a następnie obliczono i zmierzono charakterystyki skonstruowanych przetwornic w szerokim zakresie zmian prądu obciążenia oraz częstotliwości sygnału sterującego. Uzyskano dobrą zgodność obliczonych i zmierzonych charakterystyk. Uzyskiwane za pomocą klasycznej metody analizy stanów przejściowych charakterystyki przetwornic wymagają czasochłonnych obliczeń. Aby skrócić czas niezbędnych obliczeń opracowano uśredniony elektrotermiczny model dławika, umożliwiający wyznaczenie charakterystyk przetwornic w stanie ustalonym przy wykorzystaniu analizy stałoprądowej. Model ten uwzględnia nieliniowość charakterystyki dławika oraz zjawiska cieplne zachodzące w tym elemencie. Opracowane modele będą przydatne dla projektantów przetwornic dc-dc oraz będą mogły być wykorzystywane dla zilustrowania wpływu wybranych parametrów modeli elementów indukcyjnych na charakterystyki wybranych przetwornic dc-dc.