Эквивалентные частотные характеристики транзисторных ключевых устройств с отрицательной обратной связью : математическое моделирование, методика измерения и оптимизации

• Автор: Смирнов, Василий Сергеевич
• Шифр специальности: 05.12.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 266 с. : ил.

1 СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ПРОЦЕССОВ В КЛЮЧЕВЫХ УСТРОЙСТВАХ С ООС
1.1 Специфика ключевых устройств с ООС
1.2 Классификация методов анализа устойчивости ключевых
устройств с ООС
1.3 Методы усреднения и линеаризации замкнутых ШИМсистем
1.3.1 Метод усреднения уравнений состояния
1.3.2 Метод эквивалентной замены импульсной части
1.3.3 Метод гармонического баланса и гармонической
линеаризации
1.4 Методы анализа устойчивости усилителей класса Э с
УЧЕТОМ НЕЛИНЕЙНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ПРОЦЕССОВ
1.4.1 Методы на основе разностных уравнений
1.4.2 Методы на основе уравнений «периодов»
1.4.3 Метод оценки сверху дополнительного фазового сдвига, вносимого блоком ШИМ
1.4.4 Метод гармонического баланса
1.5 Методы анализа устойчивости непрерывных нелинейных
СИСТЕМ
1.5.1 Второй метод Ляпунова
1.5.2 Критерий Попова
1.6 Методы линеаризации и анализа линейных дискретных
СИСТЕМ
1.7 Особенности анализа устойчивости ключевых устройств с
ООС ЧАСТОТНЫМИ МЕТОДАМИ
1.8 Выводы
2 РАЗВИТИЕ ЧИСЛЕННЫХ МЕТОДОВ АНАЛИЗА
ПРОЦЕССОВ В КЛЮЧЕВЫХ УСТРОЙСТВАХ С ООС
2.1 Общие положения
2.2 Моделирование процессов в ключевых устройствах
2.2.1 Кусочно-линейные модели элементов ключевых устройств
2.2.2 Зада чи, возникающие при моделировании клю чевых устройств с использованием кусочно-линейной аппроксимации
2.2.3 Требования, предъявляемые к численным методам, при моделировании ключевых устройств

2.3 Матричные системы дифференциальных уравнений
линейных цепей
2.3.1 Системы дифференциально-алгебраических уравнений
2.3.2 Системы дифференциальных уравнений в нормальной форме
2.4 Развитие методов численного решения систем линейных
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
2.4.1 Сравнительный анализ методов
2.4.2 Постановка задачи
2.4.3 Метод матричного ряда Тейлора
2.4.4 Метод матричных экспонент с последовательным
удвоением шага
2.4.5 Оценка вычислительных затрат
2.4.6 Применение комбинации методов матричного ряда Тейлора и матричных экспонент для моделирования ключевых устройств
2.4.7 Реализация алгоритмов в программе РАБТМЕЛМ
2.5 Выводы
3 РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДИКИ
КОМПЬЮТЕРНОГО РАСЧЕТА ЭКВИВАЛЕНТНЫХ
ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КЛЮЧЕВЫХ
УСТРОЙСТВ С ООС
3.1 Общие положения
3.2 Суть методики расчета эквивалентных частотных ХАРАКТЕРИСТИК
3.2.1 Подача сигнала возмущения
3.2.2 Расчет установившегося режима во временной области
3.2.3 Спектральный анализ сигналов и определение одной точки частотной характеристики
3.2.4 Расчет частотной характеристики в нескольких точках
3.3 Расчет эквивалентных частотных характеристик петлевого
УСИЛЕНИЯ МЕТОДОМ ЗАМКНУТОГО КОНТУРА
3.4 Выбор параметров расчета и оценка точности
3.4.1 Выбор интервала анализа и формы окна
3.4.2 Выбор числа точек (шага) на интервале анализа
3.4.3 Выбор амплитуды возмущения. Устойчивость в малом и в большом
3.4.4 Косвенный контроль верности расчета
3.5 Применение методики расчета эквивалентных частотных ХАРАКТЕРИСТИК
3.5.1 Особенности реализации в программе ЕАБТМЕАЫ
3.5.2 Эквивалентные частотные характеристики и анализ устойчивости усилителя класса
3.5.3 А нал из устой чивости ОС-ОС преобразователя
понижающего типа

3.5.4 Анализ устойчивости DC-DC преобразователя
повышающего типа
3.5.5 Анализ устойчивости ключевых систем с ШИМ при работе
на нерезистивную нагрузку
3.6 Выводы
4 РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КЛЮЧЕВЫХ УСТРОЙСТВ С ООС
4.1 Общие положения
4.2 Принципы функционирования автоматизированного ИЗМЕРИТЕЛЯ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК (ИЧХ)
4.2.1 Требования к аппаратной части ИЧХ
4.2.2 Программное обеспечение ИЧХ
4.2.3 Усреднение серии измерений и оценка погрешности
4.3 Особенности реализации автоматизированного измерителя
ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК (ИЧХ)
4.3.1 Аппаратная платформа разработанного ИЧХ
4.3.2 Программное обеспечение разработанного ИЧХ
4.3.3 Технические характеристики разработанного ИЧХ
4.4 Способы измерения частотных характеристик
4.4.1 Измерение частотных характеристик коэффициента
передачи по петле ООС (петлевого усиления)
4.4.2 Измерение частотных характеристик коэффициента
передачи вход-выход
4.4.3 Измерение частотных зависимостей модуля и фазы
входного сопротивления
4.4.4 Измерение частотных зависимостей модуля и фазы
выходного сопротивления
4.5 Экспериментальная проверка измерителя частотных
ХАРАКТЕРИСТИК И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ
4.5.1 Частотные характеристики петлевого усиления DC-DC преобразователя понижающего типа с известной
структурой
4.5.2 Частотные характеристики комплексного сопротивления пленочного и электролитического конденсаторов
4.5.3 Частотные характеристики промышленно выпускаемых преобразователей напряжения
4.6 Выводы
5 МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕТЛЕВОГО УСИЛЕНИЯ КЛЮЧЕВЫХ УСТРОЙСТВ С ШИМ-УПРАВЛЕНИЕМ
5.1 Общие положения

мирования и численного решения уравнений ключевых устройств. Применение известных программ схемотехнического моделирования общего назначения (Micro-Cap, PSPICE и др.), основанных на методах расчета процессов малым шагом, оказывается нецелесообразным для решения поставленной задачи из-за больших затрат машинного времени.
2.2 Моделирование процессов в ключевых устройствах
2.2.1 Кусочно-линейные модели элементов ключевых устройств
Современные ключевые транзисторы (MOSFET, IGBT) и диоды являются полупроводниковыми приборами со сложными процессами переключения, зависящими от тока управляющего сигнала, заряда, накопленного на нелинейных емкостях переходов и других факторов. Детальное моделирование процессов перехода ключевого элемента из одного состояния в другое требует использования громоздких и детализированных моделей, аппроксимации нелинейных зависимостей гладкими кривыми, применения итерационной процедуры расчета (например, метода Ньютона-Рафсона [14]) для каждой точки временного процесса, что неизбежно приводит к существенному росту вычислительных затрат.
Для анализа вопроса устойчивости ключевых систем допустимо использовать кусочно-линейную аппроксимацию характеристик ключевых элементов, представляя их в виде идеализированных ключей [11] с конечными сопротивлениями во включенном и выключенном состояниях (табл. 2.1). В этом случае задача моделирования сводится к анализу дискретно-непрерывных систем, которые являются линейными с постоянными коэффициентами на интервале от переключения до переключения, а в момент переключения происходит переход от одной линейной системы к другой. Для таких кусочно-линейных моделей ключевых устройств появляется возможность использования более быстрых методов численного моделирования, разработанных специально для линейных цепей.