Adaptive models of the four-switch buck-boost converter

Abstract

EN: Purpose. development of an economic adaptive model for the power stage of a four-switches buck-boost converter (FSBB) together with a control system that adequately simulates all modes of its operation. Methodology.The main research method is mathematical modeling; empirical formulas are used to calculate the model parameters; a behavioral programming approach is used for the structural synthesis of the converter model. Findings. The prospects for using a FSBB converter in energy conversion systems where the input and output voltages vary relative to each other are shown. The advantages of using computer-aided design (ECAD) programs for modeling converters together with control systems as multi-domain systems are identified.Approaches to modeling converters together with control systems are analyzed and limitations of using models based on "state space averaging" for studying electromagnetic characteristics and temperature management in the power stage of the converter are indicated. A method for forming a dynamic FSBB model forECAD program Micro-Cap12based on simulating the behavior of power switches over time and replacing them with programmable resistors is proposed. To control the rigidity of the model and accelerate the simulation, optimal values of the resistances of these resistors are obtained.A converter model was developed for the PSIM program too and a comparative analysis of modeling and simulation quality indicators in the Micro-Cap and PSIM programs was conducted.Recommendations for the fields of use of the developed models have been formed. Originality. The scientific novelty of the work lies in the way of presenting an economical Spice-compatible dynamic model of FSBB, in which the power stage and the control system are integrated through the use of behavioral models for power switches. In these behavioral elements, the switching conditions are programmed by comparing the carrier signal with the reference of the PWM control subsystem; both signals are normalized and the reference is proportional to the duty cycle. By dynamically redefining the duty cycle parameter, the model is adapted for any converter mode (buck, boost, and transition), which makes it universal.A simple converter model was also developed together with a control system for the PSIM program, which makes it possible not only to analyze electromagnetic characteristics, but also to importto SmartControl the necessary transfer functions for optimal controller synthesis. Practical value.The proposed models allow analyzing dynamic processes in the FSBBconverter, optimally combining such contradictory indicators of simulation quality as accuracy and efficiency.The model for Micro-Cap allows to adequately simulate the transient processes of the power stage of the converter, since it is obtained without prior linearization and averaging, in addition, it can be supplemented with temperature coefficients, this option is absent for the PSIM model. The PSIM model makes it possible to obtain a transfer function for the synthesis of the control system. UK: Мета роботи. розробка економічної адаптивної моделі силового каскаду чотириключового перетворювача знижувально-підвищувального типу (FSBB) разом із системою керування, яка адекватно моделює всі режими його роботи. Методи дослідження. Основним методом дослідження є математичне моделювання; для розрахунку параметрів моделі використані емпіричні формули; для структурного синтезу моделі конвертера застосовано підхід поведінкового програмування. Отримані результати. Показано перспективи використання FSBB конвертера в системах перетворення енергії, де вхідна та вихідна напруга варіюються відносно одна одної. Визначені переваги використання програм автоматизованого проектування (ECAD) для моделювання перетворювачів разом із системами керування як багатодоменних систем. Підходи до моделювання конвертерів спільно із системами керування проаналізовані та зазначені обмеження використання моделей на базі "усереднення простору станів" для дослідження електромагнітних характеристик та температурного менеджменту в силовій ступені перетворювача. Запропоновано метод формування динамічної моделі FSBB для ECAD програми Micro-Cap12 на основі імітації поведінки силових ключів в часі та заміни їх програмованими резисторами. Для контролю жорсткості моделі та прискорення симуляції отримано оптимальні занчення опорів цих резисторів. Розроблено також модель конвертера для програми PSIM і проведено порівняльний аналіз показників якості моделінгу та симуляції в програмах Micro-Cap та PSIM. Сформовані рекомендації по галузям використання розроблених моделей. Наукова новизна. Наукова новизна роботи полягає в способі представлення економічної Spice-сумісної динамічної моделі FSBB, в якій інтегруються силова ступінь та система керування завдяки використанню поведінкових моделей для силових ключів. В цих поведінкових елементах запрограмовані умови комутації шляхом порівняння несучого сигнала із референсним контролюючої підсистеми ШІМ; обидва сигнали нормовані і референсний пропорційний до показника dutycycle. Шляхом динамічного перевизначення параметра dutycycle, модель адаптується для будь-якого режиму конвертера (знижувального, підвищувального і транзитного), що робить її універсальною. Розроблено також просту модель конвертера спільно із системою керування для програми PSIM, яка дає можливості не тільки аналізувати електромагнітні характеристики, але й імпортувати необхідні передаточні функції для оптимального синтезу контролерау Smart Control. Практична цінність. Обидві запропоновані моделі дозволяють аналізувати динамічні процеси в FSBB перетворювачі, оптимально поєднуючи такі суперечливі показники якості симуляції, як точність і економічність.Модель для Micro-Cap12 дозволяє адекватно симулювати перехідні процеси силової ступені конвертера, оскільки її отримано без попередньої лінеаризації та усереднення, крім того вона може бути доповнена температурними коефіцієнтами, ця опція відсутня для моделі PSIM. Модель PSIM дає можливість отримання передаточної функції для синтезу системи керування.