Universal continuous model of active power factor correctors

Abstract

The purpose of the work is to develop continuous mathematical models of power factor correctors for switch-mode power supplies. The models are designed to solve optimization problems aimed at increasing the energy efficiency of these devices. This goal was achieved by developing a universal continuous averaged model of switch-mode voltage converters, which are an integral part of any active power factor corrector. State-space averaging method was proposed for constructing such a universal model. It has been shown that such a model adequately reproduces the processes in any of the main types of DC-DC voltage converters. The possibility of constructing a mathematical model of an active power factor corrector based on the proposed universal model of a DC-DC voltage converter is substantiated. The features of the structures of active power factor correctors for switching power supplies are considered and the problems that arise when studying their energy efficiency are shown. By simulation in the time domain with using the constructed model, diagrams of transients of the power factor corrector during load and primary network voltage disturbances are obtained. The most important result is the creation of a universal continuous mathematical model of switching voltage regulators. This model, unlike previously proposed models, is suitable for use in the analysis, modeling and design of any power factor correctors without the need to modify it in each specific case. The significance of the results obtained lies in accelerating the design process of active power factor correctors built on the basis of any type of pulsed DC-DC voltage converters. The developed model is intended for use in the Micro-Cap electronic circuit analysis program. However, since it is ultimately a software module in the SPICE language, this model can be used in many circuit analysis programs that support this language.

Scopul lucrării este elaborarea modelelor matematice continue ale corectoarelor de factor de putere pentru comutarea surselor de alimentare. Modelele sunt concepute pentru a rezolva probleme de optimizare care vizează creșterea eficienței energetice a acestor dispozitive. Acest obiectiv a fost atins prin crearea unui model matematic universal continuu de regulatoare de tensiune de comutare, care sunt parte integrantă a oricărui corector de factor de putere activ. Se propune o metodă pentru construirea unui astfel de model universal folosind metoda medierii în spațiul de stat. Se arată că un astfel de model reproduce în mod adecvat procesele în oricare dintre principalele tipuri de regulatoare de tensiune constantă de comutare. Cel mai important rezultat este crearea unui model matematic continuu universal al regulatoarelor de tensiune de comutare, care, spre deosebire de modelele propuse anterior, este potrivit pentru utilizarea în analiza, modelarea și proiectarea oricăror corectori ai factorilor de putere fără a fi necesară modificarea modelului în fiecare caz concret. Semnificația rezultatelor obținute constă în accelerarea procesului de proiectare a corectoarelor de factor de putere activă construite pe baza oricărui tip de regulatoare de tensiune constantă în comutație. Modelul elaborate este destinat utilizării în programul de modelare a circuitelor Micro-Cap. Cu toate acestea, deoarece este în cele din urmă un modul software în limbajul SPICE, acest model poate fi utilizat în multe programe de analiză a circuitelor care acceptă acest limbaj.

Целью работы является разработка непрерывных математических моделей корректоров коэффициента мощности импульсных источников электропитания. Модели предназначены для решения оптимизационных задач, направленных на повышение энергоэффективности этих устройств. Поставленная цель была достигнута за счет создания универсальной непрерывной математической модели импульсных регуляторов напряжения, являющихся составной частью любого активного корректора коэффициента мощности. Предложен способ построения такой универсальной модели с использованием метода усреднения в пространстве состояний. Показано, что такая модель адекватно воспроизводит процессы в любом из основных типов импульсных регуляторов постоянного напряжения. Показана возможность построения математической модели активного корректора коэффициента мощности на основе предложенной универсальной модели преобразователя постоянного напряжения. Рассмотрены особенности структур активных корректоров коэффициента мощности для импульсных источников питания и показаны проблемы, возникающие при исследовании их энергоэффективности. Рассмотрены особенности анализа режимов работы активных корректоров коэффициента мощности, построенных на основе различных типов импульсных регуляторов постоянного напряжения. Продемонстрированы способы коррекции системы автоматического регулирования, входящей в состав корректоров коэффициента мощности. Для одного из типов корректоров приведены частотные характеристики тракта регулирования тока и зависимость значения коэффициента мощности от внешних параметров. Получены временные диаграммы переходных процессов корректора при возмущении нагрузки и напряжения первичной сети. Наиболее важным результатом является создание универсальной непрерывной математической модели импульсных регуляторов напряжения, которая в отличие ранее предложенных моделей пригодна для использования при анализе, моделировании и проектировании любых корректоров коэффициента мощности без необходимости доработки модели в каждом конкретном случае. Значимость полученных результатов состоит в ускорении процесса проектирования активных корректоров коэффициента мощности, построенных на основе любого типа импульсных регуляторов постоянного напряжения. Разработанная модель предназначена для использования в программе схемотехнического моделирования Micro-Cap. Однако, поскольку она в конечном итоге представляет собой программный модуль на языке SPICE, то эту модель можно использовать во многих программах схемотехнического анализа, поддерживающих этот язык.