Исследование устройств преобразовательной техники на кондуктивную помехоэмиссию с использованием LTSpice

Продолжение. Начало в №1’2013

В данной работе, посвященной исследованию влияния используемых схем замещения элементов силовой структуры на результаты моделирования в частотной области, в качестве критерия адекватности моделирования используется сопоставление результатов моделирования с результатами испытаний натурного макета преобразователя с аналогичными параметрами.

Объектом исследования выбран непосредственный повышающий преобразователь напряжения (рис. 1). Принцип его работы заключается в том, что при открытом транзисторе VT1 происходит накопление энергии в дросселе L1. При этом нагрузка питается энергией, ранее накопленной в конденсаторе С1. При закрытом транзисторе энергия, накопленная в L1, передается на заряд конденсатора и нагрузку через диод VD1.

Рис. 1. Схема преобразователя

В моделирующем программном обеспечении LTSpice возможно использовать разнообразные схемы замещения элементов за счет задания реальных и нулевых параметров в перечне параметров схемы замещения элемента. При этом задание частичных параметров схемы позволяет получить различные схемы замещения.

Существуют различные схемы замещения MOSFET. На рис. 2 приведены наиболее распространенные в литературе варианты [1–3].

Рис. 2. Варианты схемы замещения MOSFET

При моделировании силового преобразователя в LTSpice по умолчанию используется похожая схема замещения MOSFET с параметрами, приведенными в табл. 1 (ряд параметров изначально нулевые). Аналогично в таблице 2 приведены параметры, учитываемые в LTSpice для сопротивлений, индуктивностей, конденсаторов и силовых диодов.

Как видно, список параметров электронных компонентов довольно объемный, однако это не может гарантировать точности моделирования в частотной области, так как большинство параметров по умолчанию нулевые, хотя для временной области этих параметров более чем достаточно. Это подтверждается экспериментальными данными, приведенными на рис. 3–5. На рис. 5 приведены расчетная спектрограмма кондуктивных помех исследуемого преобразователя при использовании базовых схем замещения и спектрограмма, полученная при экспериментальном исследовании аналогичного преобразователя в соответствии с методиками ГОСТ; на рис. 3, 4 показаны расчетные и экспериментальные временные характеристики тока дросселя исследуемого преобразователя. Действующие и мгновенные значения тока дросселя отличаются не более чем на 10%, что является допустимым для инженерных расчетов, а полученный спектр помех расходится более чем на 50 дБ по отношению к экспериментальным данным и совпадает лишь в небольшом диапазоне частот 300 кГц…1 МГц.

Рис. 3. Осциллограмма тока дросселя (модель)

Рис. 4. Осциллограмма тока дросселя (макет)

Рис. 5. Сравнительная спектрограмма кондуктивных помех

Согласно ГОСТ, для исключения влияния реактивных параметров источника электропитания при проведении экспериментов по электромагнитной эмиссии необходимо согласовывать измерительную цепь приборов с питающей сетью. Для этого в измерительный комплекс вместе с селективным микровольтметром включен так называемый «эквивалент сети» с частотным диапазоном 10 кГц…0 МГц и коэффициентом калибровки 10±2,5 дБ, который решает вышеуказанные задачи. В связи с этим при моделировании также необходимо согласовывать питающую сеть по измерительному импедансу. Для этого в структурную схему модели необходимо вводить эквивалент сети (в соответствии с ГОСТ Р 51318.15-99 и ГОСТ Р 51319-99), который будет задавать измерительный импеданс питающей сети. На рис. 6 приведены схема испытаний и структурная схема эквивалента сети.

Рис. 6. Схема измерения с эквивалентом сети
(1 — источник питания, 2 — эквивалент сети, 3 — преобразователь,
4 — нагрузка, 5 — селективный микровольтметр, 6 — осциллограф)

Помимо эквивалента сети, было решено добавить параметры эквивалентных схем дросселя, конденсаторов и резистора: L_R, C_R, L_c, R_c, R_cp, C_l, R_l,R_lp. Результаты расчетов с измененными параметрами приведены на сравнительной спектрограмме (рис. 7).

Рис. 7. Сравнительная спектрограмма кондуктивных помех

Как видно на рисунке, после ввода более полных параметров элементов в модель преобразователя удалось получить совпадение спектра частот 50 кГц…1 МГц. Однако для полноценного сравнения спектров такого диапазона недостаточно, поэтому решено внести синфазные емкости монтажных цепей C_cm. Полученная в результате добавления указанных емкостей расчетная спектрограмма представлена на рис. 8.

Рис. 8. Hасчетная спектрограмма кондуктивных помех

Она позволяет сделать вывод о сходимости результатов в диапазоне 50 кГц…30 МГц с погрешностью в 2–4 дБ, однако есть точка 3 МГц, в которой результат не совпадает на 9 дБ, что объясняется неучтенными резонансными/паразитными контурами соединительных проводов и конструктивными элементами.

На основании проведенных расчетов с помощью программного пакета LTSpice и сопоставления полученных результатов с результатами натурных экспериментов можно сказать, что данный программный продукт и использование полных схем замещения всех элементов цепей позволяют моделировать кондуктивную помехоэмиссию преобразовательных устройств с высокой степенью достоверности. Такой подход позволяет исключить дополнительные затраты, связанные с обеспечением электромагнитной совместимости разрабатываемых устройств.

Сборник материалов по LTSpice