radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2023-26-1-26-43radioelectronics-710Research ArticleПРОЕКТИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВENGINEERING DESIGN AND TECHNOLOGIES OF RADIO ELECTRONIC FACILITIESИсследование компенсационных методов регулирования параметров ключевых преобразователей напряженияCompensation Methods for Regulating Parameters of Switch Voltage Convertershttps://orcid.org/0000-0002-3418-6953АлександровВ. А.AlexandrovV. A.

Александров Владимир Александрович – доктор технических наук (2017), старший научный сотрудник (1994), начальник научно-исследовательской лаборатории 

пр. Чкаловский, д. 46, Санкт-Петербург, 197376

Vladimir A. Alexandrov, Dr Sci. (Eng.) (2017), Senior Researcher (1994), Head of Research Laboratory

46, Chkalovskii Pr., St Petersburg 197376

info@niibriz.ruКалашниковС. А.KalashnikovS. A.

Калашников Сергей Александрович – старший научный сотрудник научно-исследовательского сектора, аспирант базовой кафедры 

пр. Чкаловский, д. 46, Санкт-Петербург, 197376

Sergey A. Kalashnikov, Senior Researcher of Research sector, Postgraduate Student at the Basic Department

46, Chkalovskii Pr., St Petersburg 197376

KalashnikovSA@inbox.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3328-0219МарковаЛ. В.MarkovaL. V.

Маркова Любовь Васильевна – инженер 1-й категории АО «Концерн "Океанприбор"», аспирант кафедры радиосвязи и вещания Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича 

пр. Чкаловский, д. 46, Санкт-Петербург, 197376

Lyubov V. Markova, Engineer of the 1st category; Postgraduate Student at the Department of Radio Communications and Broadcasting of the St. Petersburg State University of Telecommunications named after Prof. M. A. Bonch-Bruevich

46, Chkalovskii Pr., St Petersburg 197376

ljubvblinva@mail.ruАО «Концерн "Океанприбор"»РоссияJSC Concern OkeanpriborRussian Federation2023070320232612643Copyright © Александров В.А., Калашников С.А., Маркова Л.В., 20232023Александров В.А., Калашников С.А., Маркова Л.В.Alexandrov V.A., Kalashnikov S.A., Markova L.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/710Введение

Введение. Изучение особенностей введения отрицательной обратной связи в системах импульсного регулирования параметров потока электроэнергии с широтно-импульсной модуляцией всегда вызывало особый интерес разработчиков ключевых усилителей мощности (КУМ) и преобразователей напряжения (КПН). Оценка потенциала компенсационных методов является актуальной задачей при выборе направлений реализации устройств силовой электроники различного назначения.

Цель работы

Цель работы. Обзор компенсационных методов регулирования параметров и исследование условий устойчивости работы КПН с обратной связью по выходному напряжению и току.

Материалы и методы

Материалы и методы. В работе использованы основы теории импульсных систем автоматического регулирования, дополненные методом гармонической линеаризации с оценкой устойчивости по критериям Найквиста и методикой формирующего фильтра с применением метода кратных частот.

Результаты

Результаты. Проведен анализ условий устойчивости работы, предложены аналитические зависимости и графическое представление величин предельной обратной связи от параметров модуляции и схемы ключевого преобразования.

Заключение

Заключение. Проведенное исследование глубины обратной связи в ключевых регуляторах напряжения, ограниченной проникновением высокочастотных составляющих в тракт формирования широтномодулированного сигнала и его задержкой, обусловленные особенностями работы оконечного каскада КУМ, демонстрирует, что предельное значение глубины обратной связи по напряжению при типовых параметрах схемы не превышает 12 дБ, тогда как глубина обратной связи по току дросселя фильтра нижних частот может быть принципиально (более чем на 20 дБ) выше. При этом реализация режимов стабилизации напряжения и ограничения выходного тока для обеспечения надежной работы в пусковых режимах и режимах перегрузки возможна только при применении комбинированной обратной связи.

Introduction

Introduction. Approaches to the introduction of negative feedback in pulse control systems regulating the parameters of electricity flow with pulse-width modulation (PWM) continue to attract research attention in the field of switch power amplifiers (SPA) and switch voltage converters (SVC). Evaluation of the potential of compensation methods is of importance when selecting power electronics devices for various purposes.

Aim

Aim. To review compensation methods for parameter regulation and to investigate conditions for the operational stability of SVC with feedback on output voltage and current.

Materials and methods

Materials and methods. The research methodology included the theory of pulsed automatic control systems, the method of harmonic linearization with stability assessment according to Nyquist criteria, and the generating filter method based on multiple frequencies.

Results

Results. An analysis of operational stability conditions was carried out.  Analytical dependences and graphical representation of the limit feedback values from the modulation parameters and the switch transformation scheme were proposed.

Conclusion

Conclusion. The conducted study of the feedback depth in SVC, limited by the penetration of high-frequency components into the path of a width-modulated signal and its delay, due to the peculiarities of the terminal stage of the SPA, demonstrates that the limit value of the voltage feedback depth at typical circuit parameters does not exceed 12 dB, while the depth of the current feedback of the filter choke of the low frequencies can be fundamentally (more than 20 dB) higher. At the same time, the implementation of voltage stabilization and output current limitation modes for maintaining reliable operation in start-up and overload modes is possible only with the use of combined feedback.

широтно-импульсная модуляцияобратная связьпреобразователь напряженияключевой усилитель мощностиpulse-width modulationfeedbackvoltage converterswitch power amplifierРабота выполнена по заказу Министерства промышленности и торговли Российской Федерации (проект по ОКР "Сота"). Выражаем признательность специалистам НИЛ-56 К. В. Игнатьеву и Ю. В. Казакову за участие в совместных исследованиях, а также проф. д. т. н. К. К. Никитину за ряд критических замечаний в рамках подготовки настоящих материалов.The work was carried out with the financial support of the Ministry of Industry and Trade of the Russian Federation (OKR "Sota" project). We express our gratitude to the specialists of NIL-56 K. V. Ignatiev and Yu. V. Kazakov for participation in joint research, and to Professor K. K. Nikitin for critical remarks in the preparation of these materials.ReferencesАлексанян А. А., Никитин К. К., Плюснин В. Н. Устойчивость усилителей класса D // Изв. вузов СССР. Радиоэлектроника. 1981. Т. 24. С. 87–88.Aleksanyan A. A., Nikitin K. K., Plyusnin V. N. Stability of Class D Amplifiers. News of Universities of the USSR. Radioelectronics. 1981, vol. 24, pp. 87–88. (In Russ.)A class D switching power amplifier with high efficiency and wide bandwidth by dual feedback loops / J. H. Jeong, H. H. Seong, J. H. Yi, G. H. Cho // Proc., of Intern. Conf. on Consumer Electronics. Rosemont, IL, USA. 1995. P. 428–429. doi: 10.1109/ICCE.1995.518049Jeong J. H., Seong H. H., Yi J. H., Cho G. H. A Class D Switching Power Amplifier with High Efficiency and Wide Bandwidth by Dual Feedback Loops. Proc. of Intern. Conf. on Consumer Electronics, Rosemont, IL, USA. 1995, pp. 428–429. doi: 10.1109/ICCE.1995.518049Артым А. Д., Филин В. А. Эквивалентные частотные характеристики усилителя в режиме класса D с отрицательной ОС // Радиотехника. 1981. № 9. С. 44–46.Artym A. D., Filin V. A. Equivalent Frequency Characteristics of an Amplifier in Class D Mode with Negative Feedback. Radio Engineering. 1981, no. 9, pp. 44–46. (In Russ.)Бесекерский В. А., Попов Е. П. Теория систем автоматического регулирования. М: Наука, 1975. 768 с.Besekerskii V. A., Popov E. P. Teoriya sistem avtomaticheskogo regulirovaniya [Theory of Automatic Control Systems]. Moscow, Nauka, 1975, 768 p. (In Russ.)Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Радио и связь. 1986. 460 c.Gonorovskii I. S. Radiotekhnicheskie tsepi i signaly [Radio Circuits and Signals]. Moscow, Radio and Communications, 1986, 460 p. (In Russ.)Александров В. А., Маркова Л. В., Смирнов В. А., Казаков Ю. В. Анализ результатов разработки энергетически эффективных широкополосных гидроакустических передающих устройств для звукоподводной связи // Гидроакустика. 2017. № 4(32). С. 56‒64.Aleksandrov V. A., Markova L. V., Smirnov V. A., Kazakov Y. V. Analysis of Results of Development of Energy Effecient Broadband Hydroacoustic Transmitting Devices for Sound Underwater Communications. Hydroacoustics. 2017, no. 32 (4), pp. 56‒64. (In Russ.)Алексанян А. А., Галахов В. А., Перликов А. М. Расчет длительностей импульсных процессов в усилителях с адаптивной широтно-импульсной модуляцией // Изв. вузов СССР. Радиоэлектроника. 1979. № 9. С. 48–51.Aleksanyan A. A., Galakhov V. A., Pershikov A. M. Calculation of Pulse Process Durations in Amplifiers with Adaptive Pulse Width Modulation. News of Universities of the USSR. Radioelectronics. 1979, no. 9, pp. 48–51. (In Russ.)Полов К. П. К исследованию устойчивости усилителя в режиме D с обратной связью // Радиотехника. 1974. № 1. С. 79–82.Polov K. P. To The Study of the Stability of the Amplifier in the D Mode with Feedback. Radio Engineering. 1974, no. 1, pp. 79–82. (In Russ.)Suciu I., Ogrutan P. L., Pana G. Comparison between the current feedback amplifier and the modern voltage feedback amplifier. IEEE 21st Intern. Symp. for Design and Technology in Electronic Packaging. Piscataway: IEEE, 2015. P. 249–252. doi: 10.1109/SIITME.2015.7342334Suciu I., Ogrutan P. L., Pana G. Comparison Between the Current Feedback Amplifier and the Modern Voltage Feedback Amplifier. IEEE 21st Intern. Symp. for Design and Technology in Electronic Packaging. Piscataway, IEEE, 2015, pp. 249–252. doi: 10.1109/SIITME.2015.7342334Александров В. А., Алексанян А. А., Галахов В. А. Устойчивость усилителей с широтно-импульсной модуляцией // Развитие и внедрение новой техники радиоприемных устройств: тр. Всерос. науч.-тех. конф. М.: Радио и связь, 1985. С. 97.Alexandrov V. A., Aleksanyan A. A., Galakhov V. A. Stability of Amplifyiers with Pulse-Width Modulation. Development and Introduction of New Technology of Radio Receiving Devices. Proc. of the AllRussian Scientific and Technical Conf. Moscow, Radio i Svyaz', 1985, p. 97. (In Russ.)Александров В. А., Казаков Ю. В., Киселев П. А. Способ динамического ограничения выходного тока усилителя класса D // Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики: тр. 12-й Всерос. конф. СПб.: Наука, 2014. С. 121–123.Alexandrov V. A., Kazakov Yu. V., Kiselev P. A. Method of Dynamic Limitation of the Output Current of a Class D Amplifier. Applied Technologies of Hydroacoustics and Hydrophysics. Proc. of 12th All-Russian Conf. St Petersburg, Nauka, 2014, pp. 121–123. (In Russ.)Форсайт Дж., Малкольм М., Моулер К. Машинные методы математических вычислений / пер. с англ. Х. Д. Икрамовой. М.: Мир, 1980. 280 с.Foresight J., Malcolm M., Moler C. Computer Methods for Mathematical Computations. Transl. by H. D. Ikramova. Moscow, Mir, 1980, 280 p. (In Russ.)Игнатьев. К. В., Казаков Ю. В., Маркова Л. В. Особенности применения обратной связи в ключевых усилителях с широтно-импульсной модуляцией // Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики: Тр. XIV Всерос. конф. СПб.: ЛЕМА, 2018. С. 131–133 Conf. on Consumer Electronics, Rosemont, IL, USA. 1995, pp. 428–429. doi: 10.1109/ICCE.1995.518049Ignatiev K. V., Kazakov Yu. V., Markova L. V. Features of Use of Feedback Key Amplifiers with PulseWidth Modulation. Advanced Technologies of Hydroacoustics and Hydrophysics. Proc. of the XIV All-Russian Conf. SPb., LEMA, 2018, pp. 131–133. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.