電力変換器のブラックボックスモデル

電力コンバータのブラックボックスモデルは動作モデルとも呼ばれ、ブラックボックスと見なされる電力コンバータの特性を表すシステム識別方法です。電力コンバータのブラックボックスモデルには 2 つのタイプがあります。モデルに負荷が含まれている場合は終端モデルと呼ばれ、そうでない場合は非終端モデルと呼ばれます。電力コンバータのブラックボックスモデルのタイプは、モデリングの目的に基づいて選択されます。この電力コンバータのブラックボックスモデルは、電力コンバータと統合されたシステムのフィルター設計のツールになります。

電力コンバータのブラックボックスモデルを正常に実装するには、コンバータの等価回路が事前に想定され、この等価回路はさまざまな動作条件下で一定のままであると想定されます。ブラックボックスモデルの等価回路は、電力コンバータの刺激/応答を測定することによって構築されます。

電力コンバータのさまざまなモデリング方法は、さまざまな状況で適用できます。電力コンバータのホワイトボックスモデルは、すべての内部コンポーネントがわかっている場合に適していますが、電力コンバータの複雑な性質のため、これは非常に難しい場合があります。グレーボックスモデルは、コンポーネントの一部がわかっている場合、または物理要素と等価回路の関係が調査されている場合に、ブラックボックスモデルとホワイトボックスモデルの両方の機能を組み合わせたものです。

予測

電力変換器は電力半導体デバイススイッチで構成されているため、非線形で時間変動のシステムです。^{[1]電力変換器のブラックボックスモデルの1つの仮定は、フィルタが飽和と非線形効果を回避するように適切に設計されている場合、システムは}線形システムと見なされることです。モデリング手順に関連するもう1つの強力な仮定は、等価回路モデルが異なる動作条件下で不変であることです。モデリング手順では、回路コンポーネントがさまざまな動作条件下で決定されるためです。

等価回路

電力コンバータのブラックボックスモデルの表現は、想定される等価回路モデル (周波数領域) であり、システムの回路に簡単に統合できるため、フィルタ設計、制御システム設計、パルス幅変調設計のプロセスが容易になります。一般に、等価回路には主に、電圧/電流源などの能動コンポーネントとインピーダンスなどの受動コンポーネントの 2 つの部分が含まれます。ブラックボックスモデリングのプロセスは、実際にはコンバータのこの等価回路を決定するためのアプローチです。

アクティブコンポーネント

等価回路のアクティブコンポーネントは電圧/電流源です。通常は少なくとも 2 つのソースがあり、分析アプローチに応じて、2 つの電圧源、2 つの電流源、1 つの電圧源と 1 つの電流源など、さまざまなオプションがあります。

受動部品

抵抗器、コンデンサ、インダクタなどの受動部品は、複数のインピーダンスまたはアドミタンスの組み合わせとして表現できます。別の表現方法は、電力変換器の受動部品を2ポートネットワークと見なし、YマトリックスまたはZマトリックスを使用して受動部品の特性を記述することです。

モデリング方法

等価回路を定義するために、さまざまなモデリング手法を利用できます。これは、選択した等価回路とオプションの測定手法によって異なります。ただし、多くのモデリング手法では、システムを線形時間不変システムまたは周期的に切り替わる線形システムと見なすために、上記の少なくとも 1 つ以上の仮定が必要です。

モデリング方法の一例

この方法は、「仮定」のセクションで説明した 2 つの仮定に基づいているため、システムは線形時間不変システムとみなされます。これらの仮定に基づいて、異なる動作条件のいくつかの方程式から等価回路を導くことができます。等価回路モデルは、3 つのインピーダンスと 2 つの電流源を含んで定義され、5 つの未知のパラメータを決定する必要があります。外部インピーダンスを変更することで 3 セットの異なる動作条件が構築され、電力変換器の端子での対応する電流と電圧が既知のパラメータとして測定またはシミュレートされます。各条件では、キルヒホッフの回路法則とノード解析に従って、5 つの未知の変数を含む 2 つの方程式を導くことができます。合計で 6 つの方程式を使用してこれら 5 つの未知数を解決し、等価回路をこのように決定できます。

受動要素を決定する他の方法

受動素子を決定するために使用される方法は多数あります。従来の方法は、電力変換器をオフにしてインピーダンスアナライザでインピーダンスを測定するか、ベクトルネットワークアナライザで散乱パラメータを測定し、その後インピーダンスを計算することです。これらの従来の方法では、電力変換器のインピーダンスは動作状態とオフ状態で同じであると想定しています。

電力変換器が動作状態にあるときにインピーダンスを測定するために、多くの最先端の方法が研究されています。 1つの方法は、システムに2つのクランプオン電流プローブを配置することです。1つは受信プローブと呼ばれ、もう1つは注入プローブと呼ばれます。 ^[2] 2つのプローブの出力はベクトルネットワークアナライザに接続され、 CMおよびDM測定セットアップでいくつかの校正手順を実行した後、電力変換器のインピーダンスが測定されます。この方法は、繊細な校正手順によって制限されます。

もう一つの最先端の方法は、2つの異なるセットアップでトランスとインピーダンスアナライザを使用して、CMインピーダンスとDMインピーダンスを個別に測定することです。^[3]この方法の測定範囲は、トランスの特性によって制限されます。

参照

参考文献

^ Banerjee, Sounitro (2001).パワーエレクトロニクスにおける非線形現象: アトラクタ、分岐、カオス、非線形制御. John Wiley & Sons. p. 472. ISBN 978-0-780-35383-1。
^ Tarateeraseth, V.; Bo Hu ; Kye Yak See; Canavero, FG (2010 年 1 月)。「動作条件下での SMPS のノイズ源インピーダンスの正確な抽出」( PDF)。IEEE Transactions on Power Electronics。25 ( 1): 111–117。Bibcode : 2010ITPE...25..111T。doi :10.1109/TPEL.2009.2024675。hdl :10220/ 6219。S2CID 26273089 。
^ Mazzola, Enrico; Grassi, Flavia; Amaducci, Alessandro (2019). 「スイッチングモード電源のモーダルインピーダンスの新しい測定手順」. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility . 62 (4): 1349–1357. doi :10.1109/TEMC.2019.2941449. hdl : 11311/1156827 . S2CID 208829058.

[Banerjee--1] Banerjee, Sounitro (2001).パワーエレクトロニクスにおける非線形現象: アトラクタ、分岐、カオス、非線形制御. John Wiley & Sons. p. 472. ISBN 978-0-780-35383-1。

[Tarateeraseth-Jan-2010-2] ^ Tarateeraseth, V.; Bo Hu ; Kye Yak See; Canavero, FG (2010 年 1 月)。「動作条件下での SMPS のノイズ源インピーダンスの正確な抽出」( PDF)。IEEE Transactions on Power Electronics。25 ( 1): 111–117。Bibcode : 2010ITPE...25..111T。doi :10.1109/TPEL.2009.2024675。hdl :10220/ 6219。S2CID 26273089 。

[Mazzola-2019-3] Mazzola, Enrico; Grassi, Flavia; Amaducci, Alessandro (2019). 「スイッチングモード電源のモーダルインピーダンスの新しい測定手順」. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility . 62 (4): 1349–1357. doi :10.1109/TEMC.2019.2941449. hdl : 11311/1156827 . S2CID 208829058.