автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Оптимизация параметров бортовых устройств вторичного электропитания с широтно-импульской модуляцией

МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОННОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ

На правах рукописи УДК 621. 396. й. 001. гч

Сергей Евгеньевич винниЧЕНКО

ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ БОРТОВЫХ УСТРОЙСТВ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ С ИИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ ИОДУЛЯЦИЕИ

Специальность: 03. 12.17 - Радиотехнические и телевизионные

системы и устройства.

Автореферат диссертации на соис.ание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1992

Работа выполнена на кафедре "Радиотехнические устройства и системы" Носковского института электронного машиностроения.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор, , член-корреспондент лрн РФ КоФанов О. Н.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ведущее предприятие: НИИ Радиоконпонентов

зашита состоится " 9 " Февраля 1993 г. в 16 часов на заседании специализированного совета ко&з.68.04 Московского института электронного машиностроения по адресу: 109036, Носква. Б. Вузовский пер., д. 3/12.

С диссертацией нежно ознакомиться в библиотеке ниэм.

зарудный д. и.

кандидат технических наук Орлов г. А.

Автореферат разослан ?- 1992г.

Ученый секретарь специализированного совета,

к. т. н.. доцент

Н. Н. Грачев

- 5 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работа. Однин из основных направлений развития современной радиоэлектронной аппаратуры является ее микроминиатюризация. Особенно актуальна эта задача для бортовых радиотехнических систеи (РТС), имевших жесткий дефицит объема, в последнее время наметилось существенное отставание темпов миниатюризации устройств вторичного электропитания (УВЭП> бортовых РТС, доля которых в обшем обьене возросла за 10 лет с 10...аок. до 25... 60*, Поэтому повышение удельной мощности бортовых УВЭП -показателя, характеризующего количество отдаваемой потребителю мощности, приходящейся на единицу обьена конструкции - является на сегодняшний день одной из наиболее актуальных задач.

В настоящее время опубликован ряд разработок бортовых УВЭП. предложенных авторами ( Гулякович. опадчий. Конев. Каретникова. Кураиов. Найвельт) в качестве унифицированных рядов, однако они не получили широкого распространения при проектировании бортовых РТС в силу того, что:

-применение для заданных требований ближайших унифицированных (по функционально-узловону, конструктивному и другим признакам ) решений приводит к избыточности массы и обьема. что недопустимо для бортовых РТС;

- часто требуется большое число сочетания выходных напряжений (например, -5, -15В. или +12. +3. -ЧОВ и т.д.) и токов, многоканальных бортовых УВЭП. и реализация таких УЮП с помощью унифицированных решений приводит к схемной избыточности.

Поэтому в тех случаях, когда невозможно использовать уиифи-пированные решения, задача оптимизации параметров УЮП по критерию удельной мощности при соблюдении требований к функциональным характеристикам должна решаться индивидуально для каждого проектируемого изделия.

среди широкого многообразия существующих в настояшее время схем импульсных устройств вторичного электропитания доминиргаяее положение занимают УВЭП. выполненные на принципе стабилизации выходного напряжения пгген шкротно-иняульсной модуляции (ВИН) последовательности пряноуголышх импульсов, управлявших работой ключевого регулирующего элемента, простота построения регулятора ширины импульсов, большое число практически отработанных схем и богатая теоретический материал, изложенный в работах Конева. Ие-левина. ' Букреева и др.. привели к тому, что более 90* выпуска?-

ных в стране УЮП основаны на шим-стабилизации. а потону задача повышения удельной мощности наиболее актуальна именно для этого класса УВЭП.

Повышение удельной мощности энергонасыщенных устройств неминуемо приводит к ужесточению теплового режима конструкции, в особенности тех эленентов, которые выделяют наибольшую электрическую мощность. Это определяет, с одной стороны, снижение надежности УВЭП, а с другой - температурный уход параметров этих элементов и, как следствие, изменение выходных характеристик. Поэтому проектирование таких устройств, в том числе и УЮП с ШИН, должно вестись обязательно с учетом влияния теплового режима каждого элемента на надежность и функциональные характеристики. Такой учет может быть реализован путем разработки комплексной электротепловой модели бортовых УВЭП с шин, которая позволяет рассчитывать электрические и тепловые характеристики во взаимосвязи, причем параметрами модели являются параметры функциональной схемы. Оптимизация такой модели позволяет получить значения ларанетров. при которых выполняются требования к функциональным характеристикам, и удельная мощность наксимальна.

Специфика ранних этапов проектирования, заключающаяся в ми-нимуне исходной информации и относительно невысоких. требованиях к точности расчетов (25-ЗОХ). с одной стороны, и необходимость использования модели как инструмента оптимизации, предполагающая нногократный ее расчет, с другой стороны, делают невозможным использование существующих тепловых моделей бортовых УЮП, так как они либо не позволяют рассчитать температуры элементов силовой части, ограничиваясь среднеинтегральной температурой , либо требуют слишком много времени (нинуты) на однократный расчет . Кроме того, наличие или отсутствие прототипа проектируемого УВЭП ножет соответственно повышать или снижать требования к точности теплового анализа эскиза конструкции. А потому актуальной является задача разработки тепловой макромодели УЮП. обеспечивающей задаваемую точность при минимально возможной размерности. '

Наконеп. для ранних этапов проектирования требуется решить задачу разработки функциональной схены бортовых УВЭП с ШНН на основе оптимизации параметров комплексной электротепловой макромодели. так как получаемая при этом информация о режинах элементов и чувствительности характеристик УВЭП позволит повысить эффективность дальнейших этапов детальной проработки схемы и конструкции. Поэтому разработанные математические модели и метод

должны быть реализованы в форме законченного программного продукта и сопровождаться нетоднкой проведения ранних этапов проектирования.

Цель работа. В работе поставлена цель разработать метод оптимизации параметров УВЭП с широтно-импульсной модуляиией ло ■ критерию максимальной удельной мощности при выполнении ограничений на выходные характеристики, электрические и тепловые режимы и параметры элементов с учетом взаимосвязи электрических и тепловых процессов в УВЭП.

Поставленная цель может быть достигнута при условии решения следующих задач:

1. Разработка метода расчета параметров бортовых УВЭП с применением оптимизации, включаюаая:

- разработку комплексной электротепловой макромодели, позволяющей рассчитать функциональные, режимные и тепловые характеристики УВЭП с учетон взаимосвязи электрических и тепловых процессов в схеме и конструкции;

- обоснование и выбор метода анализа комплексной макромодели с учетом ее особенностей: . •

- формализацию задачи, выбор численного метода и разработку алгоритма оптимизации параметров УВЭП, включашие разработку целевой Функции оптинизапии. разработку алгоритма расчета градиента пелевой Функции, разработку метопа расчета функций параметрической чувствительности (ФЧ) целевой Функции оптимизации, учитывающего комплексный и комбинированный характер модели разнородных процессов.

2. Разработка программного комплекса макромоделирования и оптимизации бортовых УВЭП в составе систены АСОНИКА. включавшая:

- определение состава и алгоритма функционирования программного комплекса (ПК) в составе подсистемы Асоникл-Э;

- разработку структуры внутренних данных, входной и выходной информации,-

- разработку программного обеспечения ПК:

- тестирование ПК.

3. Разработка методического обеспечения схемотехнического проектирования УВЭП, вклсчаюшая:

- методику расчета параметров-бортовых УВЭП с применением оптимизации:

- методику проектирования бортовых УВЭП с применением

систены лсоника.

4. Экспериментальная проверка ивнедрение результатов работы. включающая:

- проведение комплекса экспериментов для подтверждения адекватности конплексной электротепловой макромодели УВЭП:

- проведение экспериментов на печатных узлах для подтверждения эффективности алгоритма разбиения плоских конструктивных узлов <ПКУ) при тепловой анализе по методу конечных разностей с неравномерной сеткой;

- внедрение результатов диссертационной работы в практику проектирования УЮП на промышленных предриятиях и в учебный процесс ВУЗОВ.

Нетоды исследований. В процессе решения данной задачи в диссертационной работе использованы принципы системного подхода, аналитического и топологического моделирования, структурного программирования, аппараты теории цепей, теории параметрической чувствительности, численные нетоды оптимизации и решения систем линейных и нелинейных алгебраических уравнений.

Новые научные результаты. При решении задач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие новые научные результаты.

1. Разработан метод расчета параметров бортовых УЮП с применением оптимизации комплексной электротепловой макромодели, позволявший определять параметры элементов силовой части и функциональных узлов (ФУ) несиловой части УЮП. обеспечивающие заданные в техническом задании <ТЗ). на проектирование значения функциональных характеристик при соблюдении электрических и температурных требований ТУ на радиоэлементы силовой части УВЭП и материалы конструкции. В отличие от известных, метод позволяет учитывать взаимное влияние электрических и тепловых процессов в УВЭП, индивидуальный тепловой режим каждого' силового эленента. а рассчитываемые значения параметров соответствуют максимально возможному значению удельной мощности в пределах ограничений на характеристики и параметры.

2. В рамках предложенного метода разработана комплексная электротепловая макромодель бортовых УВЭП, позволяющая, в отличие от известных, до разработки полной принципиальной схемы рассчитать задаваемые в ГЗ на УВЭП функциональные характеристи-

ки. электрические и тепловые режимы радиоэлементов силовой части, среднеинтегральные температуры узлов несиловой части на основе значений параметров узлов функциональной схемы и эскиза

конструкции УВЭП.

3. В рамках комплексной Модели разработан алгоритм разбиения ПКУ неравномерной сеткой, результат которого, в отличие от известных, позволяет провести анализ теплового режима ПКУ с заданной погрешностью.

4. Разработана методика схемотехнического проектирования бортовых УВЭП, отличающаяся от известных:

- возможностью эффективной поузловой отработки электрических схем ФУ несиловой части на основе характеристик, значения которых определяются в процессе оптимизации параметров;

- возможностью параллельного решения вопросов схемной и конструктивной проработки увзп. обеспечения стабильности и безотказности за счет использования информации о режимах элементов и чувствительностях характеристик, получаемых в процессе оптимизации параметров.

Практическая ценность работы заключается в том. что разработанные в ней программный комплекс макромоделирования и оптимизации бортовых УВЭП в составе системы АСОНИКА в совокупности с методическим обеспечением схемотехнического проектирования позволяют:

- повысить удельную ноиность бортовых УВЭП за счет оптимизации их параметров на этапе технического ' предложения по критерию максимума этого показателя;

- сократить сроки и стоимость проектирования бортовых УВЭП за счет учета взаимовлияния электрических и тепловых процессов и их характеристик при расчете параметров УВЭП на этапе технического предложения, следствием чего является снижение числа доработок схемы и конструкции, а также параллельное выполнение ряда проектных операций.

Реализация и внедрение результатов работа, разработанные в диссертации метод, модели, алгоритмы, программные и методические средства использовались при выполнении хоздоговорных научно-исследовательских работ, проводимых сотрудникам! каФедры "Радиотехнические устройства и системы" Московского института электронного машиностроения.

Основные результаты диссертационной работа внедрены в прак-

' - 8 -

тику проектирования НПО "Система" и ник Радиоприборостроения, а также в учебный процесс Московского института электронного машиностроения, Запорожского машиностроительного института им. в. Я. Чубаря и Уральского политехнического института.

Апробация результатов работы. Работа в целом и ее отдельные результаты докладывались и обсуждались на 11 городских, республиканских и всесоюзных научно -технических конференциях, а также научно-технических семинарах кафедры "Радиотехнические устройства и системы" МИЭН.

Публикации. По основным результатам работы опубликовано 12 тезисов докладов, 3 статьи, материалы работы вошли в 1 отчет о НИР.

Структура диссертации. Диссертация состоит иэ введения, четырех глав с выводами, заключения, перечня использованной литературы и приложений, включающих в себя примеры расчетов с помощью программного комплекса макромоделирования, и оптимизации бортовых УВЭП и документации на него.

Консультации по работе осуществлялись к. т. н. Тунковским е..Р.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 проведен анализ технических требований к выходным характеристикам бортовых УВЭП. Рассматриваются УВЭП, выполненные по однотактной лрямоходовоя импульсной схеме, выходное напряжение которых стабилизировано за счет широтно-инпульсной модуляции последовательности прямоугольных импульсов, управляющих работой ключевого регулирующего элемента. Конструкция бортовых УВЭП представляет собой гибридный интегральный модуль (ГИН). состоящий из герметичного металлического корпуса.- внутри которого располагаются бескорпусные микросборки, печатные платы, а также отдельные силовые элементы, устанавливаемые непосредственно на корпусе. Показано, что на Фоне-ужесточения требований к функциональный характеристикам, таким как действующее значение пульсаций выходного напряжения, коэффициент полезного действия, стабильность выходного напряжения при изненении входного напряжения, тока нагрузки и температуры окружающей среды. -особую важность приобретает обеспечение высоких требований к

удельной 'мощности - показателе, характеризующему количество отдаваемой а нагрузку мощности, приходяшейся на единицу объена конструкции.

Значения удельной мощности и функциональных характеристик, задаваемые в ТЗ на проектирование, закладываются в УВЭП ухе на этапе технического предложения при расчете параметров функциональной схемы. На последуюптх этапах они получают конкретное схемное и конструктивное воплощение, очевидно, что оптимизация удельной мощности должна начинаться с выбора оптимальных параметров функциональной схема, поэтому этому этапу посвяшена основная часть диссертационной работ

Анализ электрических и тепловых процессов, протекающих в УВЭП, позволил выявить ряд важных особенностей.

1. Улучшение Функциональных характеристик УВЭП требует, как правило, дополнительного обьема конструкции для разрешения элементов или для дополнительного отвода тепла, что повышает обьем УВЭП в целом и. следовательно, снижает удельную мощность. Поэтому обеспечение жестких требований к Функциональным характеристикам и к удельной мощности - противоречивые между собой задачи.

г. Нногие внутренние параметры УБЗП. например, частота пре- • образования. емкость • конденсатора, индуктивность дросселя, коэффициент усиления УПГ и другие, оказывают влияние одновременно на несколько характеристик, в том числе, удельную мощность. Это обстоятельство сушественно усложняет расчеты на этапе технического предложения. Предлагаемые в работах Додика. Букреева, Конева и др. методики разработки функциональной схемы бортовых УВЭП предполагают расчет каждого параметра по одной, наиболее чувствительной к параметру характеристике, а влиянием его на другие пренебрегается. Поскольку такой подход и реализуюиие его программные средства не могут обеспечить удовлетворение всех требований к характеристикам, это приводит, с одной стороны, к многочисленным итерациям при проектировании, а с другой - к тому. что полученный УВЭП обладает далеко не оптимальными удельными показателями.

3. Тепловой режим конструкции бортовых УВЭП существенно неравномерен. Наибольшие температуры имеют элементы силовой части УВЭП, которые выделяют более 90"/ суммарной мощности потерь, причем тепловой режим каждого элемента индивидуален. Учет этого обстоятельства позволил разработать тепловую модель бортового УВЭП, сушественно меньшей размерности по сравнет» с предложен-

" - 10 -

ныни в работах Галиулина и Сарафанова. и в то же время, в отличие от моделей Конева. ГУляковича и.др.. которые дают лишь интегральные опенки, разработанная тепловая модель позволяет определять индивидуальный тепловой режим каждого элемента силовой . части.

существенное вэаинное влияние друг на друга электрических и

в

тепловых процессов в схеме и конструкции, характерное для УВЭП как энергонасыщенных радиотехнических устройств, определяет не-« обходимость использования при расчете параметров функциональной схемы комплексной электротепловой модели, учитывающей " температурный уход параметров. На основе оптимизации такой модели по критерию удельной мощности как показателя, характеризующего технический уровень УВЭП, может быть построена методика разработки функциональной схемы. Требования к функциональным характеристикам, а также допустимые электрические и тепловые режимы элементов могут быть учтены в качестве ограничений при оптимизации.

В работе проведен анализ программных средств, позволяющих моделировать электрические и тепловые процессы в бортовых УВЭП. Показано, что использование универсальных программ схемотехнического (PSPICE. MICROCAP. НАР-2. ПРАМ:4. 6. ПАУЦ-2 и др. ) и Теплового (HEATCAD, VISVLA THERMAL, ТЕРИ. ПРАН-9 и др. ) моделирования эффективно на этапах детальной отработки схемы и конструкции. Применение их на этапе технического предложения нецелесообразно в силу того, что ни одна из них не позволяет оптимизировать параметры УВЭП по критерий удельной мощности, а их использование в качестве инструмента вычисления целевой функции требует десятков минут на однократный расчет и десятков часов на оптимизацию. Для сокращения времени расчета в работе предлагается использовать аналитическую макромодель, не содержащую интег-ро-дифференциальных уравнений. Специализированные программы проектирования УВЭП также не нашли широкого применения, поскольку в них либо отсутствует возможность оптимизации удельной новшости (ЦУНПУ ЕС, САПР ИВЭП). либо оптимизируются лишь отдельные узлы УВЭП . например, трансформатор (TRANS) 'или сглаживающий Фильтр (ВИЗИТ). без учета индивидуального теплового режима каждого силового эленента. в значительной мере определяющего удельную мощность УВЭП.

На основе выявленных особенностей бортовых УВЭП и проведенного анализа возможностей существующих программных средств их моделирования и оптимизации сформулированы положения "" метода

оптимизации параметров бортовых увэп. который должен включать в себя:

- построение комплексной электротепловой модели бортовых УВЭП с обеспечением возможности задания необходимой точности тепловых расчетов и малого времени на их проведение на ПЭВП (не более 20 сек. на анализ модели)*

- расчет функций чувствительности зыходных характеристик к 4 изменениям внутренних параметров для обоснования необходимых

проектных измененений. вносимых в Функциональную схему и для реализации численных методов оптимизации первого порядка;

- нахождение оптимальных значений параметров узлов функциональной схемы с точки зрения максимальной удельной мощности с учетом ограничений по ТЗ и 17 на характеристики, режимы и параметры электрорааиоэлементов и материалов.

В главе 1 представлена также постановка задачи диссертации, включающая Формулировку вели и перечень задач работы.

Глава г посвяшена разработке метода расчета параметров бортовых УВЭП с применением оптимизации.

Математическая постановка .задачи расчета параметров борто- • вых УВЭП разработана на основе представления УВЭП как целостной электротепловой системы, связывавшей значения Ч выходных характеристик УВЭП (выходные напряжения, токи нагрузки, напряжения пульсаций, гад» удельную мощность, интегральную нестабильность), электрические режимы элементов силовой части ( напряжение коллектор- эмиттер и ток коллектора ключевого транзистора, прямые токи и обратные напряжения выпрямительных диодов, мощности потерь транзистора и диодов, плотности токов в обмотках силового трансформатора и дросселя и др. ) и тепловые режимы этих элементов с входным воздействием в виде входного напряжения питания ивх, внешним воздействием в виде температуры окружашея . среды Тс и векторок внутренних параметров к которым относятся электрические параметры радиоэлементов силовой части и характеристики функциональных узлов (ФУ) несиловой части УГОЛ (индукция, коэрцетивная сила и магнитная проницаемость сердечников трансформатора и дросселя; напряжение и сопротивление нзсьспени.я, время включения и выключения ключевого транзистора и выпрямительных диодов, емкость конденсатора . коэффициент усиления '»ИТ, частота преобразования и др. ) . а также параметры конструкции (геометрические размеры, коэффициенты теплопроводности и чернота

материала корпуса и ПКУ. тепловые сопротивления крепления и др.). Эта зависимость, как показано в главе 1. может быть представлена в виде системы нелинейных алгебраических уравнений:

.и

На выходные характеристики УВЭП, а также на входное напряжение и температуру окружающей среды накладываются ограничения в ТЗ на проектирование увэл; На электрические режимы и температуры элементов и материалов силовой части накладываются ограничения в технических условиях на них:

К ^ и&х ^ и*Х , (2)

V < 7с «V ,

.у* £ у < Vй

(3)

/ , (Ч)

где индексы "н" и "в" означают нижнюю и верхнюю границы возможного диапазона значения.

Значения параметров элементов и 4>У также имеют свои ограничения, связанные с практической реализуемостью:

Г Ч"-

С учетом этого задача оптимизации параметров УВЭП может быть сФорнулирована следующим образом.

В пространстве параметров ч определить вектор ч*. удовлетворяющий условию (5). при котором:

- выходные характеристики и режимы элементов лежат в заданных диапазонах <ч) для любого значения ивх и Тс из диапазонов (2) и (3);

- удельная мощность УВЭП Руд имеет максимально возможное в этих ограничениях значение.

Информационная схема предлагаемого метода решения поставленной задачи представлена на рис. к

" Суть метода заключается в пошаговом изменении параметров комплексной электротепловой накромодели УВЭП, связывающей значения выходных характеристик и режинов элементов с входным напряжением и температурой среды, причем параметрами модели являются искомые параметры элементов силовой части и ФУ несиловой части УВЭП. При оптимизации учитываются как ограничения на характеристики и режимы, так и ограничения на внутренние параметры, входное и внешнее воздействия.

задание начальных значений параметров

Входные воздействия

Параметры УВЭП

Трансформатор

Ключевой транзистор

Дроссель м Ь«, а. Ас.Ря..„ "конденсатор С„, Ы, 1»' Несиловая часть

с -- с * Л .

и**

ш

Внешние воздействия

Гс

Комплексная электротепловая макромодель УВЭП

Электрическая часть модели Тепловая часть модели

Тэл

'0 . у--¿< су

У;

Выходные . характеристики

Рул

и&ых 1"а I

ивых нпд

Режимы элементов

(УхЗ'Плг г

ё>Тргм.ж 5

Ргрс/. , Рисе, /V »У'?,

/-У. • • •

Коррекция параметров УВЭП

огранич-ия на пар-ры

' '¿Ли} ¿'■¿■'.Г ^

Кус <К*С ; 6т

Огранич-ия на хар-ки

Iпог кПАЖПА" Р'Л,^ " (-¿} пчКЛ

Рис. 1. информационная бортовых УВЭП

схема метода оптимизации параметров

Данный метод позволяет определить значения параметров, при которых выполняются все требования к функциональным характеристикам. электрическим и тепловым 'режимам элементов силовой части УВЭП, а удельная мощность максимальна. За счет того, что все характеристики и параметры связаны в единую электротепловую модель, метод позволяет учесть взаимосвязь электрических и теп;

ловых процессов, а также более корректно провести расчет внутренних параметров, существенно влияющих на несколько выходных характеристик одновременно, к пример/ частоты преобразования, оказывающей влияние ^¡а напряжение пульсаций, удельную мощность. КПД и температурный режим элементов силовой части.

При разработке метода ставилась задача, чтоб" вид целевой функции позволял проводить безусловную минимизацию, а полученные в результате значения параметров удовлетворяли ограничениям на характеристики УВЭП, режимы и параметры элементов. Для этого были использованы метод преобразованных параметров и метод штрафных функций , а окончательный вид целевой функции был принят следующим:

Э(%) = - Ыя ) '¿Г- • I (Щ )) 1 )/ 16) -

где ^ '

п '- количество односторонних ограничений на хараткреристики и режимы;

сг- штрафной множитель на г-ом шаге;

4 - вектор преобразованных варьируемых параметров:

5 - левые чести преобразованных ограничений на характеристики. Преобразованные варьируемые параметры ч связаны с исходными '

ч таким образом, что при любом значении ч^е С «*, е-1 значение ч;не

выходит за заданные ограничения. К примеру, если на паранетр ч;

» »

наложено ограничение < ч, < й; . то ч1 заменяется на

и 1 ь « 1 ^ ...

Ч; =0, 5->*0. 5-) БШИ,). это позволяет про-

водить безусловную оптимизацию в пространстве параметров ч . не нарушая ограничений на ч .

Ограничения на характеристики (4) преобразуются к единому виду вцУ1ч))>, О. причем каждому одностороннему ограничению соответствует одно преобразованное, например, условие У; >, у" заменяется на «с У;-у" >, 0. двустороннее ограничение у" >< у„ ( у* рассматривается как два односторонних, и ему соответствуют два преобразованных ограничения вс Ус V" * 0 и -Усу' >, О. Левые части этих ограничений входят в целевую минимизируемую функцию (б) таким образом, что при нарушений любого ограничения значение целевой функции увеличивается, т. е. ухудшается.

В основу разработки макромодели УЬэп,- предназначенной для алгоритма оптимизации, положен ряд требовании.

1. для рассматриваемых УВЭП характерны высокие температуры силовых элементов, л важным Фактором является существенное взаи-

мовлияние электрических и тепловых процессов, поэтому разработанная макромодель должна носить комплексный электротепловой характер.

г. Разработанные в трудах Конева, Додика. Букреева и других аналитические зависимости, связывающие выходные характеристики УВЭП с параметрами элементов функциональной схемы, имеют достаточную для этапа технического предложения точность и могут быть использованы как составная часть электрической модели. Для учета влияния температурного режима они должны быть дополнены температурными зависимостями параметров, и в итоге позволять проводить расчеты:

- функциональных характеристик, регламентированных в ТЗ на

увэп;

- энергетических характеристик, определяющих нопшости потерь в элементах и. как следствие, тепловой режин конструкции и коэффициент полезного действия;

- геометрических характеристик, определяющих объем и, как следствие, удельную мощность УВЭП.

электрическая часть модели в целом представляет собой набор аналитических зависимостей, связывающих выходные характеристики узлов и УВЭП в целом с параметрами. Примеры этих зависимостей приведены в табл. 1. "

Полный перечень зависимостей , , составляющих электрическую часть модели, приведен в диссертации.

Среди всех параметров электрической части модели выделены 14, имеющие наиболее существенные температурные зависимости.

Анализ литературных данных показал, что параметры трансФор-натора и дросселя: начальная нагнитная проницаемость, удельная, мощность потерь в сердечнике й удельное сопротивление материала обмотки, - а также величина напряжения опорного источника в широком диапазоне температур имеют линейный характер температурной зависимости, причем ее коэффициенты приводятся в справочной литературе.

Параметры электролитических конденсаторов: емкость, ток утечки и тангенс угла потерь - имеют существенно нелинейный характер температурных зависимостей, приводимых в ту на элементы. В работе показано, что с достаточной точностью эти зависимости могут быть аппроксимированы полиномами второго порядка, например для. емкости:

С -- С* (4 & 7 + об,с 1г), 171

таблипа 1

к п/п определяемая характеристика Аналитическое выражение

1 2 3

1 2 6 12 16 . 18 37 39 42 силовои тpJ Действующий ток вторичной обмотки Действующий ток первичной обнотки Габаритная новш-ть трансформатора Обьён трансФорн-ра ключевой наксим-ное напр-ие коллектор-эмиттер Мощность потерь в транзисторе НЕСИ/К КоэФФиц-нт заполнения импульсов , увэп : коэффициент полезного -действия увэп Удельная мощность ЛСФОРМАТОР 1л '(¿>1 ~ Тнггг / 1а-ои - К ' 1л-">г Ргаг -'0,51а -вЖ^Кюро' •РАНЗИСТОР икзтм ' 2 ■ £/? РпОГ - /з -/к^лг 'С/час и<с}„«/~ + 1»гтп» ' и*!*,«, '{¿е*а ■ /р ©АЯ ЧАСТЬ Аз - 7Г ■£** -//ги-и* -(У*п)] С/гп , 1 целом п _ и" -Тног

( ~ Ум-/нл г + г/к у} „ р _ Он ■ 1чаг УЛ~ тлх ( V, Уг)

где

Со - емкость при температуре 20° С;

д I = Т '20 - отклонение температуры от нормальных условия; о(<,с ,о/г,с - аппроксимирующие коэффициенты.

Температурные зависимости обратного тока полупроводниковых элементов: ключевого транзистора и выпрямительных диодов - определяются температурными зависимостями его составляющих: теплового гока 1о и тока терногенерации 1а :

Ios.iT) - и(Т) * ЦТ) = ,в)

ГА2

¿а) - обратный ток кремниевого р-п-перехода;

- величина тока термогенерации"при нормальных условиях.

Напряжение насыщения и сопротивление насыщения ключевых полупроводниковых элементов при прямом смешении также имеют линеи-ныя характер зависимостей, что доказывается путем выражения напряжения на р-п-переходе через ток в нем и подстановки в это выражение температурной зависимости температурного потенциала.

Температурные зависимости времени включения и выключния ключевого транзистора и выпрямительных диодов определяются тен-пературной зависимостью постоянной времени р-п-перехода, имеющей вид:

I ~ Ео ' /О , ,9,

где

£е - постоянная времени перехода при нормальных условиях:

- аппроксимирующий коэффициент.

При разработке тепловой части модели учитывалось следующее".

- требуемая точность моделирования может неняться в зависимости от наличия прототипа проектируемого УВЭЛ;

- скорость расчета должна быть достаточной для использования при оптимизации УВОП;

- модель должна позволять'рассчитывать индивидуальный тепловой режин каждого элемента силовой части. .

В конструкции бортовых УВЭП было выделено з базовых элемента: - корпус, элемент, установленный на корпусе, и плоский конструктивный узел (ЛКУ). Для каждого из ник согласно принципам топологического моделирования тепловых процессов была раэрабо га- . на тепловая нодель. соединив которые, была получена тепловая модель всего УВЭП.

требования наглядности и удобства построения тепловой модели УВЭП по структуре его конструкции были удовлетворены благодаря топологоческой Форне представления модели. Предлагаемая тепловая нодель корпуса построена из условия изотерничности каждой стенки в силу большой теплопроводности материала корпуса, и в то же время неизотермичности корпуса в целом в силу того, что некоторые поверхности могут иметь оребрение или контактировать с тёплоотводяшим основанием.

Основной вклад в размерность тепловой модели УВЭП вносит подмодель ПКУ, характеризующегося существенно неравномерным распределением источников тепла по поверхности. Для снижения размерности тепловой модели ПКУ предложено использование сеточной модели с неравномерным разбиением. В диссертации разработан

алгоритм разбиения, основанный на полученной зависимости погрешности моделирования от шага сетки

ОТ- ^ . ( )

У я • 02 I ПХЛ / > (10)

где

с/ 'у - локальная погрешность теплового расчета;

Ру- мощность источников теплового потока, приходящихся на ячейку с размерами РХ^, ОТ;, Ш ;

- эффективный коэффициент теплопроводности ПКУ. Зависимость получена на основе сравнения рядов Тейлора истинного и численного решения, и табличных оценок замены производных конечными разностями при трехточечной центральной аппроксимации.

Разработанный на основе этой зависимости алгоритм разбиения имеет итерационный характер, коррекция иагов разбиения проводится по результатам анализа матрицы локальных погрешностей на наибольшие значения в каждой строке сРТу^к каждом столбце ¿Т^ по Формулам:

л 1)Ус - (6 Тс * -¿Тс"г) ■ ¿/.„я* тс„н-бтт) -I ?

п * к* V /

лЩ - (¿Ту7. - с?Цгр) •/- т^-

где

среднее значение наибольшей погрешности по строке и столбцу; '

-Су . - размеры ПКУ по осям х и V; Кх . ¿V - количество ячеек сетки по осям X и У.

Таким образом, комплексная электротепловая макромодель бортовых увэп редставляет собой совокупность электрической подмоде- . ли. представленной в виде аналитических зависимостей в табл.1. тепловой подмодели, представленной в топологическом виде в Форме ненаправленного графа, и температурных зависимостей параметров электрической подмодели. Влияние электрических процессов на -тепловой режим учитывается следующим образом: вычисляемые в электрической подмодели мощности тепловыделений элементов силовой, части используются в тепловой подмодели в качестве параметров активных ветвей источников теплового потока.

•Перед анализом такая комбинированная аналитически-топологическая модель приводится к единому аналитическому виду. Этот пе- , реход осуществляется на основе равенства нулю суммарного тепло-

вого потока в каждом узле топологической нодели и зависимостей, связывающих тепловой поток каждого типа ветви с температурой узлов. В результате такого преобразования тепловая подмодель представляется в виде системы уравнений в базисе температур ее узлов. В совокупности с электрической подмоделью она представляет собой единую систему нелинейных алгебраических уравнений, для решения которой предложено использовать метод ньютона-РаФсона. По сравнению с методой простых итераций, применяемым, как правило. при анализе тепловых моделей, он имеет более высокую, квадратичную, скорость сходимости, что особенно важно для использования в процессе оптимизации. В диссертации для реализации метода Ныотона-Рафсона разработан алгоритм Формирования матрицы частных производных (матрицы якоби), имеющий различия для аналитической электрической и топологической тепловой частей модели.

для расчета градиента целевой функции был разработан эффективный метод, учитывающий особенности комплексной нодели. Для получения Функций чувствительности <фч> был разработан метод, основанный на методе уравнений чувствительности для аналитических моделей. формула вычисления градиента приведена к виду

Эффективность метода обусловлена тем, что входящие в (13) матрица Щ/Щ. определяемая только-ограничениями на варьируемые параметры, и < определяемая только ограничениями

на выходные характеристики, вычисляются один раз в начале оптимизации. а А? и А^ '"- матрица ФЧ выходных характеристик и вектор ФЧ. удельной мощности, вычисляются в пропессе анализа модели. Таким образом, для нахождения вектора градиента на каждом шаге оптийизации достаточно произвести указанное перемножение матриц.

в качестве метода безусловной оптимизации обосновано применение метода Давидона-Флетчера-Пауэлла. совмешаюшего в себе высокую скорость сходимости к,экстремуму, близкую.к квазиньютоновским методам, с отсутствием необходимости вычисления матрицы вторых производных целевой функции по варьируемым параметрам (матрицы Гессе).

В главе 3 представлены результаты разработки программного комплекса (ПК) накромоделирования и оптимизации бортовых УВЭП. Основу ПК сбставляют разработанные в диссертации и представленные в главе 2 метод, модели и алгоритмы.

В число требований, предъявляемых к программному комплексу

- го -

были включены:

- возможность функционирования в составе системы асоника и автононно;

- модульная структура построения и комплексируеность программного обеспечения;

- наличие справочного файла параметров;

- наличие дружественного интерфейса пк с пользователем.

Монитор

Ввод и обраб-ка исходной инф-ии

ввод параметров электрической части модели

оптимизация параметров УВЭП

Формирование и анализ комплексной модели

описание эскиза констр-ции увэп

описание конструкции и параметров эл-тов

Описание эскиза ПКУ.

справочный Файл

формирование

комплексной

модели

Решение систем

нелинейных

уравнений

Решение систен

линейных

уравнений

Формир-ние

критерия

оптимизации

Вычисление

градиента

целевой

функции

Реализация метода дфп

Расчет матрицы ФЧ

Файл проектов

Вывод -и обработка результатов расчетов

Вывод

функциональных и режимных характеристик

Вывод тепловых режимов

радиоэлементов

вывод значений

функций

чувствитель-ти

Рис. г. Структурная схема программного комплекса

Разработанная структурная схема пк (рис. £) отвечает этим требованиям. Каждый ее элемент выполняет свою • Функцию, и эти функции не перекрываются, за счет этого достигается требование открытости, модульности пк. структуризации программного обеспечения и возможности интеграции в систему асоника.

- г\ -

Требование обеспечения дружественного характера интерфейса с пользователем реализовано путен разработки сценария диалога и развернутой системы подсказок, реализованные в рамках монитора и блоков ввода и вывода информации. Они дают пользователю представление о возможных действиях и их результатах в каждой конкретной ситуации работы с ПК.

Программная реализация ПК выполнена на алгоритмическом языке Фортран версии 5. О, что обеспечивает высокую степень комплек-сируемости программного обеспечения, к особенностям программной реализации относятся: .

' - использование аппарата решения систем линеиных алгебраических уравнений с учетом разреженности матрицы, что примерно на порядок повысило скорость расчета;

- разработанная библиотека диалоговых экранных функций, которая обеспечила возможность наглядной Формы общении пользователя с ПК, совместимой с принятой в подсистеме лсони-КА-Э.

Для организации взаимодействия с системой АСОНИКА ПК был включен в состав подсистемы АСОНИКА-Э, а связь с другими подсистемами обеспечена' посредством предусмотренных в системе межлод-системных интерфейсов.

в главе 4 диссертационой работы представлены результаты разработки методического обеспечения ПК и системы АСОНИКА, включающего:

- методику автоматизированной оптимизации параметров бортовых УВЭП;

- методику автоматизированного проектирования бортовых УВЭП с применением системы АСОНИКА.

Разработанные методики позволяют, до начала отрабоиш принципиальной схемы УВЭП целиком, рассчитать значения характеристик узлов функциональной схемы и параметров конструции. обеспечивающих выполнение требований ТЗ на УВЭП, ограничений ТУ на параметры радиоэлементов и материалов, и соответствующих максимальной удельной мощности. Эти значения на последующих этапах, представленных во второй нетодике. используются для выбора и разработки полных принципиальных схен узлов несиловой части и для окончательной проработки конструкции УВЭП . оценки показателей стабильности выходных характеристик и безотказности УВЭП.

В данной главе приведены также результаты расчетно-экспери-

- гг -

ментальных исследований, целью которых было подтверждение достоверности основных положений, разработанных в диссертации, для подтверждения адекватности и эффективности топологической тепло--вой модели ПКУ в виде неравномерной сетки были изготовлены две тестовые печатные платы с установленными на них источниками тепловыделений. По одной определялась зависимость погрешности моделирования от удельной мощности Ру (см. (10)), а по другой - от шагов сетки по осям ОХ и ОУ. В ходе экспериментальных исследований осуществлялись измерения температур элементов при различных значениях выделяемых мощностей и проводился,расчет этих же температур по топологическим тепловым моделям с равномерной и неравномерной сетками при различных количествах шагов разбиения. Результаты показали, что при большой неравномерности распределения источников тепловыделений по поверхности платы (3 мошных элемента на плате, мощности остальных пренебрежимо малы), характерной для конструкций бортовых увэп, при одинаковой точности расчетов, определявшейся путем сравнения с экспериментальными значениями, количество узлов модели с неравномерной сеткой на 25... «5я меньше, чем с равномерной.

Для проверки адекватности комплексной электротепловой макромодели УВЭП был использован промышленный образец УВЭП бортового радиотехнического конплекса, для которого были измерены значения регламентированных в ТЗ функциональных характеристик и температуры элементов силовой части. Эти же значения были получены в результате расчета с помощью комплексной макромодели. Максимальное отклонение расчетных значений от экспериментальных составило 13'/.

В главе приведены также результаты внедрения разработанных метода, моделей, алгоритмов, программных и методических средств в практику проектирования бортовых УВЭП на промышленных предприятиях и в учебный процесс вузов.

В Заключении сформулированы основные выводы по -диссертационной работе в целом;

В приложении к диссертации приведены акты внедрения результатов работы, примеры расчетов с помощью программного комплекса н документация на него.

- 23 -

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

В процессе решения задач, поставленных в диссертации, получены следующие основные результаты.

1. Анализ функциональной схемы и конструкции бортовых УВЭП показал, что достижение высокой удельной мощности является сложной задачей и на сегодняшний день решается недостаточно эффективно в силу:

- противоречивости влияния одних и тех же параметров на различные характеристики;

- противоречивости требований к выходным Функциональным характеристикам и к удельной мощности;

- отсутствия нетодов и методик, позволяющих разрешать указанные противоречия.

2. Показано, что повысить удельную мощность бортовых УВЭП можно путем решения оптимизационной задачи с использованием комплексной электротепловой модели УВЭП, учитывающей особенности функциональной схемы, конструкции бортовых УВЭП и взаимовлияние электрических и тепловых процессов.

3. Проведен анализ существующего программного и методического обеспечения расчетов параметров УВЭП на этапе технического предложения, на основе которого разработаны требования к методу расчета параметров бортовых УВЭП с применением оптимизации.

4. В соответствии с принципами системного подхода разработан метод расчета параметров УВЭП с применением их оптимизации по критерию максимальной удельной мощности яа основе комплексного моделирования взаимосвязанных электрических и тепловых процессов с учетом ограничений на характеристики УВЭП, режимы и параметры элементов силовой части.

5. в рамках предложенного метода разработана комплексная электротепловая макромодель бортовых УВЭП. в отличие от известных :

- позволяющая определять выходные характеристики УВЭП, электрические и тепловые режимы элементов силовой части по заданным функциональной схеме и эскизу конструкции;

- реализующая взаимосвязь электрических и тепловых процессов в бортовых УВЭП;

- ориентированная на малое время анализа (<ю секунд).

6. в рамках комплексной накромодели разработан алгоритм

разбиения плоского конструктивного узла конструкции УВЭП неравномерной сеткой, позволяющий провести моделирование теплового режима с заданной погрешностью,

Т. Разработаны алгоритмы анализа и оптимизации комплексной накромодели, включая эффективный алгоритм вычисления вектора градиента целевой Функции на основе функций чувствительности выходных характеристик к изменению внутренних параметров."

й, определены требования и разработаны структурная схема, алгоритм функционирования и сценарий диалога программного комплекса макромоделирования и оптимизации бортовых УВЭП с учетом возможности функционирования ,в составе системы асоника. -

9. Создан программный комплекс (ПК) в соответствии с принципами структурного программирования и • с использованием ряда .средств повышения эффективности работы ПК в процессе выполнения расчетов и взаимодействия с пользователем.

10. Разработано методическое обеспечение ПК и системы АСОНИКА, включающее:

- методику автоматизированного расчета параметров бортовых УВЭП с применением программного комплекса макромоделирования и оптимизации бортовых УВЭП;

- методику автоматизированного схемотехнического проектирования бортовых увэп с применением системы асоника.

И. Выполнены расчетно-экспериментальные исследования по проверке адекватности комплексной электротепловой макромодели УВЭП и эффективности тепловой модели ПКУ с неравномерной сеткой.

1г. Результаты диссертационной работы внедрены в практику проектирования бортовых УВЭП на предприятиях и в учебный процесс

вузов.

ПУБЛИКАЦИИ ПО тене ДИССЕРТАЦИИ

1. Винниченко С. Е.. КоФанов ¡0. Н.. Тумковский С. Р. Применение подсистемы АСОНИКА-э для анализа работоспособности ивэп // Методы прогнозирования надежности проектируемой РЭА и ЭВА: Тез. докл. - М.. 1968. С. 35.

г. Разработка технорабочего проекта подсистемы анализа и обеспечения электрических характеристик изделий электронной техники. отчет о НИР. /МИЭН. - ИНВ. Н 028В. 003424. -И. , 1987. '- 172с.

3, КоФанов О. Н.. Тумковский С. Р. , Винниченко С. Е. Подсистема анализа и обеспечения электрических характеристик РЭА ,/ Автоматизация проектирования и конструирования в электронной наши-

- 25 -

ниностроении: Тез. докл. - Н. . 1988. с. 67.

4. Борисов К. П. , Винниченко С. Е. , Тумковский с. р. исследование электрических характеристик линейных стабилизаторов напряжения с помошью подсистемы АСОНИКА-э // 14-ая Всесоюзная научная сессия, посвяшенная Дню Радио: Тез. докл. - М. .1989. С. 71-72.

5. Тумковский с. р. , винниченко с, Е. обеспечение электрических характеристик ИВЭП с применением аппарата чувствительности // проблемы теории чувствительности измерительных датчиков, электронных и электромеханических систем: Тез. докл. - Владимир, 1989. с. но.

6. Винниченко С. Е. , Тумковский С. р. . Кофанов Ю. Н. Автоматизация ранних этапов проектирования источников вторичного электропитания с применением макромоделирования // Современные методы обеспечения качества и надежности электронных приборов, устройств и систем: Сборник статей. - М. , 1990. С. 63-67.

7. Винниченко с. Е., тумковский с. р. Методика автоматизированного проектирования устройств электропитания с применением системы асоника// Проблемы обеспечения высокой надежности микроэлектронной аппаратуры: Тез. докл. - Запорожье, 1990. С. 97.

--6. Винниченко с. е.. Тумковский с. р. моделирование электрических характеристик импульсного источника электропитания// Методы оценки и повышения надежности РЭС: Тез. докл. - Пенза, 1991. С. 21.

9. Винниченко с. Е, . Тумковский с. р. Методика автоматизации ранних этапов проектирования устройств электропитания средствами подсистемы асоника-э // системный анализ и принятие решений в задачах автоматизированного обеспечения качества и надежности изделий приборостроения и радиоэлектроники: Тез. докл. Российской научно-технической конференции . - Махачкала, 1991. с. 99.

ю. Архангельский А. о. , Винниченко с. Е. Учет нелинейного характера енкостей переходов силового транзистора при моделировании УВЭП // Системный анализ и принятие решений в задачах автоматизированного обеспечения качества и надежности изделий приборостроения и радиоэлектроники: Тез. докл. Российской научнотех-нической конференции . - Махачкала. 1991 . с. 97.

п. Беляев с. Г.. Винниченко с. е. Идентификация статических параметров модели транзисторов на основе справочных характеристик // Системный анализ и принятие решений в задачах автоматизированного обеспечения качества и надежности изделий прибо1 ростроения и радиоэлектроники: Тез.докл. российской наУчно-тех-

нической конференции -. - Махачкала, 1991. С. 97.

12. КоФанов Ю. Н.. Тумковский С. Р. ■ винниченко С. Е. Подсистема схемотехнического проектирования устройств электропитания // Конструирование быстродействующей помехозашишенной аппаратуры / Межвузовский сборник научных трудов. .- Н. .1991. С. 27-32.

13. Винниченко с. Е. Макромоделирование тепловых процессов в устройствах вторичного электропитания // Цифровые модели в проектировании и производствеве РЭС / нежвузовский сборник научных трудов. - Пенза. 1991. с. 52-27.

14. Винниченко С. Е, Метод расчета параметров элементов силовой части увэп на основе параметрической оптимизации // Моделирование и контроль качества в задачах обеспечения надежности радиоэлектронных устройств, натериалы международной научно -технического семинара: Тез. докл. - иауляй. 1992. с, 45.

15. винниченко с. С.. Тумковский с. р, нетод расчета функций параметрической чувствительности в задачах обеспечения надежности // Методы опенки и повышения надежности рэс: Тез. докл. Пенза. 1992. С. 34.

16. КоФанов ю. Н.. тунковский с. Р.. Винниченко с. Е. Подсистена автоматизированного анализа. и обеспечения электрических характеристик аппаратуры // нетоды опенки и повышения надежности РЭС: Тез. докл. Пенза. 1992. С. вТ.