Повышающий преобразователь - Boost converter

Недорогие преобразовательные модули: два понижающих и один повышающий.
Повышающий преобразователь от калькулятора TI , генерирующий 9 В из 2,4 В, обеспечиваемых двумя аккумуляторными батареями AA .

Повышающий преобразователь ( повышающий преобразователь ) представляет собой преобразователь постоянного тока в постоянный ток , что шаги до напряжения (при уйдя тока) от своего входа (поставки) к выходу (нагрузки). Это класс импульсных источников питания (SMPS), содержащий как минимум два полупроводника ( диод и транзистор ) и как минимум один элемент накопления энергии: конденсатор , катушку индуктивности или их комбинацию. Чтобы уменьшить пульсации напряжения , фильтры, изготовленные из конденсаторов (иногда в сочетании с катушками индуктивности), обычно добавляются к выходу (фильтр на стороне нагрузки) и входу (фильтр на стороне питания) такого преобразователя.

Обзор

Питание повышающего преобразователя может поступать от любого подходящего источника постоянного тока, такого как батареи, солнечные панели, выпрямители и генераторы постоянного тока. Процесс, который изменяет одно постоянное напряжение на другое постоянное напряжение, называется преобразованием постоянного тока в постоянный. Повышающий преобразователь - это преобразователь постоянного тока в постоянный с выходным напряжением, превышающим напряжение источника. Повышающий преобразователь иногда называют повышающим преобразователем, поскольку он «увеличивает» напряжение источника. Поскольку мощность ( ) должна быть сохранена , выходной ток ниже, чем ток источника.

История

Для обеспечения высокой эффективности переключатель импульсного источника питания (SMPS) должен быстро включаться и выключаться и иметь низкие потери. Появление коммерческого полупроводникового переключателя в 1950-х годах стало важной вехой, сделавшей возможными такие ИИП, как повышающий преобразователь. Основные преобразователи постоянного тока в постоянный были разработаны в начале 1960-х годов, когда стали доступны полупроводниковые переключатели. В аэрокосмической потребности промышленности для малых, легких и эффективных преобразователей энергии привела к быстрому развитию преобразователя.

Коммутируемые системы, такие как SMPS, сложно спроектировать, поскольку их модели зависят от того, открыт или закрыт переключатель. Р. Д. Миддлбрук из Калифорнийского технологического института в 1977 г. опубликовал модели преобразователей постоянного тока, используемых сегодня. Миддлбрук усреднил конфигурации схем для каждого состояния переключателя, используя метод, называемый усреднением в пространстве состояний. Это упрощение свело две системы в одну. Новая модель привела к проницательным расчетным уравнениям, которые помогли развитию SMPS.

Приложения

Системы питания от батарей

Батарейные системы питания часто складывают элементы последовательно для достижения более высокого напряжения. Однако во многих высоковольтных приложениях невозможно установить достаточное количество ячеек в стопку из-за нехватки места. Повышающие преобразователи могут увеличивать напряжение и уменьшать количество ячеек. Два приложения с батарейным питанием, в которых используются повышающие преобразователи, используются в гибридных электромобилях (HEV) и системах освещения.

Модель Toyota Prius HEV NHW20 использует двигатель 500 В. Без повышающего преобразователя Prius потребовалось бы около 417 ячеек для питания двигателя. Однако на самом деле Prius использует только 168 ячеек и повышает напряжение батареи с 202 В до 500 В. Повышающие преобразователи также служат источником питания для устройств меньшего масштаба, таких как портативные системы освещения. Белый светодиод обычно требует 3,3 В , чтобы излучать свет, и повышающий преобразователь может усилить напряжение от одного 1,5 В щелочной клетке к мощности лампы.

Джоуль вор

Нерегулируемый повышающий преобразователь используется в качестве механизма увеличения напряжения в цепи, известной как « похититель джоулей », на основе концепции блокирующего генератора . Эта топология схемы используется в приложениях с маломощными батареями и нацелена на способность повышающего преобразователя «украсть» оставшуюся энергию в батарее. В противном случае эта энергия была бы потрачена впустую, поскольку низкое напряжение почти разряженной батареи делает ее непригодной для нормальной нагрузки. В противном случае эта энергия осталась бы неиспользованной, потому что многие приложения не позволяют протекать через нагрузку достаточному току при понижении напряжения. Это снижение напряжения происходит по мере разряда батарей и является характеристикой широко распространенных щелочных батарей . Поскольку уравнение для мощности имеет вид , а R имеет тенденцию быть стабильным, мощность, доступная для нагрузки, значительно уменьшается при уменьшении напряжения.

Фотоэлектрические элементы

Особый вид повышающих преобразователей, называемых повышающими преобразователями с подъемным напряжением, используется в солнечных фотоэлектрических системах. Эти преобразователи мощности суммируют пассивные компоненты (диод, катушку индуктивности и конденсатор) традиционного повышающего преобразователя для улучшения качества электроэнергии и увеличения производительности всей фотоэлектрической системы.

Анализ схемы

Рис. 1. Схема повышающего преобразователя.
Рис. 2. Два пути тока повышающего преобразователя в зависимости от состояния переключателя S.

Операция

Ключевым принципом, который приводит в действие повышающий преобразователь, является способность катушки индуктивности сопротивляться изменениям тока путем увеличения или уменьшения энергии, запасенной в магнитном поле индуктора. В повышающем преобразователе выходное напряжение всегда выше входного. Схема повышающего каскада мощности показана на рисунке 1.

(a) Когда переключатель замкнут, ток течет через индуктор по часовой стрелке, и индуктор накапливает некоторую энергию, создавая магнитное поле. Полярность левой стороны индуктора положительная.

Буст конвертер анимации.

(b) Когда переключатель разомкнут, ток будет уменьшаться по мере увеличения импеданса. Созданное ранее магнитное поле будет уменьшено в энергии, чтобы поддерживать ток по направлению к нагрузке. Таким образом, полярность будет обратной (это означает, что левая сторона индуктора станет отрицательной). В результате два источника будут включены последовательно, вызывая более высокое напряжение для зарядки конденсатора через диод D.

Если переключатель включается достаточно быстро, индуктор не будет полностью разряжаться между этапами зарядки, и нагрузка всегда будет видеть напряжение, превышающее напряжение только входного источника, когда переключатель разомкнут. Также, когда переключатель разомкнут, конденсатор, подключенный параллельно нагрузке, заряжается до этого комбинированного напряжения. Когда переключатель затем замыкается и правая сторона закорочена с левой стороны, конденсатор, таким образом, может обеспечивать напряжение и энергию для нагрузки. В это время блокирующий диод предотвращает разряд конденсатора через переключатель. Разумеется, выключатель должен быть снова открыт достаточно быстро, чтобы конденсатор не разрядился слишком сильно.

Основной принцип повышающего преобразователя состоит из двух различных состояний (см. Рисунок 2):

  • во включенном состоянии переключатель S (см. рисунок 1) замкнут, что приводит к увеличению тока индуктора;
  • в выключенном состоянии, переключатель открыт и единственный путь предложил индукторный ток через обратный ход диод D, конденсатор C и нагрузки R . Это приводит к передаче энергии, накопленной во включенном состоянии, в конденсатор.
  • Входной ток такой же, как ток катушки индуктивности, как показано на рисунке 2. Таким образом, он не является прерывистым, как в понижающем преобразователе, и требования к входному фильтру ослаблены по сравнению с понижающим преобразователем.

Непрерывный режим

Когда повышающий преобразователь работает в непрерывном режиме, ток через катушку индуктивности ( ) никогда не падает до нуля. На рисунке 3 показаны типичные формы сигналов тока и напряжения катушки индуктивности в преобразователе, работающем в этом режиме.

Рис. 3. Осциллограммы тока и напряжения индуктора в повышающем преобразователе, работающем в непрерывном режиме.

В установившемся состоянии постоянное (среднее) напряжение на катушке индуктивности должно быть равно нулю, чтобы после каждого цикла катушка индуктивности возвращалась в то же состояние, поскольку напряжение на катушке индуктивности пропорционально скорости изменения тока через нее (более подробно поясняется ниже. ). Обратите внимание на рис. 1, что левая сторона L находится в точке, а правая сторона L соответствует форме волны напряжения из рисунка 3. Среднее значение - это где D - рабочий цикл формы волны, управляющей переключателем. Отсюда получаем идеальную передаточную функцию :

или же

.

Мы получаем тот же результат в результате более подробного анализа, а именно: Выходное напряжение можно рассчитать следующим образом в случае идеального преобразователя (то есть с использованием компонентов с идеальными характеристиками), работающего в установившихся условиях:

Во включенном состоянии переключатель S замкнут, что вызывает появление входного напряжения ( ) на катушке индуктивности, что вызывает изменение тока ( ), протекающего через катушку индуктивности в течение периода времени ( t ), по формуле:

Где L - значение индуктивности.

Таким образом, в конце включенного состояния I L увеличивается :

D - рабочий цикл. Он представляет собой долю периода коммутации T, в течение которого переключатель включен. Следовательно, D находится в диапазоне от 0 ( S никогда не горит) до 1 ( S всегда горит).

В выключенном состоянии переключатель S разомкнут, поэтому ток индуктора протекает через нагрузку. Если мы рассмотрим нулевое падение напряжения на диоде и конденсатор, достаточно большой для того, чтобы его напряжение оставалось постоянным, изменение I L будет следующим:

Следовательно, изменение I L в период выключения составляет:

Поскольку мы считаем, что преобразователь работает в установившемся режиме, количество энергии, запасенной в каждом из его компонентов, должно быть одинаковым в начале и в конце цикла коммутации. В частности, энергия, запасенная в катушке индуктивности, определяется по формуле:

Таким образом, ток индуктора должен быть одинаковым в начале и в конце цикла коммутации. Это означает, что общее изменение тока (сумма изменений) равно нулю:

Подстановка и по их выражениям дает:

Это можно записать так:

Вышеприведенное уравнение показывает, что выходное напряжение всегда выше входного напряжения (когда рабочий цикл изменяется от 0 до 1), и что оно увеличивается с D, теоретически до бесконечности, когда D приближается к 1. Вот почему этот преобразователь иногда называют как повышающий преобразователь.

Преобразование уравнения показывает, что рабочий цикл будет:

Прерывистый режим

Если амплитуда пульсаций тока слишком высока, катушка индуктивности может полностью разрядиться до окончания всего цикла коммутации. Обычно это происходит при легких нагрузках. В этом случае ток через катушку индуктивности падает до нуля в течение части периода (см. Кривые на рисунке 4). Хотя разница небольшая, она сильно влияет на уравнение выходного напряжения.

Рис. 4 . Осциллограммы тока и напряжения индуктора в повышающем преобразователе, работающем в прерывистом режиме.

Коэффициент усиления по напряжению можно рассчитать следующим образом:

Поскольку ток индуктора в начале цикла равен нулю, его максимальное значение (при ) равно

В период отключения I L падает до нуля после :

Используя два предыдущих уравнения, δ равно:

Ток нагрузки I o равен среднему току диода ( I D ). Как видно на рисунке 4, ток диода равен току индуктора в выключенном состоянии. Среднее значение I o можно геометрически отсортировать из рисунка 4. Следовательно, выходной ток можно записать как:

Замена I Lmax и δ соответствующими выражениями дает:

Следовательно, коэффициент усиления выходного напряжения можно записать следующим образом:

По сравнению с выражением усиления выходного напряжения для непрерывного режима это выражение намного сложнее. Кроме того, при прерывистой работе усиление выходного напряжения зависит не только от рабочего цикла ( D ), но также от значения индуктивности ( L ), входного напряжения ( V i ), периода коммутации ( T ) и выходного тока ( I o ).

Подставляя в уравнение ( R - нагрузка), коэффициент усиления выходного напряжения можно переписать как:

где

Смотрите также

дальнейшее чтение

  • Мохан, Нед; Undeland, Tore M .; Роббинс, Уильям П. (2003). Силовая электроника . Хобокен: ISBN John Wiley & Sons, Inc.   978-0-471-42908-1 .
  • Бассо, Кристоф (2008). Импульсные источники питания: моделирование и практические разработки SPICE . Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. ISBN   978-0-07-150858-2 .

Рекомендации

Внешние ссылки