Повышающий преобразователь - Boost converter

Сравнение топологий неизолированных переключающих преобразователей постоянного тока в постоянный: Бак, Способствовать росту, Buck-Boost, Uk. Вход слева, выход с нагрузкой справа. Переключатель обычно МОП-транзистор, IGBT, или же BJT транзистор.

А повышающий преобразователь (повышающий преобразователь) это Преобразователь постоянного тока в постоянный который увеличивает напряжение (при понижении тока) от входа (питания) до выхода (нагрузки). Это класс импульсный источник питания (SMPS), содержащий как минимум два полупроводника (a диод и транзистор ) и по крайней мере один элемент накопления энергии: конденсатор, индуктор, или два в комбинации. Уменьшить пульсация напряжения фильтры из конденсаторов (иногда в сочетании с индукторами) 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 больше, чем напряжение источника. Повышающий преобразователь иногда называют повышающим преобразователем, поскольку он «повышает» напряжение источника. Поскольку мощность ( ${ Displaystyle P = VI}$ ) необходимо сохранить, выходной ток ниже, чем ток источника.

История

Для высокой эффективности импульсный источник питания Выключатель (SMPS) должен быстро включаться и выключаться и иметь низкие потери. Появление рекламы полупроводник Переключатель в 1950-х годах стал 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 аэрокосмический Потребность отрасли в небольших, легких и эффективных преобразователях мощности привела к быстрому развитию преобразователей.

Коммутируемые системы, такие как SMPS, сложно спроектировать, поскольку их модели зависят от того, открыт или закрыт переключатель. Р. Д. Миддлбрук из Калтех 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

Недорогие преобразовательные модули: два понижающих и один повышающий.

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 гибридные электромобили (HEV) и системы освещения.

Модель NHW20 Toyota Prius HEV 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.^{[нужна цитата ]} 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. А белый светодиод Обычно для излучения света требуется 3,3 В, а повышающий преобразователь может повышать напряжение от одного щелочного элемента на 1,5 В для питания лампы.

Нерегулируемый повышающий преобразователь используется в качестве механизма повышения напряжения в цепи, известной как 'Джоуль вор '. Эта топология схемы используется с аккумуляторными батареями малой мощности и направлена на то, чтобы повышающий преобразователь «украл» 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 повсеместного щелочная батарея. Поскольку уравнение для мощности является ( ${ Displaystyle P = V ^ {2} / R}$ ), а R имеет тенденцию быть стабильным, мощность, доступная для нагрузки, значительно уменьшается при уменьшении напряжения.

Анализ схемы

Операция

Ключевым принципом, лежащим в основе повышающего преобразователя, является тенденция индуктор чтобы противостоять 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.

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

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

Если переключатель переключается 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.

Рис.1: Схема повышающего преобразователя

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

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 разомкнут, и единственный путь, предлагаемый для тока индуктора, проходит через обратный диод D, конденсатор C и нагрузка 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 понижающий преобразователь и требования к входному фильтру более мягкие по сравнению с понижающим преобразователем.

Непрерывный режим

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

Когда повышающий преобразователь работает в непрерывном режиме, ток через катушку индуктивности ( ${ displaystyle I_ {L}}$ ) никогда не падает до нуля. На рисунке 3 показаны типичные формы сигналов тока и напряжения катушки индуктивности в преобразователе, работающем в этом 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 часть L находится на ${ displaystyle V_ {i}}$ а правая часть L видит ${ displaystyle V_ {s}}$ осциллограмма напряжения на Рисунке 3. Среднее значение ${ displaystyle V_ {s}}$ является ${ displaystyle (1-D) V_ {o}}$ где D - рабочий цикл формы сигнала, управляющего переключателем. Отсюда получаем идеальная передаточная функция:

${ displaystyle V_ {i} = (1-D) V_ {o}}$ или же ${ Displaystyle V_ {o} / V_ {i} = 1 / (1-D)}$ .

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:^[1]

Во включенном состоянии переключатель S замкнут, что делает входное напряжение ( ${ displaystyle V_ {i}}$ ) появляются на катушке индуктивности, что вызывает изменение тока ( ${ displaystyle I_ {L}}$ ) протекающий через индуктор в течение периода времени (t) по формуле:

${ displaystyle { frac { Delta I_ {L}} { Delta t}} = { frac {V_ {i}} {L}}}$

Где L - значение индуктивности.

В конце включенного состояния увеличение I_L следовательно является:

${ displaystyle Delta I_ {L_ {On}} = { frac {1} {L}} int _ {0} ^ {DT} V_ {i} dt = { frac {DT} {L}} V_ {я}}$

D - рабочий цикл. Он представляет собой долю периода коммутации T, в течение которого переключатель находится в положении «включено». 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, эволюция I_L является:

${ displaystyle V_ {i} -V_ {o} = L { frac {dI_ {L}} {dt}}}$

Следовательно, вариация I_L в нерабочий период составляет:

${ displaystyle Delta I_ {L_ {Off}} = int _ {DT} ^ {T} { frac { left (V_ {i} -V_ {o} right) dt} {L}} = { frac { left (V_ {i} -V_ {o} right) left (1-D right) T} {L}}}$

Поскольку мы считаем, что преобразователь работает в устойчивое состояние В условиях, 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 выражением:

${ displaystyle E = { frac {1} {2}} LI_ {L} ^ {2}}$

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

${ displaystyle Delta I_ {L_ {On}} + Delta I_ {L_ {Off}} = 0}$

Подстановка ${ displaystyle Delta I_ {L_ {On}}}$ и ${ displaystyle Delta I_ {L_ {Off}}}$ по их выражениям дает:

${ displaystyle Delta I_ {L_ {On}} + Delta I_ {L_ {Off}} = { frac {V_ {i} DT} {L}} + { frac { left (V_ {i} - V_ {o} right) left (1-D right) T} {L}} = 0}$

Это можно записать так:

${ displaystyle { frac {V_ {o}} {V_ {i}}} = { frac {1} {1-D}}}$

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 шаг-вверх конвертер.

Преобразование уравнения показывает, что рабочий цикл будет:

${ displaystyle D = {1 - { frac {V_ {i}} {V_ {o}}}}}$

Прерывистый режим

Рис. 4: Осциллограммы тока и напряжения катушки индуктивности в повышающем преобразователе, работающем в прерывистом режиме.

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. Коэффициент усиления по напряжению можно рассчитать следующим образом:

Поскольку ток индуктора в начале цикла равен нулю, его максимальное значение ${ displaystyle I_ {L_ {Max}}}$ (в ${ displaystyle t = DT}$ ) является

${ displaystyle I_ {L_ {Max}} = { frac {V_ {i} DT} {L}}}$

В нерабочий период я_L падает до нуля после ${ displaystyle delta T}$ :

${ displaystyle I_ {L_ {Max}} + { frac { left (V_ {i} -V_ {o} right) delta T} {L}} = 0}$

Используя два предыдущих уравнения, δ равно:

${ displaystyle delta = { frac {V_ {i} D} {V_ {o} -V_ {i}}}}$

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

${ displaystyle I_ {o} = { bar {I_ {D}}} = { frac {I_ {L_ {max}}} {2}} delta}$

Замена I_Lmax и δ их соответствующими выражениями дает:

${ displaystyle I_ {o} = { frac {V_ {i} DT} {2L}} cdot { frac {V_ {i} D} {V_ {o} -V_ {i}}} = { frac {V_ {i} ^ {2} D ^ {2} T} {2L left (V_ {o} -V_ {i} right)}}}$

Следовательно, коэффициент усиления выходного напряжения можно записать следующим образом:

${ displaystyle { frac {V_ {o}} {V_ {i}}} = 1 + { frac {V_ {i} D ^ {2} T} {2LI_ {o}}}}$

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_я), период коммутации (T) и выходной ток (I_о).

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

${ displaystyle { frac {V_ {o}} {V_ {i}}} = { frac {1 + { sqrt {1 + { frac {4D ^ {2}} {K}}}}} { 2}}}$

куда ${ textstyle К = { гидроразрыва {2L} {RT}}}$ ^[2]

Смотрите также

Повышающий преобразователь от TI калькулятор, генерируя 9 В из 2,4 В, обеспечиваемых двумя Аккумуляторы AA.

Джоуль вор
Бак-конвертер
Понижающий-повышающий преобразователь
Топология Split-pi
Трансформатор
Вибратор (электронный)
Удвоитель напряжения
Умножитель напряжения
В гидроцилиндр можно рассматривать как аналог повышающего преобразователя, используя электронно-гидравлическая аналогия.^[3]^[4]

дальнейшее чтение

Мохан, Нед; Undeland, Tore M .; Роббинс, Уильям П. (2003). Силовая электроника. Хобокен: John Wiley & Sons, Inc. ISBN 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.

внешняя ссылка

[boost-1] «Работа с повышающим преобразователем». Руководство по проектированию LT1070, Карл Нельсон и Джим Уильямс

[2] [1]

[3] Кипурос, Хавьер А .; Лонгория, Рауль Г. (2004-01-29). «Синтез моделей для проектирования коммутируемых систем с использованием формулировки системы с переменной структурой». Журнал динамических систем, измерения и управления. 125 (4): 618–629. Дои:10.1115/1.1636774. ISSN 0022-0434. Насос гидроцилиндра ... по конструкции аналогичен конструкции повышающего преобразователя, что делает его гидравлическим аналогом.

[4] Longoria, R.G .; Kypuros, J.A .; Рейнтер, Х. (1997). «График Бонда и модели рассеяния волн коммутируемого преобразования мощности». 1997 Международная конференция IEEE по системам, человеку и кибернетике. Вычислительная кибернетика и моделирование. 2. С. 1522–1526. Дои:10.1109 / ICSMC.1997.638209. ISBN 978-0-7803-4053-4. Действительно, этот самодействующий насос может многое предложить в параллельном исследовании со своим электрическим кузеном.

[1]

[2]

[3]

[4]