Несимметричный преобразователь первичной индуктивности - Single-ended primary-inductor converter

Рисунок 1: Схема SEPIC.

В несимметричный преобразователь первичной индуктивности (SEPIC) является разновидностью DC / DC преобразователь что позволяет электрический потенциал (Напряжение ) на его выходе должно быть больше, меньше или равно значению на его входе. Выход SEPIC контролируется рабочий цикл управляющего переключателя (S1).

SEPIC - это, по сути, повышающий преобразователь с последующим перевернутым повышающий преобразователь, поэтому он похож на традиционный повышающий преобразователь, но имеет преимущества наличия неинвертированного выхода (выход имеет ту же полярность напряжения, что и вход), с использованием последовательного конденсатора для передачи энергии от входа к выходу (и, таким образом, может более изящно реагировать на короткое замыкание выхода) , и способность к истинному отключению: когда переключатель S1 достаточно выключен, выход (V0) падает до 0 В после довольно значительного временного сброса заряда.[1]

SEPIC полезны в приложениях, в которых напряжение батареи может быть выше или ниже предполагаемого выхода регулятора. Например, сингл литий-ионный аккумулятор обычно разряжается от 4,2 вольт до 3 вольт; если для других компонентов требуется 3,3 вольта, то SEPIC будет эффективен.

Схема работы

В принципиальная схема для базового SEPIC показано на рисунке 1. Как и в случае с другими импульсные источники питания (конкретно Преобразователи постоянного тока в постоянный ), SEPIC обменивается энергией между конденсаторы и индукторы чтобы конвертировать от одного напряжения к другому. Количество обмениваемой энергии регулируется переключателем S1, который обычно представляет собой транзистор, такой как МОП-транзистор. МОП-транзисторы предлагают гораздо более высокий входной импеданс и более низкий падение напряжения чем биполярные переходные транзисторы (БЮТ ), и не требуют резисторов смещения, поскольку переключение MOSFET контролируется разницей в напряжении, а не током, как в случае BJT.

Непрерывный режим

Считается, что SEPIC находится в режиме непрерывной проводимости («непрерывном режиме»), если Текущий через дроссель L1 никогда не падает до нуля. Во время SEPIC устойчивое состояние во время работы среднее напряжение на конденсаторе С1 (VC1) равно входному напряжению (Vв). Поскольку конденсатор C1 блокирует постоянный ток (DC), средний ток через него (яC1) равен нулю, что делает катушку индуктивности L2 единственным источником постоянного тока нагрузки. Следовательно, средний ток через индуктор L2 (яL2) совпадает со средним током нагрузки и, следовательно, не зависит от входного напряжения.

Рассматривая средние напряжения, можно записать следующее:

Поскольку среднее напряжение VC1 равно VВ, VL1 = −VL2. По этой причине два индуктора могут быть намотаны на одном сердечнике, который начинает напоминать Обратный преобразователь, самая простая из топологий ИИП с трансформаторной изоляцией. Поскольку напряжения одинаковы по величине, их влияние на взаимную индуктивность будет равно нулю, если полярность обмоток правильная. Кроме того, поскольку напряжения одинаковы по величине, токи пульсаций от двух катушек индуктивности будут одинаковыми по величине.

Средние токи можно суммировать следующим образом (средние токи конденсаторов должны быть равны нулю):

Когда переключатель S1 включен, ток яL1 увеличивается и текущая яL2 идет более отрицательно. (Математически она уменьшается в зависимости от направления стрелки.) Энергия для увеличения тока яL1 поступает от источника входного сигнала. Поскольку S1 замкнут на короткое время, а мгновенное напряжение VL1 примерно VВ, напряжение VL2 примерно -VC1. Следовательно, D1 открывается, и конденсатор C1 подает энергию для увеличения величины тока в яL2 и, таким образом, увеличивают энергию, запасенную в L2. яL поставляется C2. Самый простой способ визуализировать это - рассмотреть напряжения смещения в цепи постоянного тока. состояние, затем закройте S1.

Рисунок 2: При замкнутом S1 ток увеличивается через L1 (зеленый), а C1 разряжает увеличивающийся ток в L2 (красный)

Когда переключатель S1 выключен, ток яC1 становится таким же, как текущий яL1, поскольку индукторы не допускают мгновенных изменений тока. Электрический ток яL2 продолжит движение в отрицательном направлении, фактически никогда не изменит направление на противоположное. Из диаграммы видно, что отрицательный яL2 добавит к текущему яL1 для увеличения тока, подаваемого на нагрузку. С помощью Текущий закон Кирхгофа, можно показать, что яD1 = яC1 - яL2. Затем можно сделать вывод, что пока S1 выключен, питание на нагрузку подается как от L2, так и от L1. C1, однако, заряжается L1 во время этого выключенного цикла (как C2 L1 и L2), и, в свою очередь, будет заряжать L2 во время следующего цикла включения.

Рисунок 3: Когда S1 разомкнут, ток через L1 (зеленый) и ток через L2 (красный) создают ток через нагрузку.

Поскольку потенциал (напряжение) на конденсаторе C1 может менять направление в каждом цикле, следует использовать неполяризованный конденсатор. Однако в некоторых случаях может использоваться поляризованный тантал или электролитический конденсатор,[2] потому что потенциал (напряжение) на конденсаторе C1 не изменится, если переключатель не замкнут на время, достаточное для полупериода резонанса с индуктором L2, и к этому времени ток в индукторе L1 может быть довольно большим.

Конденсатор CВ не влияет на анализ идеальной схемы, но требуется в реальных схемах регуляторов, чтобы уменьшить влияние паразитной индуктивности и внутреннего сопротивления источника питания.

Возможности повышения / понижения мощности SEPIC возможны благодаря конденсатору C1 и катушке индуктивности L2. Индуктор L1 и переключатель S1 образуют эталон. повышающий преобразователь, который генерирует напряжение (VS1) что выше, чем VВ, величина которого определяется скважностью переключателя S1. Поскольку среднее напряжение на C1 равно VВ, выходное напряжение (VО) является VS1 - VВ. Если VS1 меньше чем вдвое VВ, то выходное напряжение будет меньше входного. Если VS1 больше чем в два раза VВ, то выходное напряжение будет больше входного.


Прерывистый режим

Считается, что SEPIC находится в режиме прерывистой проводимости или прерывистом режиме, если Текущий через катушку индуктивности L2 допускается падение до нуля.

Надежность и эффективность

Падение напряжения и время переключения диода D1 имеют решающее значение для надежности и эффективности SEPIC. Время переключения диода должно быть очень быстрым, чтобы не генерировать всплески высокого напряжения на индукторах, которые могут вызвать повреждение компонентов. Быстрый обычные диоды или же Диоды Шоттки может быть использовано.

Сопротивления катушек индуктивности и конденсаторов также могут иметь большое влияние на КПД преобразователя и пульсации на выходе. Индукторы с более низким последовательным сопротивлением позволяют меньше энергии рассеиваться в виде тепла, что приводит к большей эффективности (большая часть входной мощности передается на нагрузку). Конденсаторы с низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) также следует использовать для C1 и C2, чтобы минимизировать пульсации и предотвратить накопление тепла, особенно в C1, где ток часто меняет направление.

Недостатки

  • Словно понижающий-повышающий преобразователь, SEPIC имеет пульсирующий выходной ток. Подобный Конвертер Ćuk не имеет этого недостатка, но может иметь только отрицательную выходную полярность, если не используется изолированный преобразователь uk.
  • Поскольку преобразователь SEPIC передает всю свою энергию через последовательный конденсатор, требуется конденсатор с высокой емкостью и способностью выдерживать ток.
  • Природа преобразователя четвертого порядка также затрудняет управление преобразователем SEPIC, что делает его пригодным только для очень медленно меняющихся приложений.

Смотрите также

Рекомендации

  • Маниктала, Санджая. Дизайн и оптимизация импульсных источников питания, Макгроу-Хилл, Нью-Йорк, 2005 г.
  • Уравнения SEPIC и рейтинги компонентов, Максим Интегрированные Продукты. Appnote 1051, 2005 г..
  • Конвертер TM SEPIC в предварительном регуляторе PFC, STMicroelectronics. Примечание по применению AN2435. В этой инструкции по применению представлено основное уравнение преобразователя SEPIC в дополнение к практическому примеру конструкции.
  1. ^ Роберт Уоррен, Эриксон (1997). Основы силовой электроники. Чепмен и Холл.
  2. ^ Дунбин Чжан, Разработка преобразователя Sepic. Май 2006 г., исправлено в апреле 2013 г. Ранее National Semiconductor Application Note 1484, теперь Texas Instruments Application Report SNVA168E.