Чук-конвертер

Тип преобразователя электрического тока

Сравнение неизолированных коммутационных топологий DC-DC преобразователей: Buck , Boost , Buck-Boost , Ćuk. Вход слева, выход с нагрузкой справа. Обычно коммутатор — это MOSFET , IGBT или BJT транзистор.

Преобразователь Ćuk ^[1] ( сербскохорватский: [tɕûːk] , английский: / ˈtʃuːk / ) — это тип повышающе -понижающего преобразователя с низким уровнем пульсаций тока . ^[2] Преобразователь Ćuk можно рассматривать как комбинацию повышающего преобразователя и понижающего преобразователя , имеющую одно коммутационное устройство и общий конденсатор для объединения энергии.

Подобно преобразователю buck-boost с инвертирующей топологией, выходное напряжение неизолированного преобразователя Ćuk обычно инвертируется, с более низкими или более высокими значениями по отношению к входному напряжению. В то время как преобразователи постоянного тока в постоянный ток обычно используют индуктор в качестве основного компонента хранения энергии, преобразователь Ćuk вместо этого использует конденсатор в качестве основного компонента хранения энергии. Он назван в честь Слободана Ćuk из Калифорнийского технологического института , который первым представил эту конструкцию. ^[3]

Неизолированный преобразователь Чука

Существуют вариации базового преобразователя Ćuk. Например, катушки могут совместно использовать один магнитный сердечник, что снижает выходную пульсацию и повышает эффективность. Поскольку передача мощности непрерывно протекает через конденсатор, этот тип коммутатора минимизирует электромагнитное излучение . Преобразователь Ćuk позволяет энергии течь двунаправленно с помощью диода и коммутатора.

Принцип действия

Неизолированный преобразователь Чука состоит из двух индукторов , двух конденсаторов , переключателя (обычно транзистора ) и диода . Его схема представлена ​​на рисунке 1. Это инвертирующий преобразователь, поэтому выходное напряжение отрицательно по отношению к входному напряжению.

Главным преимуществом этого преобразователя является непрерывный ток на входе и выходе преобразователя. Главным недостатком является высокая токовая нагрузка на переключатель. ^[4]

Рис. 1: Принципиальная схема преобразователя Чука.

Для передачи энергии используется конденсатор С1 _, который попеременно подключается к входу и выходу преобразователя через коммутацию транзистора и диода (см. рисунки 2 и 3).

Две катушки индуктивности L ₁ и L ₂ используются для преобразования соответственно источника входного напряжения ( V _s ) и выходного напряжения ( V _o ) в источники тока. В краткосрочной шкале катушку индуктивности можно рассматривать как источник тока, поскольку она поддерживает постоянный ток. Это преобразование необходимо, поскольку если бы конденсатор был подключен напрямую к источнику напряжения, ток ограничивался бы только паразитным сопротивлением, что приводило бы к высоким потерям энергии. Зарядка конденсатора источником тока (катушкой индуктивности) предотвращает ограничение резистивного тока и связанные с ним потери энергии.

Как и другие преобразователи ( понижающий преобразователь , повышающий преобразователь , повышающе-понижающий преобразователь ), преобразователь Ćuk может работать как в режиме непрерывного, так и в режиме прерывистого тока. Однако, в отличие от этих преобразователей, он может работать и в режиме прерывистого напряжения (напряжение на конденсаторе падает до нуля во время цикла коммутации).

Непрерывный режим

Рис. 2: Два рабочих состояния неизолированного преобразователя Чука.

В устойчивом состоянии энергия, запасенная в каждой катушке индуктивности, должна оставаться одинаковой в начале и в конце цикла коммутации. Энергия в катушке индуктивности определяется по формуле:

${\displaystyle E={\frac {1}{2}}LI^{2}.}$

Это означает, что ток через каждый индуктор должен быть одинаковым в начале и конце цикла коммутации. Поскольку эволюция тока через индуктор связана с напряжением на нем:

${\displaystyle V_{L}=L{\frac {dI}{dt}},}$

можно увидеть, что среднее значение напряжения каждого индуктора за период коммутации должно быть равно нулю, чтобы удовлетворить требованиям устойчивого состояния. (Другой способ увидеть это — признать, что среднее напряжение на любом индукторе должно быть равно нулю, чтобы его ток не возрастал без ограничений.)

Если учесть, что конденсаторы C ₁ и C ₂ достаточно велики, чтобы пульсация напряжения на них была незначительной, то напряжения на индукторах становятся:

• в выключенном состоянии индуктивность L ₁ соединена последовательно с V _s и C ₁ (см. рисунок 2). Следовательно . Поскольку диод D смещен в прямом направлении (мы считаем нулевое падение напряжения), L ₂ напрямую соединена с выходным конденсатором. Следовательно ${\textstyle V_{L1}=V_{s}-V_{C1}}$ ${\displaystyle V_{L2}=V_{o}}$
• в состоянии «включено» индуктор L ₁ напрямую подключен к входному источнику. Поэтому . Индуктор L ₂ подключен последовательно с C и выходным конденсатором, поэтому ${\textstyle V_{L1}=V_{s}}$ ${\displaystyle V_{L2}=V_{o}+V_{C}}$

Рис. 3: Два рабочих состояния неизолированного преобразователя Ćuk. Диод и переключатель упрощенно представлены либо как короткое замыкание, когда они включены, либо как разомкнутая цепь, когда они выключены. В выключенном состоянии конденсатор C заряжается входным источником через катушку индуктивности L ₁ . В включенном состоянии конденсатор C передает энергию выходному конденсатору через индуктивность L ₂ .

Преобразователь работает в состоянии «включено» от до ( D — рабочий цикл ), а в состоянии «выключено» от D·T до T (то есть в течение периода, равного ). Средние значения V _L1 и V _L2 , таким образом, равны: ${\textstyle t=0}$ ${\textstyle t=DT}$ ${\textstyle (1-D)T}$

${\displaystyle {\bar {V}}_{L1}=D\cdot V_{s}+\left(1-D\right)\cdot \left(V_{s}-V_{C}\right)=\left(V_{s}-(1-D)\cdot V_{C}\right)}$

${\displaystyle {\bar {V}}_{L2}=D\left(V_{o}+V_{C}\right)+\left(1-D\right)\cdot V_{o}=\left(V_{o}+D\cdot V_{C}\right)}$

Поскольку для удовлетворения условий устойчивого состояния оба средних напряжения должны быть равны нулю, используя последнее уравнение, мы можем записать:

${\displaystyle V_{C}=-{\frac {V_{o}}{D}}}$

Таким образом, среднее напряжение на L ₁ становится:

${\displaystyle {\bar {V}}_{L1}=\left(V_{s}+(1-D)\cdot {\frac {V_{o}}{D}}\right)=0}$

Что можно записать как:

${\displaystyle {\frac {V_{o}}{V_{s}}}=-{\frac {D}{1-D}}}$

Видно, что это соотношение такое же, как и полученное для понижающе-повышающего преобразователя .

Прерывистый режим

Как и все DC/DC-преобразователи, преобразователи Ćuk полагаются на способность индукторов в цепи обеспечивать непрерывный ток, во многом так же, как конденсатор в фильтре выпрямителя обеспечивает непрерывное напряжение. Если этот индуктор слишком мал или ниже «критической индуктивности», то наклон тока индуктора будет прерывистым, когда ток станет равным нулю. Это состояние работы обычно не изучается достаточно глубоко, поскольку оно, как правило, не используется за пределами демонстрации того, почему минимальная индуктивность имеет решающее значение, хотя это может произойти при поддержании напряжения в режиме ожидания при гораздо более низком токе, чем был разработан преобразователь.

Минимальная индуктивность определяется по формуле:

${\displaystyle L_{1}min={\frac {(1-D)^{2}R}{2Df_{s}}}}$

Где частота переключения. ${\displaystyle f_{s}}$

Изолированный преобразователь Чука

Для изолированной версии преобразователя Ćuk необходимо добавить трансформатор переменного тока и дополнительный конденсатор. ^[5] Поскольку изолированный преобразователь Ćuk изолирован, полярность выходного напряжения можно выбирать свободно.

Изолированный преобразователь Чука с трансформатором переменного тока без зазора.

Как и неизолированный преобразователь Ćuk, изолированный преобразователь Ćuk может иметь выходное напряжение, которое либо больше, либо меньше входного напряжения, даже с трансформатором переменного тока 1:1. Однако соотношение витков можно контролировать, чтобы уменьшить нагрузку на устройство на входной стороне. Кроме того, паразитные элементы трансформатора, а именно индуктивность рассеяния и индуктивность намагничивания, можно использовать для преобразования схемы в резонансную схему преобразователя, которая имеет значительно улучшенную эффективность.

Связанные структуры

Индукторная связь

Вместо использования двух дискретных индукторных компонентов многие проектировщики реализуют связанный индуктор Ćuk преобразователь , используя один магнитный компонент, который включает оба индуктора на одном сердечнике. Трансформаторное действие между индукторами внутри этого компонента дает связанный индуктор Ćuk преобразователь с более низкой выходной пульсацией, чем Ćuk преобразователь, использующий два независимых дискретных индукторных компонента. ^[6]

Дзета-конвертер

Дзета-преобразователь — это неизолированная, неинвертирующая, повышающе-понижающая топология источника питания. ^{[ необходима ссылка ]}

Однотактный первичный индукторный преобразователь (SEPIC)

Преобразователь SEPIC способен повышать или понижать напряжение.

Патенты

• Патент США 4257087, ^[7] поданный в 1979 году, « Импульсный преобразователь постоянного тока с нулевой пульсацией входного и выходного тока и встроенными магнитными цепями », изобретатель Слободан Чук .
• Патент США 4274133, ^[8] поданный в 1979 году, « Преобразователь постоянного тока с уменьшенной пульсацией без необходимости регулировки », изобретатели Слободан Чук и Р. Д. Миддлбрук .
• Патент США 4184197, ^[9] поданный в 1977 году, « Преобразователь постоянного тока в постоянный », изобретатели Слободан Чук и Р. Д. Миддлбрук .

Дальнейшее чтение

• Силовая электроника, том 4: Усреднение в пространстве состояний и преобразователи Чука ; Чук Слободан; 378 страниц; 2016; ISBN  978-1519520289 .

Ссылки

1. Иногда неправильно пишутся Cuk , Čuk или Cúk .
2. Anushree, Anushree (2020-08-03). "Что такое преобразователь Ćuk?". eepower.com . Архивировано из оригинала 2021-02-03 . Получено 2021-01-28 .
3. Чук, Слободан; Миддлбрук, РД (8 июня 1976 г.). Общий унифицированный подход к моделированию силовых каскадов импульсных преобразователей (PDF) . Труды конференции специалистов по силовой электронике IEEE. Кливленд, Огайо. С. 73–86 . Получено 31 декабря 2008 г.
4. Петрочелли, Р. (2015). «Одноквадрантные импульсные преобразователи мощности». В Бейли, Р. (ред.). Труды Школы ускорителей CAS–CERN: преобразователи мощности. Женева: ЦЕРН . стр. 131. arXiv : 1607.02868 . doi : 10.5170/CERN-2015-003. ISBN 9789290834151.
5. boostbuck.com: Простая конструкция оптимальной топологии семейства преобразователей мощности Boostbuck (Cuk): как спроектировать трансформатор в преобразователе Cuk
6. Четыре топологии Boostbuck
7. Патент США 4257087.: «Преобразователь постоянного тока с нулевой пульсацией входного и выходного тока и встроенными магнитными цепями», подан 2 апреля 1979 г., получен 15 января 2017 г.
8. Патент США 4274133.: «Преобразователь постоянного тока в постоянный, имеющий сниженную пульсацию без необходимости регулировки», подан 20 июня 1979 г., получен 15 января 2017 г.
9. Патент США 4184197.: «DC-to-DC импульсный преобразователь», подан 28 сентября 1977 г., получен 15 января 2017 г.

Внешние ссылки

• Топология Фон