DC -DC преобразователь — это электронная схема или электромеханическое устройство, которое преобразует источник постоянного тока (DC) из одного уровня напряжения в другой. Это тип преобразователя электроэнергии . Уровни мощности варьируются от очень низких (маленькие батареи) до очень высоких (высоковольтная передача электроэнергии).
До разработки силовых полупроводниковых приборов одним из способов преобразования напряжения постоянного тока в более высокое напряжение для маломощных приложений было преобразование его в переменный ток с помощью вибратора , затем повышающего трансформатора и, наконец, выпрямителя . [1] [2] Там, где требовалась более высокая мощность, часто использовался блок мотор-генератора , в котором электродвигатель приводил в действие генератор, который вырабатывал требуемое напряжение. (Двигатель и генератор могли быть отдельными устройствами или их можно было объединить в один блок «динамомотор» без внешнего вала мощности.) Эти относительно неэффективные и дорогие конструкции использовались только тогда, когда не было альтернативы, например, для питания автомобильного радиоприемника (в котором тогда использовались термоэлектронные лампы (трубки), требующие гораздо более высокого напряжения, чем можно получить от автомобильного аккумулятора на 6 или 12 В). [1]
Внедрение силовых полупроводников и интегральных схем сделало это экономически выгодным с использованием методов, описанных ниже. Например, во-первых, это преобразование постоянного тока в высокочастотный переменный ток в качестве входа трансформатора — он небольшой, легкий и дешевый из-за высокой частоты — который изменяет напряжение, которое выпрямляется обратно в постоянный ток. [3] Хотя к 1976 году транзисторные автомобильные радиоприемники не требовали высокого напряжения, некоторые радиолюбители продолжали использовать вибрационные источники питания и динамо-моторы для мобильных приемопередатчиков, требующих высокого напряжения, хотя транзисторные источники питания были доступны. [4]
Хотя можно было получить более низкое напряжение из более высокого с помощью линейного регулятора или даже резистора, эти методы рассеивали избыток в виде тепла; энергоэффективное преобразование стало возможным только с использованием твердотельных импульсных схем.
Преобразователи постоянного тока в постоянный используются в портативных электронных устройствах, таких как сотовые телефоны и ноутбуки , которые питаются в основном от батарей . Такие электронные устройства часто содержат несколько подсхем , каждая из которых имеет свои собственные требования к уровню напряжения, отличные от того, что обеспечивается батареей или внешним источником питания (иногда выше или ниже напряжения питания). Кроме того, напряжение батареи снижается по мере истощения ее запасенной энергии. Импульсные преобразователи постоянного тока в постоянный предлагают метод повышения напряжения от частично пониженного напряжения батареи, тем самым экономя место вместо использования нескольких батарей для достижения той же цели.
Большинство схем DC-DC преобразователей также регулируют выходное напряжение. Некоторые исключения включают высокоэффективные источники питания светодиодов , которые являются своего рода DC-DC преобразователем, регулирующим ток через светодиоды, и простые зарядные насосы , которые удваивают или утраивают выходное напряжение.
Преобразователи постоянного тока, предназначенные для максимального сбора энергии для фотоэлектрических систем и ветряных турбин , называются оптимизаторами мощности .
Трансформаторы, используемые для преобразования напряжения на частотах сети 50–60 Гц, должны быть большими и тяжелыми для мощностей, превышающих несколько ватт. Это делает их дорогими, и они подвержены потерям энергии в своих обмотках и из-за вихревых токов в своих сердечниках. Методы преобразования постоянного тока в постоянный, которые используют трансформаторы или индукторы, работают на гораздо более высоких частотах, требуя только гораздо меньших, более легких и дешевых намотанных компонентов. Следовательно, эти методы используются даже там, где можно использовать сетевой трансформатор; например, для бытовых электронных приборов предпочтительнее выпрямлять сетевое напряжение в постоянный ток, использовать методы переключения для преобразования его в высокочастотный переменный ток с требуемым напряжением, затем, как правило, выпрямлять в постоянный ток. Вся сложная схема дешевле и эффективнее, чем простая схема сетевого трансформатора той же мощности. Преобразователи постоянного тока в постоянный ток широко используются для приложений микросетей постоянного тока в контексте различных уровней напряжения.
Импульсные преобразователи или преобразователи постоянного тока в постоянный с импульсным режимом временно сохраняют входную энергию, а затем высвобождают ее на выходе при другом напряжении, которое может быть выше или ниже. Хранилище может находиться либо в компонентах хранения магнитного поля (индукторы, трансформаторы), либо в компонентах хранения электрического поля (конденсаторы). Этот метод преобразования может увеличивать или уменьшать напряжение. Импульсное преобразование часто более энергоэффективно (типичная эффективность составляет от 75% до 98%), чем линейное регулирование напряжения, которое рассеивает нежелательную мощность в виде тепла. Для эффективности требуются быстрые времена нарастания и спада полупроводникового прибора; однако эти быстрые переходы в сочетании с паразитными эффектами компоновки усложняют проектирование схемы. [5] Более высокая эффективность импульсного преобразователя снижает необходимый теплоотвод и увеличивает срок службы батареи портативного оборудования. Эффективность улучшилась с конца 1980-х годов из-за использования силовых полевых транзисторов , которые способны переключаться более эффективно с меньшими потерями на переключение на более высоких частотах, чем силовые биполярные транзисторы , и используют менее сложную схему управления. Другим важным усовершенствованием DC-DC-преобразователей является замена обратного диода на синхронное выпрямление [6] с использованием мощного полевого транзистора, чье «сопротивление при включении» намного ниже, что снижает потери при переключении. До широкого распространения силовых полупроводников маломощные синхронные DC-DC-преобразователи состояли из электромеханического вибратора, за которым следовал повышающий трансформатор напряжения, питающий вакуумную лампу или полупроводниковый выпрямитель, или контакты синхронного выпрямителя на вибраторе.
Большинство преобразователей постоянного тока в постоянный ток предназначены для перемещения мощности только в одном направлении, от выделенного входа к выходу. Однако все топологии импульсных регуляторов можно сделать двунаправленными и способными перемещать мощность в любом направлении, заменив все диоды на независимо управляемое активное выпрямление . Двунаправленный преобразователь полезен, например, в приложениях, требующих рекуперативного торможения транспортных средств, где мощность подается на колеса во время движения, но подается колесами при торможении.
Хотя им требуется немного компонентов, импульсные преобразователи являются сложными в электронном плане. Как и все высокочастотные схемы, их компоненты должны быть тщательно определены и физически расположены для достижения стабильной работы и поддержания коммутационного шума ( EMI/RFI ) на приемлемом уровне. [7] Их стоимость выше, чем у линейных регуляторов в приложениях с падением напряжения, но их стоимость снижается с достижениями в проектировании микросхем.
DC-DC-преобразователи доступны в виде интегральных схем (ИС), требующих немного дополнительных компонентов. Преобразователи также доступны в виде полных гибридных схемных модулей, готовых к использованию в электронной сборке.
Линейные стабилизаторы , которые используются для вывода стабильного постоянного тока независимо от входного напряжения и выходной нагрузки с более высокого, но менее стабильного входа путем рассеивания избыточных вольт-ампер в виде тепла , можно было бы буквально описать как преобразователи постоянного тока в постоянный, но это не обычное использование. (То же самое можно сказать и о простом резисторе -дросселе , стабилизированном или нет следующим стабилизатором напряжения или стабилитроном .)
Существуют также простые схемы емкостного удвоителя напряжения и умножителя Диксона, использующие диоды и конденсаторы для умножения постоянного напряжения на целое число, обычно выдающие лишь небольшой ток.
В этих преобразователях постоянного тока в постоянный энергия периодически сохраняется внутри и высвобождается из магнитного поля в индукторе или трансформаторе , как правило, в диапазоне частот от 300 кГц до 10 МГц. Регулируя рабочий цикл зарядного напряжения (то есть соотношение времени включения/выключения), можно легче контролировать количество мощности, передаваемой нагрузке, хотя этот контроль может также применяться к входному току, выходному току или для поддержания постоянной мощности. Преобразователи на основе трансформатора могут обеспечивать изоляцию между входом и выходом. В общем, термин преобразователь постоянного тока в постоянный относится к одному из этих импульсных преобразователей. Эти схемы являются сердцем импульсного источника питания . Существует множество топологий. В этой таблице показаны наиболее распространенные из них.
Кроме того, каждая топология может быть:
Магнитные преобразователи постоянного тока в постоянный могут работать в двух режимах в зависимости от тока в его основном магнитном компоненте (индукторе или трансформаторе):
Преобразователь может быть спроектирован для работы в непрерывном режиме при высокой мощности и в прерывистом режиме при низкой мощности.
Топологии полумоста и обратного хода схожи в том, что энергия, запасенная в магнитном сердечнике , должна рассеиваться, чтобы сердечник не насыщался. Передача мощности в обратном ходе ограничена количеством энергии, которая может быть запасена в сердечнике, в то время как прямые цепи обычно ограничены характеристиками I/V переключателей.
Хотя переключатели MOSFET могут выдерживать одновременно полный ток и напряжение (хотя тепловые нагрузки и электромиграция могут сократить среднее время безотказной работы ), биполярные переключатели, как правило, не могут этого сделать, поэтому требуют использования демпфера ( или двух).
Сильноточные системы часто используют многофазные преобразователи, также называемые чередующимися преобразователями. [9] [10] [11] Многофазные регуляторы могут иметь лучшую пульсацию и лучшее время отклика, чем однофазные регуляторы. [12]
Многие материнские платы ноутбуков и настольных компьютеров включают в себя чередующиеся понижающие стабилизаторы, иногда в качестве модуля регулятора напряжения . [13]
Особенностью этих преобразователей является то, что энергия течет в обоих направлениях преобразователя. Эти преобразователи обычно используются в различных приложениях, и они подключаются между двумя уровнями постоянного напряжения, где энергия передается с одного уровня на другой. [14]
Несколько изолированных двунаправленных преобразователей постоянного тока в постоянный также обычно используются в случаях, когда необходима гальваническая развязка . [15]
Преобразователи с коммутируемыми конденсаторами полагаются на попеременное подключение конденсаторов к входу и выходу в различных топологиях. Например, преобразователь с коммутируемыми конденсаторами может заряжать два конденсатора последовательно, а затем разряжать их параллельно. Это даст ту же выходную мощность (меньше, чем та, что теряется из-за эффективности ниже 100%) при, в идеале, половине входного напряжения и удвоенном токе. Поскольку они работают на дискретных количествах заряда, их также иногда называют преобразователями с подкачкой заряда . Они обычно используются в приложениях, требующих относительно небольших токов, так как при более высоких токах повышенная эффективность и меньший размер преобразователей с импульсным режимом делают их лучшим выбором. [16] Они также используются при чрезвычайно высоких напряжениях, так как магнетики будут разрушаться при таких напряжениях.
Мотор-генераторная установка, в основном представляющая исторический интерес, состоит из электродвигателя и генератора, соединенных вместе. Динамотор объединяет обе функции в единое устройство с катушками для функций как двигателя, так и генератора, намотанными вокруг одного ротора; обе катушки совместно используют одни и те же внешние катушки поля или магниты. [4] Обычно катушки двигателя приводятся в действие от коммутатора на одном конце вала, когда катушки генератора выводятся на другой коммутатор на другом конце вала. Весь узел ротора и вала меньше по размеру, чем пара машин, и может не иметь никаких открытых приводных валов.
Мотор-генераторы могут преобразовывать между любой комбинацией постоянного и переменного напряжения и фазовых стандартов. Большие мотор-генераторные установки широко использовались для преобразования промышленных объемов энергии, в то время как меньшие блоки использовались для преобразования энергии батареи (6, 12 или 24 В постоянного тока) в высокое постоянное напряжение, которое требовалось для работы оборудования на вакуумных лампах (термоэлектронных клапанах).
Для более низких требований к мощности при напряжениях, превышающих подаваемые аккумулятором транспортного средства, использовались вибрационные или «зуммерные» источники питания. Вибратор колебался механически, с контактами, которые переключали полярность аккумулятора много раз в секунду, эффективно преобразуя постоянный ток в прямоугольный переменный ток, который затем мог подаваться на трансформатор требуемого выходного напряжения(й). [1] Он издавал характерный жужжащий звук.
Еще одним способом преобразования постоянного тока в постоянный в диапазоне от киловатт до мегаватт является использование проточных окислительно-восстановительных батарей, таких как ванадиевая окислительно-восстановительная батарея .
Преобразователи постоянного тока подвержены различным типам хаотической динамики, таким как бифуркация , [17] кризис и прерывистость . [18] [19]
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite book}}: |website=проигнорировано ( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )