Повышающий преобразователь

Преобразователь мощности постоянного тока в постоянный с выходным напряжением, превышающим его входное напряжение.

Недорогие преобразовательные модули: два понижающих и один повышающий.

Повышающий преобразователь от калькулятора TI , генерирующий 9 В из 2,4 В, обеспечиваемого двумя аккумуляторными элементами типа АА .

Повышающий преобразователь или повышающий преобразователь — это преобразователь постоянного тока в постоянный, который увеличивает напряжение , уменьшая при этом ток , от входа ( питания ) к выходу ( нагрузке ).

Это класс импульсного источника питания (SMPS), содержащий как минимум два полупроводника, диод и транзистор , и как минимум один элемент накопления энергии: конденсатор , катушку индуктивности или оба в комбинации. Чтобы уменьшить пульсации напряжения , к выходу (фильтр на стороне нагрузки) и входу (фильтр на стороне питания) такого преобразователя обычно добавляются фильтры из конденсаторов (иногда в сочетании с катушками индуктивности).

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 напряжение постоянного тока на другое напряжение постоянного тока, называется преобразованием постоянного тока в постоянный. Повышающий преобразователь — это преобразователь постоянного тока в постоянный , выходное напряжение которого превышает напряжение источника. Повышающий преобразователь иногда называют повышающим преобразователем, поскольку он «повышает» напряжение источника. Поскольку мощность ( ) должна сохраняться , выходной ток ниже тока источника. ${\textstyle P=U\cdot I}$

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 возможным создание импульсных источников питания, таких как повышающий преобразователь. Основные преобразователи постоянного тока в постоянный были разработаны в начале 1960-х годов, когда стали доступны полупроводниковые переключатели. Потребность аэрокосмической промышленности в небольших, легких и эффективных преобразователях энергии привела к быстрому развитию преобразователей.

Системы с переключением, такие как SMPS, представляют собой сложную задачу для проектирования, поскольку их модели зависят от того, разомкнут или замкнут переключатель. Р. Д. Миддлбрук из Калифорнийского технологического института в 1977 году опубликовал модели преобразователей постоянного тока в постоянный, используемых сегодня. Миддлбрук усреднил конфигурации схемы для каждого состояния переключателя с помощью метода, называемого усреднением в пространстве состояний. Это упрощение свело две системы в одну. Новая модель привела к созданию содержательных расчетных уравнений, которые способствовали развитию SMPS.

Приложения

Системы аккумуляторного питания

Системы аккумуляторного питания часто объединяют элементы последовательно для достижения более высокого напряжения. Однако во многих приложениях с высоким напряжением достаточная штабелировка ячеек невозможна из-за нехватки места. Повышающие преобразователи позволяют повысить напряжение и уменьшить количество ячеек. Два приложения с батарейным питанием, в которых используются повышающие преобразователи, используются в гибридных электромобилях (HEV) и системах освещения.

В модели NHW20 Toyota Prius HEV используется двигатель на 500 В. Без повышающего преобразователя Prius потребовалось бы почти 417 элементов для питания двигателя. Однако на самом деле Prius использует только 168 элементов ^[1] и повышает напряжение аккумулятора с 202 В до 500 В. Повышающие преобразователи также питают устройства меньшего масштаба, такие как портативные системы освещения. Белому светодиоду для излучения света обычно требуется напряжение 3,3 В, а повышающий преобразователь может повысить напряжение от одного щелочного элемента 1,5 В для питания лампы.

Джоуль вор

Нерегулируемый повышающий преобразователь используется в качестве механизма повышения напряжения в схеме, известной как « вор Джоуля », основанной на концепции блокинг-генератора . Эта топология схемы используется в аккумуляторах малой мощности 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, поскольку многие приложения не позволяют протекать достаточному току через нагрузку при уменьшении напряжения. Это снижение напряжения происходит по мере того, как батареи разряжаются, и является характеристикой повсеместно встречающихся щелочных батарей . Поскольку уравнение для мощности имеет вид , а R имеет тенденцию быть стабильным, мощность, доступная для нагрузки, значительно снижается с уменьшением напряжения. ${\textstyle P={\frac {V^{2}}{R}}}$

Фотоэлектрические элементы

Особый тип повышающих преобразователей, называемый повышающими преобразователями с подъемом напряжения, используется в солнечных фотоэлектрических (PV) системах. Эти преобразователи мощности объединяют пассивные компоненты (диод, катушка индуктивности и конденсатор) традиционного повышающего преобразователя для улучшения качества электроэнергии и повышения производительности всей фотоэлектрической системы. ^[2]

Анализ схемы

Рис. 1. Схема повышающего преобразователя

Рис. 2. Две токовые цепи повышающего преобразователя в зависимости от состояния ключа S

Операция

Анимация конвертера Boost.

Ключевым принципом, который управляет повышающим преобразователем, является тенденция индуктора сопротивляться изменениям тока за счет увеличения или уменьшения энергии, запасенной в магнитном поле индуктора. В повышающем преобразователе выходное напряжение всегда выше входного. Схема каскада повышающей мощности показана на рисунке 1.

• Когда переключатель закрыт (включенное состояние), ток течет через индуктор по часовой стрелке, и индуктор сохраняет некоторую энергию, создавая магнитное поле. Полярность левой стороны дросселя положительная.
• Когда переключатель разомкнут (выключено), энергия ранее созданного магнитного поля будет уменьшена для поддержания тока через индуктор. Полярность индуктора изменится, что означает, что левая сторона индуктора станет отрицательной. В результате ток как от источника напряжения, так и от последовательно включенного индуктора будет суммироваться и перенаправляться через теперь уже смещенный в прямом направлении диод «D» к нагрузке.

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. Кроме того, пока переключатель разомкнут, конденсатор параллельно с нагрузкой заряжается до этого комбинированного напряжения. Когда переключатель затем замыкается и правая сторона замыкается на левую, конденсатор, таким образом, способен подавать напряжение и энергию на нагрузку. В течение этого времени блокировочный диод не дает конденсатору разрядиться через ключ. Разумеется, переключатель необходимо снова разомкнуть достаточно быстро, чтобы не допустить слишком сильного разряда конденсатора.

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

• Во включенном состоянии переключатель S (см. рисунок 1) замкнут, в результате чего ток дросселя увеличивается;
• В выключенном состоянии переключатель разомкнут, и единственный путь для тока через индуктивность лежит через обратный диод D , конденсатор C и нагрузку R. Это приводит к передаче энергии, накопленной во включенном состоянии, в конденсатор.
• Входной ток такой же, как ток дросселя, как показано на рисунке 2. Таким образом, он не является прерывистым, как в понижающем преобразователе , и требования к входному фильтру смягчены по сравнению с понижающим преобразователем.

Непрерывный режим

Когда повышающий преобразователь работает в непрерывном режиме, ток через дроссель ( ) никогда не падает до нуля. На рис. 3 показаны типичные формы тока и напряжения дросселя в преобразователе, работающем в этом режиме. ${\displaystyle I_{L}}$

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

В установившемся состоянии постоянное (среднее) напряжение на индукторе должно быть равно нулю, чтобы после каждого цикла индуктор возвращался в одно и то же состояние, поскольку напряжение на индукторе пропорционально скорости изменения тока, проходящего через него (объясняется в более подробном разделе). подробности ниже). Обратите внимание на рисунке 1, что левая часть L соответствует , а правая часть L соответствует форме сигнала напряжения с рисунка 3. Среднее значение равно , где D — рабочий цикл сигнала, управляющего переключателем. Отсюда мы получаем идеальную передаточную функцию : ${\displaystyle V_{i}}$ ${\displaystyle V_{s}}$ ${\displaystyle V_{s}}$ ${\displaystyle (1-D)V_{o}}$

${\displaystyle V_{i}=(1-D)V_{o}}$

или

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

Мы получаем тот же результат при более детальном анализе следующим образом: Выходное напряжение можно рассчитать следующим образом в случае идеального преобразователя (т.е. с использованием компонентов с идеальным поведением), работающего в установившихся условиях: ^[3]

Во включенном состоянии переключатель S замкнут, в результате чего на индукторе появляется входное напряжение ( ), что вызывает изменение тока ( ), протекающего через индуктор за период времени ( t ), по формуле: ${\displaystyle V_{i}}$ ${\displaystyle I_{L}}$

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

Где L — номинал катушки индуктивности.

Таким образом , в конце включенного состояния увеличение I _L составляет:

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

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 включен) до 1 ( S всегда включен).

В выключенном состоянии переключатель S разомкнут, поэтому ток дросселя протекает через нагрузку. Если мы рассмотрим нулевое падение напряжения на диоде и конденсатор, достаточно большой, чтобы его напряжение оставалось постоянным, эволюция I _L будет следующей:

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

Следовательно, изменение IL _в течение периода выключения составляет:

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

Поскольку мы считаем, что преобразователь работает в 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 индукторе, определяется выражением:

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

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

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

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

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

Это можно записать как:

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

Приведенное выше уравнение показывает, что выходное напряжение всегда выше входного напряжения (поскольку рабочий цикл изменяется от 0 до 1) и что оно увеличивается с увеличением D, теоретически до бесконечности, когда D приближается к 1. Вот почему этот преобразователь иногда называют в качестве повышающего преобразователя .

Перестановка уравнения показывает, что рабочий цикл будет следующим:

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

Прерывистый режим

Если амплитуда пульсаций тока слишком велика, индуктор может полностью разрядиться до окончания всего цикла коммутации. Обычно это происходит при небольших нагрузках. В этом случае ток через дроссель падает до нуля в течение части периода (см. формы сигналов на рисунке 4). Хотя разница невелика, она оказывает сильное влияние на уравнение выходного напряжения.

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

Коэффициент усиления напряжения можно рассчитать следующим образом:

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

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

В период отключения I _L падает до нуля после : ${\displaystyle \delta T}$

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

Используя два предыдущих уравнения, δ будет:

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

Ток нагрузки I _o равен среднему току диода ( I _D ). Как видно на рисунке 4, ток диода равен току дросселя в выключенном состоянии. Среднее значение I _o можно определить геометрически по рисунку 4. Следовательно, выходной ток можно записать как:

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

Замена I _Lmax и δ 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 значительно сложнее. Кроме того, в прерывистом режиме коэффициент усиления выходного напряжения зависит не только от рабочего цикла ( D ), но также от номинала дросселя ( L ), входного напряжения ( Vi ₎ , периода коммутации ( T ) и выходного тока ( я _о ).

Подставив в уравнение ( R – нагрузка), коэффициент усиления выходного напряжения можно переписать как: ${\textstyle I_{0}={\frac {V_{0}}{R}}}$

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

где

${\textstyle K={\frac {2L}{RT}}}$^[4]

Смотрите также

• Джоуль вор
• Понижающий преобразователь
• Повышающе-понижающий преобразователь
• Топология Сплит-Пи
• Трансформатор
• Вибратор (электронный)
• Удвоитель напряжения
• Умножитель напряжения
• Гидравлический цилиндр можно рассматривать как аналог повышающего преобразователя, используя электронно-гидравлическую аналогию . ^{[5] [6]}

дальнейшее чтение

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

Рекомендации

1. «Гибридные батареи: все, что вам нужно знать» .
2. Шарма, Кальяни; Б., Радж Киран (ноябрь 2016 г.). «Имитационный анализ повышающего преобразователя типа с подъемом напряжения для солнечной фотоэлектрической системы». Международный журнал науки и исследований . 5 (11): 1899–1903 - через IJSR.
3. «Работа повышающего преобразователя» .Руководство по проектированию LT1070, Карл Нельсон и Джим Уильямс
4. http://www.ti.com/lit/an/slva061/slva061.pdf ^{[ пустой URL-адрес PDF ]}
5. Кипрурос, Хавьер А.; Лонгория, Рауль Г. (29 января 2004 г.). «Синтез модели для проектирования переключаемых систем с использованием формулировки системы переменной структуры». Журнал динамических систем, измерений и управления . 125 (4): 618–629. дои : 10.1115/1.1636774. ISSN  0022-0434. Гидравлический насос ... по конструкции параллелен конструкции повышающего преобразователя, что делает его гидравлическим аналогом.
6. Лонгория, Р.Г.; Кипрурос, Дж.А.; Рейнтер, Х.М. (1997). «Граф связи и модели рассеяния волн при коммутируемом преобразовании мощности». 1997 Международная конференция IEEE по системам, человеку и кибернетике. Вычислительная кибернетика и моделирование . Том. 2. стр. 1522–1526. doi : 10.1109/ICSMC.1997.638209. ISBN 978-0-7803-4053-4. S2CID  58941781. Действительно, этот самодействующий насос может многое предложить в параллельном исследовании со своим электрическим аналогом.

Внешние ссылки

• Объяснение нелинейного поведения, моделирование и линеаризация повышающего преобразователя постоянного тока в постоянный
• Максимальная выходная мощность повышающего преобразователя для сбора энергии