Повышающе-понижающий преобразователь

Повышающе -понижающий преобразователь — это тип преобразователя постоянного тока , у которого величина выходного напряжения либо больше, либо меньше величины входного напряжения. Это эквивалентно обратноходовому преобразователю , в котором вместо трансформатора используется один индуктор. ^{[ 1 ]} Две разные топологии называются повышающе-понижающим преобразователем . Оба они могут создавать диапазон выходных напряжений: от намного большего (по абсолютной величине), чем входное напряжение, до почти нуля.

В инвертирующей топологии выходное напряжение имеет противоположную полярность , чем входное. Это импульсный источник питания , схема которого аналогична схеме повышающего преобразователя и понижающего преобразователя . Выходное напряжение регулируется в зависимости от рабочего цикла переключающего транзистора. Одним из возможных недостатков этого преобразователя является то, что переключатель не имеет заземления; это усложняет схему управления. Однако этот недостаток не имеет значения, если источник питания изолирован от цепи нагрузки (если, например, источником питания является аккумулятор), поскольку полярность питания и диода можно просто поменять местами. Если их можно поменять местами, переключатель можно разместить либо на стороне заземления, либо на стороне питания.

Когда понижающий (понижающий) преобразователь объединяется с повышающим (повышающим) преобразователем , выходное напряжение обычно имеет ту же полярность, что и входное, и может быть ниже или выше входного. В таком неинвертирующем повышающе-понижающем преобразователе может использоваться один дроссель, который используется как в режиме понижающего, так и в режиме повышающего дросселя, с использованием переключателей вместо диодов. ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]} иногда называемый «понижающе-повышающим преобразователем с четырьмя переключателями», ^{[ 4 ]} он может использовать несколько индукторов, но только один переключатель, как в топологиях SEPIC и Ćuk .

Принцип работы инвертирующей топологии

Основной принцип инвертирующего повышающе-понижающего преобразователя довольно прост (см. рисунок 2):

в состоянии «Включено» источник входного напряжения напрямую подключен к дросселю (L). Это приводит к накоплению энергии в L. На этом этапе конденсатор подает энергию на выходную нагрузку.
в выключенном состоянии дроссель подключен к выходной нагрузке и конденсатору, поэтому энергия передается от L к C и R.

По сравнению с понижающими и повышающими преобразователями инвертирующий понижающе-повышающий преобразователь имеет следующие характеристики:

полярность выходного напряжения противоположна входному;
выходное напряжение может плавно изменяться от 0 до $\scriptstyle -\infty$ (для идеального преобразователя). Диапазоны выходного напряжения для понижающего и повышающего преобразователя соответственно $\scriptstyle V_{i}$ до 0 и $\scriptstyle V_{i}$ к $\scriptstyle \infty$ .

Концептуальный обзор

» дросселя Как и в случае с понижающими и повышающими преобразователями, работу повышающе-понижающего преобразователя лучше всего понимать с точки зрения « нежелания допускать быстрое изменение тока. Из исходного состояния, в котором ничего не заряжено и ключ разомкнут, ток через индуктор равен нулю. Когда переключатель впервые замыкается, блокирующий диод предотвращает протекание тока в правую часть цепи, поэтому весь ток должен течь через дроссель. Однако, поскольку индуктор не допускает быстрого изменения тока, он изначально будет поддерживать ток на низком уровне, снижая большую часть напряжения, обеспечиваемого источником.

Со временем индуктор позволит току медленно увеличиваться за счет уменьшения собственного сопротивления. В идеальной схеме падение напряжения на катушке индуктивности останется постоянным. Если принять во внимание собственное сопротивление проводов и переключателя, падение напряжения на индукторе также будет уменьшаться по мере увеличения тока. Также за это время индуктор будет запасать энергию в виде магнитного поля.

Непрерывный режим

Если ток через дроссель L никогда не падает до нуля в течение цикла коммутации, говорят, что преобразователь работает в непрерывном режиме. Формы сигналов тока и напряжения в идеальном преобразователе можно увидеть на рисунке 3.

От $t=0$ к $t=DT$ , преобразователь находится во включенном состоянии, поэтому переключатель S замкнут. Таким образом, скорость изменения тока дросселя ( I _L ) определяется выражением

{\frac {\operatorname {d} I_{L}}{\operatorname {d} t}}={\frac {V_{i}}{L}}

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

\Delta I_{{\text{L}}_{\text{On}}}=\int _{0}^{D\,T}\operatorname {d} I_{\text{L}}=\int _{0}^{D\,T}{\frac {V_{i}}{L}}\,\operatorname {d} t={\frac {V_{i}\,D\,T}{L}}

D — рабочий цикл. Он представляет собой долю периода коммутации T, в течение которого переключатель находится во включенном состоянии. 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 предположим, что падение напряжения на диоде равно нулю, а конденсатор достаточно большой, чтобы его напряжение оставалось постоянным, эволюция I _L будет следующей:

{\frac {\operatorname {d} I_{\text{L}}}{\operatorname {d} t}}={\frac {V_{o}}{L}}

Следовательно, изменение IL _в течение периода выключения составляет:

\Delta I_{{\text{L}}_{\text{Off}}}=\int _{0}^{\left(1-D\right)T}\operatorname {d} I_{\text{L}}=\int _{0}^{\left(1-D\right)T}{\frac {V_{o}\,\operatorname {d} t}{L}}={\frac {V_{o}\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. Поскольку энергия в индукторе определяется выражением:

E={\frac {1}{2}}L\,I_{\text{L}}^{2}

очевидно, что значение IL _{в конце состояния «Выключено» должно быть} одинаковым со значением IL _{во время} суммой изменений IL _{в начале состояния «Включено», т.е.} включения и выключения. состояния должны быть равны нулю:

\Delta I_{{\text{L}}_{\text{On}}}+\Delta I_{{\text{L}}_{\text{Off}}}=0

Замена $\Delta I_{{\text{L}}_{\text{On}}}$ и $\Delta I_{{\text{L}}_{\text{Off}}}$ по их выражениям дает:

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

Это можно записать как:

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

Это в свою очередь дает следующее:

D={\frac {V_{o}}{V_{o}-V_{i}}}

Из приведенного выше выражения видно, что полярность выходного напряжения всегда отрицательна (поскольку рабочий цикл изменяется от 0 до 1) и что его абсолютное значение увеличивается с увеличением D, теоретически до минус бесконечности, когда D приближается к 1. Кроме того, в зависимости от полярности этот преобразователь бывает либо повышающим (повышающий преобразователь), либо понижающим (понижающий преобразователь). Поэтому его называют понижающе-повышающим преобразователем.

Прерывистый режим

В некоторых случаях количество энергии, необходимое нагрузке, достаточно мало, чтобы ее можно было передать за время, меньшее, чем весь период коммутации. В этом случае ток через дроссель в течение части периода падает до нуля. Единственное отличие описанного выше принципа состоит в том, что индуктор полностью разряжается в конце цикла коммутации (см. формы сигналов на рисунке 4). Хотя эта разница и невелика, она оказывает сильное влияние на уравнение выходного напряжения. Его можно рассчитать следующим образом:

Поскольку ток индуктора в начале цикла равен нулю, его максимальное значение $I_{L_{\text{max}}}$ (в $t=D\,T$ ) является

I_{L_{\text{max}}}={\frac {V_{i}\,D\,T}{L}}

В период покоя I _L падает до нуля после δ.T:

I_{L_{\text{max}}}+{\frac {V_{o}\,\delta \,T}{L}}=0

Используя два предыдущих уравнения, δ будет:

\delta =-{\frac {V_{i}\,D}{V_{o}}}

Ток нагрузки $I_{o}$ равен среднему току диода ( $I_{D}$ ). Как видно на рисунке 4, ток диода равен току дросселя в выключенном состоянии. Следовательно, выходной ток можно записать как:

I_{o}={\bar {I_{D}}}={\frac {I_{L_{\text{max}}}}{2}}\delta

Замена $I_{L_{\text{max}}}$ и δ по их соответствующим выражениям дает:

I_{o}=-{\frac {V_{i}\,D\,T}{2L}}{\frac {V_{i}\,D}{V_{o}}}=-{\frac {V_{i}^{2}\,D^{2}\,T}{2L\,V_{o}}}

Следовательно, коэффициент усиления выходного напряжения можно записать как:

{\frac {V_{o}}{V_{i}}}=-{\frac {V_{i}\,D^{2}\,T}{2L\,I_{o}}}

По сравнению с выражением усиления выходного напряжения для непрерывного режима это выражение значительно сложнее. Более того, в прерывистом режиме выходное напряжение зависит не только от рабочего цикла, но и от номинала дросселя, входного напряжения и выходного тока.

Ограничение между непрерывным и прерывистым режимами

Как говорилось в начале этого раздела, преобразователь работает в прерывистом режиме, когда нагрузка потребляет малый ток, и в непрерывном режиме при более высоких уровнях тока нагрузки. Граница между прерывистым и непрерывным режимами достигается, когда ток дросселя падает до нуля точно в конце цикла коммутации. с обозначениями рисунка 4 это соответствует:

D\,T+\delta \,T=T

D+\delta =1\,

В этом случае выходной ток $\scriptstyle I_{o_{\text{lim}}}$ (выходной ток на границе между непрерывным и прерывистым режимами) определяется по формуле:

I_{o_{\text{lim}}}={\bar {I_{D}}}={\frac {I_{L_{\text{max}}}}{2}}\left(1-D\right)

Замена $\scriptstyle I_{L_{\text{max}}}$ по выражению, данному в разделе прерывистого режима, получаем:

I_{o_{\text{lim}}}={\frac {V_{i}\,D\,T}{2L}}\left(1-D\right)

Как $\scriptstyle I_{o_{\text{lim}}}$ — ток на границе между непрерывным и прерывистым режимами работы, он удовлетворяет выражениям обоих режимов. Следовательно, используя выражение выходного напряжения в непрерывном режиме, предыдущее выражение можно записать как:

I_{o_{\text{lim}}}={\frac {V_{i}\,D\,T}{2L}}{\frac {V_{i}}{V_{o}}}\left(-D\right)

Теперь введем еще два обозначения:

нормализованное напряжение, определяемое формулой $\scriptstyle \left|V_{o}\right|={\frac {V_{o}}{V_{i}}}$ . Он соответствует приросту напряжения преобразователя;
нормированный ток, определяемый формулой $\scriptstyle \left|I_{o}\right|={\frac {L}{T\,V_{i}}}I_{o}$ . Термин $\scriptstyle {\frac {T\,V_{i}}{L}}$ равен максимальному увеличению тока индуктора за цикл; т.е. увеличение тока дросселя с коэффициентом заполнения D=1. Итак, при установившейся работе преобразователя это означает, что $\scriptstyle \left|I_{o}\right|$ равно 0 при отсутствии выходного тока и 1 при максимальном токе, который может обеспечить преобразователь.

Используя эти обозначения, имеем:

в непрерывном режиме, $\scriptstyle \left|V_{o}\right|=-{\frac {D}{1-D}}$ ;
в прерывистом режиме, $\scriptstyle \left|V_{o}\right|=-{\frac {D^{2}}{2\left|I_{o}\right|}}$ ;
ток на границе между непрерывным и прерывистым режимом равен $\scriptstyle I_{o_{\text{lim}}}={\frac {V_{i}\,T}{2L}}D\left(1-D\right)={\frac {I_{o_{\text{lim}}}}{2\left|I_{o}\right|}}D\left(1-D\right)$ . Следовательно, место предела между непрерывным и прерывистым режимами определяется выражением $\scriptstyle {\frac {1}{2\left|I_{o}\right|}}D\left(1-D\right)=1$ .

Эти выражения представлены на рисунке 5. Отчетливо видна разница в поведении непрерывного и прерывистого режимов.

Принципы работы четырехсвитчовой топологии

Преобразователь с четырьмя переключателями объединяет понижающий и повышающий преобразователи. Он может работать как в понижающем, так и в повышающем режиме. В любом режиме только один переключатель управляет рабочим циклом, другой предназначен для коммутации и должен работать обратно пропорционально первому, а остальные два переключателя находятся в фиксированном положении. Повышающе-понижающий преобразователь с двумя ключами может быть построен с двумя диодами, но замена диодов на полевые транзисторы не требует больших дополнительных затрат, а эффективность повышается за счет меньшего падения напряжения.

Неидеальная схема

Эффект паразитарной устойчивости

В приведенном выше анализе никакие диссипативные элементы ( резисторы ) не рассматривались. Это означает, что мощность передается без потерь от источника входного напряжения к нагрузке. Однако паразитные сопротивления во всех цепях существуют из-за удельного сопротивления материалов, из которых они изготовлены. Следовательно, часть мощности, управляемой преобразователем, рассеивается на этих паразитных сопротивлениях.

Для простоты мы считаем, что индуктор является единственным неидеальным компонентом и что он эквивалентен последовательно соединенным индуктору и резистору. вероятно, будет иметь немалое паразитное сопротивление ( RL _{Это предположение приемлемо, поскольку индуктор состоит из одного длинного намотанного куска провода, поэтому он ,} ). При этом ток протекает через индуктор как во включенном, так и в выключенном состоянии.

Используя метод усреднения в пространстве состояний, мы можем написать:

V_{i}={\bar {V}}_{\text{L}}+{\bar {V}}_{S}

где $\scriptstyle {\bar {V}}_{\text{L}}$ и $\scriptstyle {\bar {V}}_{S}$ — соответственно среднее напряжение на катушке индуктивности и переключателе за цикл коммутации. Если учесть, что преобразователь работает в установившемся режиме, то средний ток через дроссель постоянен. Среднее напряжение на катушке индуктивности равно:

{\bar {V}}_{\text{L}}=L{\frac {\bar {dI_{\text{L}}}}{dt}}+R_{\text{L}}{\bar {I}}_{\text{L}}=R_{\text{L}}{\bar {I}}_{\text{L}}

Когда переключатель находится во включенном состоянии, $\scriptstyle V_{S}=0$ . В выключенном состоянии диод смещен в прямом направлении (мы рассматриваем работу в непрерывном режиме), поэтому $\scriptstyle V_{S}=V_{i}-V_{o}$ . Следовательно, среднее напряжение на переключателе равно:

{\bar {V}}_{S}=D\,0+(1-D)(V_{i}-V_{o})=(1-D)(V_{i}-V_{o})

Выходной ток противоположен току дросселя в выключенном состоянии. Таким образом, средний ток дросселя равен:

{\bar {I}}_{\text{L}}={\frac {-I_{o}}{1-D}}

Если предположить, что выходной ток и напряжение имеют незначительные пульсации, нагрузку преобразователя можно считать чисто резистивной. Если R — сопротивление нагрузки, приведенное выше выражение принимает вид:

{\bar {I}}_{\text{L}}={\frac {-V_{o}}{(1-D)R}}

Используя предыдущие уравнения, входное напряжение становится:

V_{i}=R_{\text{L}}{\frac {-V_{o}}{(1-D)R}}+(1-D)(V_{i}-V_{o})

Это можно записать как:

{\frac {V_{o}}{V_{i}}}={\frac {-D}{{\frac {R_{\text{L}}}{R(1-D)}}+1-D}}

Если сопротивление индуктора равно нулю, приведенное выше уравнение становится равным уравнению идеального случая. Но при увеличении R _L коэффициент усиления преобразователя по напряжению снижается по сравнению с идеальным случаем. Кроме того, влияние R _L увеличивается с увеличением рабочего цикла. Это обобщено на рисунке 6.

См. также

Ссылки

^ обратноходовой преобразователь. Архивировано 30 августа 2017 г. в Wayback Machine — конспекты лекций — ECEN4517 — факультет электротехники и вычислительной техники — Университет Колорадо, Боулдер.
^ ST AN2389: «Недорогой неинвертирующий повышающе-понижающий преобразователь на базе микроконтроллера для зарядных устройств»
^ Моторола Полупроводник. «Примечания по применению AN954: уникальная конфигурация преобразователя обеспечивает функции повышения/понижения» . 1985. «...можно создать уникальную конфигурацию повышающего/понижающего напряжения... в которой для преобразования напряжения по-прежнему используется один индуктор».
^ Хайфэн Фан. «Широкий VIN и проблемы высокой мощности с понижающе-повышающими преобразователями» . 2015.

Дальнейшее чтение

Дэниел В. Харт, «Введение в силовую электронику», Прентис-Холл, Аппер-Сэддл-Ривер, Нью-Джерси, США, 1997 г. ISBN 0-02-351182-6
Кристоф Бассо, Импульсные источники питания: моделирование SPICE и практические разработки . МакГроу-Хилл. ISBN 0-07-150858-9 .
Фреде Блаабьерг, Анализ, управление и проектирование неинвертирующего повышающе-понижающего преобразователя: безударное двухуровневое нечеткое ПИ-регулирование T – S. ISA-транзакции. ISSN 0019-0578 .
Леонардо Каллегаро и др., «Простой метод плавного перехода для неинвертирующего повышающе-понижающего преобразователя». Транзакции IEEE по силовой электронике, Vol. 33 (6), июнь 2018. два : 10.1109/TPEL.2017.2731974

[1] обратноходовой преобразователь. Архивировано 30 августа 2017 г. в Wayback Machine — конспекты лекций — ECEN4517 — факультет электротехники и вычислительной техники — Университет Колорадо, Боулдер.

[2] ST AN2389: «Недорогой неинвертирующий повышающе-понижающий преобразователь на базе микроконтроллера для зарядных устройств»

[3] Моторола Полупроводник. «Примечания по применению AN954: уникальная конфигурация преобразователя обеспечивает функции повышения/понижения» . 1985. «...можно создать уникальную конфигурацию повышающего/понижающего напряжения... в которой для преобразования напряжения по-прежнему используется один индуктор».

[4] Хайфэн Фан. «Широкий VIN и проблемы высокой мощности с понижающе-повышающими преобразователями» . 2015.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]