Преобразователь постоянного тока в постоянный
Часть серии о |
Энергетика |
---|
Преобразование электроэнергии |
Электроэнергетическая инфраструктура |
Компоненты электроэнергетических систем |
Преобразователь постоянного тока в постоянный — это электронная схема или электромеханическое устройство, которое преобразует источник постоянного тока (DC) с одного уровня напряжения в другой. Это тип преобразователя электроэнергии . Уровни мощности варьируются от очень низких (маленькие батареи) до очень высоких (передача энергии высокого напряжения).
История
[ редактировать ]До разработки силовых полупроводников одним из способов преобразования напряжения источника постоянного тока в более высокое для маломощных приложений было преобразование его в переменный ток с помощью вибратора , затем с помощью повышающего трансформатора и, наконец, с помощью повышающего трансформатора. выпрямитель . [1] [2] Там, где требовалась более высокая мощность, часто использовали мотор-генераторную установку, в которой электродвигатель приводил в действие генератор, вырабатывающий нужное напряжение. (Двигатель и генератор могли быть отдельными устройствами или могут быть объединены в единый «динамоторный» блок без внешнего силового вала.) Эти относительно неэффективные и дорогие конструкции использовались только тогда, когда не было альтернативы, например, для питания автомобильного радиоприемника. (в которых затем использовались термоэмиссионные клапаны (лампы), требующие гораздо более высокого напряжения, чем от автомобильного аккумулятора 6 или 12 В). [1] Внедрение силовых полупроводников и интегральных схем сделало его экономически выгодным за счет использования методов, описанных ниже. Например, первый вариант — это преобразование источника постоянного тока в высокочастотный переменный ток на входе 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 динамомоторы для мобильных трансиверов, 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 избыточное напряжение в виде тепла; энергоэффективное преобразование стало возможным только с помощью полупроводниковых импульсных схем.
Использование
[ редактировать ]Преобразователи постоянного тока в постоянный используются в портативных электронных устройствах, таких как сотовые телефоны и портативные компьютеры , которые питаются в основном от аккумуляторов . Такие электронные устройства часто содержат несколько подсхем , каждая из которых имеет свои собственные требования к уровню напряжения, отличные от напряжения, подаваемого от батареи или внешнего источника питания (иногда выше или ниже напряжения питания). Кроме того, напряжение аккумулятора снижается по мере истощения накопленной энергии. Переключаемые преобразователи постоянного тока в постоянный предлагают метод повышения напряжения при частично пониженном напряжении батареи, тем самым экономя место вместо использования нескольких батарей для достижения той же цели.
Большинство схем преобразователей постоянного тока в постоянный также регулируют выходное напряжение. Некоторые исключения включают высокоэффективные источники питания для светодиодов , которые представляют собой своего рода преобразователи постоянного тока в постоянный, регулирующие ток через светодиоды, и простые зарядные насосы , которые удваивают или утраивают выходное напряжение.
Преобразователи постоянного тока в постоянный, которые предназначены для максимизации 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, они подвержены потерям энергии в обмотках и из-за вихревых токов в сердечниках. Методы преобразования постоянного тока в постоянный, в которых используются трансформаторы или индукторы, работают на гораздо более высоких частотах, требуя только гораздо меньших, легких и дешевых компонентов обмотки. Следовательно, эти методы используются даже там, где можно использовать сетевой трансформатор; например, для бытовых электронных приборов предпочтительно выпрямить сетевое напряжение в постоянный ток, использовать методы переключения для преобразования его в высокочастотный переменный ток желаемого напряжения, а затем, как правило, выпрямить в постоянный ток. Вся сложная схема дешевле и эффективнее, чем простая схема сетевого трансформатора той же мощности. Преобразователи постоянного тока в постоянный широко используются в микросетях постоянного тока с различными уровнями напряжения.
Электронное преобразование
[ редактировать ]Импульсные преобразователи или преобразователи постоянного тока в постоянный ток временно сохраняют входную энергию, а затем передают эту энергию на выход при другом напряжении, которое может быть выше или ниже. Хранение может осуществляться либо в компонентах накопления магнитного поля (индукторы, трансформаторы), либо в компонентах накопления электрического поля (конденсаторы). Этот метод преобразования может увеличивать или уменьшать напряжение. Импульсное преобразование часто более энергоэффективно (типичный КПД составляет от 75% до 98%), чем линейное регулирование напряжения, при котором нежелательная мощность рассеивается в виде тепла. Для повышения эффективности требуется быстрое время нарастания и спада полупроводниковых устройств; однако эти быстрые переходы в сочетании с паразитными эффектами компоновки усложняют проектирование схем. [5] Более высокий КПД импульсного преобразователя снижает необходимость в теплоотводе и увеличивает срок службы батарей портативного оборудования. Эффективность улучшилась с конца 1980-х годов благодаря использованию силовых полевых транзисторов , которые способны переключаться более эффективно с меньшими потерями переключения на более высоких частотах, чем силовые биполярные транзисторы , и использовать менее сложную схему управления.Еще одним важным усовершенствованием преобразователей постоянного тока является замена обратноходового диода на синхронное выпрямление. [6] использование силового полевого транзистора, сопротивление включения которого намного ниже, что снижает потери на переключение. До широкой доступности силовых полупроводников маломощные синхронные преобразователи постоянного тока в постоянный состояли из электромеханического вибратора, за которым следовал повышающий трансформатор напряжения, питающий ламповый или полупроводниковый выпрямитель, или контакты синхронного выпрямителя на вибраторе.
Большинство преобразователей постоянного тока в постоянный предназначены для передачи энергии только в одном направлении: от выделенного входа к выходу. Однако все топологии импульсных стабилизаторов можно сделать двунаправленными и обеспечить возможность перемещения мощности в любом направлении, заменив все диоды активным выпрямлением с независимым управлением . Двунаправленный преобразователь полезен, например, в приложениях, требующих рекуперативного торможения транспортных средств, где мощность подается на колеса во время движения, но подается от колес при торможении.
Хотя для них требуется мало компонентов, импульсные преобразователи сложны с электронной точки зрения. Как и все высокочастотные схемы, их компоненты должны быть тщательно определены и физически расположены для достижения стабильной работы и поддержания шума переключения ( ЭМИ/РЧП ) на приемлемом уровне. [7] Их стоимость выше, чем у линейных стабилизаторов в приложениях с падением напряжения, но их стоимость снижается с развитием разработки микросхем.
Преобразователи постоянного тока в постоянный доступны в виде интегральных схем (ИС), требующих небольшого количества дополнительных компонентов. Преобразователи также доступны в виде полных модулей гибридной схемы , готовых к использованию в электронной сборке.
Линейные регуляторы , которые используются для выдачи стабильного постоянного тока независимо от входного напряжения и выходной нагрузки от более высокого, но менее стабильного входного сигнала путем рассеивания избыточных вольт-ампер в виде тепла , можно буквально описать как преобразователи постоянного тока в постоянный, но это не обычно. использование. (То же самое можно сказать и о простом резисторе , стабилизирующем напряжение , независимо от того, стабилизирован он или нет стабилизатором напряжения или стабилитроном .)
Существуют также простые схемы емкостного удвоителя напряжения и схемы умножителя Диксона, в которых используются диоды и конденсаторы для умножения напряжения постоянного тока на целое значение, обычно обеспечивающие лишь небольшой ток.
Магнитный
[ редактировать ]В этих преобразователях постоянного тока энергия периодически накапливается и высвобождается из магнитного поля в индукторе или трансформаторе , обычно в диапазоне частот от 300 кГц до 10 МГц. Регулируя рабочий цикл зарядного напряжения (то есть соотношение времени включения/выключения), можно легче контролировать количество энергии, передаваемой на нагрузку, хотя этот контроль также можно применить к входному току, выходной ток или для поддержания постоянной мощности. Преобразователи на основе трансформаторов могут обеспечивать изоляцию между входом и выходом. В общем, термин «преобразователь постоянного тока в постоянный» относится к одному из таких переключающих преобразователей. Эти схемы являются сердцем импульсного источника питания . Существует множество топологий. В этой таблице представлены наиболее распространенные из них.
Вперед (передача энергии через магнитное поле) | Flyback (энергия сохраняется в магнитном поле) | |
---|---|---|
Без трансформатора (неизолированный) |
|
|
| ||
| ||
С трансформатором (изолируемый) |
|
|
Кроме того, каждая топология может быть:
- Жесткое переключение
- Транзисторы быстро переключаются при воздействии как полного напряжения, так и полного тока.
- Резонансный
- LC -цепь формирует напряжение на транзисторе и ток через него так, что транзистор переключается, когда напряжение или ток равны нулю.
Магнитные преобразователи постоянного тока в постоянный могут работать в двух режимах в зависимости от тока в его основной магнитной составляющей (индукторе или трансформаторе):
- Непрерывный
- Ток колеблется, но никогда не падает до нуля.
- прерывистый
- Ток колеблется во время цикла, опускаясь до нуля в конце каждого цикла или перед ним.
Преобразователь может быть рассчитан на работу в непрерывном режиме при большой мощности и в прерывистом режиме при малой мощности.
Топологии полумостовой схожи тем, что энергия, накопленная в магнитном сердечнике , и обратноходовой схемы должна рассеиваться, чтобы сердечник не насыщался. Передача мощности в обратноходовой схеме ограничена количеством энергии, которая может храниться в ядре, тогда как в прямых схемах обычно ограничиваются ВАХ переключателей.
Хотя МОП- транзисторы могут выдерживать одновременный полный ток и напряжение (хотя термическая нагрузка и электромиграция могут сократить среднее время безотказной работы ), биполярные переключатели обычно не могут требовать использования демпфера ( или двух).
В сильноточных системах часто используются многофазные преобразователи, также называемые чередующимися преобразователями. [9] [10] [11] Многофазные регуляторы могут иметь лучшие пульсации и лучшее время отклика, чем однофазные регуляторы. [12]
Многие материнские платы для ноутбуков и настольных компьютеров включают в себя чередующиеся понижающие стабилизаторы, иногда в виде модуля стабилизатора напряжения . [13]
Двунаправленные преобразователи постоянного тока в постоянный
[ редактировать ]Особенностью этих преобразователей является то, что энергия течет в обоих направлениях преобразователя. Эти преобразователи обычно используются в различных приложениях и подключаются между двумя уровнями постоянного напряжения, где энергия передается с одного уровня на другой. [14]
- Повышающий двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный
- Понижающий двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный
- Повышающий неинвертирующий двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный
- Повышающе-понижающий инвертирующий двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный
- Двунаправленный преобразователь постоянного тока SEPIC
- Двунаправленный преобразователь постоянного тока CUK
Несколько изолированных двунаправленных преобразователей постоянного тока в постоянный также часто используются в случаях, когда гальваническая развязка . необходима [15]
- Двунаправленный обратный ход
- Изолированные ĆUK и SEPIC/ZETA
- Двухтактный
- Вперед
- Двойной активный мост (DAB)
- Двойной полумост
- Полуполный мост
- Многопортовый DAB
Емкостный
[ редактировать ]Преобразователи с переключаемыми конденсаторами основаны на поочередном подключении конденсаторов к входу и выходу в разных топологиях. Например, понижающий преобразователь с переключаемыми конденсаторами может заряжать два конденсатора последовательно, а затем разряжать их параллельно. Это обеспечит ту же выходную мощность (за исключением потери эффективности менее 100%) при, в идеале, половине входного напряжения и удвоенном токе. Поскольку они работают с дискретными количествами заряда, их также иногда называют преобразователями накачки заряда . Они обычно используются в приложениях, требующих относительно небольших токов, поскольку при более высоких токах повышенная эффективность и меньшие размеры импульсных преобразователей делают их лучшим выбором. [16] Они также используются при чрезвычайно высоких напряжениях, поскольку при таком напряжении магнитные элементы выходят из строя.
Электромеханическое преобразование
[ редактировать ]Мотор-генераторная установка, представляющая в основном исторический интерес, состоит из электродвигателя соединенных вместе и генератора. Динамотор сочетает в себе обе функции в одном блоке с катушками для функций двигателя и генератора, намотанными вокруг одного ротора; обе катушки имеют одни и те же катушки внешнего 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 не может иметь открытых приводных валов.
Двигатели-генераторы могут преобразовывать любую комбинацию стандартов напряжения и фазы постоянного и переменного тока. Большие мотор-генераторные установки широко использовались для преобразования промышленных объемов энергии, в то время как меньшие агрегаты использовались для преобразования энергии аккумуляторов (6, 12 или 24 В постоянного тока) в высокое напряжение постоянного тока, которое требовалось для работы оборудования с вакуумными лампами (термоэлектронными клапанами). .
Для более низких требований к мощности при напряжении, превышающем напряжение автомобильного аккумулятора, использовались источники питания с вибратором или «зуммером». Вибратор колебался механически, с контактами, которые переключали полярность батареи много раз в секунду, эффективно преобразуя постоянный ток в прямоугольный переменный ток, который затем можно было подавать на трансформатор требуемого выходного напряжения. [1] Он издал характерный жужжащий звук.
Электрохимическое преобразование
[ редактировать ]Еще один способ преобразования постоянного тока в постоянный в диапазоне киловатт в мегаватт представлен использованием проточных окислительно-восстановительных батарей, таких как ванадиевые окислительно-восстановительные батареи .
Хаотичное поведение
[ редактировать ]Преобразователи постоянного тока в постоянный подвержены различным типам хаотической динамики, такой как бифуркация , [17] кризис и перемежаемость . [18] [19]
Терминология
[ редактировать ]- Понижение
- Преобразователь, у которого выходное напряжение ниже входного напряжения (например, понижающий преобразователь ).
- Шаг вперед
- Преобразователь, который выдает напряжение выше входного напряжения (например, повышающий преобразователь ).
- Режим непрерывного тока
- Ток и, следовательно, магнитное поле в индуктивном накопителе энергии никогда не достигают нуля.
- Режим прерывистого тока
- Ток и, следовательно, магнитное поле в индуктивном накопителе энергии могут достигать нуля или пересекать его.
- Шум
- Нежелательные электрические и электромагнитные помехи , обычно артефакты переключения.
- РЧ-шум
- Импульсные преобразователи по своей сути излучают радиоволны с частотой переключения и ее гармониками. Импульсные преобразователи, которые производят ток переключения треугольной формы, такие как сплит-пи , прямой преобразователь или преобразователь Чук в режиме непрерывного тока, производят меньше гармонического шума, чем другие импульсные преобразователи. [20] Радиочастотный шум вызывает электромагнитные помехи (EMI). Приемлемые уровни зависят от требований, например, близость к радиочастотным схемам требует большего подавления, чем просто соответствие нормативам.
- Преобразователи постоянного тока в постоянный ток со встроенной катушкой
- Они могут включать в себя ИС управления мощностью, катушку, конденсатор и резистор; уменьшает монтажное пространство при небольшом количестве компонентов в одном интегрированном решении.
- Входной шум
- Входное напряжение может иметь значительный шум. Кроме того, если преобразователь нагружает вход резкими фронтами нагрузки, преобразователь может излучать радиочастотный шум от линий питания. Этого следует предотвратить путем правильной фильтрации во входном каскаде преобразователя.
- Выходной шум
- Выход идеального преобразователя постоянного тока в постоянный представляет собой плоское, постоянное выходное напряжение. Однако настоящие преобразователи производят выходной сигнал постоянного тока, на который накладывается некоторый уровень электрического шума. Импульсные преобразователи создают шум переключения на частоте переключения и ее гармониках. Кроме того, все электронные схемы имеют некоторый тепловой шум . Некоторые чувствительные радиочастотные и аналоговые схемы требуют источника питания с настолько низким уровнем шума, что его можно обеспечить только с помощью линейного стабилизатора. [21] Некоторые аналоговые схемы, которым требуется источник питания с относительно низким уровнем шума, могут допускать использование некоторых менее шумных импульсных преобразователей, например, использующих непрерывные треугольные сигналы, а не прямоугольные. [20] [ не удалось пройти проверку ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с «Источники питания вибраторов» . Radioremembered.org . Проверено 18 января 2016 г.
- ^ Эд Брорейн (16 мая 2012 г.). «Watt's Up?: Что старое, снова новое: мягкое переключение и синхронное выпрямление в старинных автомобильных радиоприемниках» . Keysight Technologies: Что случилось? . Проверено 19 января 2016 г.
- ^ Существует по крайней мере один пример очень большого (три шкафа размером с холодильник) и сложного предтранзисторного импульсного стабилизатора с использованием тиратронных газонаполненных трубок, хотя они, по-видимому, используются в качестве регуляторов, а не для преобразования постоянного тока в постоянный, как такой. Это был блок питания для компьютера IBM 704 1958 года, потреблявший мощность 90 кВт. [1]
- ^ Перейти обратно: а б Справочник радиолюбителя 1976 , изд. АРРЛ , стр.331-332
- ^ Энди Ховард (25 августа 2015 г.). «Как спроектировать преобразователи постоянного тока в постоянный» . Ютуб . Проверено 2 октября 2015 г.
- ^ Стивен Сангвин (2 марта 2007 г.). Электронные компоненты и технологии, третье издание . ЦРК Пресс. п. 73. ИСБН 978-1-4200-0768-8 .
- ^ Джефф Барроу из Integrated Device Technology, Inc. (21 ноября 2011 г.). «Понять и уменьшить шум земли в импульсном преобразователе постоянного тока» . Eetimes.com . Проверено 18 января 2016 г.
- ^ «Разработка преобразователя LLC 11 кВт, 70 кГц с КПД 98 %» . Ноябрь 2020: 1–8. дои : 10.1109/COMPEL49091.2020.9265771 . S2CID 227278364 .
{{cite journal}}
: Для цитирования журнала требуется|journal=
( помощь ) - ^ Дамиан Джаурис и др. «Складки и скольжения торов в чередующихся повышающих преобразователях с током» . два : 10.1002/cta.1906 .
- ^ Рон Крюс и Ким Нильсон. «Перемежение полезно и для повышающих преобразователей» .2008.
- ^ Кейт Биллингс. «Преимущества чередующихся преобразователей» .2003.
- ^ Джон Галлахер «Связанные индукторы повышают эффективность многофазного понижающего преобразователя» .2006.
- ^ Джулиана Гьянчи. «Встроенное регулирование напряжения для управления питанием в системе-на-кристалле». Архивировано 19 ноября 2012 г. на Wayback Machine .2006.п. 22-23.
- ^ ГЛАВА 1 ВВЕДЕНИЕ Двунаправленные преобразователи постоянного тока в постоянный palawanboard.com
- ^ Топологии и схемы управления двунаправленными преобразователями постоянного тока в постоянный: обзор https://ieeexplore.ieee.org
- ^ Маджумдер, Ритвик; Гош, Ариндам; Ледвич, Джерард Ф.; Заре, Фируз (2008). Управление параллельными преобразователями для распределения нагрузки с плавным переходом между режимами подключения к сети и изолированным режимом . ISBN 9781424419067 . Проверено 19 января 2016 г.
{{cite book}}
:|website=
игнорируется ( помогите ) - ^ Цзе, Чи К.; Бернардо, Марио Ди (2002). Сложное поведение при переключении силовых преобразователей . Труды IEEE. стр. 768–781.
- ^ Икбал, Саджид; и др. (2014). «Исследование бифуркации и хаоса в повышающем преобразователе постоянного тока с использованием карты дискретного времени». 2014 Международная конференция по мехатронике и управлению (ICMC) . Международная конференция IEEE по мехатронике и управлению (ICMC'2014), 2014. стр. 1813–1817. дои : 10.1109/ICMC.2014.7231874 . ISBN 978-1-4799-2538-4 .
- ^ Фоссас, Энрик; Оливар, Жерар (1996). «Исследование хаоса в преобразователе доллара». Схемы и системы I: Фундаментальная теория и приложения, IEEE Transactions: 13–25.
{{cite journal}}
: Для цитирования журнала требуется|journal=
( помощь ) - ^ Перейти обратно: а б Создание бесшумного 14-битного режима -5 В, раздел «Примечания по применению линейных технологий 84», Кевин Хоскинс, 1997, стр. 57-59
- ^ Бхимсен (30 октября 2021 г.). «Линейный регулятор напряжения и его применение» . электроника веселье . Проверено 30 октября 2021 г.