Коммутационная ячейка

Коммутационная ячейка является базовой структурой силовой электроники . Он состоит из двух электронных переключателей (сегодня это мощный полупроводник , а не механический переключатель). Традиционно его называли чоппером , но поскольку импульсные источники питания стали основной формой преобразования энергии, этот новый термин стал более популярным. ^[1]

Цель коммутационной ячейки - «преобразовать» мощность постоянного тока в переменный ток прямоугольной формы . Это сделано для того, чтобы катушку индуктивности и конденсатор можно было использовать в LC-цепи для изменения напряжения. Теоретически это процесс без потерь; на практике обычно достигается эффективность выше 80-90%. Выходной сигнал обычно проходит через фильтр для получения чистой энергии постоянного тока. Контролируя время включения и выключения ( рабочий цикл ) переключателя в ячейке коммутации, можно регулировать выходное напряжение .

Этот базовый принцип лежит в основе большинства современных источников питания: от крошечных преобразователей постоянного тока в портативных устройствах до массивных коммутационных станций для тока высокого напряжения передачи электроэнергии постоянного .

Соединение двух силовых элементов

Коммутационная ячейка соединяет два силовых элемента, часто называемых источниками, хотя они могут либо производить, либо поглощать мощность. ^[2]

Существуют некоторые требования к подключению источников питания. Невозможные конфигурации перечислены на рисунке 1. В основном они таковы:

источник напряжения не может быть закорочен, поскольку короткое замыкание создаст нулевое напряжение, которое будет противоречить напряжению, генерируемому источником;
точно так же нельзя размещать источник тока в разомкнутой цепи;
два (или более) источника напряжения нельзя подключать параллельно, так как каждый из них будет пытаться навязать напряжение на цепь;
два (или более) источника тока не могут быть соединены последовательно, так как каждый из них будет пытаться навязать ток в контуре.

Это относится к классическим источникам (батарея, генератор), а также к конденсаторам и катушкам индуктивности: в небольшом временном масштабе конденсатор идентичен источнику напряжения, а катушка индуктивности — источнику тока. Параллельное соединение двух конденсаторов с разными уровнями напряжения соответствует соединению двух источников напряжения, одно из запрещенных соединений на рисунке 1.

Рисунок 2 иллюстрирует низкую эффективность такого соединения. Один конденсатор заряжается до напряжения V и подключается к конденсатору такой же емкости, но разряженному.

До соединения энергия в цепи равна $E={\frac {1}{2}}C\cdot V^{2}$ , а количество зарядов Q равно $C\cdot U$ , где U – потенциальная энергия.

После подключения количество зарядов постоянно, а общая емкость равна $2C$ . Следовательно, напряжение на емкостях равно ${\frac {Q}{2C}}={\frac {V}{2}}$ . Тогда энергия в цепи ${\frac {1}{2}}(2C)\left({\frac {V}{2}}\right)^{2}={\frac {E}{2}}$ . Таким образом, половина энергии рассеивается во время соединения.

То же самое относится и к последовательным соединениям двух индуктивностей. Магнитный поток ( $\Phi =L\cdot I$ ) остается постоянным до и после коммутации. Поскольку общая индуктивность после коммутации равна 2L, ток становится ${\frac {I}{2}}$ (см. рисунок 2). Энергия до коммутации равна ${\frac {1}{2}}L\cdot I^{2}$ . После этого это ${\frac {1}{2}}L\cdot \left({\frac {I}{2}}\right)^{2}$ . И здесь половина энергии рассеивается во время коммутации.

В результате видно, что ячейка коммутации может только соединять источник напряжения с источником тока (и наоборот). Однако, используя индукторы и конденсаторы, можно изменить поведение источника: например, два источника напряжения можно соединить через преобразователь, если для передачи энергии в нем используется индуктор.

Строение коммутационной ячейки

Как уже говорилось выше, между источниками напряжения и тока необходимо разместить коммутационную ячейку. В зависимости от состояния ячейки оба источника либо подключены, либо изолированы. В изолированном состоянии источник тока должен быть закорочен, так как в разомкнутой цепи невозможно создание тока. Поэтому базовая схема коммутационной ячейки представлена на рисунке 3 (вверху). Он использует два переключателя с противоположными состояниями: в конфигурации, изображенной на рисунке 3, оба источника изолированы, а источник тока закорочен. Оба источника подключаются, когда верхний переключатель включен (и нижний переключатель выключен).

Невозможно обеспечить идеальную синхронизацию между коммутаторами. В какой-то момент во время коммутации они будут либо включены (таким образом закорачивая источник напряжения), либо выключены (таким образом, источник тока останется в разомкнутой цепи). Вот почему один из переключателей необходимо заменить диодом. Диод является естественным коммутирующим устройством, т. е. его состояние контролируется самой схемой. Он включится или выключится именно в тот момент, когда это необходимо. Следствием использования диода в коммутационной ячейке является то, что она становится однонаправленной (см. рисунок 3). Двунаправленную ячейку можно построить, но она эквивалентна двум однонаправленным ячейкам, соединенным параллельно.

Коммутационная ячейка в преобразователях

Ячейку коммутации можно найти в любом силовом электронном преобразователе. Некоторые примеры приведены на рисунке 4. Как видно, «источник тока» (фактически петля, содержащая индуктивность) всегда подключается между средней точкой и одним из внешних соединений ячейки коммутации, а источник напряжения ( или конденсатор, или последовательное соединение источника напряжения и конденсатора) всегда подключается к двум внешним контактам. ^[3]

См. также

Ссылки

^ Перре, Роберт (01 марта 2013 г.). Силовая электроника Полупроводниковые приборы . Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-1-118-62320-6 .
^ Леммен, Э. (2017). Ячейка расширенной коммутации: путь к гибкой многоуровневой обработке энергии . Технический университет Эйндховена. ISBN 978-90-386-4216-1 .
^ Черон, Ю. (06 декабря 2012 г.). Мягкая коммутация . Springer Science & Business Media. ISBN 978-94-011-2350-1 .

Внешние ссылки

Четыре топологии Boostbuck

[1] Перре, Роберт (01 марта 2013 г.). Силовая электроника Полупроводниковые приборы . Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-1-118-62320-6 .

[2] Леммен, Э. (2017). Ячейка расширенной коммутации: путь к гибкой многоуровневой обработке энергии . Технический университет Эйндховена. ISBN 978-90-386-4216-1 .

[3] Черон, Ю. (06 декабря 2012 г.). Мягкая коммутация . Springer Science & Business Media. ISBN 978-94-011-2350-1 .

[1]

[2]

[3]