конвертер жуков

Сравнение неизолированных топологий импульсных преобразователей постоянного тока: Buck , Boost , Buck-Boost , Ćuk. Вход — левая сторона, выход с нагрузкой — правая сторона. Переключатель обычно представляет собой транзистор MOSFET , IGBT или BJT .

Конвертер Чук ( Сербско-хорватский: [tɕûːk] , Английский: / ˈ tʃ uː k / ) — тип повышающе-понижающего преобразователя с низким уровнем пульсаций тока . Преобразователь Ćuk можно рассматривать как комбинацию повышающего и понижающего преобразователя , имеющую одно переключающее устройство и общий конденсатор для передачи энергии.

Подобно повышающе-понижающему преобразователю с инвертирующей топологией, выходное напряжение неизолированного преобразователя Ćuk обычно инвертируется, с более низкими или более высокими значениями по отношению к входному напряжению. Обычно в преобразователях постоянного тока дроссель используется в качестве основного компонента накопления энергии. В преобразователе Ćuk основным компонентом накопления энергии является конденсатор. Он назван в честь Слободана Чука из Калифорнийского технологического института , который первым представил этот дизайн.

Неизолированный преобразователь Чука

Существуют варианты базового конвертера Ćuk. Например, катушки могут иметь один магнитный сердечник, что снижает пульсации выходного сигнала и повышает эффективность. Поскольку передача мощности происходит непрерывно через конденсатор, этот тип переключателя сводит к минимуму электромагнитное излучение . Преобразователь Ćuk позволяет энергии течь в двух направлениях с помощью диода и переключателя.

Принцип работы

Неизолированный преобразователь Ćuk состоит из двух катушек индуктивности , двух конденсаторов , переключателя (обычно транзистора ) и диода . Его схему можно увидеть на рисунке 1. Это инвертирующий преобразователь, поэтому выходное напряжение отрицательно по отношению к входному напряжению.

Основным преимуществом этого преобразователя являются постоянные токи на входе и выходе преобразователя. Основным недостатком является высокая токовая нагрузка на переключатель.

Рис. 1. Принципиальная схема преобразователя Cuk.

Конденсатор С ₁ служит для передачи энергии. Он подключается поочередно ко входу и к выходу преобразователя через коммутацию транзистора и диода (см. рисунки 2 и 3).

Два индуктора L ₁ и L ₂ используются для преобразования соответственно источника входного напряжения ( V _s ) и выходного напряжения ( V _o ) в источники тока. В краткосрочном масштабе индуктор можно рассматривать как источник тока, поскольку он поддерживает постоянный ток. Это преобразование необходимо, поскольку, если бы конденсатор был подключен непосредственно к источнику напряжения, ток ограничивался бы только паразитным сопротивлением, что приводило бы к большим потерям энергии. Зарядка конденсатора с помощью источника тока (индуктора) предотвращает резистивное ограничение тока и связанные с ним потери энергии.

Как и другие преобразователи ( понижающий преобразователь , повышающий преобразователь , понижающе-повышающий преобразователь ), преобразователь Ćuk может работать в режиме непрерывного или прерывистого тока. Однако в отличие от этих преобразователей он может работать и в режиме прерывистого напряжения (напряжение на конденсаторе падает до нуля в течение цикла коммутации).

Непрерывный режим

Рис. 2. Два рабочих состояния неизолированного преобразователя Ćuk.

В установившемся режиме энергия, запасенная в индукторах, должна оставаться одинаковой в начале и в конце цикла коммутации. Энергия в индукторе определяется выражением:

$E={\frac {1}{2}}LI^{2}$

Это означает, что ток через катушки индуктивности должен быть одинаковым в начале и в конце цикла коммутации. Поскольку развитие тока через индуктор связано с напряжением на нем:

$V_{L}=L{\frac {dI}{dt}}$

видно, что среднее значение напряжения индуктора за период коммутации должно быть равно нулю, чтобы удовлетворить требованиям установившегося режима.

Если учесть, что конденсаторы С ₁ и С ₂ достаточно велики, чтобы пульсации напряжения на них были незначительными, напряжения на катушках индуктивности станут:

• в выключенном состоянии дроссель L ₁ включен последовательно с V _s и C ₁ (см. рисунок 2). Поэтому ${\textstyle V_{L1}=V_{s}-V_{C1}}$. Поскольку диод D смещен в прямом направлении (мы рассматриваем нулевое падение напряжения), L ₂ напрямую подключен к выходному конденсатору. Поэтому $V_{L2}=V_{o}$
• во включенном состоянии дроссель L ₁ напрямую подключен к входному источнику. Поэтому ${\textstyle V_{L1}=V_{s}}$. Индуктор L ₂ включен последовательно с C и выходным конденсатором, поэтому $V_{L2}=V_{o}+V_{C}$

Рис. 3. Два рабочих состояния неизолированного преобразователя Ćuk. На этом рисунке диод и переключатель заменены либо коротким замыканием, когда они включены, либо разомкнутой цепью, когда они выключены. Можно видеть, что в выключенном состоянии конденсатор C заряжается входным источником через дроссель L ₁ . Во включенном состоянии конденсатор C передает энергию выходному конденсатору через индуктивность L ₂ .

Преобразователь работает во включенном состоянии от ${\textstyle t=0}$ к ${\textstyle t=DT}$ ( D — рабочий цикл ), а в выключенном состоянии от D·T до T (то есть в течение периода, равного ${\textstyle (1-D)T}$). Таким образом, средние значения V _L1 и V _L2 составляют:

${\bar {V}}_{L1}=D\cdot V_{s}+\left(1-D\right)\cdot \left(V_{s}-V_{C}\right)=\left(V_{s}-(1-D)\cdot V_{C}\right)$

${\bar {V}}_{L2}=D\left(V_{o}+V_{C}\right)+\left(1-D\right)\cdot V_{o}=\left(V_{o}+D\cdot V_{C}\right)$

Поскольку оба средних напряжения должны быть равны нулю, чтобы удовлетворять установившимся условиям, используя последнее уравнение, мы можем написать:

$V_{C}=-{\frac {V_{o}}{D}}$

Таким образом, среднее напряжение на L ₁ становится:

${\bar {V}}_{L1}=\left(V_{s}+(1-D)\cdot {\frac {V_{o}}{D}}\right)=0$

Что можно записать как:

${\frac {V_{o}}{V_{s}}}=-{\frac {D}{1-D}}$

Видно, что это соотношение такое же, как и полученное для понижающе-повышающего преобразователя .

Прерывистый режим

Как и все преобразователи постоянного тока, преобразователи Ćuk полагаются на способность катушек индуктивности в цепи обеспечивать непрерывный ток, почти так же, как конденсатор в фильтре выпрямителя обеспечивает постоянное напряжение. Если этот индуктор слишком мал или ниже «критической индуктивности», то наклон тока индуктора будет прерывистым, когда ток достигает нуля. Это состояние работы обычно не изучается глубоко, поскольку оно обычно не используется, кроме демонстрации того, почему минимальная индуктивность имеет решающее значение, хотя это может произойти при поддержании резервного напряжения при гораздо более низком токе, чем то, на который был рассчитан преобразователь.

Минимальная индуктивность определяется по формуле:

$L_{1}min={\frac {(1-D)^{2}R}{2Df_{s}}}$

Где $f_{s}$ это частота переключения.

Изолированный преобразователь Чук

Связанный индукторный изолированный преобразователь.

Встроенный магнитопроводящий преобразователь.

Для изолированной версии преобразователя Ćuk необходимо добавить трансформатор переменного тока и дополнительный конденсатор. Поскольку изолированный преобразователь Ćuk изолирован, полярность выходного напряжения можно выбирать свободно.

Изолированный преобразователь тока с беззазорным трансформатором переменного тока.

Как и неизолированный преобразователь Ćuk, изолированный преобразователь Ćuk может иметь величину выходного напряжения, которая больше или меньше величины входного напряжения, даже при использовании трансформатора переменного тока 1:1. Однако соотношением витков можно управлять, чтобы снизить нагрузку на устройство на входной стороне. Кроме того, паразитные элементы трансформатора, а именно индуктивность рассеяния и индуктивность намагничивания, можно использовать для преобразования схемы в схему резонансного преобразователя , которая имеет значительно повышенный КПД.

Связанные структуры

Индукторная связь

Вместо использования двух дискретных компонентов индуктора многие разработчики реализуют преобразователь Ćuk со связанной индуктором , используя один магнитный компонент, который включает оба индуктора на одном сердечнике. Трансформаторное действие между индукторами внутри этого компонента дает преобразователь Ćuk со связанными индукторами с более низкими выходными пульсациями, чем преобразователь Ćuk, использующий два независимых дискретных компонента индуктора.

Зета-конвертер

Дзета-конвертер представляет собой неизолированный, неинвертирующий повышающе-понижающий источник питания.

Однотактный преобразователь с первичной катушкой индуктивности (SEPIC)

Основная статья: конвертер SEPIC

Преобразователь SEPIC способен повышать или понижать напряжение.

Патенты

• Патент США 4257087, поданный в 1979 году « Импульсный преобразователь постоянного тока с нулевыми пульсациями входного и выходного тока и интегральными магнитными цепями », изобретатель Слободан Чук .
• Патент США 4274133, в 1979 году представили « Преобразователь постоянного тока в постоянный, уменьшающий пульсации без необходимости регулировки изобретатели Слободан Чук и Р.Д. Миддлбрук » .
• Патент США 4184197, подано в 1977 году « Импульсный преобразователь постоянного тока », изобретателями Слободаном Чуком и Р.Д. Миддлбруком .

Дальнейшее чтение

• Силовая электроника, Том. 4: Усреднение в пространстве состояний и преобразователи Ćuk ; Чук Слободан; 378 страниц; 2016 г.; ISBN   978-1519520289 .

Внешние ссылки

• Фон топологии