Однотактный преобразователь с первичной катушкой индуктивности

( Несимметричный преобразователь с первичной катушкой индуктивности SEPIC ) — это тип преобразователя постоянного тока в постоянный , который позволяет электрическому потенциалу ( напряжению ) на его выходе быть больше, меньше или равным потенциалу на его входе. Выход SEPIC контролируется рабочим циклом управляющего переключателя (S1).

SEPIC, по сути, представляет собой повышающий преобразователь , за которым следует инвертированный повышающе-понижающий преобразователь , поэтому он похож на традиционный повышающе-понижающий преобразователь , но имеет преимущества, заключающиеся в наличии неинвертированного выхода (выход имеет ту же электрическую полярность , что и вход). использование последовательного конденсатора для передачи энергии от входа к выходу (и, таким образом, может более изящно реагировать на выход короткого замыкания) и возможность истинного отключения: когда переключатель S1 достаточно выключен, выход ( V ₀ ) падает до 0 В после довольно сильного кратковременного сброса заряда. ^[1]

SEPIC полезны в приложениях, в которых напряжение батареи может быть выше или ниже предполагаемого выходного сигнала регулятора. Например, одна литий-ионная батарея обычно разряжается от 4,2 до 3 вольт; если другим компонентам требуется напряжение 3,3 В, то SEPIC будет эффективным.

Работа схемы [ править ]

Принципиальная схема базового SEPIC показана на рисунке 1. Как и в случае с другими импульсными источниками питания (в частности, преобразователями постоянного тока в постоянный ), SEPIC обменивается энергией между конденсаторами и катушками индуктивности для преобразования одного напряжения в другое. Количество передаваемой энергии контролируется переключателем S1, который обычно представляет собой транзистор, например MOSFET . MOSFET имеют гораздо более высокий входной импеданс и меньшее падение напряжения , чем транзисторы с биполярным переходом ( BJT ), и не требуют резисторов смещения, поскольку переключение MOSFET контролируется разницей в напряжении, а не токе, как в BJT.

Непрерывный режим [ править ]

Говорят, что SEPIC находится в режиме непрерывной проводимости («непрерывный режим»), если токи через индукторы L1 и L2 никогда не падают до нуля в течение рабочего цикла. работы SEPIC Во время установившейся среднее напряжение на конденсаторе C1 ( V _C1 ) равно входному напряжению ( V _in ). Поскольку конденсатор C1 блокирует постоянный ток (DC), средний ток через него ( I _C1 ) равен нулю, что делает дроссель L2 единственным источником постоянного тока нагрузки. Следовательно, средний ток через дроссель L2 ( I _L2 ) такой же, как средний ток нагрузки и, следовательно, не зависит от входного напряжения.

Глядя на средние напряжения, можно записать следующее:

V_{IN}=V_{L1}+V_{C1}+V_{L2}

Поскольку среднее напряжение V _C1 равно V _IN , V _L1 = − V _L2 . По этой причине две катушки индуктивности могут быть намотаны на одном сердечнике, который начинает напоминать обратноходовой преобразователь — самую базовую топологию импульсного источника питания с трансформаторной развязкой . Поскольку напряжения одинаковы по величине, их влияние на взаимную индуктивность будет равно нулю, если полярность обмоток правильная. Кроме того, поскольку напряжения одинаковы по величине, пульсации токов от двух индукторов будут равны по величине.

Средние токи можно суммировать следующим образом (средние токи конденсаторов должны быть равны нулю):

I_{D1}=I_{L1}-I_{L2}

Когда переключатель S1 включен, ток I _L1 увеличивается, а ток I _L2 становится более отрицательным. (Математически он уменьшается в зависимости от направления стрелки.) Энергия для увеличения тока I _L1 поступает от входного источника. Поскольку S1 кратковременно закрыт, а мгновенное напряжение V _L1 равно примерно V _IN , напряжение V _L2 примерно равно − V _C1 . Следовательно, D1 открывается, и конденсатор C1 подает энергию для увеличения величины тока в I _L2 и, таким образом, увеличения энергии, запасенной в L2. I _L обеспечивается C2. Самый простой способ визуализировать это — рассмотреть напряжения смещения цепи в постоянном состоянии, а затем замкнуть S1.

При выключении переключателя S1 ток I _C1 становится таким же, как ток I _L1 , поскольку дроссели не допускают мгновенных изменений тока. Ток I _L2 будет продолжать двигаться в отрицательном направлении, фактически он никогда не меняет направление. Из диаграммы видно, что отрицательный I _L2 добавляется к току I _L1 , увеличивая ток, подаваемый на нагрузку. Используя закон тока Кирхгофа , можно показать, что I _D1 = I _C1 - I _L2 . Тогда можно сделать вывод, что, пока S1 выключен, питание на нагрузку подается как от L2, так и от L1. Однако C1 заряжается от L1 во время этого цикла выключения (как C2 от L1 и L2) и, в свою очередь, перезаряжает L2 во время следующего цикла включения.

Поскольку потенциал (напряжение) на конденсаторе C1 может менять направление в каждом цикле, следует использовать неполяризованный конденсатор. Однако в некоторых случаях можно использовать поляризованный танталовый или электролитический конденсатор. ^[2] потому что потенциал (напряжение) на конденсаторе C1 не изменится, если переключатель не будет замкнут достаточно долго для полупериода резонанса с индуктором L2, и к этому времени ток в индукторе L1 может быть довольно большим.

Конденсатор C _IN не влияет на анализ идеальной схемы, но необходим в реальных схемах стабилизатора для уменьшения влияния паразитной индуктивности и внутреннего сопротивления источника питания.

Возможности повышения/понижения SEPIC возможны благодаря конденсатору C1 и дросселю L2. Дроссель L1 и ключ S1 создают стандартный повышающий преобразователь , который генерирует напряжение ( V _S1 ), превышающее V _IN , величина которого определяется рабочим циклом переключателя S1. Поскольку среднее напряжение на C1 равно V _IN , выходное напряжение ( ) _VO равно V _S1 - V _IN . Если V _S1 меньше двойного V _IN , то выходное напряжение будет меньше входного. Если V _S1 больше, чем вдвое V _IN , то выходное напряжение будет больше входного напряжения.

Прерывистый режим [ править ]

Говорят, что SEPIC находится в режиме прерывистой проводимости или прерывистом режиме, если ток через любой из индукторов L1 или L2 может упасть до нуля во время рабочего цикла.

Надежность и эффективность [ править ]

Падение напряжения и время переключения диода D1 имеют решающее значение для надежности и эффективности SEPIC. Время переключения диода должно быть очень быстрым, чтобы не создавать скачков высокого напряжения на индукторах, которые могут привести к повреждению компонентов. быстрые обычные диоды или диоды Шоттки Можно использовать .

Сопротивления в катушках индуктивности и конденсаторах также могут оказывать большое влияние на эффективность преобразователя и пульсации выходного сигнала. Индукторы с более низким последовательным сопротивлением позволяют рассеивать меньше энергии в виде тепла, что приводит к повышению эффективности (большая часть входной мощности передается нагрузке). Конденсаторы с низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) также следует использовать для C1 и C2, чтобы минимизировать пульсации и предотвратить перегрев, особенно в C1, где ток часто меняет направление.

Недостатки [ править ]

Как и повышающе-понижающий преобразователь , SEPIC имеет пульсирующий выходной ток. Подобный преобразователь Ćuk лишен этого недостатка, но может иметь только отрицательную выходную полярность, если не используется изолированный преобразователь Ćuk.
Поскольку преобразователь SEPIC передает всю свою энергию через последовательный конденсатор, требуется конденсатор с высокой емкостью и способностью выдерживать ток.
Природа преобразователя четвертого порядка также затрудняет управление преобразователем SEPIC, что делает его пригодным только для очень медленно меняющихся приложений.

См. также [ править ]

Импульсный источник питания (SMPS)
- Преобразователь постоянного тока в постоянный

Ссылки [ править ]

Маниктала, Санджая. Проектирование и оптимизация импульсных источников питания , МакГроу-Хилл, Нью-Йорк, 2005 г.
Уравнения SEPIC и рейтинги компонентов , Интегрированные продукты Maxim. Приложение 1051, 2005 г.
Преобразователь TM SEPIC в пререгуляторе PFC , STMicroelectronics. Примечание по применению AN2435 . В этих указаниях по применению представлены базовые уравнения преобразователя SEPIC, а также практический пример проектирования.
Высокочастотные преобразователи энергии , Intersil Corporation. Рекомендации по применению AN9208, апрель 1994 г. В настоящих указаниях по применению рассматриваются различные архитектуры преобразователей мощности, включая различные режимы проводимости преобразователей SEPIC.

^ Роберт Уоррен, Эриксон (1997). Основы силовой электроники . Чепмен и Холл.
^ Дунбин Чжан, Проектирование септического преобразователя. Май 2006 г., исправлено в апреле 2013 г. Ранее — примечание по применению 1484 компании National Semiconductor, теперь — отчет по применению Texas Instruments SNVA168E.

[1] Роберт Уоррен, Эриксон (1997). Основы силовой электроники . Чепмен и Холл.

[2] Дунбин Чжан, Проектирование септического преобразователя. Май 2006 г., исправлено в апреле 2013 г. Ранее — примечание по применению 1484 компании National Semiconductor, теперь — отчет по применению Texas Instruments SNVA168E.

[1]

[2]