Повышающий преобразователь

Сравнение неизолированных топологий коммутируемого преобразователя постоянного тока в постоянный: Buck, Boost, Бак-Буст, Чук. Вход слева, выход с нагрузкой справа. Переключатель обычно представляет собой транзистор MOSFET, IGBT или BJT.

A повышающий преобразователь (повышающий преобразователь ) представляет собой преобразователь постоянного тока в постоянный, который увеличивает напряжение (при понижении тока) от входа (источника питания) к выходу (нагрузки). Это класс импульсных источников питания (SMPS), содержащих как минимум два полупроводника (диод и транзистор ) и как минимум один элемент накопления энергии. : конденсатор, катушка индуктивности или их комбинация. Для уменьшения пульсаций напряжения фильтры из конденсаторов (иногда в сочетании с катушками индуктивности) обычно добавляются к выходу (фильтр на стороне нагрузки) и входу (фильтр на стороне питания) такого преобразователя.

• 1 Обзор
• 2 История
• 3 Приложения
• 4 Анализ схемы
  • 4.1 Работа
    • 4.1.1 Непрерывный режим
    • 4.1.2 Прерывистый режим
• 5 См. Также
• 6 Дополнительная литература
• 7 Ссылки
• 8 Внешние ссылки

Питание повышающего преобразователя может поступать от любого подходящего источника постоянного тока, такого как батареи, солнечные панели, выпрямители., и генераторы постоянного тока. Процесс, который изменяет одно постоянное напряжение на другое постоянное напряжение, называется преобразованием постоянного тока в постоянный. Повышающий преобразователь - это преобразователь постоянного тока с выходным напряжением, превышающим напряжение источника. Повышающий преобразователь иногда называют повышающим преобразователем, поскольку он «повышает» напряжение источника. Поскольку мощность ($P\; =\; VI\; \{\backslash \; displaystyle\; P\; =\; VI\}$) должна быть сохранена, выходной ток ниже, чем ток источника.

For Высокая эффективность, переключатель импульсного источника питания (SMPS) должен быстро включаться и выключаться и иметь низкие потери. Появление коммерческого полупроводникового переключателя в 1950-х годах стало важной вехой это сделало возможными такие ИИП, как повышающий преобразователь. Основные преобразователи постоянного тока в постоянный были разработаны в начале 1960-х годов, когда стали доступны полупроводниковые переключатели. Аэрокосмическая промышленность Потребность в небольших, легких и эффективных преобразователях мощности привела к быстрое развитие преобразователя.

Коммутируемые системы, такие как SMPS, сложно спроектировать, поскольку их модели зависят от того, открыт или закрыт переключатель. RD Middlebrook из Caltech в 1977 г. опубликовал модели преобразователей постоянного тока, используемых сегодня. Миддлбрук усреднил конфигурации схем для каждого состояния переключателя в метод, называемый усреднением в пространстве состояний. Это упрощение свело две системы в одну. Новая модель привела к проницательным расчетным уравнениям, которые помогли развитию SMPS.

Недорогие модули преобразователей: два понижающих и один повышающий.

В системах питания от аккумуляторных батарей элементы часто устанавливаются последовательно для достижения более высокого напряжения. Однако во многих высоковольтных приложениях невозможно установить достаточное количество ячеек в стопку из-за нехватки места. Повышающие преобразователи могут увеличивать напряжение и уменьшать количество ячеек. Два приложения с батарейным питанием, в которых используются повышающие преобразователи, используются в гибридных электромобилях (HEV) и системах освещения.

Модель NHW20 Toyota Prius HEV использует двигатель 500 В. Без повышающего преобразователя Prius потребовалось бы около 417 ячеек для питания двигателя. Однако на самом деле Prius использует только 168 ячеек и повышает напряжение батареи с 202 В до 500 В. Повышающие преобразователи также питают устройства в небольших приложениях, таких как портативные системы освещения. Белый светодиод обычно требует 3,3 В для излучения света, а повышающий преобразователь может повышать напряжение от одного щелочного элемента 1,5 В для питания лампы.

Нерегулируемый повышающий преобразователь используется в качестве механизма повышения напряжения в схеме, известной как «похититель Джоуля ». Эта топология схемы используется с аккумуляторными батареями малой мощности и нацелена на способность повышающего преобразователя «украсть» оставшуюся энергию в батарее. В противном случае эта энергия была бы потрачена впустую, поскольку низкое напряжение почти разряженной батареи делает ее непригодной для нормальной нагрузки. В противном случае эта энергия осталась бы неиспользованной, потому что многие приложения не позволяют протекать через нагрузку достаточному току при понижении напряжения. Это снижение напряжения происходит по мере разряда батарей и является характеристикой широко распространенных щелочных батарей. Поскольку уравнение для мощности имеет вид ($P\; =\; V\; 2\; /\; R\; \{\backslash \; displaystyle\; P\; =\; V\; ^\; \{2\}\; /\; R\}$), а R имеет тенденцию к стабильности, мощность, доступная для нагрузки, значительно уменьшается при уменьшении напряжения.

Эксплуатация

Ключевым принципом работы повышающего преобразователя является тенденция катушки индуктивности к сопротивлению изменениям тока путем увеличения или уменьшение энергии, запасенной в магнитном поле индуктора. В повышающем преобразователе выходное напряжение всегда выше входного. Схема повышающего каскада мощности показана на рисунке 1.

(a) Когда переключатель замкнут, ток течет через индуктор по часовой стрелке, и индуктор накапливает некоторую энергию, создавая магнитное поле. Полярность левой стороны индуктора положительная.

(b) Когда переключатель разомкнут, ток будет уменьшаться по мере увеличения импеданса. Созданное ранее магнитное поле будет уменьшено в энергии, чтобы поддерживать ток в направлении нагрузки. Таким образом, полярность будет обратной (это означает, что левая сторона индуктора станет отрицательной). В результате два источника будут подключены последовательно, вызывая более высокое напряжение для зарядки конденсатора через диод D.

Если переключить переключатель достаточно быстро, катушка индуктивности не будет полностью разряжаться между этапами зарядки, и нагрузка всегда будет видеть напряжение больше, чем только у источника входного сигнала, когда переключатель разомкнут. Также, когда переключатель разомкнут, конденсатор, подключенный параллельно нагрузке, заряжается до этого комбинированного напряжения. Когда переключатель затем замыкается и правая сторона закорочена с левой стороны, конденсатор, таким образом, может обеспечивать напряжение и энергию для нагрузки. В это время блокирующий диод предотвращает разряд конденсатора через переключатель. Разумеется, выключатель должен быть снова открыт достаточно быстро, чтобы конденсатор не разрядился слишком сильно.

Рис. 1: Схема повышающего преобразователя Рис. 2: Два пути тока повышающего преобразователя, в зависимости от состояния переключателя S.

Базовый принцип повышающего преобразователя состоит из двух различных состояний (см. Рисунок 2):

• во включенном состоянии, переключатель S (см. рисунок 1) замкнут, что приводит к увеличению тока индуктора;
• в выключенном состоянии переключатель разомкнут, и единственный путь, предлагаемый для тока индуктора, проходит через обратный диод D, конденсатор C и нагрузка R. Это приводит к передаче энергии, накопленной во включенном состоянии, в конденсатор.
• Входной ток такой же, как ток катушки индуктивности, который может быть видно на рисунке 2. Таким образом, он не является прерывистым, как в понижающем преобразователе , а требования к входному фильтру ослаблены по сравнению с понижающим преобразователем.

Непрерывный режим

Рис. 3: Осциллограммы тока и напряжения катушки индуктивности в повышающем преобразователе, работающем в непрерывном режиме.

Когда повышающий преобразователь работает в непрерывном режиме, ток через катушку индуктивности ($IL\; \{\backslash \; displaystyle\; I\_\; \{L\}\}$) никогда не падает до нуля. На рисунке 3 показаны типичные формы сигналов тока и напряжения катушки индуктивности в преобразователе, работающем в этом режиме.

В установившемся режиме постоянное (среднее) напряжение на катушке индуктивности должно быть равно нулю, чтобы после каждого цикла индуктивность возвращалась в то же состояние, поскольку напряжение на катушке индуктивности пропорционально скорости изменения тока через нее. (более подробно объяснено ниже). Обратите внимание на рис. 1, что левая часть L находится в $V\; i\; \{\backslash \; displaystyle\; V\_\; \{i\}\}$, а правая часть L видит $V\; s\; \{\backslash \; displaystyle\; V\_\; \{s\}\}$осциллограмма напряжения из рисунка 3. Среднее значение $V\; s\; \{\backslash \; displaystyle\; V\_\; \{s\}\}$составляет $(1\; -\; D)\; V\; o\; \{\backslash \; displaystyle\; (1-D)\; V\_\; \{o\}\}$где D - рабочий цикл формы сигнала, управляющего переключателем. Отсюда мы получаем идеальную передаточную функцию :

$V\; i\; =\; (1\; -\; D)\; V\; o\; \{\backslash \; displaystyle\; V\_\; \{i\}\; =\; (1-D)\; V\_\; \{o\}\}$или $V\; o\; /\; V\; i\; =\; 1\; /\; (1\; -\; D)\; \{\backslash \; displaystyle\; V\_\; \{o\}\; /\; V\_\; \{i\}\; =\; 1\; /\; (1-D)\}$.

Мы получаем тот же результат в результате более подробного анализа, что и следующим образом: Выходное напряжение можно рассчитать следующим образом, в случае идеального преобразователя (т. е. с использованием компонентов с идеальными характеристиками), работающего в установившемся режиме:

Во включенном состоянии переключатель S замкнут, что заставляет входное напряжение ($V\; i\; \{\backslash \; displaystyle\; V\_\; \{i\}\}$) появляться на катушке индуктивности, что вызывает изменение тока ($IL\; \{\backslash \; displaystyle\; I\_\; \{L\}\}$), протекающий через катушку индуктивности в течение периода времени (t) по формуле:

$\Delta \; IL\; \Delta \; t\; =\; V\; i\; L\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; Delta\; I\_\; \{L\}\}\; \{\backslash \; Delta\; t\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{V\_\; \{i\}\}\; \{L\}\}\}$

Где L - значение индуктивности.

В конце состояния «включено» увеличение I L, следовательно, составляет:

$\Delta \; ILO\; n\; =\; 1\; L\; \int \; 0\; DTV\; idt\; =\; DTLV\; i\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Delta\; I\_\; \{L\_\; \{On\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{1\}\; \{L\}\}\; \backslash \; int\; \_\; \{0\}\; ^\; \{DT\}\; V\_\; \{i\}\; dt\; =\; \{\backslash \; frac\; \{DT\}\; \{L\}\}\; V\_\; \{i\}\}$

D - рабочий цикл. Он представляет собой долю периода коммутации T, в течение которого переключатель находится в положении «включено». Следовательно, D находится в диапазоне от 0 (S никогда не горит) до 1 (S всегда горит).

В выключенном состоянии переключатель S разомкнут, поэтому ток индуктора протекает через нагрузку. Если мы рассмотрим нулевое падение напряжения на диоде и конденсатор, достаточно большой, чтобы его напряжение оставалось постоянным, изменение I L будет следующим:

$V\; i\; -\; V\; o\; =\; L\; d\; IL\; dt\; \{\backslash \; displaystyle\; V\_\; \{i\}\; -V\_\; \{o\}\; =\; L\; \{\backslash \; frac\; \{dI\_\; \{L\}\}\; \{dt\}\}\}$

Следовательно, изменение I L во время периода выключения:

$\Delta \; ILO\; ff\; =\; \int \; DTT\; (V\; i\; -\; V\; o)\; dt\; L\; =\; (V\; i\; -\; V\; o)\; (1\; -\; D)\; TL\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Delta\; I\_\; \{L\_\; \{Off\}\}\; =\; \backslash \; int\; \_\; \{DT\}\; ^\; \{T\}\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; left\; (V\_\; \{i\}\; -V\_\; \{o\}\; \backslash \; right)\; dt\}\; \{L\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; left\; (V\_\; \{i\}\; -V\_\; \{o\}\; \backslash \; right)\; \backslash \; left\; (1-D\; \backslash \; right)\; T\}\; \{L\}\}\}$

Поскольку мы считаем, что преобразователь работает в установившемся режиме, количество энергии, накопленной в каждом из его компонентов, должно быть равным то же самое в начале и в конце цикла коммутации. В частности, энергия, запасенная в катушке индуктивности, определяется выражением:

$E\; =\; 1\; 2\; LIL\; 2\; \{\backslash \; displaystyle\; E\; =\; \{\backslash \; frac\; \{1\}\; \{2\}\}\; LI\_\; \{L\}\; ^\; \{2\}\}$

Итак ток индуктора должен быть одинаковым в начале и в конце цикла коммутации. Это означает, что общее изменение тока (сумма изменений) равно нулю:

$\Delta \; ILO\; n\; +\; \Delta \; ILO\; ff\; =\; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Delta\; I\_\; \{L\_\; \{On\}\}\; +\; \backslash \; Delta\; I\_\; \{L\_\; \{Off\; \}\}\; =\; 0\}$

Подставляем $\Delta \; ILO\; n\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Delta\; I\_\; \{L\_\; \{On\}\}\}$и $\Delta \; ILO\; ff\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Delta\; I\_\; \{L\_\; \{\; Off\}\}\}$по их выражениям дает:

$\Delta \; ILO\; n\; +\; \Delta \; ILO\; ff\; =\; V\; i\; DTL\; +\; (V\; i\; -\; V\; o)\; (1\; -\; D)\; TL\; =\; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Delta\; I\_\; \{L\_\; \{On\}\}\; +\; \backslash \; Delta\; I\_\; \{L\_\; \{Off\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{V\_\; \{i\}\; DT\}\; \{L\}\}\; +\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; left\; (V\_\; \{i\}\; -V\_\; \{o\}\; \backslash \; right)\; \backslash \; left\; (1-D\; \backslash \; right)\; T\}\; \{L\}\}\; =\; 0\}$

Это можно записать как:

$V\; o\; V\; i\; =\; 1\; 1\; -\; D\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; frac\; \{V\_\; \{\; o\}\}\; \{V\_\; \{i\}\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{1\}\; \{1-D\}\}\}$

Вышеприведенное уравнение показывает, что выходное напряжение всегда выше входного напряжения (поскольку рабочий цикл идет от 0 до 1), и что он увеличивается с D, теоретически до бесконечности, когда D приближается к 1. Вот почему этот преобразователь иногда называют повышающим преобразователем.

Изменение формулы показывает, что рабочий цикл будет следующим:

$D\; =\; 1\; -\; V\; i\; V\; o\; \{\backslash \; displaystyle\; D\; =\; \{1\; -\; \{\backslash \; frac\; \{V\_\; \{i\}\}\; \{V\_\; \{o\}\}\; \}\}\}$

Прерывистый режим

Рис. 4: Осциллограммы тока и напряжения катушки индуктивности в повышающем преобразователе, работающем в прерывистом режиме.

Если амплитуда пульсаций тока слишком высока, катушка индуктивности может быть полностью разряжена до конца всего цикла коммутации. Обычно это происходит при легких нагрузках. В этом случае ток через катушку индуктивности падает до нуля в течение части периода (см. Кривые на рисунке 4). Хотя разница небольшая, она сильно влияет на уравнение выходного напряжения. Коэффициент усиления по напряжению можно рассчитать следующим образом:

Поскольку ток индуктора в начале цикла равен нулю, его максимальное значение $ILM\; ax\; \{\backslash \; displaystyle\; I\_\; \{L\_\; \{Max\}\}\}$(at $t\; =\; DT\; \{\backslash \; displaystyle\; t\; =\; DT\}$) равно

$ILM\; ax\; =\; V\; i\; DTL\; \{\backslash \; displaystyle\; I\_\; \{L\_\; \{Max\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{\; V\_\; \{i\}\; DT\}\; \{L\}\}\}$

В период отключения I L падает до нуля после $\delta \; T\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; delta\; T\}$:

$ILM\; ax\; +\; (В\; я\; -\; В\; о)\; \delta \; TL\; знак\; равно\; 0\; \{\backslash \; Displaystyle\; I\_\; \{L\_\; \{Max\}\}\; +\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; left\; (V\_\; \{i\}\; -V\_\; \{o\}\; \backslash \; right)\; \backslash \; delta\; T\}\; \{L\}\}\; =\; 0\}$

Используя два предыдущих уравнения, δ равно:

$\delta \; =\; V\; i\; DV\; o\; -\; V\; i\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; delta\; =\; \{\backslash \; frac\; \{V\_\; \{i\}\; D\}\; \{V\_\; \{o\}\; -V\_\; \{\; i\}\}\}\}$

Ток нагрузки I o равен среднему току диода (I D). Как видно на рисунке 4, ток диода равен току катушки индуктивности в выключенном состоянии. Среднее значение I o может быть отсортировано геометрически из рисунка 4. Следовательно, выходной ток может быть записан как:

$I\; o\; =\; ID\; ¯\; =\; IL\; max\; 2\; \delta \; \{\backslash \; displaystyle\; I\_\; \{o\; \}\; =\; \{\backslash \; bar\; \{I\_\; \{D\}\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{I\_\; \{L\_\; \{max\}\}\}\; \{2\}\}\; \backslash \; delta\}$

Замена I Lmax и δ соответствующими выражениями дает:

$I\; o\; =\; V\; i\; DT\; 2\; L\; \cdot \; V\; i\; DV\; o\; -\; V\; i\; =\; V\; i\; 2\; D\; 2\; T\; 2\; L\; (V\; o\; -\; V\; i)\; \{\backslash \; displaystyle\; I\_\; \{o\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{V\_\; \{i\}\; DT\}\; \{2L\}\}\; \backslash \; cdot\; \{\backslash \; frac\; \{V\_\; \{i\}\; D\}\; \{V\_\; \{o\}\; -V\_\; \{i\}\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{V\_\; \{i\}\; ^\; \{2\}\; D\; ^\; \{2\; \}\; T\}\; \{2L\; \backslash \; left\; (V\_\; \{o\}\; -V\_\; \{i\}\; \backslash \; right)\}\}\}$

Следовательно, коэффициент усиления выходного напряжения можно записать следующим образом:

$V\; o\; V\; i\; =\; 1\; +\; V\; i\; D\; 2\; T\; 2\; LI\; o\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; frac\; \{V\_\; \{o\}\}\; \{V\_\; \{i\}\}\}\; =\; 1\; +\; \{\backslash \; frac\; \{V\_\; \{i\}\; D\; ^\; \{2\}\; T\}\; \{2LI\_\; \{o\}\}\}\; \}$

По сравнению с выражением усиления выходного напряжения для непрерывного режима это выражение намного сложнее. Кроме того, при прерывистой работе усиление выходного напряжения зависит не только от рабочего цикла (D), но также от значения индуктивности (L), входного напряжения (V i), периода коммутации (T) и выходной ток (I o).

Подставив I o=Vo/ R в уравнение (R - нагрузка), коэффициент усиления выходного напряжения можно переписать как:

$V\; o\; V\; i\; =\; 1\; +\; 1\; +\; 4\; D\; 2\; K\; 2\; \{\; \backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; frac\; \{V\_\; \{o\}\}\; \{V\_\; \{i\}\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{1\; +\; \{\backslash \; sqrt\; \{1\; +\; \{\backslash \; frac\; \{4D\; ^\; \{2\}\}\; \{K\}\}\}\}\}\; \{2\; \}\}\}$

где $K\; =\; 2\; LRT\; \{\backslash \; textstyle\; K\; =\; \{\backslash \; frac\; \{2L\}\; \{RT\}\}\}$

Повышающий преобразователь из калькулятора TI , генерирование 9 В из 2,4 В, обеспечиваемых двумя аккумуляторами AA.

• Джоулева
• Понижающий преобразователь
• Понижающий-повышающий преобразователь
• Топология Split-pi
• Трансформатор
• Вибратор (электронный)
• Удвоитель напряжения
• Умножитель напряжения
• Гидравлический цилиндр можно рассматривать как аналог повышающего преобразователя, используя электронно-гидравлическую аналогию.

На Викискладе есть материалы, связанные с повышающими преобразователями.

• Объяснение нелинейного поведения, моделирования и линеаризации повышающего преобразователя постоянного / постоянного тока
• Максимальная выходная мощность повышающего преобразователя для ene сбор урожая