Dc dc преобразователь что это

Dc Dc преобразователь. Устройство и принцип работы основных схем

Для питания различной электронной аппаратуры весьма широко используется Dc Dc преобразователь. Применяется он в устройствах вычислительной техники, устройствах связи, различных схемах управления, автоматики и др.

Питание схем с помощью трансформаторных блоков питания

В традиционных трансформаторных блоках питания напряжение питающей сети с помощью трансформатора преобразуется, чаще всего понижается, до нужного значения. Пониженное напряжение выпрямляется диодным мостом и сглаживается конденсаторным фильтром. В случае необходимости после выпрямителя ставится полупроводниковый стабилизатор.

Трансформаторные блоки питания, как правило, оснащаются линейными стабилизаторами. Достоинств у таких стабилизаторов не менее двух: это маленькая стоимость и незначительное количество деталей в обвязке. Но эти достоинства съедает низкий КПД, поскольку значительная часть входного напряжения используется на нагрев регулирующего транзистора, что совершенно неприемлемо для питания переносных электронных устройств.

Питание схем с помощью Dc Dc преобразователей

Если питание аппаратуры осуществляется от гальванических элементов или аккумуляторов, то преобразование напряжения до нужного уровня возможно лишь с помощью Dc Dc преобразователей.

Идея достаточно проста: постоянное напряжение преобразуется в переменное, как правило, с частотой несколько десятков и даже сотен килогерц, повышается (понижается), а затем выпрямляется и подается в нагрузку. Такие преобразователи часто называются импульсными.

В качестве примера можно привести повышающий преобразователь из 1,5 В до 5 В (выходное напряжение компьютерного USB).

  Dc Dc преобразователь 1,5 В / 5 В

Импульсные преобразователи хороши тем, что имеют высокий КПД, в пределах 60..90%. Еще одно достоинство импульсных преобразователей широкий диапазон входных напряжений: входное напряжение может быть ниже выходного или намного выше.

Классификация Dc Dc преобразователей

Вообще Dc Dc преобразователи можно разделить на несколько групп.

Понижающий, по английской терминологии step-down или buck

Выходное напряжение этих преобразователей, как правило, ниже входного: без особых потерь на нагрев регулирующего транзистора можно получить напряжение всего несколько вольт при входном напряжении 1250 В. Выходной ток таких преобразователей зависит от потребности нагрузки, что в свою очередь определяет схемотехнику преобразователя.

Еще одно англоязычное название понижающего преобразователя chopper. Один из вариантов перевода этого слова – прерыватель. В технической литературе понижающий преобразователь иногда так и называют «чоппер». Пока просто запомним этот термин.

Повышающий, по английской терминологии step-up или boost

Выходное напряжение этих преобразователей выше входного. Например, при входном напряжении 5 В на выходе можно получить напряжение до 30 В, причем, возможно его плавное регулирование и стабилизация. Достаточно часто повышающие преобразователи называют бустерами.

Универсальный Dc Dc преобразователь – SEPIC

Выходное напряжение этих преобразователей удерживается на заданном уровне при входном напряжении как выше входного, так и ниже. Рекомендуется в случаях, когда входное напряжение может изменяться в значительных пределах. Например, в автомобиле напряжение аккумулятора может изменяться в пределах 914 В, а требуется получить стабильное напряжение 12 В.

Инвертирующий Dc Dc преобразователь — inverting converter

Основной функцией этих преобразователей является получение на выходе напряжения обратной полярности относительно источника питания. Очень удобно в тех случаях, когда требуется двухполярное питание, например для питания ОУ (операционных усилителей).

Все упомянутые преобразователи могут быть стабилизированными или нестабилизированными, выходное напряжение может быть гальванически связано с входным или иметь гальваническую развязку напряжений. Все зависит от конкретного устройства, в котором будет использоваться преобразователь.

Чтобы перейти к дальнейшему рассказу о Dc Dc преобразователях следует хотя бы в общих чертах разобраться с теорией.

Понижающий Dc Dc преобразователь – преобразователь типа buck

Его функциональная схема показана на рисунке ниже. Стрелками на проводах показаны направления токов.

   Функциональная схема чопперного стабилизатора

Входное напряжение U in подается на входной фильтр — конденсатор C in. В качестве ключевого элемента используется транзистор VT, он осуществляет высокочастотную коммутацию тока. Это может быть транзистор структуры MOSFET, IGBT либо обычный биполярный транзистор. Кроме указанных деталей в схеме содержится разрядный диод VD и выходной фильтр – LC out, с которого напряжение поступает в нагрузку R н.

Нетрудно видеть, что нагрузка включена последовательно с элементами VT и L. Поэтому схема является последовательной.

Как же происходит понижение напряжения?

Широтно-импульсная модуляция – ШИМ

Схема управления вырабатывает прямоугольные импульсы с постоянной частотой или постоянным периодом, что в сущности одно и то же. Эти импульсы показаны на рисунке ниже.

   Импульсы управления

Здесь tи время импульса, транзистор открыт, tп – время паузы, — транзистор закрыт. Соотношение tи/T называется коэффициентом заполнения duty cycle, обозначается буквой D и выражается в %% или просто в числах. Например, при D равном 50% получается, что D=0,5.

Таким образом D может изменяться от 0 до 1. При значении D=1 ключевой транзистор находится в состоянии полной проводимости, а при D=0 в состоянии отсечки, попросту говоря, закрыт. Нетрудно догадаться, что при D=50% выходное напряжение будет равно половине входного.

Совершенно очевидно, что регулирование выходного напряжения происходит за счет изменения ширины управляющего импульса tи, по сути дела изменением коэффициента D. Такой принцип регулирования называется широтно-импульсной модуляцией ШИМ (PWM). Практически во всех импульсных блоках питания именно с помощью ШИМ производится стабилизация выходного напряжения.

Вообще конвертеры получили столь широкое применение, что фирмы производители электронных компонентов наладили выпуск ШИМ контроллеров на все случаи жизни. Ассортимент настолько велик, что просто для того чтобы их перечислить понадобится целая книга. Поэтому собирать конвертеры на дискретных элементах, или как часто говорят на «рассыпухе», никому не приходит в голову.

Более того готовые конвертеры небольшой мощности можно купить на Алиэкспрес или Ebay за незначительную цену. При этом для установки в любительскую конструкцию достаточно припаять к плате провода на вход и выход, и выставить требуемое выходное напряжение.

Сейчас вернемся к нашему понижающему конвертеру типа buck, полная схема приведена выше.

В данном случае коэффициент D определяет, сколько времени будет открыт (фаза 1) или закрыт (фаза 2) ключевой транзистор. Для этих двух фаз можно представить схему двумя рисунками. На рисунках НЕ ПОКАЗАНЫ те элементы, которые в данной фазе не используются.

   Фаза 1

При открытом транзисторе ток от источника питания (гальванический элемент, аккумулятор, выпрямитель) проходит через индуктивный дроссель L, нагрузку Rн, и заряжающийся конденсатор Cout. При этом через нагрузку протекает ток, конденсатор Cout и дроссель L накапливают энергию. Ток iL ПОСТЕПЕННО ВОЗРАСТАЕТ, сказывается влияние индуктивности дросселя. Эта фаза называется накачкой.

После того, как напряжение на нагрузке достигнет заданного значения (определяется настройкой устройства управления), транзистор VT закрывается и устройство переходит ко второй фазе – фазе разряда. Закрытый транзистор на рисунке не показан вовсе, как будто его и нет. Но это означает лишь то, что транзистор закрыт.

   Фаза 2

При закрытом транзисторе VT пополнения энергии в дросселе не происходит, поскольку источник питания отключен. Индуктивность L стремится воспрепятствовать изменению величины и направления тока (самоиндукция) протекающего через обмотку дросселя.

Поэтому ток мгновенно прекратиться не может и замыкается через цепь «диод-нагрузка». Из-за этого диод VD получил название разрядный. Как правило, это быстродействующий диод Шоттки. По истечении периода управления фаза 2 схема переключается на фазу 1, процесс повторяется снова. Максимальное напряжение на выходе рассмотренной схемы может быть равным входному, и никак не более. Чтобы получить выходное напряжение больше, чем входное, применяются повышающие преобразователи.

Следует заметить, что на самом деле не все так просто, как написано выше: предполагается, что все компоненты идеальные, т.е. включение и выключение происходит без задержек, а активное сопротивление нулевое. При практическом изготовлении подобных схем приходится учитывать многие нюансы, поскольку очень многое зависит от качества применяемых компонентов и паразитной емкости монтажа. Только про такую простую деталь как дроссель (ну, просто моток провода!) можно написать еще не одну статью.

Пока только следует напомнить собственно о величине индуктивности, которая определяет два режима работы чоппера. При недостаточной индуктивности преобразователь будет работать в режиме разрывных токов, что совершенно недопустимо для источников питания.

Если же индуктивность достаточно большая, то работа происходит в режиме неразрывных токов, что позволяет с помощью выходных фильтров получить постоянное напряжение с приемлемым уровнем пульсаций. В режиме неразрывных токов работают и повышающие преобразователи, о которых будет рассказано ниже.

Для некоторого повышения КПД разрядный диод VD заменяется транзистором MOSFET, который в нужный момент открывается схемой управления. Такие преобразователи называются синхронными. Их применение оправдано, если мощность преобразователя достаточно велика.

Повышающий Dc Dc преобразователь – преобразователь типа boost 

Повышающие преобразователи применяются в основном при низковольтном питании, например, от двух-трех батареек, а некоторые узлы конструкции требуют напряжения 1215 В с малым потреблением тока. Достаточно часто повышающий преобразователь кратко и понятно называют словом «бустер».

   Функциональная схема повышающего преобразователя

Входное напряжение U in подается на входной фильтр C in и поступает на последовательно соединенные катушку индуктивности L и коммутирующий транзистор VT. В точку соединения катушки и стока транзистора подключен диод VD. К другому выводу диода подключены нагрузка R н и шунтирующий конденсатор C out.

Транзистор VT управляется схемой управления, которая вырабатывает сигнал управления стабильной частоты с регулируемым коэффициентом заполнения D, так же, как было рассказано чуть выше при описании чопперной схемы. Диод VD в нужные моменты времени блокирует нагрузку от ключевого транзистора.

Когда открыт ключевой транзистор правый по схеме вывод катушки L соединяется с отрицательным полюсом источника питания U in. Нарастающий ток (сказывается влияние индуктивности) от источника питания протекает через катушку и открытый транзистор, в катушке накапливается энергия.

В это время диод VD блокирует нагрузку и выходной конденсатор от ключевой схемы, тем самым предотвращая разряд выходного конденсатора через открытый транзистор. Нагрузка в этот момент питается энергией накопленной в конденсаторе C out. Естественно, что напряжение на выходном конденсаторе падает.

Как только напряжение на выходе станет несколько ниже заданного, (определяется настройками схемы управления), ключевой транзистор VT закрывается, и энергия, запасенная в дросселе, через диод VD подзаряжает конденсатор C out, который подпитывает нагрузку. При этом ЭДС самоиндукции катушки L складывается с входным напряжением и передается в нагрузку, следовательно, напряжение на выходе получается больше входного напряжения.

По достижении выходным напряжением установленного уровня стабилизации схема управления открывает транзистор VT, и процесс повторяется с фазы накопления энергии.

Универсальный Dc Dc преобразователь – SEPIC 

Источник: https://powercoup.by/radioelektronika/dc-dc-preobrazovatel

Принцип работы и разновидности DC-DС преобразователей | ТЕРРАТЕЛ

DC/DC преобразователи питания постоянного тока широко применяются в различных электронных приборах, вычислительной технике, устройствах телекоммуникации, автоматизированных системах управления (АСУ), мобильных устройствах и т.д.
DC/DC преобразователи применяются для изменения выходного напряжения как в большую, так и в меньшую сторону, относительно напряжения на входе.

Типы DC DC преобразователей

Сегодня на рынке существует различные типы DC/DC конвертеров, которые используются потребителями.

1. DC/DC преобразователи без индуктивности.

Для питания маломощных нагрузок выгодно использовать преобразователи на коммутируемых конденсаторах. Использование таких устройств не требует наличия дорогих моточных компонентов, поэтому они позволяют создать дешевые и компактные модули питания. Подобные преобразователи могут быть как с фиксированным напряжением, так регулируемые.

1. DC/DС преобразователи с индуктивностью.

Большой популярностью пользуются преобразователи без гальванической развязки между входом и выходом. В данном типе DC-DC конвертера находится единичный изолированный источник питания. В зависимости от положения ключа, напряжение может повышаться, понижаться или инвертироваться в напряжение с обратной полярностью. Ключевыми элементами часто выступают биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) и полевые транзисторы разного типа (FET).

Среди конвертеров с индуктивностью можно встретить следующие типы:

• Понижающий импульсный DC-DC преобразователь. В роли ключа выступает транзистор, управляемый с помощью широтно-импульсного модулятора.
• Повышающий импульсный DC-DC преобразователь. Его особенности мы рассмотрим ниже.
• Преобразователь с регулируемым выходным напряжением. Такие устройства позволяют получить как повышенное, так и пониженное напряжение на выходе. Зачем это нужно? Например, для использования в устройствах, где напряжение задается Li-ионной батареей. Со временем, когда батарея ослабевает, её напряжение уменьшается, но использование такого преобразователя позволяет всегда поддерживать заданное значение на выходе.
• Преобразователь с любым выходным напряжением. Они способны производить как повышенное, так и пониженное напряжение на выходе. Зачем они нужны? Например, для использования в схемах, где напряжение задается Li-ионной батареей. Они имеют напряжение 3,3 В. Со временем эксплуатации ее напряжение уменьшается, и поэтому есть смысл преобразовывать его до 3,3В на выходе. Примером такого устройства является Buck-boost DC DC преобразователь от Террател.

Рис. Составные узлы DC-DC преобразователя

1. DC/DC преобразователь с гальванической развязкой.

В таких преобразователях постоянного тока применяются импульсные трансформаторы с несколькими обмотками, благодаря чему отсутствует связь между входной и выходной цепями.
Для таких устройств характерна большая разница потенциалов между входным и выходным напряжением. Например, они используются в блоках питания импульсных фотовспышек, которые имеют на выходное напряжение около 400В.

Принцип работы DC-DC преобразователя

Описания принципа работы DC/DC преобразователя рассмотрим на следующем примере.

Итак, у нас есть 5В постоянного тока из которых нам необходимо получить большее напряжение. Существует несколько вариантов решения данной задачи. Например, параллельно заряжать конденсаторы, а потом последовательно их переключать. Причем делать это надо очень быстро, по несколько раз в секунду. Конечно, на практике это нереально, поэтому существуют специальные DC/DC преобразователи для решения этой задачи.

Чтобы понять, что такое DC/DC конвертер и какой у него принцип роботы, представим вариант работы системы подачи воды потребителю.

Этап 1 – Процесс разгона турбины.
Для начала нам необходимо разогнать турбину. Для этого открывается заслонка, и вода быстро сливается, передавая часть своей энергии турбине, благодаря чему последняя начинает раскручиваться.

Этап 2 – Заполнение емкости накопителя воды и давления.

Заслонка закрывается. Порция воды, толкаемая раскрученной турбиной-маховиком, приоткрывает клапан и наполняет емкость накопителя воды и давления. Другая часть воды направляется к потребителю, только уже с повышенным давлением от емкости-накопителя. При этом клапан препятствует обратному ходу воды в сторону турбины в случае возникновения большего давления от емкости накопителя.

Этап 3 – Получение энергии из емкости накопителя давления и разгон турбины.

Скорость турбины начинает падать. Давления воды уже не достаточно для продавливания клапана, а энергии в емкости накопителя воды накоплено достаточно. Затем, заслонка открывается снова, и вода начинает быстро раскручивать турбину. При этом поток воды к потребителю не прекращается, так как он получает её из емкости накопителя.

Дальше цикл раскрутки турбины и заполнения емкости накопителя воды и давления повторяется.

По аналогичному принципу работает любой DC DC преобразователь.

Ниже представлена электрическая схема DC DC преобразователя, на которой мы рассмотрим принцип его работы.

При этом роль турбины в электрической схеме DC DC преобразователя выполняет индуктивный дроссель. Вместо заслонки, которая управляет потоком воды, применяется транзистор. Роль клапана выполняет диод, а конденсатор является емкостью для накопителя давления.

Как работает DC DC преобразователь? Все аналогично.

Этап 1 – Накопление заряда индуктивностью.

Ключ замкнут. Индуктивность, получая ток от источника, накапливает энергию.

Этап 2 – Передача энергии в конденсатор.

Ключ размыкается, при этом катушка удерживает накопленную энергию в магнитном поле. Ток старается остаться на том же уровне, но дополнительная энергия из индуктивности подымает напряжение, тем самым открывая путь через диод. Часть энергии попадает к потребителю, а остальная накапливается в конденсаторе.

Этап 3 – Накопление энергии в индуктивности и передача заряда потребителю.

Затем ключ замыкается, и энергия снова начинает накапливаться в катушке. Потребитель, в это время, получает энергию из конденсатора.

Область применения DC/DC преобразователей и дросселей

В различных электронных устройствах, работающих от автономных источников энергии, необходимые уровни напряжений, возможно, получить только с использованием DC/DC преобразователей постоянного тока.

DC/DC конвертеры, преобразователи или дроссели напряжения постоянного тока широко применяются в различных портативных электронных приборах, вычислительной технике, телекоммуникационном оборудовании, автоматизированных системах управления АСУ, автомобилестроении и т.д.

Источник: https://www.terratel.eu/ru/does-converter-work.html

Принцип работы повышающего DC-DC преобразователя

DC-DC преобразователи находят применение в разнообразных мобильных аппаратах, электронике, вычислительной технике, АСУ, телекоммуникационных приборах. Они применяются для повышения или понижения напряжения на выходе (Uвых) относительно его исходного значения, а также для смены полярности.

Виды DC-DC преобразователей

Есть разные типы преобразователей DC-DC:

1. Без катушки индуктивности, собранные с использованием конденсаторов. Есть варианты с неменяющимся и настраиваемым напряжением. Такие инверторы подходят для питания нагрузок низкой мощности. Для сборки схемы регулируемого преобразователя DC-DC не нужно иметь моточные компоненты. Это позволяет собирать модули компактных размеров с минимальными расходами.
2. С катушкой индуктивности, без гальванической развязки. Содержат 1 источник питания в изоляции. Способ преобразования (повышение, понижение, смена полярности) зависит от позиции ключа. В качестве ключевых составляющих обычно используются полевые транзисторы (FET) и биполярные транзисторы с затвором в изоляции (IGBT).

Устройства с индуктивностью бывают:

1. Повышающего типа. Принцип работы и микросхемы DC-DC повышающих преобразователей будут рассмотрены далее.
2. Понижающие – с транзистором-ключом. Для его управления применяется широтно-импульсный модулятор.
3. С возможностью регулирования величины Uвых – подходят для получения повышенного или пониженного значения выходного напряжения. Находят применение в приборах, в которых напряжение задает Li-ion элемент питания, и его напряжение постепенно снижается. Такой инвертор с легкостью поддерживает заданное выходное значение.
4. С произвольной величиной Uвых, т.е. с возможностью его повышения и понижения. Используются такие преобразователи напряжения DC-DC в схемах, в которых напряжение задает накопитель энергии Li-ion типа. Их номинальное напряжение в процессе эксплуатации элементов питания снижается, и возникает необходимость его изменения до выходного значения 3,3 В.

• С гальванической развязкой. Содержат импульсные трансформаторы с рядом обмоток. Между цепями входа и выхода связи нет. Между значениями напряжения на концах наблюдается значительная разница потенциалов. В частности, такие конвертеры применяются в блоках питания импульсных фотовспышек с Uвых около 400 В.

Принцип работы понижающего DC/DC преобразователя, схемы подключения

Мощный понижающий преобразователь напряжения DC/DC, схема которого включает высокочастотный транзистор, входной и выходной L-C фильтры, силовой трансформатор, микросхему управления, представляет собой импульсный конвертер, преобразующий постоянное напряжение большего значения в постоянное напряжение меньшего значения.

Современные устройства дополнительно выполняют стабилизацию характеристик, снижают уровень пульсаций, обеспечивают гальваническую развязку входных и выходных электроцепей. Некоторые модели могут регулировать напряжение на нагрузке, выдавать отрицательное напряжение, что выгодно выделяет их на фоне обычных линейных регуляторов.

Понижающие преобразователи напряжения применяются в следующих сферах:

• батарейные зарядные устройства;
• мультимедийные проигрыватели, компьютерные игровые консоли;
• распределенные систем электропитания;
• мониторы и телевизоры.

Принцип работы понижающих конвертеров

Основным элементом устройств является силовой ключ, в роли которого выступает биполярный, MOSFET или IGBT транзистор. Он может находиться в двух положениях — открытом и закрытом. В первом состоянии ток протекает через ключ, во втором — нет. Таким образом, принцип работы понижающего DC/DC преобразователя заключается в следующем:

1. Когда транзистор открыт, электроток от источника питания протекает по контуру ключ-индуктивность-нагрузка. При этом происходит нарастание тока от минимального до максимального значения. Энергия от источника передается в нагрузку, параллельно накапливается в катушке индуктивности и конденсаторе. Происходит так называемая фаза накачки.
2. При закрытии ключа, катушка отдает накопленную энергию нагрузке — наступает фаза разряда. Ток через транзистор не протекает, а течет по контуру индуктивность-диод-нагрузка. Диод необходим для протекания обратного электротока. В некоторых схемах вместо него используется MOSFET транзистор. Это решение позволяет повысить КПД системы. Такая схема ДС/ДС понижающего преобразователя называется синхронной.
3. Управление временем открытия и закрытия ключа осуществляется с помощью широтно-импульсной модуляции. Отношение времени импульса к общему времени цикла (импульс + пауза) называется коэффициентом заполнения. Изменяя его, можно регулировать величину выходного напряжения.

Как рассчитать характеристики преобразователя?

Рассмотрим пример расчета модуля конвертера с ШИМ-управлением, неизменной частотой коммутации и непрерывным током, протекающим через катушку. В качестве исходных данных используются величины входного (Uвх) и выходного напряжения (Uвых), максимального выходного тока (Iмах) и частоты коммутации (N). Рассчитаем катушку индуктивности по формуле:

L = (Uвх — Uвых)* Uвых/ Uвх (мах)*1/N*1/LIR*Iмах, где LIR — это коэффициент пульсации, который определяется соотношением размаха токовых пульсаций в катушке к выходному электротоку конвертера.

Если принять Uвх = 724 В, Uвых = 2 В, Iмах = 7 А, N = 300 кГц, размах пульсаций = 300 мА, то получим L = 2,91 мкГн.

Пиковый ток катушки индуктивности вычисляем по формуле:

Iпик = Iмах + (LIR* Iмах)/2 = 8,05 А.

Выбор выходного конденсатора выполняется таким образом, чтобы величина пульсаций напряжения на выходе преобразователя и амплитуда выбросов при резком изменении тока нагрузки находились в заданных пределах. При подборе диода необходимо ориентироваться на рассеиваемую им мощность.

Максимальный прямой ток диода не должен достигать наибольшего выходного тока конвертера. Для максимального снижения потерь и повышения устойчивости работы устройства важно правильно разместить компоненты преобразователя и выполнить грамотную трассировку печатной платы.

Вот несколько общих рекомендаций:

• нужно уменьшить длину общего и других проводников с большими токами. Длина проводников, который подключены к транзистору, диоду и катушке должна быть минимальной;
• проводники питающей цепи должны быть короткими и широкими;
• проводники в измеряющих цепях необходимо размещать подальше от коммутационных элементов.

Схема подключения преобразователя

Рассмотрим особенности подключения мощного понижающего преобразователя напряжения DC/DC, схема которого включает гальваническую развязку. Подобные устройства выполнены обычно в корпусах, рассчитанных на установку в 19-дюймовые стойки или шкафы. Подключение осуществляется в такой последовательности:

1. Подсоединяем нагрузку к клеммнику с помощью медного кабеля подходящего сечения.
2. Подключает к клеммнику сеть питания. Кабель должен быть обесточенным и иметь рекомендуемое производителем конвертера сечение. Важно соблюдать полярность соединения.
3. При необходимости подсоединяем линию внешней сигнализации, сообщающей об аварийном состоянии преобразователя.
4. Выполняем тест работы конвертера. Проверяем наличие и величину выходного напряжения.

При установке конвертера важно, чтобы не перекрывались вентиляционные отверстия на панелях устройства. Для эффективного охлаждения внутренних компонентов рекомендуется регулярно проводить замену вентиляторов. Следует учесть, что многие модели допускают параллельную работу нескольких преобразователей для питания общей нагрузки, а также рассчитаны на работу на холостом ходу.

Критерии выбора преобразователя

При выборе импульсного понижающего преобразователя ключевыми параметрами являются:

• диапазон входного напряжения;
• выходное напряжение. Оно может быть фиксированным или регулируемым. Диапазон регулировки ограничен минимальной и максимальной длительностью импульса;
• максимальный выходной ток. Он зависит от наибольшей допустимой рассеиваемой мощности, сопротивления силовых ключей и других факторов;
• частота работы конвертера. Чем она выше, тем проще выполнять фильтрацию выходных параметров и бороться с помехами. В то же время, возрастание частоты приводит к увеличению потерь на переключение транзистора;
• коэффициент полезного действия.

Итоги

В статье были рассмотрены основные схемы ДС/ДС понижающего преобразователя, представлены рекомендации по выбору и подключению устройств.

Источник: https://newet.ru/article/princip-raboty-ponizajushego-dc-dc-preobrazovatelja/

Повышающие преобразователи постоянного тока

Заказать этот номер

2012№2

Статья является дополнением к ранее опубликованной работе по понижающим преобразователям постоянного тока и касается специфики схемотехники повышающих преобразователей.

Для получения высокого напряжения в системах с питанием от батарей или аккумуляторов используют последовательное включение нескольких питающих элементов. Однако из-за ограничений, накладываемых на габариты устройств, это не всегда возможно.

Выход — в использовании повышающих импульсных преобразователей постоянного тока. Принцип их действия основан на применении магнитного поля катушки индуктивности для поочередного запасания энергии и передачи ее в нагрузку с другим уровнем напряжения. Благодаря малым потерям они хорошо подходят для задач, где требуется высокий КПД. Для снижения пульсаций выходного напряжения к выходу преобразователя подключаются конденсаторы.

Повышающие импульсные преобразователи, обсуждаемые в этой статье, используются для получения более высокого напряжения, в то время как понижающие импульсные преобразователи, обсуждавшиеся в предыдущей статье [1], нужны для получения более низкого напряжения.

Напомним, импульсные преобразователи, имеющие внутренние ключи на полевых транзисторах, называются регуляторами, а устройства, для которых необходимы внешние полевые транзисторы, — контроллерами импульсных преобразователей.

Повышение напряжения становится возможным благодаря свойству катушки индуктивности противостоять изменениям тока. В процессе заряда катушка индуктивности играет роль нагрузки и запасает энергию, а в процессе разряда она играет роль источника энергии. Напряжение в фазе разряда зависит от скорости изменения тока, а не от исходного заряжающего напряжения. Это позволяет получить выходное напряжение, отличное от напряжения на входе.

Повышающий регулятор, упрощенная схема которого приведена на рис. 1, состоит из двух ключей, двух конденсаторов и катушки индуктивности.

Рис. 1. Схема повышающего преобразователя, отражающая две основные фазы его работы

Во избежание нежелательного «сквозного тока» управление ключами осуществляется таким образом, что только один из них активен в отдельно взятый момент времени. В фазе 1 (tON) ключ В разомкнут, а ключ А замкнут. Катушка индуктивности подключена к «земле», и ток протекает от VIN на «землю».

Поскольку напряжение на катушке индуктивности имеет положительную полярность, ток возрастает, и в катушке индуктивности запасается энергия. В фазе 2 (tOFF) ключ А разомкнут, а ключ В замкнут. Катушка индуктивности подключена к нагрузке, и ток протекает от VIN в нагрузку.

Поскольку напряжение на катушке индуктивности имеет отрицательную полярность, ток убывает, и энергия, запасенная в катушке индуктивности, передается в нагрузку. Указанные параметры двухфазового режима работы представлены на рис. 2 в виде временных диаграмм.

Рис. 2. Временные диаграммы работы повышающего преобразователя

Импульсный преобразователь может работать в непрерывном или прерывистом режиме. При работе в непрерывном режиме (continuous conduction mode, ССМ) ток через катушку индуктивности никогда не падает до нуля.

При работе в прерывистом режиме (discontinuous conduction mode, DCM) ток через катушку индуктивности может падать до нуля. Уровень пульсаций тока, обозначенный на рис. 2 как ΔIL, определяется по формуле ΔIL = (VIN×tON)/L.

В нагрузку попадает постоянный ток, равный среднему значению тока через катушку индуктивности, а ток пульсаций протекает через выходной конденсатор.

Схема повышающего импульсного преобразователя включает в себя генератор, контур управления с ШИМ и коммутируемые полевые транзисторы (рис. 3).

Рис. 3. Схема повышающего импульсного преобразователя

Преобразователи, в которых в качестве ключа В используется диод Шоттки, называются асинхронными, а преобразователи, в которых в качестве ключа В используется полевой транзистор, — синхронными. В схеме на рис.

 3 ключи А и В реализованы с помощью внутреннего полевого транзистора с каналом N-типа и внешнего диода Шоттки соответственно, и, таким образом, она представляет собой асинхронный повышающий импульсный регулятор.

В системах с пониженным энергопотреблением, в которых требуются изоляция нагрузки и малый ток в неактивном состоянии, можно добавить внешние полевые транзисторы, как показано на рис. 4. Подача напряжения ниже 0,3 В на вывод EN устройства отключает преобразователь и полностью отсоединяет вход от выхода.

Рис. 4. Типичная схема включения ADP1612/ADP1613

Основным рабочим режимом в современных повышающих синхронных импульсных преобразователях является режим широтно-импульсной модуляции. При этом частота импульсов поддерживается постоянной, а их длительность (tON) изменяется для регулировки выходного напряжения. Средняя мощность, выдаваемая в нагрузку, пропорциональна коэффициенту заполнения импульсной последовательности:

Например, при желаемом выходном напряжении 15 В и доступном входном напряжении 5 В:

Вследствие закона сохранения энергии входная мощность равна сумме мощности, выдаваемой в нагрузку, и любых потерь. Ввиду высокой эффективности преобразования небольшими потерями при вычислении мощности можно пренебречь. Таким образом, входной ток можно аппроксимировать выражением:

Так, например, если ток нагрузки равен 300 мА при выходном напряжении 15 В, то IIN = 900 мА при входном напряжении 5 В, то есть примерно в три раза больше выходного тока. Таким образом, с ростом выходного напряжения доступный ток нагрузки убывает.

Для стабилизации выходного напряжения в повышающих преобразователях используется обратная связь по напряжению или по току. Управляющий контур позволяет поддерживать уровень выходного напряжения при изменении нагрузки. Повышающие импульсные преобразователи для систем с малым энергопотреблением обычно работают с частотой импульсов в диапазоне от 600 кГц до 2 МГц.

Работа на высокой частоте коммутации позволяет использовать катушки индуктивности меньших габаритов, однако при каждом удвоении частоты КПД падает примерно на 2%. В повышающих импульсных преобразователях ADP1612 и ADP1613 частоту коммутации можно выбрать при помощи вывода FREQ.

При подключении вывода FREQ к «земле» устанавливается частота 650 кГц, при которой достигается максимальный КПД, а при подключении вывода FREQ к VIN устанавливается частота 1,3 МГц, позволяющая уменьшить габариты внешних компонентов.

Катушка индуктивности, являющаяся ключевым компонентом повышающего импульсного преобразователя, запасает энергию в интервале tON и передает эту энергию на выход через выходной выпрямитель в интервале tOFF.

Для достижения компромисса между малым уровнем пульсаций тока через катушку индуктивности и высоким КПД в техническом описании ADP1612/ADP1613 рекомендуется использовать катушки индуктивности с номиналом от 4,7 до 22 мкГн.

В общем случае, при одинаковых размерах, катушка с малой индуктивностью обладает бóльшим током насыщения и меньшим последовательным сопротивлением, однако при этом она также имеет больший пиковый ток, что может приводить к снижению КПД, повышенным пульсациям и росту шума.

Для уменьшения габаритов катушки индуктивности и повышения стабильности лучше использовать повышающий импульсный преобразователь, работающий в прерывистом режиме. Пиковый ток через катушку индуктивности (максимальный входной ток плюс половина тока пульсаций) должен быть ниже номинального тока насыщения катушки, а максимальный постоянный входной ток должен быть ниже предельного рабочего среднеквадратического тока катушки индуктивности.

Диапазон входных напряжений

Диапазон входных напряжений повышающего импульсного преобразователя определяет наименьшее полезное входное напряжение питания.

Ток по цепи заземления (рабочий ток)

IQ — это постоянный ток смещения, не поступающий в нагрузку. Устройства с малым значением IQ дают больший КПД. Параметр IQ может быть указан в спецификации для различных условий работы.

Ток в неактивном режиме

Это входной ток, потребляемый при неактивном уровне сигнала на выводе разрешения. Малое значение этого тока важно для поддержания долговременной работы в режиме ожидания, когда устройство находится в «спящем» режиме.

Коэффициент заполнения импульсной последовательности

Рабочий коэффициент заполнения импульсной последовательности должен быть меньше максимального коэффициента заполнения импульсной последовательности; в противном случае стабилизация выходного напряжения поддерживаться не будет. Так, например при VIN = 5 В и VOUT = 15 В, D = (VOUT –VIN)/VOUT = 67%. Максимальный коэффициент заполнения импульсной последовательности у ADP1612 и ADP1613 составляет 90%.

Диапазон выходных напряжений

Точнее — диапазон поддерживаемых выходных напряжений. Выходное напряжение повышающего импульсного преобразователя может быть фиксированным или регулируемым. Во втором случае для задания желаемого выходного напряжения используются внешние резисторы.

Предельный ток

В спецификациях на повышающие импульсные преобразователи обычно указывается предельный пиковый ток, а не ток нагрузки. Обратите внимание на то, что чем больше разница между VIN и VOUT, тем меньше доступный ток нагрузки. Максимальный доступный выходной ток определяется пиковым предельным током, входным напряжением, выходным напряжением, значением частоты коммутации и номиналом катушки индуктивности.

Стабилизация по входному напряжению

Стабилизация по входному напряжению — это изменение выходного напряжения, вызываемое изменением входного напряжения.

Стабилизация по току нагрузки

Стабилизация по току нагрузки — это изменение выходного напряжения, вызываемое изменением выходного тока.

Мягкий запуск

Важно, чтобы повышающие импульсные преобразователи имели функцию мягкого запуска, которая бы обеспечивала контролируемое линейное нарастание выходного напряжения во избежание чрезмерных выбросов выходного напряжения.

Интервал мягкого запуска некоторых повышающих импульсных преобразователей можно регулировать при помощи внешнего конденсатора. Когда конденсатор мягкого запуска заряжается, он ограничивает пиковый ток.

Регулируемый мягкий запуск позволяет изменять время запуска в соответствии с требованиями системы.

Отключение при перегреве (Thermal Shutdown, TSD)

Если температура полупроводникового перехода становится выше определенного предельного значения, схема отключения при перегреве отключает преобразователь.

Повышенная температура полупроводниковых переходов может быть следствием работы при повышенном токе, плохого охлаждения печатной платы или высокой температуры окружающей среды.

Схема защиты от перегрева имеет гистерезис, который предотвращает возврат схемы в нормальный рабочий режим до тех пор, пока температура кристалла не станет ниже предустановленного значения.

Блокировка при пониженном напряжении (Undervoltage lockout, UVLO)

Если входное напряжение становится ниже порогового значения, то микросхема автоматически отключает ключ цепи питания и переходит в режим пониженного энергопотребления. Это предотвращает возможное ошибочное поведение при низких входных напряжениях и включение мощного устройства в условиях, когда невозможно обеспечение его нормальной работы.

Заключение

ИМС повышающих импульсных преобразователей для схем с пониженным энергопотреблением избавляют разработчиков от ряда проблем при проектировании преобразователей постоянного тока, позволяя использовать апробированные решения. Примеры расчета параметров проекта и номиналов компонентов даются в разделе технического описания ИМС, посвященном ее практическому применению.

Еще больше упростить задачу проектирования позволяет инструмент проектирования ADIsimPower [4]. Дополнительную информацию можно получить, связавшись с инженерами по применению компании Analog Devices или посетив технический форум компании EngineerZone по ссылке http://ez.analog.com.

Руководства по выбору повышающих импульсных преобразователей компании Analog Devices, технические описания и статьи по применению можно найти на http://www.analog.com/power.

Литература

Скачать статью в формате PDF  

  —>

Сообщить об ошибке

Если Вы заметили какие-либо неточности в статье (отсутствующие рисунки, таблицы, недостоверную информацию и т.п.), просьба сообщить нам об этом. Пожалуйста укажите ссылку на страницу и описание проблемы.

Источник: https://www.kit-e.ru/articles/powersource/2012_2_32.php

Разработка boost преобразователя на DSP: принцип работы, расчеты, макетирование

Я уже писал подобную статью про топологию buck, то есть про понижающий преобразователь, сегодня рассказ пойдет о том, как сконструировать повышающий (boost) преобразователь напряжения с управлением не на аналоговом ШИМ-контроллере, а на DSP/МК. Макет будет собран на основе моего «комплекта разработчика» с STM32F334R8T6 на борту и изолированным драйвером полумоста.

Введение

В начале хотелось бы отметить один важный момент — хоть в статье и сказано, что управление происходит с помощью микроконтроллера, но это не означает, что расчет силовой части будет чем-то отличаться от расчета преобразователя с аналоговым ШИМ-контроллером. То есть, методику расчета из данной статьи вы можете смело применять при расчетах силовой части для любого boost conveter.

В реальном мире есть множество задач, которые нельзя решить с помощью применения стандартных аналоговых ШИМ-контроллеров. Мой любимый пример — преобразователь напряжения с алгоритмом MPPT.

Как только наша задача выходит за рамки «стандартной» и появляется какой-то дополнительный алгоритм управления или логика работы, наступает ситуация при которой применение DSP упрощает решение задачи и одновременно удешевляет ее, а главное позволяет в принципе решить ее. Стоит немного рассказать о задачах где вы встретите топологию boost.

Сама топология известна многим и многие ее уже наверняка реализовывали, когда вам приходилось, например, из 1 ячейки li-ion АКБ получать 5В — вы использовали маломощный dc/dc boost converter. Подобные маломощные преобразователи часто применяются в цифровой электронике, IoT, автоматике, устройствах с автономным питанием и других задачах.

Второе не совсем очевидное, но крайне важное, применение — PFC или корректор коэффициента мощности. Большинство PFC это самый обычный повышающих (boost) преобразователь, который работает по специальному алгоритму, но в итоге он выпрямляет и повышает входные 85265VAC до +400VDC. В дальнейшем мы это дополнительно рассмотрим на примере.

Еще один часто встречающийся вариант — это мощные преобразователи dc/dc boost, например, сетевые инверторы для солнечных панелей с MPPT, которые являются одновременно и самыми дорогими и самыми востребованными, в основном применяются в СЭС на мощностях от 5 до 1500 кВт.

Строятся такие преобразователи в 2 каскада, где 1-й каскад представляет из себя многофазный dc/dc boost (гуглится еще как interleaved), который получает обычно на входе постоянное напряжение 200600VDC и повышает его до стабильных 800VDC. Далее обычным dc/ac инвертором формируется переменное напряжение. Такие преобразователи как раз и строятся на базе DSP, а их структурная схема выглядит следующим образом: Надеюсь вам стало понятно почему данная топология важна для разработчиков силовой электроники, а так же почему актуально научиться разрабатывать boost-преобразователи с управлением на базе DSP/МК. Теперь с ясной мотивацией можно перейти к изучению топологии.

Глава 1 — Принцип работы преобразователя по топологии boost

Повышающий boost преобразователь по своему принципу работы идентичен понижающему buck преобразователю, т.к. в обоих случаях есть две стадии работы. На 1-й стадии происходит накопление энергии в дросселе при этом нагрузка питается от выходного конденсатора.

На 2-й стадии происходит передача энергии из дросселя в нагрузку и одновременно заряжается выходной конденсатор, который будет обеспечивать энергией нагрузку пока дроссель будет «перезаряжаться».

Разумеется, чтобы получить все таки повышающий преобразователь необходимы схемотехнические изменения, давайте посмотрим на принципиальную схему boost преобразователя: На первый взгляд вам может показаться, что топология не похожа на buck, но если присмотреться внимательно, то станет понятно что они близнецы. Дальше вы это увидите более наглядно, а пока давайте разберем стадии работы boost преобразователя.

• Стадия накопления заряда. В момент включения преобразователя выходная емкость С2 находится под потенциалом Vin, т.к. ток проходит через дроссель L1 и диод VD1. Управляющее устройство (ШИМ-контроллер или DSP) начинает генерировать ШИМ-сигнал и подает его на затвор транзистора VT1. При открытии транзистора VT1 получается, что цепь замыкается, индуктивность L1 подключается с источнику питания и начинает накапливать энергию. Ток через VD1 не протекает, т.к. потенциал на катоде у него выше (около Vin), чем потенциал на аноде (потенциал GND, около 0В).
• Стадия разряда индуктивности. Теперь ШИМ-сигнал меняет свое значение с 1 на 0 и транзистор VT1 закрывается. В этот момент дроссель L1 стремится поддержать значение тока, путем увеличения потенциала. На входе дросселя потенциал все тем же Vin, а следовательно потенциал вырастает в точке «дроссель-сток VT1-анод VD1». Когда потенциал в данной точке станет больше, чем потенциал на катоде VD1 ток начнет протекать через VD1 в нагрузку и параллельно заряжать выходную емкость С2. На этой стадии цепь так же замыкается, но уже не через VT1, а через путь «L1-VD1-C2-нагрузка»:

Дальше эти стадии просто чередуются и преобразователь работает. Для тех, кто ничего не понял объясню за счет чего повышается напряжение.

В момент, когда VT1 закрылся дроссель начинает разряжаться и в момент этой «разрядки» напряжение на нем стремится к бесконечности. Да, это в идеальной системе, а в реальной напряжение будет ограничено сопротивлением нагрузки, которое включено последовательно с дросселем и диодом, а так же, в случае наличия управления, еще и обратной связью.

Тут стоит еще дополнить по стадии накопления энергии.

В момент включения в выходном конденсаторе С2 практически нет запасенной энергии, но после первой стадии разряда он заряжен и потенциал на нем равен Vout, а значит на последующих стадиях накопления энергии эта емкость С2 будет обеспечивать нагрузку энергией, в результате для нагрузки не будет перебоев в получении энергии. Из этого следует, что С2 должен иметь такую емкость, чтобы запасенной энергии хватило на обеспечение питания нагрузки на длительность открытия транзистора (ton). В соответствии из выше описанного начиная со 2-го круга повторения стадий этап накопления заряда выглядит так:

Как видите получается две замкнутые цепи. «Красная» цепь замыкается через VT1 и происходит заряд дросселя, а «зеленая» цепь замыкается через нагрузку. «Смешивание» процессов/энергии в данном случае не происходит из-за присутствия диода VD1, т.к. в любой момент времени потенциал на катоде VD1 будет выше, чем потенциал на аноде. Теперь давайте разберемся что у нас происходит с напряжением, какую связь имеет выходное напряжение с напряжением на входе преобразователя. Как и в случае buck преобразователя наш boost имеет линейную зависимость выходного напряжения от входного, а коэффициент передачи равен коэффициенту заполнения: Как видите взаимосвязь простая и понятная, соответственно регулировать выходное напряжение можно просто изменяя коэффициент заполнения нашего ШИМ-сигнала. Из формулы регулирования так же следует и алгоритм:

• Чтобы увеличить напряжение на выходе — необходимо увеличить коэффициент заполнения (duty);
• Чтобы уменьшить напряжение на выходе — необходимо уменьшить коэффициент заполнения (duty).

Теперь мы понимаем принцип работы boost преобразователя и логику управления выходным напряжением. Для закрепления знаний разберем пару опытов на осциллографе и посмотрим данные зависимости на практике. Давайте для наглядности возьмем стабилизированный источник напряжения на 10В, например, лабораторный блок питания, и подадим на транзистор VT1 ШИМ-сигнал, коэффициент заполнения которого будем менять в процессе эксперимента. Щупы осциллографа подключаются в следующие точки схемы:

• Опыт №1. Входное напряжение (Vin) равно 12В, коэффициент заполнения ШИМ-сигнала составляет 0,75:
• Опыт №2. Входное напряжение (Vin) равно 12В, коэффициент заполнения ШИМ-сигнала составляет 0,5:
• Опыт №3. Входное напряжение (Vin) равно 12В, коэффициент заполнения ШИМ-сигнала составляет 0,25:

Теперь мы на практике убедились, что выходное напряжение линейно зависит от коэффициента заполнения, а следовательно мы можем построить систему управления (СУ), которая будет следить за выходным напряжением с помощью АЦП и в зависимости от измеренного значения уменьшать или увеличивать его (duty).

Глава 2 — Ограничения проектирования boost преобразователя

Как вы понимаете идеальной топологии не существует, иначе бы их не было так много и все использовали бы только ее, например, полный мост. В данном случае boost преобразователи так же имеют ряд особенностей, которые накладываю ограничения на использования данной топологии:

• Выходное напряжение не должно превышать входное более, чем в 34 раза. Тут наверняка набегут специалисты и расскажут, как они в часах на ИН-12 с помощью MC34063 повышали напряжение boost-ом из +5В аж в целых +180В! Это конечно замечательно, но давайте прикинем коэффициент заполнения для данного случая, чтобы поднять напряжение из 5В в 180В надо заставить работать преобразователь при коэффициенте около 0,972(!). Думаю не надо рассказывать, что это плохая идея, что на большой частоте переходные процесс при коммутации транзисторов будут иметь сопоставимую длительность, а может даже и большую. Так же при таком коэффициенте заполнения получается, что транзистор открыт почти всегда, а значит через него протекает ток и мы получаем максимально возможное значение статических потерь, а значит и низкий КПД. К чему это собственно ведет на малой мощности (тот самый случай с mc34063) гарантирована нестабильная работа, низкая надежность, пульсации тока и низкий КПД в совокупности с повышенным нагревом силовых элементов. На большой мощности — бабах. Для примера обратите внимание на PFC, все они работают при соотношение максимум 1:4, а именно тот самый универсальный вход 85265VAC или же стабилизатор напряжения с их 90310VAC. Так же в качестве примера можно рассмотреть сетевые инверторы с MPPT, там при выходе 800В на вход подается 200600VDC, то есть соотношение 1:4;
• Напряжение на транзисторе. Данное ограничение тесно связано с тезисом о соотношение выше и вот почему Транзистор VT1 должен иметь напряжение сток-исток равное минимум выходному напряжению, а в реальных устройствах иметь еще и запас хотя бы 20% на пульсации. Высоковольтные ключи имеют большое сопротивление канала, а при большом соотношении напряжений и ток на входе будет очень большим, что приведет к большим потерям на транзисторе;
• Напряжение диода. Если внимательно посмотреть на схему преобразователя, то станет понятно, что к диоду VD1 прикладывается напряжение равное выходному, то есть если у вас выход 400В, то и диод должен выдерживать эти 400В. В связи с этим у данной топологии есть интересный «плюс», т.к. диод высоковольтный и в нем протекает ток в разы ниже, чем ток через транзистор, то во многих решениях применение диода Шоттки или SiC-диода позволит получить меньшие потери, чем применение синхронной топологии (полумост на транзисторах). Это касается решений с выходом от 200В и более, а синхронный вариант топологии в основном актуален лишь до напряжения около 100В;
• Напряжение конденсаторов. Вроде очевидный момент, но на всякий случай уточню — выходной конденсатор должен выдерживать напряжение равное выходному, что во многих задачах, где применяют boost может составлять и 400, и 800 и даже 1500VDC.

Источник: https://habr.com/ru/post/442374/

Высокоэффективный DC-DC конвертер для средневольтовых применений

Высокое пробивное напряжение, большая ширина запрещенной зоны и отличная теплопроводность позволяют с успехом применять полупроводниковые SiC-приборы в средневольтовых устройствах силовой электроники будущего.

В последние годы были разработаны SiC MOSFET с напряжением 10 кВ и SiC IGBT с напряжением 15 кВ,которые имеют достаточный потенциал, чтобы заменить кремниевые приборы в высокоэффективных средневольтовых преобразователях мощностью до нескольких мегаватт [1, 2, 3].

В качестве примера применения SiC-приборов в будущих системах возобновляемой энергии средневольтового диапазона в следующем разделе обсуждается структура солнечных электростанций.

Современная архитектура солнечных электростанций

В современных солнечных станциях мощностью до 100 МВА и более распределение электрической энергии осуществляется на низком уровне напряжения. Однако они, в основном, вырабатывают энергию для средневольтовых сетей (например, 20 кВ).

Напряжение постоянного тока фотоэлектрического (PV) генератора (солнечной панели) обычно не превышает 1000 В. Выходы генераторов объединяются и подключаются к инвертору, который формирует трехфазное переменное напряжение, как правило, от 250 до 400 В (между фазами).

Далее трансформатор 50/60 Гц преобразует это напряжение для подключения к средневольтовой сети (рис.1).

Фотоэлектрический генератор, инвертор, трансформатор и дополнительное распределительное устройство образуют единичный субмодуль. Его мощность, как правило, составляет около 1 МВА. Солнечные электростанции состоят из большого числа таких субмодулей, поэтому желательно увеличить их мощность, чтобы снизить стоимость системы [4].

Повышение мощности с неизменным уровнем напряжения при- водит к увеличению токов, что требует применения медных кабелей большего сечения и ведет к росту тепловых потерь. Также неэффективно увеличивать мощность трансформаторов при существующих высоких коэффициентах трансформации, поскольку это упирается в физические ограничения [4].

Перспективная архитектура солнечных электростанций

Единственным разумным способом увеличения мощности субмодуля является повышение уровня напряжения в системе. Хотя директивы в отношении низковольтных устройств должны продолжать действовать, этот шаг дает много преимуществ. На рис. 2 показана концепция топологии солнечной электростанции с общей DC-шиной средневольтового уровня. Выходное напряжение фотоэлектрических модулей может быть в будущем увеличено [4].

DC/DC-преобразователи применяются для подключения PV-генераторов к общей распределительной сети постоянного тока. Поскольку объединение выходов генераторов происходит на высоком уровне напряжения, диаметры кабелей могут быть относительно не- большими.

При использовании средневольтовых преобразователей солнечная станция может работать непосредственно на сеть. В этой концепции низкочастотный трансформатор не нужен, что позволяет снизить затраты на основные материалы и медь. Общее число ком- понентов системы также будет уменьшено.

Номинальная мощность одного средневольтового инвертора может составлять несколько мегаватт в зависимости от того, какие полупроводниковые модули будут доступны в будущем.

Характеристики SIC приборов

Для разработки средневольтового преобразователя напряжения использованы 10 кВ/10 А SiC-транзисторы с антипараллельными 10 кВ/10 А диодами SiC JBS (рис. 3). Также был создан испытательный стенд для оценки потерь данных силовых полупроводниковых приборов. На рис. 4 и 5 показана схема и конструкция стенда, позволяющего проводить измерения в режиме «2-импульсного» теста с индуктивной нагрузкой.

Основным узлом стенда является конденсаторная батарея. В начале испытаний конденсаторы заряжаются от высоковольтного источника, после чего MOSFET включается, и ток стока ID, проходящий через индуктор, линейно возрастает. Эпюры тока ID и напряжения «сток–исток» VDS показаны на рис. 6.

При достижении заданного значения тока транзистор выключается, а ток перекоммутируется в оппозитный диод, в данном случае это 10 кВ/10 А SiC JBS. Спустя несколько микросекунд транзистор включается и снова берет на себя ток нагрузки.

Во время цикла коммутации ID и VDS должны контролироваться с помощью широкополосных, высоковольтных датчиков напряжения и тока.

После окончания испытаний блок конденсаторов необходимо безопасно разрядить через сопротивление, подключаемое через высоковольтное реле. Для измерений при различных температурах возле транзистора устанавливаются электронагревательные элементы.

Энергия переключения

Для управления MOSFET был разработан драйвер с выходным на- пряжением +18/–5 В и различными номиналами резисторов затвора для режимов включения и выключения. Перед проведением измерений проводился расчет длительностей двойного импульса, которые должен формировать генератор для достижения нужного тока. Энергия пере- ключения может быть определена путем интегрирования произведения тока стока и напряжения «сток–исток» за время коммутации:

Esw = ∫VDS(t) × ID(t)dt.

Измерения проводились при комнатной температуре и температуре корпуса транзистора и оппозитного диода +125 °С. Токи варьировались до 10 А при различных напряжениях переключения. В качестве примера на рис. 7 показан процесс коммутации при 5 кВ и 10 А.

Рис. 8 и 9 получены по результатам серии испытаний.

Как и ожидалось, энергия включения и выключения увеличивается с ростом напряжения. В процессе включения видна линейная зависимость энергии от тока, энергия выключения относительно мало зависит от коммутируемого тока, также очень слаба зависимость от температуры. В целом, энергия динамических потерь очень мала по сравнению с кремниевыми устройствами.

Потери проводимости

Потери проводимости измерялись в низковольтном диапазоне напряжений. Вольт-амперные характеристики показаны на рис. 10. Температурная зависимость потерь проводимости оказывается значи- тельно выше, чем потерь переключения. При измерениях температура варьировалась от +25 до +150 °C с шагом 25K. При комнатной темпе- ратуре сопротивление в открытом состоянии составляет 550 мОм, при +150 °C оно возрастает до 1620 мОм.

Конструкция DC/DC конвертера

Для демонстрации отличных возможностей SiC MOSFET при использовании в средневольтовом диапазоне напряжений был разработан повышающий DC/DC-конвертер, схема которого показана на рис. 11.

Благодаря наличию второго транзистора MOSFET Т2 (антипараллельного диоду D2), есть возможность использовать режим синхронного выпрямления. Обратный ток через Т2 способен уменьшить потери проводимости диода. Преобразователь имеет входное напряжение 3,5 кВ и выходное напряжение 8,5 кВ. Получить такие характеристики при использовании доступных кремниевых приборов можно путем последовательного соединения нескольких транзисторов.

Номинальная мощность преобразователя — 28 кВт. Эта величина обеспечивается максимальными параметрами 10 кВ/10 А SiC MOSFET с учетом небольшого запаса по надежности. Поэтому номинальный входной ток составляет 8,1 А при выходном токе 3,3 А.

Благодаря низкой энергии переключения MOSFET выбрана рабочая частота 8 кГц. Это примерно в 10 раз выше, чем у обычных средневольтовых преобразователей. Чем выше частота переключения, тем меньше номиналы пассивных компонентов.

Это позволяет снизить расход материалов, а также размеры и стоимость индуктивностей и конденсаторов.

Расчетное значение индуктивности составляет 81 мГн для максимального размаха тока пульсаций, соответствующего 40% от входного тока.

Высокочастотный индуктор имеет сердечник из аморфного материала, его размеры 331×212×162 мм, поэтому он занимает большую часть преобразователя по объему. В процессе эксплуатации дроссель активно охлаждается воздухом.

Входные и выходные конденсаторы — пленочные, 1 мкФ. Это обеспечивает максимальное напряжение пульсаций 3%. Низкоиндуктивные керамические конденсаторы соединены параллельно.

Два MOSFET установлены на радиатор. В нижней части их корпуса потенциал стока достигает 8,5 кВ, это значит, что транзисторы должны быть электрически изолированы от теплоотвода. Кроме того, необходимо обеспечить достаточный отвод тепла от полупроводниковых элементов на радиатор.

Для решения этих вопросов использован керамический диск из нитрида алюминия (AlN), имеющего отличную теплопроводность 200 Вт/м•K и напряжение пробоя 15 кВ/мм. Транзисторы крепятся к AlN-диску и радиатору механическим способом с помощью прижимной пластины. Конструкция преобразователя с установленной на нем платой контроллера показана на рис. 12.

Для управления конвертором необходимо контролировать входное напряжение, выходное напряжение и ток через Т1.

Работа и измерения

Первое включение конвертера было сделано с разомкнутой системой управления с высоковольтным сопротивлением. Для формирования входного напряжения был использован высоковольтный источник питания. На рис. 13 показаны эпюры выходного напряжения и тока при частоте коммутации 8 кГц.

Для оценки эффективности преобразования был использован измеритель WT 3000. Входное напряжение контролировалось с помощью высоковольтного пробника напряжения 34136A, а выходное — с помощью P6015A. Потреблением мощности источника, питающего плату управления и драйвер, при оценке КПД можно пренебречь.

Результаты измерений показаны на рис. 14. В режиме номинальной мощности 28 кВт при входном напряжении 3,5 кВ и выходном напряжении 8,5 кВ получен очень высокий КПД — 98,5%. В этой рабочей точке температура радиатора поднимается до +52 °С, а температура индуктора до +55 °C в наиболее нагретой зоне.

Общие потери при выходной мощности 28 кВт достигают 410 Вт. При моделировании в режиме двойного импульса более половины потерь генерируются полупроводниковыми элементами. Расчетное значение составляет 100 Вт для потерь проводимости и 140 Вт для коммутационных потерь. Потери в меди индуктора около 60 Вт, магнитные потери оцениваются на уровне 80 Вт.

На рисунке представлена зависимость КПД от выходной мощности.

Дополнительная серия измерений была выполнена при входном напряжении 3 кВ и выходном напряжении 6 кВ, в этом случае уменьшается не только напряжение, но и коэффициент заполнения. Ожидается, что в этой рабочей точке может быть достигнут еще более высокий КПД.

Измерения, выполненные при мощности 14 кВт, показали максимальную эффективность 98,8%. Были проведены аналогичные исследования с 10 кВ SiC MOSFET [5] и также в повышающем преобразователе, но с намного меньшим выходным напряжением и мощностью.

Тем не менее, основные характеристики приборов были подтверждены.

Авторы и литература

Авторы: Юрген Тома(Jürgen Thoma), Девид Чилашава(David Chilachava), Дирк Кранзер(Dirk Kranzer)

Перевод: Валерия Смирнова

[email protected]

Литература:

1. R. Callanan, A. Agarwal, A. Burk, M. Das, B. Hull, F. Husna, A. Powell, J. Richmond, S. Ryu, Q. Zhang. Recent Progress in SiC DMOSFETS and JBS Diodes at CREE // Proc. 2008 IEEE Industrial Electronics Conf.
2. J. Wang, A. Huang, W. Sung, Y. Liu, and B. J. Baliga. Smart grid technologies // IEEE Ind. Electron. Mag. 2009. Vol. 3. № 2.
3. M. K. Das, C. Capell, D. E. Grider, R. Raju, M. Schutten, J. Nasadoski, S. Leslie, J. Ostop, and A. Hefner. 10 kV, 120 A SiC half H-bridge power MOSFET modules suitable for high frequency, medium voltage applications // Proc. IEEE ECCE. Sep., 2011.
4. J. Mayer. Projektstudie für zukünftige Systemtechnik und Netzanbindung regenerativer Kraftwerke. Diploma thesis, Fraunhofer.
5. Institute for Solar Energy Systems ISE. Freiburg, Germany. Apr., 2012.
6. J.Wang, J. Li, X. Zhou, T. Zhao, A. Q. Huang, R. Callanan, F. Husna, and A. Agarwal. 10 kV SiC MOSFET based boost converter // Proc. IEEE Ind. Appl. Soc. Annu. Meeting, 2008.

Источник: https://www.macrogroup.ru/vysokoeffektivnyy-dcdc-konverter-dlya-srednevoltovyh-primeneniy

DC DC

> Теория > DC DC

Импульсные источники питания обеспечивают более высокую эффективность, чем обычные линейные. Они могут повышать напряжение, понижать и инвертировать. Некоторые устройства изолируют выходное напряжение от входного.

Повышающий преобразователь напряжения 12/35 В

Общее понятие о преобразователях DC DC

Линейные стабилизаторы, используемые в трансформаторных БП, поддерживают постоянное выходное напряжение благодаря элементу схемы, например, транзистору, на котором осаждается избыточное напряжение. Система управления постоянно контролирует выходное напряжение и корректирует его падение на этом элементе.

Линейные стабилизаторы имеют некоторые преимущества:

• отсутствие помех;
• низкая цена и простота эксплуатации.

Но такое устройство не лишено недостатков:

• избыточное напряжение преобразуется в тепло;
• нет возможности увеличить напряжение.

Преобразователи dc в dc импульсного типа представляют собой схемы, способные конвертировать один уровень напряжения в другой, используя катушки и конденсаторы, временно сохраняя в них энергию и разряжая их таким образом, чтобы получить конечные желаемые уровни сигнала.

Принцип работы импульсного преобразователя

Преобразователи напряжения

Основа для работы многих преобразователей – явление самоиндукции. Допустим, есть катушка индуктивности, через которую протекает постоянный ток. Если внезапно прервать протекание тока, в магнитном поле, индуцированном вокруг катушки, возникает ЭДС самоиндукции и, соответственно, напряжение с обратной полярностью на ее клеммах.

Важно! Контролируя ток и время переключения схемы, можно регулировать напряжение самоиндукции.

Импульсный преобразователь – электронная схема, содержащая катушку, которая циклически подключается к источнику питания и отключается.

1. Если индуцированное напряжение добавляется к входному, то получается повышающий преобразователь;
2. При включении катушки так, чтобы индуцированное в ней напряжение вычиталось из напряжения ИП, будет схема понижения напряжения.

Так как катушка требует циклической зарядки, в схеме необходим конденсатор, который будет фильтровать сигнал и поддерживать постоянное выходное напряжение.

Важно! Фильтрация не идеальна – выходное напряжение всегда является импульсным. Чрезмерный уровень этих помех может привести к неисправности схемы, например, к приостановке микроконтроллера.

Параметры импульсных преобразователей

Основные технические характеристики устройств, указываемые производителем:

1. Выходное напряжение. Может быть зафиксировано (нерегулируемо) или установлено в определенном диапазоне. В случае возможных отклонений производитель должен указать их пределы, например, 5В +/- 0,2 В;
2. Максимальный выходной ток;
3. Входное напряжение;
4. Эффективность. Понимается, как отношение выходной мощности к входной. Разница между ними – это потери, выделяющиеся в виде тепла. Показатель выражается в процентах. Чем ближе к 100%, тем лучше.

Важно! Эффективность зависит еще от условий работы. Поэтому следует внимательно изучить примечания к каталогам производителей в поисках графиков. Может оказаться, что очень дорогой преобразователь имеет параметры хуже, чем намного более дешевые, оптимизированные для работы при другом питающем напряжении.

Входное напряжение, в зависимости от типа инвертора, может быть:

• ниже выходного, если схема повышающая (boost);
• выше выходного, если преобразователь понижающий (buck);
• выше или ниже, но в пределах диапазона (sepic).

Повышающие преобразователи незаменимы, когда необходимо поднять напряжение. Допустим, устройство оснащено литий-ионным аккумулятором 3,6 В и ЖК-дисплеем, предназначенным для питания 5 В.

Важно! В целом, повышение напряжения происходит с меньшей эффективностью, чем его понижение. Поэтому лучше иметь источник высокого напряжения, которое будет уменьшено до надлежащего, чем наоборот.

В случае третьей конфигурации входное напряжение может колебаться, решение о его повышении или понижении принимает сама схема, чтобы получить стабильный сигнал на выходе. Эти преобразователи идеально подходят для работы в схемах, где напряжение питания мало отличается от желаемого. Хотя диапазон регулирования может быть большим. Например, на входе – 4-35 В, на выходе – 1,23-32 В.

Так как потери мощности малы, преобразователь напряжения dc dc хорошо подходит для схем с питанием от низковольтных аккумуляторов. Он полезен, например, когда управляющая электроника питается от 5 В, а исполнительные компоненты – от батареи 12 В.

Если предположить, что управляющая электроника берет ток 200 мА, то мощность потребления будет 5 В х 200 мА = 1 Вт. При использовании стабилизатора 7805 для снижения напряжения мощность, потребляемая от батареи, составит 12 В х 200 мА = 2,4 Вт. Мощность, которую приемник не будет принимать, – 1,4 Вт, преобразуется в тепло. Нагрев стабилизатора будет значительным.

В случае применения импульсного преобразователя с эффективностью 90% мощность, потребляемая от батареи, равна 1,11 Вт. Потери – всего 0,11 Вт. Температура модуля поднимется практически незаметно.

Кроме трех типов преобразователей dc dc существуют еще инвертирующие, меняющие полярность выходного сигнала. Такая схема нужна для питания операционных усилителей.

Широтно-импульсная модуляция

Как сделать бензогенератор своими руками

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) – это тип сигнала, используемый для изменения количества энергии, отправляемой на нагрузку. Он широко используется в цифровых схемах, которые должны эмулировать аналоговый сигнал.

Вырабатываемые импульсы являются прямоугольными, относительная ширина которых может изменяться по сравнению с периодом. Результат этого соотношения называется рабочим циклом, а его единицы представлены в процентах:

D = t/T x 100%, где:

• D – рабочий цикл;
• t – время, когда сигнал положительный;
• Т – период.

Рабочий цикл изменяется таким образом, что среднее значение сигнала является приблизительным напряжением, которое требуется получить. Меняя значение D, можно управлять ключевым транзистором, что применяется почти во всех схемах импульсных преобразователей.

Работа понижающего преобразователя

Фундаментальная схема состоит из индуктивности, конденсатора, диода, ключевого транзистора. Транзистор служит для переключения сигнала с высокой частотой и управляется с помощью ШИМ. Рабочим циклом D задается время открытия и закрытия транзистора.

Работа понижающего преобразователя

1. Когда транзистор открыт, ток проходит через катушку, нагрузочное сопротивление и конденсатор. В дросселе и конденсаторе накапливается энергия, а ток увеличивается не скачкообразно, а постепенно. В это время диод заперт;
2. При достижении заданного уровня напряжения, что определяет параметры управления транзистором, транзистор запирается, но за счет ЭДС самоиндукции в дросселе ток начинает протекать по контуру, образованному с участием открытого диода, так как полярность на катушке изменилась. При этом ток медленно уменьшается со скоростью Uout/L.

Регулируя управление транзистором, можно получить необходимый уровень напряжения, но не выше входного.

Повышающий преобразователь

Его схема содержит те же элементы, что и понижающее устройство, но соединение их отличается. Открытием транзистора по-прежнему управляют настройки ШИМ.

Функциональная схема повышающего преобразователя

1. При открытом транзисторе ток проходит через дроссель и транзистор. Ток в катушке увеличивается со скоростью Vin/L, и она запасает энергию. Диод на этом этапе закрыт, чтобы не позволить разрядиться через транзистор выходному конденсатору, который, в свою очередь, питает нагрузочное сопротивление;
2. При понижении напряжения меньше определенного уровня транзистор закрывается управляющим сигналом. Диод открывается, и выходной конденсатор подзаряжается. Напряжение входа суммируется с напряжением, генерируемым на катушке, и выходной сигнал оказывается выше;
3. При достижении пределов заданного напряжения тиристор опять открывается, и цикл повторяется.

В преобразователях SEPIC схема построена по комбинированному принципу. В ней устанавливается еще один дроссель и конденсатор. Компоненты L1 и C2 работают для повышения напряжения, L2 и C1 – для понижения напряжения.

Схема преобразователя SEPIC

Преобразователь напряжения с гальванической развязкой

Изолированные dc dc преобразователи требуются в широком диапазоне применений, включая измерение мощности, промышленные программируемые логические контроллеры (PLC), источники питания с биполярным транзистором с изоляцией (IGBT) и т. д. Они используются для обеспечения гальванической изоляции, повышения безопасности и помехоустойчивости.

В зависимости от точности регулирования выходного напряжения, dcdcпреобразователи с гальванической развязкой делятся на три категории:

• регулируемые;
• нерегулируемые;
• полурегулируемые.

У таких устройств входная цепь изолирована от выходной. Самая простая схема прямоходового преобразователя имеет две изолированных цепи: в одной – ключевой транзистор и трансформатор, в другой – катушка индуктивности, конденсатор, нагрузочное сопротивление. На транзистор подается импульсный управляющий сигнал с рабочим циклом D.

Схема однотактного прямоходового и обратноходового преобразователя

1. Когда транзистор открыт, то диод VD пропускает ток, а D1 заперт. Ток протекает по контуру через катушку, конденсатор и нагрузку. В катушке идет накопление энергии;
2. При запирании транзистора напряжение на трансформаторных обмотках изменяет знак, поэтому VD закрывается, а D1 начинает пропускать ток, который протекает по контуру между катушкой, D1, конденсатором и нагрузочным сопротивлением. Выходное напряжение будет равно:

Uout = (w2/w1) x D, где w2, w1 – количество витков двух обмоток трансформатора.

Так работает схема прямоходового однотактного преобразователя. Существуют обратноходовые схемы и двухтактные, с подачей энергии на выход в течение обоих преобразовательных циклов. Для снижения потерь вместо диодов применяются МОП-транзисторы.

Источник: https://elquanta.ru/teoriya/dc-dc.html