Převodník buck-boost - Buck–boost converter
The převodník buck-boost je typ Převodník DC-DC který má velikost výstupního napětí větší nebo menší než velikost vstupního napětí. Je to ekvivalent a převodník zpětného letu pomocí jediného induktoru místo transformátoru.[1]
Jsou volány dvě různé topologie převodník buck-boostOba mohou produkovat řadu výstupních napětí, od mnohem větších (v absolutní velikosti) než vstupní napětí, až po téměř nulu.
- Invertující topologie
- Výstupní napětí je opačné polarita než vstup. Tohle je spínaný napájecí zdroj s podobnou topologií obvodu jako boost převodník a převodník bucků. Výstupní napětí je nastavitelné na základě pracovní cyklus spínacího tranzistoru. Jednou z možných nevýhod tohoto převaděče je, že přepínač nemá svorku na zemi; to komplikuje jízdní obvody. Tato nevýhoda však nemá žádný vliv, pokud je napájecí zdroj izolován od zátěžového obvodu (je-li například napájen z baterie), protože napájení a polarita diody mohou být jednoduše obráceny. Pokud je možné je obrátit, může být spínač buď na straně země, nebo na straně napájení.
- A převodník buck (step-down) v kombinaci s a zesilovač (krokový) převodník
- Výstupní napětí má obvykle stejnou polaritu jako vstup a může být nižší nebo vyšší než vstup. Takový neinvertující převodník buck-boost může používat jediný induktor, který se používá jak pro režim buck induktoru, tak pro režim boost induktoru, přičemž místo diod používají spínače,[2][3] někdy nazývané a "převodník buck-boost se čtyřmi přepínači",[4] může používat více induktorů, ale pouze jeden přepínač jako v SEPIC a Ćuk topologie.
Princip činnosti invertující topologie
Základní princip převáděcího převodníku buck-boost je poměrně jednoduchý (viz obrázek 2):
- v zapnutém stavu je zdroj vstupního napětí přímo připojen k induktoru (L). To má za následek akumulaci energie v L. V této fázi kondenzátor dodává energii do výstupní zátěže.
- zatímco ve vypnutém stavu je induktor připojen k výstupní zátěži a kondenzátoru, takže energie se přenáší z L na C a R.
Ve srovnání s dolar a podpora převaděče, charakteristiky převáděcího převaděče buck-boost jsou hlavně:
- polarita výstupního napětí je opačná než polarita vstupního;
- výstupní napětí se může plynule měnit od 0 do (pro ideální převodník). Rozsahy výstupního napětí pro buck a boost převodník jsou v tomto pořadí na 0 a na .
Koncepční přehled
Stejně jako převodníky buck a boost je operaci buck-boost nejlépe pochopit, pokud jde o „neochotu“ induktoru umožnit rychlou změnu proudu. Z počátečního stavu, ve kterém se nic nenabíjí a spínač je otevřený, je proud induktorem nulový. Když je spínač poprvé sepnut, blokovací dioda brání toku proudu do pravé strany obvodu, takže musí protékat induktorem. Vzhledem k tomu, že induktor neumožňuje rychlou změnu proudu, bude nejprve udržovat proud nízký poklesem většiny napětí poskytovaného zdrojem. V průběhu času induktor umožní, aby se proud pomalu zvyšoval snížením vlastního odporu. V ideálním obvodu by pokles napětí na induktoru zůstal konstantní. Když se vezme v úvahu inherentní odpor vodičů a spínače, pokles napětí na induktoru se také sníží se zvyšujícím se proudem. Během této doby bude induktor ukládat energii ve formě magnetického pole.
Kontinuální režim
Pokud je proud přes induktor L během komutačního cyklu nikdy neklesne na nulu, říká se, že převodník pracuje v nepřetržitém režimu. Křivky proudu a napětí v ideálním převodníku lze vidět na obrázku 3.
Z na , je převodník v zapnutém stavu, tedy přepínač S je zavřený. Rychlost změny proudu induktoru (JáL) je tedy dán
Na konci On-stavu, nárůst o JáL je tedy:
D je pracovní cyklus. Představuje zlomek komutačního období T během kterého je přepínač zapnutý. Proto D pohybuje se mezi 0 (S není nikdy zapnuto) a 1 (S je vždy zapnuto).
Během stavu Vypnuto S je otevřený, takže proud induktoru protéká zátěží. Pokud předpokládáme nulový pokles napětí v diodě a kondenzátor dostatečně velký na to, aby jeho napětí zůstalo konstantní, bude vývoj JáL je:
Proto variace JáL během období mimo:
Protože uvažujeme, že převodník pracuje v ustálených podmínkách, musí být množství energie uložené v každé z jeho složek na začátku a na konci komutačního cyklu stejné. Protože energie v induktoru je dána vztahem:
je zřejmé, že hodnota JáL na konci stavu Vypnuto musí být stejná s hodnotou JáL na začátku stavu zapnuto, tj. součet variací JáL během stavu zapnutí a vypnutí musí být nula:
Střídání a podle jejich vyjádření výnosy:
To lze zapsat jako:
To na oplátku přináší, že:
Z výše uvedeného výrazu je vidět, že polarita výstupního napětí je vždy záporná (protože pracovní cyklus jde z 0 na 1) a že jeho absolutní hodnota se zvyšuje s D, teoreticky až do mínus nekonečna, když D přístupy 1. Kromě polarity je tento převodník buď zesilovač (zesilovač převodu), nebo zeslabovač (převaděč buck). Proto se jmenuje převaděč buck-boost.
Diskontinuální režim
V některých případech je množství energie vyžadované zátěží dostatečně malé, aby bylo možné ji přenést v čase menším, než je celé období komutace. V tomto případě proud přes induktor během části periody klesne na nulu. Jediný rozdíl ve výše popsaném principu spočívá v tom, že induktor je na konci komutačního cyklu zcela vybitý (viz křivky na obrázku 4). I když je mírný, rozdíl má silný vliv na rovnici výstupního napětí. Lze jej vypočítat takto:
Protože proud induktoru na začátku cyklu je nula, je jeho maximální hodnota (na ) je
Během období mimo JáL klesne na nulu po δ.T:
Použitím dvou předchozích rovnic je δ:
Zatěžovací proud se rovná průměrnému proudu diody (). Jak je vidět na obrázku 4, diodový proud se rovná vypnutému proudu induktoru. Proto lze výstupní proud zapsat jako:
Výměna a δ podle příslušných výrazů poskytuje:
Zisk výstupního napětí lze tedy zapsat jako:
Ve srovnání s vyjádřením zisku výstupního napětí pro spojitý režim je tento výraz mnohem komplikovanější. Kromě toho v diskontinuálním provozu výstupní napětí závisí nejen na pracovním cyklu, ale také na hodnotě induktoru, vstupním napětí a výstupním proudu.
Mez mezi kontinuálním a diskontinuálním režimem
Jak bylo řečeno na začátku této části, převodník pracuje v diskontinuálním režimu, když je zátěž odebírán nízký proud, a v nepřetržitém režimu při vyšších úrovních proudu zátěže. Meze mezi diskontinuálními a spojitými režimy se dosáhne, když proud induktoru klesne na nulu přesně na konci komutačního cyklu. se značkami na obrázku 4 to odpovídá:
V tomto případě výstupní proud (výstupní proud na hranici mezi kontinuálním a diskontinuálním režimem) je dán vztahem:
Výměna výrazem uvedeným v diskontinuální režim výnosy sekce:
Tak jako je proud na hranici mezi kontinuálním a diskontinuálním režimem provozu, splňuje výrazy obou režimů. Proto pomocí výrazu výstupního napětí v nepřetržitém režimu lze předchozí výraz zapsat jako:
Pojďme nyní představit další dvě notace:
- normalizované napětí definované pomocí . Odpovídá nárůstu napětí převodníku;
- normalizovaný proud, definovaný . Termín se rovná maximálnímu zvýšení proudu induktoru během cyklu; tj. zvýšení proudu induktoru s pracovním cyklem D = 1. V ustáleném stavu převodníku to tedy znamená se rovná 0 pro žádný výstupní proud a 1 pro maximální proud, který může převodník dodat.
Pomocí těchto notací máme:
- v nepřetržitém režimu, ;
- v diskontinuálním režimu, ;
- proud na hranici mezi kontinuálním a diskontinuálním režimem je . Proto je místo limitu mezi kontinuálním a diskontinuálním režimem dáno vztahem .
Tyto výrazy byly zakresleny na obrázku 5. Rozdíl v chování mezi kontinuálním a diskontinuálním režimem lze jasně vidět.
Principy fungování topologie se 4 přepínači
Převodník se 4 přepínači kombinuje převaděče buck a boost. Může fungovat buď v dolar nebo podpora režimu. V obou režimech ovládá pracovní cyklus pouze jeden spínač, další je určen ke komutaci a musí být ovládán inverzně k předchozímu a zbývající dva spínače jsou v pevné poloze. Převodník buck-boost se dvěma přepínači může být sestrojen se dvěma diodami, ale upgrade diod na tranzistorové spínače FET nestojí nic extra, zatímco kvůli nižšímu poklesu napětí se účinnost zlepšuje.
Neideální obvod
Účinek parazitních rezistencí
Ve výše uvedené analýze nejsou žádné disipativní prvky (rezistory ) byly zváženy. To znamená, že výkon je přenášen bez ztrát ze zdroje vstupního napětí do zátěže. Nicméně, parazitické odpory existují ve všech obvodech kvůli odpor materiálů, ze kterých jsou vyrobeny. Proto je zlomek energie spravované převodníkem rozptýlen těmito parazitními odpory.
Kvůli jednoduchosti zde uvažujeme, že induktor je jedinou neideální komponentou a že je ekvivalentem induktoru a odporu v sérii. Tento předpoklad je přijatelný, protože induktor je vyroben z jednoho dlouhého navinutého kusu drátu, takže je pravděpodobné, že bude vykazovat nezanedbatelný parazitní odpor (RL). Dále proud protéká induktorem ve stavu zapnuto i vypnuto.
Pomocí metody průměrování stavového prostoru můžeme psát:
kde a jsou průměrné napětí na induktoru a spínači během komutačního cyklu. Pokud vezmeme v úvahu, že převodník pracuje v ustáleném stavu, je průměrný proud induktorem konstantní. Průměrné napětí na induktoru je:
Když je spínač v zapnutém stavu, . Když je vypnutá, je dioda předpjatá dopředu (uvažujeme provoz v nepřetržitém režimu) . Průměrné napětí na přepínači je tedy:
Výstupní proud je opakem proudu induktoru ve vypnutém stavu. průměrný proud induktoru je tedy:
Za předpokladu, že výstupní proud a napětí mají zanedbatelné zvlnění, lze zatížení převodníku považovat za čistě odporové. Pokud R je odpor zátěže, stane se výše uvedený výraz:
Pomocí předchozích rovnic se vstupní napětí stává:
To lze zapsat jako:
Pokud je odpor induktoru nulový, výše uvedená rovnice se rovná jedné z ideál případ. Ale když RL zvyšuje, zesílení napětí převodníku klesá ve srovnání s ideálním případem. Dále vliv RL se zvyšuje s pracovním cyklem. To je shrnuto na obrázku 6.
Viz také
Reference
- ^ Převaděč Flyback - Poznámky k přednášce - ECEN4517 - Katedra elektrotechniky a výpočetní techniky - University of Colorado, Boulder.
- ^ ST AN2389: „Levný neinvertující převaděč buck-boost na bázi MCU pro nabíječky baterií“
- ^ Motorola Semiconductor.„Poznámka k aplikaci AN954: Unikátní konfigurace převaděče poskytuje funkce zesílení / zesílení.1985. "... lze vytvořit jedinečnou konfiguraci zesílení / zeslabení ... která pro transformaci napětí stále používá jeden induktor."
- ^ Haifeng Fan.„Wide VIN and High-Power Challenges with Buck-Boost Converters“.2015.
Další čtení
- Daniel W. Hart, „Úvod do výkonové elektroniky“, Prentice Hall, Upper Saddle River, New Jersey USA, 1997 ISBN 0-02-351182-6
- Christophe Basso, Spínané napájecí zdroje: simulace SPICE a praktické návrhy. McGraw-Hill. ISBN 0-07-150858-9.
- Frede Blaabjerg, Analýza, řízení a návrh neinvertujícího převodníku buck-boost: dvouúrovňové fuzzy PI řízení bez nerovností. Transakce ISA. ISSN 0019-0578.