Что такое dc dc преобразователь: Принцип работы и разновидности DC-DС преобразователей

Принцип работы и разновидности DC-DС преобразователей

Что такое DC/DC преобразователь постоянного тока или описание принципа работы DC/DC преобразователей применяемых для построения источников питания

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

DC-DC модуль
Buck-boost DC-DC Модуль преобразования напряжения

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.

2. 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

3. 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.

10 DC-DC преобразователей для DIY проектов и самоделок с Aliexpress / Подборки товаров с Aliexpress и не только / iXBT Live

Платы-преобразователи напряжения широко распространены и позволяют с легкостью получить нужное напряжение на выходе. Они могут использоваться для создания небольших блоков питания, подключения светодиодных ламп и светильников, для питания различных устройств от бортовой сети автомобиля и прочего. Небольшие размеры и высокая эффективность модулей позволяют встраивать их в готовые корпуса приборов и аппаратов. Применение очень широкое, поэтому предлагаю ознакомиться с некоторыми из них.

 

 

USB преобразователь

Узнать цену

Маломощный повышающий DC-DC преобразователь, преобразующий напряжение USB-порта 5В в 9 или 12 вольт. Ток нагрузки должен составлять не более 1А, а сам USB порт выдавать честные 2А без заметной просадки напряжения. Идеально подходят для питания роутеров или приставок. Есть вариант простого переходника с USB на DC Port.

Регулируемый USB преобразователь

Узнать цену

Представляет собой некоторый аналог предыдущего преобразователя, но уже с другой элементной базой и регулируемым напряжением на выходе. Это универсальный понижающее-повышающий DC-DC преобразователь, напряжение на выходе от 1 до 24 вольт. При питании от USB 2А ток на выходе варьируется от 0,5А до 1А.

USB преобразователь с QC 2.0/3.0

Узнать цену

Интересный DC-DC преобразователь с поддержкой протоколов быстрой зарядки QC 2.0/3.0. имеет компактные размеры и отлично подходит для постройки своего надежного адаптера для заряда смартфона или планшета. Многие ставят такие преобразователи в прикуриватель автомобиля. Диапазон рабочего напряжения 6-32В, выходная мощность до 32Вт. Без поддержки быстрой зарядки на выходе 5В/3.5А. Присутствует защита по току и от короткого замыкания.

Понижающий преобразователь XL4005

Узнать цену

Дешевый и эффективный понижающий DC-DC преобразователь с рабочим током до 5А. КПД преобразователя высокое, отчего потери на нагрев минимальные, но все же без радиатора долговременно нагружать более 3А не стоит. Входное напряжение 4-38В, выходное 1,5-36В. Регулировка осуществляется многооборотистым переменным резистором.

Понижающий преобразователь XL4015

Узнать цену

Дальнейшее развитие предыдущего преобразователя. В этом модуле добавили регулятор ограничения тока, что позволяет с легкостью использовать его для заряда литиевых аккумуляторов и сборок, а также в качестве драйвера светодиодов. Рабочие параметры практически аналогичные, на входе до 38В, на выходе до 36В. Рабочий ток 5А, но желательно приклеить радиатор или использовать обдув.

Мощный понижающий преобразователь XL4016

Узнать цену

Мощный понижающий DC-DC преобразователь с широким диапазоном рабочего напряжения от 5В до 40В и током до 9А. Суммарная мощность преобразователя составляет около 300Вт. В максимальном режиме желательно использовать принудительный обдув компонентов. Применяется для постройки самодельных блоков питания или в качестве светодиодного драйвера.

Понижающий преобразователь Mini360

Узнать цену

Один из лучших понижающих DC-DC преобразователей. КПД у него намного выше, чем у популярного LM2596, а компактные размеры позволяют встраивать его в различные приборы. На плате имеется подстроечный резистор при помощи которого регулируется напряжение на выходе. Ток на выходе до 3А, желательно не нагружать более 2А.

Повышающий модуль MT3608

Узнать цену

Повышающий DC-DC преобразователь с рабочим напряжением от 5В до 24В. Поднятие напряжение осуществляется за счет тока, поэтому чем выше разница напряжений, тем выше ток на входе. Заявлен до 2А на выходе, но это предельный режим. Ток 1А при разнице в 5-10 вольт отлично работает. Применяют в переделках РУ-игрушек, модулей питания приборов и прочих устройствах.

Мощный повышающий преобразователь

Узнать цену

Мощный понижающий DC-DC преобразователь с суммарной мощностью около 400Вт. Диапазон рабочего напряжения составляет от 9В до 50В, ток до 15А. Продавец явно указывает, что при токах более 8А необходимо использовать принудительный обдув компонентов. Применяется для постройки самодельных блоков питания, светодиодных драйверов, в качестве автомобильного источника питания ноутбуков и других приборов.

Автомобильный преобразователь

Узнать цену

Автомобильный повышающий DC-DC преобразователь с напряжения 12В до 24В. На странице продавца можно выбрать модель на нужный ток, максимальный ток составляет 10А. Преобразователь выполнен в литом корпусе с алюминиевыми ребрами охлаждения и может работать даже во влажной среде.

Удачных покупок!

Новости

Публикации

Об осенне-зимних скидках на оплату проезда картами «Мир» в разных регионах Федерации я писал буквально недавно – в середине сентября. Оказалось, что немного поспешил – если б на день буквально…

Мой Canon Mark II пишет на CompactFlash и не так давно я вообще не мог найти кардридер для этой карты. И, чудо – Orico выпустили кардридер с поддержкой CF! Весьма специфическое устройство,…

Всех приветствую! Сделал таблицу со сравнениями большинства известных Type-C кабелей, способных передать 60 Вт и выше. В таблице, размещенной ниже, находится основная информация о всех кабелях,…

Идея обзавестись роботом-стеклоочистителем многих привлекает, потому что это действительно удобно – выбросили робота наружу, он сам всё делает, и никакого риска для жизни. Но стоимость данного…

Всех приветствую! Сегодня пройдусь по одним из самых компактных TWS наушников. Несмотря на сверхкомпактные размеры, они заряженные максимально: активный шумодав, датчик приближения, способный…

Всех приветствую! В руки попался конструктор KS0551, базирующимся на Arduino KEYESTUDIO. KEYESTUDIO – достаточно популярный китайский бренд, разрабатывающий обучающими конструкторами, связанными с…

Что такое преобразователь постоянного тока в постоянный? – x-engineer.org

Преобразователь постоянного тока представляет собой электрическую систему (устройство), которая преобразует источники постоянного тока (DC) с одного уровня напряжения на другой. Другими словами, преобразователь постоянного тока принимает в качестве входного сигнала входное напряжение постоянного тока и выдает другое напряжение постоянного тока. Выходное постоянное напряжение может быть на выше, или на ниже, чем на , чем входное постоянное напряжение. Как следует из названия, преобразователь постоянного тока работает только с источниками постоянного тока (DC), а не с источниками переменного тока (AC).

Преобразователь постоянного тока также называется преобразователем мощности постоянного тока или регулятором напряжения .

Изображение: принцип работы преобразователя постоянного тока

Если у нас есть две электрические системы, работающие при разных уровнях напряжения, один высокий уровень (140 В), а другой низкий уровень (14 В), DC-DC преобразователь может преобразовывать напряжение между ними из высокого в низкое или из низкого в высокое. Переход от одного уровня напряжения к другому рычагу напряжения выполняется примерно за 9 секунд. 0003 потери мощности . В зависимости от рабочей точки преобразователя постоянного тока (напряжение и ток) и типа преобразователя КПД может составлять от 75 % до 95 % и более.

Преобразователь постоянного тока в электромобиль с аккумуляторной батареей (BEV) используется для преобразования высокого напряжения батареи (например, 400 В) в низкое напряжение постоянного тока (например, 12 В) для обычных нагрузок 12 В (освещение, мультимедиа, электропитание). окна и др.).

Преобразователь постоянного тока — это силовой преобразователь, который преобразует источник постоянного тока (DC) с одного уровня напряжения на другой, временно сохраняя входную энергию, а затем высвобождая эту энергию на выходе с другим напряжением. Аккумулирование электрической энергии может осуществляться либо в компонентах хранения магнитного поля (катушки индуктивности, трансформаторы), либо в компонентах хранения электрического поля (конденсаторы).

КПД преобразователей постоянного тока

Электрическая мощность P [Вт] является произведением напряжения U [В] на электрический ток I [A] .

\[P = U \cdot I \tag{1}\]

Если, например, входное напряжение U _в = 120 В и максимальный ток I _в = 5 А , это даст входную мощность:

\[ P_{in} = 120 \cdot 5 = 600 \text{ Вт} \]

Поскольку электрическая мощность сохраняется ( P _вых = P _вх ) и считаем, что DC-DC преобразователь не имеет потерь (100 % КПД), для выходного напряжения U _вых = 14 В , можно рассчитать выходной ток как:

\[ I_{out} = \frac{P_{out}}{U_{out}} = \frac{600}{14} = 42,86  \text{ A} \]

На самом деле будет некоторые потери, связанные с преобразованием и максимальным выходным током, будут меньше рассчитанного для 100 % КПД.

КПД преобразователя постоянного тока рассчитывается как:

\[\eta \text{ [%]} = \frac{P_{out}}{P_{in}} \cdot 100 \]

Есть несколько типов DC-DC преобразователей. Наиболее распространенная классификация основана на соотношении между входным и выходным напряжением:

• повышающие преобразователи постоянного тока
• понижающие преобразователи постоянного тока

В повышающем преобразователе постоянного тока , выходное напряжение выше входного. Из-за сохранения мощности (если пренебречь потерями) выходной ток будет меньше входного тока.

Изображение: Принцип работы повышающего преобразователя постоянного тока

Для этого примера эффективность повышающего преобразователя постоянного тока составляет:

\[\eta = \frac{780}{840} \cdot 100 = 92,86 \text{ [%]}\]

В DC-DC преобразователе buck выходное напряжение ниже входного. Из-за сохранения мощности (если пренебречь потерями) выходной ток будет выше входного тока.

Изображение: Принцип действия понижающего преобразователя постоянного тока

Для этого примера эффективность понижающего DC-DC преобразователя составляет:

\[\eta = \frac{770}{840} \cdot 100 = 91,67 \text{ [%]}\]

Классификация Преобразователи постоянного тока

Существует несколько типов преобразователей постоянного тока. Простейшей формой преобразователя постоянного тока является линейный преобразователь, также называемый линейным регулятором напряжения .

Линейный стабилизатор напряжения может работать только как понижающий преобразователь постоянного тока, а это означает, что он только понизит более высокий уровень напряжения. Будучи регулятором, он также гарантирует, что выходное напряжение поддерживается на определенном уровне, даже если выходная нагрузка является переменной.

Более эффективным типом преобразователей постоянного тока является импульсный преобразователь постоянного тока . Существует несколько топологий переключения DC-DC преобразователей, наиболее распространенная из которых представлена ​​на изображении ниже.

Изображение: Классификация преобразователей постоянного тока

До импульсных преобразователей постоянного тока широко использовались линейные преобразователи. Линейный регулятор напряжения (преобразователь постоянного тока) выпускается в двух основных топологиях: шунтирующий регулятор напряжения и 9Регулятор напряжения серии 0003 . В стабилизаторах напряжения этого типа транзисторы работают в активной области как зависимые источники тока с относительно большими перепадами напряжения при больших токах, рассеивая большое количество мощности. Из-за высокой рассеиваемой мощности КПД линейного регулятора напряжения обычно низок. Линейные регуляторы, как правило, тяжелые и большие, но имеют преимущество в виде низкого уровня шума и подходят для аудиоприложений.

Изображение: Простой шунтирующий регулятор напряжения

Изображение: Простой последовательный регулятор напряжения

В _с – напряжение питания (вход)
R ₁ – резистор
R ₁ – резистор
R ₁ – резистор
R _{1 2 2
DZ — стабилитрон
Q — транзистор}

Простой шунтирующий регулятор напряжения , называемый просто шунтирующим регулятором, представляет собой тип регулятора напряжения, в котором регулирующий компонент шунтирует ток на землю. Шунтовой регулятор работает, поддерживая постоянное напряжение на своих клеммах, и потребляет дополнительный ток для поддержания напряжения на электрической нагрузке. Один из наиболее распространенных элементов шунтирующего регулятора содержит простую схему стабилитрона, в которой стабилитрон играет роль шунтирующего элемента.

Простой последовательный регулятор напряжения , также называемый последовательно-пропускным регулятором, является наиболее распространенным подходом для обеспечения конечной стабилизации напряжения в линейном стабилизированном источнике питания. Серийный линейный регулятор характеризуется высоким уровнем производительности по выходному напряжению с точки зрения низких пульсаций и шума.

Изображение: Линейный преобразователь постоянного тока
Кредит: Microchip

Линейный преобразователь постоянного тока преобразует только более высокие напряжения в более низкие напряжения. Что касается рассеиваемой мощности, давайте рассмотрим пример. При входном напряжении 42 В, выходном напряжении 12 В и выходном токе 5 А рассеиваемая мощность P [Вт] рассчитывается как:

\[P = I_{out} \cdot (V_{in} – V_{out}) = 150 Вт\]

Вся рассеиваемая мощность будет преобразована в тепло. Без надлежащего охлаждения линейный преобразователь постоянного тока может перегреться и выйти из строя. По этой причине линейные преобразователи постоянного тока обычно используются для маломощных приложений.

В переключающих DC-DC преобразователях транзисторы работают как переключатели, что означает, что они рассеивают гораздо меньшую мощность, чем транзисторы, работающие как зависимые источники тока. Падение напряжения на транзисторах очень низкое, когда они проводят большой ток, и транзисторы проводят почти нулевой ток, когда падение напряжения на них высокое. Поэтому потери проводимости малы, а эффективность импульсных преобразователей высока, обычно выше 80% или 90%. Однако коммутационные потери снижают КПД на высоких частотах, чем выше частота коммутации, тем выше потери мощности.

Преобразователи постоянного тока переключаемого типа имеют более высокий КПД по сравнению с линейными преобразователями, поскольку они не рассеивают мощность непрерывно.

 

Изображение: схема понижающего преобразователя постоянного тока в постоянный Текущий. Он состоит как минимум из четырех компонентов:

• силовой транзистор, используемый в качестве переключающего элемента (S)
• выпрямительный диод (D)
• дроссель (L) в качестве элемента накопления энергии
• фильтрующий конденсатор (C)

Соотношение между входом и выходом Напряжение, ток и мощность следующие:

• U _OUT в
• I _OUT > I _в
• P _OUT = P _в – P _{= P .0078}

В электромобилях понижающие преобразователи постоянного тока используются для снижения высокого напряжения основного аккумулятора (например, 400 В) до более низких значений (12–14 В), требуемых вспомогательными системами автомобиля (мультимедиа, навигационная система). , радио, освещение, датчики и др.).

Изображение: схема повышающего преобразователя постоянного тока

повышающего преобразователя постоянного тока , также называемого повышающим преобразователем постоянного тока, представляет собой преобразователь мощности постоянного тока, который увеличивает выходное напряжение при уменьшении выходного тока. Он содержит те же компоненты, что и понижающий DC-DC преобразователь, но имеет другую топологию.

Отношения между входным и выходным напряжением, током и мощностью:

• U _Out > U _в
• I _Out в
• P _OUT = P
• P _OUT = P
• P _. – P _loss

В некоторых гибридных электромобилях (HEV) используются повышающие преобразователи постоянного тока для повышения напряжения от аккумулятора с 202 В до 500 В. Напряжение аккумулятора в гибридном электромобиле применение транспортного средства (HEV) ограничено количеством последовательно соединенных аккумуляторных элементов. Из-за ограниченного пространства количество ячеек в батареях ограничено, поэтому выходное напряжение также ограничено. Используя повышающие преобразователи постоянного тока, напряжение батареи можно увеличить до более высокого напряжения, необходимого для электрической машины.

Изображение: схема DC-DC преобразователя Buck-Boost (инвертирующая топология)

В понижающих DC-DC преобразователях выходное напряжение всегда меньше входного. С другой стороны, в преобразователях DC-DC Boost выходное напряжение всегда больше, чем входное напряжение. Преобразователь постоянного тока в постоянный Buck-Boost сочетает в себе эти два фактора и может иметь выходное напряжение как выше, так и ниже по сравнению с входным напряжением, в зависимости от коэффициента заполнения, применяемого к переключателю.

Понижающе-повышающий преобразователь постоянного тока с инвертирующей топологией выдает напряжение с противоположной полярностью по сравнению с входным напряжением. Выходное напряжение регулируется функцией скважности переключающего элемента (транзистора).

Изображение: схема преобразователя постоянного тока Ćuk

Преобразователь постоянного тока Ćuk представляет собой еще один тип повышающе-понижающего преобразователя, который выдает ток с нулевой пульсацией. Преобразователь Ćuk можно рассматривать как комбинацию повышающего преобразователя и понижающего преобразователя, имеющую одно коммутационное устройство и общий конденсатор для объединения энергии. Подобно повышающе-понижающему преобразователю с инвертирующей топологией, выходное напряжение неизолированного преобразователя Ćuk обычно инвертируется с более низкими или более высокими значениями по отношению к входному напряжению. Обычно в преобразователях постоянного тока в качестве основного элемента накопления энергии используется индуктор, а в преобразователе Чука основным элементом накопления энергии является конденсатор [8].

Изображение: схема преобразователя постоянного тока SEPIC

Преобразователь постоянного тока с односторонним первичным индуктором (SEPIC) позволяет электрическому потенциалу (напряжению) на его выходе (U _out ) быть больше или меньше чем входное напряжение (U _в ). Выход преобразователя постоянного тока SEPIC управляется рабочим циклом переключателя управления (S).

SEPIC состоит из повышающего преобразователя, за которым следует инвертированный повышающе-понижающий преобразователь, поэтому он аналогичен традиционному повышающе-понижающему преобразователю, но имеет преимущества, заключающиеся в неинвертированном выходе (выход имеет ту же полярность напряжения, что и вход). ), использование последовательного конденсатора для передачи энергии от входа к выходу (и, таким образом, может более изящно реагировать на короткое замыкание на выходе) и возможность полного отключения: когда переключатель S достаточно выключен, выход (U _из ) падает до 0 В после довольно сильного кратковременного сброса заряда [9].

Изображение: схема преобразователя постоянного тока Zeta

Подобно топологии преобразователя постоянного тока SEPIC, топология преобразователя постоянного тока Zeta обеспечивает положительное выходное напряжение из входного напряжения, которое изменяется выше и ниже выходного напряжения. Преобразователь Zeta также нуждается в двух катушках индуктивности и последовательном конденсаторе, который иногда называют летающим конденсатором. В отличие от преобразователя SEPIC, который сконфигурирован со стандартным повышающим преобразователем, преобразователь Zeta сконфигурирован из понижающего контроллера, который управляет полевым МОП-транзисторным транзистором верхнего плеча. Преобразователь Zeta — еще один вариант регулирования нерегулируемого источника входного питания [10].

В преобразователе постоянного тока переключающие устройства (S) должны размыкать и замыкать электрическую цепь. Следовательно, они выполняют две роли: как электрический проводник для замыкания цепи, а также как электрический изолятор для разрыва/размыкания цепи. Эта двойная функция определяет, что такое полупроводник: устройство, способное эффективно проводить ток, а также блокировать его.

Полупроводники оцениваются по максимальному напряжению, которое они могут выдержать и при этом вести себя как изолятор, и максимальному току, который может проходить через них, не повреждая устройство. Максимально допустимый ток зависит не только от номинала модуля, но и от тепловых свойств полупроводника. Таким образом, в зависимости от упаковки силового модуля, а также используемого радиатора, максимально допустимый ток может различаться для одного и того же устройства.

Для автомобильного применения преобразователь постоянного тока должен соответствовать нескольким конструктивным требованиям, таким как:

• легкий вес
• высокая эффективность
• малый объем
• подавление электромагнитных помех
• низкая пульсация выходного тока

мы собираемся обсудить режимы работы преобразователей постоянного тока, вывести их математические модели и выполнить моделирование с использованием Scilab/Xcos.

Ссылки :

[1] Али Эмади, Advanced Electric Drive Vehicles, CRC Press Taylor & Francis Group, 2015.
[2] Сереф ​​Сойлу, Моделирование и моделирование электромобилей, IntechOpen, 2011.
[3] Бранко Л. Докич, Бранко Блануша, Преобразователи и регуляторы силовой электроники, 3-е издание, Springer, 2015.
[4] Мариан К. Казимерчук, Преобразователи постоянного тока в постоянный с широтно-импульсной модуляцией, 2-е издание, Wiley, 2016.
Силовые электронные преобразователи — интерактивное моделирование с использованием Simulink, CRC Press, 2018.
[6] Седдик Бача и др. Моделирование и управление силовыми электронными преобразователями с помощью тематических исследований, Springer, 2014.
[7] Эрик Шальц, Проектирование и моделирование электромобилей, IntechOpen, 2011.
[8] https://en .wikipedia.org/wiki/%C4%86uk_converter
[9] https://en.wikipedia.org/wiki/Single-ended_primary-inductor_converter
[10] Джефф Фалин, Разработка преобразователей постоянного тока в постоянный на основе топологии ZETA, Техас Instruments, 2010.

Как работают преобразователи постоянного тока. Основы схем

Преобразователь постоянного тока в постоянный представляет собой схему силовой электроники, которая эффективно преобразует постоянный ток из одного напряжения в другое напряжение. Без сомнения, преобразователи постоянного тока играют важную роль в современной электронике. Это связано с тем, что они предлагают несколько преимуществ по сравнению с линейными регуляторами напряжения. В частности, линейные стабилизаторы напряжения рассеивают много тепла и имеют очень низкий КПД по сравнению с импульсными регуляторами, используемыми в преобразователях постоянного тока.

В этом уроке мы поговорим о преобразователях постоянного тока, о том, как они работают и как создавать схемы для них. Существует много типов преобразователей постоянного тока, но мы ограничим объем этого руководства повышающими и понижающими преобразователями.

Введение в преобразователи постоянного тока

Прежде чем мы углубимся в принципы работы преобразователей постоянного тока, давайте рассмотрим пример, показывающий, почему они так полезны. Предположим, мы хотим построить схему со следующими требованиями:

• Сопротивление нагрузки 2 Ом
• Источник питания постоянного тока 12 В
• Напряжение нагрузки 5 В

Нам нужно понизить напряжение батареи 12 В, чтобы питать нагрузку 5 В. Таким образом, мы можем включить последовательно с нагрузкой резистор на 2,8 Ом, чтобы обеспечить необходимое напряжение.

Расчет эффективности преобразователя постоянного тока

Эффективность схемы можно рассчитать следующим образом:

Из этих расчетов видно, что нагрузка потребляет всего 12,5 Вт входной мощности. Оставшаяся часть (30 – 12,5 = 17,5 Вт) превращается в тепло.

Это слишком расточительно. Если вы прикоснетесь к последовательному резистору, он будет горячим, и вам, возможно, придется включить механизмы для охлаждения вашей схемы. В качестве попытки получить более эффективное решение взгляните на схему, показанную на схеме ниже:

Когда переключатель находится в положении ВЫКЛ, входное напряжение равно 0 В, а когда переключатель находится в положении ВКЛ, входное напряжение равно 12В. На приведенной ниже схеме показаны эквивалентные схемы для положений переключателя ON и OFF соответственно.

Если мы будем управлять переключателем, как показано на диаграмме (а) ниже, мы получим график напряжения, как показано на диаграмме (б) ниже. T — период переключения, измеряемый в миллисекундах или микросекундах.

В этом случае среднее выходное напряжение этой схемы переключения составляет 5 В, поскольку:

Среднее выходное напряжение этой схемы составляет 5 В, но мы можем улучшить форму выходного сигнала, используя схемы RC-фильтра, чтобы избавиться от гармоник.

Если предположить, что коммутатор является идеальным (идеальный коммутатор — это коммутатор, который не потребляет и не рассеивает энергию от источника), мы можем рассчитать эффективность этой схемы как 100%. Когда переключатель находится в положении ON, ток, протекающий через цепь, составляет 6 А. Так как у нас есть идеальный ключ, рассеиваемая мощность P_diss = RI ² = 0 * 9 ² = 0 Вт. Когда переключатель находится в положении OFF, ток через него не протекает, поэтому в этом случае рассеиваемая мощность также равна 0.

Однако в реальных условиях найти идеальный переключатель может быть сложно. Это означает, что в действительности будет рассеиваться некоторая мощность, но эффективность преобразования высока, несмотря на эти рассеивания.

Повышающие преобразователи

Повышающие преобразователи повышают напряжение источника питания. Например, повышающий преобразователь может взять источник питания 5 В и повысить его до 25 В. Как правило, повышающие преобразователи постоянного тока можно найти в зарядных устройствах или солнечных панелях. Их также можно использовать для питания компонентов с разным рабочим напряжением от одной и той же батареи.

Эта конфигурация повышает напряжение постоянного тока до уровня, определяемого выбором компонентов в вашей цепи. Вот общая схема повышающего преобразователя.

Boost switch Состояние ONBoost switch OFF-State

Базовая конфигурация состоит из источника питания постоянного тока (Vin), катушки индуктивности (L), диода (D), переключающего устройства (SW), сглаживающего конденсатора (C) и сопротивление нагрузки (Load). Vвых – выходное напряжение.

Переключатель обычно представляет собой устройство силовой электроники, такое как полевой МОП-транзистор или биполярный транзистор, управляемый ШИМ-сигналом. Этот ШИМ-сигнал работает, переключая транзистор очень быстро, обычно тысячи раз в секунду.

Как работают повышающие преобразователи

Чтобы понять, как работает повышающий преобразователь, давайте сначала разберемся, как работает дроссель.

Напомним, что катушка индуктивности представляет собой пассивный электронный компонент, который может накапливать электрическую энергию в виде магнитной энергии. Мы можем использовать это свойство для управления выходным напряжением нашей схемы. Вот как это работает:

1. Если мы РАЗОМКНУТ переключатель, как показано на диаграмме «Выключенное состояние форсированного переключателя» выше, меньший ток будет течь от батареи, через катушку индуктивности, через диод и заряжая конденсатор.
2. Когда мы ЗАМКНУТ переключатель, как показано на диаграмме «Включенное состояние форсированного переключателя» выше, больший ток будет течь от батареи, через катушку индуктивности и через переключатель, потому что теперь у нас есть путь наименьшего сопротивления. Теперь индуктор ведет себя интересно. Поскольку теперь у нас есть большее значение тока, протекающего по цепи, магнитное поле индуктора будет расширяться. Это означает, что индуктор накапливает энергию, и во время этого процесса потенциал на индукторе будет положительным слева и отрицательным справа.
3. Когда мы снова разомкнем переключатель, ток, протекающий через цепь, уже не будет большим из-за высокого импеданса. Когда ток, протекающий через цепь, уменьшается, магнитное поле на катушке индуктивности разрушается. В процессе электрическая энергия, которая была сохранена, теперь высвобождается. Это приводит к изменению полярности катушки индуктивности. Теперь у нас есть отрицательная полярность на левой стороне и положительная на правой стороне катушки индуктивности. Если приглядеться, катушка индуктивности теперь последовательно с батареей.

Ток через индуктор не может измениться мгновенно. Следовательно, индуктор будет пытаться поддерживать это изменение, генерируя большое напряжение. Это означает, что теперь у нас есть напряжение, генерируемое катушкой индуктивности, и напряжение от батареи на конденсаторе. Предположим, мы продолжаем включать и выключать переключатель. У нас будет выходное напряжение, которое выше, чем напряжение батареи.

Как собрать повышающий преобразователь

В этом проекте мы собираем повышающий преобразователь 1,5 В в 5 В постоянного тока. Вот компоненты, которые вам понадобятся, если вы хотите построить эту схему:

• 1,5 В.5 В. может генерировать 50 кГц, 5 В, рабочий цикл 75 %. Это схема силовой электроники, которая понижает напряжение постоянного тока до уровня, определяемого выбором компонентов в вашей схеме.

  В отличие от линейных стабилизаторов, которые снижают напряжение за счет рассеивания мощности в виде тепла, понижающие преобразователи снижают напряжение за счет увеличения тока.

  Вот общая схема понижающего преобразователя.

  Обратите внимание, что это те же компоненты, что и в повышающем преобразователе, но их расположение отличается.

  Как работают понижающие преобразователи

  Чтобы получить выходное напряжение ниже напряжения батареи, мы подключаем переключатель перед катушкой индуктивности. Когда мы включаем и выключаем переключатель в этой конфигурации, среднее выходное напряжение будет ниже, чем напряжение батареи.

  Вот что происходит:

  1. Если переключатель (SW) замкнут, ток будет течь через переключатель в цепь. По мере увеличения тока магнитное поле индуктора будет расширяться. Пока это происходит, индуктор накапливает энергию в своем магнитном поле. Как и прежде, полярность катушки индуктивности будет положительной слева и отрицательной справа. Это противоположное напряжение противодействует напряжению источника и, следовательно, снижает чистое напряжение на нагрузке.
  2. Когда мы разомкнем переключатель, магнитное поле индуктора разрушится, и ток потечет от индуктора через диод. Этот ток добавит к току, который течет во время первого шага, состояния ВЫКЛ. Вот почему средний ток увеличивается на этом типе преобразователя.