Yükseltici dönüştürücü - Boost converter
Bir takviye dönüştürücü ( artırmalı dönüştürücü ) a, DC-DC güç dönüştürücüsü bu adımlar gerilimine çıktısında (yük) girişine (besleme) (on akım aşağı iner ise). En az iki yarı iletken (bir diyot ve bir transistör ) ve en az bir enerji depolama elemanı içeren bir anahtarlamalı mod güç kaynağı (SMPS) sınıfıdır : bir kapasitör , indüktör veya ikisi kombinasyon halinde. Voltaj dalgalanmasını azaltmak için , normalde bu tür bir konvertörün çıkışına (yük tarafı filtresi) ve girişine (kaynak tarafı filtresi) kondansatörlerden (bazen indüktörlerle kombinasyon halinde) yapılan filtreler eklenir.
Genel Bakış
Yükseltici dönüştürücü için güç, piller, güneş panelleri, redresörler ve DC jeneratörler gibi herhangi bir uygun DC kaynağından gelebilir. Bir DC voltajını farklı bir DC voltajına değiştiren bir işleme DC'den DC'ye dönüştürme adı verilir. Yükseltici dönüştürücü, kaynak voltajından daha yüksek bir çıkış voltajına sahip bir DC'den DC'ye dönüştürücüdür . Bir yükseltici dönüştürücü, kaynak voltajını "yükselttiği" için bazen yükseltici dönüştürücü olarak adlandırılır. Gücün ( ) korunması gerektiğinden , çıkış akımı kaynak akımından daha düşüktür.
Tarih
Yüksek verimlilik için, anahtarlamalı güç kaynağı (SMPS) anahtarı hızlı bir şekilde açılıp kapanmalı ve düşük kayıplara sahip olmalıdır. 1950'lerde ticari bir yarı iletken anahtarın ortaya çıkışı , hızlandırıcı dönüştürücü gibi SMPS'leri mümkün kılan önemli bir kilometre taşını temsil ediyordu. Ana DC'den DC'ye dönüştürücüler, yarı iletken anahtarların kullanıma sunulduğu 1960'ların başında geliştirildi. Havacılık konvertör'ün hızla gelişmesine yol açtı, küçük, hafif ve verimli güç dönüştürücüler için endüstrinin ihtiyacı.
SMPS gibi anahtarlı sistemler, modelleri bir anahtarın açık veya kapalı olmasına bağlı olduğundan, tasarım açısından zorlayıcıdır. 1977'de Caltech'ten RD Middlebrook , bugün kullanılan DC'den DC'ye dönüştürücüler için modelleri yayınladı. Middlebrook, durum uzayı ortalaması adı verilen bir teknikle her anahtar durumu için devre konfigürasyonlarının ortalamasını aldı. Bu basitleştirme, iki sistemi bir sisteme indirdi. Yeni model, SMPS'nin büyümesine yardımcı olan anlayışlı tasarım denklemlerine yol açtı.
Başvurular
Batarya güç sistemleri
Akü güç sistemleri genellikle daha yüksek voltaj elde etmek için hücreleri seri olarak istifler. Bununla birlikte, alan yetersizliğinden dolayı birçok yüksek voltaj uygulamasında hücrelerin yeterli şekilde istiflenmesi mümkün değildir. Takviye dönüştürücüler voltajı artırabilir ve hücre sayısını azaltabilir. Hibrit elektrikli araçlarda (HEV) ve aydınlatma sistemlerinde takviye dönüştürücüler kullanan iki pille çalışan uygulama kullanılır .
NHW20 modeli Toyota Prius HEV, 500 V motor kullanır. Güçlendirici dönüştürücü olmadan Prius, motora güç sağlamak için yaklaşık 417 hücreye ihtiyaç duyar. Bununla birlikte, bir Prius aslında yalnızca 168 hücre kullanır ve pil voltajını 202 V'tan 500 V'a yükseltir. Takviye dönüştürücüler, taşınabilir aydınlatma sistemleri gibi daha küçük ölçekli uygulamalardaki cihazlara da güç sağlar. Bir beyaz LED genellikle yayan ışın 3.3 V gerektirir ve bir destek dönüştürücü güç tek 1,5 V alkalin hücre lamba gerilimi kadar adım olabilir.
Joule hırsızı
Düzenlenmemiş bir yükseltici dönüştürücü, engelleyici osilatör kavramlarına dayanan ' Joule hırsızı ' olarak bilinen devrede voltaj artırma mekanizması olarak kullanılır . Bu devre topolojisi, düşük güçlü batarya uygulamalarında kullanılır ve bir takviye dönüştürücünün bir bataryada kalan enerjiyi 'çalma' yeteneğini amaçlamaktadır. Bu enerji aksi takdirde boşa gidecektir, çünkü neredeyse boşalmış bir pilin düşük voltajı onu normal bir yük için kullanılamaz hale getirir. Aksi takdirde, bu enerji kullanılmadan kalır çünkü birçok uygulama, voltaj düştüğünde bir yükten yeterli akımın geçmesine izin vermez. Bu voltaj düşüşü, piller bittikçe meydana gelir ve her yerde bulunan alkalin pilin bir özelliğidir . Yana güç denklemi olan ve R, gerilim azaldıkça yük önemli iner için kullanılabilir sabit güç olma eğilimindedir.
Fotovoltaik hücreler
Solar fotovoltaik (PV) sistemlerinde Voltaj Kaldırma Tipi Güçlendirici Dönüştürücüler adı verilen özel tür yükseltici dönüştürücüler kullanılır. Bu güç dönüştürücüler, güç kalitesini iyileştirmek ve tam PV sisteminin performansını artırmak için geleneksel bir yükseltici dönüştürücünün pasif bileşenlerini (diyot, indüktör ve kapasitör) ekler.
Devre analizi
Operasyon
Yükseltici dönüştürücüyü çalıştıran temel ilke, bir indüktörün , indüktör manyetik alanında depolanan enerjiyi artırarak veya azaltarak akımdaki değişikliklere direnme eğilimidir . Yükseltici bir dönüştürücüde, çıkış voltajı her zaman giriş voltajından daha yüksektir. Bir takviye güç aşamasının şeması Şekil 1'de gösterilmektedir.
(a) Anahtar kapatıldığında, akım indüktörden saat yönünde akar ve indüktör bir manyetik alan oluşturarak bir miktar enerji depolar. İndüktörün sol tarafının polaritesi pozitiftir.
(b) Anahtar açıldığında, empedans yükseldikçe akım azalacaktır. Yüke doğru akımı korumak için önceden oluşturulan manyetik alan enerjisi azaltılacaktır. Böylece polarite tersine çevrilecek (yani indüktörün sol tarafı negatif olacak). Sonuç olarak, iki kaynak seri halinde olacak ve kapasitörün diyot D üzerinden şarj edilmesi için daha yüksek bir voltaj oluşmasına neden olacaktır .
Anahtar yeterince hızlı çevrilirse, indüktör şarj aşamaları arasında tam olarak boşalmaz ve anahtar açıldığında yük her zaman tek başına giriş kaynağından daha büyük bir voltaj görür. Ayrıca anahtar açılırken yüke paralel kondansatör bu birleşik gerilime yüklenir. Anahtar daha sonra kapatıldığında ve sağ taraf sol taraftan kısa devre yaptığında, kapasitör bu nedenle yüke voltaj ve enerji sağlayabilir. Bu süre boyunca, engelleme diyotu, kapasitörün anahtar aracılığıyla deşarj olmasını engeller. Anahtar, kapasitörün çok fazla deşarj olmasını önlemek için elbette yeterince hızlı açılmalıdır.
Bir Boost dönüştürücünün temel prensibi 2 farklı durumdan oluşur (bkz.Şekil 2):
- Açık durumda, S anahtarı (bkz. şekil 1) kapanır ve bu, indüktör akımında bir artışa neden olur;
- Kapalı durumda, anahtar açıktır ve indüktör akımına sunulan tek yol geri dönüş diyotu D, kapasitör C ve yük R'dir . Bu, açık durum sırasında biriken enerjinin kapasitör içine aktarılmasıyla sonuçlanır.
- Giriş akımı, şekil 2'de görüldüğü gibi indüktör akımıyla aynıdır. Bu nedenle, buck dönüştürücüdeki gibi süreksiz değildir ve giriş filtresindeki gereksinimler, bir buck dönüştürücüye kıyasla gevşetilir.
Sürekli mod
Bir yükseltici dönüştürücü sürekli modda çalıştığında, indüktörden ( ) geçen akım asla sıfıra düşmez. Şekil 3, bu modda çalışan bir dönüştürücüdeki tipik indüktör akımı ve voltaj dalga biçimlerini göstermektedir.
Kararlı durumda, indüktör üzerindeki DC (ortalama) voltaj sıfır olmalıdır, böylece her döngüden sonra indüktör aynı duruma döner, çünkü indüktör üzerindeki voltaj, içinden geçen akımın değişim oranıyla orantılıdır (aşağıda daha ayrıntılı olarak açıklanmıştır) ). Sol taraftaki Şekil 1 'de Not L olan ve sağ taraftaki L görür Şekil 3 ila ortalama değeri gerilimi dalga formu olan D anahtarını tahrik dalga görev çevrimi olduğu. Buradan ideal transfer fonksiyonunu elde ederiz :
veya
.
Aşağıdaki gibi daha detaylı bir analizden de aynı sonucu alıyoruz: Sabit koşullarda çalışan ideal bir dönüştürücü (yani ideal davranışa sahip bileşenler kullanarak) durumunda çıkış voltajı aşağıdaki şekilde hesaplanabilir:
Açık durumda, giriş voltajının ( ) indüktör boyunca görünmesini sağlayan S anahtarı kapatılır ve bu , aşağıdaki formülle ( t ) bir zaman periyodu boyunca indüktörden akan akımda ( ) bir değişikliğe neden olur :
Burada L , indüktör değeridir.
Durumun sonunda, I L' nin artışı bu nedenle:
D görev döngüsüdür. Anahtarın açık olduğu T komütasyon periyodunun fraksiyonunu temsil eder . Bu nedenle, D 0 ( S hiçbir zaman açık değildir) ile 1 ( S her zaman açıktır ) arasında değişir .
Kapalı durum sırasında, S anahtarı açıktır, bu nedenle indüktör akımı yük boyunca akar. Diyotta sıfır voltaj düşüşünü ve voltajının sabit kalması için yeterince büyük bir kapasitör olduğunu düşünürsek, I L' nin gelişimi :
Bu nedenle, Kapalı dönem boyunca I L' nin değişimi şöyledir:
Konvertörün kararlı durum koşullarında çalıştığını düşündüğümüz için, her bir bileşeninde depolanan enerji miktarı, bir komütasyon döngüsünün başında ve sonunda aynı olmalıdır. Özellikle, indüktörde depolanan enerji şu şekilde verilir:
Bu nedenle, indüktör akımı, komütasyon döngüsünün başlangıcında ve sonunda aynı olmalıdır. Bu, akımdaki genel değişikliğin (değişikliklerin toplamı) sıfır olduğu anlamına gelir:
Değiştirme ve ifadelerine göre şunu verir:
Bu şu şekilde yazılabilir:
Yukarıdaki denklem, çıkış voltajının her zaman giriş voltajından daha yüksek olduğunu (görev döngüsü 0'dan 1'e giderken) ve D ile teorik olarak sonsuza, D 1'e yaklaştıkça arttığını gösterir. bir üvey olarak yukarı dönüştürücü.
Denklemi yeniden düzenlemek, görev döngüsünün şöyle olduğunu ortaya çıkarır:
Süreksiz mod
Akımın dalgalanma genliği çok yüksekse, indüktör tam bir komütasyon döngüsünün bitiminden önce tamamen boşaltılabilir. Bu genellikle hafif yükler altında meydana gelir. Bu durumda, dönemin bir bölümünde indüktörden geçen akım sıfıra düşer (bkz. Şekil 4'teki dalga formları). Fark küçük olsa da, çıkış voltaj denklemi üzerinde güçlü bir etkiye sahiptir.
Gerilim kazancı şu şekilde hesaplanabilir:
Döngünün başlangıcındaki indüktör akımı sıfır olduğundan, maksimum değeri (at )
Kapalı dönem sırasında, I L şunlardan sonra sıfıra düşer :
Önceki iki denklemi kullanarak, δ :
Yük akımı I o , ortalama diyot akımına ( I D ) eşittir . Şekil 4'te görülebileceği gibi, diyot akımı, kapalı durumdaki indüktör akımına eşittir. Ortalama I o değeri, şekil 4'ten geometrik olarak sıralanabilir. Bu nedenle, çıkış akımı şu şekilde yazılabilir:
Değiştirme I Lmax ve Í ilgili ifadeler verimleri ile:
Bu nedenle çıkış voltajı kazancı şu şekilde yazılabilir:
Sürekli mod için çıkış voltajı kazancının ifadesi ile karşılaştırıldığında, bu ifade çok daha karmaşıktır. Ayrıca, kesintili çalışmada, çıkış voltajı kazancı yalnızca görev döngüsüne ( D ) değil, aynı zamanda indüktör değerine ( L ), giriş voltajına ( V i ), komutasyon süresine ( T ) ve çıkış akımına ( I o ).
Denklemin yerine geçerek ( R yüktür), çıkış voltajı kazancı şu şekilde yeniden yazılabilir:
nerede
Ayrıca bakınız
- Joule hırsızı
- Buck dönüştürücü
- Buck-boost dönüştürücü
- Split-pi topolojisi
- Trafo
- Vibratör (elektronik)
- Gerilim katlayıcı
- Gerilim çarpanı
- Hidrolik şahmerdan kullanılarak, bir destek dönüştürücü analog olarak görülebilir elektronik hidrolik benzetme .
daha fazla okuma
Referanslar
|Wikimedia Commons, Boost dönüştürücülerle ilgili medyaya sahiptir .|