Преобразователи постоянный ток - постоянный ток (DC-DC конвертеры) Лекция 8

DC/ DC преобразователи - применение 1. Интегральные DC-DC конверторы используются для преобразования и распределения постоянного напряжения питания. Оно обычно поступает в систему от сетевого источника питания или батареи и может иметь стандартные значение 5, 24, 48 В или быть любого другого номинала и полярности. 2. Преобразование напряжения батареи в напряжение другого номинала, необходимое для питания различных схем. Типичные значения напряжения батареи обычно равны 1.5, 3.0, 3.6, 4.5, 9, 12, 24, 48В (DC). Пример. Напряжение 12 В аккумуляторной батареи транспортного средства может подниматься до 15В или выше во время зарядки и опускается до 6В при старте двигателя. В таком случае, для питания электронных схем требуются DC-DC конвертер, чтобы из изменяющегося выходного напряжения произвести устойчивое, хорошо стабилизированное выходное напряжение.

DC/ DC преобразователи DC/ DC линейные регуляторы напряжения. DC-DC импульсные источники питания. Применяются для того, чтобы преобразовать одно напряжение постоянного тока в другое, обычно хорошо стабилизированное.

Регулирование нагрузки Качество электропитания зависит от напряжения его нагрузки, тока нагрузки, регулирования напряжения, и других факторов. Регулирование нагрузки, сокращенно LR (load regulation) (также названное эффектом нагрузки), - это изменение в регулируемом выходном напряжении, когда ток нагрузки изменяется от минимума до максимума: LR = U NL – U FL, где U NL - предельное напряжение без нагрузки, и U FL - номинальное напряжение предельной нагрузки. Регулирование нагрузки часто выражается в процентах: %LR = (U NL – U FL ) / U FL 100

Классификация. DC преобразователи преобразовывают dc одной амплитуды к dc другой величины. Пример. Регулятор напряжения - схема, которая поддерживает напряжение нагрузки dc постоянным, несмотря на большие изменения в напряжении линии питания и сопротивлении нагрузки. Это - очень жесткий источник dc напряжения. Это означает, что выходное сопротивление является очень маленьким, почти нуль.

Фундаментальное различие - то, что Линейный преобразователь регулирует непрерывный поток тока от входа до нагрузки, чтобы поддержать необходимое напряжение нагрузки. Переключающий преобразователь регулирует этот же самый поток тока, деля входное напряжение и управляя средним током посредством занятого цикла. Когда нагрузка требует более высокого тока нагрузки, процент от времени включения (цикл занятости) увеличивается, приспосабливаясь к изменению. DC преобразователи классифицируются как линейные преобразователи и переключающие (импульсные) преобразователи.

Сравнение импульсных и линейных источников питания Линейные источники питания имеют много полезных свойств, таких как: простота, низкие выходные пульсации и шум, превосходные значения нестабильности по напряжению и току и быстрое время восстановления. Главным их недостатком является невысокая эффективность (КПД). Импульсные источники питания имеют высокую эффективность и высокую удельную мощность. Импульсные источники питания имеют более широкий диапазон входных напряжений.

Линейные преобразователи 4 главных преимущества: простота и низкая цена, спокойный режим и совместимая с нагрузкой ёмкость, небольшой или нет совсем электрического шума на выходе, очень короткое время ответа нагрузки. Недостатки ограничивают их диапазон применения: Они могут использоваться только для регулирования снижения напряжения (step-down), в автономных применениях (off-line) трансформатор с выпрямителем и фильтром должен быть помещен перед ними, каждый линейный регулятор может иметь только один выход, низкая эффективность %, которая приводит к потерям в транзисторе.

Последовательный регулятор напряжения (Series voltage regulator) Схема с регулирующим транзистором и с диодом Zener. Множество устройств используются в регуляторах напряжения питания: n-p-n и p-n-p транзисторы, Дарлингтонские пары на n-p-n-структуре, MOSFET.

Транзистор T, включён последовательно с нагрузкой. Он действует как переменный резистор, чтобы компенсировать изменения во входном напряжении U in, которое поступает от выпрямителя или усилителя. Сопротивление коллектор-эмиттер транзистора изменяется автоматически с изменениями в условиях схемы следующим образом. Диод Zener D устанавливает напряжение смещения, подаваемого на базу транзистора. Резистор R чувствует изменения выходного dc напряжения U out. Если напряжение U out через нагрузку увеличивается, повышение напряжения эмиттера делает базу менее положительной. Ток через транзистор будет тогда уменьшаться, что приводит к увеличению сопротивления коллектор-эмиттер. Это увеличение сопротивления вызовет большее снижение напряжения через транзистор, который в свою очередь компенсирует изменение в напряжении через нарузку.

Особенности U in, имеет «ripple-рябь» сигнала (peak-to-peak) – около 10% от dc напряжения. Так как «рябь» эквивалентна периодическому изменению в выходном напряжении, поэтому регулятор напряжения подавляет «рябь», которая есть в нерегулируемом входном напряжении. Подавление «ряби» U r(in) / U r(out) - обычно или больше. Есть два компонента мощности, которые рассеиваются в регуляторе: 1. Является функцией U in – U out и тока нагрузки, 2. Функцией U in и заземления. Амплитуда тока нагрузки и падение напряжения регулятора оба очень влияют на рассеивание мощности.

Шунтирующий регулятор напряжения (Shunt voltage regulator) Диод Zener D используется, чтобы установить постоянный уровень смещения на базу транзистора. Поэтому только резистор R1 ощутит изменения напряжения через dc выход U out. Если прямое выходное напряжение U out повышается, возрастающее положительное напряжение будет присутствовать на базе транзистора T 1. Увеличивающееся смещение на T 1 заставит его проводить больше, что делает базу транзистора T 2 более положительной. Транзистор T 2 проводит более интенсивно. Увеличивающийся ток через оба транзистора вызывает увеличение падения напряжения через R 1, которое тогда уравновесит повышение выходного напряжения U out. Таким образом, прямое выходное напряжение останется стабилизированным.

Составной регулятор напряжения (Compound voltage regulator) Весь ток нагрузки проходит через проводящий транзистор T 2. Делитель напряжения делит выходное напряжение U out и поставляет напряжение обратной связи на базу T 1. Любое изменение в выходном напряжении производит напряжение ошибки, которое автоматически компенсирует появление изменения. Пример. Если U out начинает увеличиваться, больше напряжения обратной связи подаётся назад на базу T 1, производя больший коллекторный ток T 1 через R 3 и меньшее напряжение на базе T 2. Уменьшение напряжения базы T 2 приводит к меньшему выходному напряжению.

DC- DC импульсные преобразователи Когда SCR использовался, dc-dc конвертер назвали чоппером. В настоящее время, SCR редко используется в dc-dc конвертере. Силовой биполярный транзистор или силовой MOSFET обычно используются в таком конвертере, и его называют switch-mode power supply - переключаемым (импульсным) источником электропитания (Switched-mode PSU)

Импульсный источник электропитания Два основных режима работы у всех импульсных источников электропитания ( регуляторов): Прямоходовый (forward-mode operation) Обратноходовый (flyback-mode). Основные топологии : Step-down- импульсный источник электропитания, Step-up chopper, Резонансный конвертер

Применения чоппера Двигатель DC Зарядное устройство батареи Электропитание DC. PSUs для персональных компьютеров

PSU для персональных компьютеров Есть универсальные входы, означая, что они могут принять мощность от большинства сетей во всем мире, с номинальными частотами от 50 Гц до 60 Гц и напряжениями от 100 V до 240 V. У большинства современных настольных компьютеров и ноутбуков уже есть конвертер DC-DC на материнской плате, чтобы понизить напряжение от PSU или батареи до напряжения ядра центрального процессора - типично 1.8 V. У большинства ноутбуков также есть инвертер DC-AC, чтобы усилить напряжение от батареи, чтобы питать лампу подсветки, типично приблизительно 1000 V rms

PSU для телевизоров В случае телевизоров, например, можно получить превосходное регулирование электропитания при использовании variac. Например, в некоторых моделях, сделанных Philips, электропитание начинается, когда напряжение достигает приблизительно 90 В. Начиная с 90 В, можно изменить напряжение с помощью variac, и снизить до 40 В и повысить до 260 В, и изображение не покажет абсолютно никаких изменений

Чопперы или импульсные dc конвертеры (Choppers) Импульсные источники питания - намного более универсальный выбор, с более широким диапазоном применений, чем линейные регуляторы. Главные функции чопперов или переключающих dc конвертеров: изменение уровней напряжения, гальваническое разъединение электронных схем, cтабилизация выходного напряжения.

Главные особенности Чопперы не имеют недостатков линейных регуляторов: К. П. Д % независимо от выходного напряжения, таким образом, уменьшая требования размера, принудительного охлаждения, высокой температуры и следовательно, его стоимость. Когда входное напряжение «расколото» в ac форму волны и поступает в магнитный элемент, дополнительные обмотки могут быть добавлены, чтобы предусмотреть больше, чем одно выходное напряжение. Благодаря высокой частоте переключения, магнитные и емкостные элементы, используемые для хранения энергии, являются маленькими, и стоимость такого источника становится меньше, чем линейного регулятора. Входное напряжение может измениться выше и и/или ниже уровня напряжения выхода.

Недостатки регуляторов переключения Более сложные. Значительный шум на его выходе и входе, который они излучают в окружающую среду. Значительно медленное время ответа переходного процесса они берут, чтобы ответить на изменения в нагрузке из-за ограниченного временем импульса энергии. Два основных режима работы у этих регуляторов: прямой способ работы (forward-mode operation) и обратноходовый (flyback-mode). Основные топологии конвертера - понижение и повышение напряжения.

Особенности Два основных режима работы у этих регуляторов: прямой способ работы (forward-mode operation) и обратноходовый (flyback-mode). Основные топологии конвертера - понижение и повышение напряжения. Switched-mode power supplies can be classified according to the circuit topology. Оба класса имеют в качестве функциональных компонентов четыре элемента: силовой ключ - BJT, MOSFET или IGBT, выпрямитель, катушку, конденсатор.

Типовая схема прямоходового преобразователя

Прямой регулятор (Forward regulator) (Single- quadrant forward chopper) Шунтирующий диод D, последовательная катушка индуктивности L и шунтирующий конденсатор C формируют «хранилище» энергии, цель которого состоит в том, чтобы хранить достаточно энергии для поддержания напряжения нагрузки и тока во время выключения энергии. Ключ служит только, чтобы пополнить энергию, потерянную в нагрузке в течение времени.

В прямоходовом регуляторе силовой ключ T помещен непосредственно между источником входного напряжения U in и нагрузкой (а) или перед секцией фильтра (в) или после (с). Прямой регулятор (Single-quadrant forward chopper)

Работа прямого регулятора Работа может быть разбита в две фазы. Первая - когда ключ открыт. Во время этого периода ток проходит из входного источника через катушку индуктивности к нагрузке. Диод обратно смещён в этот период. После того, как ключ выключен, катушка индуктивности все еще ожидает, что ток будет течь через неё. Диод теперь начинает проводить, и ток нагрузки идёт через диод, таким образом поддерживая замкнутый контур тока через нагрузку. Затем ключ включается снова и повторяется цикл. Выходное напряжение – «расколотое» напряжение, полученное от источника напряжения, следовательно название "чоппер".

Входной фильтр Резонансная частота фильтра: fc = 1 / (2 (LC)), Чтобы предотвратить резонанс, частота чоппера должна быть fch > (2 – 3)fc. Входной фильтр LC (Рис. c) обеспечит сглаживание тока «ряби» таким образом, чтобы только усреднённый ток шёл от источника.

Формы тока и напряжения Обычно выходное напряжение изменяется ключом PWM; поэтому напряжение, приложенное к нагрузке, имеет форму квадратной волны переменной периодичности (Рис. a). Ток нагрузки колеблется, как показано на a, но, вероятно, будет непрерывен. При низкой индуктивности ток нагрузки может упасть к нулю во время периодов выключения (пунктиры на рис. a). «Расколотый» входной ток вызовет высокий пик входной мощности. Кроме того, у тока источника есть гармоники, которые производят изменения напряжения, интерференцию сигнала, и т.д.

Резюме Либо силовой BJT или силовой MOSFET обычно используется в DC/ DC преобразователях и преобразователь называют импульсным источником питания. Импульсный блок питания может быть одного из типов, перечисленных ниже: Step-down импульсный блок питания, Step-up чоппер, Обратноходовый (Fly-back) преобразователь и Резонансный преобразователь. Типичными областями применения для импульсного источника питания или чоппера, являются: Привод постоянного тока (DC) Зарядное устройство и Источник питания постоянного тока (DC)

Single-quadrant forward step-down chopper. Рабочий цикл (duty cycle) Решить задачи: Если период - 1 s, и Ton = 0,6 s, что является временем занятого цикла? Если входное напряжение 100 V, и время занятого цикла 0,6, то чему равно выходное напряжение step- down чоппера?

Спасибо за внимание!