Konwerter buck-boost - Buck–boost converter

Porównanie nieizolowanych przełączających topologii konwerterów DC-DC: Buck , Boost , Buck-Boost, Ćuk . Wejście jest po lewej stronie, wyjście z obciążeniem po prawej stronie. Przełącznik jest zwykle tranzystorem MOSFET , IGBT lub BJT .

Przetwornica buck-boost jest typem przetwornicy DC-to-DC , który ma wielkość napięcia wyjściowego, który jest albo większa lub mniejsza niż wielkość napięcia wejściowego. Jest to odpowiednik konwertera flyback wykorzystującego pojedynczą cewkę indukcyjną zamiast transformatora.

Dwie różne topologie nazywane są konwerterem buck-boost . Oba mogą wytwarzać zakres napięć wyjściowych, od znacznie większych (w wielkości bezwzględnej) niż napięcie wejściowe, aż do prawie zera.

Topologia odwracająca

Napięcie wyjściowe ma przeciwną polaryzację niż napięcie wejściowe. Jest to zasilacz impulsowy o topologii obwodu podobnej do konwertera boost i konwertera buck . Napięcie wyjściowe jest regulowane w oparciu o cykl pracy tranzystora przełączającego. Jedną z możliwych wad tego konwertera jest to, że przełącznik nie ma zacisku na ziemi; komplikuje to obwody sterujące. Jednak ta wada nie ma znaczenia, jeśli zasilacz jest odizolowany od obwodu obciążenia (jeśli na przykład zasilacz jest baterią), ponieważ polaryzację zasilania i diody można po prostu odwrócić. Kiedy można je odwrócić, przełącznik może znajdować się po stronie uziemienia lub po stronie zasilania.

Buck (step-down) przetwornik połączony z podwyższającą napięcie (step-up)

Napięcie wyjściowe ma zwykle taką samą polaryzację na wejściu i może być niższe lub wyższe niż napięcie wejściowe. Taki nieodwracający konwerter buck-boost może wykorzystywać pojedynczą cewkę indukcyjną, która jest używana zarówno w trybie buck inductor, jak i boost inductor, używając przełączników zamiast diod, czasami nazywanych „czteroprzełącznikowym konwerterem buck-boost” , może używaj wielu cewek, ale tylko jednego przełącznika, tak jak w topologiach SEPIC i Ćuk .

Zasada działania topologii odwracającej

Rys. 1: Schemat konwertera buck-boost.

Rys. 2: Dwa stany pracy konwertera buck-boost: Gdy przełącznik jest włączony, źródło napięcia wejściowego dostarcza prąd do cewki indukcyjnej, a kondensator dostarcza prąd do rezystora (obciążenie wyjściowe). Gdy przełącznik jest otwarty, cewka indukcyjna dostarcza prąd do obciążenia przez diodę D.

Podstawowa zasada odwracającego konwertera buck-boost jest dość prosta (patrz rysunek 2):

• w stanie włączonym źródło napięcia wejściowego jest bezpośrednio podłączone do cewki indukcyjnej (L). Powoduje to akumulowanie energii w L. Na tym etapie kondensator dostarcza energię do obciążenia wyjściowego.
• w stanie wyłączonym cewka indukcyjna jest połączona z obciążeniem wyjściowym i kondensatorem, więc energia jest przenoszona z L do C i R.

W porównaniu z konwerterami buck i boost , charakterystyka odwracającego konwertera buck-boost to głównie:

• polaryzacja napięcia wyjściowego jest przeciwna do polaryzacji wejściowej;
• napięcie wyjściowe może zmieniać się w sposób ciągły od 0 do (dla idealnego konwertera). Zakresy napięcia wyjściowego dla konwertera buck i boost wynoszą odpowiednio do 0 i do .${\displaystyle \scriptstyle -\infty}$${\ Displaystyle \ scriptstyle V_ {i}}$${\ Displaystyle \ scriptstyle V_ {i}}$${\displaystyle \scriptstyle \infty}$

Przegląd koncepcyjny

Podobnie jak konwertery buck i boost, działanie buck-boost najlepiej rozumie się w kategoriach „niechęci” cewki indukcyjnej do umożliwienia szybkiej zmiany prądu. Od stanu początkowego, w którym nic nie jest naładowane, a przełącznik jest otwarty, prąd płynący przez cewkę indukcyjną wynosi zero. Po pierwszym zamknięciu przełącznika dioda blokująca zapobiega przepływowi prądu do prawej strony obwodu, więc cały prąd musi przepływać przez cewkę indukcyjną. Ponieważ jednak cewka indukcyjna nie pozwala na szybką zmianę prądu, początkowo utrzyma prąd na niskim poziomie, obniżając większość napięcia dostarczanego przez źródło. Z czasem cewka indukcyjna pozwoli na powolny wzrost prądu poprzez zmniejszenie własnej rezystancji. W idealnym obwodzie spadek napięcia na cewce pozostałby stały. Gdy weźmie się pod uwagę wrodzoną rezystancję przewodów i przełącznika, spadek napięcia na cewce indukcyjnej również zmniejszy się wraz ze wzrostem prądu. Również w tym czasie cewka indukcyjna będzie magazynować energię w postaci pola magnetycznego.

Tryb ciągły

Rys. 3: Przebiegi prądu i napięcia w przetworniku buck-boost pracującym w trybie ciągłym.

Jeśli prąd płynący przez cewkę indukcyjną L nigdy nie spadnie do zera podczas cyklu komutacji, mówi się, że konwerter działa w trybie ciągłym. Przebiegi prądu i napięcia w idealnym konwerterze można zobaczyć na rysunku 3.

Od do konwerter jest w stanie włączenia, więc przełącznik S jest zamknięty. Szybkość zmiany prądu cewki indukcyjnej ( I _L ) jest zatem dana wzorem ${\displaystyle t=0}$${\displaystyle t=DT}$

${\ Displaystyle {\ Frac {\ Operator {d} I_ {L}} {\ Operator {d} t}} = {\ Frac {V_ {i}} {L}}}$

Na koniec w stanie aktywnym, wzrost I _L wynosi zatem:

${\ Displaystyle \ Delta I_ {{\ tekst {L}} _ {\ tekst {na}}} = \ int _ {0} ^ {D \, T} \ operatorname {d} I_ {\ tekst {L}} =\int _{0}^{D\,T}{\frac {V_{i}}{L}}\,\nazwa operatora {d} t={\frac {V_{i}\,D\,T }{L}}}$

D to cykl pracy. Reprezentuje ułamek okresu komutacji T, podczas którego przełącznik jest włączony. Dlatego D waha się między 0 ( S nigdy nie jest włączone) a 1 ( S jest zawsze włączone).

Podczas stanu wyłączenia przełącznik S jest otwarty, więc prąd cewki indukcyjnej przepływa przez obciążenie. Jeśli przyjmiemy zerowy spadek napięcia na diodzie i kondensator wystarczająco duży, aby jego napięcie pozostało stałe, ewolucja I _L wynosi:

${\ Displaystyle {\ Frac {\ nazwa operatora {d} I_ {\ tekst {L}}}{\ nazwa operatora {d} t}} = {\ Frac {V_ {o}} {L}}}$

W związku z tym wariant I _L podczas Off-okresu to:

${\ Displaystyle \ Delta I_ {{\ tekst {L}} _ {\ tekst {wyłączony}}} = \ int _ {0} ^ {\ lewo (1-D \ prawy) T} \ nazwa operatora {d} I_ { \text{L}}=\int _{0}^{\left(1-D\right)T}{\frac {V_{o}\,\nazwa operatora {d} t}{L}}={\ szczelina {V_{o}\lewa(1-D\prawa)T}{L}}}$

Ponieważ uważamy, że przekształtnik pracuje w warunkach ustalonych, ilość energii zmagazynowanej w każdym z jego elementów musi być taka sama na początku i na końcu cyklu komutacji. Ponieważ energia w cewce indukcyjnej jest dana wzorem:

${\ Displaystyle E = {\ Frac {1} {2}} L \ I_ {\ tekst {L}} ^ {2}}$

oczywiste jest, że wartość I _L na końcu stanu Off musi być taka sama jak wartość I _L na początku stanu On, tj. suma zmian I _L podczas włączania i wyłączania stany muszą wynosić zero:

${\ Displaystyle \ Delta I_ {{\ tekst {L}} _ {\ tekst {włączony}}} + \ Delta I_ {{\ tekst {L}} _ {\ tekst {wyłączony}}} = 0}$

Podstawienie i ich wyrażenia dają: ${\ Displaystyle \ Delta I_ {{\ tekst {L}} _ {\ tekst {na}}}}$${\ Displaystyle \ Delta I_ {{\ tekst {L}} _ {\ tekst {wyłączony}}}}$

${\ Displaystyle \ Delta I_ {{\ tekst {L}} _ {\ tekst {włączony}}} + \ Delta I_ {{\ tekst {L}} _ {\ tekst {wyłączony}}} = {\ Frac {V_ {i}\,D\,T}{L}}+{\frac {V_{o}\left(1-D\right)T}{L}}=0}$

Można to zapisać jako:

${\ Displaystyle {\ Frac {V_ {o}} {V_ {i}}} = {\ Frac {-D} {1-D}}}$

To w zamian daje, że:

${\ Displaystyle D = {\ Frac {V_ {o}} {V_ {o}-V_ {i}}}}$

Z powyższego wyrażenia wynika, że ​​polaryzacja napięcia wyjściowego jest zawsze ujemna (ponieważ współczynnik wypełnienia wynosi od 0 do 1), a jego wartość bezwzględna rośnie wraz z D, teoretycznie aż do minus nieskończoności, gdy D zbliża się do 1. Poza z polaryzacji ten konwerter jest albo step-up (konwerter doładowania), albo step-down (konwerter buck). Dlatego nazywa się go konwerterem buck-boost.

Tryb nieciągły

Rys 4: Przebiegi prądu i napięcia w przetworniku buck-boost pracującym w trybie nieciągłym.

W niektórych przypadkach ilość energii wymaganej przez obciążenie jest na tyle mała, że ​​można ją przenieść w czasie krótszym niż cały okres komutacji. W takim przypadku prąd płynący przez cewkę indukcyjną spada do zera przez część okresu. Jedyna różnica w opisanej powyżej zasadzie polega na tym, że cewka indukcyjna jest całkowicie rozładowana pod koniec cyklu komutacji (patrz przebiegi na rysunku 4). Różnica, choć niewielka, ma silny wpływ na równanie napięcia wyjściowego. Można go obliczyć w następujący sposób:

Ponieważ prąd cewki indukcyjnej na początku cyklu wynosi zero, jego maksymalna wartość (w ) wynosi ${\ Displaystyle I_ {L_ {\ tekst {max}}}}$${\displaystyle t=D\,T}$

${\ Displaystyle I_ {L_ {\ tekst {max}}} = {\ Frac {V_ {i} \, D \, T} {L}}}$

W okresie wyłączenia I _L spada do zera po δ.T:

${\ Displaystyle I_ {L_ {\ tekst {max}}} + {\ Frac {V_ {o} \ \ delta \ T {L}} = 0}$

Korzystając z dwóch poprzednich równań, δ wynosi:

${\ Displaystyle \ delta =-{\ Frac {V_ {i} \ D} {V_ {o}}}}$

Prąd obciążenia jest równy średniemu prądowi diody ( ). Jak widać na rysunku 4, prąd diody jest równy prądowi cewki indukcyjnej w stanie wyłączonym. Dlatego prąd wyjściowy można zapisać jako: ${\ Displaystyle I_ {o}}$${\ Displaystyle I_ {D}}$

${\ Displaystyle I_ {o} = {\ bar {I_ {D}}} = {\ Frac {I_ {L_ {\ tekst {max}}}} {2}} \ delta}$

Zastąpienie i δ ich odpowiednimi wyrażeniami daje: ${\ Displaystyle I_ {L_ {\ tekst {max}}}}$

${\ Displaystyle I_ {o} = - {\ Frac {V_ {i} \ D \ T {2 L}} {\ Frac {V_ {i} \ D} {V_ {o}}} = - { \frac {V_{i}^{2}\,D^{2}\,T}{2L\,V_{o}}}}$

Dlatego wzmocnienie napięcia wyjściowego można zapisać jako:

${\ Displaystyle {\ Frac {V_ {o}} {V_ {i}}} = - {\ Frac {V_ {i} \ D ^ {2} \ T} {2 L \ I_ {o}}} }$

W porównaniu z wyrażeniem wzmocnienia napięcia wyjściowego dla trybu ciągłego, wyrażenie to jest znacznie bardziej skomplikowane. Ponadto przy pracy nieciągłej napięcie wyjściowe zależy nie tylko od współczynnika wypełnienia, ale także od wartości cewki indukcyjnej, napięcia wejściowego i prądu wyjściowego.

Granica między trybami ciągłymi i nieciągłymi

Rys. 5: Ewolucja znormalizowanego napięcia wyjściowego ze znormalizowanym prądem wyjściowym w konwerterze buck-boost.

Jak powiedziano na początku tego rozdziału, konwerter działa w trybie nieciągłym, gdy obciążenie pobiera niski prąd, oraz w trybie ciągłym przy wyższych poziomach prądu obciążenia. Granica między trybami nieciągłymi i ciągłymi zostaje osiągnięta, gdy prąd cewki indukcyjnej spada do zera dokładnie na końcu cyklu komutacji. z zapisami na rysunku 4 odpowiada to:

${\displaystyle D\,T+\delta \,T=T}$

${\displaystyle D+\delta=1\,}$

W tym przypadku prąd wyjściowy ( prąd wyjściowy na granicy między trybami ciągłymi i nieciągłymi) jest określony wzorem: ${\ Displaystyle \ scriptstyle I_ {o_ {\ text {lim}}}}$

${\ Displaystyle I_ {o_ {\ tekst {lim}}} = {\ bar {I_ {D}}} = {\ Frac {I_ {L_ {\ tekst {max}}}} {2}} \ lewo (1 -D\prawo)}$

Zastąpienie przez wyrażenie podane w sekcji trybu nieciągłego daje: ${\ Displaystyle \ scriptstyle I_ {L_ {\ tekst {max}}}}$

${\ Displaystyle I_ {o_ {\ tekst {lim}}} = {\ Frac {V_ {i} \, D \, T} {2 L}} \ lewo (1-D \ prawo)}$

Podobnie jak prąd na granicy między ciągłymi i nieciągłymi trybami działania, spełnia on wyrażenia obu trybów. Dlatego używając wyrażenia napięcia wyjściowego w trybie ciągłym, poprzednie wyrażenie można zapisać jako: ${\ Displaystyle \ scriptstyle I_ {o_ {\ text {lim}}}}$

${\ Displaystyle I_ {o_ {\ text {lim}}} = {\ Frac {V_ {i} \, D \, T} {2 L}} {\ Frac {V_ {i}} {V_ {o}}} \lewo(-D\prawo)}$

Wprowadźmy teraz jeszcze dwie notacje:

• znormalizowane napięcie, określone przez . Odpowiada to wzmocnieniu napięcia konwertera;${\ Displaystyle \ scriptstyle \ left | V_ {o} \ right | = {\ Frac {V_ {o}} {V_ {i}}}}$
• znormalizowany prąd, określony przez . Termin jest równy maksymalnemu wzrostowi prądu cewki indukcyjnej podczas cyklu; tj. wzrost prądu cewki indukcyjnej przy współczynniku wypełnienia D=1. Czyli przy pracy przetwornicy w stanie ustalonym oznacza to, że równa się 0 dla braku prądu wyjściowego, a 1 dla maksymalnego prądu jaki może dostarczyć przetwornica.${\ Displaystyle \ scriptstyle \ left | I_ {o} \ right | = {\ Frac {L} {T \, V_ {i}}} I_ {o}}$${\displaystyle \scriptstyle {\frac {T\,V_{i}}{L}}}$${\ Displaystyle \ scriptstyle \ lewo | I_ {o} \ prawo |}$

Korzystając z tych notacji mamy:

• w trybie ciągłym, ;${\ Displaystyle \ scriptstyle \ lewo | V_ {o} \ prawo | = - {\ Frac {D} {1-D}}}$
• w trybie nieciągłym, ;${\ Displaystyle \ scriptstyle \ lewo | V_ {o} \ prawo | = - {\ Frac {D ^ {2}} {2 \ lewo | I_ {o} \ po prawej |}}}$
• prąd na granicy między trybem ciągłym i nieciągłym wynosi . Dlatego miejsce granicy między postaciami ciągłymi i nieciągłymi jest podane przez .${\ Displaystyle \ scriptstyle I_ {o_ {\ tekst {lim}}} = {\ Frac {V_ {i} \, T} {2L}} D \ lewo (1-D \ po prawej) = {\ Frac {I_ { o_{\text{lim}}}}{2\left|I_{o}\right|}}D\left(1-D\right)}$${\ Displaystyle \ scriptstyle {\ Frac {1} {2 \ lewo | I_ {o} \ po prawej |}} D \ po lewej (1-D \ po prawej) = 1}$

Wyrażenia te zostały wykreślone na rysunku 5. Różnicę w zachowaniu między trybami ciągłymi i nieciągłymi można wyraźnie zobaczyć.

Zasady działania topologii 4-przełącznikowej

Podstawy topologii 4-przełącznikowej

Konwerter 4-przełącznikowy łączy konwertery buck i boost. Może działać w trybie buck lub boost . W każdym trybie tylko jeden przełącznik steruje cyklem pracy, drugi służy do komutacji i musi działać odwrotnie do poprzedniego, a pozostałe dwa przełączniki są w stałej pozycji. Dwuprzełącznikowy konwerter buck-boost może być zbudowany z dwóch diod, ale wymiana diod na przełączniki tranzystorowe FET nie kosztuje dużo więcej, a dzięki mniejszemu spadkowi napięcia poprawia się sprawność.

Nieidealny obwód

Wpływ odporności na pasożyty

W powyższej analizie nie uwzględniono elementów rozpraszających ( rezystory ). Oznacza to, że moc jest przesyłana bez strat ze źródła napięcia wejściowego do obciążenia. Jednak we wszystkich obwodach występują pasożytnicze rezystancje ze względu na oporność materiałów, z których są wykonane. Dlatego część mocy zarządzanej przez konwerter jest rozpraszana przez te pasożytnicze rezystancje.

Dla uproszczenia rozważamy tutaj, że cewka indukcyjna jest jedynym nieidealnym komponentem i że jest to odpowiednik cewki indukcyjnej i rezystora połączonego szeregowo. Założenie to jest do zaakceptowania, ponieważ cewka jest wykonana z jednego kawałka na rany długiego drutu, więc jest prawdopodobne, aby wykazywały nie pomijalny opór pasożytnicze ( R _L ). Ponadto prąd przepływa przez cewkę indukcyjną zarówno w stanie włączonym, jak i wyłączonym.

Korzystając z metody uśredniania przestrzeni stanów, możemy napisać:

${\ Displaystyle V_ {i} = {\ bar {V}} _ {\ tekst {L}} + {\ bar {V}} _ {S}}$

gdzie i są odpowiednio średnim napięciem na cewce i przełączniku w cyklu komutacji. Jeśli weźmiemy pod uwagę, że przetwornica pracuje w stanie ustalonym, średni prąd płynący przez cewkę indukcyjną jest stały. Średnie napięcie na cewce indukcyjnej wynosi: ${\ Displaystyle \ scriptstyle {\ bar {V}} _ {\ tekst {L}}}$${\ Displaystyle \ scriptstyle {\ bar {V}} _ {S}}$

${\ Displaystyle {\ bar {V}} _ {\ tekst {L}} = L {\ Frac {\ bar {dI_ {\ tekst {L}}}} {dt}} + R_ {\ tekst {L}} {\bar {I}}_{\text{L}}=R_{\text{L}}{\bar {I}}_{\text{L}}}$

Gdy przełącznik jest w stanie włączonym, . Gdy jest wyłączona, dioda jest spolaryzowana w przód (rozważamy pracę w trybie ciągłym), dlatego . Dlatego średnie napięcie na przełączniku wynosi: ${\ Displaystyle \ scriptstyle V_ {S} = 0}$${\ Displaystyle \ scriptstyle V_ {S} = V_ {i}-V_ {o}}$

${\ Displaystyle {\ bar {V}} _ {S} = D \, 0 + (1-D) (V_ {i} -V_ {o}) = (1-D) (V_ {i} -V_ { o})}$

Prąd wyjściowy jest przeciwieństwem prądu cewki indukcyjnej w stanie wyłączonym. średni prąd cewki indukcyjnej wynosi zatem:

${\ Displaystyle {\ bar {ja}} _ {\ tekst {L}} = {\ Frac {-I_ {o}} {1-D}}}$

Rys. 6: Ewolucja napięcia wyjściowego przetwornicy typu buck-boost wraz ze wzrostem współczynnika wypełnienia pasożytniczej rezystancji cewki indukcyjnej.

Zakładając, że prąd i napięcie wyjściowe mają znikome tętnienia, obciążenie przetwornika można uznać za czysto rezystancyjne. Jeżeli R jest oporem obciążenia, powyższe wyrażenie staje się:

${\ Displaystyle {\ bar {I}} _ {\ tekst {L}} = {\ Frac {-V_ {o}} {(1-D) R}}}$

Korzystając z poprzednich równań, napięcie wejściowe staje się:

${\ Displaystyle V_ {i} = R_ {\ tekst {L}} {\ Frac {-V_ {o}} {(1-D) R}} + (1-D) (V_ {i} - V_ {o })}$

Można to zapisać jako:

${\ Displaystyle {\ Frac {V_ {o}} {V_ {i}}} = {\ Frac {-D} {{\ Frac {R_ {\ tekst {L}}} {R (1-D)}} +1-D}}}$

Jeśli rezystancja cewki indukcyjnej wynosi zero, powyższe równanie staje się równe równaniu idealnego przypadku. Ale gdy R _L wzrasta, przyrost napięcia przetwornicy zmniejsza się w porównaniu do przypadku idealnego. Ponadto, wpływ R _L zwiększa się wraz z cyklem pracy. Jest to podsumowane na rysunku 6.

Zobacz też

• Konwerter Ćuk
• Konwerter SEPIC
• Topologia split-pi

Bibliografia

Dalsza lektura