Преобразователь постоянного тока в постоянный - DC-to-DC converter

Часть набор на
Энергетика
Преобразование электроэнергии
Электроэнергетическая инфраструктура
Компоненты электроэнергетических систем

А Преобразователь постоянного тока в постоянный является Электронная схема или электромеханическое устройство, которое преобразует источник постоянный ток (DC) от одного Напряжение уровень на другой. Это тип преобразователь электроэнергии. Уровни мощности варьируются от очень низкого (маленькие батареи) до очень высокого (передача энергии высокого напряжения).

История

Смотрите также: Антикварное радио § Автомобильные радиоприемники

До развития силовых полупроводников и связанных с ними технологий одним из способов преобразования напряжения источника постоянного тока в более высокое напряжение для маломощных приложений было преобразование его в переменный ток с помощью вибратор с последующим повышением трансформатор и выпрямитель.[1][2] Для большей мощности электродвигатель использовался для привода генератора желаемого напряжения (иногда объединенного в единый «динамоторный» блок, двигатель и генератор объединены в один блок, причем одна обмотка приводила в движение двигатель, а другая генерировала выходное напряжение). . Это были относительно неэффективные и дорогостоящие процедуры, которые использовались только тогда, когда не было альтернативы, например для питания автомобильного радиоприемника (в котором тогда использовались термоэмиссионные клапаны / лампы, требующие гораздо более высокого напряжения, чем от автомобильного аккумулятора 6 или 12 В).[1] Появление силовых полупроводников и интегральных схем сделало экономически выгодным использование описанных ниже методов. Например, чтобы преобразовать источник питания постоянного тока в высокочастотный переменный, используйте трансформатор - небольшой, легкий и дешевый из-за высокой частоты - для изменения напряжения и его возврата обратно в постоянный ток.[3] Хотя к 1976 году транзисторные автомобильные радиоприемники не требовали высокого напряжения, некоторые любительское радио операторы продолжали использовать расходные материалы и динамоторы для мобильных трансиверы требующие высокого напряжения, хотя были доступны транзисторные блоки питания.[4]

Хотя можно было вывести ниже напряжение от более высокого с линейный регулятор или даже резистор, эти методы рассеивают избыток в виде тепла; энергоэффективное преобразование стало возможным только с твердотельными импульсными схемами.

Использует

Смотрите также: Постоянный ток высокого напряжения

Преобразователи постоянного тока в постоянный используются в портативных электронных устройствах, таких как сотовые телефоны и портативные компьютеры, которые питаются от батареи в первую очередь. Такие электронные устройства часто содержат несколько суб-схемы, каждый со своим собственным требованием к уровню напряжения, отличным от напряжения батареи или внешнего источника питания (иногда выше или ниже напряжения питания). Кроме того, напряжение батареи снижается по мере истощения накопленной энергии. Переключаемые преобразователи постоянного тока в постоянный предлагают способ увеличения напряжения при частично пониженном напряжении батареи, тем самым экономя место, вместо того, чтобы использовать несколько батарей для достижения одной и той же цели.

Большинство схем преобразователя постоянного тока в постоянный также регулируют выходное напряжение. Некоторые исключения включают высокую эффективность LED источники питания, которые представляют собой своего рода преобразователь постоянного тока в постоянный, который регулирует ток через светодиоды, и простой зарядные насосы которые удваивают или утроивают выходное напряжение.

Преобразователи постоянного тока в постоянный, которые разработаны, чтобы максимизировать сбор энергии для фотоэлектрические системы и для Ветряные турбины называются оптимизаторы мощности.

Трансформаторы, используемые для преобразования напряжения при частотах сети 50–60 Гц, должны быть большими и тяжелыми для мощности, превышающей несколько ватт. Это делает их дорогими, и они подвержены потерям энергии в обмотках и из-за вихревых токов в сердечниках. Методы преобразования постоянного тока в постоянный, в которых используются трансформаторы или катушки индуктивности, работают на гораздо более высоких частотах, требуя только гораздо меньших, более легких и дешевых компонентов намотки. Следовательно, эти методы используются даже там, где можно использовать сетевой трансформатор; например, для бытовых электронных приборов предпочтительно выпрямлять сетевое напряжение до постоянного тока, использовать импульсные методы для преобразования его в высокочастотный переменный ток при желаемом напряжении, а затем, как правило, выпрямлять его до постоянного тока. Вся сложная схема дешевле и эффективнее, чем простая схема сетевого трансформатора той же мощности. Преобразователь постоянного тока в постоянный широко используется в микросетях постоянного тока для приложений с различным уровнем напряжения.

Электронное преобразование

Практические электронные преобразователи используют методы переключения. Преобразователи постоянного тока в постоянный с переключенным режимом преобразуют один уровень постоянного напряжения в другой, который может быть выше или ниже, путем временного сохранения входной энергии и последующего выделения этой энергии на выход с другим напряжением. Хранение может быть либо в компонентах хранения магнитного поля (индукторы, трансформаторы), либо в компонентах хранения электрического поля (конденсаторы). Этот метод преобразования может увеличивать или уменьшать напряжение. Коммутационное преобразование часто более энергоэффективно (типичный КПД составляет от 75% до 98%), чем линейное регулирование напряжения, при котором нежелательная мощность рассеивается в виде тепла. Для повышения эффективности требуется быстрое время нарастания и спада полупроводникового устройства; однако эти быстрые переходы в сочетании с паразитными эффектами компоновки усложняют проектирование схем.[5] Более высокий КПД импульсного преобразователя снижает потребность в теплоотводе и увеличивает срок службы аккумуляторной батареи портативного оборудования. Эффективность улучшилась с конца 1980-х годов за счет использования энергии Полевые транзисторы, которые могут переключаться более эффективно с меньшими коммутационными потерями на более высоких частотах, чем мощность биполярные транзисторы и использовать менее сложную схему привода. Еще одним важным усовершенствованием преобразователей постоянного тока является замена маховик диод от синхронное выпрямление[6] использование силового полевого транзистора, у которого «сопротивление» намного меньше, что снижает потери при переключении. До широкого распространения силовых полупроводников маломощные синхронные преобразователи постоянного тока в постоянный ток состояли из электромеханического вибратора, за которым следовал повышающий трансформатор напряжения, питающий вакуумную лампу или полупроводниковый выпрямитель, или контакты синхронного выпрямителя на вибраторе.

Большинство преобразователей постоянного тока предназначены для перемещения мощности только в одном направлении, от выделенного входа к выходу. Однако все топологии импульсных регуляторов могут быть двунаправленными и иметь возможность перемещать мощность в любом направлении путем замены всех диодов на независимо управляемые. активное выпрямление. Двунаправленный преобразователь полезен, например, в приложениях, требующих рекуперативное торможение транспортных средств, на которые подается питание к колеса во время движения, но поставляются от колеса при торможении.

Несмотря на то, что для них требуется несколько компонентов, переключающие преобразователи сложны в электронном отношении. Как и все высокочастотные цепи, их компоненты должны быть тщательно определены и физически расположены для достижения стабильной работы и снижения шума переключения (EMI / RFI ) на приемлемых уровнях.[7] Их стоимость выше, чем у линейных регуляторов в устройствах с понижением напряжения, но их стоимость снижается с развитием дизайна микросхем.

Преобразователи постоянного тока в постоянный доступны как интегральные схемы (ИС), требующие нескольких дополнительных компонентов. Преобразователи также доступны в комплекте гибридная схема модули, готовые к использованию в электронной сборке.

Линейные регуляторы которые используются для вывода стабильного постоянного тока независимо от входного напряжения и выходной нагрузки от более высокого, но менее стабильного входа рассеивание избыточных вольт-ампер в виде тепла, можно было бы буквально описать как преобразователи постоянного тока в постоянный, но это не обычное использование. (То же самое можно сказать о простом капельница напряжения резистор, стабилизированный или не стабилизированный следующим регулятор напряжения или Стабилитрон.)

Также есть простые емкостной удвоитель напряжения и Множитель Диксона схемы, использующие диоды и конденсаторы для умножения постоянного напряжения на целочисленное значение, обычно доставляющие только небольшой ток.

Магнитный

В этих преобразователях постоянного тока энергия периодически накапливается и высвобождается из магнитное поле в индуктор или трансформатор, обычно в диапазоне частот от 300 кГц до 10 МГц. Регулируя рабочий цикл зарядного напряжения (то есть отношения времени включения / выключения), количество мощности, передаваемой на нагрузку, можно более легко контролировать, хотя это управление также может применяться к входному току, выходному току или к поддерживать постоянную мощность. Преобразователи на базе трансформатора могут обеспечивать изоляцию между входом и выходом. В общем, термин Преобразователь постоянного тока в постоянный относится к одному из этих переключающих преобразователей. Эти схемы являются сердцем импульсный источник питания. Существует множество топологий. В этой таблице показаны наиболее распространенные.

Вперед (энергия передается через магнитное поле)Обратный ход (энергия сохраняется в магнитном поле)
Без трансформатора (неизолированный)
  • Неинвертирующий: выходное напряжение имеет ту же полярность, что и входное.
  • Инвертирование: выходное напряжение имеет полярность, противоположную входной.
  • Настоящее повышение - Выходное напряжение имеет ту же полярность, что и входное, и может быть ниже или выше.
  • Сплит-пи (буст-бак) - Обеспечивает двунаправленное преобразование напряжения, при этом выходное напряжение имеет ту же полярность, что и входное, и может быть ниже или выше.
С трансформатором (изолируемый)

Кроме того, каждая топология может быть:

Жесткое переключение
Транзисторы переключаются быстро при воздействии как полного напряжения, так и полного тока
Резонансный
An LC-цепь формирует напряжение на транзисторе и ток через него так, что транзистор переключается, когда напряжение или ток равны нулю

Магнитные преобразователи постоянного тока в постоянный ток могут работать в двух режимах, в зависимости от силы тока в его основном магнитном компоненте (индукторе или трансформаторе):

Непрерывный
Ток колеблется, но никогда не опускается до нуля
Прерывистый
Ток колеблется во время цикла, снижаясь до нуля в конце каждого цикла или до него.

Преобразователь может быть разработан для работы в непрерывном режиме при высокой мощности и в прерывистом режиме при низкой мощности.

В полумост и лететь обратно топологии аналогичны в том, что энергия, запасенная в магнитопроводе, должна рассеиваться, чтобы сердечник не насыщался. Передача энергии в схеме обратного хода ограничена количеством энергии, которое может храниться в сердечнике, в то время как прямые схемы обычно ограничиваются ВАХ переключателей.

Несмотря на то что МОП-транзистор переключатели могут выдерживать одновременный полный ток и напряжение (хотя термическое напряжение и электромиграция может сократить MTBF ), биполярные переключатели обычно не требуют использования амортизатор (или два).

В сильноточных системах часто используются многофазные преобразователи, также называемые преобразователями с чередованием.[8][9][10]Многофазные регуляторы могут иметь лучшую пульсацию и лучшее время отклика, чем однофазные регуляторы.[11]

Многие ноутбуки и настольные компьютеры материнские платы включать чередующиеся понижающие регуляторы, иногда как модуль регулятора напряжения.[12]

Двунаправленные преобразователи постоянного тока в постоянный

Отличительной особенностью этих преобразователей является то, что энергия течет в обоих направлениях преобразователя. Эти преобразователи обычно используются в различных приложениях, и они подключаются между двумя уровнями постоянного напряжения, где энергия передается с одного уровня на другой.[13]

  • Повышающий двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный
  • Понижающий двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный
  • Повышающий-понижающий неинвертирующий двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный
  • Повышающий-понижающий инвертирующий двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный
  • Двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный ток SEPIC
  • Двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный ток CUK

Емкостный

Основная статья: Зарядный насос

Преобразователи с переключаемыми конденсаторами основаны на попеременном подключении конденсаторов ко входу и выходу в различных топологиях. Например, понижающий преобразователь с переключаемыми конденсаторами может заряжать два конденсатора последовательно, а затем разряжать их параллельно. Это обеспечит такую ​​же выходную мощность (меньше потерь из-за КПД ниже 100%) в идеале при половинном входном напряжении и удвоенном токе. Поскольку они работают с дискретными количествами заряда, их также иногда называют зарядный насос конвертеры. Обычно они используются в приложениях, требующих относительно небольших токов, поскольку при более высоких токах повышенная эффективность и меньшие размеры импульсных преобразователей делают их лучшим выбором.[14] Они также используются при очень высоких напряжениях, поскольку при таких напряжениях магнитные поля могут выйти из строя.

Электромеханическое преобразование

Основная статья: Мотор-генератор
Мотор-генератор с отдельным мотором и генератором.

Мотор-генераторная установка, представляющая в основном исторический интерес, состоит из электрический двигатель и генератор соединены вместе. А динамотор объединяет обе функции в единый блок с катушками для функций двигателя и генератора, намотанных на один ротор; обе катушки используют одни и те же катушки внешнего поля или магниты.[4] Обычно катушки двигателя приводятся в действие коммутатор на одном конце вала, когда катушка генератора выводится на другой коммутатор на другом конце вала. Весь узел ротора и вала меньше по размеру, чем пара машин, и может не иметь открытых приводных валов.

Мотор-генераторы могут преобразовывать любое сочетание постоянного и переменного напряжения и фаз. Большие мотор-генераторные установки широко использовались для преобразования промышленных объемов энергии, в то время как меньшие блоки использовались для преобразования энергии батареи (6, 12 или 24 В постоянного тока) в высокое постоянное напряжение, которое требовалось для работы. вакуумная труба (термоэмиссионный клапан) оборудование.

Для более низких требований к мощности при более высоком напряжении, чем от автомобильного аккумулятора, использовались источники питания вибратора или «зуммера». Вибратор колебался механически, с контактами, которые переключали полярность батареи много раз в секунду, эффективно преобразовывая постоянный ток в прямоугольная волна Переменный ток, который затем может быть подан на трансформатор с требуемым выходным напряжением (ями).[1] Он издал характерный жужжащий звук.

Электрохимическое преобразование

Дополнительные средства преобразования постоянного тока в постоянный ток в диапазоне киловатт в мегаватты представлены с использованием проточные окислительно-восстановительные батареи такой как батарея редокс ванадия.

Хаотическое поведение

Преобразователи постоянного тока в постоянный ток подвержены различным типам хаотичный динамика, такая как бифуркация,[15] кризис, и прерывистость.[16][17]

Терминология

Шаг вниз
Преобразователь с выходным напряжением ниже входного (например, понижающий преобразователь ).
Повышение
Преобразователь, который выводит напряжение выше входного (например, повышающий преобразователь ).
Режим постоянного тока
Ток и, следовательно, магнитное поле в индуктивном накопителе энергии никогда не достигают нуля.
Режим прерывистого тока
Ток и, следовательно, магнитное поле в индуктивном накопителе энергии могут достигать или пересекать ноль.
Шум
Нежелательные электрические и электромагнитные сигнал шум, обычно переключающие артефакты.
RF шум
Преобразователи переключения по своей природе излучают радиоволны на частоте переключения и ее гармониках. Коммутационные преобразователи, вырабатывающие треугольный коммутируемый ток, такие как Сплит-Пи, прямой конвертер, или Конвертер Ćuk в режиме постоянного тока производят меньше гармонических шумов, чем другие переключающие преобразователи.[18] Причины радиочастотного шума электромагнитная интерференция (EMI). Приемлемые уровни зависят от требований, например близость к РЧ-схемам требует большего подавления, чем просто соблюдение правил.
Преобразователи постоянного тока в постоянный со встроенной катушкой
Они могут включать в себя ИС управления мощностью, катушку, конденсатор и резистор; уменьшает монтажное пространство за счет небольшого количества компонентов в одном интегрированном решении.
Входной шум
Входное напряжение может иметь заметный шум. Кроме того, если преобразователь нагружает вход с резкими краями нагрузки, преобразователь может излучать радиочастотный шум от питающих линий электропередач. Этого следует избежать с помощью надлежащей фильтрации на входном каскаде преобразователя.
Выходной шум
Выход идеального преобразователя постоянного тока в постоянный - это плоское постоянное выходное напряжение. Однако настоящие преобразователи создают на выходе постоянный ток, на который накладывается некоторый уровень электрического шума. Преобразователи переключения создают шум переключения на частоте переключения и ее гармониках. Кроме того, все электронные схемы имеют тепловой шум. Для некоторых чувствительных радиочастотных и аналоговых схем требуется источник питания с таким низким уровнем шума, что его может обеспечить только линейный регулятор.[нужна цитата ] Некоторые аналоговые схемы, для которых требуется источник питания с относительно низким уровнем шума, могут выдерживать некоторые из менее шумных переключающих преобразователей, например с использованием непрерывных треугольных сигналов, а не прямоугольных сигналов.[18][неудачная проверка ]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ а б c «Источники питания вибраторов». Radioremembered.org. Получено 18 января 2016.
  2. ^ Эд Брорейн (2012-05-16). "Watt's Up ?: Что старое, то новое: мягкое переключение и синхронная выпрямление в старинных автомобильных радиоприемниках". Keysight Technologies: рост Ватта?. Получено 2016-01-19.
  3. ^ Существует по крайней мере один пример очень большого (три шкафа размером с холодильник) и сложного предтранзисторного импульсного регулятора с использованием тиратронных газонаполненных трубок, хотя они, похоже, используются в качестве регуляторов, а не для преобразования постоянного тока в постоянный. . Это был источник питания 1958 года для компьютера IBM 704, потребляющий 90 кВт мощности.[1]
  4. ^ а б Справочник радиолюбителя 1976 г., паб. ARRL, стр331-332
  5. ^ Энди Ховард (2015-08-25). «Как разработать преобразователи постоянного тока в постоянный». YouTube. Получено 2015-10-02.
  6. ^ Стивен Сангвин (2 марта 2007 г.). Электронные компоненты и технологии, третье издание. CRC Press. п. 73. ISBN  978-1-4200-0768-8.
  7. ^ Джефф Барроу из Integrated Device Technology, Inc. (21 ноября 2011 г.). «Понять и уменьшить шум заземления переключающего преобразователя постоянного тока в постоянный». Eetimes.com. Получено 18 января 2016.
  8. ^ Damian Giaouris et al.«Скручивание и сгибание торов в повышающих преобразователях с чередованием тока с регулированием тока».Дои: 10.1002 / cta.1906.
  9. ^ Рон Крюс и Ким Нильсон."Чередование тоже хорошо для повышающих преобразователей".2008.
  10. ^ Кейт Биллингс.«Преимущества преобразователей чередования».2003.
  11. ^ Джон Галлахер«Спаренные индукторы улучшают многофазный понижающий КПД».2006.
  12. ^ Юлиана Гьянчи.«Регулировка напряжения на кристалле для управления питанием в системе на кристалле» В архиве 2012-11-19 в Wayback Machine.2006.p. 22-23.
  13. ^ ГЛАВА 1 ВВЕДЕНИЕ Двунаправленные преобразователи постоянного тока в постоянный palawanboard.com
  14. ^ Маджумдер, Ритвик; Гош, Ариндам; Ледвич, Джерард Ф .; Заре, Фируз (2008). «Управление параллельными преобразователями для распределения нагрузки с плавным переключением между подключенным к сети и изолированным режимами». eprints.qut.edu.au. Получено 2016-01-19.
  15. ^ Tse, Chi K .; Бернардо, Марио Ди (2002). Сложное поведение в импульсных преобразователях мощности. Труды IEEE. С. 768–781.
  16. ^ Икбал, Саджид; и другие. (2014). Исследование бифуркации и хаоса в повышающем преобразователе постоянного тока с использованием карты дискретного времени. Международная конференция IEEE по мехатронике и управлению (ICMC'2014), 2014 г. Дои:10.1109 / ICMC.2014.7231874.
  17. ^ Фоссас, Энрик; Оливар, Джерард (1996). «Исследование хаоса в понижающем преобразователе». Схемы и системы I: фундаментальная теория и приложения, IEEE Transactions на: 13–25. Цитировать журнал требует | журнал = (Помогите)
  18. ^ а б Создание -5V 14-битной тихой работы, раздел примечания по применению линейной технологии 84, Кевин Хоскинс, 1997, стр.

внешние ссылки