Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Часть серии по
Энергетика
Преобразование электроэнергии
Электроэнергетическая инфраструктура
Компоненты электроэнергетических систем

Преобразователь постоянного тока в постоянный ток представляет собой электронную схему или электромеханическое устройство , которое преобразует источник постоянного тока (DC) от одного напряжения уровня к другому. Это разновидность преобразователя электроэнергии . Уровни мощности варьируются от очень низкого (маленькие батареи) до очень высокого (передача энергии высокого напряжения).

История [ править ]

Смотрите также: Старинное радио § Автомобильные радиоприемники

До развития силовых полупроводников и связанных с ними технологий одним из способов преобразования напряжения источника постоянного тока для маломощных приложений было преобразование его в переменный ток с помощью вибратора , затем повышающего трансформатора 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 радио (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 целесообразным 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 обратного выпрямления на постоянный ток. [3] Хотя к 1976 году транзисторные автомобильные радиоприемники не требовали высокого напряжения, некоторые радиолюбители продолжали использовать источники вибраторов и динаматоры для мобильных трансиверов, требующих высокого напряжения, хотя транзисторные источники питания были доступны. [4]

Хотя можно было получить более низкое напряжение из более высокого с помощью линейного регулятора или даже резистора, эти методы рассеивали избыток в виде тепла; энергоэффективное преобразование стало возможным только с твердотельными импульсными схемами.

Использует [ редактировать ]

См. Также: Постоянный ток высокого напряжения

Преобразователи постоянного тока в постоянный используются в портативных электронных устройствах, таких как сотовые телефоны и портативные компьютеры , которые питаются в основном от батарей . Такие электронные устройства часто содержат несколько суб- схем , каждый со своим собственным уровнем напряжения требования отличным от того , запитывается от аккумулятора или от внешнего источника (иногда выше или ниже , чем напряжение питания). Кроме того, напряжение аккумулятора снижается по мере истощения накопленной энергии. Переключаемые преобразователи постоянного тока в постоянный предлагают способ увеличения напряжения из частично пониженного напряжения батареи, тем самым экономя место вместо использования нескольких батарей для достижения одной и той же цели.

Большинство схем преобразователя постоянного тока также регулируют выходное напряжение. Некоторые исключения включают в себя высокоэффективные источники питания светодиодов , которые представляют собой своего рода преобразователь постоянного тока в постоянный, который регулирует ток через светодиоды, и простые насосы заряда, которые удваивают или утраивают выходное напряжение.

Преобразователи постоянного тока в постоянный, которые предназначены для максимального увеличения сбора энергии для фотоэлектрических систем и ветряных турбин , называются оптимизаторами 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.Преобразователи постоянного тока в постоянный широко используются в микросетях постоянного тока в контексте различных уровней напряжения.

Электронное преобразование [ править ]

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 (катушки индуктивности, трансформаторы), либо в компонентах хранения электрического поля (конденсаторы). Этот метод преобразования может увеличивать или уменьшать напряжение. Импульсное преобразование часто более энергоэффективно (типичный КПД составляет от 75% до 98%), чем линейное регулирование напряжения, которое рассеивает нежелательную мощность 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 силовых полевых транзисторов , которые могут переключаться более эффективно с меньшими коммутационными потерями на более высоких частотах, чем силовые биполярные транзисторы , и используют менее сложную схему управления. Другим важным усовершенствованием в преобразователях DC-DC заменяет шунтирующий диод с помощью синхронного выпрямления [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 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 в постоянный 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 управляемое активное выпрямление . Двунаправленный конвертер является полезным, например, в применениях , требующих рекуперативного торможения транспортных средств, где власть поставляется с колес во время движения, но поставляемых с колес при торможении.

Несмотря на то, что для них требуется небольшое количество 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 поддержания коммутируемого шума ( EMI / RFI ) на приемлемом уровне. [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 в виде интегральных схем (ИС), требующих нескольких дополнительных компонентов. Преобразователи также доступны в виде полных гибридных схемных модулей, готовых к использованию в электронном узле.

Линейные регуляторы, которые используются для вывода стабильного постоянного тока независимо от входного напряжения и выходной нагрузки от более высокого, но менее стабильного входа путем рассеивания избыточных вольт-ампер в виде тепла , могут быть описаны буквально как преобразователи постоянного тока в постоянный, но это необычно. использование. (То же самое можно сказать и о простом резисторе с понижением напряжения , независимо от того, стабилизирован ли он следующим регулятором напряжения или стабилитроном .)

Существуют также простые емкостные удвоители напряжения и схемы умножителей Диксона, использующие диоды и конденсаторы для умножения постоянного напряжения на целочисленное значение, обычно обеспечивающих лишь небольшой ток.

Магнитный [ править ]

В этих преобразователях постоянного тока энергия периодически накапливается и высвобождается из магнитного поля в катушке индуктивности или трансформаторе , обычно в диапазоне частот от 300 кГц до 10 МГц. Регулируя рабочий цикл зарядного напряжения (то есть соотношение времени включения / выключения), количество мощности, передаваемой на нагрузку, можно более легко контролировать, хотя это управление также может применяться к входному току, выходной ток или для поддержания постоянной мощности. 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 импульсного источника питания.. Существует множество топологий. В этой таблице показаны наиболее распространенные.

Вперед (энергия передается через магнитное поле)Обратный ход (энергия хранится в магнитном поле)
Без трансформатора (неизолированный)
  • Понижающий (понижающий) - выходное напряжение ниже входного и той же полярности.
  • Неинвертирующий: выходное напряжение имеет ту же полярность, что и входное.
    • Повышение (повышение) - выходное напряжение выше входного.
    • SEPIC - выходное напряжение может быть ниже или выше входного.
  • Инвертирование: выходное напряжение имеет полярность, противоположную входной.
    • Инвертирующий (понижающий-повышающий) .
    • Uk - Выходной ток постоянный.
  • Истинный понижающий-повышающий - выходное напряжение имеет ту же полярность, что и входное, и может быть ниже или выше.
  • Split-pi (boost-buck) - позволяет двунаправленное преобразование напряжения с выходным напряжением той же полярности, что и входное, и может быть ниже или выше.
С трансформатором (изолируемый)
  • Вперед - привод на 1 или 2 транзистора.
  • Двухтактный (полумост) - привод на 2 транзистора.
  • Полный мост - 4-х транзисторный привод. [8]
  • Обратный ход - 1 транзисторный привод.

Кроме того, каждая топология может быть:

Жесткое переключение
Транзисторы переключаются быстро при воздействии как полного напряжения, так и полного тока
Резонансный
Контур LC формирует напряжение на транзистор и ток через него , так что транзистор переключается , когда либо напряжение или ток равен нулю

Магнитные преобразователи постоянного тока в постоянный ток могут работать в двух режимах, в зависимости от силы тока в его основном магнитном компоненте (катушке индуктивности 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.

Полумостовые и Flyback топологии подобны в той энергии , запасенной в магнитном сердечнике потребности , чтобы быть устранено таким образом , что ядро не насыщается. Передача мощности в схеме обратного хода ограничена количеством энергии, которое может храниться в сердечнике, в то время как прямые схемы обычно ограничиваются ВАХ переключателей.

Хотя переключатели MOSFET могут выдерживать одновременный полный ток и напряжение (хотя тепловая нагрузка и электромиграция могут сократить время наработки на отказ ), биполярные переключатели, как правило, не могут требовать использования демпфера (или двух).

В сильноточных системах часто используются многофазные преобразователи, также называемые преобразователями с чередованием. [9] [10] [11] Многофазные регуляторы могут иметь лучшую пульсацию и лучшее время отклика, чем однофазные регуляторы. [12]

Многие материнские платы для ноутбуков и настольных ПК включают в себя понижающие стабилизаторы с чередованием, иногда в качестве модуля регулятора напряжения . [13]

Двунаправленные преобразователи постоянного тока в постоянный [ править ]

Сравнение топологий неизолированных переключающих преобразователей постоянного тока в постоянный: Buck , Boost, Buck-Boost , uk . Вход слева, выход с нагрузкой справа. Переключатель обычно представляет собой MOSFET , IGBT или BJT транзистор.
Мотор-генератор с отдельным мотором и генератором.

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. [14]

  • 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 [ править ]

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 обеспечило бы ту 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 преобразователями с накачкой заряда . Обычно они используются в приложениях, требующих относительно небольших токов, поскольку при более высоких токах повышенная эффективность и меньший размер импульсных преобразователей делает их лучшим выбором. [15] Они также используются при очень высоких напряжениях, так как при таких напряжениях магнитные поля могут выйти из строя.

Электромеханическое преобразование [ править ]

Основная статья: Мотор-генератор

Мотор-генераторная установка, представляющая в основном исторический интерес, состоит из электродвигателя и генератора, соединенных вместе. Мотор - генератор сочетает в себе обе функции в единое целое с катушками , как для двигателя и функции генератора наматывают вокруг одного ротора; обе катушки используют одни и те же катушки внешнего поля или магниты. [4] Обычно катушки двигателя приводятся в действие от коммутатора на одном конце вала, когда катушки генератора выходят 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 оборудования с вакуумной трубкой (термоэлектронным клапаном) .

Для более низких требований к мощности при более высоком напряжении, чем от автомобильного аккумулятора, использовались источники питания вибратора или «зуммера». Вибратор совершал механические колебания с контактами, которые переключали полярность батареи много раз в секунду, эффективно преобразовывая постоянный ток в прямоугольный переменный ток, который затем можно было подавать на трансформатор с требуемым выходным напряжением (ями). [1] Он издал характерный жужжащий звук.

Электрохимическое преобразование [ править ]

Еще одно средство преобразования постоянного тока в постоянный ток в диапазоне киловатт в мегаватты представлено использованием проточных окислительно-восстановительных батарей, таких как ванадиевые окислительно-восстановительные батареи .

Хаотическое поведение [ править ]

Преобразователи постоянного тока в постоянный ток подвержены различным типам хаотической динамики, таким как бифуркация , [16] кризис и прерывистость . [17] [18]

Терминология [ править ]

Шаг вниз
Преобразователь, у которого выходное напряжение 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 помехи сигнала , обычно артефакты переключения.
Радиочастотный шум
Импульсные преобразователи по своей природе излучают радиоволны на частоте переключения и ее гармониках. Импульсные преобразователи, которые производят треугольный коммутируемый ток, такие как Split-Pi , прямой преобразователь или преобразователь Ćuk в режиме непрерывного тока, производят меньше гармонических шумов, чем другие переключающие преобразователи. [19] Радиочастотный шум вызывает электромагнитные помехи (EMI). Приемлемые уровни зависят от требований, например, близость к РЧ-схемам требует большего подавления, чем просто соблюдение нормативных требований.
Интегрированные в катушку преобразователи постоянного тока в постоянный
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 острыми 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 ровное 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 некоторый тепловой шум . Для некоторых чувствительных радиочастотных и аналоговых схем требуется источник питания с таким низким уровнем шума, что его может обеспечить только линейный регулятор. [ необходима цитата ] Некоторые аналоговые схемы, которым 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. [19] [ неудачная проверка]

См. Также [ править ]

  • CCS Combo
  • Импульсный источник питания
  • Пониженно-повышающий преобразователь

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c "Источники питания вибратора" . Radioremembered.org . Проверено 18 января +2016 .
  2. ^ Ed Brorein (2012-05-16). «Watt's Up ?: Что старое, то новое снова: мягкое переключение и синхронное выпрямление в старинных автомобильных радиоприемниках» . Keysight Technologies: рост Ватта? . Проверено 19 января 2016 .
  3. ^ Существует по крайней мере один пример очень большого (три шкафа размером с холодильник) и сложного предтранзисторного импульсного регулятора, использующего тиратронные газонаполненные трубки, хотя они, по-видимому, используются в качестве регуляторов, а не для преобразования постоянного тока в постоянный, как такой. Это был источник питания 1958 года для компьютера IBM 704, потребляющий 90 кВт мощности. [1]
  4. ^ a b Справочник радиолюбителя 1976 , паб. ARRL , p331-332
  5. ^ Энди Ховард (2015-08-25). «Как разработать преобразователи постоянного тока в постоянный» . YouTube . Проверено 2 октября 2015 .
  6. ^ Стивен Sangwine (2 марта 2007). 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 импульсного преобразователя постоянного тока в постоянный» . Eetimes.com . Проверено 18 января +2016 .
  8. ^ «Конструкция LLC-преобразователя мощностью 11 кВт, 70 кГц с КПД 98%» .
  9. ^ Дамиан Гиаурис и др. "Скручивание и сгибание торов в повышающих преобразователях с чередованием тока с управлением по току" . DOI : 10.1002 / cta.1906 .
  10. ↑ Рон Крюс и Ким Нильсон. «Чередование тоже хорошо для повышающих преобразователей» . 2008 г.
  11. ^ Кит Биллингс. «Преимущества преобразователей чередования» . 2003 г.
  12. ^ Джон Галлахер "Связанные индукторы улучшают многофазный понижающий КПД" . 2006 г.
  13. ^ Юлиана Гьянчи. "On-Chip регулирование напряжения для управления питанием inSystem-на-чипе" архивации 2012-11-19 в Wayback Machine . 2006. с. 22-23.
  14. ^ ГЛАВА 1 ВВЕДЕНИЕ Двунаправленные преобразователи постоянного тока в постоянный palawanboard.com
  15. ^ Маджумдер, Ритвик; Гош, Ариндам; Ледвич, Джерард Ф .; Заре, Фируз (2008). «Управление параллельными преобразователями для распределения нагрузки с плавным переключением между сетевым и изолированным режимами» . eprints.qut.edu.au . Проверено 19 января 2016 .
  16. ^ Tse, Chi K .; Бернардо, Марио Ди (2002). Сложное поведение в импульсных преобразователях мощности . Труды IEEE. С. 768–781.
  17. ^ Икбал, Саджид; и другие. (2014). Исследование бифуркации и хаоса в повышающем преобразователе постоянного тока с использованием карты дискретного времени . IEEE Международная конференция по мехатроники и управления (ICMC'2014) 2014. DOI : 10,1109 / ICMC.2014.7231874 .
  18. ^ 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 |journal=( помощь )
  19. ^ a b Making -5V 14-bit Quiet, раздел примечания по применению линейной технологии 84, Кевин Хоскинс, 1997, стр 57-59

Внешние ссылки [ править ]

  • Технологии преобразователей постоянного тока в электрические / гибридные электромобили
  • Книги по силовой электронике
  • Замечания по применению импульсного регулятора для источника питания ЖК-дисплея