Convertor DC-to-DC - DC-to-DC converter

Un convertor DC-DC este un circuit electronic sau un dispozitiv electromecanic care convertește o sursă de curent continuu (DC) de la un nivel de tensiune la altul. Este un tip de convertor de putere electrică . Nivelurile de putere variază de la foarte mici (baterii mici) la foarte mari (transmisie de putere de înaltă tensiune).

Istorie

Înainte de dezvoltarea semiconductoarelor de putere, o modalitate de a converti tensiunea unei surse de curent continuu la o tensiune mai mare, pentru aplicații cu putere redusă, a fost de a o converti în curent alternativ utilizând un vibrator , apoi printr-un transformator intens și, în cele din urmă, un redresor . Acolo unde era nevoie de o putere mai mare, era adesea folosită o unitate motor-generator , în care un motor electric conducea un generator care producea tensiunea dorită. (Motorul și generatorul ar putea fi dispozitive separate sau ar putea fi combinate într-o singură unitate "dinamotor" fără arborele de alimentare extern.) Aceste modele relativ ineficiente și costisitoare au fost utilizate numai atunci când nu exista o alternativă, ca la alimentarea unui radio auto (care folosea apoi supape termionice (tuburi) care necesită tensiuni mult mai mari decât cele disponibile de la o baterie auto de 6 sau 12 V). Introducerea semiconductoarelor de putere și a circuitelor integrate a făcut-o viabilă din punct de vedere economic prin utilizarea tehnicilor descrise mai jos. De exemplu, mai întâi este conversia sursei de curent continuu la curent alternativ de înaltă frecvență ca intrare a unui transformator - este mică, ușoară și ieftină datorită frecvenței ridicate - care schimbă tensiunea care se rectifică înapoi la curent continuu. Deși până în 1976 receptoarele de radio auto cu tranzistoare nu aveau nevoie de tensiuni ridicate, unii operatori radio amatori au continuat să utilizeze surse de vibratoare și dinamotori pentru transceiverele mobile care necesită tensiuni ridicate, deși erau disponibile surse de alimentare transistorizate.

În timp ce a fost posibil să se obțină o tensiune mai mică dintr-o tensiune mai mare cu un regulator liniar sau chiar cu un rezistor, aceste metode au disipat excesul ca căldură; conversia eficientă din punct de vedere energetic a devenit posibilă numai cu circuitele de comutare în stare solidă.

Utilizări

Convertoarele DC-DC sunt utilizate în dispozitivele electronice portabile, cum ar fi telefoanele celulare și computerele laptop , care sunt alimentate în principal de la baterii . Astfel de dispozitive electronice conțin adesea mai multe sub - circuite , fiecare cu propriile sale cerințe diferite nivel de tensiune de cea furnizată de baterie sau o sursă externă (uneori mai mare sau mai mică decât tensiunea de alimentare). În plus, tensiunea bateriei scade pe măsură ce energia stocată este consumată. Convertoarele DC la DC oferă o metodă de creștere a tensiunii de la o tensiune parțial redusă a bateriei, economisind astfel spațiu în loc de a utiliza mai multe baterii pentru a realiza același lucru.

Majoritatea circuitelor convertorului DC-to-DC reglează, de asemenea, tensiunea de ieșire. Unele excepții includ surse de alimentare cu LED de înaltă eficiență , care sunt un fel de convertor DC-DC care reglează curentul prin LED-uri și pompe de încărcare simple care dublează sau triplează tensiunea de ieșire.

Convertoarele DC-DC care sunt proiectate pentru a maximiza recolta energetică pentru sistemele fotovoltaice și pentru turbinele eoliene se numesc optimizatori de putere .

Transformatoarele utilizate pentru conversia tensiunii la frecvențe de rețea de 50-60 Hz trebuie să fie mari și grele pentru puteri care depășesc câțiva wați. Acest lucru le face scumpe și sunt supuse pierderilor de energie în înfășurări și din cauza curenților turbionari din nucleele lor. Tehnicile DC-to-DC care folosesc transformatoare sau inductoare funcționează la frecvențe mult mai mari, necesitând doar componente mult mai mici, mai ușoare și mai ieftine. În consecință, aceste tehnici sunt utilizate chiar și acolo unde ar putea fi utilizat un transformator de rețea; de exemplu, pentru aparatele electronice de uz casnic este de preferat să rectificați tensiunea de rețea la curent continuu, utilizați tehnici de comutare pentru a o converti în curent alternativ de înaltă frecvență la tensiunea dorită, apoi, de obicei, rectificați la curent continuu. Întregul circuit complex este mai ieftin și mai eficient decât un circuit simplu de transformare de rețea cu aceeași ieșire. Convertoarele DC-DC sunt utilizate pe scară largă pentru aplicațiile cu microgrid DC, în contextul diferitelor niveluri de tensiune.

Conversie electronică

Convertoarele electronice practice folosesc tehnici de comutare. Convertoarele DC-DC în mod comutat convertesc un nivel de tensiune CC la altul, care poate fi mai mare sau mai mic, stocând temporar energia de intrare și apoi eliberând acea energie la ieșire la o tensiune diferită. Depozitarea poate fi fie în componente de stocare a câmpului magnetic (inductoare, transformatoare), fie în componente de stocare a câmpului electric (condensatori). Această metodă de conversie poate crește sau reduce tensiunea. Conversia de comutare este adesea mai eficientă din punct de vedere energetic (eficiența tipică este de 75% până la 98%) decât reglarea tensiunii liniare, care disipă puterea nedorită ca căldură. Pentru eficiență sunt necesare timpi de creștere și cădere rapidă a dispozitivelor semiconductoare; cu toate acestea, aceste tranziții rapide se combină cu efecte parazitare de aspect pentru a face proiectarea circuitului provocatoare. Eficiența mai mare a unui convertor în modul comutat reduce scufundarea necesară și crește rezistența bateriei echipamentelor portabile. Eficiența s-a îmbunătățit de la sfârșitul anilor 1980 datorită utilizării FET-urilor de putere , care sunt capabile să comute mai eficient cu pierderi de comutare mai mici la frecvențe mai mari decât tranzistoarele bipolare de putere și utilizează circuite de acționare mai puțin complexe. O altă îmbunătățire importantă a convertoarelor DC-DC este înlocuirea diodei flyback prin rectificare sincronă utilizând un FET de putere, a cărui „rezistență la pornire” este mult mai mică, reducând pierderile de comutare. Înainte de disponibilitatea largă a semiconductoarelor de putere, convertoarele sincrone de curent continuu la curent continuu constau dintr-un vibrator electromecanic urmat de un transformator de creștere a tensiunii care alimentează un tub de vid sau un redresor semiconductor sau contacte de redresor sincron pe vibrator.

Majoritatea convertoarelor DC-DC sunt proiectate pentru a muta puterea într-o singură direcție, de la intrare dedicată la ieșire. Cu toate acestea, toate topologiile regulatorului de comutare pot fi făcute bidirecționale și capabile să deplaseze puterea în ambele direcții prin înlocuirea tuturor diodelor cu rectificare activă controlată independent . Un convertor bidirecțional este util, de exemplu, în aplicații care necesită frânarea regenerativă a vehiculelor, în cazul în care puterea este furnizată la roțile în timpul deplasării, dar care sunt furnizate de roți la frânare.

Deși necesită puține componente, convertoarele de comutare sunt complexe din punct de vedere electronic. La fel ca toate circuitele de înaltă frecvență, componentele lor trebuie specificate cu atenție și aranjate fizic pentru a obține o funcționare stabilă și pentru a menține zgomotul de comutare ( EMI / RFI ) la niveluri acceptabile. Costul lor este mai mare decât regulatoarele liniare în aplicațiile de scădere a tensiunii, dar costul lor a scăzut odată cu progresele în proiectarea cipurilor.

Convertoarele DC-DC sunt disponibile ca circuite integrate (CI) care necesită puține componente suplimentare. Convertoarele sunt, de asemenea, disponibile ca module complete de circuite hibride , gata de utilizare în cadrul unui ansamblu electronic.

Regulatoarele liniare care sunt utilizate pentru a produce un DC stabil, independent de tensiunea de intrare și de sarcina de ieșire de la o intrare mai mare, dar mai puțin stabilă, prin disiparea excesului de volt-amperi sub formă de căldură , ar putea fi descrise literalmente ca convertoare DC-DC, dar acest lucru nu este obișnuit utilizare. (Același lucru s-ar putea spune despre un rezistor simplu de picurare de tensiune , stabilizat sau nu de un regulator de tensiune următor sau de o diodă Zener .)

Există, de asemenea, circuite de multiplicare a tensiunii capacitive simple și circuite multiplicatoare Dickson care utilizează diode și condensatori pentru a multiplica o tensiune continuă cu o valoare întreagă, oferind de obicei doar un curent mic.

Magnetic

În acești convertoare DC-DC, energia este stocată periodic și eliberată dintr-un câmp magnetic într-un inductor sau un transformator , de obicei în intervalul de frecvență de 300 kHz la 10 MHz. Prin ajustarea ciclului de funcționare a tensiunii de încărcare (adică a raportului timpilor de pornire / oprire), puterea transferată unei sarcini poate fi controlată mai ușor, deși acest control poate fi aplicat și curentului de intrare, curent de ieșire sau pentru a menține puterea constantă. Convertoarele bazate pe transformatoare pot oferi izolare între intrare și ieșire. În general, termenul convertor DC-DC se referă la unul dintre acești convertoare de comutare. Aceste circuite sunt inima unei surse de alimentare cu comutare . Există multe topologii. Acest tabel prezintă cele mai frecvente.

Înainte (transferuri de energie prin câmpul magnetic) Flyback (energia este stocată în câmpul magnetic)
Fără transformator (neizolat)
Cu transformator (izolabil)

În plus, fiecare topologie poate fi:

Comutat greu
Tranzistoarele comută rapid în timp ce sunt expuse atât la tensiune completă, cât și la curent complet
Rezonant
Un circuit LC modelează tensiunea pe tranzistor și curentul prin el astfel încât tranzistorul să treacă atunci când tensiunea sau curentul sunt zero

Convertoarele magnetice DC-DC pot fi operate în două moduri, în funcție de curentul din componenta sa magnetică principală (inductor sau transformator):

Continuu
Curentul fluctuează, dar nu coboară niciodată la zero
Discontinuu
Curentul fluctuează în timpul ciclului, coborând la zero la sau înainte de sfârșitul fiecărui ciclu

Un convertor poate fi proiectat să funcționeze în modul continuu la putere mare și în modul discontinuu la putere redusă.

Jumătate pod și flyback topologii sunt similare în care energia stocată în nevoile de bază magnetice să fie disipată , astfel încât miezul nu se satura. Transmiterea puterii într-un circuit flyback este limitată de cantitatea de energie care poate fi stocată în miez, în timp ce circuitele directe sunt de obicei limitate de caracteristicile I / V ale comutatoarelor.

Deși comutatoarele MOSFET pot tolera curentul și tensiunea simultană (deși stresul termic și electromigrarea pot scurta MTBF ), întrerupătoarele bipolare nu pot, în general, să necesite utilizarea unui snubber (sau două).

Sistemele cu curent mare folosesc adesea convertoare multifazice, numite și convertoare intercalate. Regulatoarele multifazice pot avea timpi mai buni și timpi de răspuns mai buni decât regulatoarele monofazate.

Multe plăci de bază pentru laptop și desktop includ regulatoare intercalate, uneori ca un modul de reglare a tensiunii .

Convertoare bidirecționale DC-DC

Comparația topologiilor convertorului DC-DC cu comutare neizolată: Buck , Boost, Buck-Boost , Ćuk . Intrarea este partea stângă, ieșirea cu sarcină este partea dreaptă. Comutatorul este de obicei un tranzistor MOSFET , IGBT sau BJT .
Un generator de motor cu motor și generator separat.

Specific acestor convertoare este că energia curge în ambele direcții ale convertorului. Aceste convertoare sunt utilizate în mod obișnuit în diverse aplicații și sunt conectate între două niveluri de tensiune continuă, unde energia este transferată de la un nivel la altul.

  • Boost convertor bidirecțional DC-DC
  • Convertor bidirecțional DC-DC-Buck
  • Convertor bidirecțional DC-DC-DC care nu inversează Boost-Buck
  • Convertor de inversare bidirecțională DC-la-CC bidirecțională
  • Convertor bidirecțional DC-la-CC SEPIC
  • Convertor bidirecțional DC-DC-CUK

Convertorii bidirecționali multipli izolați de la DC la DC sunt, de asemenea, utilizați în mod obișnuit în cazurile în care este necesară izolarea galvanică .

  • Flyback bidirecțional
  • Izolat ĆUK & SEPIC / ZETA
  • Push-Pull
  • Foward
  • Pod dual-activ (DAB)
  • Pod dublu jumătate
  • Podul pe jumătate plin
  • Multiport DAB

Capacitiv

Convertorii de condensatori comutați se bazează pe conectarea alternativă a condensatorilor la intrare și ieșire în topologii diferite. De exemplu, un convertor de reducere a condensatorului comutat ar putea încărca doi condensatori în serie și apoi să-i descarce în paralel. Aceasta ar produce aceeași putere de ieșire (mai mică decât cea pierdută în urma eficienței sub 100%) la, în mod ideal, jumătate din tensiunea de intrare și de două ori curentul. Deoarece funcționează pe cantități discrete de sarcină, acestea sunt denumite uneori și convertoare de pompă de încărcare . Acestea sunt utilizate în mod obișnuit în aplicații care necesită curenți relativ mici, deoarece la curenți mai mari eficiența crescută și dimensiunea mai mică a convertoarelor cu comutare le face o alegere mai bună. Ele sunt, de asemenea, utilizate la tensiuni extrem de ridicate, deoarece magnetice s-ar defecta la astfel de tensiuni.

Conversia electromecanică

Un set motor-generator, în principal de interes istoric, constă dintr-un motor electric și un generator cuplat împreună. Un dinamotor combină ambele funcții într-o singură unitate cu bobine atât pentru funcțiile motorului, cât și pentru cele ale generatorului înfășurate în jurul unui singur rotor; ambele bobine împart aceleași bobine sau magneți de câmp exterior. De obicei, bobinele motorului sunt conduse de la un comutator la un capăt al arborelui, când bobinele generatorului ies la un alt comutator la celălalt capăt al arborelui. Întregul ansamblu rotor și arbore are dimensiuni mai mici decât o pereche de mașini și este posibil să nu aibă arbori de acționare expuși.

Motor-generatoarele pot converti între orice combinație de tensiune continuă și alternativă și standarde de fază. Seturile mari de motoare-generatoare au fost utilizate pe scară largă pentru a converti cantitățile industriale de putere, în timp ce unitățile mai mici au fost utilizate pentru a converti puterea bateriei (6, 12 sau 24 V c.c.) într-o tensiune de curent continuu ridicată, care era necesară pentru a acționa echipamentele cu tub de vid (supapă termionică) .

Pentru cerințe de putere mai mică la tensiuni mai mari decât cele furnizate de o baterie a vehiculului, s-au utilizat surse de alimentare cu vibratoare sau „buzzer”. Vibratorul a oscilat mecanic, cu contacte care comutau polaritatea bateriei de multe ori pe secundă, transformând efectiv curent continuu în undă pătrată de curent alternativ, care ar putea fi apoi alimentat la un transformator de tensiunea (ieșirile) de ieșire necesară. A scos un zgomot caracteristic.

Conversia electrochimică

Un alt mijloc de conversie DC-DC în intervalul de kilowați în megawatt este prezentat prin utilizarea bateriilor cu flux redox, cum ar fi bateria redox vanadiu .

Comportament haotic

Convertoarele DC-DC sunt supuse diferitelor tipuri de dinamici haotice, cum ar fi bifurcația , criza și intermitența .

Terminologie

Pasul jos
Un convertor unde tensiunea de ieșire este mai mică decât tensiunea de intrare (cum ar fi un convertor Buck ).
Step-up
Un convertor care emite o tensiune mai mare decât tensiunea de intrare (cum ar fi un convertor boost ).
Mod curent continuu
Curentul și astfel câmpul magnetic din stocarea energiei inductive nu ating niciodată zero.
Mod curent discontinuu
Curentul și astfel câmpul magnetic din stocarea energiei inductive pot atinge sau traversa zero.
Zgomot
Zgomotul semnalului electric și electromagnetic nedorit , care comută de obicei artefacte.
Zgomot RF
Convertoarele de comutare emit în mod inerent unde radio la frecvența de comutare și armonicile sale. Convertoarele de comutare care produc curent de comutare triunghiular, cum ar fi Split-Pi , convertorul înainte sau convertorul Ćuk în modul de curent continuu, produc mai puțin zgomot armonic decât alte convertizoare de comutare. Zgomotul RF provoacă interferențe electromagnetice (EMI). Nivelurile acceptabile depind de cerințe, de exemplu, apropierea de circuitele RF necesită mai multă suprimare decât simpla respectare a reglementărilor.
Convertoare DC / DC integrate în bobină
Acestea pot include un circuit de control al puterii, bobină, condensator și rezistor; scade spațiul de montare cu un număr mic de componente într-o singură soluție integrată.
Zgomot de intrare
Tensiunea de intrare poate avea un zgomot non-neglijabil. În plus, dacă convertorul încarcă intrarea cu margini de încărcare ascuțite, convertorul poate emite zgomot RF de la liniile de alimentare de alimentare. Acest lucru trebuie prevenit cu o filtrare adecvată în etapa de intrare a convertorului.
Zgomot de ieșire
Ieșirea unui convertor DC-DC ideal este o tensiune de ieșire constantă și constantă. Cu toate acestea, convertoarele reale produc o ieșire DC pe care se suprapune un anumit nivel de zgomot electric. Convertoarele de comutare produc zgomot de comutare la frecvența de comutare și armoniile sale. În plus, toate circuitele electronice au ceva zgomot termic . Unele circuite de frecvență radio și analogice sensibile necesită o sursă de alimentare cu zgomot atât de mic încât poate fi furnizat doar de un regulator liniar. Unele circuite analogice care necesită o sursă de alimentare cu zgomot relativ scăzut pot tolera unele dintre convertoarele de comutare mai puțin zgomotoase, de exemplu folosind forme de undă triunghiulare continue, mai degrabă decât unde pătrate.

Vezi si

Referințe

linkuri externe