Главная / Документация / Решения / Основные топологии DC/DC преобразователей.
Основные топологии DC/DC преобразователей.
Основные топологии DC/DC преобразователей.
 
В данной статье описываются наиболее важные топологии DC/DC преобразователей. Главная задача помочь разработчику в выборе той или иной топологии с соответствующими полупроводниковыми приборами.
Все существующие топологии преобразователей постоянного напряжения могут быть разделены на две основные части, в зависимости от наличия или отсутствия гальванической развязки между первичным источником и выходной цепью.
 
  1. Неизолированныепреобразователи
 
В зависимости от положения ключевого элемента и выпрямительного элемента могут быть реализованы следующие основные типы преобразователей:
- понижающий импульсный регулятор с последовательным соединением ключевого элемента и дросселя (buck regulator)
- повышающий импульсный регулятор с параллельным включением ключевого элемента и последовательным включением дросселя (boost regulator)
- повышающий/ понижающий импульсный регулятор с последовательным включением ключевого элемента и параллельным включением дросселя (bust-boost regulator)
 
Как ключевые элементы в настоящее время широко используются полевые транзисторы различных типов (FET) и биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT).
 
1.1                        Понижающий импульсный регулятор напряжения
 
Схема преобразователя, часто называемая чоперной цепью, и основные сигналы приведены на рисунке 1:
Рисунок 1. Схема импульсного понижающего регулятора напряжения и основные сигналы.
 
Источник первичного напряжения с помощью ключевого элемента Т переключатся с частотой f = 1/Т , время открытого состояния ключа ton , таким образом коэффициент заполнения проводящего состояния транзистора δ = ton/Т. Выходное напряжение источника может быть записано как Vout = Vin  δ.
Компоненты выбираются следующим образом:
 
Для транзистора необходимо Vcev or VDSS > Vin max
                                                     Icmax or ID max > Iout +∆I / 2
 
Для выпрямительного диода   VRRM  ≥ Vin max
                                                     IF(AV)   ≥  Iout(1-δ)
 
 
1.2 Повышающий импульсный регулятор напряжения
 
Схема преобразователя приведена на рисунке 2.
 
Рисунок 2. Схема импульсного повышающего регулятора напряжения и основные сигналы.
 
При нормальной работе, энергия поступает из индуктивности в нагрузку и затем запасается в выходном конденсаторе. Из-за этого выходной конденсатор находится в значительно более перегруженном состоянии, чем в предыдущем случае. Выходное напряжение для данной цепи определяется как Vout = Vin /(1-δ).
 
Компоненты выбираются следующим образом:
 
Для транзистора необходимо Vcev or VDSS > Vout
                                                     Icmax or ID max > Iout / (1- δ) +∆I / 2
 
Для выпрямительного диода   VRRM  ≥ Vout
                                                     IF(AV)   ≥  Iout
 
 
 
1.3 Повышающий/понижающий импульсный регулятор напряжения
 
Схема преобразователя приведена на рисунке 3.
 
Рисунок 3. Схема импульсного повышающего/понижающего регулятора напряжения и основные сигналы.
 
Если коэффициент заполнения менее 0.5 то преобразование происходит в понижающем режиме, если более 0.5 то преобразователь работает в повышающем режиме. Выходное напряжение для данной цепи определяется как Vout = Vin δ /(1-δ).
 
 
Компоненты выбираются следующим образом:
 
Для транзистора необходимо Vcev or VDSS > Vin max +Vout
                                                     Icmax or ID max > Iout / (1- δ) +∆I / 2
 
Для выпрямительного диода   VRRM  ≥ Vin max +Vout
                                                     IF(AV)   ≥  Iout
 
Основные характеристики регуляторов приведены в ниже.
 
 
 
 
 
 
Понижающий
 
 
Повышающий
 
Понижающий/повыщающий
 
Vout
 
 
Vout = Vin  δ
 
Vout = Vin /(1-δ)
 
Vout = Vin δ /(1-δ)
 
RMS ток на Cout
 
 
низкий
 
высокий
 
высокий
 
Ток
 
 
пульсирующий
 
постоянный
 
пульсирующий
 
Управление затвором
 
 
плавающее
 
заземленное
 
плавающее
 
 

2. Изолированныепреобразователи

 
Изолированные конвертеры обычно классифицируются относительно цикла колебаний магнитного поля в сердечнике трансформатора (цикла намагничивания) кривая B – H. Изолированный преобразователь, у которого рабочая кривая намагничивания остается в одном квадранте (смотри рисунок 4) называется ассиметричным, соответственно все остальные называются симметричными.
 

Рисунок 4. Кривая гистерезиса для симметричного источника питания.

 

2.1 Ассиметричные преобразователи

 

2.1.1 Автономный обратноходовой преобразователь.

 

Схема преобразователя изображена на рисунке 5. В течении времени когда ключ находится в проводящем состоянии энергия запасается в первичной обмотке трансформатора Lp, и передается во вторичную обмотку когда ключ находится в выключенном состоянии. Если отношение количества витков в трансформаторе

n = Np / Ns (соответственно Np количество витков  в первичной обмотке и Ns во вторичной обмотке), выходное напряжение определяется по формуле:

 

 Автономные обратноходовые преобразователи обычно используются в диапазоне выходных мощностей от 30 Вт до 250 Вт. Обратноходовая топология в основном используется для создания недорогих многовыводных импульсных источников питания поскольку не используется дополнительный индуктивный фильтр на выходе.

Рисунок 4. Кривая гистерезиса для симметричного источника питания.
 
2.1 Ассиметричные преобразователи
 
2.1.1 Автономный обратноходовой преобразователь.
 
Схема преобразователя изображена на рисунке 5. В течении времени когда ключ находится в проводящем состоянии энергия запасается в первичной обмотке трансформатора Lp, и передается во вторичную обмотку когда ключ находится в выключенном состоянии. Если отношение количества витков в трансформаторе
n = Np / Ns (соответственно Np количество витков в первичной обмотке и Ns во вторичной обмотке), выходное напряжение определяется по формуле:
 
 Автономные обратноходовые преобразователи обычно используются в диапазоне выходных мощностей от 30 Вт до 250 Вт. Обратноходовая топология в основном используется для создания недорогих многовыводных импульсных источников питания поскольку не используется дополнительный индуктивный фильтр на выходе.
Рисунок 5. Изолированный одноключевой обратноходовой преобразователь и снабберная (демпфирующая) цепь.
 
Компоненты выбираются следующим образом:
 
Транзистор               Vcev or VDSS > Vin max +Voutn + броски напряжения на индуктивности                    
                                                                                                               утечки трансформатора                                                    
 
Выпрямительный диод во вторичной цепи
                                   VRRM  ≥ Vout +Vin max / 2
 
В случае использования одноключевой обратноходовой схемы, всплески перенапряжения прикладываются к ключу при каждом выключении. Пиковые значения этих бросков определяются временем переключения, емкостью цепи и индуктивностью утечки трансформатора от первичной ко вторичной обмоткам. Таким образом, одноключевая схема практически всегда требует использования снабберной цепи ограничивающей всплески напряжения (см. рисунок 5). Для уменьшения эффекта индуктивности утечки используется двух ключевая обратноходовая схема. Два размагничивающих диода (D1 и D3) ограничивают напряжение на ключах значением входного постоянного напряжения Vinбез диссипации энергии. Данное решение позволяет работать на более высоких частотах и соответственно  с более высоким КПД. Тем не менее, данная топология требует управления верхним ключом, что осложняет топологию схемы. Данная схема обратноходовая схема также известна как ассиметричный обратноходовой полу мостовой преобразователь.
 
 
 
Рисунок 6. Изолированный двух ключевой обратноходовой преобразователь.
 
Компоненты выбираются следующим образом:
 
Транзистор               Vcev or VDSS > Vin max
 
Выпрямительные диоды в первичной цепи
                                   VRRM  ≥ Vin max
 
2.1.1.1 Импульсный и непрерывный режимы работы.
 
Преобразователи данного типа имеют два режима работы в зависимости от того полностью или нет размагничивается первичная индуктивность трансформатора.
 
Импульсный режим.
 
 
Преимущества
 
 
Недостатки
 
Нулевые потери при включении ключа
 
 
Высокие пиковые токи на выпрямителе и ключах
 
 
Хороший отклик на переходные процессы в линии и нагрузке
 
 
Значительные колебания выходного напряжения (необходима удвоенная емкость выходная емкость по сравнению с непрерывным режимом)
 
 
Цепь обратной связи (однополярная) что упрощает процедуру стабилизации
 
 
 
Время восстановления выпрямителя не критично, поскольку ток принимает нулевое значение до появления обратного напряжения
 
 
Решения
Copyright Техностек 2008 Ссылки | Карта сайта