DC-DC átalakító- DC-to-DC converter

A DC-DC átalakító egy elektronikus áramkör vagy elektromechanikus eszköz, amely átalakítja a forrása egyenáramú (DC) egy feszültség szintről a másikra. Ez egyfajta elektromos átalakító . A teljesítményszint a nagyon alacsony (kis akkumulátorok) és a nagyon magas (nagyfeszültségű erőátvitel) tartományok között mozog.

Történelem

A teljesítmény-félvezetők kifejlesztése előtt az egyik módja az egyenáramú tápfeszültség nagyobb feszültségre történő átalakításának kis teljesítményű alkalmazásokhoz az volt, hogy vibrátorral , majd fokozó transzformátorral , végül pedig egy egyenirányító . Ahol nagyobb teljesítményre volt szükség, gyakran motor -generátor egységet használtak, amelyben egy elektromos motor hajtott egy generátort, amely a kívánt feszültséget produkálta. (A motor és a generátor különálló eszközök lehetnek, vagy egyetlen "dinamómotoros" egységgé egyesíthetők külső táptengely nélkül.) Ezeket a viszonylag nem hatékony és költséges konstrukciókat csak akkor használták, ha nem volt alternatíva, például egy autórádió áramellátására. (amely ekkor termionos szelepeket (csöveket) használt, amelyek sokkal nagyobb feszültséget igényelnek, mint a 6 vagy 12 V -os autóakkumulátorok). A teljesítmény -félvezetők és integrált áramkörök bevezetése gazdaságilag életképessé tette az alább ismertetett technikák alkalmazásával. Például először az egyenáramú tápegységet átalakítják nagyfrekvenciás váltóáramúvá, mint egy transzformátor bemenetét - kicsi, könnyű és olcsó a magas frekvencia miatt -, amely megváltoztatja a feszültséget, amely visszaáll DC -re. Bár 1976 -ra a tranzisztoros autórádió -vevők nem igényeltek nagy feszültséget, néhány amatőr rádiós üzemeltető továbbra is vibrátorokat és dinamókat használt a nagy feszültséget igénylő mobil adó -vevőkhöz, bár rendelkezésre álltak tranzisztoros tápegységek.

Míg lineáris szabályzóval vagy akár ellenállással alacsonyabb feszültséget lehetett levezetni a magasabbból , ezek a módszerek hőként eloszlatták a felesleget; az energiatakarékos átalakítás csak szilárdtest kapcsoló módú áramkörökkel vált lehetségessé.

Felhasználások

Az egyenáramú-egyenáramú átalakítókat olyan hordozható elektronikus eszközökben használják, mint például a mobiltelefonok és a laptopok , amelyeket elsősorban akkumulátorokból táplálnak. Ilyen elektronikus készülékek gyakran tartalmaznak néhány al- áramkörök , amelyek mindegyike saját feszültségszint követelmény eltér a telep által szolgáltatott vagy külső hálózati (néha alacsonyabb vagy magasabb, mint a tápfeszültség). Ezenkívül az akkumulátor feszültsége csökken, mivel a tárolt energia kimerül. A váltott egyenáramú egyenáramú átalakítók módszert kínálnak a feszültség növelésére a részben lecsökkent akkumulátorfeszültségről, ezáltal helyet takarítanak meg, ahelyett, hogy több elemet használnának ugyanahhoz.

A legtöbb DC-DC átalakító áramkör a kimeneti feszültséget is szabályozza. Néhány kivétel a nagy hatékonyságú LED áramforrások , amelyek egyfajta DC-DC átalakító, amely a LED-eken keresztül szabályozza az áramot, és egyszerű töltőszivattyúk, amelyek megkétszerezik vagy megháromszorozzák a kimeneti feszültséget.

Az egyenáramú-egyenáramú átalakítókat, amelyeket a fotovoltaikus rendszerek és a szélturbinák energiatermelésének maximalizálására terveztek, teljesítményoptimalizátoroknak nevezzük .

Az 50–60 Hz -es hálózati frekvenciákon a feszültségátalakításhoz használt transzformátoroknak nagynak és nehéznek kell lenniük néhány wattot meghaladó teljesítmény esetén. Ez drágává teszi őket, és energiaveszteségnek vannak kitéve a tekercselésükben és az örvényáramok miatt. A transzformátorokat vagy induktivitásokat alkalmazó egyenáramú-egyenáramú technikák sokkal magasabb frekvenciákon működnek, csak sokkal kisebb, könnyebb és olcsóbb tekercskomponenseket igényelnek. Következésképpen ezeket a technikákat akkor is alkalmazzák, ha hálózati transzformátort lehet használni; például a háztartási elektronikai készülékek esetében előnyös a hálózati feszültséget egyenáramúvá tenni, a kapcsolóüzemű technikákat használva a kívánt feszültségű nagyfrekvenciás váltóá alakítani, majd általában egyenáramra egyenirányítani. A teljes komplex áramkör olcsóbb és hatékonyabb, mint az azonos kimenetű egyszerű hálózati transzformátor áramkör. Az egyenáramú-egyenáramú átalakítókat széles körben használják egyenáramú mikrohálózati alkalmazásokhoz, különböző feszültségszintek összefüggésében.

Elektronikus átalakítás

A gyakorlati elektronikus átalakítók kapcsolási technikákat használnak. A kapcsolt üzemmódú egyenáramú-egyenáramú átalakítók átalakítják az egyik egyenfeszültség-szintet egy másikra, amely magasabb vagy alacsonyabb lehet, úgy, hogy a bemenő energiát ideiglenesen tárolják, majd ezt az energiát más feszültségű kimenetre bocsátják. A tároló lehet mágneses mezőt tároló komponensekben (induktivitások, transzformátorok) vagy elektromos mezőt tároló alkatrészekben (kondenzátorok). Ez az átalakítási módszer növelheti vagy csökkentheti a feszültséget. A kapcsolóátalakítás gyakran energiahatékonyabb (tipikus hatásfok 75–98%), mint a lineáris feszültségszabályozás, amely hőként elvezeti a nem kívánt energiát. A hatékonyság érdekében gyors félvezető eszköz emelkedési és esési időre van szükség; ezek a gyors átmenetek azonban elrendezési parazita hatásokkal kombinálva kihívást jelentenek az áramkörök kialakításában. A kapcsolt üzemmódú átalakító nagyobb hatékonysága csökkenti a szükséges hűtőbordát, és növeli a hordozható berendezések akkumulátor-tartósságát. A hatékonyság az 1980 -as évek vége óta javult a teljesítmény -FET -ek használata miatt , amelyek hatékonyabban tudnak kapcsolni alacsonyabb kapcsolási veszteséggel magasabb frekvenciákon, mint a teljesítmény bipoláris tranzisztorok , és kevésbé bonyolult meghajtó áramköröket használnak. Egy másik fontos javulást DC-DC átalakítók felváltja a flyback dióda által szinkron kijavítása egy tápfeszültség FET, amelynek „rezisztencia” sokkal alacsonyabb, csökkenti kapcsolási veszteségeket. A teljesítmény-félvezetők széles körű elérhetősége előtt az alacsony teljesítményű egyenáramú-egyenáramú szinkron-átalakítók egy elektromechanikus vibrátorból, majd egy feszültségfokozó transzformátorból, amely vákuumcsövet vagy félvezető egyenirányítót táplált, vagy szinkron egyenirányító érintkezőkből állt.

A legtöbb egyenáramú-egyenáramú átalakítót úgy tervezték, hogy a teljesítményt csak egy irányban mozgassa, a dedikált bemenetről a kimenetre. Mindazonáltal minden kapcsoló szabályozó topológia kétirányúvá tehető, és mindkét irányba képes áramot mozgatni, ha az összes diódát független vezérlésű aktív egyenirányításra cseréli . A kétirányú átalakító hasznos, például igénylő visszatápláló fékezés járművek, ahol az áramellátás , hogy a kerekek vezetés közben, de szállított által a kerekek fékezéskor.

Bár kevés alkatrészre van szükségük, a kapcsolóátalakítók elektronikailag összetettek. Mint minden nagyfrekvenciás áramkör, alkatrészeiket is gondosan meg kell határozni és fizikailag el kell rendezni a stabil működés elérése és a kapcsolási zaj ( EMI / RFI ) elfogadható szinten tartása érdekében. Költségük magasabb, mint a feszültségcsökkentő alkalmazások lineáris szabályozói, de költségeik csökkentek a chiptervezés fejlődésével.

Az egyenáramú-egyenáramú átalakítók integrált áramkörként (IC) állnak rendelkezésre, amelyek kevés kiegészítő komponenst igényelnek. A konverterek komplett hibrid áramkör modulként is kaphatók, használatra készek egy elektronikus szerelvényen belül.

A lineáris szabályozókat, amelyek a bemeneti feszültségtől és a kimeneti terheléstől független, egyenletes egyenáramú kimenetre szolgálnak egy magasabb, de kevésbé stabil bemenetről a felesleges volt-amper hőként történő elvezetésével , szó szerint egyenáram-egyenáram-átalakítóként lehet leírni, de ez nem szokványos használat. (Ugyanez mondható el egy egyszerű feszültségcsökkentő ellenállásról is, amelyet a következő feszültségszabályozó vagy Zener dióda stabilizál .

Vannak egyszerű kapacitív feszültség duplázó és Dickson szorzó áramkörök is, amelyek diódákat és kondenzátorokat használnak az egyenáramú feszültség egész számmal való megszorozásához, jellemzően csak kis áramot szolgáltatva.

Mágneses

Ezekben az egyenáramú-egyenáramú átalakítókban az energia periodikusan tárolódik egy mágneses mezőben , és felszabadul belőle egy induktivitásban vagy transzformátorban , jellemzően 300 kHz és 10 MHz közötti frekvenciatartományban. A töltési feszültség (azaz a be- és kikapcsolási idők arányának) munkaciklusának beállításával a terhelésre továbbított teljesítmény mennyisége könnyebben szabályozható, bár ez a vezérlés a bemeneti áramra is alkalmazható, kimeneti áram, vagy az állandó teljesítmény fenntartása érdekében. A transzformátor-alapú átalakítók elkülöníthetik a bemenetet és a kimenetet. Általában a DC-DC átalakító kifejezés az egyik ilyen kapcsolóátalakítóra vonatkozik. Ezek az áramkörök a kapcsolt üzemmódú tápegység szíve . Sok topológia létezik. Ez a táblázat a leggyakoribbakat mutatja be.

Előre (energiaátvitel a mágneses mezőn keresztül) Repülés (az energia a mágneses mezőben tárolódik)
Nincs transzformátor (nem szigetelt)
Transzformátorral (leválasztható)

Ezenkívül minden topológia lehet:

Keményen kapcsolt
A tranzisztorok gyorsan kapcsolnak, miközben teljes feszültségnek és teljes áramnak vannak kitéve
Rezonáns
Az LC áramkör úgy alakítja a feszültséget a tranzisztoron és a rajta átfolyó áramon, hogy a tranzisztor átkapcsol, ha a feszültség vagy az áram nulla

A mágneses egyenáramú-egyenáramú átalakítók két üzemmódban működtethetők, a fő mágneses alkatrészben (induktor vagy transzformátor) lévő áramnak megfelelően:

Folyamatos
Az áram ingadozik, de soha nem megy le nullára
Szakaszos
Az áram a ciklus során ingadozik, minden ciklus végén vagy előtt nullára csökken

Az átalakító úgy tervezhető, hogy folyamatos üzemmódban, nagy teljesítményen, és nem folyamatos üzemmódban, alacsony teljesítmény mellett működjön.

A fél-hídhoz és a flyback topológia hasonlóak abban, hogy a tárolt energia a mágneses mag igényeket kell oszlatni, hogy a mag nem telíti. A flyback áramkörben az erőátvitelt a magban tárolható energia mennyisége korlátozza, míg az előremenő áramköröket általában a kapcsolók I/V jellemzői korlátozzák.

Bár a MOSFET kapcsolók tolerálják az egyidejű teljes áramot és feszültséget (bár a hőterhelés és az elektromigráció lerövidítheti az MTBF -et ), a bipoláris kapcsolók általában nem igényelnek (vagy kettő) szubbútort .

A nagyáramú rendszerek gyakran többfázisú átalakítókat használnak, más néven sorosított átalakítóknak. A többfázisú szabályozók jobb hullámzással és jobb válaszidővel rendelkeznek, mint az egyfázisú szabályozók.

Sok laptop és asztali alaplap interleaved buck szabályozót tartalmaz, néha feszültségszabályozó modulként .

Kétirányú DC-DC átalakítók

A nem elszigetelt kapcsoló DC-DC átalakító topológiák összehasonlítása: Buck , Boost, Buck-Boost , Ćuk . A bemenet bal oldalon, a kimenet terheléssel a jobb oldalon. A kapcsoló tipikusan MOSFET , IGBT vagy BJT tranzisztor.
Motorgenerátor külön motorral és generátorral.

Ezekre az átalakítókra jellemző, hogy az energia a konverter mindkét irányába áramlik. Ezeket az átalakítókat általában különböző alkalmazásokban használják, és két egyenáramú feszültség között vannak összekötve, ahol az energiát egyik szintről a másikra továbbítják.

  • Növelje a kétirányú DC-DC átalakítót
  • Buck kétirányú DC-DC átalakító
  • Boost-buck nem invertáló kétirányú DC-DC átalakító
  • Boost-buck invertáló kétirányú DC-DC átalakító
  • SEPIC kétirányú DC-DC átalakító
  • CUK kétirányú DC-DC átalakító

Többszörös, kétirányú egyenáramú-egyenáramú átalakítót is gyakran használnak azokban az esetekben, amikor galvanikus leválasztásra van szükség.

  • Kétirányú repülés
  • Elszigetelt ĆUK & SEPIC/ZETA
  • Ellenütemű
  • Foward
  • Kettős aktív híd (DAB)
  • Kettő-fél híd
  • Félig teljes híd
  • Többportos DAB

Kapacitív

A kapcsolt kondenzátor -átalakítók különböző topológiákban felváltva csatlakoztatják a kondenzátorokat a bemenethez és a kimenethez. Például egy kapcsolt kondenzátor redukáló átalakító két kondenzátort tölthet sorba, majd párhuzamosan kisütheti őket. Ez ugyanolyan kimeneti teljesítményt eredményezne (kevesebb, mint 100%alatti hatékonyságvesztés), ideális esetben a bemeneti feszültség felénél és az áram kétszeresénél. Mivel diszkrét töltésmennyiséggel működnek, ezeket néha töltőszivattyú -átalakítóknak is nevezik . Általában viszonylag kis áramot igénylő alkalmazásokban használják, mivel nagyobb áramoknál a kapcsolóüzemű átalakítók megnövelt hatékonysága és kisebb mérete jobb választássá teszi őket. Rendkívül nagy feszültségeken is használják, mivel a mágnesek ilyen feszültségek esetén tönkremennének.

Elektromechanikus átalakítás

A főleg történelmi jelentőségű motor -generátor készlet egy villanymotorból és generátorból áll, amelyek össze vannak kapcsolva. A dinamomotor mindkét funkciót egyetlen egységgé egyesíti, tekercsekkel mind a motor, mind a generátor funkciók köré tekerve; mindkét tekercsnek ugyanazok a külső mező tekercsei vagy mágnesei. A motor tekercseket általában a tengely egyik végén lévő kommutátorról hajtják meg , amikor a generátor tekercsek kimennek egy másik kommutátorra a tengely másik végén. A teljes rotor- és tengelyszerelvény kisebb méretű, mint egy pár gép, és előfordulhat, hogy nincsenek kitett hajtótengelyek.

A motorgenerátorok az egyenáramú és váltóáramú feszültség- és fázistandardok bármely kombinációja között konvertálhatók. A nagy motorgenerátor -készleteket széles körben használták az ipari energiamennyiségek átalakítására, míg a kisebb egységeket az akkumulátor (6, 12 vagy 24 V egyenáram) nagy egyenfeszültségűvé alakítására, amely a vákuumcső (termikus szelep) berendezések működtetéséhez volt szükséges .

Az alacsonyabb áramigényű járművek akkumulátorainál magasabb feszültségek esetén vibrátorokat vagy "zümmögő" tápegységeket használtak. A vibrátor mechanikusan oszcillált, olyan érintkezőkkel, amelyek másodpercenként sokszor váltották az akkumulátor polaritását, hatékonyan átalakítva a DC -t négyzethullámú AC -vé, amelyet ezután a szükséges kimeneti feszültség (ek) transzformátorához lehet táplálni. Jellemző zümmögő hangot adott ki.

Elektrokémiai átalakítás

A DC -DC egyenáram átalakításának további módját a kilowatt -megawatt tartományban redox áramlású akkumulátorok , például a vanádium redox akkumulátor használatával mutatjuk be .

Kaotikus viselkedés

A DC-DC átalakítók különféle kaotikus dinamikáknak vannak kitéve , például kettéosztódás , válság és szakaszosság .

Terminológia

Lelép
Olyan átalakító, ahol a kimeneti feszültség alacsonyabb, mint a bemeneti feszültség (például egy bak konverter ).
Fellépni
Egy átalakító, amely a bemeneti feszültségnél magasabb feszültséget ad ki (például egy erősítő átalakító ).
Folyamatos áram mód
Az áram és így az induktív energiatároló mágneses tere soha nem éri el a nullát.
Folyamatos árammód
Az áram és így az induktív energiatároló mágneses tere elérheti vagy átlépheti a nullát.
Zaj
Nemkívánatos elektromos és elektromágneses jelzaj , jellemzően kapcsolási műtermékek.
RF zaj
A kapcsolóátalakítók természetüknél fogva rádióhullámokat bocsátanak ki a kapcsolási frekvencián és annak harmonikusain. Azok a kapcsolóátalakítók, amelyek háromszög alakú kapcsolási áramot termelnek, mint például a Split-Pi , az előremenő vagy a Ćuk konverter folyamatos áram módban, kevesebb harmonikus zajt termelnek, mint a többi kapcsolóátalakító. Az RF zaj elektromágneses interferenciát (EMI) okoz . Az elfogadható szintek a követelményektől függenek, például az RF áramkörök közelsége több elnyomást igényel, mint az előírásoknak való megfelelés.
Tekercsbe integrált DC/DC átalakítók
Ide tartozhatnak a teljesítményszabályozó IC, tekercs, kondenzátor és ellenállás; csökkenti a szerelési helyet kis számú komponenssel egyetlen integrált megoldásban.
Bemeneti zaj
A bemeneti feszültség nem elhanyagolható zajjal rendelkezik. Továbbá, ha az átalakító éles terhelésű terheléssel tölti be a bemenetet, az átalakító rádiófrekvenciás zajt bocsáthat ki a tápvezetékekből. Ezt meg kell akadályozni a megfelelő szűréssel az átalakító bemeneti szakaszában.
Kimeneti zaj
Az ideális DC-DC átalakító kimenete lapos, állandó kimeneti feszültség. A valódi átalakítók azonban egyenáramú kimenetet állítanak elő, amelyre bizonyos szintű elektromos zaj kerül. A kapcsolóátalakítók kapcsolási zajt termelnek a kapcsolási frekvencián és annak harmonikusain. Ezenkívül minden elektronikus áramkör rendelkezik némi hőzajjal . Bizonyos érzékeny rádiófrekvenciás és analóg áramkörök olyan alacsony zajszintű tápegységet igényelnek, hogy azt csak lineáris szabályozó tudja biztosítani. Egyes analóg áramkörök, amelyek viszonylag alacsony zajszintű tápegységet igényelnek, elviselhetnek néhány kevésbé zajos kapcsolóátalakítót, pl. Négyzethullámok helyett folyamatos háromszög alakú hullámformákat használnak.

Lásd még

Hivatkozások

Külső linkek