Schnellumrechner - Boost converter

Kostengünstige Konvertermodule: zwei Buck und ein Boost.

Aufwärtswandler von einem TI- Rechner , der 9 V aus 2,4 V erzeugt, die von zwei wiederaufladbaren AA-Zellen bereitgestellt werden .

Ein Aufwärtswandler ( Aufwärtswandler ) ist ein DC / DC-Stromrichter , der die Spannung (während er den Strom verringert) von seinem Eingang (Versorgung) zu seinem Ausgang (Last) erhöht. Es ist eine Klasse von Schaltnetzteil (SMPS) mindestens zwei Halbleiter (a enthält Diode und ein Transistor ) und mindestens ein Energiespeicherelement: einen Kondensator , Induktor , oder die beide in Kombination. Um die Spannungswelligkeit zu verringern , werden Filter aus Kondensatoren (manchmal in Kombination mit Induktivitäten) normalerweise zum Ausgang (lastseitiges Filter) und zum Eingang (versorgungsseitiges Filter) eines solchen Wandlers hinzugefügt.

Überblick

Der Strom für den Aufwärtswandler kann von jeder geeigneten Gleichstromquelle stammen, z. B. von Batterien, Sonnenkollektoren, Gleichrichtern und Gleichstromgeneratoren. Ein Prozess, der eine Gleichspannung in eine andere Gleichspannung umwandelt, wird als Gleichstrom-Gleichstrom-Umwandlung bezeichnet. Ein Aufwärtswandler ist ein DC / DC-Wandler mit einer Ausgangsspannung, die größer als die Quellenspannung ist. Ein Aufwärtswandler wird manchmal als Aufwärtswandler bezeichnet, da er die Quellenspannung "erhöht". Da power ( ) erhalten bleiben muss , ist der Ausgangsstrom niedriger als der Quellstrom. ${\ displaystyle P = VI}$

Geschichte

Für einen hohen Wirkungsgrad muss der SMPS-Schalter ( Switched Mode Power Supply ) schnell ein- und ausgeschaltet werden und geringe Verluste aufweisen. Das Aufkommen eines kommerziellen Halbleiterschalters in den 1950er Jahren war ein wichtiger Meilenstein, der SMPS wie den Aufwärtswandler ermöglichte. Die wichtigsten DC / DC-Wandler wurden in den frühen 1960er Jahren entwickelt, als Halbleiterschalter verfügbar wurden. Der Bedarf der Luft- und Raumfahrtindustrie an kleinen, leichten und effizienten Stromrichtern führte zu einer raschen Entwicklung des Stromrichters.

Geschaltete Systeme wie SMPS sind eine Herausforderung beim Design, da ihre Modelle davon abhängen, ob ein Schalter geöffnet oder geschlossen wird. RD Middlebrook von Caltech veröffentlichte 1977 die heute verwendeten Modelle für DC / DC-Wandler. Middlebrook mittelte die Schaltungskonfigurationen für jeden Schaltzustand in einer Technik, die als Zustandsraummittelung bezeichnet wird. Diese Vereinfachung reduzierte zwei Systeme zu einem. Das neue Modell führte zu aufschlussreichen Designgleichungen, die zum Wachstum von SMPS beitrugen.

Anwendungen

Batteriesysteme

Batteriesysteme stapeln Zellen häufig in Reihe, um eine höhere Spannung zu erzielen. Ein ausreichendes Stapeln von Zellen ist jedoch in vielen Hochspannungsanwendungen aufgrund von Platzmangel nicht möglich. Aufwärtswandler können die Spannung erhöhen und die Anzahl der Zellen verringern. Zwei batteriebetriebene Anwendungen, die Aufwärtswandler verwenden, werden in Hybrid-Elektrofahrzeugen (HEV) und Beleuchtungssystemen verwendet.

Das NHW20-Modell Toyota Prius HEV verwendet einen 500-V-Motor. Ohne einen Aufwärtswandler würde der Prius fast 417 Zellen benötigen, um den Motor anzutreiben. Ein Prius verwendet jedoch nur 168 Zellen und erhöht die Batteriespannung von 202 V auf 500 V. Aufwärtswandler versorgen auch Geräte in kleineren Anwendungen wie tragbare Beleuchtungssysteme mit Strom. Eine weiße LED benötigt normalerweise 3,3 V, um Licht zu emittieren, und ein Aufwärtswandler kann die Spannung einer einzelnen 1,5-V-Alkalizelle erhöhen, um die Lampe mit Strom zu versorgen.

Joule Dieb

Ein ungeregelter Aufwärtswandler wird als Spannungserhöhungsmechanismus in der als " Joule-Dieb " bekannten Schaltung verwendet , basierend auf blockierenden Oszillatorkonzepten . Diese Schaltungstopologie wird bei Batterieanwendungen mit geringem Stromverbrauch verwendet und zielt auf die Fähigkeit eines Aufwärtswandlers ab, die verbleibende Energie in einer Batterie zu "stehlen". Diese Energie würde sonst verschwendet, da die niedrige Spannung einer fast erschöpften Batterie sie für eine normale Last unbrauchbar macht. Diese Energie würde sonst ungenutzt bleiben, da in vielen Anwendungen nicht genügend Strom durch eine Last fließen kann, wenn die Spannung abnimmt. Dieser Spannungsabfall tritt auf, wenn die Batterien leer werden, und ist ein Merkmal der allgegenwärtigen Alkalibatterie . Da die Leistungsgleichung lautet und R tendenziell stabil ist, nimmt die der Last zur Verfügung stehende Leistung mit abnehmender Spannung erheblich ab. ${\ textstyle P = {\ frac {V ^ {2}} {R}}}$

Photovoltaik-Zellen

Die spezielle Art von Aufwärtswandlern, die als Voltage-Lift-Aufwärtswandler bezeichnet werden, werden in Solarphotovoltaiksystemen (PV-Systemen) verwendet. Diese Stromrichter addieren die passiven Komponenten (Diode, Induktivität und Kondensator) eines herkömmlichen Aufwärtswandlers, um die Stromqualität zu verbessern und die Leistung einer kompletten PV-Anlage zu steigern.

Schaltungsanalyse

Abb. 1. Schaltplan des Aufwärtswandlers

Abb. 2. Die beiden Strompfade eines Aufwärtswandlers, abhängig vom Zustand des Schalters S.

Operation

Das Schlüsselprinzip, das den Aufwärtswandler antreibt, ist die Tendenz eines Induktors , Stromänderungen durch Erhöhen oder Verringern der im Magnetfeld des Induktors gespeicherten Energie zu widerstehen. In einem Aufwärtswandler ist die Ausgangsspannung immer höher als die Eingangsspannung. Ein Schema einer Boost-Leistungsstufe ist in Abbildung 1 dargestellt.

(a) Wenn der Schalter geschlossen ist, fließt Strom im Uhrzeigersinn durch den Induktor und der Induktor speichert etwas Energie durch Erzeugen eines Magnetfelds. Die Polarität der linken Seite des Induktors ist positiv.

Boost-Konverter-Animation.

(b) Wenn der Schalter geöffnet wird, wird der Strom reduziert, wenn die Impedanz höher ist. Das zuvor erzeugte Magnetfeld wird energetisch reduziert, um den Strom zur Last aufrechtzuerhalten. Dadurch wird die Polarität umgekehrt (was bedeutet, dass die linke Seite des Induktors negativ wird). Infolgedessen sind zwei Quellen in Reihe geschaltet, wodurch eine höhere Spannung den Kondensator über die Diode D auflädt .

Wenn der Schalter schnell genug betätigt wird, entlädt sich der Induktor zwischen den Ladestufen nicht vollständig, und die Last sieht beim Öffnen des Schalters immer eine Spannung, die größer ist als die der Eingangsquelle. Auch während der Schalter geöffnet ist, wird der Kondensator parallel zur Last auf diese kombinierte Spannung aufgeladen. Wenn der Schalter dann geschlossen und die rechte Seite von der linken Seite kurzgeschlossen wird, kann der Kondensator daher die Last mit Spannung und Energie versorgen. Während dieser Zeit verhindert die Sperrdiode, dass sich der Kondensator durch den Schalter entlädt. Der Schalter muss natürlich schnell genug wieder geöffnet werden, um zu verhindern, dass sich der Kondensator zu stark entlädt.

Das Grundprinzip eines Aufwärtswandlers besteht aus zwei unterschiedlichen Zuständen (siehe Abbildung 2):

• im eingeschalteten Zustand ist der Schalter S (siehe 1) geschlossen, was zu einer Erhöhung des Induktivitätsstroms führt;
• in dem Aus-Zustand, ist der Schalter geöffnet , und der einzige Weg zum Induktorstrom angeboten wird , durch die Freilaufdiode D, der Kondensator C und die Last R . Dies führt dazu, dass die während des Einschaltzustands akkumulierte Energie in den Kondensator übertragen wird.
• Der Eingangsstrom ist der gleiche wie der Induktivitätsstrom, wie in Abbildung 2 zu sehen ist. Er ist also nicht diskontinuierlich wie beim Abwärtswandler, und die Anforderungen an das Eingangsfilter sind im Vergleich zu einem Abwärtswandler gelockert.

Kontinuierlicher Modus

Wenn ein Aufwärtswandler im kontinuierlichen Modus arbeitet, fällt der Strom durch die Induktivität ( ) niemals auf Null. Abbildung 3 zeigt die typischen Wellenformen von Induktorstrom und -spannung in einem in diesem Modus arbeitenden Wandler. ${\ displaystyle I_ {L}}$

Abb. 3. Wellenformen von Induktorstrom und -spannung in einem Aufwärtswandler, der im kontinuierlichen Modus arbeitet.

Im stationären Zustand muss die Gleichspannung (Mittelwert) über der Induktivität Null sein, damit die Induktivität nach jedem Zyklus den gleichen Zustand zurückgibt, da die Spannung über der Induktivität proportional zur Änderungsrate des Stroms durch sie ist (nachstehend ausführlicher erläutert) ). Es ist in 1 zu beachten, dass die linke Seite von L bei ist und die rechte Seite von L die Spannungswellenform aus 3 sieht . Der Durchschnittswert von ist, wo D das Tastverhältnis der Wellenform ist, die den Schalter antreibt. Daraus erhalten wir die ideale Übertragungsfunktion : ${\ displaystyle V_ {i}}$${\ displaystyle V_ {s}}$${\ displaystyle V_ {s}}$${\ displaystyle (1-D) V_ {o}}$

${\ displaystyle V_ {i} = (1-D) V_ {o}}$

oder

${\ displaystyle V_ {o} / V_ {i} = 1 / (1-D)}$ .

Wir erhalten das gleiche Ergebnis aus einer detaillierteren Analyse wie folgt: Die Ausgangsspannung kann im Fall eines idealen Wandlers (dh unter Verwendung von Komponenten mit einem idealen Verhalten), der unter stabilen Bedingungen arbeitet, wie folgt berechnet werden:

Während des Einschaltzustands ist der Schalter S geschlossen, wodurch die Eingangsspannung ( ) über der Induktivität erscheint, was eine Änderung des Stroms ( ) verursacht, der während einer Zeitspanne ( t ) durch die Induktivität fließt, und zwar gemäß der Formel: ${\ displaystyle V_ {i}}$${\ displaystyle I_ {L}}$

${\ displaystyle {\ frac {\ Delta I_ {L}} {\ Delta t}} = {\ frac {V_ {i}} {L}}}$

Wobei L der Induktorwert ist.

Am Ende des _{Einschaltzustands} beträgt der Anstieg von I _L daher:

${\ displaystyle \ Delta I_ {L_ {On}} = {\ frac {1} {L}} \ int _ {0} ^ {DT} V_ {i} dt = {\ frac {DT} {L}} V_ {ich}}$

D ist das Tastverhältnis. Es stellt den Bruchteil der Kommutierungsperiode T dar, während der der Schalter eingeschaltet ist. Daher liegt D zwischen 0 ( S ist nie eingeschaltet) und 1 ( S ist immer eingeschaltet).

Während des Aus-Zustands ist der Schalter S geöffnet, so dass der Induktorstrom durch die Last fließt. Wenn wir einen Spannungsabfall von Null in der Diode und einen Kondensator betrachten, der groß genug ist, damit seine Spannung konstant bleibt, ist die Entwicklung von I _L :

${\ displaystyle V_ {i} -V_ {o} = L {\ frac {dI_ {L}} {dt}}}$

Daher ist die Variation von I _L während der Ausschaltperiode:

${\ displaystyle \ Delta I_ {L_ {Off}} = \ int _ {DT} ^ {T} {\ frac {\ left (V_ {i} -V_ {o} \ right) dt} {L}} = { \ frac {\ left (V_ {i} -V_ {o} \ right) \ left (1-D \ right) T} {L}}}$

Da wir davon ausgehen, dass der Wandler im stationären Zustand arbeitet, muss die in jeder seiner Komponenten gespeicherte Energiemenge zu Beginn und am Ende eines Kommutierungszyklus gleich sein. Insbesondere ist die im Induktor gespeicherte Energie gegeben durch:

${\ displaystyle E = {\ frac {1} {2}} LI_ {L} ^ {2}}$

Der Induktorstrom muss also zu Beginn und am Ende des Kommutierungszyklus gleich sein. Dies bedeutet, dass die Gesamtänderung des Stroms (die Summe der Änderungen) Null ist:

${\ displaystyle \ Delta I_ {L_ {On}} + \ Delta I_ {L_ {Off}} = 0}$

Ersetzen und durch ihre Ausdrücke ergibt: ${\ displaystyle \ Delta I_ {L_ {On}}}$${\ displaystyle \ Delta I_ {L_ {Off}}}$

${\ displaystyle \ Delta I_ {L_ {On}} + \ Delta I_ {L_ {Off}} = {\ frac {V_ {i} DT} {L}} + {\ frac {\ left (V_ {i} - V_ {o} \ rechts) \ links (1-D \ rechts) T} {L}} = 0}$

Dies kann geschrieben werden als:

${\ displaystyle {\ frac {V_ {o}} {V_ {i}}} = {\ frac {1} {1-D}}}$

Die obige Gleichung zeigt, dass die Ausgangsspannung immer höher als die Eingangsspannung ist (wenn das Tastverhältnis von 0 auf 1 geht) und dass sie mit D theoretisch bis unendlich ansteigt , wenn sich D 1 nähert. Deshalb wird dieser Wandler manchmal bezeichnet als Schritt- up - Konverter.

Das Umordnen der Gleichung ergibt den Arbeitszyklus wie folgt:

${\ displaystyle D = {1 - {\ frac {V_ {i}} {V_ {o}}}}$

Diskontinuierlicher Modus

Wenn die Welligkeitsamplitude des Stroms zu hoch ist, kann der Induktor vor dem Ende eines gesamten Kommutierungszyklus vollständig entladen werden. Dies tritt üblicherweise unter leichten Belastungen auf. In diesem Fall fällt der Strom durch die Induktivität während eines Teils der Periode auf Null (siehe Wellenformen in Abbildung 4). Obwohl der Unterschied gering ist, hat er einen starken Einfluss auf die Ausgangsspannungsgleichung.

Abb. 4 . Wellenformen von Induktorstrom und -spannung in einem Aufwärtswandler, der im diskontinuierlichen Modus arbeitet.

Die Spannungsverstärkung kann wie folgt berechnet werden:

Da der Induktorstrom zu Beginn des Zyklus Null ist, beträgt sein Maximalwert (at ) ${\ displaystyle I_ {L_ {Max}}}$${\ displaystyle t = DT}$

${\ displaystyle I_ {L_ {Max}} = {\ frac {V_ {i} DT} {L}}}$

Während der Ausschaltperiode fällt I _L nach : ${\ displaystyle \ delta T}$

${\ displaystyle I_ {L_ {Max}} + {\ frac {\ left (V_ {i} -V_ {o} \ right) \ delta T} {L}} = 0}$

Unter Verwendung der beiden vorhergehenden Gleichungen ist δ :

${\ displaystyle \ delta = {\ frac {V_ {i} D} {V_ {o} -V_ {i}}}}$

Der Laststrom I _o ist gleich dem durchschnittlichen Diodenstrom ( I _D ). Wie in 4 zu sehen ist, ist der Diodenstrom im ausgeschalteten Zustand gleich dem Induktorstrom. Der Durchschnittswert von I _o kann geometrisch aus 4 sortiert werden. Daher kann der Ausgangsstrom wie folgt geschrieben werden:

${\ displaystyle I_ {o} = {\ bar {I_ {D}}} = {\ frac {I_ {L_ {max}}} {2}} \ delta}$

Das Ersetzen von I _Lmax und δ durch ihre jeweiligen Ausdrücke ergibt:

${\ displaystyle I_ {o} = {\ frac {V_ {i} DT} {2L}} \ cdot {\ frac {V_ {i} D} {V_ {o} -V_ {i}}} = {\ frac {V_ {i} ^ {2} D ^ {2} T} {2L \ left (V_ {o} -V_ {i} \ right)}}}$

Daher kann die Ausgangsspannungsverstärkung wie folgt geschrieben werden:

${\ displaystyle {\ frac {V_ {o}} {V_ {i}}} = 1 + {\ frac {V_ {i} D ^ {2} T} {2LI_ {o}}}}$

Verglichen mit dem Ausdruck der Ausgangsspannungsverstärkung für den kontinuierlichen Modus ist dieser Ausdruck viel komplizierter. Darüber hinaus hängt im diskontinuierlichen Betrieb die Ausgangsspannungsverstärkung nicht nur vom Arbeitszyklus ( D ) ab, sondern auch vom Induktivitätswert ( L ), der Eingangsspannung ( V _i ), der Kommutierungsperiode ( T ) und dem Ausgangsstrom ( Ich _o ).

Durch Einsetzen in die Gleichung ( R ist die Last) kann die Ausgangsspannungsverstärkung wie folgt umgeschrieben werden: ${\ textstyle I_ {0} = {\ frac {V_ {0}} {R}}}$

${\ displaystyle {\ frac {V_ {o}} {V_ {i}}} = {\ frac {1 + {\ sqrt {1 + {\ frac {4D ^ {2}} {K}}}} { 2}}}$

wo

${\ textstyle K = {\ frac {2L} {RT}}}$

Siehe auch

• Joule Dieb
• Abwärtswandler
• Buck-Boost-Wandler
• Split-Pi-Topologie
• Transformator
• Vibrator (elektronisch)
• Spannungsverdoppler
• Spannungsvervielfacher
• Der Hydraulikzylinder kann unter Verwendung der elektronisch-hydraulischen Analogie als analog zu einem Aufwärtswandler angesehen werden .

Weiterführende Literatur

Verweise

Externe Links

• Erklärung des nichtlinearen Verhaltens, Modellierung und Linearisierung des Boost-DC / DC-Wandlers
• Maximale Ausgangsleistung des Aufwärtswandlers für die Energiegewinnung