DC-zu-DC-Wandler - DC-to-DC converter

Ein DC-DC-Wandler ist eine elektronische Schaltung oder ein elektromechanisches Gerät, das eine Gleichstromquelle (DC) von einem Spannungspegel auf einen anderen umwandelt . Es ist eine Art Stromwandler . Die Leistungsstufen reichen von sehr niedrig (kleine Batterien) bis sehr hoch (Hochspannungsübertragung).

Geschichte

Vor der Entwicklung von Leistungshalbleitern, eine Möglichkeit , die Spannung einer Gleichstromversorgung auf eine höhere Spannung, für Low-Power - Anwendungen zu konvertieren, war es zu AC konvertieren unter Verwendung eines Vibrators , dann durch einen Step-up - Transformator , und schließlich ein Gleichrichter . Bei höherem Leistungsbedarf wurde häufig eine Motor-Generator- Einheit eingesetzt, bei der ein Elektromotor einen Generator antreibt, der die gewünschte Spannung erzeugt. (Motor und Generator könnten getrennte Geräte sein oder sie könnten zu einem einzigen "Dynamikmotor" ohne externe Antriebswelle kombiniert werden.) Diese relativ ineffizienten und teuren Designs wurden nur verwendet, wenn es keine Alternative gab, um ein Autoradio anzutreiben (die dann thermionische Ventile (Röhren) verwendeten, die viel höhere Spannungen erfordern als bei einer 6- oder 12-V-Autobatterie). Die Einführung von Leistungshalbleitern und integrierten Schaltungen machte es durch die Verwendung der unten beschriebenen Techniken wirtschaftlich. Zum Beispiel wandelt man zuerst die Gleichstromversorgung in hochfrequenten Wechselstrom als Eingang eines Transformators um - er ist klein, leicht und aufgrund der hohen Frequenz billig -, der die Spannung ändert, die wieder in Gleichstrom gleichgerichtet wird. Obwohl bis 1976 Transistor-Autoradioempfänger keine hohen Spannungen benötigten, verwendeten einige Amateurfunker weiterhin Vibratorversorgungen und Dynamotoren für mobile Transceiver, die hohe Spannungen erforderten, obwohl Transistornetzteile verfügbar waren.

Während es möglich war, mit einem Linearregler oder sogar einem Widerstand eine niedrigere Spannung aus einer höheren abzuleiten , führten diese Methoden den Überschuss als Wärme ab; Eine energieeffiziente Wandlung wurde erst mit Halbleiterschaltkreisen möglich.

Verwendet

DC-DC-Wandler werden in tragbaren elektronischen Geräten wie Mobiltelefonen und Laptop-Computern verwendet , die hauptsächlich aus Batterien mit Strom versorgt werden . Solche elektronischen Geräte enthalten oft mehrere Unterschaltkreise , die jeweils mit einer eigenen Spannungspegel Anforderung verschieden von dem durch die Batterie oder eine externe Versorgung versorgt (manchmal höher oder niedriger als die Versorgungsspannung). Außerdem sinkt die Batteriespannung, wenn ihre gespeicherte Energie verbraucht wird. Geschaltete DC-DC-Wandler bieten eine Methode zum Erhöhen der Spannung von einer teilweise abgesenkten Batteriespannung, wodurch Platz gespart wird, anstatt mehrere Batterien zu verwenden, um dasselbe zu erreichen.

Die meisten DC/DC-Wandlerschaltungen regeln auch die Ausgangsspannung. Einige Ausnahmen sind hocheffiziente LED-Stromquellen , die eine Art DC-DC-Wandler sind, der den Strom durch die LEDs regelt, und einfache Ladungspumpen, die die Ausgangsspannung verdoppeln oder verdreifachen.

DC-to-DC - Wandler , die die Energieausbeute sind ausgelegt zur Maximierung der Photovoltaik - Anlagen und für Windkraftanlagen werden als Leistungsoptimierer .

Transformatoren, die zur Spannungswandlung bei Netzfrequenzen von 50–60 Hz eingesetzt werden, müssen für Leistungen über einige Watt groß und schwer sein. Dies macht sie teuer, und sie unterliegen Energieverlusten in ihren Wicklungen und durch Wirbelströme in ihren Kernen. DC-zu-DC-Techniken, die Transformatoren oder Induktoren verwenden, arbeiten bei viel höheren Frequenzen und erfordern nur viel kleinere, leichtere und billigere gewickelte Komponenten. Folglich werden diese Techniken sogar dort verwendet, wo ein Netztransformator verwendet werden könnte; Bei elektronischen Haushaltsgeräten ist es beispielsweise vorzuziehen, die Netzspannung in Gleichstrom gleichzurichten, sie mithilfe von Schalttechniken in hochfrequenten Wechselstrom mit der gewünschten Spannung umzuwandeln und dann normalerweise in Gleichstrom gleichzurichten. Die gesamte komplexe Schaltung ist kostengünstiger und effizienter als eine einfache Netztransformatorschaltung gleicher Leistung. DC-DC-Wandler werden häufig für DC-Microgrid-Anwendungen im Zusammenhang mit verschiedenen Spannungspegeln verwendet.

Elektronische Konvertierung

Praktische elektronische Wandler verwenden Schalttechniken. DC/DC-Wandler mit getaktetem Modus wandeln einen Gleichspannungspegel in einen anderen, der höher oder niedriger sein kann, um, indem sie die Eingangsenergie vorübergehend speichern und diese Energie dann bei einer anderen Spannung an den Ausgang abgeben. Die Speicherung kann entweder in magnetischen Feldspeicherkomponenten (Induktoren, Transformatoren) oder in elektrischen Feldspeicherkomponenten (Kondensatoren) erfolgen. Dieses Umwandlungsverfahren kann die Spannung erhöhen oder verringern. Die Schaltumwandlung ist oft energieeffizienter (der typische Wirkungsgrad beträgt 75 bis 98 %) als die lineare Spannungsregelung, die unerwünschte Leistung als Wärme abführt. Für die Effizienz sind schnelle Anstiegs- und Abfallzeiten von Halbleiterbauelementen erforderlich; Diese schnellen Übergänge werden jedoch mit parasitären Layouteffekten kombiniert, um das Schaltungsdesign zu einer Herausforderung zu machen. Der höhere Wirkungsgrad eines Schaltwandlers reduziert den benötigten Kühlkörper und erhöht die Batterielebensdauer von tragbaren Geräten. Die Effizienz hat sich seit den späten 1980er Jahren aufgrund der Verwendung von Leistungs- FETs verbessert , die mit geringeren Schaltverlusten bei höheren Frequenzen effizienter schalten können als bipolare Leistungstransistoren und weniger komplexe Treiberschaltungen verwenden. Eine weitere wichtige Verbesserung bei DC-DC-Wandlern ist der Ersatz der Flyback-Diode durch eine synchrone Gleichrichtung mit einem Leistungs-FET, dessen "Einschaltwiderstand" viel niedriger ist, wodurch Schaltverluste reduziert werden. Vor der breiten Verfügbarkeit von Leistungshalbleitern bestanden DC/DC-Synchronwandler geringer Leistung aus einem elektromechanischen Vibrator gefolgt von einem Spannungserhöhungstransformator, der eine Vakuumröhre oder einen Halbleitergleichrichter speist, oder Synchrongleichrichterkontakte am Vibrator.

Die meisten DC-zu-DC-Wandler sind so konzipiert, dass sie die Leistung nur in eine Richtung bewegen, vom dedizierten Eingang zum Ausgang. Alle Schaltreglertopologien können jedoch bidirektional gemacht werden und die Leistung in beide Richtungen verschieben, indem alle Dioden durch unabhängig gesteuerte aktive Gleichrichtung ersetzt werden . Ein bidirektionaler Wandler ist nützlich, beispielsweise bei Anwendungen , die ein regeneratives Bremsen von Fahrzeugen, in denen Energie zugeführt wird , um die Räder während der Fahrt, aber geliefert durch die Räder beim Bremsen.

Obwohl sie wenige Bauteile benötigen, sind Schaltwandler elektronisch komplex. Wie bei allen Hochfrequenzschaltungen müssen ihre Komponenten sorgfältig spezifiziert und physikalisch angeordnet werden, um einen stabilen Betrieb zu erreichen und das Schaltrauschen ( EMI / RFI ) auf einem akzeptablen Niveau zu halten. Ihre Kosten sind höher als bei Linearreglern in Anwendungen mit Spannungsabfall, aber ihre Kosten sind mit Fortschritten im Chipdesign gesunken.

DC-DC-Wandler sind als integrierte Schaltungen (ICs) erhältlich, die wenige zusätzliche Komponenten erfordern. Umrichter sind auch als komplette Hybridschaltungsmodule erhältlich , die innerhalb einer elektronischen Baugruppe einsatzbereit sind.

Linearregler, die verwendet werden, um einen stabilen Gleichstrom unabhängig von Eingangsspannung und Ausgangslast von einem höheren, aber weniger stabilen Eingang auszugeben, indem überschüssige Volt-Ampere als Wärme abgeleitet werden , könnte man wörtlich als DC-zu-DC-Wandler bezeichnen, aber dies ist nicht üblich Verwendungszweck. (Dasselbe könnte von einem einfachen Spannungsabfallwiderstand gesagt werden, unabhängig davon, ob er durch einen folgenden Spannungsregler oder eine Zener-Diode stabilisiert wird oder nicht .)

Es gibt auch einfache kapazitive Spannungsverdoppler- und Dickson-Multipliziererschaltungen , die Dioden und Kondensatoren verwenden, um eine Gleichspannung mit einem ganzzahligen Wert zu multiplizieren, die typischerweise nur einen kleinen Strom liefern.

Magnetisch

In diesen DC-DC-Wandlern wird Energie periodisch in einem Magnetfeld in einem Induktor oder einem Transformator gespeichert und von diesem freigesetzt , typischerweise innerhalb eines Frequenzbereichs von 300 kHz bis 10 MHz. Durch Anpassen des Tastverhältnisses der Ladespannung (d. h. des Verhältnisses der Ein-/Aus-Zeiten) kann die an eine Last übertragene Leistungsmenge einfacher gesteuert werden, obwohl diese Steuerung auch auf den Eingangsstrom angewendet werden kann, die Ausgangsstrom, oder um eine konstante Leistung aufrechtzuerhalten. Transformatorbasierte Wandler können eine Isolierung zwischen Eingang und Ausgang bereitstellen. Im Allgemeinen bezieht sich der Begriff DC-zu-DC-Wandler auf einen dieser Schaltwandler. Diese Schaltungen sind das Herzstück eines Schaltnetzteils . Es gibt viele Topologien. Diese Tabelle zeigt die gängigsten.

Vorwärts (Energieübertragungen durch das Magnetfeld) Flyback (Energie wird im Magnetfeld gespeichert)
Kein Transformator (nicht isoliert)
Mit Transformator (trennbar)

Darüber hinaus kann jede Topologie sein:

Hart geschaltet
Transistoren schalten schnell, wenn sie sowohl der vollen Spannung als auch dem vollen Strom ausgesetzt sind
Resonant
Eine LC-Schaltung formt die Spannung über den Transistor und den Strom durch ihn so, dass der Transistor schaltet, wenn entweder die Spannung oder der Strom Null ist

Magnetische DC/DC-Wandler können in zwei Betriebsarten betrieben werden, je nach Strom in ihrer magnetischen Hauptkomponente (Induktor oder Transformator):

Kontinuierlich
Der Strom schwankt, geht aber nie auf Null zurück
Diskontinuierlich
Der Strom schwankt während des Zyklus und geht am oder vor dem Ende jedes Zyklus auf Null zurück

Ein Wandler kann so ausgelegt sein, dass er im kontinuierlichen Modus bei hoher Leistung und im diskontinuierlichen Modus bei niedriger Leistung arbeitet.

Die Halbbrücken- und Rücklauftopologien ähneln sich darin, dass im Magnetkern gespeicherte Energie abgeführt werden muss, damit der Kern nicht gesättigt wird. Die Leistungsübertragung in einer Rücklaufschaltung wird durch die Energiemenge begrenzt, die im Kern gespeichert werden kann, während Vorwärtsschaltungen normalerweise durch die I/V-Eigenschaften der Schalter begrenzt sind.

Obwohl MOSFET- Schalter gleichzeitig vollen Strom und volle Spannung tolerieren können (obwohl thermische Belastung und Elektromigration die MTBF verkürzen können ), können bipolare Schalter im Allgemeinen nicht die Verwendung eines Dämpfers (oder zwei) erfordern .

Hochstromsysteme verwenden oft mehrphasige Wandler, auch verschachtelte Wandler genannt. Mehrphasige Regler können eine bessere Welligkeit und bessere Reaktionszeiten aufweisen als einphasige Regler.

Viele Laptop- und Desktop- Motherboards enthalten verschachtelte Abwärtsregler, manchmal als Spannungsreglermodul .

Bidirektionale DC/DC-Wandler

Vergleich nicht isolierter schaltender DC/DC-Wandlertopologien: Buck , Boost, Buck-Boost , Ćuk . Der Eingang ist links, der Ausgang mit Last rechts. Der Schalter ist typischerweise ein MOSFET- , IGBT- oder BJT- Transistor.
Ein Motorgenerator mit separatem Motor und Generator.

Das Besondere an diesen Wandlern ist, dass die Energie in beide Richtungen des Wandlers fließt. Diese Wandler werden häufig in verschiedenen Anwendungen verwendet und werden zwischen zwei Gleichspannungsebenen geschaltet, wo Energie von einer Ebene auf eine andere übertragen wird.

  • Bidirektionaler DC-zu-DC-Wandler zum Boosten
  • Bidirektionaler Abwärts-DC-zu-DC-Wandler
  • Nicht invertierender bidirektionaler DC/DC-Wandler mit Boost-Buck
  • Invertierender bidirektionaler DC/DC-Wandler mit Boost-Buck-Funktion
  • SEPIC bidirektionaler DC-zu-DC-Wandler
  • Bidirektionaler DC/DC-Wandler CUK

Mehrere isolierte bidirektionale DC/DC-Wandler werden auch häufig in Fällen verwendet, in denen eine galvanische Trennung erforderlich ist.

  • Bidirektionaler Flyback
  • Isoliert ĆUK & SEPIC/ZETA
  • Drücken ziehen
  • Weiterleiten
  • Dual-Aktiv-Brücke (DAB)
  • Doppel-Halbbrücke
  • Halbvolle Brücke
  • Multiport-DAB

Kapazitiv

Wandler mit geschalteten Kondensatoren beruhen darauf, Kondensatoren in unterschiedlichen Topologien abwechselnd mit dem Eingang und Ausgang zu verbinden. Ein Reduzierwandler mit geschaltetem Kondensator könnte beispielsweise zwei Kondensatoren in Reihe laden und sie dann parallel entladen. Dies würde die gleiche Ausgangsleistung (weniger als der Wirkungsgradverlust von unter 100%) bei idealerweise der halben Eingangsspannung und dem doppelten Strom erzeugen. Da sie mit diskreten Ladungsmengen arbeiten, werden diese manchmal auch als Ladungspumpenwandler bezeichnet . Sie werden typischerweise in Anwendungen verwendet, die relativ kleine Ströme erfordern, da sie bei höheren Strömen aufgrund des höheren Wirkungsgrads und der kleineren Größe von Schaltwandlern die bessere Wahl sind. Sie werden auch bei extrem hohen Spannungen verwendet, da bei solchen Spannungen Magnete zusammenbrechen würden.

Elektromechanischer Umbau

Ein Motor-Generator-Satz, der hauptsächlich von historischem Interesse ist, besteht aus einem Elektromotor und einem Generator, die miteinander verbunden sind. Ein Dynamotor kombiniert beide Funktionen in einer einzigen Einheit mit Spulen für die Motor- und Generatorfunktionen, die um einen einzigen Rotor gewickelt sind; beide Spulen teilen sich die gleichen äußeren Feldspulen oder Magneten. Typischerweise werden die Motorspulen von einem Kommutator an einem Ende der Welle angetrieben, wenn die Generatorspulen an einen anderen Kommutator am anderen Ende der Welle ausgeben. Die gesamte Rotor- und Wellenbaugruppe ist kleiner als ein Maschinenpaar und hat möglicherweise keine freiliegenden Antriebswellen.

Motor-Generatoren können zwischen jeder Kombination von Gleich- und Wechselspannung und Phasenstandards umwandeln. Große Motor-Generator-Sets wurden häufig verwendet, um industrielle Strommengen umzuwandeln, während kleinere Einheiten verwendet wurden, um Batteriestrom (6, 12 oder 24 V DC) in eine hohe Gleichspannung umzuwandeln, die zum Betrieb von Vakuumröhren- (Thermionventil-)Geräten erforderlich war .

Für einen geringeren Leistungsbedarf bei höheren Spannungen als von einer Fahrzeugbatterie geliefert, wurden Vibrator- oder "Summer"-Netzteile verwendet. Der Vibrator oszillierte mechanisch, mit Kontakten, die die Polarität der Batterie viele Male pro Sekunde wechselten , wodurch Gleichstrom effektiv in Rechteckwellen- Wechselstrom umgewandelt wurde, der dann einem Transformator mit der erforderlichen Ausgangsspannung(en) zugeführt werden konnte. Es machte ein charakteristisches Summen.

Elektrochemische Umwandlung

Eine weitere Möglichkeit der DC-DC-Wandlung im Kilowatt- bis Megawatt-Bereich bietet der Einsatz von Redox-Flow-Batterien wie der Vanadium-Redox-Batterie .

Chaotisches Verhalten

DC-DC-Wandler unterliegen verschiedenen Arten von chaotischen Dynamiken wie Bifurkation , Krise und Unterbrechung .

Terminologie

Abstieg
Ein Wandler, bei dem die Ausgangsspannung niedriger ist als die Eingangsspannung (z. B. ein Abwärtswandler ).
Step-up
Ein Wandler, der eine höhere Spannung als die Eingangsspannung ausgibt (z. B. ein Aufwärtswandler ).
Dauerstrommodus
Der Strom und damit das Magnetfeld im induktiven Energiespeicher wird nie Null.
Diskontinuierlicher Strommodus
Der Strom und damit das Magnetfeld im induktiven Energiespeicher kann Null erreichen oder überschreiten.
Lärm
Unerwünschtes elektrisches und elektromagnetisches Signalrauschen , typischerweise Schaltartefakte.
HF-Rauschen
Schaltwandler emittieren von Natur aus Funkwellen mit der Schaltfrequenz und ihren Oberwellen. Schaltwandler, die dreieckigen Schaltstrom erzeugen, wie das Split-Pi , Durchflußwandler oder Ćuk Wandler im kontinuierlichen Strommodus, erzeugen weniger Lärm als harmonischen andere Schaltwandler. HF-Rauschen verursacht elektromagnetische Störungen (EMI). Akzeptable Pegel hängen von den Anforderungen ab, zB erfordert die Nähe zu HF-Schaltkreisen mehr Unterdrückung als nur die Einhaltung von Vorschriften.
Spulenintegrierte DC/DC-Wandler
Diese können einen Leistungssteuerungs-IC, eine Spule, einen Kondensator und einen Widerstand umfassen; verringert den Montageraum mit einer kleinen Anzahl von Komponenten in einer einzigen integrierten Lösung.
Eingangsrauschen
Die Eingangsspannung kann ein nicht zu vernachlässigendes Rauschen aufweisen. Wenn der Wandler den Eingang mit scharfen Lastflanken belastet, kann der Wandler außerdem HF-Rauschen von den speisenden Stromleitungen aussenden. Dies sollte durch geeignete Filterung in der Eingangsstufe des Umrichters verhindert werden.
Ausgangsrauschen
Der Ausgang eines idealen DC/DC-Wandlers ist eine flache, konstante Ausgangsspannung. Reale Wandler erzeugen jedoch einen Gleichstromausgang, dem ein gewisses Maß an elektrischem Rauschen überlagert ist. Schaltwandler erzeugen Schaltgeräusche bei der Schaltfrequenz und deren Oberwellen. Darüber hinaus weisen alle elektronischen Schaltungen ein gewisses thermisches Rauschen auf . Einige empfindliche Hochfrequenz- und Analogschaltungen benötigen eine Stromversorgung mit so geringem Rauschen, dass sie nur von einem Linearregler bereitgestellt werden kann. Einige analoge Schaltungen, die eine Stromversorgung mit relativ geringem Rauschen erfordern, können einige der rauschärmeren Schaltwandler tolerieren, z. B. die Verwendung von kontinuierlichen Dreieckswellenformen anstelle von Rechteckwellen.

Siehe auch

Verweise

Externe Links