Преобразователи постоянного тока: принципы и применение.

Введение

Тип электронной схемы

DC-DC преобразователь — это электронная схема или электромеханическое устройство, преобразующее источник постоянного тока (DC) с одного уровня напряжения на другой. Это тип преобразователя электрической мощности. Диапазон мощностей простирается от очень низких (небольшие аккумуляторы) до очень высоких (передача электроэнергии высокого напряжения).

История

До появления мощных полупроводников одним из способов повышения напряжения постоянного тока в маломощных приложениях было преобразование его в переменное напряжение с помощью вибратора, затем повышающего трансформатора и, наконец, выпрямителя. Для более высоких мощностей часто использовался двигатель-генератор, в котором электродвигатель приводил в действие генератор, вырабатывающий необходимое напряжение. (Двигатель и генератор могли быть отдельными устройствами или объединены в единый "динамотор" без внешнего приводного вала.) Эти относительно неэффективные и дорогие конструкции применялись только при отсутствии альтернативы, например, для питания автомобильного радио (которое в то время использовало электронные лампы, требующие гораздо более высокого напряжения, чем обеспечивала автомобильная батарея на 6 или 12 В). Хотя к 1976 году транзисторные автомобильные радиоприемники не нуждались в высоком напряжении, некоторые радиолюбители продолжали использовать вибраторные источники питания и динамоторы для мобильных передатчиков, требующих высокого напряжения, несмотря на доступность транзисторных блоков питания. Получить более низкое напряжение из более высокого можно было с помощью линейного стабилизатора или даже резистора, но эти методы рассеивали избыточную энергию в виде тепла; энергоэффективное преобразование стало возможным только с использованием твердотельных импульсных схем.

Применение

Преобразователи постоянного тока в постоянный используются в портативных электронных устройствах, таких как мобильные телефоны и ноутбуки, которые в основном питаются от аккумуляторов. Такие электронные устройства часто содержат несколько подцепей, каждая из которых имеет свои требования к уровню напряжения, отличающиеся от напряжения, обеспечиваемого аккумулятором или внешним источником питания (иногда выше или ниже напряжения источника). Кроме того, напряжение аккумулятора падает по мере разряда. Импульсные преобразователи постоянного тока в постоянный предлагают способ повышения напряжения от частично разряженного аккумулятора, тем самым экономя место вместо использования нескольких аккумуляторов для достижения того же результата. Большинство схем преобразователей постоянного тока в постоянный также регулируют выходное напряжение. Некоторые исключения включают в себя высокоэффективные источники питания для светодиодов, которые являются разновидностью преобразователя постоянного тока в постоянный, регулирующего ток через светодиоды, и простые умножители напряжения, удваивающие или утраивающие выходное напряжение. Преобразователи постоянного тока в постоянный, предназначенные для максимизации сбора энергии в фотоэлектрических системах и ветровых турбинах, называются оптимизаторами мощности. Трансформаторы, используемые для преобразования напряжения на частотах сети 50–60 Гц, должны быть большими и тяжелыми при мощности, превышающей несколько ватт. Это делает их дорогими, и они подвержены потерям энергии в обмотках и из-за вихревых токов в сердечниках. Методы преобразования постоянного тока, использующие трансформаторы или индукторы, работают на гораздо более высоких частотах, требуя значительно меньших, легких и дешевых обмоточных компонентов. Следовательно, эти методы используются даже там, где можно использовать сетевой трансформатор; например, для бытовой электроники предпочтительнее выпрямлять сетевое напряжение в постоянный ток, использовать импульсные методы для преобразования его в высокочастотный переменный ток с требуемым напряжением, а затем, как правило, снова выпрямлять в постоянный ток. Вся сложная схема дешевле и эффективнее, чем простая схема сетевого трансформатора с той же выходной мощностью. Преобразователи постоянного тока в постоянный широко используются в приложениях микросетей постоянного тока, в контексте различных уровней напряжения.

DC to DC converters are used in portable electronic devices such as cellular phones and laptop computers, which are supplied with power from batteries primarily. Such electronic devices often contain several sub circuits, each with its own voltage level requirement different from that supplied by the battery or an external supply (sometimes higher or lower than the supply voltage). Additionally, the battery voltage declines as its stored energy is drained. Switched DC to DC converters offer a method to increase voltage from a partially lowered battery voltage thereby saving space instead of using multiple batteries to accomplish the same thing. Most DC to DC converter circuits also regulate the output voltage. Some exceptions include high efficiency LED power sources, which are a kind of DC to DC converter that regulates the current through the LEDs, and simple charge pumps which double or triple the output voltage. DC to DC converters which are designed to maximize the energy harvest for photovoltaic systems and for wind turbines are called power optimizers. Transformers used for voltage conversion at mains frequencies of 50–60 Hz must be large and heavy for powers exceeding a few watts. This makes them expensive, and they are subject to energy losses in their windings and due to eddy currents in their cores. DC to DC techniques that use transformers or inductors work at much higher frequencies, requiring only much smaller, lighter, and cheaper wound components. Consequently these techniques are used even where a mains transformer could be used; for example, for domestic electronic appliances it is preferable to rectify mains voltage to DC, use switch mode techniques to convert it to high frequency AC at the desired voltage, then, usually, rectify to DC. The entire complex circuit is cheaper and more efficient than a simple mains transformer circuit of the same output. DC to DC converters are widely used for DC microgrid applications, in the context of different voltage levels.

Электронная конверсия

Импульсные преобразователи, или импульсные DC-DC преобразователи, временно накапливают входную энергию, а затем отдают эту энергию на выход под другим напряжением, которое может быть выше или ниже. Накопление энергии может происходить в магнитных элементах (индукторы, трансформаторы) или в электрических элементах (конденсаторы). Этот метод преобразования позволяет повышать или понижать напряжение. Импульсное преобразование часто более эффективно (типичная эффективность составляет от 75% до 98%) по сравнению с линейной стабилизацией напряжения, которая рассеивает нежелательную мощность в виде тепла. Для достижения эффективности требуются быстрое время нарастания и спада полупроводниковых приборов; однако эти быстрые переходы в сочетании с паразитной емкостью и индуктивностью монтажа усложняют разработку схемы. Более высокая эффективность импульсного преобразователя снижает потребность в теплоотводах и увеличивает время автономной работы портативного оборудования. Эффективность улучшилась с конца 1980-х годов благодаря использованию силовых полевых транзисторов (FET), которые способны переключаться более эффективно с меньшими потерями на переключение на более высоких частотах, чем биполярные силовые транзисторы, и требуют менее сложной схемы управления. Другим важным улучшением в DC-DC преобразователях является замена обратного диода на синхронное выпрямление с использованием силового FET, чье "сопротивление в открытом состоянии" значительно ниже, что снижает потери на переключение. До широкой доступности силовых полупроводников, DC-DC синхронные преобразователи малой мощности состояли из электромеханического вибратора, за которым следовал повышающий трансформатор, питающий вакуумную лампу или полупроводниковый выпрямитель, либо синхронные контакты выпрямителя на вибраторе. Большинство DC-DC преобразователей предназначены для передачи мощности только в одном направлении – от выделенного входа к выходу. Однако все топологии импульсных регуляторов могут быть сделаны двунаправленными и способными передавать мощность в любом направлении путем замены всех диодов на независимо управляемые активные выпрямители. Двунаправленный преобразователь полезен, например, в приложениях, требующих рекуперативного торможения транспортных средств, где мощность подается на колеса во время движения, а от колес – при торможении. Несмотря на небольшое количество компонентов, импульсные преобразователи являются электронно сложными. Как и все высокочастотные схемы, их компоненты должны быть тщательно подобраны и физически расположены для обеспечения стабильной работы и поддержания уровня коммутационных помех (EMI / RFI) на приемлемом уровне. Их стоимость выше, чем у линейных регуляторов в приложениях понижения напряжения, но их стоимость снижается с развитием технологий проектирования микросхем. DC-DC преобразователи доступны в виде интегральных схем (ИС), требующих небольшого количества дополнительных компонентов. Преобразователи также доступны в виде полных гибридных модулей, готовых к использованию в электронной сборке. Линейные стабилизаторы, которые используются для обеспечения стабильного постоянного напряжения, независимо от входного напряжения и выходной нагрузки, из более высокого, но менее стабильного источника, рассеивая избыточные вольт-амперы в виде тепла, можно буквально описать как DC-DC преобразователи, но это не является общепринятым использованием. (То же самое можно сказать и о простом резистивном делителя напряжения, стабилизированном или не стабилизированном последующим регулятором напряжения или стабилитроном.) Существуют также простые удвоители напряжения на конденсаторах и умножители Диксона, использующие диоды и конденсаторы для умножения постоянного напряжения на целое число, обычно обеспечивающие лишь небольшой ток.

Switching converters or switched mode DC to DC converters store the input energy temporarily and then release that energy to the output at a different voltage, which may be higher or lower. The storage may be in either magnetic field storage components (inductors, transformers) or electric field storage components (capacitors). This conversion method can increase or decrease voltage. Switching conversion is often more power efficient (typical efficiency is 75% to 98%) than linear voltage regulation, which dissipates unwanted power as heat. Fast semiconductor device rise and fall times are required for efficiency; however, these fast transitions combine with layout parasitic effects to make circuit design challenging. The higher efficiency of a switched mode converter reduces the heatsinking needed, and increases battery endurance of portable equipment. Efficiency has improved since the late 1980s due to the use of power FETs, which are able to switch more efficiently with lower Schaltverluste at higher frequencies than power bipolar transistors, and use less complex drive circuitry. Another important improvement in DC DC converters is replacing the flyback diode with synchronous rectification using a power FET, whose "on resistance" is much lower, reducing switching losses. Before the wide availability of power semiconductors, low power DC to DC synchronous converters consisted of an electro mechanical vibrator followed by a voltage step up transformer feeding a vacuum tube or semiconductor rectifier, or synchronous rectifier contacts on the vibrator. Most DC to DC converters are designed to move power in only one direction, from dedicated input to output. However, all switching regulator topologies can be made bidirectional and able to move power in either direction by replacing all diodes with independently controlled active rectification. A bidirectional converter is useful, for example, in applications requiring regenerative braking of vehicles, where power is supplied to the wheels while driving, but supplied by the wheels when braking. Although they require few components, switching converters are electronically complex. Like all high frequency circuits, their components must be carefully specified and physically arranged to achieve stable operation and to keep switching noise (EMI / RFI) at acceptable levels. Their cost is higher than linear regulators in voltage dropping applications, but their cost has been decreasing with advances in chip design. DC to DC converters are available as integrated circuits (ICs) requiring few additional components. Converters are also available as complete hybrid circuit modules, ready for use within an electronic assembly. Linear regulators which are used to output a stable DC independent of input voltage and output load from a higher but less stable input by dissipating excess volt amperes as heat, could be described literally as DC to DC converters, but this is not usual usage. (The same could be said of a simple voltage dropper resistor, whether or not stabilised by a following voltage regulator or Zener diode.) There are also simple capacitive voltage doubler and Dickson multiplier circuits using diodes and capacitors to multiply a DC voltage by an integer value, typically delivering only a small current.

Вместительные

Переключаемые конденсаторные преобразователи основаны на попеременном подключении конденсаторов ко входу и выходу в различных топологиях. Например, понижающий преобразователь на переключаемых конденсаторах может заряжать два конденсатора последовательно, а затем разряжать их параллельно. Это позволит получить ту же выходную мощность (за вычетом потерь на эффективность, которая всегда меньше 100%) при, в идеале, половине входного напряжения и вдвое большем токе. Поскольку они работают с дискретными порциями заряда, их также иногда называют преобразователями заряда. Обычно они используются в приложениях, требующих относительно небольших токов, поскольку при больших токах более высокая эффективность и меньшие размеры импульсных преобразователей делают их предпочтительным выбором. Они также применяются при очень высоких напряжениях, где магнитные компоненты не смогут функционировать.

Электромеханическое преобразование

Мотор-генераторная установка, представляющая в основном исторический интерес, состоит из электродвигателя и генератора, механически соединенных между собой. Динамо объединяет обе функции в одном устройстве, с обмотками как для двигателя, так и для генератора, намотанными на общий ротор; обе обмотки используют общие внешние полевые обмотки или магниты. кризис и прерывистость.