Введение
Конвертер постоянного тока в постоянный ток с выходным напряжением, превышающим его входное напряжение.
Повышающий преобразователь, или преобразователь повышения напряжения, — это DC-DC преобразователь, который увеличивает напряжение, одновременно уменьшая ток, от входа (источника питания) к выходу (нагрузке). Он относится к классу импульсных источников питания (SMPS), содержащему как минимум два полупроводниковых прибора – диод и транзистор, и как минимум один элемент накопления энергии: конденсатор, индуктор или их комбинацию. Для снижения пульсаций напряжения на выходе (фильтр на стороне нагрузки) и на входе (фильтр на стороне источника питания) такого преобразователя обычно добавляют фильтры, состоящие из конденсаторов (иногда в сочетании с индукторами).
Обзор
Энергия для повышающего преобразователя может поступать из любого подходящего источника постоянного тока, такого как аккумуляторы, солнечные панели, выпрямители и генераторы постоянного тока. Процесс, изменяющий одно постоянное напряжение на другое постоянное напряжение, называется преобразованием постоянного тока в постоянный ток. Повышающий преобразователь – это DC-DC преобразователь с выходным напряжением, превышающим напряжение источника. Повышающий преобразователь иногда называют повышающим преобразователем, поскольку он "повышает" напряжение источника. Поскольку мощность должна сохраняться, выходной ток меньше входного тока.
История
Для достижения высокой эффективности переключатель импульсного источника питания (SMPS) должен быстро включаться и выключаться и иметь низкие потери. Появление коммерческого полупроводникового ключа в 1950-х годах стало важной вехой, сделавшей возможными SMPS, такие как повышающий преобразователь. Основные DC-DC преобразователи были разработаны в начале 1960-х годов, когда полупроводниковые ключи стали доступны. Потребность аэрокосмической промышленности в компактных, легких и эффективных преобразователях энергии привела к их быстрому развитию. Системы с переключением, такие как SMPS, сложны в проектировании, поскольку их модели зависят от состояния ключа – открыт он или закрыт. Р.Д. Миддлбрук из Калифорнийского технологического института в 1977 году опубликовал модели DC-DC преобразователей, используемые и сегодня. Миддлбрук усреднил схемы для каждого состояния ключа, используя метод, называемый усреднением по пространству состояний. Это упрощение позволило свести две системы к одной. Новая модель привела к появлению полезных уравнений проектирования, способствовавших развитию SMPS.
Системы питания от батарей
Системы питания от батарей часто соединяют ячейки последовательно для достижения более высокого напряжения. Однако в многих приложениях с высоким напряжением недостаточно места для соединения большого количества ячеек. Повышающие преобразователи могут увеличить напряжение и уменьшить необходимое количество ячеек. Два примера применения, работающих от батарей и использующих повышающие преобразователи, – это гибридные электромобили (HEV) и системы освещения. В гибридном электромобиле Toyota Prius модели NHW20 используется двигатель на 500 В. Без повышающего преобразователя для питания двигателя Prius потребовалось бы почти 417 ячеек. Однако в Prius фактически используется всего 168 ячеек, а напряжение батареи повышается с 202 В до 500 В. Повышающие преобразователи также используются для питания устройств в малогабаритных приложениях, таких как портативные системы освещения. Для излучения света белому светодиоду обычно требуется 3,3 В, и повышающий преобразователь может увеличить напряжение от одной 1,5-вольтовой щелочной ячейки для питания лампы.
Вор джоулей
Нерегулируемый повышающий преобразователь используется в качестве механизма повышения напряжения в схеме, известной как "похититель джоулей", основанной на принципах генератора блокирующих колебаний. Данная топология схемы применяется в устройствах, работающих от батарей с низким энергопотреблением, и предназначена для использования способности повышающего преобразователя "извлекать" остаточную энергию из батареи. Эта энергия в противном случае была бы потеряна, поскольку низкое напряжение почти разряженной батареи делает её непригодной для питания обычной нагрузки. Эта энергия оставалась бы невостребованной, так как многие устройства не обеспечивают достаточный ток для нагрузки при падении напряжения. Это падение напряжения происходит по мере разряда батареи и является характерной особенностью широко распространенных щелочных батарей. Поскольку формула мощности равна P=U² / R, а сопротивление R обычно стабильно, доступная для нагрузки мощность значительно уменьшается при снижении напряжения.
Фотоэлектрические элементы
Специальный тип повышающих преобразователей, называемых повышающими преобразователями с повышением напряжения, используются в солнечных фотоэлектрических (PV) системах. Эти преобразователи мощности добавляют пассивные компоненты (диод, индуктор и конденсатор) традиционного повышающего преобразователя для улучшения качества электроэнергии и повышения эффективности всей фотоэлектрической системы.