Verduidelik die topologie van skakelmodus-kragtoevoer in een artikel

Kringtopologie verwys na die verbinding tussen kragtoestelle en elektromagnetiese komponente in 'n stroombaan, terwyl die ontwerp van magnetiese komponente, geslote-lus kompensasiestroombane en alle ander stroombaankomponente van die topologie afhang. Die mees basiese topologieë is Buck, Boost en Buck/Boost, enkel-eindige terugslag (geïsoleerde terugslag), vorentoe, trek-stoot, halfbrug en volle brug-omskakelaars. Daar is ongeveer 14 algemene topologieë vir skakelmodus-kragbronne, elk met sy eie eienskappe en toepaslike scenario's. Die seleksiebeginsel hang af van of dit hoë-krag of lae-krag, hoëspanning-uitset of laespanning-uitset is, en of dit so min komponente as moontlik benodig. Dit is baie belangrik om 'n topologie gepas te kies en vertroud te wees met die voordele, nadele en toepaslikheid van verskeie topologieë. Verkeerde keuses sal onvermydelik lei tot die mislukking van kragbronontwerp van die begin af.

In hierdie artikel sal ons delf in stapsgewyse, stapsgewyse en stapsgewyse stapsgewyse topologieë vanuit verskillende perspektiewe.

Buck-omskakelaar

Figuur 1 is 'n skematiese diagram van 'n asynchrone buck-omskakelaar. Die buck-omskakelaar verminder sy insetspanning na 'n laer uitsetspanning. Wanneer skakelaar Q1 aangeskakel word, word energie na die uitsetterminaal oorgedra.

Figuur 1: Skematiese diagram van asynchrone buck-omskakelaar

Formule 1 bereken die werksiklus:

Formule 2 bereken die maksimum spanning van 'n metaaloksied-halfgeleier-veldeffektransistor (MOSFET):

Formule 3 verskaf die maksimum diodespanning:

Vin is die insetspanning, Vout is die uitsetspanning, en Vf is die voorwaartse spanning van die diode.

In vergelyking met lineêre reguleerders of lae-uitvalreguleerders (LDO's), hoe groter die verskil tussen die insetspanning en die uitsetspanning, hoe hoër die doeltreffendheid van die buck-omskakelaar.

Alhoewel die buck-omskakelaar 'n pulsstroom by die inset het, is die uitsetstroom kontinu as gevolg van die teenwoordigheid van 'n induktorkondensator (LC) filter by die uitset van die omskakelaar. Gevolglik sal die spanningsrimpel wat na die insetterminaal weerkaats word, groter wees in vergelyking met die rimpel by die uitsetterminaal.

Vir buck-omsetters met klein werksiklusse en uitsetstrome groter as 3A, word dit aanbeveel om sinchrone gelykrigters te gebruik. As jou kragtoevoer 'n uitsetstroom groter as 30A benodig, word dit aanbeveel om meerfase- of verweefde kragfases te gebruik, aangesien dit komponentspanning kan verminder, hitte wat tussen verskeie kragfases gegenereer word, kan versprei en refleksierimpel by die inset van die omsetter kan verminder.

Wanneer N-FET gebruik word, is die werksiklus beperk omdat die opstartkondensator in elke skakelsiklus herlaai moet word. In hierdie geval is die maksimum werksiklus binne die reeks van 95-99%.

Buck-omsetters het tipies goeie dinamiese eienskappe omdat hulle 'n voorwaartse topologiestruktuur het. Die bereikbare bandwydte hang af van die kwaliteit van die foutversterker en die gekose skakelfrekwensie.

Figure 2 tot 7 toon die spanning- en stroomgolfvorms van die FET, diode en induktor in deurlopende geleidingsmodus (CCM) in asynchrone buck-omsetters.

Boost-omskakelaar

Die versterkingsomskakelaar verhoog sy insetspanning na 'n groter uitsetspanning. Wanneer skakelaar Q1 nie-geleidend is, word energie na die uitsetterminaal oorgedra. Figuur 8 is 'n skematiese diagram van 'n asynchrone versterkingsomskakelaar.

Figuur 8: Skematiese diagram van asynchrone versterkingsomskakelaar

Formule 4 bereken die werksiklus:

Formule 5 bereken die maksimum MOSFET-spanning:

Formule 6 verskaf die maksimum diodespanning:

Vin is die insetspanning, Vout is die uitsetspanning, en Vf is die voorwaartse spanning van die diode.

Deur 'n hupstootomskakelaar te gebruik, kan die pulsuitsetstroom gesien word, aangesien die LC-filter aan die insetpunt geleë is. Daarom is die insetstroom kontinu, en die uitsetspanningsrimpel is groter as die insetspanningsrimpel.

Wanneer 'n hupstootomskakelaar ontwerp word, is dit belangrik om te weet dat daar 'n permanente verbinding van inset na uitset sal wees, selfs al skakel die omskakelaar nie. Voorkomende maatreëls moet getref word om potensiële kortsluitings by die uitsetkant te voorkom.

Vir uitsetstrome groter as 4A, moet sinchrone gelykrigters gebruik word om diodes te vervang. Indien die kragtoevoer 'n uitsetstroom groter as 10A moet lewer, word dit sterk aanbeveel om meerfase- of verweefde kragstadiummetodes te gebruik.

Wanneer dit in CCM-modus werk, word die dinamiese eienskappe van die hupstootomskakelaar beperk as gevolg van die regterhalfvlak-nulpunt (RHPZ) van sy oordragfunksie. As gevolg van die onvermoë van RHPZ om te kompenseer, sal die bereikbare bandwydte tipies minder as een-vyfde tot een-tiende van die RHPZ-frekwensie wees.

Verwys asseblief na formule 7:

Onder hulle is Vout die uitsetspanning, D is die werksiklus, Iout is die uitsetstroom, en L1 is die induktansie van die hupstootomskakelaar.

Figure 9 tot 14 toon die spanning- en stroomgolfvorms van die FET, diode en induktor in CCM-modus in asinchrone hupstootomsetters.

Buck hupstoot omskakelaar

'n Buck-boost-omskakelaar is 'n kombinasie van buck- en boost-kragfases wat dieselfde induktor deel.

Verwys na Figuur 15.

Figuur 15: Skematiese diagram van dubbelskakelaar-buck boost-omskakelaar

Die buck boost-topologie is baie prakties omdat die insetspanning kleiner, groter of dieselfde as die uitsetspanning kan wees, en 'n uitsetkrag van meer as 50 W vereis.

Vir uitsetkrag minder as 50 W, is 'n enkel-eindige primêre induktor-omskakelaar (SEPIC) 'n meer koste-effektiewe keuse aangesien dit minder komponente gebruik.

Wanneer die insetspanning groter is as die uitsetspanning, werk die buck-hupstoot-omskakelaar in buck-modus; wanneer die insetspanning laer is as die uitsetspanning, werk dit in hupstootmodus. Wanneer 'n omskakelaar in die transmissiegebied werk waar die insetspanning binne die uitsetspanningsbereik is, is daar twee konsepte vir die hantering van hierdie situasies: óf die buck- en hupstootfases is gelyktydig aktief, óf die skakelsiklus wissel tussen die buck- en hupstootfases, wat elk tipies teen die helfte van die normale skakelfrekwensie werk. Die tweede konsep kan subharmoniese geraas by die uitset veroorsaak, en in vergelyking met konvensionele buck- of hupstootbewerkings, is die akkuraatheid van die uitsetspanning dalk nie so presies nie, maar in vergelyking met die eerste konsep sal die omskakelaar meer doeltreffend wees.

Die buck boost-topologie het pulsstrome by beide die invoer- en uitvoer-ente omdat daar geen LC-filter in enige rigting is nie.

Vir buck boost-omsetters kan buck- en boost-kragfases afsonderlik vir berekening gebruik word.

Die buck boost-omskakelaar met twee skakelaars is geskik vir 'n kragbereik tussen 50W en 100W (soos LM5118), en die sinchrone gelykrigtingskrag kan 400W bereik (dieselfde as LM5175). Dit word aanbeveel om 'n sinchrone gelykrigter met dieselfde stroombeperking as die ongekonjugeerde buck- en boost-kragfases te gebruik.

Jy moet 'n kompensasienetwerk vir die buck boost-omskakelaar vir die boost-stadium ontwerp, aangesien RHPZ die bandwydte van die reguleerder sal beperk.

Algemene basiese topologiese strukture

■ Buck-spanningsvermindering

■Hupstoot Hupstoot

■ Buck Boost spanningsverminderingshupstoot

■Terugvlieg Terugvlieg

■Voorwaarts Voorwaarts

■ Twee transformator vorentoe dubbele transistor vorentoe

■Stoot Trek

■Halfbrug Halfbrug

■Volle Brug

■ SEPIC

■ Kyk na die Verenigde Koninkryk

1. Basiese pulswydtemodulasiegolfvorm

Hierdie topologiese strukture hou almal verband met skakelmoduskringe, en die basiese pulswydtemodulasiegolfvorm word soos volg gedefinieer:

2. Bok

Kenmerkend:

■Verminder die insetspanning na 'n laer spanning.

■Dit mag dalk die eenvoudigste stroombaan wees.

■Die induktor/kondensatorfilter maak die vierkantsgolf plat na skakeling.

■Die uitset is altyd minder as of gelyk aan die inset.

■ Invoerstroom is diskontinu (afsnyding).

Gladde uitsetstroom.

3. Versterk

Kenmerkend:

■Verhoog die insetspanning na 'n hoër.

■Soortgelyk aan spanningsvermindering, maar met herrangskikte induktors, skakelaars en diodes.

■Die uitset is altyd groter as of gelyk aan die inset (ignoreer die voorwaartse spanningsval van die diode).

■ Gladde insetstroom.

■ Onderbroke uitsetstroom (afsnyding).

4、Buck-Boost

Kenmerkend:

■Nog 'n rangskikkingsmetode vir induktors, skakelaars en diodes.

■Die kombinasie van die nadele van beide afwaartse en opwaartse stroombane.

■ Invoerstroom is diskontinu (afsnyding).

■Die uitsetstroom is ook diskontinu (afkap).

■Die uitset is altyd teenoorgesteld aan die inset (let op die polariteit van die kapasitor), maar die amplitude kan kleiner of groter as die inset wees.

■Die "terugvloei"-omskakelaar is eintlik in die vorm van 'n afwaartse opwaartse kringisolasie (transformatorkoppeling).

5、Terugvlug

Kenmerkend:

■Dit werk soos 'n buck boost-kring, maar die induktor het twee windings wat as beide 'n transformator en 'n induktor optree.

■Die uitset kan positief of negatief wees, bepaal deur die polariteit van die spoel en diode.

■Die uitsetspanning kan groter of kleiner wees as die insetspanning, bepaal deur die windingsverhouding van die transformator.

■Dit is die eenvoudigste geïsoleerde topologiestruktuur.

■Die byvoeging van sekondêre windings en stroombane kan tot veelvuldige uitsette lei.

6. Vorentoe

Kenmerkend:

■Die transformatorkoppelingsvorm van die afwaartse stroombaan.

■ Onderbroke insetstroom, gladde uitsetstroom.

■As gevolg van die gebruik van transformators, kan die uitset groter of kleiner as die inset wees, en kan dit van enige polariteit wees.

■Die byvoeging van sekondêre windings en stroombane kan veelvuldige uitsette verkry.

■Die transformatorkern moet tydens elke skakelsiklus gedemagnetiseer word. Die algemene praktyk is om 'n wikkeling met dieselfde aantal windings as die primêre wikkeling by te voeg.

■Die energie wat in die primêre induktor gestoor word tydens die aanskakelfase word vrygestel deur bykomende windings en diodes tydens die afskakelfase.

7. Twee-transistor vorentoe

Kenmerkend:

■Twee skakelaars werk gelyktydig.

■Wanneer die skakelaar ontkoppel word, keer die energie wat in die transformator gestoor word die polariteit van die primêre geleier om, wat veroorsaak dat die diode gelei.

Belangrikste voordele:

■Die spanning op elke skakelaar sal nooit die insetspanning oorskry nie.

■Geen nodig om die kronkelbaan terug te stel nie.

8、Stoot-Trek

Kenmerkend:

■Die skakelaar (FET) dryf verskillende fases aan en voer pulswydtemodulasie (PWM) uit om die uitsetspanning te reguleer.

■Goeie benuttingstempo van transformatormagnetiese kerne - oordragkrag in beide halfsiklusse.

■Volgolftopologiestruktuur, dus is die uitsetrimpelfrekwensie twee keer die frekwensie van die transformator.

■Die spanning wat op die FET toegepas word, is twee keer die insetspanning.

9, Halfbrug

Kenmerkend:

■’n Topologiestruktuur wat algemeen in hoëkrag-omsetters gebruik word.

■Die skakelaar (FET) dryf verskillende fases aan en voer pulswydtemodulasie (PWM) uit om die uitsetspanning te reguleer.

■Goeie benuttingstempo van transformatormagnetiese kerne - oordragkrag in beide halfsiklusse. ■Boonop is die benuttingstempo van die primêre winding beter as dié van die trek-stoot-kring.

■Volgolftopologiestruktuur, dus is die uitsetrimpelfrekwensie twee keer die frekwensie van die transformator.

■Die spanning wat op die FET toegepas word, is gelyk aan die insetspanning.

10、Volbrug

Kenmerkend:

■Die mees algemeen gebruikte topologiestruktuur vir hoëkrag-omsetters.

■Skakelaars (FET's) word in diagonale pare aangedryf en pulswydtemodulasie (PWM) word uitgevoer om die uitsetspanning te reguleer.

■Goeie benuttingstempo van transformatormagnetiese kerne - oordragkrag in beide halfsiklusse.

■Volgolftopologiestruktuur, dus is die uitsetrimpelfrekwensie twee keer die frekwensie van die transformator.

■Die spanning wat op die FET's toegepas word, is gelyk aan die insetspanning.

■Teen 'n gegewe drywing is die primêre stroom die helfte van dié van die halfbrug.

11. SEPIC Enkel-eindige primêre induktor-omskakelaar (SEPIC)

Kenmerkend:

■Die uitsetspanning kan groter of kleiner wees as die insetspanning.

■Soos 'n hupstootkring, is die insetstroom glad, maar die uitsetstroom is diskontinu.

■Energie word deur kondensators van inset na uitset oorgedra.

■Twee induktors word benodig.

12. C'uk (Slobodan C'uk-patent)

Kenmerkend:

■Uitvoer in omgekeerde fase.

■Die amplitude van die uitsetspanning kan groter of kleiner as die insetspanning wees.

■Die insetstroom en uitsetstroom is albei glad.

■Energie word deur kondensators van inset na uitset oorgedra.

■Twee induktors word benodig.

■Induktansie kan koppel om nul rimpeling induktorstroom te verkry.

13. Besonderhede van die stroombaanwerking

■Die volgende verduidelik die werkbesonderhede van verskeie topologiestrukture:

■Spanningsreguleerderdeurlopende geleiding, kritieke geleiding, diskontinue geleiding.

■Versterkingsreguleerder (deurlopende geleiding).

■Transformatorwerking.

■ terugslagtransformator.

■ Voorwaartse transformator.

14, Buck-spanningsreguleerder deurlopende geleiding

Kenmerkend:

■Die induktorstroom is deurlopend.

■Vout is die gemiddelde van sy insetspanning (V1).

■Die uitsetspanning is die produk van die insetspanning en die lasverhouding van die skakelaar (D).

■Wanneer dit gekoppel is, vloei die induktorstroom uit die battery.

■Wanneer die skakelaar afgeskakel word, vloei stroom deur die diode.

■As verliese in skakelaars en induktors verwaarloos word, is D onafhanklik van lasstroom.

■Die eienskappe van die spanningsreguleerder en sy afgeleide stroombane is:

■Insetstroom diskontinu (afkap), uitsetstroom kontinu (gladmaak).

15, Buck-spanningsreguleerder kritieke geleidingsvermoë

■ Die induktorstroom is steeds aaneenlopend, maar bereik nul wanneer die skakelaar weer aangeskakel word, wat "kritieke geleiding" genoem word. Die uitsetspanning is steeds gelyk aan die insetspanning vermenigvuldig met D.

16, Buck-spanningsreguleerder diskontinue geleiding

■ In hierdie geval is die stroom in die induktor nul vir 'n tydperk in elke siklus.

■Die uitsetspanning bly (altyd) die gemiddelde waarde van v1.

■Die uitsetspanning is nie die produk van die insetspanning en die lasverhouding van die skakelaar (D) nie.

■Wanneer die lasstroom onder die kritieke waarde is, verander D met die lasstroom (terwyl Vout konstant bly).

17、Hupstootreguleerder

■ Die uitsetspanning is altyd groter as (of gelyk aan) die insetspanning.

■ Deurlopende insetstroom, diskontinue uitsetstroom (teenoorgestelde spanningsreguleerder).

■Die verhouding tussen uitsetspanning en lasverhouding (D) is nie so eenvoudig soos in 'n spanningsreguleerder nie. In die geval van deurlopende geleidingsvermoë:

In hierdie voorbeeld, Vin = 5, Vuit = 15, en D = 2/3. Vuit = 15, D = 2/3.

18、 Transformatorwerking (insluitend die rol van primêre induktansie)

■ ’n Transformator word as ’n ideale transformator beskou, met sy primêre (gemagnetiseerde) induktansie wat parallel met die primêre transformator gekoppel is.

19. Terugslagtransformator

■ Die primêre induktansie hier is baie laag en word gebruik om piekstroom en gestoorde energie te bepaal. Wanneer die primêre skakelaar afgeskakel word, word energie na die sekondêre skakelaar oorgedra.

20、 Voorwaartse omskakelaartransformator

■ Die primêre induktansie is hoog omdat daar geen behoefte is om energie te stoor nie.

Die magnetiseringsstroom (i1) vloei in die "magnetiseringsinduktor", wat veroorsaak dat die magnetiese kern demagnetiseer (omgekeerde spanning) nadat die primêre skakelaar afgeskakel is.

Opsomming

■ Hierdie artikel hersien die mees algemene stroombaantopologieë in stroomskakelmodus-kragomskakeling.

■ Daar is baie ander topologiese strukture, maar die meeste van hulle is kombinasies of variasies van die topologie wat hier beskryf word.

■ Elke topologiestruktuur bevat unieke ontwerp-afwegings:

1) Spanning toegepas op die skakelaar

2) Kap en gladstryk van inset- en uitsetstrome

3) Benuttingstempo van wikkeling

■ Om die optimale topologie te kies, vereis navorsing oor:

1) Inset- en uitsetspanningsbereik

2) Huidige reikwydte

3) Die verhouding van koste tot prestasie, grootte tot gewig