影響減速轉(zhuǎn)換器效率和損失的各種因素

重壓轉(zhuǎn)換器是一種DC-DC轉(zhuǎn)換器,可產(chǎn)生高于或低于輸入電壓的輸出電壓,使它成為動(dòng)力電子中各種應(yīng)用的多功能電轉(zhuǎn)換電源結(jié)構(gòu),在這些應(yīng)用中,輸入電壓調(diào)節(jié)和輸出電壓要求可能不同。

硬力加速轉(zhuǎn)換器以兩種不同的模式運(yùn)作:“buck”模式,輸出電壓低于輸入電壓;“buck”模式,輸出電壓高于輸入電壓。“bust”模式,輸出電壓高于輸入電壓。這兩種模式之間的過渡是平穩(wěn)的,使轉(zhuǎn)換器能夠在不同的輸入條件下保持穩(wěn)定的輸出電壓。

重力加速轉(zhuǎn)換器使用一個(gè)開關(guān)(通常是晶晶體管)和一個(gè)二極管操作,該開關(guān)控制著電流通過感應(yīng)器和電容器流動(dòng)。在開關(guān)的狀態(tài)下,能量儲(chǔ)存在感應(yīng)器中,在調(diào)離器狀態(tài)下,能量通過二極管傳輸?shù)捷敵觥ｉ_關(guān)的值勤周期,或O-時(shí)間與轉(zhuǎn)動(dòng)周期總周期的比率,決定了轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。調(diào)整值周期使輸出電壓能夠控制并維持在理想水平上。

根據(jù)轉(zhuǎn)換器的操作理論,從DC電源E獲得的磁能隨著時(shí)間推移在引力中積累。這種能量在時(shí)間里被轉(zhuǎn)移到負(fù)載中。負(fù)載的電壓必須具有圖8中描述的極度,因?yàn)槎O體以特定的方式定位。負(fù)載電壓的正終端與DC電源的負(fù)終端相連,表明該轉(zhuǎn)換器在負(fù)載中進(jìn)行電轉(zhuǎn)換。這是一個(gè)重要的轉(zhuǎn)換器特性,可能會(huì)限制其使用地點(diǎn)。

Figure 8: The buck-boost converter circuit diagram

當(dāng)開關(guān)(圖9)開關(guān)時(shí),導(dǎo)引器與DC電源E連接,導(dǎo)致導(dǎo)引電流從最小值直線增長到最大值(圖11)。 在此期間,二極管由于U和DC電源E的電壓總和而反向偏向,因此沒有進(jìn)行。

Figure 9: The buck-boost converter circuit diagram – interval tON

當(dāng)開關(guān)關(guān)閉時(shí),導(dǎo)電流通過二極管D(圖10)確定,將導(dǎo)電的磁能轉(zhuǎn)移到負(fù)載。如圖11所示,在負(fù)載電U的影響下,導(dǎo)電流從最大值下降到最低值。

Figure 10: The buck-boost converter circuit diagram – interval tOFF

在穩(wěn)定狀態(tài)下,整個(gè)感應(yīng)器的平均電壓值為零,這意味著:

$$S_+ = E cdot t_{ON} = S_- = U cdot t_{OFF} Rightarrow U = E cdot frac{t_{ON}}{t_{OFF}}$$

因此,這一轉(zhuǎn)換器可以作為一個(gè)逐步下調(diào)或逐步上調(diào)轉(zhuǎn)換器(t)ON/tOFF然而,應(yīng)當(dāng)指出,與助推轉(zhuǎn)換器一樣,電壓助推器的功能受到電路損失的限制。

Figure 11: The buck-boost converter – inductor voltage and current versus time graph

熱力轉(zhuǎn)換器與其電路表上的推力轉(zhuǎn)換器和熱力轉(zhuǎn)換器有一些相似之處。 下面是壓力轉(zhuǎn)換器的一些主要部分:

開關(guān)( S): 通常情況下,像MOSFET這樣的電動(dòng)晶體管會(huì)調(diào)節(jié)導(dǎo)體的當(dāng)前流量。轉(zhuǎn)換器的操作模式和輸出電壓取決于開關(guān)的上方和調(diào)值狀態(tài)。

二極 (D):當(dāng)開關(guān)處于離岸價(jià)格位置時(shí),它只允許電流向一個(gè)方向流動(dòng),從引文到輸出。輸出電容器由于二極管無法向輸入源排放。

誘導(dǎo)劑(L):開關(guān)在狀態(tài)上的儲(chǔ)存能量, 并在離岸價(jià)格狀態(tài)下釋放到輸出中。 引力對(duì)于平滑輸出電壓和當(dāng)前波形至關(guān)重要 。

電容器(C):通過儲(chǔ)存和釋放能量來過濾和平滑輸出電壓波形,通過減輕電壓波和瞬時(shí)反應(yīng)來保持穩(wěn)定的輸出電壓。

輸入和輸出過濾器:這些是可選部件,通常是電容器或感應(yīng)電容器(LC)組合,用于減少電磁干擾和轉(zhuǎn)換器輸入和輸出時(shí)的噪音。

充氣轉(zhuǎn)換器的地形學(xué)可以通過多種方式建立,包括非倒轉(zhuǎn)、uk和單端初級(jí)感應(yīng)轉(zhuǎn)換器(SEPIC)配置。 這些設(shè)置在輸入-輸出分離、電壓極和效率方面都有獨(dú)特的好處。

最后,壓強(qiáng)轉(zhuǎn)換器使用關(guān)鍵部件,包括開關(guān)、二極管、感應(yīng)器和電容器來控制和維持輸出電壓。它結(jié)合了壓強(qiáng)和推力轉(zhuǎn)換器的地形。 壓強(qiáng)轉(zhuǎn)換器的不同配置提供了特殊的好處,根據(jù)特定應(yīng)用需要量身定制。

Continuous and Discontinuous Conduction Modes

有兩種獨(dú)有的導(dǎo)導(dǎo)模式可以使用,即連續(xù)導(dǎo)導(dǎo)模式(CCM)和連續(xù)導(dǎo)導(dǎo)模式(DCM),這些模式基于感應(yīng)器當(dāng)前在轉(zhuǎn)換周期中的行為方式。

連續(xù)傳導(dǎo)模式(CCM):《集束彈藥公約》的感應(yīng)器電流從未達(dá)到零,在轉(zhuǎn)換周期中始終保持正值。這種操作模式通常在低輸出電壓波需要時(shí)或高功率應(yīng)用時(shí)選擇。與《集束彈藥公約》相比,《集束彈藥公約》具有較高的瞬時(shí)反應(yīng)能力、更順暢的波形和更高的效率。然而,為了確保流動(dòng)不變,《集束彈藥公約》需要更大的導(dǎo)管值,這可能導(dǎo)致規(guī)模和成本的增加。

連續(xù)連續(xù)導(dǎo)導(dǎo)模式(DCM):在數(shù)據(jù)元件管理中,轉(zhuǎn)換周期中有些時(shí)期沒有將能源轉(zhuǎn)移到產(chǎn)出,因?yàn)楦袘?yīng)器的電流下降到零。當(dāng)負(fù)荷流大幅下降或低功率應(yīng)用時(shí),經(jīng)常會(huì)觀察到數(shù)據(jù)元件管理。這種操作方法通過精簡控制戰(zhàn)略,可以產(chǎn)生較小的感應(yīng)器價(jià)值和更緊湊的設(shè)計(jì)。另一方面,數(shù)據(jù)元件管理則造成更多的輸出電壓波波、更大的轉(zhuǎn)換損耗以及更低的總體效率。

個(gè)人應(yīng)用要求、預(yù)期性能特征和設(shè)計(jì)限制將決定是否應(yīng)該使用CCM或DCM。 轉(zhuǎn)換器偶爾可以在兩種模式下工作,當(dāng)裝載電流波動(dòng)時(shí)在兩種模式之間轉(zhuǎn)換。 系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能必須維持在所謂的邊界導(dǎo)電模式(BCM ) 或關(guān)鍵導(dǎo)電模式(CrCM ) ( CrCM ) , 這需要更復(fù)雜的控制技術(shù)。

Design Considerations and Calculations

為了達(dá)到最佳性能、效率和可靠性,在設(shè)計(jì)減速轉(zhuǎn)換器時(shí)必須考慮若干因素,其中包括部件的選擇、控制戰(zhàn)略和參數(shù)計(jì)算,本節(jié)將概述減速轉(zhuǎn)換器的主要設(shè)計(jì)考慮和計(jì)算。

選擇構(gòu)成部分:轉(zhuǎn)換器的性能在很大程度上受到許多部件的選擇的影響,包括切換裝置、二極管、感應(yīng)器和電容器。切換裝置,通常是MOSFET,需要按適當(dāng)?shù)碾妷汉碗娏鱽碓u(píng)定,以承受預(yù)期的壓力。二極管應(yīng)有一個(gè)較低的前方電壓滴和快速反轉(zhuǎn)恢復(fù)時(shí)間來減少損失。應(yīng)選擇導(dǎo)引體,以維持連續(xù)或中斷的導(dǎo)電模式,并產(chǎn)生所需的輸出電壓波。為減少損失,電容器應(yīng)具有低等量的序列耐力和足夠的能力以保持輸出電壓的穩(wěn)定。

控制戰(zhàn)略控制戰(zhàn)略:瞬時(shí)反應(yīng)、穩(wěn)定性維持和輸出電壓調(diào)節(jié)的性能在很大程度上取決于控制策略。輸出電壓通常由脈動(dòng)波調(diào)制(PWM)管理,經(jīng)常用于調(diào)整轉(zhuǎn)換裝置的值勤周期。在不同的負(fù)荷和輸入電壓條件下,任務(wù)周期由反饋循環(huán)調(diào)整,通常使用電壓參考和錯(cuò)誤放大器。

參數(shù)計(jì)算:在設(shè)計(jì)過程中必須計(jì)算若干關(guān)鍵參數(shù),以確保壓強(qiáng)轉(zhuǎn)換器的正常運(yùn)行。

值日周期(D):值日周期確定實(shí)時(shí)與總切換期的比率,控制輸出電壓。對(duì)于減壓轉(zhuǎn)換器,可用下列公式計(jì)算值周期:

$$D = frac{V_{out}}{V_{in} + V_{out}}$$ $$U = E cdot frac{ t_{ON}}{t_{OFF}}$$ $$Rightarrow U + E = U + U cdot frac{t_{OFF}}{t_{ON}} = U cdot frac{ (t_{ON} + t_{OFF})}{t_{ON}} = U cdot frac{ T}{t_{ON}} = frac{U}fdhbvaq$$ $$Rightarrow d = frac{U}{U + E} = frac{V_{out}}{V_{out} + V_{in}}$$

感應(yīng)值 (L): 感應(yīng)值影響輸出電壓波并確定導(dǎo)電模式。 感應(yīng)值可以使用預(yù)期的波紋流( IL)、 切換頻率( fsw) 和值周期( D) 來計(jì)算。 在重力加速轉(zhuǎn)換器中, 感應(yīng)值可以使用以下公式來計(jì)算:

$$L = frac{Vin cdot D}{Delta I_L cdot f_{sw}}$$

當(dāng)切換設(shè)備打開時(shí)( t)ON),電導(dǎo)器儲(chǔ)存能源,當(dāng)它關(guān)閉時(shí)釋放(t)OFF在轉(zhuǎn)換周期中,誘導(dǎo)器峰值和谷流之間的差別被稱為引導(dǎo)器當(dāng)前波紋(IL)。較小的引引力價(jià)值將產(chǎn)生更大的當(dāng)前波紋,從而可能對(duì)轉(zhuǎn)換器效率和輸出電壓波產(chǎn)生影響。根據(jù)輸入電壓、任務(wù)周期所期望的當(dāng)前波紋和切換頻率,設(shè)計(jì)師可以選擇正確的引引力值,以產(chǎn)生最佳性能并保持應(yīng)用的偏好導(dǎo)電動(dòng)模式。

電容器值( Cin 和 Cout)輸入和輸出電容器有助于維護(hù)電壓穩(wěn)定性,并過濾高頻噪音。根據(jù)所需的輸入和輸出電壓波、調(diào)頻和裝載電流,可以計(jì)算出電能值。最后,在設(shè)計(jì)加速轉(zhuǎn)換器時(shí),必須認(rèn)真考慮部件的選擇、控制方案和參數(shù)計(jì)算。設(shè)計(jì)師可以通過考慮到這些標(biāo)準(zhǔn),取得最佳性能、有效性和可靠性。

Efficiency and Losses

效率對(duì)電轉(zhuǎn)換器的熱管理和總體能源消耗有重大影響,使其成為一項(xiàng)關(guān)鍵的性能衡量標(biāo)準(zhǔn),本節(jié)將闡述影響減速轉(zhuǎn)換器效率和損失的各種因素。

行為損失轉(zhuǎn)換器部件的阻力,特別是開關(guān)裝置、二極管、感應(yīng)器和電容器的阻力,造成傳導(dǎo)損失。開關(guān)裝置的在州上的阻力(RDS(on))和電流通過電流都會(huì)影響傳導(dǎo)損失。二極管承載的前方電壓滴(Vf)和電流在裝置中造成損失。由于它們各自的一系列阻力(ESR)和DC的阻力,感應(yīng)器和電容器承受著損失。消除這些阻力可以最大限度地減少傳導(dǎo)損失并提高效率。

轉(zhuǎn)置損失: 開關(guān)設(shè)備開關(guān)發(fā)生于各州之間和各州之間開關(guān)時(shí),即發(fā)生開關(guān)損失。這些損失是過渡期間電壓和電流重疊以及裝置寄生能力中能量儲(chǔ)存重疊造成的。使用低門電(Qg)裝置和設(shè)計(jì)門驅(qū)動(dòng)電路以減少轉(zhuǎn)接時(shí)間,可以降低轉(zhuǎn)接損失。此外,低開關(guān)頻率操作可能有助于減少轉(zhuǎn)接損失,同時(shí)保持產(chǎn)出電壓穩(wěn)定性和波紋性能需要更大的被動(dòng)部件。

磁力損失:核心材料中的歇斯底里和搖晃流、近距離和風(fēng)向中的皮膚效應(yīng)都對(duì)導(dǎo)引器中的磁性損失負(fù)有責(zé)任。 利用低巖心損失的合適核心材料、改進(jìn)刮線方法,以及在某些情況下以較低的轉(zhuǎn)接頻率操作,都有助于減少高頻磁性損失。

C. 控制損失和輔助損失:轉(zhuǎn)換器的控制電路,包括門驅(qū)動(dòng)器、誤差放大器和電壓參考,也增加了總功率損失。盡管這些損失與其他損失相比往往微不足道,但在確定轉(zhuǎn)換器的總體效率時(shí),應(yīng)考慮到這些損失。

Applications and Examples

Buck-Bowest轉(zhuǎn)換器是多種用途的多功能功率轉(zhuǎn)換裝置,可以加速或降低輸入電壓以滿足具體的產(chǎn)出要求。本節(jié)探討一些典型的應(yīng)用和buck-Bast轉(zhuǎn)換器的例子。

便攜式電子設(shè)備比如智能手機(jī)、筆記本電腦和醫(yī)療設(shè)備都使用能夠排放的電池。 巴克-加速轉(zhuǎn)換器確保穩(wěn)定的輸出電壓,以達(dá)到最佳性能,即使電池電壓低于理想水平。

能源收獲系統(tǒng)如太陽能電池板和熱電發(fā)電機(jī)等,由于環(huán)境條件,輸出電壓可變,Buck-Bast轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)這些電壓,為下游載荷或電池充電提供穩(wěn)定的輸出。

汽車電子設(shè)備對(duì)各種系統(tǒng)有不同的電壓要求,這些電壓轉(zhuǎn)換器通過維持穩(wěn)定的電力供應(yīng)可以提供,這確保了可靠的性能,即使由于車輛電氣系統(tǒng)或電池電壓的波動(dòng)而造成不同的輸入電壓,也確保了可靠的性能。

工業(yè)和電信設(shè)備Buck-bast轉(zhuǎn)換器可以保持精確的輸出電壓,即使由于線條擾動(dòng)或負(fù)載變化造成輸入電壓變化。

巴克-加速轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)電流和電壓LED照明系統(tǒng)這些轉(zhuǎn)換器可容納不同電源,包括電池、AC-DC適應(yīng)器和可再生能源系統(tǒng)的各種輸入電壓。

責(zé)任編輯：彭菁