Однотактный первичный индукторный преобразователь
Электрическое устройство
Рисунок 1: Схема SEPIC.

Однотактный первичный индукторный преобразователь ( SEPIC ) — это тип DC/DC-преобразователя , который позволяет электрическому потенциалу ( напряжению ) на выходе быть больше, меньше или равным потенциалу на входе. Выход SEPIC управляется рабочим циклом электронного переключателя (S1).

SEPIC по сути является повышающим преобразователем, за которым следует инвертированный понижающе-повышающий преобразователь . Хотя он похож на традиционный понижающе-повышающий преобразователь, у него есть несколько преимуществ. Он имеет неинвертированный выход (выход имеет ту же электрическую полярность , что и вход). Использование им последовательного конденсатора для соединения энергии от входа к выходу позволяет схеме более изящно реагировать на короткое замыкание на выходе. И он способен на настоящее отключение: когда переключатель S1 достаточно выключен, выход ( V 0 ) падает до 0 В после довольно сильного кратковременного сброса заряда. [1]

SEPIC полезны в приложениях, в которых напряжение батареи может быть выше и ниже предполагаемого выходного напряжения регулятора. Например, один литий-ионный аккумулятор обычно разряжается с 4,2 вольт до 3 вольт; если другим компонентам требуется 3,3 вольта, то SEPIC будет эффективен.

Работа схемы

Принципиальная схема для базового SEPIC показана на рисунке 1. Как и в случае с другими импульсными источниками питания (в частности, преобразователями постоянного тока в постоянный ток ), SEPIC обменивается энергией между конденсаторами и индукторами для преобразования одного напряжения в другое. Количество обмениваемой энергии контролируется переключателем S1, который обычно представляет собой транзистор, такой как MOSFET . MOSFET обеспечивают гораздо более высокое входное сопротивление и меньшее падение напряжения , чем биполярные транзисторы ( BJT ), и не требуют смещающих резисторов, поскольку переключение MOSFET контролируется разницей в напряжении, а не током, как в BJT.

Непрерывный режим

Говорят, что SEPIC находится в режиме непрерывной проводимости («непрерывный режим»), если токи через индукторы L1 и L2 никогда не падают до нуля в течение рабочего цикла. Во время установившегося режима работы SEPIC среднее напряжение на конденсаторе C1 ( V C1 ) равно входному напряжению ( V in ). [ почему? ] Поскольку конденсатор C1 блокирует постоянный ток (DC), средний ток через него ( I C1 ) равен нулю, что делает индуктор L2 единственным источником постоянного тока нагрузки. Следовательно, средний ток через индуктор L2 ( I L2 ) такой же, как средний ток нагрузки, и, следовательно, не зависит от входного напряжения.

Рассматривая средние напряжения, можно записать следующее:

В я Н = В Л 1 + В С 1 + В Л 2 {\displaystyle V_{IN}=V_{L1}+V_{C1}+V_{L2}}

Поскольку среднее напряжение V C1 равно V IN , поэтому V L1 = − V L2 . По этой причине два индуктора могут быть намотаны на один и тот же сердечник , что начинает напоминать преобразователь обратного хода , самую простую из топологий источников питания с трансформаторной изоляцией . Поскольку напряжения одинаковы по величине, их влияние на взаимную индуктивность будет равно нулю, если предположить, что полярность обмоток правильная. Кроме того, поскольку напряжения одинаковы по величине, токи пульсации от двух индукторов будут равны по величине.

Средние токи можно суммировать следующим образом (средние токи конденсаторов должны быть равны нулю):

я Д 1 = я Л 1 − я Л 2 {\displaystyle I_{D1}=I_{L1}-I_{L2}}

Когда переключатель S1 включен, ток I L1 увеличивается, а ток I L2 становится более отрицательным. (Математически он уменьшается из-за направления стрелки.) Энергия для увеличения тока I L1 поступает от входного источника. Поскольку S1 на короткое время замкнут, а мгновенное напряжение V L1 приблизительно равно V IN , напряжение V L2 приблизительно равно − V C1 . Поэтому D1 открывается, и конденсатор C1 поставляет энергию для увеличения величины тока в I L2 и, таким образом, увеличения энергии, запасенной в L2. I L подается через C2. Самый простой способ визуализировать это — рассмотреть напряжения смещения цепи в состоянии постоянного тока, а затем закрыть S1.

Рисунок 2: При замкнутом S1 ток через L1 (зеленый) увеличивается, а C1 разряжается, увеличивая ток в L2 (красный)

Когда переключатель S1 выключен, ток I C1 становится таким же, как ток I L1 , поскольку индукторы не допускают мгновенных изменений тока. Ток I L2 будет продолжаться в отрицательном направлении, фактически он никогда не меняет направление. Из диаграммы видно, что отрицательный I L2 будет добавляться к току I L1 , чтобы увеличить ток, подаваемый на нагрузку. Используя закон тока Кирхгофа , можно показать, что I D1 = I C1 - I L2 . Затем можно сделать вывод, что пока S1 выключен, мощность подается на нагрузку как от L2, так и от L1. Однако C1 заряжается от L1 во время этого цикла выключения (как C2 от L1 и L2), и, в свою очередь, будет перезаряжать L2 во время следующего цикла включения.

Рисунок 3: При разомкнутом S1 ток через L1 (зеленый) и ток через L2 (красный) создают ток через нагрузку

Поскольку потенциал (напряжение) на конденсаторе C1 может менять направление каждый цикл, следует использовать неполяризованный конденсатор. Однако в некоторых случаях можно использовать поляризованный танталовый или электролитический конденсатор, [2] поскольку потенциал (напряжение) на конденсаторе C1 не изменится, если только переключатель не будет замкнут достаточно долго для полуцикла резонанса с индуктором L2, а к этому времени ток в индукторе L1 может быть довольно большим.

Конденсатор C IN не оказывает влияния на анализ идеальной схемы, но необходим в реальных схемах регулятора для уменьшения влияния паразитной индуктивности и внутреннего сопротивления источника питания.

Возможности повышения/понижения SEPIC возможны благодаря конденсатору C1 и индуктору L2. Индуктор L1 и переключатель S1 создают стандартный повышающий преобразователь , который генерирует напряжение ( V S1 ), которое выше, чем V IN , величина которого определяется рабочим циклом переключателя S1. Поскольку среднее напряжение на C1 равно V IN , выходное напряжение ( V O ) равно V S1 - V IN . Если V S1 меньше, чем удвоенное V IN , то выходное напряжение будет меньше входного напряжения. Если V S1 больше, чем удвоенное V IN , то выходное напряжение будет больше входного напряжения.

Прерывистый режим

Говорят, что SEPIC находится в режиме прерывистой проводимости или в прерывистом режиме, если ток через любую из катушек индуктивности L1 или L2 может упасть до нуля во время рабочего цикла.

Надежность и эффективность

Падение напряжения и время переключения диода D1 имеют решающее значение для надежности и эффективности SEPIC. Время переключения диода должно быть чрезвычайно малым, чтобы не генерировать высокие скачки напряжения на индукторах, которые могут повредить компоненты. Можно использовать быстрые обычные диоды или диоды Шоттки .

Сопротивления в индукторах и конденсаторах также могут оказывать большое влияние на эффективность преобразователя и выходную пульсацию. Индукторы с более низким последовательным сопротивлением позволяют рассеивать меньше энергии в виде тепла, что приводит к большей эффективности (большая часть входной мощности передается нагрузке). Конденсаторы с низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) также следует использовать для C1 и C2, чтобы минимизировать пульсацию и предотвратить накопление тепла, особенно в C1, где ток часто меняет направление.

Недостатки

  • Как и преобразователь buck-boost , SEPIC имеет пульсирующий выходной ток. Похожий преобразователь Ćuk не имеет этого недостатка, но он может иметь только отрицательную выходную полярность, если только не используется изолированный преобразователь Ćuk.
  • Поскольку преобразователь SEPIC передает всю свою энергию через последовательный конденсатор, требуется конденсатор с высокой емкостью и возможностью пропускания тока.
  • Характер преобразователя четвертого порядка также затрудняет управление преобразователем SEPIC, делая его пригодным только для очень медленно изменяющихся приложений.

Смотрите также

Ссылки

  • Маниктала, Санджая. Проектирование и оптимизация импульсных источников питания , McGraw-Hill, Нью-Йорк, 2005 г.
  • Уравнения SEPIC и оценки компонентов , Maxim Integrated Products. Appnote 1051, 2005.
  • Преобразователь TM SEPIC в предварительном регуляторе PFC , STMicroelectronics. Примечание к применению AN2435. В этом замечании по применению представлено базовое уравнение преобразователя SEPIC, а также практический пример проектирования.
  • Высокочастотные преобразователи мощности , Intersil Corporation. Замечание по применению AN9208, апрель 1994 г. В этом замечании по применению рассматриваются различные архитектуры преобразователей мощности, включая различные режимы проводимости преобразователей SEPIC.
  1. ^ Роберт Уоррен, Эриксон (1997). Основы силовой электроники . Chapman & Hall.
  2. ^ Дунбин Чжан, Проектирование преобразователя Sepic. Май 2006 г., пересмотрено в апреле 2013 г. Ранее National Semiconductor Application Note 1484, теперь Texas Instruments Application Report SNVA168E.
На Викискладе есть медиафайлы по теме «Конвертеры SEPIC» .
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Преобразователь_с_однотактным_первичным_индуктором&oldid=1240194302"