Cómo funcionan los convertidores de impulso

Cómo funcionan los convertidores de impulso
Un convertidor elevador (también llamado convertidor elevador) es un circuito convertidor de CC a CC que está diseñado para convertir un voltaje de CC de entrada en un voltaje de CC de salida con un nivel que puede ser mucho más alto que el nivel de voltaje de entrada.

Sin embargo, el proceso siempre conserva la relación P = I x V, lo que significa que a medida que la salida del convertidor aumenta el voltaje de entrada, la salida sufre proporcionalmente una reducción en la corriente, lo que hace que la potencia de salida sea casi siempre igual a la entrada. potencia o menos que la potencia de entrada.

Cómo funciona un convertidor Boost

Un convertidor elevador es una especie de fuente de alimentación SMPS o conmutada que fundamentalmente funciona con dos semiconductores activos (transistor y diodo) y con un mínimo de un componente pasivo en forma de condensador o inductor o ambos para una mayor eficiencia.

En este caso, el inductor se utiliza básicamente para aumentar la tensión y el condensador se introduce para filtrar las fluctuaciones de conmutación y para reducir las ondas de corriente en la salida del convertidor.

La fuente de alimentación de entrada que puede ser necesaria para aumentar o intensificar podría adquirirse de cualquier fuente de CC adecuada, como baterías, paneles solares, generadores basados ​​en motores, etc.
Principio de operación

El inductor en un convertidor elevador juega el papel importante de aumentar el voltaje de entrada.

El aspecto crucial que se vuelve responsable de activar el voltaje de refuerzo de un inductor se debe a su propiedad inherente de resistir u oponerse a una corriente inducida repentinamente a través de él, y debido a su respuesta a esto con la creación de un campo magnético y, posteriormente, la destrucción del campo magnético. campo. La destrucción conduce a la liberación de la energía almacenada.

Este proceso anterior da como resultado el almacenamiento de la corriente en el inductor y la expulsión de esta corriente almacenada a través de la salida en forma de EMF inverso.

Un circuito controlador de transistor de relé se puede considerar un gran ejemplo de un circuito convertidor elevador. El diodo de retorno conectado a través del relé se introduce para cortocircuitar los campos electromagnéticos de retorno inverso de la bobina del relé y para proteger el transistor siempre que se apaga.

Si se quita este diodo y se conecta un rectificador de capacitor de diodo a través del colector / emisor del transistor, el voltaje aumentado de la bobina del relé se puede recolectar a través de este capacitor.

Diagrama de bloques del convertidor de impulso

El proceso en un diseño de convertidor elevador da como resultado un voltaje de salida que siempre es más alto que el voltaje de entrada.

Configuración de Boost Converter

Con referencia a la siguiente figura, podemos ver una configuración de convertidor elevador estándar, el patrón de trabajo puede entenderse como se indica en:

Cuando el dispositivo mostrado (que podría ser cualquier BJT de potencia estándar o un mosfet) se enciende, la corriente de la fuente de entrada ingresa al inductor y fluye en el sentido de las agujas del reloj a través del transistor para completar el ciclo en el extremo negativo de la fuente de entrada.

Impulsar el funcionamiento del dispositivo de conmutación del convertidor

Durante el proceso anterior, el inductor experimenta una introducción repentina de corriente a través de sí mismo y trata de resistir el influjo, lo que resulta en el almacenamiento de cierta cantidad de corriente en él a través de la generación de un campo magnético.

En la siguiente secuencia subsiguiente, cuando el transistor se apaga, la conducción de la corriente se interrumpe, forzando una vez más un cambio repentino en el nivel de corriente a través del inductor. El inductor responde a esto retrocediendo o liberando la corriente almacenada. Dado que el transistor está en la posición APAGADO, esta energía encuentra su camino a través del diodo D y a través de los terminales de salida mostrados en forma de voltaje EMF trasero.

Función de diodo en un convertidor elevador

El inductor realiza esto destruyendo el campo magnético que se creó anteriormente en él mientras el transistor estaba en el modo de encendido.

Sin embargo, el proceso anterior de liberación de energía se implementa con una polaridad opuesta, de modo que el voltaje de suministro de entrada ahora se vuelve en serie con el voltaje de fem de retorno del inductor. Y como todos sabemos, cuando las fuentes de suministro se unen en serie, su voltaje neto se suma para producir un resultado combinado mayor.

Lo mismo sucede en un convertidor elevador durante el modo de descarga del inductor, produciendo una salida que puede ser el resultado combinado de la tensión EMF trasera del inductor y la tensión de alimentación existente, como se muestra en el diagrama anterior.

Este voltaje combinado da como resultado una salida aumentada o una salida aumentada que encuentra su camino a través del diodo D y el capacitor transversal C para finalmente alcanzar la carga conectada.

El condensador C juega un papel bastante importante aquí, durante el modo de descarga del inductor, el condensador C almacena la energía combinada liberada en él, y durante la siguiente fase, cuando el transistor se apaga nuevamente y el inductor está en el modo de almacenamiento, el condensador C intenta para mantener el equilibrio suministrando su propia energía almacenada a la carga. Vea la figura siguiente.

Función de PWM y carga en convertidor elevador

Esto asegura un voltaje relativamente estable para la carga conectada que puede adquirir energía durante los períodos de encendido y apagado del transistor.

Si C no está incluido, esta función se cancela, lo que resulta en una menor potencia para la carga y una menor tasa de eficiencia.

El proceso explicado anteriormente continúa cuando el transistor se enciende / apaga a una frecuencia determinada, manteniendo el efecto de conversión de refuerzo.

Modos de operacion

Un convertidor elevador se puede operar principalmente en dos modos: el modo continuo y el modo discontinuo.

En modo continuo, nunca se permite que la corriente del inductor llegue a cero durante su proceso de descarga (mientras el transistor está apagado).

Esto sucede cuando el tiempo de ENCENDIDO / APAGADO del transistor se dimensiona de tal manera que el inductor siempre se vuelve a conectar rápidamente con la fuente de entrada a través del transistor encendido, antes de que pueda descargarse completamente a través de la carga y el capacitor C.

Esto permite que el inductor produzca constantemente el voltaje de refuerzo a una tasa eficiente.

En el modo discontinuo, el tiempo de encendido del transistor puede estar tan separado que se puede permitir que el inductor se descargue completamente y permanezca inactivo entre los períodos de encendido del transistor, creando enormes voltajes de ondulación a través de la carga y el condensador C.

Esto podría hacer que la salida sea menos eficiente y con más fluctuaciones.

El mejor enfoque es calcular el tiempo de ENCENDIDO / APAGADO del transistor que produce el voltaje máximo estable en la salida, lo que significa que debemos asegurarnos de que el inductor esté conmutado de manera óptima de modo que no se encienda demasiado rápido, lo que podría no permitir que se descargue de manera óptima, y ​​ni encenderlo muy tarde, lo que podría drenarlo en un punto ineficiente.

Cálculo, inductancia, corriente, voltaje y ciclo de trabajo en un convertidor elevador

Aquí discutiremos solo el modo continuo, que es la forma preferible de operar un convertidor elevador, evaluemos los cálculos involucrados con un convertidor elevador en modo continuo:

Mientras el transistor está en la fase de encendido, el voltaje de la fuente de entrada ( ) se aplica a través del inductor, induciendo una corriente ( ) se acumulan a través del inductor durante un período de tiempo, denotado por (t). Esto se puede expresar con la siguiente fórmula:

ΔIL / Δt = Vt / L

Para cuando el estado ENCENDIDO del transistor esté a punto de superar y el transistor esté a punto de APAGARSE, la corriente que se supone que se acumulará en el inductor puede estar dada por la siguiente fórmula:

ΔIL (encendido) = 1 / L 0ʃDT
o
Ancho = DT (Vi) / L

Donde D es el ciclo de trabajo. Para comprender su definición, puede consultar nuestro anterior b publicación relacionada con el convertidor de uck

L denota el valor de inductancia del inductor en Henry.

Ahora, mientras el transistor está en el estado APAGADO, y si asumimos que el diodo está ofreciendo una caída de voltaje mínima a través de él y el capacitor C lo suficientemente grande para poder producir un voltaje de salida casi constante, entonces la corriente de salida ( ) se puede deducir con la ayuda de la siguiente expresión

Vi - Vo = LdI / dt

Además, las variaciones actuales ( ) que puede ocurrir en el inductor durante su período de descarga (estado de transistor apagado) se puede dar como:

ΔIL (apagado) = 1 / L x DTʃT (Vi - Vo) dt / L = (Vi - Vo) (1 - D) T / L

Suponiendo que el convertidor podría estar funcionando con condiciones relativamente estables, se puede suponer que la magnitud de la corriente o la energía almacenada dentro del inductor a lo largo del ciclo de conmutación (conmutación) es constante o en una tasa idéntica, esto puede expresarse como:

E = ½ L x 2IL

Lo anterior también implica que, dado que la corriente a lo largo del período de conmutación, o al comienzo del estado ON y al final del estado OFF debe ser idéntica, su valor resultante del cambio en el nivel actual debe ser cero, como expresado a continuación:

ΔIL (encendido) + ΔIL (apagado) = 0

Si sustituimos los valores de ΔIL (encendido) y ΔIL (apagado) en la fórmula anterior de las derivaciones anteriores, obtenemos:

IL (encendido) - ΔIL (apagado) = Vidt / L + (Vi - Vo) (1 - D) T / L = 0

Simplificando aún más esto, se obtiene el siguiente resultado: Vo / Vi = 1 / (1 - D)

o

Vo = Vi / (1 - D)

La expresión anterior identifica claramente que el voltaje de salida en un convertidor elevador será siempre más alto que el voltaje de suministro de entrada (en todo el rango del ciclo de trabajo, 0 a 1)

Al mezclar los términos en los lados de la ecuación anterior, obtenemos la ecuación para determinar el ciclo de trabajo en un ciclo de trabajo del convertidor elevador.

D = 1 - Vo / Vi

Las evaluaciones anteriores nos dan las diversas fórmulas para determinar los diferentes parámetros involucrados en las operaciones del convertidor elevador, que se pueden utilizar de manera efectiva para calcular y optimizar un diseño preciso del convertidor elevador.

Calcular la etapa de potencia del convertidor de refuerzo


Las siguientes 4 pautas son necesarias para calcular la etapa de potencia del convertidor de refuerzo:

1. Rango de voltaje de entrada: Vin (min) y Vin (max)

2. Voltaje de salida mínimo: Vout

3. Corriente de salida más alta: Iout (máx.)

4. Circuito IC empleado para construir el convertidor elevador.
Esto suele ser obligatorio, simplemente porque se deben tomar ciertos esquemas para los cálculos que pueden no mencionarse en la hoja de datos.

En el caso de que estas limitaciones sean familiares, la aproximación de la etapa de potencia normalmente
tiene lugar.

Evaluación de la corriente de conmutación más alta


El paso principal para determinar la corriente de conmutación sería calcular el ciclo de trabajo, D, para el voltaje de entrada mínimo. Se emplea un voltaje de entrada mínimo desnudo principalmente porque esto da como resultado la corriente de conmutación más alta.

D = 1 - {Vin (min) x n} / Vout ---------- (1)

Vin (min) = voltaje de entrada mínimo

Vout = voltaje de salida requerido

n = eficiencia del convertidor, p. ej. el valor anticipado puede ser del 80%

La eficiencia se incluye en el cálculo del ciclo de trabajo, simplemente porque se requiere que el convertidor presente también la disipación de potencia. Esta estimación ofrece un ciclo de trabajo más sensible en comparación con la fórmula sin el factor de eficiencia.

Es posible que necesitemos permitir una tolerancia estimada del 80% (que podría no ser impráctico para un impulso
(el peor caso de eficiencia del convertidor), debe considerarse o posiblemente consultar la parte de Características convencionales de la hoja de datos del convertidor seleccionado

Cálculo de la corriente de ondulación


La acción posterior para calcular la corriente de conmutación más alta sería calcular la corriente de ondulación del inductor.

En la hoja de datos del convertidor generalmente se hace referencia a un inductor específico o una variedad de inductores para trabajar con el IC. Por lo tanto, debemos usar el valor de inductor sugerido para calcular la corriente de ondulación, si no se presenta nada en la hoja de datos, el estimado en la lista de inductores.

S elección de esta nota de aplicación para calcular la etapa de potencia del convertidor de impulso.

Delta I (l) = {Vin (min) x D} / f (s) x L ---------- (2)

Vin (min) = voltaje de entrada más pequeño

D = ciclo de trabajo medido en la Ecuación 1

f (s) = frecuencia de conmutación mínima del convertidor

L = valor de inductor preferido

Posteriormente, debe establecerse si el IC preferido puede proporcionar la salida óptima
Actual.

Iout (max) = [I lim (min) - Delta I (l) / 2] x (1 - D) ---------- (3)

I lim (min) = valor mínimo de la
restricción actual del interruptor involucrado (resaltado en los datos
hoja)

Delta I (l) = corriente de ondulación del inductor medida en la ecuación anterior

D = ciclo de trabajo calculado en la primera ecuación

En caso de que el valor estimado para la corriente de salida óptima del IC decidido, Iout (max), esté por debajo de la mayor corriente de salida esperada del sistema, realmente se debe emplear un IC alternativo con un control de corriente de conmutación ligeramente más alto.

Con la condición de que el valor medido para Iout (max) sea probablemente un tono menor que el esperado, posiblemente pueda aplicar el IC reclutado con un inductor con mayor inductancia siempre que esté todavía en la serie prescrita. Una inductancia más grande reduce la corriente de ondulación, por lo tanto, mejora la corriente de salida máxima con el IC específico.

Si el valor establecido está por encima de la mejor corriente de salida del programa, se calcula la mayor corriente de conmutación en el equipo:

Isw (máx.) = Delta I (L) / 2 + Iout (máx.) / (1 - D) --------- (4)

Delta I (L) = corriente de ondulación del inductor medida en la segunda ecuación

Iout (max), = corriente de salida óptima esencial en la utilidad

D = ciclo de trabajo medido anteriormente

En realidad, es la corriente óptima, el inductor, los interruptores adjuntos además del diodo externo deben enfrentarse.

Selección de inductor


A veces, las hojas de datos proporcionan numerosos valores de inductor recomendados. Si esta es la situación, querrá preferir un inductor con este rango. Cuanto mayor sea el valor del inductor, mayor será la corriente de salida máxima principalmente debido a la disminución de la corriente de ondulación.

La reducción del valor del inductor, la reducción es el tamaño de la solución. Tenga en cuenta que el inductor debería incluir invariablemente una mejor clasificación de corriente en comparación con la corriente máxima especificada en la Ecuación 4 debido al hecho de que la corriente se acelera al disminuir la inductancia.

Para elementos en los que no se distribuye el rango del inductor, la siguiente imagen es un cálculo confiable para el inductor adecuado

L = Vin x (Vout - Vin) / Delta I (L) x f (s) x Vout --------- (5)

Vin = voltaje de entrada estándar

Vout = voltaje de salida preferido

f (s) = frecuencia mínima de conmutación del convertidor

Delta I (L) = corriente de ondulación del inductor proyectada, observe a continuación:

La corriente de ondulación del inductor simplemente no se puede medir con la primera ecuación, simplemente porque no se reconoce el inductor. Una aproximación sólida para la corriente de ondulación del inductor es del 20% al 40% de la corriente de salida.

Delta I (L) = (0,2 a 0,4) x Iout (máx.) X Vout / Vin ---------- (6)

Delta I (L) = corriente de ondulación del inductor proyectada

Iout (max) = salida óptima
corriente requerida para la aplicación

Determinación del diodo rectificador


Para reducir las pérdidas, los diodos Schottky realmente deben considerarse una buena opción.
La clasificación de corriente directa considerada necesaria está a la par con la corriente de salida máxima:

I (f) = Iout (máx.) ---------- (7)

Yo (f) = típico
corriente directa del diodo rectificador

Iout (max) = corriente de salida óptima importante en el programa

Los diodos Schottky incluyen una clasificación de corriente máxima considerablemente mayor en comparación con la clasificación normal. Es por eso que el aumento de la corriente máxima en el programa no es una gran preocupación.

El segundo parámetro que debe controlarse es la disipación de potencia del diodo. Consiste en manejar:

P (d) = I (f) x V (f) ---------- (8)

I (f) = corriente directa promedio del diodo rectificador

V (f) = voltaje directo del diodo rectificador

Ajuste de voltaje de salida

La mayoría de los convertidores asignan el voltaje de salida con una red divisoria resistiva (que podría estar incorporada
si fueran convertidores de voltaje de salida estacionarios).

Con el voltaje de retroalimentación asignado, V (fb), y la corriente de polarización de retroalimentación, I (fb), el divisor de voltaje tiende a ser
calculado.



La corriente con la ayuda del divisor resistivo tal vez podría ser unas cien veces más masiva que la corriente de polarización de retroalimentación:

Yo (r1 / 2)> o = 100 x Yo (fb) ---------- (9)

I (r1 / 2) = corriente en el curso del divisor resistivo a GND

I (fb) = corriente de polarización de retroalimentación de la hoja de datos

Esto aumenta la inexactitud por debajo del 1% en la evaluación de voltaje. Además, la corriente es considerablemente mayor.

El principal problema con valores de resistencia más pequeños es una mayor pérdida de potencia en el divisor resistivo, excepto que la relevancia puede ser algo elevada.

Con la convicción anterior, las resistencias se elaboran como se enumeran a continuación:

R2 = V (fb) / I (r1 / 2) ---------- (10)

R1 = R2 x [Vout / V (fb) - 1] ---------- (11)

R1, R2 = divisor resistivo.

V (fb) = voltaje de retroalimentación de la hoja de datos

I (r1 / 2) = corriente debida al divisor resistivo a GND, establecido en la Ecuación 9

Vout = voltaje de salida planificado

Selección de condensador de entrada


El valor mínimo para el condensador de entrada generalmente se entrega en la hoja de datos. Este valor mínimo es vital para que la tensión de entrada sea estable como resultado del requisito previo de corriente pico de una fuente de alimentación conmutada.

El método más adecuado es utilizar condensadores cerámicos de resistencia en serie equivalente reducida (ESR).

El elemento dieléctrico debe ser X5R o superior. De lo contrario, el capacitor podría perder la mayor parte de su capacitancia debido a la polarización de CC o la temperatura (consulte las referencias 7 y 8).

De hecho, el valor podría aumentarse si quizás el voltaje de entrada es ruidoso.

Selección del condensador de salida

El mejor método es ubicar pequeños capacitores ESR para disminuir la ondulación en el voltaje de salida. Los condensadores cerámicos son los tipos adecuados cuando el elemento dieléctrico es del tipo X5R o más eficiente

En el caso de que el convertidor tenga una compensación externa, se puede aplicar cualquier tipo de valor de condensador por encima del mínimo recomendado en la hoja de datos, pero de alguna manera la compensación debe modificarse para la capacitancia de salida seleccionada.

Con convertidores compensados ​​internamente, es necesario acostumbrar los valores recomendables de inductor y condensador, o la información en la hoja de datos para adaptar los condensadores de salida podría adoptarse con la relación de L x C.

Con la compensación secundaria, las siguientes ecuaciones pueden ayudar a regular los valores del condensador de salida para una fluctuación de voltaje de salida planificada:

Cout (mínimo) = Iout (máximo) x D / f (s) x Delta Vout ---------- (12)

Cout (min) = capacitancia de salida más pequeña

Iout (max) = corriente de salida óptima del uso

D = ciclo de trabajo elaborado con la Ecuación 1

f (s) = frecuencia de conmutación mínima del convertidor

Delta Vout = ondulación de voltaje de salida ideal

La ESR del condensador de salida aumenta un poco más la ondulación, preasignada con la ecuación:

Delta Vout (ESR) = ESR x [Iout (máx.) / 1 -D + Delta I (l) / 2] ---------- (13)

Delta Vout (ESR) = ondulación de voltaje de salida alternativa resultante de los condensadores ESR

ESR = resistencia en serie equivalente del condensador de salida empleado

Iout (max) = mayor corriente de salida de la utilización

D = ciclo de trabajo calculado en la primera ecuación

Delta I (l) = corriente de ondulación del inductor de la Ecuación 2 o Ecuación 6

Ecuaciones para evaluar la etapa de potencia de un convertidor de impulso


Ciclo de trabajo máximo:
D = 1 - Vino (min) x n / Vout ---------- (14)

Vin (min) = voltaje de entrada más pequeño

Vout = voltaje de salida esperado

n = eficiencia del convertidor, p. ej. estimado 85%

Corriente de ondulación del inductor:


Delta I (l) = Vin (min) x D / f (s) x L ---------- (15)

Vin (min) = voltaje de entrada más pequeño

D = ciclo de trabajo establecido en la Ecuación 14

f (s) = frecuencia de conmutación nominal del convertidor

L = valor de inductor especificado

Corriente de salida máxima del IC nominado:

Iout (máx.) = [Ilim (min) - Delta I (l)] x (1 - D) ---------- (16)

Ilim (min) = valor más pequeño del límite actual de la bruja integral (ofrecido en la hoja de datos)

Delta I (l) = Corriente de ondulación del inductor establecida en la Ecuación 15

D = ciclo de trabajo estimado en la Ecuación 14

Corriente máxima de conmutación específica de la aplicación:

Isw (máx.) = Delta I (l) / 2 + Iout (máx.) / (1 - D) ---------- (17)

Delta I (l) = corriente de ondulación del inductor estimada en la Ecuación 15

Iout (máx.), = Corriente de salida más alta posible requerida en la utilidad

D = ciclo de trabajo calculado en la Ecuación 14

Aproximación del inductor:

L = Vin x (Vout - Vin) / Delta I (l) x f (s) x Vout ---------- (18)

Vin = voltaje de entrada común

Vout = voltaje de salida planificado

f (s) = frecuencia de conmutación mínima del convertidor

Delta I (l) = corriente de ondulación del inductor proyectada, consulte la Ecuación 19

Valoración actual de ondulación del inductor:

Delta I (l) = (0,2 a 0,4) x Iout (máx.) X Vout / Vin ---------- (19)

Delta I (l) = corriente de ondulación del inductor proyectada

Iout (max) = corriente de salida más alta importante en el uso

Corriente directa típica del diodo rectificador:

I (f) = Iout (máx.) ---------- (20)

Iout (max) = corriente de salida óptima apropiada en la utilidad

Disipación de energía en diodo rectificador:

P (d) = I (f)
x V (f) ---------- (21)


I (f) = corriente directa típica del diodo rectificador

V (f) = voltaje directo del diodo rectificador

Corriente mediante el uso de red de divisor resistivo para posicionamiento de voltaje de salida:

Yo (r1 / 2)> o = 100 x Yo (fb) ---------- (22)

I (fb) = corriente de polarización de retroalimentación de la hoja de datos

Valor de la resistencia entre el pin FB y GND:

R2 = V (fb) / I (r1 / 2) ---------- (23)

Valor de la resistencia entre el pin FB y Vout:

R1 = R2 x [Vout / V (fb) - 1] ---------- (24)

V (fb) = voltaje de retroalimentación de la hoja de datos

I (r1 / 2) = corriente
debido al divisor resistivo a GND, calculado en la Ecuación 22

Vout = voltaje de salida buscado

Capacitancia de salida más pequeña, de lo contrario preasignada en la hoja de datos:

Cout (mínimo) = Iout (máximo) x D / f (s) x Delta I (l) ---------- (25)

Iout (max) = máxima corriente de salida posible del programa

D = ciclo de trabajo calculado en la Ecuación 14

f (s) = frecuencia de conmutación mínima del convertidor

Delta Vout = ondulación esperada del voltaje de salida

Exceso de ondulación del voltaje de salida debido a ESR:

Delta Vout (esr) = ESR x [Iout (máx.) / (1 - D) + Delta I (l) / 2 ---------- (26)

ESR = resistencia en serie en paralelo del condensador de salida empleado

Iout (max) = corriente de salida óptima del uso

D = ciclo de trabajo determinado en la Ecuación 14

Delta I (l) = corriente de ondulación del inductor de la Ecuación 15 o la Ecuación 19


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