ตัวแปลงบูสต์


ตัวแปลงบูสต์หรือตัวแปลงสเต็ปอัพคือตัวแปลง DC-to-DCที่เพิ่มแรงดันไฟฟ้าในขณะที่ลดกระแสไฟฟ้าจากอินพุต ( แหล่งจ่าย ) ไปยังเอาต์พุต ( โหลด )
เป็นอุปกรณ์จ่ายไฟแบบสวิตช์โหมด (SMPS) ประเภทหนึ่งที่ประกอบด้วยสารกึ่งตัวนำอย่างน้อยสองตัว ได้แก่ไดโอดและทรานซิสเตอร์และมีองค์ประกอบเก็บพลังงานอย่างน้อยหนึ่งตัว ได้แก่ ตัวเก็บ ประจุ ตัวเหนี่ยวนำหรือทั้งสองอย่างรวมกัน เพื่อลดแรงดันริปเปิลมักจะมีการเพิ่มตัวกรองที่ทำจากตัวเก็บประจุ (บางครั้งร่วมกับตัวเหนี่ยวนำ) เข้าไปที่เอาต์พุต (ตัวกรองด้านโหลด) และอินพุต (ตัวกรองด้านแหล่งจ่าย) ของอุปกรณ์แปลงไฟประเภทนี้
ภาพรวม
พลังงานสำหรับบูสต์คอนเวอร์เตอร์สามารถมาจากแหล่งจ่ายไฟ DC ที่เหมาะสมใดๆ ก็ได้ เช่นแบตเตอรี่แผงโซลาร์เซลล์ตัวแปลงกระแสไฟฟ้าและเครื่องกำเนิดไฟฟ้า DC กระบวนการที่เปลี่ยนแรงดันไฟฟ้า DC หนึ่งไปเป็นแรงดันไฟฟ้า DC อื่นเรียกว่าการแปลง DC เป็น DC บูสต์คอนเวอร์เตอร์เป็นตัวแปลง DC เป็น DCที่มีแรงดันเอาต์พุตมากกว่าแรงดันแหล่งจ่าย บางครั้งบูสต์คอนเวอร์เตอร์เรียกว่าตัวแปลงเพิ่มแรงดัน เนื่องจากมัน "เพิ่ม" แรงดันแหล่งจ่าย เนื่องจากพลังงาน () จะต้องได้รับการอนุรักษ์กระแสเอาต์พุตจึงต่ำกว่ากระแสแหล่งจ่าย
กระบอกไฮดรอลิกสามารถมองได้ว่าเป็นอนาล็อกไฮดรอลิกของตัวแปลงบูสต์[ 1 ] [ 2 ]
ประวัติศาสตร์
เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูง สวิตช์ ของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมด (SMPS) ต้องเปิดและปิดได้อย่างรวดเร็วและมีการสูญเสียต่ำ การเกิดขึ้นของ สวิตช์ เซมิคอนดักเตอร์ เชิงพาณิชย์ ในช่วงทศวรรษ 1950 ถือเป็นก้าวสำคัญที่ทำให้ SMPS เช่น บูสต์คอนเวอร์เตอร์ เป็นไปได้ ตัวแปลง DC-to-DC ที่สำคัญได้รับการพัฒนาในช่วงต้นทศวรรษ 1960 เมื่อสวิตช์เซมิคอนดักเตอร์เริ่มมีวางจำหน่าย ความต้องการตัวแปลงพลังงานขนาดเล็ก น้ำหนักเบา และมีประสิทธิภาพสูงของอุตสาหกรรม การบินและอวกาศนำไปสู่การพัฒนาตัวแปลงอย่างรวดเร็ว
ระบบสวิตช์ เช่น SMPS เป็นระบบที่ออกแบบยาก เนื่องจากแบบจำลองขึ้นอยู่กับว่าสวิตช์เปิดหรือปิดอยู่RD MiddlebrookจากCaltechได้ตีพิมพ์แบบจำลองสำหรับตัวแปลง DC-to-DC ที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบันในปี 1977 Middlebrook ได้หาค่าเฉลี่ยของการกำหนดค่าวงจรสำหรับแต่ละสถานะของสวิตช์ด้วยเทคนิคที่เรียกว่าการหาค่าเฉลี่ยในปริภูมิสถานะ การทำให้ง่ายขึ้นนี้ลดระบบสองระบบให้เหลือเพียงระบบเดียว แบบจำลองใหม่นี้ได้นำไปสู่สมการการออกแบบที่ลึกซึ้ง ซึ่งช่วยส่งเสริมการเติบโตของ SMPS
แอปพลิเคชัน
ระบบพลังงานแบตเตอรี่
ระบบจ่ายไฟด้วยแบตเตอรี่มักจะต่อเซลล์แบตเตอรี่แบบอนุกรมเพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น อย่างไรก็ตาม การต่อเซลล์จำนวนมากพออาจเป็นไปไม่ได้ในหลายๆ การใช้งานที่ต้องการแรงดันไฟฟ้าสูง เนื่องจากพื้นที่จำกัด ตัวแปลงแรงดันแบบบูสต์สามารถเพิ่มแรงดันไฟฟ้าและลดจำนวนเซลล์ได้ การใช้งานที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่สองอย่างที่ใช้ตัวแปลงแรงดันแบบบูสต์ ได้แก่รถยนต์ไฮบริด (HEV) และระบบไฟส่องสว่าง
รถยนต์โตโยต้า พรี อุส ไฮบริด รุ่น NHW20 ใช้มอเตอร์ 500 Vหากไม่มีตัวแปลงบูสต์ Prius จะต้องใช้เซลล์เกือบ 417 เซลล์เพื่อจ่ายพลังงานให้กับมอเตอร์ อย่างไรก็ตาม Prius ใช้เซลล์เพียง 168 เซลล์[ 3 ]และเพิ่มแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่จาก202 โวลต์ถึง500 V.ตัวแปลงแรงดันแบบบูสต์ยังจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ในงานขนาดเล็ก เช่น ระบบไฟส่องสว่างแบบพกพา โดยทั่วไปแล้ว LED สีขาวต้องการแรงดัน ไฟ 500 V3.3 โวลต์สำหรับการเปล่งแสง และตัวแปลงแรงดันเพิ่ม (boost converter) สามารถเพิ่มแรงดันจากแรงดันไฟเลี้ยงเพียงแหล่งเดียวได้ใช้แบตเตอรี่อัลคาไลน์ 1.5 โวลต์เพื่อจ่ายไฟให้หลอดไฟ
โจรจูล
ในวงจรที่เรียกว่า " Joule thief " ซึ่งอิงตาม แนวคิด ของวงจร oscillator แบบบล็อก จะใช้ตัวแปลงแรงดันแบบบู สต์ที่ไม่ควบคุมเป็นกลไกเพิ่มแรงดัน วงจรประเภทนี้ใช้กับแบตเตอรี่กำลังต่ำ และมีจุดมุ่งหมายเพื่อให้ตัวแปลงแรงดันแบบบูสต์ "ขโมย" พลังงานที่เหลืออยู่ในแบตเตอรี่ พลังงานนี้จะถูกทิ้งไปโดยเปล่าประโยชน์ เนื่องจากแรงดันต่ำของแบตเตอรี่ที่ใกล้หมดทำให้ไม่สามารถใช้งานได้กับโหลดปกติ การลดลงของแรงดันนี้เกิดขึ้นเมื่อแบตเตอรี่ใกล้หมด และเป็นลักษณะเฉพาะของแบตเตอรี่อัลคาไลน์ ที่พบได้ทั่วไป เนื่องจากสมการสำหรับกำลังไฟฟ้าคือและโดยทั่วไป แล้วแรงดันไฟฟ้าจะค่อนข้างคงที่ แต่กำลังไฟฟ้าที่จ่ายให้กับอุปกรณ์จะลดลงอย่างมากเมื่อแรงดันไฟฟ้าลดลง
เซลล์แสงอาทิตย์
ตัวแปลงบูสต์ชนิดพิเศษที่เรียกว่าตัวแปลงบูสต์แบบยกแรงดันใช้ในระบบโซลาร์โฟโตโวลตาอิก (PV) ตัวแปลงพลังงานเหล่านี้เพิ่มส่วนประกอบแบบพาสซีฟ (ไดโอด ตัวเหนี่ยวนำ และตัวเก็บประจุ) ของตัวแปลงบูสต์แบบดั้งเดิมเพื่อปรับปรุงคุณภาพพลังงานและเพิ่มประสิทธิภาพของระบบ PV โดยรวม[ 4 ]
การวิเคราะห์วงจร


การดำเนินการ

หลักการสำคัญที่ขับเคลื่อนวงจรบูสต์คอนเวอร์เตอร์คือแนวโน้มของตัวเหนี่ยวนำที่จะต้านทานการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้าโดยการเพิ่มหรือลดพลังงานที่เก็บไว้ในสนามแม่เหล็กของตัวเหนี่ยวนำ ในวงจรบูสต์คอนเวอร์เตอร์ แรงดันเอาต์พุตจะสูงกว่าแรงดันอินพุตเสมอ แผนผังวงจรของวงจรบูสต์พาวเวอร์สเตจแสดงใน รูป ที่1
- สวิตช์ปิด
- เมื่อสวิตช์ปิดอยู่ ('สถานะเปิด') กระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำในทิศทางตามเข็มนาฬิกา และตัวเหนี่ยวนำจะเก็บพลังงานบางส่วนโดยการสร้างสนามแม่เหล็ก ขั้วของด้านซ้ายของตัวเหนี่ยวนำเป็นบวก
- สวิตช์เปิด
- เมื่อเปิดสวิตช์ ('สถานะปิด') สนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นก่อนหน้านี้จะลดพลังงานลงเพื่อรักษากระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำ ขั้วของตัวเหนี่ยวนำจะกลับด้าน ซึ่งหมายความว่าด้านซ้ายของตัวเหนี่ยวนำจะกลายเป็นลบ ผลที่ได้คือ กระแสไฟฟ้าจากทั้งแหล่งจ่ายแรงดันและตัวเหนี่ยวนำที่ต่ออนุกรมกันจะรวมกันและถูกส่งผ่านไดโอดD ที่ได้รับไบแอสไปข้างหน้า ไปยังโหลด
หากสวิตช์ถูกเปิดปิดเร็วพอ ตัวเหนี่ยวนำจะไม่คายประจุจนหมดระหว่างช่วงการชาร์จ และโหลดจะได้รับแรงดันไฟฟ้าที่มากกว่าแรงดันไฟฟ้าจากแหล่งจ่ายไฟเพียงอย่างเดียวเสมอเมื่อสวิตช์เปิดอยู่ นอกจากนี้ ในขณะที่สวิตช์เปิดอยู่ ตัวเก็บประจุที่ต่อขนานกับโหลดจะถูกชาร์จด้วยแรงดันไฟฟ้ารวมนี้ เมื่อสวิตช์ปิดลง และด้านขวาลัดวงจรกับด้านซ้าย ตัวเก็บประจุจึงสามารถจ่ายแรงดันไฟฟ้าและพลังงานให้กับโหลดได้ ในช่วงเวลานี้ ไดโอดป้องกันจะป้องกันไม่ให้ตัวเก็บประจุคายประจุผ่านสวิตช์ แน่นอนว่าต้องเปิดสวิตช์อีกครั้งเร็วพอเพื่อป้องกันไม่ให้ตัวเก็บประจุคายประจุมากเกินไป
หลักการพื้นฐานของตัวแปลงแรงดันบูสต์ประกอบด้วยสถานะที่แตกต่างกันสองสถานะ ( รูปที่ 2 ):
- ในรัฐ
- ในสถานะเปิด สวิตช์S ( รูปที่ 1 ) จะปิดอยู่ ส่งผลให้กระแสในตัวเหนี่ยวนำเพิ่มขึ้น
- นอกรัฐ
- ในสถานะปิด สวิตช์จะเปิดอยู่ และเส้นทางเดียวที่กระแสเหนี่ยวนำสามารถไหลผ่านได้คือผ่านไดโอดฟลายแบ็กDตัวเก็บประจุCและโหลดRซึ่งส่งผลให้พลังงานที่สะสมไว้ในระหว่างสถานะเปิดถูกถ่ายโอนไปยังตัวเก็บประจุ
กระแสอินพุตเท่ากับกระแสในตัวเหนี่ยวนำ ดังแสดงในรูปที่ 2ดังนั้นจึงไม่ขาดตอนเหมือนในตัวแปลงบัคและข้อกำหนดสำหรับตัวกรองอินพุตจึงผ่อนปรนกว่าเมื่อเทียบกับตัวแปลงบัค
โหมดต่อเนื่อง
เมื่อวงจรบูสต์คอนเวอร์เตอร์ทำงานในโหมดต่อเนื่อง กระแสที่ไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำจะ...ค่าจะไม่ลดลงเหลือศูนย์ ภาพที่ 3แสดงรูปคลื่นทั่วไปของกระแสและแรงดันในตัวเหนี่ยวนำในตัวแปลงที่ทำงานในโหมดนี้

ในสภาวะคงที่ แรงดันไฟฟ้ากระแสตรง (เฉลี่ย) คร่อมตัวเหนี่ยวนำจะต้องเป็นศูนย์ เพื่อให้หลังจากแต่ละรอบ ตัวเหนี่ยวนำจะกลับคืนสู่สถานะเดิม เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าคร่อมตัวเหนี่ยวนำเป็นสัดส่วนกับอัตราการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่าน (จะอธิบายรายละเอียดเพิ่มเติมด้านล่าง) โปรดสังเกตในรูปที่ 1ว่าด้านซ้ายของอยู่ที่และด้านขวามือของเห็นรูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าจากรูปที่ 3ค่าเฉลี่ยของคือโดยที่คืออัตราส่วนรอบการทำงานของรูปคลื่นที่ขับสวิตช์ จากนี้เราจะได้ฟังก์ชันถ่ายโอนในอุดมคติ : หรือ
เราได้ผลลัพธ์เดียวกันจากการวิเคราะห์โดยละเอียดเพิ่มเติมดังต่อไปนี้: แรงดันเอาต์พุตสามารถคำนวณได้ดังต่อไปนี้ในกรณีของตัวแปลงในอุดมคติ (เช่น การใช้ส่วนประกอบที่มีพฤติกรรมในอุดมคติ) ที่ทำงานในสภาวะคงที่: [ 5 ]
ในระหว่างสถานะเปิด สวิตช์Sจะปิดอยู่ ซึ่งทำให้แรงดันไฟฟ้าขาเข้าเปลี่ยนแปลงปรากฏสัญญาณรบกวนที่ตัวเหนี่ยวนำ ซึ่งทำให้กระแสไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำในช่วงเวลาหนึ่งโดยใช้สูตร: ที่ไหนคือค่าของตัวเหนี่ยวนำ
เมื่อสิ้นสุดสถานะเปิด การเพิ่มขึ้นของดังนั้น ที่ไหนคือรอบการทำงาน (duty cycle) ซึ่งแสดงถึงสัดส่วนของช่วงเวลาการสลับการทำงานในระหว่างนั้นสวิตช์จะเปิดอยู่ ดังนั้นมีค่าอยู่ระหว่าง0 ( Sไม่เคยเปิด) และ1 ( Sเปิดอยู่เสมอ)
ในสภาวะปิด สวิตช์Sจะเปิดอยู่ ดังนั้นกระแสในตัวเหนี่ยวนำจึงไหลผ่านโหลด หากเราพิจารณาว่าไม่มีแรงดันตกคร่อมในไดโอดและมีตัวเก็บประจุขนาดใหญ่พอที่จะทำให้แรงดันคงที่ การเปลี่ยนแปลงของเป็น:
ดังนั้น ความแปรผันของในช่วงนอกเวลาทำการคือ:
เนื่องจากเราพิจารณาว่าตัวแปลงทำงานใน สภาวะ คงที่ ปริมาณพลังงานที่เก็บไว้ในแต่ละส่วนประกอบจึงต้องเท่ากันทั้งในตอนเริ่มต้นและตอนสิ้นสุดของรอบการสลับกระแส โดยเฉพาะอย่างยิ่ง พลังงานที่เก็บไว้ในตัวเหนี่ยวนำนั้นกำหนดโดย:
ดังนั้น กระแสในตัวเหนี่ยวนำจะต้องเท่ากันทั้งในตอนเริ่มต้นและตอนสิ้นสุดของรอบการสลับกระแส ซึ่งหมายความว่าการเปลี่ยนแปลงโดยรวมของกระแส (ผลรวมของการเปลี่ยนแปลง) จะเป็นศูนย์:
การแทนที่และจากการแสดงออกของพวกเขาจะได้ผลลัพธ์ดังนี้:
สามารถเขียนได้ดังนี้:
สมการข้างต้นแสดงให้เห็นว่าแรงดันเอาต์พุตจะสูงกว่าแรงดันอินพุตเสมอ (เมื่อรอบการทำงานเปลี่ยนจาก0เป็น1 ) และจะเพิ่มขึ้นตามตามทฤษฎีแล้ว อาจถึงอนันต์ได้วิธีที่1นี่คือเหตุผลที่บางครั้งตัวแปลงนี้ถูกเรียกว่าตัวแปลง 'เพิ่มแรงดัน' (step-up converter)
เมื่อจัดเรียงสมการใหม่ จะได้ว่ารอบการทำงานคือ:
โหมดไม่ต่อเนื่อง
หากแอมพลิจูดของกระแสริปเปิลสูงเกินไป ตัวเหนี่ยวนำอาจคายประจุจนหมดก่อนสิ้นสุดรอบการสลับกระแสทั้งหมด ซึ่งมักเกิดขึ้นภายใต้โหลดเบา ในกรณีนี้ กระแสที่ไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำจะลดลงเหลือศูนย์ในช่วงเวลาหนึ่ง (ดูรูปคลื่นในรูปที่ 4 ) แม้ว่าความแตกต่างจะเล็กน้อย แต่ก็มีผลอย่างมากต่อสมการแรงดันเอาต์พุต

สามารถคำนวณอัตราขยายแรงดันได้ดังนี้:
เนื่องจากกระแสในตัวเหนี่ยวนำในช่วงเริ่มต้นของรอบมีค่าเป็นศูนย์ ดังนั้นค่าสูงสุดของมันจึงมีค่าเป็นศูนย์เช่นกัน(ที่)คือ
ในช่วงนอกเวลาทำการลดลงเหลือศูนย์หลังจาก:
โดยใช้สมการสองสมการก่อนหน้านี้เป็น:
กระแสโหลดเท่ากับกระแสไดโอดเฉลี่ยดังที่แสดงในรูปที่ 4กระแสไดโอดจะเท่ากับกระแสตัวเหนี่ยวนำในช่วงสถานะปิด ค่าเฉลี่ยของสามารถแยกออกได้ทางเรขาคณิตจากรูปที่ 4 ดังนั้น กระแสเอาต์พุตจึงสามารถเขียนได้ดังนี้:
การเปลี่ยนและโดยการแสดงออกของแต่ละแบบจะได้ผลลัพธ์ดังนี้:
ดังนั้น อัตราขยายแรงดันเอาต์พุตสามารถเขียนได้ดังนี้
เมื่อเปรียบเทียบกับการแสดงค่าอัตราขยายแรงดันเอาต์พุตในโหมดต่อเนื่อง การแสดงค่านี้ซับซ้อนกว่ามาก นอกจากนี้ ในการทำงานแบบไม่ต่อเนื่อง อัตราขยายแรงดันเอาต์พุตไม่ได้ขึ้นอยู่กับรอบการทำงานเพียงอย่างเดียวแต่ยังขึ้นอยู่กับค่าตัวเหนี่ยวนำด้วยแรงดันไฟฟ้าขาเข้าระยะเวลาการสับเปลี่ยนและกระแสเอาต์พุต .
การแทนที่ลงในสมการ โดยที่หากเป็นโหลด อัตราขยายแรงดันเอาต์พุตสามารถเขียนใหม่ได้ดังนี้: โดยที่[ 6 ]
ดูเพิ่มเติม
อ่านเพิ่มเติม
ลิงก์ภายนอก
- คำอธิบายเกี่ยวกับพฤติกรรมที่ไม่เป็นเชิงเส้น การสร้างแบบจำลอง และการทำให้เป็นเชิงเส้นของตัวแปลง DC/DC แบบบูสต์
- การทำงานของบูสต์คอนเวอร์เตอร์ที่ให้กำลังเอาต์พุตสูงสุดสำหรับการเก็บเกี่ยวพลังงาน