กลับไปหน้าบทความ

อ่าน 7 นาที

ตัวแปลงบูสต์

ตัว แปลงบูสต์ หรือ ตัวแปลงสเต็ปอัพ คือ ตัวแปลง DC-to-DC ที่เพิ่ม แรงดันไฟฟ้า ในขณะที่ลด กระแสไฟฟ้า จากอินพุต ( แหล่งจ่าย ) ไปยังเอาต์พุต ( โหลด )

ตัวแปลงบูสต์

โมดูลแปลงไฟราคาประหยัด: สองตัวแบบเพิ่มแรงดัน และหนึ่งตัวแบบลดแรงดัน
ด้านซ้ายคือวงจรเพิ่มแรงดันไฟจากเครื่องคิดเลขTI ซึ่งเดิมทีทำหน้าที่สร้างแรง ดันไฟ9  โวลต์จากแรงดันไฟฟ้า 2.4  โวลต์มาจากแบตเตอรี่ AA แบบชาร์จได้ สองก้อน (ด้านขวาคือส่วนที่เพิ่มเข้ามา)ขั้วต่อแบตเตอรี่แบบสแนป 9  โวลต์ )

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 (พี=ยูฉัน{\textstyle P=U\cdot I}) 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 เนื่องจากสมการสำหรับกำลังไฟฟ้าคือพี=วี2อาร์{\displaystyle \textstyle P={\frac {V^{2}}{R}}}และอาร์{\displaystyle R}โดยทั่วไป แล้วแรงดันไฟฟ้าจะค่อนข้างคงที่ แต่กำลังไฟฟ้าที่จ่ายให้กับอุปกรณ์จะลดลงอย่างมากเมื่อแรงดันไฟฟ้าลดลง

เซลล์แสงอาทิตย์

ตัวแปลงบูสต์ชนิดพิเศษที่เรียกว่าตัวแปลงบูสต์แบบยกแรงดันใช้ในระบบโซลาร์โฟโตโวลตาอิก (PV) ตัวแปลงพลังงานเหล่านี้เพิ่มส่วนประกอบแบบพาสซีฟ (ไดโอด ตัวเหนี่ยวนำ และตัวเก็บประจุ) ของตัวแปลงบูสต์แบบดั้งเดิมเพื่อปรับปรุงคุณภาพพลังงานและเพิ่มประสิทธิภาพของระบบ PV โดยรวม[ 4 ]

การวิเคราะห์วงจร

รูปที่ 1แผนผังวงจรแปลงแรงดันแบบบูสต์
รูปที่ 2เส้นทางกระแสไฟฟ้าสองเส้นทางของตัวแปลงบูสต์ ขึ้นอยู่กับสถานะของสวิตช์S

การดำเนินการ

แอนิเมชันตัวแปลง Boost

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...ฉันแอล{\displaystyle I_{\mathrm {L} }}ค่าจะไม่ลดลงเหลือศูนย์ ภาพที่ 3แสดงรูปคลื่นทั่วไปของกระแสและแรงดันในตัวเหนี่ยวนำในตัวแปลงที่ทำงานในโหมดนี้

รูปที่ 3รูปคลื่นของกระแสและแรงดันในตัวเหนี่ยวนำของวงจรแปลงแรงดันแบบบูสต์ที่ทำงานในโหมดต่อเนื่อง

ในสภาวะคงที่ แรงดันไฟฟ้ากระแสตรง (เฉลี่ย) คร่อมตัวเหนี่ยวนำจะต้องเป็นศูนย์ เพื่อให้หลังจากแต่ละรอบ ตัวเหนี่ยวนำจะกลับคืนสู่สถานะเดิม เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าคร่อมตัวเหนี่ยวนำเป็นสัดส่วนกับอัตราการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่าน (จะอธิบายรายละเอียดเพิ่มเติมด้านล่าง) โปรดสังเกตในรูปที่ 1ว่าด้านซ้ายของแอล{\displaystyle L}อยู่ที่วีฉัน{\displaystyle V_{\mathrm {i} }}และด้านขวามือของแอล{\displaystyle L}เห็นวีเอส{\displaystyle V_{\mathrm {S} }}รูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าจากรูปที่ 3ค่าเฉลี่ยของวีเอส{\displaystyle V_{\mathrm {S} }}คือ(1ดี)วีโอ{\displaystyle (1-D)V_{\mathrm {o} }}โดยที่ดี{\displaystyle D}คืออัตราส่วนรอบการทำงานของรูปคลื่นที่ขับสวิตช์ จากนี้เราจะได้ฟังก์ชันถ่ายโอนในอุดมคติ : วีฉัน=(1ดี)วีโอ{\displaystyle V_{\mathrm {i} }=(1-D)V_{\mathrm {o} }} หรือ วีโอวีฉัน=11ดี.{\displaystyle {\frac {V_{\mathrm {o} }}{V_{\mathrm {i} }}}={\frac {1}{1-D}}.}

เราได้ผลลัพธ์เดียวกันจากการวิเคราะห์โดยละเอียดเพิ่มเติมดังต่อไปนี้: แรงดันเอาต์พุตสามารถคำนวณได้ดังต่อไปนี้ในกรณีของตัวแปลงในอุดมคติ (เช่น การใช้ส่วนประกอบที่มีพฤติกรรมในอุดมคติ) ที่ทำงานในสภาวะคงที่: [ 5 ]

ในระหว่างสถานะเปิด สวิตช์Sจะปิดอยู่ ซึ่งทำให้แรงดันไฟฟ้าขาเข้าเปลี่ยนแปลงวีฉัน{\displaystyle V_{\mathrm {i} }}ปรากฏสัญญาณรบกวนที่ตัวเหนี่ยวนำ ซึ่งทำให้กระแสไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงฉันแอล{\displaystyle I_{\mathrm {L} }}ไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำในช่วงเวลาหนึ่งที{\displaystyle t}โดยใช้สูตร: ΔฉันแอลΔที=วีฉันแอล,{\displaystyle {\frac {\Delta I_{\mathrm {L} }}{\Delta t}}={\frac {V_{\mathrm {i} }}{L}},} ที่ไหนแอล{\displaystyle L}คือค่าของตัวเหนี่ยวนำ

เมื่อสิ้นสุดสถานะเปิด การเพิ่มขึ้นของฉันแอล{\displaystyle I_{\mathrm {L} }}ดังนั้น Δฉันแอล,บน=1แอล0ดีทีวีฉันที=ดีทีแอลวีฉัน,{\displaystyle {\begin{aligned}\Delta I_{\mathrm {L} {\text{,on}}}&={\frac {1}{L}}\int _{0}^{DT}V_{\mathrm {i} }\mathop {} \!dt\\&={\frac {DT}{L}}V_{\mathrm {i} },\end{aligned}}} ที่ไหนดี{\displaystyle D}คือรอบการทำงาน (duty cycle) ซึ่งแสดงถึงสัดส่วนของช่วงเวลาการสลับการทำงานที{\displaystyle T}ในระหว่างนั้นสวิตช์จะเปิดอยู่ ดังนั้นดี{\displaystyle D}มีค่าอยู่ระหว่าง0 ( Sไม่เคยเปิด) และ1 ( Sเปิดอยู่เสมอ)

ในสภาวะปิด สวิตช์Sจะเปิดอยู่ ดังนั้นกระแสในตัวเหนี่ยวนำจึงไหลผ่านโหลด หากเราพิจารณาว่าไม่มีแรงดันตกคร่อมในไดโอดและมีตัวเก็บประจุขนาดใหญ่พอที่จะทำให้แรงดันคงที่ การเปลี่ยนแปลงของฉันแอล{\displaystyle I_{\mathrm {L} }}เป็น: วีฉันวีโอ=แอลฉันแอลที.{\displaystyle V_{\mathrm {i} }-V_{\mathrm {o} }=L{\frac {dI_{\mathrm {L} }}{dt}}.}

ดังนั้น ความแปรผันของฉันแอล{\displaystyle I_{\mathrm {L} }}ในช่วงนอกเวลาทำการคือ: Δฉันแอล,ปิด=ดีทีที(วีฉันวีโอ)แอลที=(วีฉันวีโอ)(1ดี)ทีแอล.{\displaystyle {\begin{aligned}\Delta I_{\mathrm {L} {\text{,off}}}&=\int _{DT}^{T}{\frac {\left(V_{\mathrm {i} }-V_{\mathrm {o} }\right)\mathop {} }{L}}\mathop {} \!dt\\&={\frac {\left(V_{\mathrm {i} }-V_{\mathrm {o} }\right)\left(1-D\right)T}{L}}.\end{aligned}}}

เนื่องจากเราพิจารณาว่าตัวแปลงทำงานใน สภาวะ คงที่ ปริมาณพลังงานที่เก็บไว้ในแต่ละส่วนประกอบจึงต้องเท่ากันทั้งในตอนเริ่มต้นและตอนสิ้นสุดของรอบการสลับกระแส โดยเฉพาะอย่างยิ่ง พลังงานที่เก็บไว้ในตัวเหนี่ยวนำนั้นกำหนดโดย: อี=12แอลฉันแอล2.{\displaystyle E={\frac {1}{2}}LI_{\mathrm {L} }^{2}.}

ดังนั้น กระแสในตัวเหนี่ยวนำจะต้องเท่ากันทั้งในตอนเริ่มต้นและตอนสิ้นสุดของรอบการสลับกระแส ซึ่งหมายความว่าการเปลี่ยนแปลงโดยรวมของกระแส (ผลรวมของการเปลี่ยนแปลง) จะเป็นศูนย์: Δฉันแอล,บน+Δฉันแอล,ปิด=0.{\displaystyle \Delta I_{\mathrm {L} {\text{,on}}}+\Delta I_{\mathrm {L} {\text{,off}}}=0.}

การแทนที่Δฉันแอล,บน{\displaystyle \Delta I_{\mathrm {L} {\text{,on}}}}และΔฉันแอล,ปิด{\displaystyle \Delta I_{\mathrm {L} {\text{,off}}}}จากการแสดงออกของพวกเขาจะได้ผลลัพธ์ดังนี้: Δฉันแอล,บน+Δฉันแอล,ปิด=วีฉันดีทีแอล+(วีฉันวีโอ)(1ดี)ทีแอล=0.{\displaystyle \Delta I_{\mathrm {L} {\text{,on}}}+\Delta I_{\mathrm {L} {\text{,off}}}={\frac {V_{\mathrm {i} }DT}{L}}+{\frac {\left(V_{\mathrm {i} }-V_{\mathrm {o} }\right)\left(1-D\right)T}{L}}=0.}

สามารถเขียนได้ดังนี้: วีโอวีฉัน=11ดี.{\displaystyle {\frac {V_{\mathrm {o} }}{V_{\mathrm {i} }}}={\frac {1}{1-D}}.}

สมการข้างต้นแสดงให้เห็นว่าแรงดันเอาต์พุตจะสูงกว่าแรงดันอินพุตเสมอ (เมื่อรอบการทำงานเปลี่ยนจาก0เป็น1 ) และจะเพิ่มขึ้นตามดี{\displaystyle D}ตามทฤษฎีแล้ว อาจถึงอนันต์ได้ดี{\displaystyle D}วิธีที่1นี่คือเหตุผลที่บางครั้งตัวแปลงนี้ถูกเรียกว่าตัวแปลง 'เพิ่มแรงดัน' (step-up converter)

เมื่อจัดเรียงสมการใหม่ จะได้ว่ารอบการทำงานคือ: ดี=1วีฉันวีโอ.D=1-{\frac {V_{\mathrm {i} }}{V_{\mathrm {o} }}}.

โหมดไม่ต่อเนื่อง

หากแอมพลิจูดของกระแสริปเปิลสูงเกินไป ตัวเหนี่ยวนำอาจคายประจุจนหมดก่อนสิ้นสุดรอบการสลับกระแสทั้งหมด ซึ่งมักเกิดขึ้นภายใต้โหลดเบา ในกรณีนี้ กระแสที่ไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำจะลดลงเหลือศูนย์ในช่วงเวลาหนึ่ง (ดูรูปคลื่นในรูปที่ 4 ) แม้ว่าความแตกต่างจะเล็กน้อย แต่ก็มีผลอย่างมากต่อสมการแรงดันเอาต์พุต

รูปที่ 4รูปคลื่นของกระแสและแรงดันในตัวเหนี่ยวนำของวงจรแปลงแรงดันแบบบูสต์ที่ทำงานในโหมดไม่ต่อเนื่อง

สามารถคำนวณอัตราขยายแรงดันได้ดังนี้:

เนื่องจากกระแสในตัวเหนี่ยวนำในช่วงเริ่มต้นของรอบมีค่าเป็นศูนย์ ดังนั้นค่าสูงสุดของมันจึงมีค่าเป็นศูนย์เช่นกันฉันแอลสูงสุด{\displaystyle I_{\mathrm {L} {\text{,max}}}}(ที่ที=ดีที{\displaystyle t=DT})คือ ฉันแอลสูงสุด=วีฉันดีทีแอล{\displaystyle I_{\mathrm {L} {\text{,max}}}={\frac {V_{\mathrm {i} }DT}{L}}}

ในช่วงนอกเวลาทำการฉันแอล{\displaystyle I_{\mathrm {L} }}ลดลงเหลือศูนย์หลังจากδที{\displaystyle \delta T}:ฉันแอลสูงสุด+(วีฉันวีโอ)δทีแอล=0.{\displaystyle I_{\mathrm {L} {\text{,max}}}+{\frac {\left(V_{\mathrm {i} }-V_{\mathrm {o} }\right)\delta T}{L}}=0.}

โดยใช้สมการสองสมการก่อนหน้านี้δ{\displaystyle \delta }เป็น: δ=วีฉันดีวีโอวีฉัน{\displaystyle \delta ={\frac {V_{\mathrm {i} }D}{V_{\mathrm {o} }-V_{\mathrm {i} }}}}

กระแสโหลดฉันโอ{\displaystyle I_{\mathrm {o} }}เท่ากับกระแสไดโอดเฉลี่ยฉันดี{\displaystyle I_{\mathrm {D} }}ดังที่แสดงในรูปที่ 4กระแสไดโอดจะเท่ากับกระแสตัวเหนี่ยวนำในช่วงสถานะปิด ค่าเฉลี่ยของฉันโอ{\displaystyle I_{\mathrm {o} }}สามารถแยกออกได้ทางเรขาคณิตจากรูปที่ 4 ดังนั้น กระแสเอาต์พุตจึงสามารถเขียนได้ดังนี้: ฉันโอ=ฉัน¯ดี=ฉันแอลสูงสุด2δ.{\displaystyle {\begin{aligned}I_{\mathrm {o} }&={\bar {I}}_{\mathrm {D} }\\&={\frac {I_{\mathrm {L} {\text{,max}}}}{2}}\delta .\end{aligned}}}

การเปลี่ยนฉันแอลสูงสุด{\displaystyle I_{\mathrm {L} {\text{,max}}}}และδ{\displaystyle \delta }โดยการแสดงออกของแต่ละแบบจะได้ผลลัพธ์ดังนี้: ฉันโอ=วีฉันดีที2แอลวีฉันดีวีโอวีฉัน=วีฉัน2ดี2ที2แอล(วีโอวีฉัน).{\displaystyle {\begin{aligned}I_{\mathrm {o} }&={\frac {V_{\mathrm {i} }DT}{2L}}\cdot {\frac {V_{\mathrm {i} }D}{V_{\mathrm {o} }-V_{\mathrm {i} }}}\\&={\frac {V_{\mathrm {i} }^{2}D^{2}T}{2L\left(V_{\mathrm {o} }-V_{\mathrm {i} }\right)}}.\end{aligned}}}

ดังนั้น อัตราขยายแรงดันเอาต์พุตสามารถเขียนได้ดังนี้ วีโอวีฉัน=1+วีฉันดี2ที2แอลฉันโอ.{\displaystyle {\frac {V_{\mathrm {o} }}{V_{\mathrm {i} }}}=1+{\frac {V_{\mathrm {i} }D^{2}T}{2LI_{\mathrm {o} }}}.}

เมื่อเปรียบเทียบกับการแสดงค่าอัตราขยายแรงดันเอาต์พุตในโหมดต่อเนื่อง การแสดงค่านี้ซับซ้อนกว่ามาก นอกจากนี้ ในการทำงานแบบไม่ต่อเนื่อง อัตราขยายแรงดันเอาต์พุตไม่ได้ขึ้นอยู่กับรอบการทำงานเพียงอย่างเดียวดี{\displaystyle D}แต่ยังขึ้นอยู่กับค่าตัวเหนี่ยวนำด้วยแอล{\displaystyle L}แรงดันไฟฟ้าขาเข้าวีฉัน{\displaystyle V_{\mathrm {i} }}ระยะเวลาการสับเปลี่ยนที{\displaystyle T}และกระแสเอาต์พุตฉันโอ{\displaystyle I_{\mathrm {o} }} .

การแทนที่ฉันโอ=วีโออาร์{\textstyle I_{\mathrm {o} }={\frac {V_{\mathrm {o} }}{R}}}ลงในสมการ โดยที่อาร์{\displaystyle R}หากเป็นโหลด อัตราขยายแรงดันเอาต์พุตสามารถเขียนใหม่ได้ดังนี้: วีโอวีฉัน=1+1+4ดี2เค2,{\displaystyle {\frac {V_{\mathrm {o} }}{V_{\mathrm {i} }}}={\frac {1+{\sqrt {1+{\frac {4D^{2}}{K}}}}}{2}},} โดยที่[ 6 ]เค=2แอลอาร์ที.{\displaystyle K={\frac {2L}{RT}}.}

ดูเพิ่มเติม

อ่านเพิ่มเติม

  • Basso, Christophe (2008). แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมด: การจำลอง SPICE และการออกแบบเชิงปฏิบัติ . นิวยอร์ก: McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-150858-2.
  • Mohan, Ned; Undeland, Tore M.; Robbins, William P. (2003). Power Electronics . Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-42908-1.
  • คำอธิบายเกี่ยวกับพฤติกรรมที่ไม่เป็นเชิงเส้น การสร้างแบบจำลอง และการทำให้เป็นเชิงเส้นของตัวแปลง DC/DC แบบบูสต์
  • การทำงานของบูสต์คอนเวอร์เตอร์ที่ให้กำลังเอาต์พุตสูงสุดสำหรับการเก็บเกี่ยวพลังงาน

สรุปเนื้อหา

ข้อมูลสำคัญจากบทความ

ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ ตัวแปลงบูสต์

ตัว แปลงบูสต์ หรือ ตัวแปลงสเต็ปอัพ คือ ตัวแปลง DC-to-DC ที่เพิ่ม แรงดันไฟฟ้า ในขณะที่ลด กระแสไฟฟ้า จากอินพุต ( แหล่งจ่าย ) ไปยังเอาต์พุต ( โหลด )

ภาพรวม

พลังงานสำหรับบูสต์คอนเวอร์เตอร์สามารถมาจากแหล่งจ่ายไฟ DC ที่เหมาะสมใดๆ ก็ได้ เช่น แบตเตอรี่ แผง โซลาร์เซลล์ ตัว แปลงกระแสไฟฟ้า และ เครื่องกำเนิดไฟฟ้า DC กระบวนการที่เปลี่ยนแรงดันไฟฟ้า DC หนึ่งไปเป็นแรงดันไฟฟ้า DC อื่นเรียกว่าการแปลง DC เป็น DC...

ประวัติศาสตร์

เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูง สวิตช์ ของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมด (SMPS) ต้องเปิดและปิดได้อย่างรวดเร็วและมีการสูญเสียต่ำ การเกิดขึ้นของ สวิตช์ เซมิคอนดักเตอร์ เชิงพาณิชย์ ในช่วงทศวรรษ 1950 ถือเป็นก้าวสำคัญที่ทำให้ SMPS เช่น บูสต์คอนเวอร์เตอร์ เป็นไปได้ ตัวแปลง...

ระบบพลังงานแบตเตอรี่

ระบบจ่ายไฟด้วยแบตเตอรี่มักจะต่อเซลล์แบตเตอรี่แบบอนุกรมเพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น อย่างไรก็ตาม การต่อเซลล์จำนวนมากพออาจเป็นไปไม่ได้ในหลายๆ การใช้งานที่ต้องการแรงดันไฟฟ้าสูง เนื่องจากพื้นที่จำกัด...