¿Cómo calcular la inductancia en circuitos reductores, elevadores y reductores?
Palabras clave: circuito de refuerzo; conmutación suave; rectificación sincrónica
Introducción
El peso ligero y la miniaturización son los objetivos que persiguen los productos de suministro de energía actuales. Aumentar la frecuencia de conmutación puede reducir el tamaño de inductores, condensadores y otros componentes. Sin embargo, el cuello de botella al aumentar la frecuencia de conmutación es la pérdida de conmutación del dispositivo, por lo que la tecnología de conmutación suave surgió a medida que los tiempos lo exigían. Generalmente, para lograr el efecto de conmutación suave ideal, se requieren uno o más interruptores auxiliares para crear condiciones de conmutación suave para el interruptor principal, y se espera que el propio interruptor auxiliar también pueda lograr una conmutación suave.
Como topología CC/CC básica, el circuito Boost se utiliza ampliamente en diversos productos de energía. Dado que el circuito de refuerzo solo contiene un interruptor, a menudo es necesario agregar muchos circuitos adicionales activos o pasivos para lograr una conmutación suave, lo que aumenta el costo del convertidor y reduce la confiabilidad del convertidor.
Además del tubo de conmutación, el circuito de refuerzo también tiene un diodo. En el caso de salida de bajo voltaje, es mejor utilizar MOSFET en lugar de diodos (rectificación síncrona) para obtener una mayor eficiencia. Si este interruptor síncrono se puede utilizar como tubo auxiliar del interruptor principal para crear condiciones de conmutación suaves y realizar una conmutación suave al mismo tiempo, será una mejor solución.
Se propone un método para utilizar el circuito Boost para implementar una conmutación suave. Esta solución es adecuada para situaciones de bajo voltaje de salida.
Cómo funciona 1
La Figura 1 muestra un circuito de refuerzo síncrono con dos interruptores. Los dos interruptores son complementarios y hay una cierta zona muerta en el medio para evitar que se active el estado * *, como se muestra en la Figura 2. Normalmente, la corriente en el inductor del diseño es unidireccional, como se muestra en la quinta forma de onda de la Figura 2. Teniendo en cuenta la capacitancia de la unión y el tiempo muerto del interruptor, un ciclo se puede dividir en cinco etapas y el circuito equivalente de cada etapa se muestra en la Figura 3. La siguiente es una breve introducción al principio de funcionamiento de un circuito elevador síncrono en el que la dirección de la corriente del inductor no cambia. En este diseño, S2 puede implementar una conmutación suave, pero S1 solo puede funcionar en un estado de conmutación dura.
1) Etapa 1 [t0 ~ T1] En esta etapa, S1 se enciende, el voltaje de entrada se aplica a L y la corriente en L aumenta linealmente. En el momento t1, S1 se cierra y finaliza la fase.
2) Segunda etapa [T1 ~ T2] Después de apagar S1, la corriente del inductor carga la capacitancia de unión de S1, lo que hace que la capacitancia de unión de S2 descargue el voltaje de fuente de drenaje de S2. puede considerarse aproximadamente como una disminución lineal hasta que cae a cero, esta fase termina.
3) Etapa 3 [T2 ~ T3] Cuando el voltaje de la fuente de drenaje de S2 cae a cero, el diodo parásito de S2 se enciende, fijando el voltaje de la fuente de drenaje de S2 en un estado de voltaje cero. que es la conducción de voltaje cero crea condiciones.
4) En la etapa 4 [T3 ~ T4], la puerta de S2 pasa a un nivel alto y el voltaje cero de S2 se activa. La corriente en el inductor L vuelve a circular por S2. l soporta la diferencia entre el voltaje de salida y el voltaje de entrada, y la corriente disminuye linealmente hasta que se apaga S2, y esta etapa termina.
5) En la quinta etapa [T4 ~ T5], la dirección de la corriente en el inductor L sigue siendo positiva, por lo que la corriente solo se puede transferir al diodo parásito de S2 y a la capacitancia de unión de S1. no puede ser dado de alta. Por lo tanto, S1 se encuentra en estado de transferencia directa.
Luego se enciende S1 y entra al siguiente ciclo. Como se puede ver en el análisis anterior, S2 implementa una conmutación suave, pero S1 no. La razón es que después de apagar S2, la dirección de la corriente en el inductor es positiva y la capacitancia de unión de S1 no se puede descargar. Sin embargo, si L está diseñado para ser lo suficientemente pequeño como para que la corriente del inductor sea negativa cuando se apaga S2, como se muestra en la Figura 4, entonces la capacitancia de unión de S1 se puede descargar para lograr una conmutación suave de S1.
En este caso, un ciclo se puede dividir en seis etapas, y el circuito equivalente de cada etapa se muestra en la Figura 5.
Su principio de funcionamiento se describe a continuación.
1) Fase 1 [t0 ~ T1] En esta fase, S1 se enciende, el voltaje de entrada se aplica a L y la corriente en L aumenta linealmente de negativo a positivo. En el momento t1, S1 se cierra y finaliza la fase.
2) Segunda etapa [T1 ~ T2] Después de apagar S1, la corriente del inductor es positiva, la capacitancia de unión de S1 se carga y la capacitancia de unión de S2 se descarga. de S2 puede considerarse aproximadamente una disminución lineal. Esta fase termina hasta que el voltaje drenaje-fuente de S2 cae a cero.
3) Etapa 3 [T2 ~ T3] Cuando el voltaje de la fuente de drenaje de S2 cae a cero, el diodo parásito de S2 se enciende, fijando el voltaje de la fuente de drenaje de S2 en un estado de voltaje cero. que es la conducción de voltaje cero crea condiciones.
4) En la etapa 4 [T3 ~ T4], la puerta de S2 pasa a un nivel alto y el voltaje cero de S2 se activa. La corriente en el inductor L vuelve a circular por S2. l Soportar la diferencia entre el voltaje de salida y el voltaje de entrada, ¿la corriente es lineal? Muy pequeño hasta que se vuelve negativo, luego se cierra S2 y termina esta fase.
5) Etapa 5 [T4 ~ T5] La dirección de la corriente en el inductor L es negativa, lo que puede descargar la capacitancia de unión de S1 y cargar la capacitancia de unión de S2. Se puede considerar aproximadamente que el voltaje drenaje-fuente de S1 disminuye linealmente. Esta fase termina hasta que el voltaje drenaje-fuente de S1 cae a cero.
6) Etapa 6 [T5 ~ T6] Cuando el voltaje de la fuente de drenaje de S1 cae a cero, el diodo parásito de S1 se enciende, fijando el voltaje de la fuente de drenaje de S1 en un estado de voltaje cero. que es la conducción de voltaje cero crea condiciones.
Luego S1 se enciende a voltaje cero y entra al siguiente ciclo. Puede verse que en esta solución, tanto los conmutadores S1 como S2 pueden implementar un traspaso suave.
2 Diseño de parámetros de conmutación suave
La conmutación suave del circuito Boost se realiza mediante rectificación síncrona e inversión de corriente del inductor. La dificultad de la conmutación suave de los dos interruptores es diferente. El valor pico a pico de la corriente del inductor se puede expresar como:
δI =(VinDT)/L(1)
Donde: d es el ciclo de trabajo;
t es el ciclo de conmutación.
Por lo tanto, los valores máximo y mínimo de la corriente en el inductor se pueden expresar como:
IMAX =δI/2 Io(2)
imin =δI/2 -Io(3)
Donde: Io es la corriente de salida.
Sustituye la fórmula (1) en la fórmula (2) y la fórmula (3) para obtenerla.
Imax=(VinDT)/2L Io (4)
Ai Ming=(VinDT)/2L-Io (5)
Desde arriba puede ser Del análisis principal se desprende que la condición de conmutación suave de S1 se logra cargando Imin la capacitancia de unión de S2 y descargando la capacitancia de unión de S1. La condición de conmutación suave de S2 se logra cargando Imax la capacitancia de unión de S1 y descargando la capacitancia de unión de S2. Además, ¿normalmente a plena carga |Imax|? |Imin| Entonces, la dificultad del traspaso suave entre S1 y S2 es diferente que S2. Aquí, S1 se llama tubo débil y S2 se llama tubo fuerte.
La condición límite de conmutación suave del transistor fuerte S2 es que la capacitancia de unión de L y S1 resuena con la capacitancia de unión C2 de S2. La condición de que el voltaje en C2 pueda resonar a cero se puede expresar mediante la fórmula. (6).
Sustituyendo la fórmula (4) en la fórmula (6) se puede obtener.
De hecho, la ecuación (7) es fácil de satisfacer y el tiempo muerto no puede ser muy grande. Por lo tanto, se puede considerar aproximadamente que la corriente en el inductor L permanece sin cambios durante el tiempo muerto, es decir, la fuente de corriente constante está cargando la capacitancia de unión de S2, provocando que la capacitancia de unión de S1 se descargue. La condición ZVS en este caso se denomina condición suficiente y su expresión es la fórmula (8).
(C2 C1)Vo≤(Vent/2L Io)tdead2 (8)
Donde: tdead2 es el tiempo muerto antes de que se encienda S2.
De manera similar, la condición de conmutación suave del transistor débil S1 es la siguiente
(c 1 C2)Vo ≤ (VinDT/2L-Io)tdead 1(9)
Entre ellos: tdead1 es el tiempo muerto antes de que se abra S1.
En el diseño de circuitos real, las condiciones de conmutación suaves de los transistores fuertes son muy fáciles de lograr, por lo que la clave es diseñar las condiciones de conmutación suaves de los transistores débiles. Primero determine el tiempo muerto máximo permitido y luego calcule la inductancia L de acuerdo con la fórmula (9). Porque, bajo la premisa de la conmutación suave, L no puede ser demasiado pequeño, para no hacer que el valor de corriente efectiva en el tubo del interruptor sea demasiado grande, provocando así que la pérdida de conducción del interruptor sea demasiado grande.
3 Resultados experimentales
Un convertidor Boost síncrono con una frecuencia de conmutación de 200 kHz y una potencia de 100 W verifica aún más la exactitud del método de implementación de conmutación suave anterior.
Las especificaciones y parámetros principales del inversor son los siguientes:
Tensión de entrada Vin24V
Tensión de salida Vo40V
Corriente de salida Io0~ 2.5A
Frecuencia de operación f200kHz
Interruptor principal S1 y S2IRFZ44
Inductor L4.5μH
Figura 6(a), Figura 6 (b) Y la Figura 6 (c) es la forma de onda experimental a carga completa (2.5A). Como se puede ver en la Figura 6 (a), la corriente en el inductor L se invertirá dentro del período de DT o (1-d) T, lo que crea la condición para la conmutación suave de S1. Como se puede ver en la Figura 6(b) y la Figura 6(c), ambos interruptores S1 y S2 implementan ZVS. Sin embargo, a juzgar por la pendiente decreciente del voltaje vds, S1 tiene peores condiciones ZVS que S2. Esta es la diferencia entre tubos fuertes y tubos débiles.
La Figura 7 muestra la eficiencia de conversión del convertidor bajo diferentes corrientes de carga. La eficiencia máxima alcanza 97,1 y la eficiencia a plena carga es 96,9.
4 Conclusión
Este artículo propone una estrategia de conmutación suave para el circuito Boost: rectificación síncrona más inversión de corriente del inductor. En este esquema, los dos tubos de conmutación se dividen en tubos fuertes y tubos débiles según diferentes condiciones de conmutación suaves. En el diseño, la inductancia L debe determinarse en función de la condición crítica de conmutación suave del transistor débil. Debido a que se logra una conmutación suave, la frecuencia de conmutación puede diseñarse para que sea relativamente alta. El inductor puede diseñarse para que sea muy pequeño y el volumen del inductor requerido también puede ser relativamente pequeño (normalmente se pueden utilizar núcleos magnéticos de tipo I). Por lo tanto, este esquema es adecuado para alta densidad de potencia y bajo voltaje de salida.