Силовая электроника - прерыватели

Прерыватель использует высокую скорость для подключения и отключения от источника нагрузки. Постоянное постоянное напряжение периодически прикладывается к источнику нагрузки путем непрерывного включения / выключения переключателя питания. Период времени, в течение которого переключатель питания остается включенным или выключенным, называется временем включения и выключения прерывателя соответственно.

Чопперы в основном используются в электромобилях, преобразователях энергии ветра и солнца, а также в регуляторах двигателей постоянного тока.

Символ чоппера

Классификация чопперов

В зависимости от выходного напряжения прерыватели классифицируются как:

  • Повышающий прерыватель (повышающий преобразователь)
  • Step Down Chopper (понижающий преобразователь)
  • Step Up / Down Chopper (понижающий-повышающий преобразователь)

Шаг вперед Чоппер

Среднее выходное напряжение (V o ) повышающего прерывателя больше входного напряжения (V s ). На рисунке ниже показана конфигурация повышающего прерывателя.

Формы сигналов тока и напряжения

V 0 (среднее выходное напряжение) является положительным, когда прерыватель включен, и отрицательным, когда прерыватель выключен, как показано на диаграмме ниже.

где

T ON - интервал времени, когда прерыватель включен

T OFF - интервал времени, когда прерыватель выключен

V L - напряжение нагрузки

V s - напряжение источника

T - период времени измельчения = T ON + T OFF

V o определяется выражением -

$$ V_ {0} = \ frac {1} {T} \ int_ {0} ^ {T_ {ON}} V_ {S} dt $$

Когда прерыватель (CH) включен, нагрузка замыкается накоротко и, следовательно, выходное напряжение в течение периода TONравно нулю. Кроме того, за это время заряжается индуктор. Это дает V S = V L

$ L \ frac {di} {dt} = V_ {S}, $ $ \ frac {\ Delta i} {T_ {ON}} = \ frac {V_ {S}} {L} $

Следовательно, $ \ Delta i = \ frac {V_ {S}} {L} T_ {ON} $

Δi = - пиковый ток индуктора. Когда прерыватель (CH) выключен, разряд происходит через индуктор L. Следовательно, сумма V s и V L дается следующим образом:

$ V_ {0} = V_ {S} + V_ {L}, \ quad V_ {L} = V_ {0} -V_ {S} $

Но $ L \ frac {di} {dt} = V_ {0} -V_ {S} $

Таким образом, $ L \ frac {\ Delta i} {T_ {OFF}} = V_ {0} -V_ {S} $

Это дает $ \ Delta i = \ frac {V_ {0} -V_ {S}} {L} T_ {OFF} $

Приравнивание Δi из включенного состояния к Δi из выключенного состояния дает -

$ \ frac {V_ {S}} {L} T_ {ON} = \ frac {V_ {0} -V_ {S}} {L} T_ {OFF} $, $ V_ {S} \ left (T_ {ON } + T_ {OFF} \ right) = V_ {0} T_ {OFF} $

$ V_ {0} = \ frac {TV_ {S}} {T_ {OFF}} = \ frac {V_ {S}} {\ frac {\ left (T + T_ {ON} \ right)} {T}} $

Это дает среднее выходное напряжение как,

$$ V_ {0} = \ frac {V_ {S}} {1-D} $$

Приведенное выше уравнение показывает, что V o можно изменять от V S до бесконечности. Это доказывает, что выходное напряжение всегда будет больше входного напряжения, и, следовательно, оно увеличивает или увеличивает уровень напряжения.

Шаг вниз измельчитель

Это также известно как понижающий преобразователь. В этом измельчитель, среднее выходное напряжение V O меньше , чем входное напряжение V S . Когда прерыватель включен, V O = V S, а когда прерыватель выключен, V O = 0

Когда измельчитель включен -

$ V_ {S} = \ left (V_ {L} + V_ {0} \ right), \ quad V_ {L} = V_ {S} -V_ {0}, \ quad L \ frac {di} {dt} = V_ {S} -V_ {0}, \ quad L \ frac {\ Delta i} {T_ {ON}} = V_ {s} + V_ {0} $

Таким образом, размах токовой нагрузки определяется выражением

$ \ Delta i = \ frac {V_ {s} -V_ {0}} {L} T_ {ON} $

Принципиальная электрическая схема

где FD это безынерционный диод.

Когда прерыватель выключен, на индукторе происходит изменение полярности и разряд. Ток проходит через безынерционный диод и индуктивность к нагрузке. Это дает,

$$ L \ frac {di} {dt} = V_ {0} .................................. ...... \ влево (я \ вправо) $$

Переписывается как - $ \ quad L \ frac {\ Delta i} {T_ {OFF}} = V_ {0} $

$$ \ Delta i = V_ {0} \ frac {T_ {OFF}} {L} ............................. ...... \ left (ii \ right) $$

Приравнивание уравнений (i) и (ii) дает;

$ \ frac {V_ {S} -V_ {0}} {L} T_ {ON} = \ frac {V_ {0}} {L} T_ {OFF} $

$ \ frac {V_ {S} -V_ {0}} {V_ {0}} = \ frac {T_ {OFF}} {T_ {ON}} $

$ \ frac {V_ {S}} {V_ {0}} = \ frac {T_ {ON} -T_ {OFF}} {T_ {ON}} $

Приведенное выше уравнение дает:

$$ V_ {0} = \ frac {T_ {ON}} {T} V_ {S} = DV_ {S} $$

Уравнение (i) дает -

$ \ Delta i = \ frac {V_ {S} -DV_ {S}} {L} DT $, из $ D = \ frac {T_ {ON}} {T} $

$ = \ frac {V_ {S} - \ left (1-D \ right) D} {Lf} $

$ f = \ frac {1} {T} = $ частота прерывания

Формы сигналов тока и напряжения

Формы тока и напряжения приведены ниже -

Для понижающего прерывателя выходное напряжение всегда меньше входного напряжения. Это показано на форме волны ниже.

Шаг вверх / вниз измельчитель

Это также известно как повышающий преобразователь. Позволяет увеличивать или уменьшать уровень входного напряжения. На приведенной ниже схеме показан понижающий-повышающий прерыватель.

Когда прерыватель включен, индуктор L заряжается от источника напряжения V s . Поэтому V s = У л .

$$ L \ frac {di} {dt} = V_ {S} $$ $$ \ Delta i = \ frac {V_ {S}} {L} T_ {ON} = \ frac {V_ {S}} {L } T \ frac {T_ {ON}} {T} = \ frac {DV_ {S}} {Lf} $$

Потому что -

$ D = \ frac {T_ {ON}} {T} $ и $ f = \ frac {1} {T} ....................... ....................... \ влево (iii \ вправо) $

Когда прерыватель выключен, полярность индуктора меняется на противоположную, и это вызывает разряд через диод и нагрузку.

Следовательно,

$$ V_ {0} = - V_ {L} $$ $$ L \ frac {di} {dt} = - V_ {0} $$

$ L \ frac {\ Delta i} {T_ {OFF}} = - V_ {0} $, таким образом $ \ Delta i = - \ frac {V_ {0}} {L} T_ {OFF} ..... ........................... \ влево (iv \ вправо) $

Оценка уравнения (iii) и (iv) дает -

$ \ frac {DV_ {S}} {Lf} = - \ frac {V_ {0}} {L} T_ {OFF} $, $ DV_ {S} = - DV_ {S} = - V_ {0} T_ { OFF} f $

$ DV_ {S} = - V_ {0} \ frac {T-T_ {ON}} {T} = - V_ {0} \ left (1- \ frac {T_ {ON}} {T} \ right) $ , $ V_ {0} = - \ frac {DV_ {S}} {1-D} $

Потому что $ D = \ frac {T_ {ON}} {T} = \ frac {T-T_ {OFF}} {1-D} $

Это дает,

$ V_ {0} = \ frac {DV_ {S}} {1-D} $

D может изменяться от 0 до 1. Когда D = 0; V O = 0

Когда D = 0,5, V O = V S

Когда, D = 1, V O = ∞.

Следовательно, в интервале 0 ≤ D ≤ 0,5 выходное напряжение изменяется в диапазоне 0 ≤ V O <V S, и мы получаем понижающий или понижающий режим. В то время как в интервале 0,5 ≤ D ≤ 1 выходное напряжение изменяется в диапазоне V S ≤ V O ≤ ∞, и мы получаем операцию повышения или повышения.