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.