Venti tipi di topologia degli alimentatori switching

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2022-03-17 145

Cos'è la topologia? La cosiddetta topologia del circuito è il metodo di connessione dei dispositivi di potenza e dei componenti elettromagnetici nel circuito e la progettazione dei componenti magnetici, del circuito di compensazione a circuito chiuso e di tutti gli altri componenti del circuito dipende dalla topologia. Le topologie più basilari sono i convertitori buck, boost e boost/buck, flyback isolati, forward, push-pull, a ponte intero e a mezzo ponte.
Esistono circa 14 topologie comuni di alimentatori a commutazione, ognuna delle quali ha le proprie caratteristiche e occasioni applicabili. Il principio di selezione è vedere se si tratta di un'uscita ad alta o bassa potenza, ad alta tensione o a bassa tensione e se sono presenti il minor numero di componenti possibile.
Pertanto, è molto importante conoscere i vantaggi, gli svantaggi e i campi di applicazione delle diverse topologie per poter selezionare correttamente le topologie. La scelta sbagliata renderà la dieta destinata al fallimento fin dall’inizio. Di seguito sono riepilogate 20 topologie di base degli alimentatori a commutazione per aiutare il sistema a padroneggiare il principio di funzionamento e le caratteristiche di base di ciascuna struttura del circuito.

Confronto di 20 topologie di alimentatori switching

Topologia di base comune di: ■ Buck step-down ■ Boost boost ■ Buck-Boost buck-boost ■ Flyback flyback ■ Avanti eccitazione avanti ■ Due transistor Avanti doppio transistor avanti ■ Push-Pull push-pull ■ Mezzo ponte Mezzo ponte ■ Ponte intero Ponte intero ■ SEPIC ■ C'uk

Forma d'onda di base della modulazione dell'ampiezza dell'impulso di

Queste topologie sono tutte correlate ai circuiti di commutazione e la forma d'onda di base della modulazione dell'ampiezza dell'impulso è definita come segue:

三、Buck 降压

Caratteristiche:
■ Ridurre l'ingresso a una tensione inferiore.
■ Probabilmente il circuito più semplice.
■ Il filtro induttore/condensatore attenua l'onda quadra dopo la commutazione.
■ L'output è sempre inferiore o uguale all'input.
■ Corrente di ingresso discontinua (chopping)
■ Corrente di uscita uniforme

Aumenta la spinta

Caratteristiche:
■ Aumentare la tensione in ingresso.
■ Uguale allo step-down, ma l'induttore, l'interruttore e il diodo sono riorganizzati.
■ Il rapporto di uscita è sempre maggiore o uguale all'ingresso (ignorando la caduta di tensione diretta del diodo)
■ Livellamento della corrente in ingresso
■ Corrente di uscita discontinua (chopping)

Buck-Boost, Buck-Boost

Caratteristiche:
■ Un altro metodo di disposizione di induttori, interruttori e diodi
■ Combina gli svantaggi dei circuiti buck e boost.
■ Corrente di ingresso discontinua (chopping)
■ Anche la corrente in uscita è discontinua (chopping)
■ L'uscita è sempre opposta all'ingresso (notare la polarità del condensatore), ma l'ampiezza può essere minore o maggiore dell'ingresso.
■ Il convertitore "flyback" è in realtà sotto forma di isolamento del circuito buck-boost (accoppiamento del trasformatore).

Ritorno di riga

Caratteristiche:
■ Funziona come un circuito buck-boost, ma l'induttore ha due avvolgimenti, che fungono sia da trasformatore che da induttore.
■ L'uscita può essere positiva o negativa, a seconda della polarità della bobina e del diodo.
■ La tensione di uscita può essere maggiore o minore della tensione di ingresso, che è determinata dal rapporto spire del trasformatore.
■ Questa è la topologia isolata più semplice.
■ È possibile ottenere più uscite aggiungendo avvolgimenti e circuiti secondari.

Avanti è emozionato

Caratteristiche:
■ Forma di accoppiamento del trasformatore del circuito step-down.
■ Corrente di ingresso discontinua e corrente di uscita uniforme.
■ Poiché viene utilizzato il trasformatore, l'uscita può essere maggiore o minore dell'ingresso e può avere qualsiasi polarità.
■ È possibile ottenere più uscite aggiungendo avvolgimenti e circuiti secondari.
■ Il nucleo del trasformatore deve essere smagnetizzato ad ogni ciclo di commutazione. La pratica comune è quella di aggiungere un avvolgimento con lo stesso numero di spire dell'avvolgimento primario.
■ L'energia immagazzinata nell'induttore primario durante la fase di accensione viene rilasciata attraverso avvolgimenti e diodi aggiuntivi durante la fase di spegnimento.

Caratteristiche:■ Forma di accoppiamento del trasformatore del circuito step-down.■ Corrente di ingresso discontinua e corrente di uscita uniforme.■ Poiché viene utilizzato il trasformatore, l'uscita può essere maggiore o minore dell'ingresso e può avere qualsiasi polarità.■ È possibile ottenere più uscite aggiungendo avvolgimenti e circuiti secondari.■ Il nucleo del trasformatore deve essere smagnetizzato ad ogni ciclo di commutazione. La pratica comune è quella di aggiungere un avvolgimento con lo stesso numero di spire dell'avvolgimento primario.■ L'energia immagazzinata nell'induttore primario durante la fase di accensione viene rilasciata attraverso avvolgimenti e diodi aggiuntivi durante la fase di spegnimento.

Doppio transistor in avanti

Caratteristiche:
■ Due interruttori funzionano contemporaneamente.
■ Quando l'interruttore è spento, l'energia immagazzinata nel trasformatore inverte la polarità del primario e accende il diodo.I principali vantaggi:
■ La tensione su ciascun interruttore non supererà mai la tensione di ingresso.
■ Non è necessario reimpostare il binario di avvolgimento.

Spingi-tira, spingi-tira

Caratteristiche:
■ L'interruttore (FET) guida diverse fasi ed esegue la modulazione dell'ampiezza dell'impulso (PWM) per regolare la tensione di uscita.
■ Buon rapporto di utilizzo della trasmissione di potenza dal nucleo del trasformatore in entrambi i semicicli.
■ Topologia a onda intera, quindi la frequenza di ondulazione in uscita è doppia rispetto a quella del trasformatore.
■ La tensione applicata al FET è il doppio della tensione di ingresso.

Mezzo ponte mezzo ponte

Caratteristiche:
■ La struttura topologica del convertitore di potenza superiore è molto comunemente utilizzata.
■ L'interruttore (FET) guida diverse fasi ed esegue la modulazione dell'ampiezza dell'impulso (PWM) per regolare la tensione di uscita.
■ Buon rapporto di utilizzo della trasmissione di potenza dal nucleo del trasformatore in entrambi i semicicli. E il rapporto di utilizzo dell'avvolgimento primario è migliore di quello del circuito push-pull.
■ Topologia a onda intera, quindi la frequenza di ondulazione in uscita è doppia rispetto a quella del trasformatore.
■ La tensione applicata al FET è uguale alla tensione di ingresso.

Ponte a ponte intero

Caratteristiche:
■ La topologia più comunemente utilizzata dei convertitori di potenza superiore.
■ Gli interruttori (FET) vengono pilotati sotto forma di coppie diagonali e viene eseguita la modulazione di larghezza di impulso (PWM) per regolare la tensione di uscita.
■ Buon rapporto di utilizzo della trasmissione di potenza dal nucleo del trasformatore in entrambi i semicicli.
■ Topologia a onda intera, quindi la frequenza di ondulazione in uscita è doppia rispetto a quella del trasformatore.
■ La tensione applicata ai FET è uguale alla tensione di ingresso.
■ Ad una data potenza, la corrente primaria è pari alla metà del mezzo ponte.

Convertitore induttore primario single-ended SEPIC

Caratteristiche:
■ La tensione di uscita può essere maggiore o minore della tensione di ingresso.
■ Come il circuito boost, la corrente di ingresso è uniforme, ma la corrente di uscita è discontinua.
■ L'energia viene trasferita dall'ingresso all'uscita attraverso un condensatore.
■ Sono necessari due induttori.

C'uk (brevetto di Slobodan C'uk)

Caratteristiche:
■ Inversione di uscita
■ L'ampiezza della tensione di uscita può essere maggiore o minore di quella di ingresso.
■ Sia la corrente di ingresso che quella di uscita sono uniformi.
■ L'energia viene trasferita dall'ingresso all'uscita attraverso un condensatore.
■ Sono necessari due induttori.
■ Gli induttori possono essere accoppiati per ottenere una corrente dell'induttore con ondulazione pari a zero.

Dettagli del lavoro del circuito

Spiegare i dettagli di funzionamento delle seguenti topologie:
■ Regolatore step-down: conduzione continua, conduzione critica e conduzione discontinua.
■ Regolatore boost (conduzione continua)
■ Funzionamento del trasformatore
■ Trasformatore flyback
■ Trasformatore diretto

Conduzione continua del regolatore buck-buck

Caratteristiche:
■ La corrente dell'induttore è continua.
■ Vout è il valore medio della sua tensione di ingresso (V1).
■ La tensione di uscita è la tensione di ingresso moltiplicata per il rapporto di carico (D) dell'interruttore.
■ All'accensione la corrente dell'induttore fuoriesce dalla batteria.
■ La corrente scorre attraverso il diodo quando l'interruttore è spento.
■ Ignorare le perdite negli interruttori e negli induttori e D non ha nulla a che fare con la corrente di carico.
■ Il regolatore buck ed i suoi circuiti derivati sono caratterizzati da:La corrente di ingresso è discontinua (chopping) e la corrente di uscita è continua (smoothing).

Conduzione critica del regolatore buck-buck

■ La corrente nell'induttore è ancora continua, ma "raggiunge" lo zero solo quando l'interruttore viene riacceso, fenomeno chiamato "conduzione critica". La tensione di uscita è ancora uguale alla tensione di ingresso moltiplicata per d.

Conduzione buck-buck regolatore-discontinua

■ In questo caso, la corrente nell'induttore è zero per un periodo di tempo in ciascun ciclo.
■ La tensione di uscita è ancora (sempre) il valore medio di v1.
■ La tensione di uscita non è la tensione di ingresso moltiplicata per il rapporto di carico (D) dell'interruttore.
■ Quando la corrente di carico è inferiore al valore critico, D cambia con la corrente di carico (mentre Vout rimane la stessa).

Aumenta il regolatore

■ La tensione di uscita è sempre maggiore (o uguale) alla tensione di ingresso.
■ Corrente di ingresso continua e corrente di uscita discontinua (contrariamente al regolatore buck).
■ La relazione tra la tensione di uscita e il rapporto di carico (D) non è così semplice come nei regolatori buck. Nel caso di conduzione continua:

In questo esempio, Vin = 5, Vout = 15 e D = 2/3. Vout = 15, D = 2/3.

Funzionamento del trasformatore (inclusa la funzione di induttore primario)

■ Il trasformatore è considerato un trasformatore ideale e la sua induttanza primaria (magnetizzazione) è collegata in parallelo al primario.

Trasformatore flyback

■Qui l'induttanza primaria è molto bassa e viene utilizzata per determinare la corrente di picco e l'energia immagazzinata. Quando l'interruttore primario è spento, l'energia viene trasferita al secondario.

Trasformatore convertitore avanti avanti avanti

■ L'induttanza primaria è elevata perché non è necessario immagazzinare energia.
■ La corrente magnetizzante (i1) fluisce nell'"induttore magnetizzante" per smagnetizzare il nucleo magnetico (tensione inversa) dopo lo spegnimento dell'interruttore primario.

sommario

■ Qui viene esaminata la topologia circuitale più comune nella conversione della potenza di commutazione.
■ Esistono molte altre topologie, ma la maggior parte di esse sono combinazioni o variazioni delle topologie qui descritte.
■ Ogni topologia contiene compromessi di progettazione unici:1) la tensione applicata all'interruttore2) Tagliare e livellare la corrente di ingresso e di uscita3) Rapporto di utilizzo dell'avvolgimento
■ La scelta della topologia migliore richiede ricerca:1) intervallo di tensione in ingresso e in uscita2) Intervallo di corrente3) Il rapporto tra costo e prestazioni, dimensioni e peso

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