Convertor cu rap. de transformare supraunitar - BOOST (N>1)

Convertor cu rap. de transformare supraunitar - BOOST (N>1)

Aplicatiile principale ale conv. Boost sunt sursele stabilizate de tens. cu funct. in comutatie si in sist. de actionare a motoarelor de cc.

Topologia : prezinta cele 3 elem. cheie : CS , L de acumulare si D

Conceptul conv. Boost este de tip indirect cu functionare in clasa A avind tens. de OUT > tens. de IN (ca val. medii) . Cind CS se gaseste in starea ON , D este polarizata invers aceasta determinind izolarea OUT fata de IN. In acest int. intrarea asigura acumulare de energie in L . La blocarea CS-ului iesirea primeste energie din circ. de intrare reprezentat de sursa U₁ si tens. autoindusa in L.

In analiza pe care o vom desfasura in continuare pp. u₂(t)=U₂=ct.

1.Reg. de conductie continua

In primul int. tens. U₂ este U₁ pt. ca CS e deschis scurt . La acest tip de convertor: U₁-U₂<0 , U₂>U₁ , U₂,U₁>0 , i_L=i₁ . Pt. cele 2 secvente de comutare considerind elem. de circ. ideale putem avea 343e414d :

In primul int. de timp in circ. de intrare energia este furnizata de L iar C mentine circulatia de curent in sarcina .In cel de-al doilea int. sursa de alimentare debiteaza energie in circ. de sarcina . Retrocedarea energ. stocate de L si in plus sursa U₁ poate furniza la OUT U₂>U₁ .

U₁DT+(U₁-U₂)(1-D)T=0 N=U₂/U₁=D/(1-D) - rap. de conv./transf.

La var. limita ale lui D N ) .Pt. elemente ideale de curent puterea furnizata de circ. de IN = put. debitata in sarcina : P₁=P₂ U₁I₁=U₂I₂ I₂/I₁=(1-D). Val. med. a lui I₂ < I_L= val. med. I₁

2.Regimul de conductie limita

Ne referim la punctul de trecere dintre conductia cont. si cea discont.

I_LL=I_LM/2=U₁DT/2L=TU₂D(1-D)/2L

Acceptind ca acest variator este ridicator de tens. curentii prin L si

prin sarcina sunt egali ,obt. pt. cur. prin sarcina la limita de curent :

I_2L=D(1-D)² TU₂/2L

Curentul max . prin L atinge val. max. pt. D=0.5 : I_LLmax=TU₂/8L   

Pt. curentul I_2L max. se obtine pt. D=1/3: I₂Lmax=2/27*(TU₂/L)    (8)

In functie de val. max. ale celor 2 curenti avem:

I_LL=4D(1-D)I_LLmax si I_2L=27D(1-D)²I_2Lmax/4    (9)

Relatile de mai sus au fost reprezentate pt.. U₂=ct. situatie prezenta la

sursele stabilizate de tens. iar in aceasta situatie la limita conductiei de curent considerind pe D=var. reprezentam functiile de la (8) si (9)

Pt. D impus avind U₂=ct. daca curentul prin sarcina scade sub I2L avem regimul de functionare discontinua .

3. Regimul de conductie discontinua

Pp. ca U₁ si D sunt ct . Conductia de curent discontinuu apare datorita scaderii de curent in sarcina deci si la IN (am pp. ca P₁=P₂) . Intrucit I_LM este pp. aceeasi in ambele regimuri de functionare (cont./discont) o val. mai mica pt. I_L in modul de functionare discontinua (si de aici in reg. continu cu I_L este posibil numai daca tens. de OUT creste).

In ceea ce priveste forma de unda a curentului ea este liniara .

^T u₂dt = 0 U₁DT+(U₁-U₂)D₁T =0 rel. pt. rap. de transformare in

val. medii : N=U2/U1=(D+D1)/D1 iar I₂/I₁=D₁/(D+D₁) (pt.ca P₁=P₂)

Curentul mediu la IN = cur. med. prin L:    I_L=I₁=U₁DT(D+D₁)/2L

I_L=I_LM(D+D₁)/2 I₂=TD₁² D/2L In cazul surselor de tens. la care U₂=ct. si rap.de conductie D se modifica ca raspuns la var. sursei de IN U₁ este util de a se prezenta rap. de conductie D ca o functie de raport de transfer N: D= f (U₂/U₁)

D=[4/27 *U₂/U₁ *(U₂/U₁ -1) *I₂/I₂max]^{1/ 2} ;

In regim de conductie discontinua daca U₂ nu este controlat in timpul fiecarei perioade de comutatie , cel putin , cantitatea de energie este transferata de la IN la OUT prin condensator si sarcina . Daca sarcina nu e capabila sa absoarbe aceasta energie tens. pe C deci si in sarcina poate creste pina cind se stabileste echilibrul energetic daca rezistenta de sarcina creste scade curentul prin sarcina ; cresterea tens. U₂ pote cauza distrugerea condensatorului de iesire sau aparitia unei tens. de val. mare poate produce evident avaria echipamentului alimentat.

Elemente de proiectare si performanta

a) determinarea riplului tens. de iesire

Pt. aceasta pp. functionarea convertorului in regim de conductie continua,considerand formele de unda corespunzatoare respectiv unui regim. Pp. ca riplul curentului prin dioda se inchide numai prin condens., iar componenta continua prin rezistenta de sarcina putem sa trasam urmatoarele diagrame:

In int. (0 , DT) : ic=-I₂ =-I₂    Riplu vf. la vf. se poate exprima ca :

DU₂=DQ/ C=I₂DT/C=U₂DT/(RC). Variatia normata a riplului :

DU₂/U₂=DT/(RC)=DT/t

b). Efectul elementelor parazite

Elem. parazite se datoreaza pierderilor asociate in bobina L, condensator C ,contactorul static CS si dioda D .Spre deosebire de caracteristica ideala, U₂/U₁ descreste cu cit raportul de conductie se aproprie de .....

Din cauza utilizarii limitate a CS la val. mari pt. rap. de conductie D , rap. de transformare in aceasta regiune este limitat din pct. de vedere practic , iar in situatia cu D=1 in loc ca U₂/U₁ acesta devine 0 , deci in concluzie efectul elem. parazite devine din ce in ce mai pronuntat cu cresterea rap. de conductie D.

Concluzii

variatorul boost = eficient, simplu, fiind realizat cu un singur CS la care vit. de variatie a cur. di/dt este limitata de prez. inductantei L .

in int. de acumulare a energiei in L sursa U₁ = izolata de sarcina ceea ce e bine in cazul unui scurt circuit la OUT .

tens. de OUT =senzitivitate prea mare in rap. cu D ceea ce face ca sa apara unele probleme de stabilitate in cazul surselor stabilizate de tens. (U₂/U₁=1/(1-D)).

curentul mediu de OUT avind o val. mai redusa decit cel de IN determina ca restul componentelor sa se inchida prin intermediul filtrului o val. mai mare pt. L si C decit la Buck.

circulatia continua de curent la IN = mai mare la IN necesare filtre FTJ la IN +circ. EMI.

Aplicatie pt. convertorul Boost :

Intr-un variator Boost rap. de conductie D este reglat a.i. tens. de OUT U₂=48V , tens. de IN U₁ variaza intre 12 si 36 V .Put. max. debitata in sarcina : 120 W. Se considera ca variatorul functioneaza in regim de conductie discontinua , f=50 khz , T=1/f=20ms .

Considerind componentele ideale iar condensatorul C destul de mare a.i. u₂(t)=U₂ , sa se calculeze val. max.. pt. L a.i. sa se realizeze reg. de functionare impus . I_2Lmax=P₂/U₂=2.5 A .

Val. max. a inductantei trebuie determinata a.i. regimul de functionare sa ramina discontinua si in acest caz calculul se face pt. limita dintre conductia discontinua si continua . Pt. regimul de functionare corespunzator : D=(0.75 , 0.25 ) pt. acest domeniu al lui D , I_2L are val. minima pt. D=0.75 pt. L corespunzator reg. respectiv : Lmax =TU₁D(1-D)²/(2I_2Lmax)=9mH.

Daca L=9mH , pt. U₁=12V si P₂=120W convertorul lucreaza la limita dintre regimul de conductie continua , in rest functia este discontinua->pt. asigurarea acestui regim este necesar ca inductanta utilizata L<9mH , val. care asigura regimul de granita.