Komórka komutacyjna

Komórka komutacyjna jest podstawową strukturą w energoelektronice . Składa się z dwóch przełączników elektronicznych (dziś jest to półprzewodnik dużej mocy , a nie przełącznik mechaniczny). Tradycyjnie nazywano go chopperem , ale odkąd zasilacze impulsowe stały się główną formą konwersji energii, ten nowy termin stał się bardziej popularny.

Celem ogniwa komutacyjnego jest „posiekanie” prądu stałego na prąd przemienny o fali prostokątnej . Odbywa się to tak, że cewka indukcyjna i kondensator mogą być użyte w obwodzie LC do zmiany napięcia. W teorii jest to proces bezstratny; w praktyce rutynowo osiąga się sprawność powyżej 80-90%. Wyjście jest zwykle przepuszczane przez filtr w celu wytworzenia czystego prądu stałego. Kontrolując czasy włączania i wyłączania ( cykl pracy ) przełącznika w komórce komutacyjnej, można regulować napięcie wyjściowe .

Ta podstawowa zasada stanowi rdzeń większości nowoczesnych zasilaczy, od maleńkich przetwornic DC-DC w urządzeniach przenośnych po ogromne rozdzielnie do przesyłu prądu stałego wysokiego napięcia .

Połączenie dwóch elementów zasilających

Rys. 1: Różne konfiguracje, które są niemożliwe: zwarcie źródła napięcia, źródło prądu w obwodzie otwartym, dwa źródła napięcia równolegle, dwa źródła prądu połączone szeregowo. Każdy z tych obwodów spowoduje awarię lub wytworzenie dużych ilości ciepła!

Rys. 2: Podobnie jak w przypadku źródeł napięciowych i prądowych, należy unikać bezpośredniego przenoszenia energii z kondensatora do drugiego lub z induktora do drugiego, ponieważ powoduje to znaczne straty.

Komórka komutacyjna łączy dwa elementy mocy, często nazywane źródłami, chociaż mogą one wytwarzać lub absorbować energię.

Istnieją pewne wymagania dotyczące podłączania źródeł zasilania. Niemożliwe konfiguracje są wymienione na rysunku 1. Zasadniczo są to:

źródło napięcia nie może zostać zwarte, ponieważ zwarcie spowodowałoby zerowe napięcie, które byłoby sprzeczne z napięciem generowanym przez źródło;
w identyczny sposób źródło prądu nie może być umieszczone w obwodzie otwartym;
dwa (lub więcej) źródła napięcia nie mogą być połączone równolegle, ponieważ każde z nich próbowałoby narzucić napięcie na obwód;
dwa (lub więcej) źródła prądu nie mogą być połączone szeregowo, ponieważ każde z nich próbowałoby narzucić prąd w pętli.

Dotyczy to klasycznych źródeł (bateria, generator) oraz kondensatorów i cewek indukcyjnych: W małej skali czasowej kondensator jest identyczny ze źródłem napięcia, a cewka indukcyjna ze źródłem prądu. Połączenie równoległe dwóch kondensatorów o różnych poziomach napięcia odpowiada połączeniu dwóch źródeł napięcia, jednego z zabronionych połączeń na rysunku 1.

Rysunek 2 ilustruje słabą wydajność takiego połączenia. Jeden kondensator jest naładowany do napięcia V i połączony z kondensatorem o tej samej pojemności, ale rozładowanym.

Przed połączeniem energia w obwodzie wynosi , a ilość ładunków Q to ${\ Displaystyle E = {\ Frac {1} {2}} C \ cdot V ^ {2}}$ równa się $.$ jest energią potencjalną

Po wykonaniu połączenia ilość ładunków jest stała, a całkowita pojemność wynosi ${\ displaystyle 2C}$ . Dlatego napięcie na pojemnościach wynosi ${\ Displaystyle {\ Frac {Q} {2C}} = {\ Frac {V} {2}}}$ . Energia w obwodzie wynosi wtedy ${\ Displaystyle {\ Frac {1} {2}} (2C) \ lewo ({\ Frac {V} {2}} \right)^{2}={\frac {E}{2}}}$ . Dlatego połowa energii została rozproszona podczas połączenia.

To samo dotyczy połączeń szeregowych dwóch indukcyjności. Strumień magnetyczny ( $i$ po Ponieważ całkowita indukcyjność po komutacji wynosi 2 l, prąd staje się $.$ rysunek 2) Energia przed komutacją wynosi ${\ Displaystyle {\ Frac {1} {2}} L \ cdot I ^ {2}}$ . 1 ${\ Displaystyle {\ Frac {1} {2}} L \ cdot \ lewo ({\ Frac {I} {2}} \ prawej) ^ {2}$ . Tutaj ponownie połowa energii jest rozpraszana podczas komutacji.

W rezultacie widać, że komórka komutacyjna może łączyć tylko źródło napięcia ze źródłem prądu (i odwrotnie). Jednak za pomocą cewek indukcyjnych i kondensatorów można zmienić zachowanie źródła: na przykład dwa źródła napięcia można połączyć za pomocą konwertera, jeśli wykorzystuje on cewkę indukcyjną do przesyłania energii.

Budowa komórki komutacyjnej

Rys. 3: Komórka komutacyjna łączy dwa źródła o różnym charakterze (prądowe i napięciowe). Teoretycznie wykorzystuje dwa przełączniki, ale ponieważ oba muszą być sterowane z idealną synchronizacją, w praktycznych zastosowaniach jeden z przełączników jest zastępowany diodą. To sprawia, że komórka komutacyjna jest jednokierunkowa. Dwukierunkową komórkę komutacyjną można uzyskać, łącząc równolegle dwie jednokierunkowe.

Jak wspomniano powyżej, ogniwo komutacyjne musi być umieszczone między źródłami napięcia i prądu. W zależności od stanu ogniwa oba źródła są albo połączone, albo odizolowane. W stanie odizolowanym źródło prądowe musi być zwarte, ponieważ nie jest możliwe wytworzenie prądu w obwodzie otwartym. Podstawowy schemat komórki komutacyjnej przedstawiono zatem na rysunku 3 (u góry). Wykorzystuje dwa przełączniki o przeciwnych stanach: W konfiguracji przedstawionej na rysunku 3 oba źródła są odizolowane, a źródło prądowe jest zwarte. Oba źródła są podłączone, gdy górny przełącznik jest włączony (a dolny przełącznik jest wyłączony).

Niemożliwe jest uzyskanie idealnej synchronizacji między przełącznikami. W pewnym momencie komutacji byłyby albo włączone (w ten sposób zwierając źródło napięcia), albo wyłączone (pozostawiając w ten sposób źródło prądu w obwodzie otwartym). Dlatego jeden z przełączników musi zostać zastąpiony diodą. Dioda jest naturalnym urządzeniem komutacyjnym, tzn. jej stanem steruje sam obwód. Włączy się lub wyłączy dokładnie w odpowiednim momencie. Konsekwencją zastosowania diody w komórce komutacyjnej jest to, że czyni ją jednokierunkową (patrz rysunek 3). Można zbudować ogniwo dwukierunkowe, ale jest to równoważne dwóm ogniwom jednokierunkowym połączonym równolegle.

Komórka komutacyjna w przetwornicach

Rys. 4: Komórka komutacyjna jest obecna w każdym zasilaczu impulsowym

Komórkę komutacyjną można znaleźć w każdym przetworniku energoelektronicznym . Kilka przykładów podano na rysunku 4. Jak widać, „źródło prądu” (właściwie pętla zawierająca indukcyjność) jest zawsze podłączone między punktem środkowym a jednym z zewnętrznych połączeń komórki komutacyjnej, podczas gdy źródło napięcia ( lub kondensator lub połączenie szeregowe źródła napięcia i kondensatora) jest zawsze podłączone do dwóch połączeń zewnętrznych.

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Cztery topologie Boostbuck