Подизач напона

Подизач напона (енгл. Boost converter, буст конвертор, подизач напона) је DC-DC конвертор снаге код којег је вриједност излазног напона већа него вриједност улазног напона. Подизач напона је СМПС класе (енгл. switched-mode power supply) који се састоји од најмање двије полупроводничке компоненте (диоде и транзистора), барем једног извора енергије, кондезатора, калема (или њихова комбинација). Филтри направљени од кондезатора (понекад у комбинацији са калемом) се обично додају излазу конвертора са циљем да се смање осцилације напона.

Извор напајања за подизач напона може бити било који DC извор енергије, попут батерије, соларног панела, DC генератора. Подизач напона је DC-DC конвертор (врши конверзију једног DC напона у други) којем је излазни напон већи од улазног напона. Како снага (P= V*I) мора бити једнака, неопходно је да је излазна струја нижа од улазне струје.

Основна шема појачавача напона.

Примјери

Како би се постигао виши напон, често се у низу веже више батерија. Међутим, услед недостатка простора то некад није изводљиво, па се може користити подизач напона. Примјери гдје се као извори енергије користе батерије у комбинацији са подизачем напона су хибридна електрична возила (ХЕВ) и системи расвјете. На примјер, NHW20 модел Toyota Prius HEV користи мотор волтаже 500 V. Уколико се не би користио буст конвертор Prius би користи готово 417 ћелија за напајање мотора. Међутим, Prius заправо користи само 168 ћелија и буст конвертор напона са 202 V на 500 V. Системи светлећих ЛЕД типично захтијевају 3,3 V да би емитовали свјетлост, при чему буст конвертор обично служи за појачање напона од 1,5 V.

Подизач напона се користи као механизам повећања напона у колу познатом као „Џулов лопов“ (енгл. Joule thief). Ово коло се користи са батеријама мале снаге, а усмјерено је на способности буст конвертора да „украде“ преосталу енергију у батерији. Ова енергија би иначе била непотребна, јер низак напон готово изтрошену батерију чини неупотребљивом за нормално коришћење, јер многи системи не дозвољавају протицање довољне струје уколико напон опада. Снага ($P=V^{2}/R$), уколико R тежи константи, значајно слаби са слабљењем напона.

Анализа струјног кола

Оперативни принципи

Кључни принцип код буст конвертора је способност калема да се одупре промјенама у струјном колу. Код буст конвертора, излазни напон је увијек већи од улазног. Шема буст конвертора је приказана на слици 1.

(а) када је прекидач затворен, струја тече кроз калем у смјеру казаљке на сату и калем чува енергију. Лијева страна калема је на већем потенцијалу од десне.

(б) када је прекидач отворен, струја ће бити смањена пошто је отпор већи. Дакле, калем ће се супротставити промјени или смањењу струје. Тако ће поларитет бити обрнут (значи на лијевој страни калема поларитет ће тада бити негативан). Резултат тога, два извора у серији ће изазвати већи напон за пуњење калема кроз диоду D.

Ако се стање прекидача мијења довољно брзо, калем се неће у потпуности испразнити између двије фазе пуњења, и напон на потрошачу ће увијек бити већи напон од улазног када је прекидач отворен. Такође док је прекидач отворен, кондезатор, који је паралелан са потрошачем, се пуни струјом која настаје као комбинација струје кроз диоду и потросач. Када се прекидач затвори кондезатор обезбијеђује напон и енергију за потрошача. За то вријеме диода спречава пражњење кондезатора преко прекидача. Отварање прекидача свакако мора бити довољно брзо како би спречило велико пражњење кондензатора.

Сл. 1: шема буст конвертора

Сл. 2: двије шеме буст конвертора, у зависности од положаја прекидача С.

Основни принцип буст конвертора се састоји од два различита стања (види слику 2):

• ON-положај: прекидач S (види слику 1) је затворен, што је резултат тренутним повећањем струје у калему
• OFF–положај: прекидач је отворен, при чему струја калема може једино да протиче кроз диоду D, кондезатор C и отпорник R, што резултује преносом енергије акумулиране за вријеме ON-положаја у кондезатору.

Улазна струја је иста као струја калема која се може видјети на слици 2.

Непрекидни мод

Сл. 3: Таласни облик струје и напона за вријеме непрекидног режима.

Када буст конвертор ради у непрекидном моду, струја кроз калем I_л никада не пада на нулу. Слика 3 приказује типичне облике струје и напона у конвертору у овом моду. Излазни напон се може израчунати на сљедећи начин: у случају идеалног конвертора, тј. коришћењем компоненти са идеалним карактеристикама, које раде у стабилним условима.

Током ON-положаја, прекидач S је затворен, што чини да улазни напон (V_i) је напон на калему, што изазива промјене у струји (I_л) која тече кроз калем за временски период (t), а израчунава се преко формуле:

${\frac {\Delta I_{L}}{\Delta t}}={\frac {V_{i}}{L}}$

На крају ON-положаја, повећање I_л је:

$\Delta I_{L_{On}}={\frac {1}{L}}\int _{0}^{DT}V_{i}dt={\frac {DT}{L}}V_{i}$

D је обавезни циклус, који представља дио периоде T за који је прекидач затворен. Стога се D креће у распону од 0 (прекидач стално отворен) и 1 (прекидач стално затворен).

Током OFF положаја, прекидач S је отворен, тако да струја калема протиче кроз потрошач. Уколико занемаримо пад напона у диоди, и уколико користимо кондезатор довољно великог капацитета да његов напон остане константан, промјена I_л износи:

$V_{i}-V_{o}=L{\frac {dI_{L}}{dt}}$

Стога варијација I_л за вријеме OFF периода је:

$\Delta I_{L_{Off}}=\int _{DT}^{T}{\frac {\left(V_{i}-V_{o}\right)dt}{L}}={\frac {\left(V_{i}-V_{o}\right)\left(1-D\right)T}{L}}$

Уколико претпоставимо да конвертор ради у стационарном положају, количина енергије у свакој од његових компоненти мора бити иста на почетку и на крају циклуса промјене стања прекидача. Конкретно, енергија ускладиштена у калему је дата са:

$E={\frac {1}{2}}LI_{L}^{2}$

Према томе, струја у калему мора да буде иста на почетку и на крају циклуса промјене стања прекидача. То значи да укупна промјене струје је нула:

$\Delta I_{L_{On}}+\Delta I_{L_{Off}}=0$в

Замјеном $\Delta I_{L_{On}}$ и $\Delta I_{L_{Off}}$ у изразима

$\Delta I_{L_{On}}+\Delta I_{L_{Off}}={\frac {V_{i}DT}{L}}+{\frac {\left(V_{i}-V_{o}\right)\left(1-D\right)T}{L}}=0$

Што може бити написано

${\frac {V_{o}}{V_{i}}}={\frac {1}{1-D}}$

Одакле проистиче:

$D={1-{\frac {V_{i}}{V_{o}}}}$

Горњи израз показује да је излазни напон увијек већи од улазног напона (како обавезни циклус се креће од 0 до 1), да се повећава са D, теоретски до бесконачности кад се D приближава 1. Зато се овај претварач понекад назива и „step-up“ конвертор.

Испрекидани мод

Сл. 4: таласни облик струје и напона за вријеме испрекиданог мода.

Ако је амплитуда струје превисока, калем може бити потпуно испражњен прије истека циклуса промјене стања прекидача. Ово се обично дешава приликом малих оптерећења. У том случају, струја кроз калем у једном дјелу периода падне на нулу (види таласне облике на слици бр.4). Иако мала, разлика има јак утицај на вриједност излазног напона. Може се израчунатина слиједећи начин.

Када је вриједност струје калема на почетку циклуса нула, њена максимална вриједност је: $I_{L_{Max}}$ (за t=DT ) је

$I_{L_{Max}}={\frac {V_{i}DT}{L}}$

За вријеме офф-периода, IL пада на нулу послије $\delta T$

$I_{L_{Max}}+{\frac {\left(V_{i}-V_{o}\right)\delta T}{L}}=0$

Користећи двије претходне једначине, δ је:

$\delta ={\frac {V_{i}D}{V_{o}-V_{i}}}$

Струја потрошача I_o је једнака средњој струји диоде (I_d). Као што се може видјети на слици бр. 4, струја у диоди је једнака струји калема за вријеме off-фазе. Зато се излазна струја може написати као:

$I_{o}={\bar {I_{D}}}={\frac {I_{L_{max}}}{2}}\delta$

Замјеном IL_max и δ са њиховом одговарајућим изразима:

$I_{o}={\frac {V_{i}DT}{2L}}\cdot {\frac {V_{i}D}{V_{o}-V_{i}}}={\frac {V_{i}^{2}D^{2}T}{2L\left(V_{o}-V_{i}\right)}}$

Дакле, повећање излазног напона се може написати на слиједећи начин:

${\frac {V_{o}}{V_{i}}}=1+{\frac {V_{i}D^{2}T}{2LI_{o}}}$

У односу на израз излазног напона за непрекидни мод, овај израз је много компликованији. Осим тога, у испрекиданом моду повећање излазног напона не зависи само од обавезног циклуса, већ и од вриједности калема, улазног напона, промјене фреквенције , I излазне струје.

Види још

• Спуштач напона
• Ћуков претварач

Литература

• Мохан, Нед; Унделанд, Торе M.; , Роббинс, Wиллиам П. (2003). Поwер Елецтроницс. Хобокен: Јохн Wилеy & Сонс, Инц. ISBN 0-471-42908-2. CS1 одржавање: Вишеструка имена: списак аутора (веза)
• Basso, Christophe (2008). Switch Mode Power Supplies: SPICE Simulations and Practical Designs. New-York: McGraw-Hill. ISBN 0-07-150858-9. 
• Докић, Бранко L. (2007). Енергетска електроника - претварачи и регулатори. Београд/Бања Лука: Академска мисао/Електротехнички факултет. 

Спољашње везе

• Boost PFC Mathematical Calculations
• Daycounter Switching Converter Power Supplies
• Design and applications resources for boost regulators
• Linearization of boost power stage, small-signal analysis