Минимальные частоты переключения в повышающих преобразователях

Почему частоты переключения для повышающих преобразователей выше диапазона 100 кГц?

Если я правильно понимаю, когда частота увеличивается от 100 кГц и выше, пульсирующий ток, создаваемый индуктором, уменьшается, изменение тока со временем уменьшается в индуктивности, и компоненты могут быть меньше, поскольку им не приходится иметь дело с большим ( относительные) токи. Однако им противостоит снижение эффективности от потерь на переключение в МОП-транзисторе, а также от потерь в сердечнике индуктора.

Итак, учитывая, что вы можете повысить эффективность за счет уменьшения частоты, почему бы не переключать частоты в более низких диапазонах; диапазон 100 Гц-10 кГц, например? Является ли то, что изменения тока, с которыми приходится сталкиваться индуктору, слишком велики, и резистивные потери в проводке индуктора начинают доминировать в качестве основного источника потери мощности?

Почему частоты переключения для повышающих преобразователей выше диапазона 100 кГц?

Мощный повышающий преобразователь может работать в диапазоне низких / средних кГц и может это делать, потому что используемые силовые транзисторы по своей природе являются медленными устройствами. Хитрость заключается в том, чтобы работать на частоте, где статические потери примерно равны динамическим потерям.

Если я правильно понимаю, когда частота увеличивается от 100 кГц и выше, пульсирующий ток, создаваемый индуктором, уменьшается, изменение тока со временем уменьшается в индуктивности, и компоненты могут быть меньше, поскольку им не приходится иметь дело с большим ( относительные) токи.

Пульсирующий ток задает сцену того, сколько энергии накапливается индуктором и циклически передается конденсатору. На более высоких частотах эта передача выполняется больше раз в секунду, следовательно, для той же мощности, подаваемой на нагрузку, пульсирующий ток может быть меньше, но это не совсем обеспечивает ту же мощность (энергию, пропорциональную квадрату тока), и поэтому индуктивность имеет должно быть уменьшено, и это увеличивает пульсацию тока. Если вы попытаетесь учесть возможность использования прерывистого или непрерывного режима проводимости, то это не так ясно, как вы думаете.

Компоненты могут быть меньше, да.

Однако им противостоит снижение эффективности от потерь на переключение в МОП-транзисторе, а также от потерь в сердечнике индуктора.

И да и нет. Потери на переключение увеличиваются, но некоторые потери в сердечнике снижаются, например, насыщение. Однако потери на вихревые токи (обычно меньше, чем насыщение сердечника) будут иметь тенденцию к увеличению, и поэтому вы видите значительный прогресс в создании ядер, пригодных для переключения выше 1 МГц.

Итак, учитывая, что вы можете повысить эффективность за счет уменьшения частоты, почему бы не переключать частоты в более низких диапазонах; диапазон 100 Гц-10 кГц, например?

На низких частотах насыщение индуктора является большим фактором - понижение частоты и потери на насыщение могут внезапно взлететь до небес. Если вы сохраняете баланс между динамическими и статическими потерями в своих полевых МОП-транзисторах, как правило, это лучшая частота, на которую нужно стремиться (как упоминалось ранее).

Является ли то, что изменения тока, с которыми приходится сталкиваться индуктору, слишком велики, и резистивные потери в проводке индуктора начинают доминировать в качестве основного источника потери мощности?

Более низкая частота означает меньшее количество энергии, передаваемой в секунду, и это означает, что вы должны работать при более высоких токах (для той же мощности), но не зацикливайтесь на этом. Запуск CCM (режим непрерывной проводимости) означает, что пульсирующий ток может быть очень малым для передачи той же энергии.

Две причины ...

1. Более высокие частоты означают, что вы можете использовать меньшие, более дешевые и легкие компоненты.

2. При определенной частоте (около 50 кГц) генерируется звуковой шум. На более высоком уровне это сведет с ума ваших домашних животных, а ниже - на вас и ваших пользователей.

Хитрость заключается в том, чтобы прийти к равновесию. Сделайте частоту достаточно высокой, чтобы ограничить затраты, и в то же время достаточно низкой, чтобы можно было найти подходящие переключатели, которые не слишком с потерями.

Есть и еще один компромисс. Низкие частоты означают большую пульсацию, с которой вам нужно иметь дело, но опять же высокие частоты означают больше шума EMI.

Правильный баланс - это немного искусства.

Существует множество различных факторов, которые определяют выбор частоты переключения для любого преобразователя. Одним из них является магнит и размер конденсатора, которые имеют тенденцию уменьшаться с ростом частоты. Если вы понижаете частоту, не только эти компоненты становятся больше, но вы также будете страдать от акустического шума при входе в звуковой диапазон. Вторым важным фактором является эффективность. Если вы постоянно переключаетесь на частоте 100 кГц в условиях малой нагрузки, потери на переключение будут влиять на эффективность в течение длительного времени. В результате, многие современные преобразователи постоянного тока реализуют так называемый режим с понижением частоты, который снижает частоту переключения при уменьшении тока нагрузки. Это значительно повышает эффективность. Контроллеры обычно прекращают складывание выше 20 кГц по причинам акустического шума и вводят цикл пропуска, если ток нагрузки еще больше падает.

Одним из важных факторов является частота кроссовера которая обычно выбирается значительно ниже половины частоты переключения. Например, если вам нужен агрессивный 50-кГц кроссовер, вы можете увидеть, что при 100-кГц он не будет соответствовать критерию Найквиста. Например, вам нужно увеличить до 250 кГц. Тем не менее, вы должны иметь в виду неприятный правый полуплоскость нуля (RHPZ), от которого страдают все преобразователи непрямой передачи энергии, такие как буст или бакс-буст. RHPZ - это математическое представление задержки, присущей операции ускорения: сначала запас энергии в индуктивностиF s w F s w L V o u t ω z = R L ( 1 - D ) $f_c$$F_{sw}$$F_{sw}$$L$затем отпустите его для загрузки. Если текущая потребность возрастает, вы не можете мгновенно ответить, как с понижающим преобразователем, поскольку вам нужно сначала сохранить больше энергии в индуктивности. Если вам не удастся сделать это из-за того, что вольт-секунд недостаточно или индуктор слишком большой, то сначала падает, и вы на мгновение изменили закон управления, пока ток индуктора не достигнет нужного значения. Вы боретесь с этим RHPZ (в режиме напряжения или в режиме тока, в той же позиции), принимая частоту кроссовера на 30% ниже самой низкой позиции RHPZ. Для повышающего преобразователя, работающего в режиме непрерывной проводимости (CCM), RHPZ находится в так что вы видите, что принимаете меньшую$V_{out}$ LFs$\omega_z=\frac{{R_L}(1-D)^2}{L}$$L$нажатие на частоту переключения также приведет к увеличению RHPZ (так что будет увеличена пропускная способность), и это еще один параметр, который необходимо учитывать при выборе .$F_{sw}$

Итак, мы увидели размер компонента, акустический шум, частоту кроссовера и, конечно, EMI. EMI является важным критерием при выборе частоты переключения в зависимости от того, что будет поставлять повышающий преобразователь (высокочувствительная головка, измерительные цепи и т. Д.) Или от какого стандарта вы должны следовать. Например, несмотря на возможность переключения на гораздо более высокую частоту, подавляющее большинство адаптеров AC-DC для ноутбуков работают на частоте 65 кГц. Почему? Поскольку вторая гармоника ниже 150 кГц, начальная частота стандарта CISPR22. Поэтому, если вы учитываете затухание естественной гармоники, вам может потребоваться меньше для уменьшения переключения уровня излучения на частоте 65 кГц (потому что вы будете иметь дело сH $H_2$$H_3$уже ниже), а не с основной на полной мощности, если вы переключались на частоте 200 кГц. Надеюсь, это не было слишком много словоблудия! :)