¿El voltaje de salida de un convertidor elevador depende de la corriente de carga en CCM?

Con un convertidor de refuerzo, necesita transferir energía a la carga cargando un inductor con energía y luego liberando esa energía almacenada. En CCM, la corriente del inductor nunca cae a cero, por lo que la energía transferida depende de la corriente máxima y la corriente mínima.

Los picos de corriente durante la carga representan la energía almacenada máxima del inductor y, a qué baja la corriente (durante la reposición de la carga) representa la energía que queda en el inductor justo cuando se repite el ciclo.

La diferencia de energía es lo que se "da" a la carga.

Para un inductor de valor fijo y una tensión de alimentación de entrada, la tasa a la que la corriente aumenta linealmente (di / dt) es constante y depende completamente de V = L di / dt, esa fórmula bien conocida. ¡Estoy asumiendo componentes perfectos sin pérdida, por supuesto!

Entonces, Imax, para una frecuencia operativa dada siempre terminará en un valor fijo por encima de Iaverage y, Imin será el mismo valor fijo por debajo de Iaverage. Podríamos llamar a ese valor fijo Ipeak.

Entonces, la energía dada a la carga, W es: -

\ $ \ dfrac {L} {2} [I_ {MAX} ^ 2-I_ {MIN} ^ 2] \ $

Reorganizar utilizando \ $ I_A \ $ y \ $ I_P \ $

W = \ $ \ dfrac {L} {2} [(I_A + I_P) ^ 2- (I_A-I_P) ^ 2] \ $

donde \ $ I_A \ $ es el promedio actual y \ $ I_P \ $ es el pico arriba (o abajo) \ $ I_A \ $. También puede llegar a esta fórmula (con suerte): -

W = \ $ 2L \ cdot I_A \ cdot I_P \ $

Esto significa que tanto la corriente promedio como la corriente pico determinan la energía transferida a la carga. Pero, para una determinada tensión de suministro de entrada, frecuencia de operación, ciclo de trabajo y valor de inductor, no puede controlar \ $ I_P \ $.

Entonces, si la resistencia de carga aumenta en el valor PERO que desea mantener el voltaje de salida promedio de la misma manera, la única opción (que no sea D) es aumentar la frecuencia de operación para reducir la corriente de pico alcanzada por el inductor durante la carga. Por supuesto, esto reduce gradualmente la corriente promedio en unos pocos ciclos y lo que se encuentra, en algunos controladores, es que la corriente promedio se vuelve más baja y la frecuencia vuelve al valor original.

Más corriente de carga significa una frecuencia más baja, menos corriente de carga significa una frecuencia más alta.

Al final del día, creo que todavía necesitas un controlador "inteligente" (para modificar la frecuencia), así que no estoy seguro de que esta pregunta y las respuestas opcionales tengan mucho que ver con el mundo práctico.

Así es como lo veo de todos modos. Buena pregunta (pero defectuosa) !!

La respuesta es: todo depende. Aquí hay una manera fácil de determinar todo. Asumiremos la perfección (sin pérdidas por conmutación resistiva o por diodo).

Cuando cierra el interruptor, es fácil calcular la cantidad de aumento actual en el inductor. Debido a que V = L di / dt entonces di / dt = V / L. di / dt está en amperios / segundo (dt es la cantidad de tiempo que el interruptor está abierto en cada ciclo). De manera similar, asumiendo que la salida es un voltaje estable, puede calcular la disminución de la corriente cuando cierre el interruptor de la misma manera, excepto que esta vez el voltaje es (Vin - Vout), y el tiempo es el tiempo de "apagado".

Así que las reglas son: el aumento de corriente debe ser igual a la disminución de corriente, por lo que el voltaje de entrada, la carga de salida y el ciclo de trabajo afectan el voltaje de salida en el punto en que cambia la carga. Tenga en cuenta que, en modo discontinuo, estamos cerrando el interruptor y llenando una cubeta de energía, luego abriendo el interruptor y vertiéndolo todo en la carga. Sin embargo, en modo continuo, estamos llenando la cubeta cuando el interruptor se cierra, y luego vertemos solo una parte de él. En el modo continuo, siempre hay un compartimiento parcialmente lleno (un inductor parcialmente cargado).

Para aumentar la corriente de carga, el interruptor tendrá que permanecer cerrado por más tiempo, de modo que el cazo subirá a un nuevo nivel. Una vez que esto ocurra, el ciclo de trabajo volverá al valor original de estado estable independientemente de la carga.

Así que en respuesta a tus dos preguntas:

Pregunta 1. La opinión 1 es correcta si está considerando la condición de estado estable con un dispositivo teórico; La opinión 2 es correcta durante el inicio, la carga variable, la tensión de entrada variable y los efectos de las pérdidas.

Pregunta 2. ¡Asegúrate de tener un cubo lo suficientemente grande! La corriente del inductor aumentará y disminuirá a medida que el interruptor se abra y se cierre. Recuerde que en la corriente de pico, no debe saturarse, y si la inductancia tiene un tamaño incorrecto (valor demasiado pequeño), la corriente aumentará demasiado rápido y entrará en modo discontinuo, o por el contrario (valor demasiado grande), el sistema no regular bien

Idealmente, el voltaje de salida de un convertidor buck que se ejecuta en modo continuo es un múltiplo del voltaje de entrada, y ese múltiplo depende solo del ciclo de trabajo.

Sin embargo, en el mundo real es difícil encontrar esos diodos ideales sin caída de tensión directa, inductores sin resistencia en serie y condensadores sin pérdidas. Las diversas no idealidades causan una caída de voltaje con una corriente más alta.

La solución habitual es cerrar el bucle para controlar el ciclo de trabajo a lo que sea necesario para lograr el voltaje de salida deseado. Con buenas partes, ese ciclo de trabajo permanecerá en gran medida constante para una combinación particular de voltaje de entrada y salida. Sin embargo, subirá algunos con una corriente de salida más alta. Esto se debe a que el circuito de control tiene que empujar el circuito un poco más para compensar las pérdidas inevitables.

Para un convertidor de boost , es más complicado. A diferencia de un convertidor reductor, el ciclo de trabajo es una compensación entre el tiempo suficiente para almacenar energía en el inductor y el tiempo suficiente para entregar la energía almacenada a la carga. El ciclo de trabajo al 100%, por ejemplo, carga continuamente el inductor pero nunca entrega nada a la salida.

Sin embargo, todavía hay una relación de tensión fija entre la entrada y la salida que es solo una función del ciclo de trabajo con componentes ideales. Para un convertidor Buck, si D es la fracción del tiempo que el inductor está conectado a la tensión de entrada y el inductor está conectado a tierra el tiempo restante (1-D), entonces la relación entre la tensión de salida y la tensión de entrada es simplemente D.

Vout / Vin = D

Ahora piense en un convertidor boost como el convertidor buck que se ejecuta en reversa. Eso significa que Vout y Vin están intercambiados. También significa considerar el tiempo de "encendido" del inductor cuando está conectado a tierra, no a Vout. Por lo tanto, la D de un convertidor boost es 1-D de la misma cosa vista como un convertidor Buck.

Aplicando todo este cambio de dinero para aumentar a la ecuación anterior, se obtiene la ecuación para un convertidor de impulso:

Vin / Vout = 1 - D

Reorganizando esto para indicarnos cuál es el rendimiento de la relación de voltaje de entrada a entrada:

Vout / Vin = 1 / (1 - D)

Esto es más fácil de ver al analizar un convertidor de conmutación simplificado:

Primeroconsideremosestocomounconversordedinero.Ustedestipulóelmodocontinuo,porloqueelinterruptorsiempreconectaelladoizquierdodelinductoraVAotierra.Elresultadoesunfiltrodepasobajosimple.

Sinembargo,estemismocircuitofuncionaalainversacomounconvertidorelevador.Conelinterruptorsiempreconectadoaunadelasdosopcionesysindiodo,estoesrealmenteuntransformadordeCC.Funcionadelamismamaneraparacualquiera(laentradaesVA,lasalidaesVB)oelimpulso(laentradaesVB,lasalidaesVA).SiconsideramosqueelciclodetrabajoeslafraccióndetiempoqueelinterruptorestáconectadoaVA,entoncesVBessimplementeeltiempodeciclodetrabajoVA.EsaeslavistadelconversorBuck.

Larelaciónfuncionademaneraidénticaalainversa.VAesVBdivididoporelciclodetrabajo.LaúnicadiferenciaparaelanálisistípicodelconvertidorelevadoresquegeneralmenteconsideramoselciclodetrabajolafraccióndeltiempoqueelinterruptorestáconectadoatierraenlugardeVA.Enotraspalabras,usamos1-Denrelaciónconloquellamamos"ciclo de trabajo" para un convertidor Buck.

Ahora, antes de quejarse de que esto es injusto porque falta el diodo y que la corriente puede correr hacia atrás a través del inductor, recuerde que estipuló que el convertidor estaba funcionando en modo continuo. El ciclo de trabajo, las relaciones de voltaje de entrada y salida y la demanda de corriente de salida son tales que la corriente siempre fluye en el inductor. Si supiera que esto siempre fue cierto, podría eliminar el diodo.

El circuito como se muestra, sin un diodo, funciona en ambos sentidos, y la corriente del inductor puede fluir en cualquier dirección. Esto es básicamente un "transformador de CC", con la relación de voltaje estrictamente en función del ciclo de trabajo, independientemente de la forma en que lo defina.

Aclaración: "CCM" significa modo de conducción continua, lo que significa que la corriente a través del inductor del convertidor de refuerzo nunca tiene la posibilidad de decaer a cero. Esto contrasta con el DCM (Modo de conducción discontinua), donde no hay flujo de corriente para una parte del ciclo. Los convertidores Boost (y Buck) con rectificación de diodos operan en DCM bajo cargas ligeras y pasan a CCM a medida que aumenta la carga.

  

Opinión 1: el voltaje de salida solo depende del voltaje de entrada y del ciclo de trabajo

     

Vout = Vin / (1-D)

Esto es cierto, suponiendo un convertidor de refuerzo ideal en CCM. El voltaje de salida (Vout) de un convertidor de refuerzo ideal que funciona en CCM es solo dependiente del ciclo de trabajo (d) y voltaje de entrada (Vin), no corriente:

Vin / Vout = 1 - d

Dicho esto, reducir la corriente de carga lo suficiente eventualmente hará que el convertidor funcione en DCM (a menos que emplee una rectificación síncrona), donde la corriente de carga tiene un gran efecto en el voltaje de salida. Además, el voltaje de salida de cualquier convertidor de refuerzo práctico se verá afectado levemente por la corriente de carga incluso en CCM, principalmente debido a las resistencias parásitas en el circuito.

Veo que la mayoría de las personas han respondido tu pregunta de manera muy satisfactoria, al menos para mí. Pero, puedo agregar aquí una simplificación más hacia su ambigüedad. En CCCM, se supone que en un circuito sin pérdidas, la relación entre entrada / salida viene dada por: Vout = Vin / (1-D)

Ahora, ejecute cualquier simulador de circuito con componentes de circuito ideales (significa que cualquiera de los componentes que esté utilizando, interruptores, diodos, capacitores o incluso inductores son ideales) y ajuste su ciclo de trabajo para el Vin y el Vout requerido. No importa cuánto esté cargando su convertidor elevador, la salida será más o menos la misma. Su día difícil comienza una vez que incluye un componente con pérdida en su circuito, entonces la carga de salida se está involucrando. Eso es simplemente porque la relación Vout = Vin / (1-D) se desarrolló originalmente basándose en el supuesto de componentes de un circuito sin pérdidas, lo que significa que la ecuación no cuenta para las pérdidas. Más actual significa más pérdida de conducción (también conocida como: pérdida de cobre), cuenta como (I · I · R) el cuadrado de la corriente de salida promedio. Aquí viene la importancia de que un controlador corrija el ciclo de trabajo para garantizar un voltaje de salida constante en cualquier condición de carga, siempre que el controlador pueda conmutar el convertidor de cerca del 0% a cerca del 100% del ciclo de trabajo.

Teniendo en cuenta la resistencia de carga, \ $ R \ $ , como una función de la carga actual que he explicado a continuación:

En el MODO CCM, el voltaje de salida del convertidor de refuerzo \ $ V_o = V_ {in} / (1-D) \ $ , ¿qué pasa con DCM MODE?

En el modo DCM \ $ V_o = (V_ {in} \ cdot D \ cdot D2 \ cdot T_s \ cdot R) / 2L \ $ .

Ahora, si conoce la condición límite para el inductor \ $ L \ $ en el convertidor boost, \ $ L_ {cr } = (D (1-D) ^ 2 \ cdot R \ cdot T_s) / 2 \ $ entonces también puede conocer la condición de límite para \ $ R \ $ o \ $ R_ {cr} \ $ .

Si aumenta \ $ R \ $ tanto como desee, entonces entra en DCM, donde en DCM si aumentamos \ $ R \ $ aumenta \ $ V_o \ $ . Por lo tanto, para que \ $ V_o \ $ sea normal o constante, debe aumentar la frecuencia de operación.

\ $ V_o \ $ La fórmula para el modo DCM que he tomado se puede consultar en este enlace: Comprender las etapas de potencia Boost en las fuentes de alimentación de modo de conmutación .