¿Aumenta la eficiencia del convertidor Boost a medida que aumenta el ciclo de trabajo?

Las principales pérdidas de potencia en un convertidor elevador se pueden resumir de la siguiente manera:

1. Pérdidas de conmutación del interruptor de alimentación (por ejemplo, MOSFET, BJT. En lo sucesivo, me referiré al interruptor de alimentación como MOSFET)
2. Pérdidas de conducción MOSFET.
3. pérdidas de conmutación de DIODO.
4. Pérdidas de conducción del DIODO.
5. Otras pérdidas de conducción (por ejemplo, resistencia del inductor)

La eficiencia de un convertidor está dada por: eff = Po / Pin = (Pin - Plosses) / Pin.

A medida que cambian las pérdidas, también cambia la eficiencia.

Uno no puede hacer una declaración general de por qué la eficiencia se reduce o las pérdidas aumentan a medida que aumenta el ciclo de trabajo, ya que entonces uno tendría que conocer los cinco parámetros de pérdida en función de la corriente, el voltaje y la frecuencia de conmutación.

Sin embargo, una explicación simplificada de este fenómeno es que las pérdidas de conducción del MOSFET son diferentes a las pérdidas de conducción del diodo. A medida que aumenta el ciclo de trabajo, el MOSFET conducirá durante un período más largo y el diodo durante un período más corto. Esto a su vez altera las pérdidas de potencia en el circuito. Si el DIODE tiene mayores pérdidas de conducción que el MOSFET, por ejemplo, a medida que cambia el ciclo de trabajo, lo que hace que el DIODE se conduzca durante un período relativamente más largo que el MOSFET, la eficiencia disminuirá. Esta es una explicación simplificada, pero el principio fundamental es que a medida que cambia el ciclo de trabajo, cambian las condiciones de operación de cada elemento en el circuito. Dado que las pérdidas para cada dispositivo dependen de su punto de operación específico, el cambio del ciclo de trabajo cambia las pérdidas.

Adicional a otras respuestas:

Un punto tal vez no cubierto por otros -

Vout = Vin + poder convertido cuando el inductor "se encuentra en" Vin.

El componente Vin es "100% eficiente" por definición. Como Vout obtiene cada vez más > Vin el componente convertido se hace más grande y la eficiencia cae.

por ejemplo, decir que la eficiencia de conversión fue del 50%.
Suponga que el diodo ideal y el inductor de resistencia cero facilitan la imagen.

En Vin = 5, Vout = 5, eficiencia = 100%
En Vout = 10V Z = (100 + 50) / 2 = 75%.
Vout = 100V Z = (5 x 100 + 95 x 50) / 100 = 52.5%

La caída anterior en la eficiencia es cuando la eficiencia real del convertidor permanece constante.
Si las pérdidas del convertidor aumentan a medida que aumenta la fracción de conversión (como lo hacen generalmente), el efecto es aún mayor (pero la pérdida de conversión real generalmente no será del 50% :-)).

Añadido:

  

¿Puede explicar un poco más lo que quiere decir con "potencia convertida como el inductor está en Vin"?

Considera el diagrama.
Vout = Vin + Vinductor - Vdiode_drop.
Si el diodo es perfecto y el inductor tiene una resistencia de cero ohmios, entonces si Vout = Vin TODA la salida proviene de la entrada directamente al 100% de eficiencia.
A medida que Vout sube, la parte Vin permanece y se agrega a la energía convertida en < 100% de eficiencia (Z).
La red Z es la mezcla de 100% Vin y% inferior convertido.

La salida de un convertidor boost no es una función lineal del ciclo de trabajo. Para cualquier relación de salida a tensión de entrada, hay un ciclo de trabajo óptimo. Tanto más alto como más bajo causarán menos salida.

Piénsalo. Hay dos requisitos en competencia que empujan el ciclo de trabajo en direcciones opuestas. A medida que aumenta el ciclo de trabajo, se obtiene una corriente del inductor cada vez más alta, lo que permite transferir más a la salida. Sin embargo, esta transferencia ocurre durante el tiempo libre. A medida que aumenta el ciclo de trabajo, el tiempo de apagado (ciclo de 1 trabajo) disminuye, y deja cada vez menos tiempo para descargar cualquier corriente en la salida.

El punto de máxima transferencia de potencia es una compensación entre estos requisitos. Aumentar el ciclo de trabajo más allá de este punto resultará en menos potencia de salida, pero seguirá aumentando la potencia de entrada, por lo que la eficiencia disminuye. Esto es probablemente lo que viste. Si comienza en un ciclo de trabajo de 0, verá un aumento en el voltaje de salida en algún punto, y luego una disminución.

Lo que creo que ocurre físicamente en el convertidor es que con el interruptor en la posición ON (ENCENDIDO) no hay transferencia de energía desde la entrada a la carga. Durante el intervalo Toff (cuando el interruptor está apagado), la entrada se conecta a la carga y la energía almacenada en el inductor se transfiere a la salida y se produce la acción de impulso.

De manera intuitiva, puede verse como un proceso en el que cuando aumentamos el ciclo de trabajo 'D' a 1, el interruptor está en ON durante todo el período de conmutación. Toda la potencia se disipa en términos de pérdida de conducción en el Rds del MOSFET, por lo que no se transfiere potencia y la eficiencia llega a cero cuando operamos en el ciclo de trabajo máximo.

En realidad, es bastante fácil de explicar mientras se mira el circuito.

Claramente en \ $ \ delta = 0 \ $, \ $ U_ {out} = U_ {in} -U_ {diode} \ $ y la única pérdida es la del diodo debido a la conducción.

Cuando desea aumentar el voltaje de salida del convertidor de refuerzo, enciende periódicamente \ $ M_1 \ $, que luego periódicamente hará que 'corto' \ $ L_1 \ $ lleve a una mayor amplitud de corriente a través de él más una corriente periódica a través de \ $ M_1 \ $ que hasta entonces no llevaba corriente, es decir, no tenía pérdidas asociadas.

Además, cuando desactivas \ $ M_1 \ $, \ $ D_1 \ $ se fuerza en la conducción donde estaba bloqueando antes de eso. Por lo tanto, la carga de separación en el dado de \ $ D_1 \ $ debe eliminarse, lo que representa una pérdida (fija), pero también la corriente, que hasta ese momento era continua, ahora se aplica en forma de pulso. p>

Ahora, si asumimos una corriente de salida promedio constante, una corriente pulsada a través de \ $ D_1 \ $ con el mismo valor promedio tendrá un valor RMS más alto y, por lo tanto, causará mayores pérdidas durante la conducción, ambas en \ $ M_1 \ $ así como \ $ D_1 \ $.

Ahora, si aumentamos el ciclo de trabajo para obtener un voltaje de salida más alto, todos esos mecanismos de pérdida, excepto las pérdidas de encendido en \ $ D_1 \ $, aumentarán. El tiempo en que \ $ L_1 \ $ está 'en corto' aumenta, por lo tanto, su corriente y pérdida, y también las pérdidas en \ $ M_1 \ $ debido a que tanto el período en que fluye la corriente y su amplitud aumentan, como el RMS actual hasta \ $ D_1 \ $ también aumenta. Sin embargo, la reducción en el tiempo de conducción de \ $ D_1 \ $ reducirá la pérdida de conducción causada por la caída de tensión fija (aparte de la resistiva), por lo que hay una pequeña advertencia, pero lo más probable es que las pérdidas resistivas dominen ya que esto es un ' convertidor de poder. Donde las pérdidas de voltaje fijo dominan, podría ser mejor seleccionar una rectificación síncrona en lugar de un simple diodo.