3. Підвищуючий регулятор напруги (boost converter, step-up converter)

   1. Характеристики ідеального бустеру [2,3]

Схема 2 – підвищуючий імпульсний регулятор напруги (інші назви: boostconverter,step-upconverter;boost– підвищувати) з дроселем, з’єднаним послідовно з навантаженням і ключем, підключеним паралельно до навантаження (Рис.  3 .13), дає можливість одержати на навантаженні напругуU_d, яка перевищує напругу джерела живлення (U_d≥E).

Рис. 3.13

При замиканні ключа SдросельLз’єднується з джерелом живленняЕ. Струм у дроселі зростає і відбувається накопичення енергії. Під час розмикання ключаSвідкривається діодVDі конденсатор заряджається від послідовно з’єднаних джерела живленняЕі дроселяL. На цьому етапі роботи ЕРС самоіндукції дроселя має полярність, вказану без дужок. Напруга на конденсаторі, а отже, і на навантаженніU_dбільша від напруги джерела живлення (U_d≥E). При черговому замиканні ключаSдіодVDзакривається за рахунок напруги на конденсаторіС, а струм у навантаженні підтримується за рахунок енергії, накопиченої в конденсаторіС. Діаграми напруг та струмів показані на Рис.  3 .14.

Рис. 3.14

Будемо вважати елементи схеми ідеальними. Отже, потужність, яка споживається від джерела живлення Е, повинна дорівнювати потужності, яка надходить до навантаження. Враховуючи, що в усталеному режимі середнє значення струму дроселяI_L=const, а середнє значення струму через конденсаторI_C=0, для схеми 2 можемо записатиEI_L=U_dI_Lt_п/T, деt_п– тривалість розімкненого стану ключаS;T –період роботи ключа. Отже, регулювальна характеристика у відносних одиницях для широтно-імпульсного регулювання має такий вигляд:

,

(3.21)

де t_i– тривалість замкненого стану ключаS;

t_i^*=t_i/T– відносна тривалість замкненого стану ключа, або коефіцієнт заповнення імпульсів.

Для частотно-імпульсного регулювання зі сталою тривалістю імпульсу (ЧІР-а) регулювальна характеристика

, (3.22)

де f^*=f/f_max– відносна частота імпульсів;

f_max,=1/t_і– максимальна частота імпульсів.

Для частотно-імпульсного регулювання зі сталою тривалістю паузи (ЧІР-б) регулювальна характеристика

, (3.23)

де f^*=f/f_max, а максимальна частота імпульсівf_max=1/t_п.

Визначимо середній струм у дроселі I_L. Скористаємось балансом потужностей на вході та виході схеми, оскільки за прийнятих припущень втрати відсутні:

.

(3.24)

Останній вираз дуже важливий та показує, що середній струм дроселя, так само, як і середній струм під час імпульсу в ключі і середній струм під час паузи в діоді, необмежено зростає при →1. Цей факт свідчить про надзвичайне перевантаження елементів приблизьких до одиниці, тому не слід використовувати такий перетворювач у описаних режимах. Для визначення пульсації струму в дроселіI_L (Рис.  3 .14) виразимо напругу на дроселі під час імпульсу:

.

(3.25)

Приріст струму I_Lотримаємо з останнього виразу, використовуючи ( 3 .21)

.

(3.26)

За час імпульсу відбувається розряд конденсатору струмом навантаження I_d. Для кінцевого значення ємностіСза час імпульсу напруга на конденсаторі зменшиться наU_C(Рис.  3 .14). Ця зміна напруги пов’язана зі струмом навантаження

;.

Змінна складова напруги, яка оцінюється як половина розмаху, дорівнює

.

(3.27)

Збільшення частоти переключення fдозволяє зменшити рівень пульсацій. При більшому значенніпульсація на навантаженні зростає, що цілком природно – конденсатору необхідно працювати більший час без підзарядки.

Дросель у такому перетворювачі дозволяє забезпечити регулювання напруги на навантаженні, збільшення його індуктивності зменшує пульсацію струму на вході.

Для роботи в режимі неперервного струму необхідне виконання нерівності

.

(3.28)

З рівності I_Lmin=0можна визначити граничне значення індуктивності, при якому здійснюється перехід від режиму неперервних струмів (НС) до режиму перервних струмів (ПС)

.

(3.29)

Приклад 3.3.Співвідношення ( 3 .29) показує, що граничне значенняLзалежить від коефіцієнту заповнення. Визначити значення, для якого необхідне максимальне значення індуктивності дроселя (L_гр max).

Знайшовши умову максимуму функції L_гр, отримаємо

.

У такому випадку, якщо значення Lвибране більшим, ніжL_гр max, робота підвищуючого перетворювача буде завжди в усталеному (періодичному) режимові відбуватися в режимі НС.