DC-DC конверторы с переключаемыми конденсаторами
Для силовой электроники последних двух десятилетий характерно опережающее развитие конверторов, содержащих только транзисторы, диоды и конденсаторы, получивших обобщённое название конверторов с переключаемыми конденсаторами (КПК), не содержащих реакторов или трансформаторов.
Такие конверторы для малых мощностей до сотни ватт обладают малыми габаритами и весом, низким уровнем электромагнитных помех, высокой удельной мощностью за счет использования только полупроводниковых ключей (транзисторов и диодов) и конденсаторов, что позволяет выполнять их в интегральном исполнении.
Подобные конверторы предназначены быть вторичными источниками питания (первичными источниками в этих случаях являются аккумуляторы) в автономных мобильных электронных устройствах, таких как сотовые телефоны, персональные цифровые помощники и тому подобные системы.
Кроме того, способность таких конверторов не только понижать, но и повышать напряжение позволяет применять их и в системах автомобильной и бытовой электроники, а также в системах интернет- сервиса в телекоммуникации.
Первоначально конверторы с переключаемыми конденсаторами были DC- DC типа, но затем появились и другие типы таких конверторов, такие как АС- DC, DC-AC, АС-АС. Развивалась также схемотехника КПК за счет улучшения конфигурации ключей заряда, совершенствования регулирования использования двунаправленных ключей в КПК понижающеповышающего типа, построения схем с непрерывным входным током.
Находит применение техника разделения схем на две части, когда в одной части конденсаторы заряжаются от источника, а в другой части конденсаторы разряжаются на нагрузку. В простейшем случае двухтактный режим обеспечивается параллельным включением двух одинаковых КПК с противофазным управлением ими.
А что сейчас?
Сейчас выделяются пять базовых схем повышающих DC-DC конверторов, наиболее часто анализируемые в литературе
Каскадное включение схем удвоения увеличивает коэффициент преобразования по напряжению в 2n число раз, т. е. почти, как в схеме Фибоначчи, в то время как схема Диксона увеличивает коэффициент преобразования по напряжению линейно с ростом n, где n - число каскадов.
Использование по напряжению конденсаторов и ключей также не одинаково в различных схемах. В последовательно - параллельной схеме все конденсаторы имеют одинаковые напряжения, а в схеме Диксона все транзисторы имеют одинаковые напряжения. Конверторы с экспоненциальными коэффициентами преобразования по напряжению имеют резко различающиеся напряжения на всех элементах схем и это ограничивает их применение.
Особенностью всех классических схем конверторов с переключаемыми конденсаторами является отсутствие гальванической развязки входных и выходных цепей и невозможность получения высокого КПД из-за ограничения токов заряда и разряда конденсаторов активными сопротивлениями элементов схем (диодов, транзисторов, конденсаторов).
Но эти свойства КПК малой мощности и напряжения не являются здесь определяющими, что и привело к созданию отдельного направления в отрасли силовой электроники по массовому выпуску таких конверторов в интегральном исполнении.
Развитие отрасли в российской и европейской науке
В то же время необходимо отметить, что истоки КПК надо исчислять не с моментов выпуска их схем в интегральном исполнении, т. е. около двух десятилетий назад, а значительно раньше. Идея переключения конденсаторов с режима параллельного их заряда от источника питания на режим их последовательного разряда на нагрузку была использована в первых высоковольтных умножителях напряжения в схеме, называемой Аркадьева-Маркса, на которую в 1924 году немецкий инженер Маркс получил патент.
Но в 1914 году Аркадьев совместно с Н. В. Баклиным построили так называемый «генератор молний», который являлся первым импульсным генератором в России, работавшем на принципе последовательного соединения конденсаторов для получения умноженного напряжения. Здесь, как нередко было с идеями российских ученых, была публикация российской разработки без патентования, а десять лет спустя появился патент Маркса.
Появление транзисторов в шестидесятых годах прошлого века позволило использовать их вместо сопротивлений и разрядников. Появились первые повышающие преобразователи постоянного напряжения, т. е. DC-DC конверторы. Японскими исследователями было разработано семейство кольцевых DC- DC конверторов повышающего, понижающего и повышающепонижающего типов, которые мало известны в Европе.
Такие конверторы имеют возможность регулировать по управлению величину выходного напряжения, работать в широком диапазоне изменения входного напряжения при стабильном выходном напряжении, допускают модификацию схем под режим мягкой коммутации. Созданы также схемы DCАС , AC-DC , АС-АС конверторов.
Получила развитие и теория конверторов с переключаемыми конденсаторами для установившихся и переходных процессов на базе компьютерного моделирования и аналитических исследований. Определены основные энергетические показатели конверторов: КПД, уровень пульсаций, коэффициенты преобразования по напряжению, диапазоны регулирования.
Также построены схемы с дробным коэффициентом преобразования и с регулируемым коэффициентом преобразования. Одновременно появились и теоретические работы по синтезу DC-DC конверторов с переключаемыми конденсаторами, основанные на топологических концепциях теории графов.