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Zeta轉(zhuǎn)換器的工作原理

jf_pJlTbmA9 ? 來(lái)源:jf_pJlTbmA9 ? 作者:jf_pJlTbmA9 ? 2023-08-14 16:59 ? 次閱讀
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Zeta轉(zhuǎn)換器是一種DC-DC電轉(zhuǎn)換器,可以將電壓轉(zhuǎn)換成遞進(jìn)和遞下方向,它們與Zuk轉(zhuǎn)換器具有共同的特性,并且是用硬幣和推力轉(zhuǎn)換器結(jié)合開(kāi)發(fā)的。 Zeta轉(zhuǎn)換器由于適應(yīng)性高、效率高,因此在電池動(dòng)力系統(tǒng)、太陽(yáng)能收集、電信等許多不同的應(yīng)用中使用了Zeta轉(zhuǎn)換器。

Zeta轉(zhuǎn)換器的工作原理依靠磁元件(感應(yīng)器)和電容器在其輸入和輸出兩側(cè)之間儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)移能源。能源儲(chǔ)存階段和能源轉(zhuǎn)移階段構(gòu)成Zeta轉(zhuǎn)換器運(yùn)作的兩個(gè)主要組成部分。在能源儲(chǔ)存階段,輸入電源向?qū)б魇召M(fèi),而能源轉(zhuǎn)移階段則涉及通過(guò)電容器將儲(chǔ)存的能源轉(zhuǎn)移到輸出負(fù)荷。

Zeta轉(zhuǎn)換器保持不斷輸入和輸出流的能力是其重要優(yōu)勢(shì)之一。 低輸入和輸出當(dāng)前波紋,降低電磁干擾(EMI ) , 提高可靠性是這些特性的影響。 Zeta轉(zhuǎn)換器也可以應(yīng)請(qǐng)求提供輸入-輸出分離,從而提高其在各種應(yīng)用中的適應(yīng)性。

Circuit Topology and Key Components

圖20顯示了通過(guò)交換晶體管和引體L的位置而獲得的uk轉(zhuǎn)換器的另一項(xiàng)修改。1轉(zhuǎn)換器的表層與SEPIC的表層相似,因此也稱為“Inverse SEPIC”。

Diagrams-DC-DC_Converters_Fig20-_960_x_225.png

Figure 20: The ZETA converter circuit diagram

在穩(wěn)定狀態(tài)下,整個(gè)電導(dǎo)管的平均電壓為零,因此,整個(gè)電容器的平均電壓等于DC電壓源。電容器的容量可被視為足夠大,足以忽略其電壓的空調(diào)部分。圖17顯示了SEPIC轉(zhuǎn)換器在電流期間的等效電路。ON在此期間,整個(gè)引引體的電壓L1L和L2它們是:

$$U_{L1} = E$$ $$U_{L2} = U_{L1} + U_{C1} - U = E$$

以便其洋流線性地增加。

Diagrams-DC-DC_Converters_Fig21-_960_x_225.png

Figure 21: The ZETA converter circuit diagram – interval tON

圖22顯示了SEPIC轉(zhuǎn)換器在該時(shí)期內(nèi)的等效電路。OFF在此期間,通過(guò)引引體L的電壓1L和L2它們是:

$$U_{L1} = -U_{C1} = -U$$ $$U_{L2} = -U$$

以便它們的電流線性下降。 與 SEPIC 轉(zhuǎn)換器不同, 在 ZETA 轉(zhuǎn)換器中, 輸入流是不連續(xù)的, 而輸出流是連續(xù)的。 和 SEPIC 轉(zhuǎn)換器一樣, ZETA 轉(zhuǎn)換器中的導(dǎo)引器如果選擇了具有同等導(dǎo)引的導(dǎo)引器, 可以進(jìn)行磁結(jié)合, 這會(huì)減少單個(gè)導(dǎo)引器中電流的交替部分 。

Diagrams-DC-DC_Converters_Fig22-_960_x_225.png

Figure 22: The ZETA converter circuit diagram – interval tOFF

在穩(wěn)定狀態(tài)下,感應(yīng)器的平均電壓值等于零:

$$E cdot T cdot d = U cdot T cdot (1 - d)$$ $$Leftrightarrow U = E cdot frac{ d}{1 - d}$$

意思是這個(gè)轉(zhuǎn)換器 是一個(gè)硬轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換器

Zeta轉(zhuǎn)換器是四級(jí)DC-DC轉(zhuǎn)換器,其特征是獨(dú)特的地形學(xué),結(jié)合了壓力轉(zhuǎn)換器和推力轉(zhuǎn)換器的要素,Zeta轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵組成部分包括輸入電壓源、兩個(gè)導(dǎo)電源(L1和L2)、兩個(gè)電容器(C1和C2)、二極管(D)和一個(gè)開(kāi)關(guān)(S),通常是MOSFETIGBT

在典型的Zeta轉(zhuǎn)換器地形學(xué)中,輸入電壓源與第一個(gè)引體(L1)的一端連接,L1的另一端與控制通過(guò)引體流流的開(kāi)關(guān)(S)連接,二極(D)與開(kāi)關(guān)平行連接,與L1和S之間的共同節(jié)點(diǎn)相連,其陰極與輸出方相連。第二導(dǎo)管(L2)與二極管的陰極和輸出電壓節(jié)點(diǎn)相連。電容器(C1和C2)在輸出電壓節(jié)點(diǎn)和地面之間按序列連接,其共同節(jié)點(diǎn)與輸入電壓源連接。

在Zeta轉(zhuǎn)換器運(yùn)行期間,在On和OFF州之間轉(zhuǎn)接的電源,控制電路的能量流動(dòng)。當(dāng)開(kāi)關(guān)在On時(shí),輸入電壓源充電L1,能量?jī)?chǔ)存在其磁場(chǎng)中。同時(shí),二極管(D)是反向偏移的,通過(guò)吸收器L2儲(chǔ)存的能量通過(guò)電容器C2轉(zhuǎn)移到輸出負(fù)荷。當(dāng)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)離離子F2時(shí),L1中的電流繼續(xù)通過(guò)二極管(D)流動(dòng),充電L2和釋放電容器C1。然后,儲(chǔ)存在L2中的能量通過(guò)電容器C2轉(zhuǎn)移到輸出負(fù)荷。

Zeta轉(zhuǎn)換器的性能、效率和大小直接受感應(yīng)器、電容器、二極管和開(kāi)關(guān)的選擇影響,為了取得最佳性能,必須使用具有適當(dāng)電流和電壓評(píng)級(jí)和低寄生物元素的部件,此外,高頻開(kāi)關(guān)可能帶來(lái)的磁部件較小,可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)更為緊湊。

Continuous and Discontinuous Conduction Modes

與其他DC-DC轉(zhuǎn)換器一樣,Zeta轉(zhuǎn)換器以兩種不同的導(dǎo)電模式運(yùn)作:連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)和不連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)。 導(dǎo)電模式的選擇取決于各種因素,包括應(yīng)用、負(fù)荷要求和預(yù)期效率。

連續(xù)傳導(dǎo)模式(CCM)在連續(xù)導(dǎo)電模式下,在轉(zhuǎn)換周期期間,通過(guò)導(dǎo)電器(L1和L2)流動(dòng)的電流從不降至零,高功率應(yīng)用往往選擇CCM操作,因?yàn)樗芴峁└玫碾娏鬏斝屎洼^少的輸出電壓波。此外,與CCM相比,CCM有一個(gè)較簡(jiǎn)單的控制和分析過(guò)程。然而,CCM操作可能導(dǎo)致較高的導(dǎo)電直徑和更高的核心損失。

連續(xù)連續(xù)導(dǎo)導(dǎo)模式(DCM):在不連續(xù)的導(dǎo)導(dǎo)模式中,在轉(zhuǎn)換周期的某個(gè)時(shí)候,通過(guò)一個(gè)或兩個(gè)導(dǎo)線器(L1和L2)流出的電流將降至零。對(duì)于低功率應(yīng)用或負(fù)載差異很大的情況下,通常建議采用DCM操作。與CCM相比,DCM能夠以低負(fù)荷和較小的導(dǎo)引體尺寸提供更高的效率。然而,DCM操作伴隨著增加輸出電壓波和更為復(fù)雜的控制和分析要求。

獨(dú)特的應(yīng)用和設(shè)計(jì)要求決定了Zeta轉(zhuǎn)換器是否應(yīng)當(dāng)以CCM或DCM模式運(yùn)作,一般來(lái)說(shuō),設(shè)計(jì)師可以使用CCM和DCM操作的組合,或一種控制方法,在CCM和DCM之間交換,作為要求廣泛高效的應(yīng)用程序所必需的。

優(yōu)化Zeta轉(zhuǎn)換器在特定應(yīng)用中的性能需要了解CCM和CCM操作之間的區(qū)別。在選擇最佳導(dǎo)演模式時(shí),設(shè)計(jì)師必須考慮到負(fù)荷要求、組件大小、效率和輸出電壓波。

Design Considerations and Calculations

設(shè)計(jì)一個(gè)有效和可靠的 Zeta 轉(zhuǎn)換器以確保正確的部件選擇和系統(tǒng)性能。 在建造 Zeta 轉(zhuǎn)換器時(shí),必須銘記以下事項(xiàng): 確定應(yīng)用所需的輸入和輸出電壓水平, 以確保您選擇合適的組件值, 計(jì)算開(kāi)關(guān)的值( D) 。

投入和輸出電壓規(guī)格輸出功率和載荷要求:考慮您應(yīng)用程序的輸出功率和載荷要求,這些要求將影響轉(zhuǎn)換器的導(dǎo)電模式(CCM或DCM)以及所需的導(dǎo)電器和電容器的大小。

誘引物的選擇和計(jì)算:根據(jù)理想的導(dǎo)電模式、輸入/輸出電壓規(guī)格和載荷要求,選擇合適的導(dǎo)電值(L1和L2),這將影響轉(zhuǎn)換器的效率、輸出電壓波和瞬時(shí)反應(yīng)。

計(jì)算時(shí)值周期的計(jì)算:計(jì)算開(kāi)關(guān)的值勤周期(D) - 開(kāi)關(guān)在時(shí)間上與總開(kāi)關(guān)期之比,以確定正確轉(zhuǎn)換器操作所需的輸入-輸出電壓關(guān)系。

選取電動(dòng)器:根據(jù)理想輸出電壓波、瞬時(shí)反應(yīng)和轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定性,選擇輸入(Cin)和輸出(Cout)電容器,因?yàn)檫m當(dāng)?shù)碾娙萜鬟x擇對(duì)于維持穩(wěn)定的輸出電壓和盡量減少電壓波動(dòng)至關(guān)重要。

切換頻率:考慮到效率、部件大小和電磁干擾(EMI)等因素,選擇適當(dāng)?shù)慕粨Q頻率,因?yàn)檩^高的交換頻率可能允許使用較小的感應(yīng)器和電容器,但也可能導(dǎo)致更多的轉(zhuǎn)換損失和電磁干擾。

控制戰(zhàn)略控制戰(zhàn)略:決定控制戰(zhàn)略(壓載模式、當(dāng)前模式或數(shù)字控制),以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器的輸出電壓或電流。您的控制戰(zhàn)略將決定控制電路的復(fù)雜性及其在不同操作條件下的性能。

熱熱管理確保適當(dāng)?shù)臒峁芾?估計(jì)電力損失,保證足夠的熱耗散,以保持轉(zhuǎn)換器效率,確保長(zhǎng)期可靠性。

EfficiencyL和Losses

效率對(duì)于電轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)至關(guān)重要,因?yàn)樗苯佑绊懙秸麄€(gè)系統(tǒng)性能、電耗和熱管理。 Zeta轉(zhuǎn)換器的效率是輸出功率與輸入功率的比率,以百分比表示。為了優(yōu)化效率,必須了解和盡量減少轉(zhuǎn)換器內(nèi)部發(fā)生的各種損失。

行為損失:當(dāng)電流通過(guò)開(kāi)關(guān)、二極管和感應(yīng)器等電動(dòng)電子部件時(shí),會(huì)發(fā)生導(dǎo)電損失。這些損失取決于電流通過(guò)時(shí)的平方,并且大多由部件的阻力性造成。為了盡量減少導(dǎo)電損失,設(shè)計(jì)師可以選擇阻力較低的部件,或者他們可以改進(jìn)電路結(jié)構(gòu)以減少寄生蟲(chóng)的阻力。

轉(zhuǎn)置損失: 在電開(kāi)關(guān)的 On 和 OF 狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程中發(fā)生開(kāi)關(guān)損失。在這些轉(zhuǎn)換過(guò)程中,電壓和電流同時(shí)存在,造成電流消散。開(kāi)關(guān)頻率、電壓和當(dāng)前轉(zhuǎn)換期間的變化率以及開(kāi)關(guān)裝置的特性都對(duì)開(kāi)關(guān)損失產(chǎn)生影響。設(shè)計(jì)師可以選擇開(kāi)關(guān),開(kāi)關(guān)速度更快,或增強(qiáng)門驅(qū)動(dòng)電路以縮短轉(zhuǎn)換時(shí)間,減少開(kāi)關(guān)損失。

二極反向收回?fù)p失:二極反向恢復(fù)損失與二極管在反向恢復(fù)過(guò)程中的行為有關(guān)。二極管在從運(yùn)行狀態(tài)向阻斷狀態(tài)過(guò)渡時(shí)短暫地經(jīng)歷逆向流動(dòng)。在高頻下,這種流動(dòng)造成的能量消散可能非常嚴(yán)重。設(shè)計(jì)師可以使用Shottky二極管或快速恢復(fù)二極管,這些二極管具有極快的反向恢復(fù)期,以減少反向恢復(fù)損失。磁元的核心損失。

磁力部件核心損失:由于交替磁場(chǎng),誘導(dǎo)器和變壓器的磁核心發(fā)生核心損失。這些損失受轉(zhuǎn)換器的操作頻率、形狀和核心材料的影響。通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)暮诵牟牧虾途珶挻旁O(shè)計(jì),設(shè)計(jì)師可以減少核心損失。

電容器損失:等效序列抗藥性(ESR)和電離損失是造成電容器損失的主要原因,這些依賴頻率的損失可以通過(guò)使用電磁反應(yīng)低的電容器和適當(dāng)?shù)碾妱?dòng)材料來(lái)減少。

Applications and Examples

Zeta轉(zhuǎn)換器是多功能和高效的DC-DC轉(zhuǎn)換器,具有各種優(yōu)勢(shì),例如連續(xù)輸入和輸出流、高電壓轉(zhuǎn)換率以及加快或降低輸入電壓的能力。由于這些特點(diǎn),Zeta轉(zhuǎn)換器在廣泛的行業(yè)和系統(tǒng)中找到應(yīng)用。本節(jié)介紹Zeta轉(zhuǎn)換器的一些典型應(yīng)用和實(shí)例。

電力供應(yīng)應(yīng)用:Zeta轉(zhuǎn)換器在電力供應(yīng)設(shè)計(jì)中廣泛使用,為數(shù)字電路模擬電路和電力放大器等各種載荷提供受管制的輸出電壓。這些轉(zhuǎn)換器對(duì)于在廣泛輸入電壓范圍內(nèi)需要穩(wěn)定的輸出電壓的應(yīng)用是理想的,例如電池動(dòng)力裝置和汽車系統(tǒng)。

可再生能源系統(tǒng):在太陽(yáng)能和風(fēng)力發(fā)電裝置等可再生能源系統(tǒng)中,Zeta轉(zhuǎn)換器可以調(diào)節(jié)不同的輸入電壓,并將能源的不同輸入電壓轉(zhuǎn)換為理想的輸出電壓,它們能夠處理廣泛的輸入電壓范圍,確保連接載荷的最佳性能和最大限度的電力提取。

電動(dòng)機(jī)動(dòng)車動(dòng)力系統(tǒng):Zeta轉(zhuǎn)換器對(duì)電動(dòng)車輛動(dòng)力系統(tǒng)有用,為各種子系統(tǒng),如發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器、輔助載荷和電池管理系統(tǒng)等提供多壓電壓,高效地將電池包的高電壓轉(zhuǎn)換為所需的低電壓,適合雙向電動(dòng)電流應(yīng)用,包括再生制動(dòng)和電池充電。

電信系統(tǒng) 電信系統(tǒng)電信系統(tǒng)使用Zeta轉(zhuǎn)換器為基地站、網(wǎng)絡(luò)開(kāi)關(guān)和路由器等敏感電子設(shè)備提供穩(wěn)定電源,Zeta轉(zhuǎn)換器的連續(xù)輸入和輸出流減少這些系統(tǒng)中產(chǎn)生的電磁干擾和噪音,確保LED照明應(yīng)用的可靠和有效運(yùn)作。

Zeta轉(zhuǎn)換器能夠以恒定的電流驅(qū)動(dòng)LED,在LED照明應(yīng)用中提供統(tǒng)一的亮度和長(zhǎng)壽命,其廣泛的輸入電壓范圍使它們適合各種照明應(yīng)用,如汽車、街道和工業(yè)照明系統(tǒng)。

責(zé)任編輯:彭菁

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    在電力和電子領(lǐng)域中,變壓轉(zhuǎn)換器都是至關(guān)重要的設(shè)備。它們各自在電路中發(fā)揮著特定的作用,雖然有些功能看似相似,但兩者的工作原理和實(shí)際應(yīng)用卻存在顯著的差異。本文將詳細(xì)介紹變壓
    的頭像 發(fā)表于 05-22 18:14 ?3078次閱讀

    降壓轉(zhuǎn)換器的功能和工作原理

    在電子技術(shù)和電力電子領(lǐng)域中,降壓轉(zhuǎn)換器(Buck Converter)是一種至關(guān)重要的設(shè)備。它以其獨(dú)特的功能和高效的工作原理,廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備、通信設(shè)備、汽車電子以及工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。本文將詳細(xì)探討降壓轉(zhuǎn)換器的功能、
    的頭像 發(fā)表于 05-23 16:40 ?1683次閱讀

    LLC諧振轉(zhuǎn)換器工作原理工作區(qū)域

    LLC諧振轉(zhuǎn)換器是一種基于諧振振蕩原理工作的電力轉(zhuǎn)換器,它以其高效率、低電磁干擾和寬輸入輸出范圍等特點(diǎn),在電力電子領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。以下將詳細(xì)闡述LLC諧振轉(zhuǎn)換器
    的頭像 發(fā)表于 07-16 11:29 ?5562次閱讀

    LLC電源轉(zhuǎn)換器工作原理

    領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。以下將詳細(xì)闡述LLC電源轉(zhuǎn)換器工作原理,包括其主要組成部分、工作過(guò)程、調(diào)制方式、工作區(qū)域及其特性、效率提升措施以及應(yīng)用實(shí)例等。
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