SEPIC-konverter
En SEPIC-konverter eller blot SEPIC (SEPIC er akronym fra engelsk single-ended primary-inductor converter) er en type switch-mode-strømforsyning, der tillader spændingen ved dens udgang at være større end, mindre end eller lig med den ved dens indgang. SEPIC-udgangsspændingen styres af den elektroniske kontakts (S1) arbejdscyklus.
En SEPIC er i bund og grund en boost-konverter efterfulgt af en inverteret buck-boost-konverter. Selvom den ligner en traditionel buck-boost-konverter, har den et par fordele. Den har en ikke-inverteret udgang (udgangen har samme elektriske polaritet som indgangen). Dens brug af en seriekondensator til at koble energi fra indgangen til udgangen gør det muligt for kredsløbet at reagere mere elegant på en kortslutning af udgangen. Og den er i stand til at udføre en fuldstændig nedlukning af udgangsspændingen: Når kontakten S1 er slukket tilstrækkeligt længe, falder udgangen (V0) mod 0 V.[1]
SEPIC'er er nyttige i anvendelser, hvor indgangsspændingen kan være over og under regulatorens udgangsspænding. Fx aflader et enkelt lithium-ion-akkumulator-celle typisk fra 4,2 volt til 3 volt; og hvis den tilsluttede elektronik kræver 3,3 volt, ville SEPIC her være effektiv.
Driftsprincip
[redigér | rediger kildetekst]En SEPICs principdiagram er vist i figur 1. Som med andre switched mode strømforsyninger (specifikt DC-til-DC-konvertere) udveksler SEPIC'en energi mellem kondensatorer og spoler for at konvertere fra én spænding til en anden. Mængden af udvekslet energi styres af switch S1, som typisk er en transistor såsom en effekt MOSFET. Effekt MOSFET'er tilbyder en meget højere indgangsimpedans og lavere spændingsfald end bipolare transistorer (BJT'er) og kræver ikke forspændingsmodstande, da MOSFET-switching styres af forskelle i spænding snarere end strøm, som med BJT'er.
Vedvarende/kontinuert strømdrift (CCM)
[redigér | rediger kildetekst]Når SEPIC drives i kontinuert strømdrift (CCM), vil strømmene gennem spolerne L1 og L2 aldrig falde til nul under en arbejdscyklus. Under en SEPICs kontinuerte strømdrift er den gennemsnitlige spænding over kondensator C1 (VC1) lig med indgangsspændingen (Vin). Fordi kondensator C1 blokerer jævnstrøm (DC), er den gennemsnitlige strøm gennem den (IC1) nul, hvilket gør spole L2 til den eneste kilde til jævnstrømsbelastning. Derfor er den gennemsnitlige strøm gennem spolen L2 (IL2) den samme som den gennemsnitlige belastningsstrøm og dermed uafhængig af indgangsspændingen.
Når man ser på gennemsnitsspændingerne, kan følgende skrives:
Fordi den gennemsnitlige spænding for VC1 er lig med VIN, er VL1 derfor = −VL2. Af denne grund kan de to spoler vikles på den samme kerne, som begynder at ligne en flyback-konverter, den mest grundlæggende af de transformerisolerede switched-mode strømforsyningstopologier. Da spændingerne har samme størrelse, vil deres effekt på den gensidige induktans være nul, forudsat at viklingernes polaritet er korrekt. Da spændingerne har samme størrelse, vil ripple-strømmene fra de to spoler også være lige store.
De gennemsnitlige strømme kan summeres som følger (gennemsnitlige kondensatorstrømme skal være nul):
Figur 2: Når kontakt S1 er tændt, stiger strømmen IL1, og strømmen IL2 bliver mere negativ. (Matematisk set falder den på grund af pilens retning.) Energien til at øge strømmen IL1 kommer fra indgangskilden. Da S1 er lukket i et kort øjeblik, og den øjeblikkelige spænding VL1 er omtrent VIN, er spændingen VL2 omtrent -VC1. Derfor åbnes D1, og kondensatoren C1 leverer energi til at øge størrelsen af strømmen i IL2 og dermed øge den energi, der er lagret i L2. IL leveres af C2. Den nemmeste måde at visualisere dette på er at betragte kredsløbets biasspændinger i en DC-tilstand og derefter lukke S1.
Figur 3: Når kontakt S1 er slukket, bliver strømmen IC1 den samme som strømmen IL1, da spolerne ikke tillader øjeblikkelige ændringer i strømmen. Strømmen IL2 vil fortsætte i negativ retning, faktisk vender den aldrig retning. Det kan ses ud fra diagrammet, at en negativ IL2 vil lægge sig til strømmen IL1 for at øge den strøm, der leveres til belastningen. Ved hjælp af Kirchhoffs strømlov kan det vises, at ID1 = IL1 - IL2. Det kan derefter konkluderes, at mens S1 er slukket, leveres strøm til belastningen fra både L2 og L1. C1 bliver dog opladet af L1 under denne slukkede tidsinterval (som C2 af L1 og L2), og vil til gengæld genoplade L2 under den efterfølgende tændte tidsinterval.
Da spændingen over kondensator C1 kan vende retning i hver arbejdscyklus, bør en ikke-polariseret kondensator anvendes. Imidlertid kan en polariseret tantal-kondensator eller elektrolyt-kondensator anvendes i nogle tilfælde,[2] fordi spændingen over kondensator C1 ikke vil ændre sig, medmindre kontakten er tændt længe nok til en halv arbejdscyklus af resonans med spole L2, og på dette tidspunkt kan strømmen i spole L1 være ret stor.
Kondensatoren CIN har ingen effekt på analysen af det ideelle kredsløb, men er nødvendig i faktiske regulatorkredsløb for at reducere virkningerne af parasitisk induktans og strømforsyningens indre modstand.
SEPIC'ens boost/buck-funktioner er mulige på grund af kondensator C1 og spole L2. Spolen L1 og kontakten S1 skaber en standard boost-konverter, som genererer en spænding (VS1), der er højere end VIN, hvis størrelse bestemmes af kontaktens S1's arbejdscyklus. Da den gennemsnitlige spænding over C1 er VIN, er udgangsspændingen (VO) VS1 - VIN. Hvis VS1 er mindre end dobbelt så stor som VIN, vil udgangsspændingen være mindre end indgangsspændingen. Hvis VS1 er større end dobbelt så stor som VIN, vil udgangsspændingen være større end indgangsspændingen.
Diskontinuert strømdrift (DCM)
[redigér | rediger kildetekst]Når SEPIC drives i diskontinuert strømdrift (DCM), vil strømmen gennem en af spolerne L1 eller L2 får lov til at falde til nul under en arbejdscyklus.
Pålidelighed og effektivitet
[redigér | rediger kildetekst]Spændingsfaldet og især skiftehastigheden for diode D1 er afgørende for en SEPIC's pålidelighed og effektivitet. Diodens skiftehastighed skal være ekstremt hurtig for ikke at generere høje spændingsspidser over spolerne, hvilket eller kan forårsage skade på komponenterne. Hurtige konventionelle dioder eller Schottky-dioder kan anvendes.
De indre modstande i spolerne og kondensatorerne kan også have stor effekt på konverterens effektivitet og udgangsripple. Spoler med lav seriemodstand tillader mindre energi at blive afgivet som varme, hvilket resulterer i større effektivitet (en større del af indgangseffekten overføres til belastningen). Kondensatorer med lav ækvivalent seriemodstand (ESR) bør også anvendes til C1 og C2 for at minimere ripple og minske opvarmning, især i C1, hvor strømmen ofte skifter retning.
Ulemper
[redigér | rediger kildetekst]- Ligesom buck-boost-konverteren har SEPIC en pulserende udgangsstrøm. Den lignende Ćuk-konverter har ikke denne ulempe, men den kan kun have negativ udgangspolaritet, medmindre den isolerede Ćuk-konverter anvendes.
- Da SEPIC-konverteren overfører al sin energi via seriekondensatoren, kræves en kondensator med høj kapacitans og strømhåndteringsevne.
- Konverterens fjerdeordens natur gør også SEPIC-konverteren vanskelig at styre, hvilket kun gør den egnet til meget langsomt varierende applikationer.
Referencer
[redigér | rediger kildetekst]- Maniktala, Sanjaya. Switching Power Supply Design & Optimization, McGraw-Hill, New York 2005.
- SEPIC Equations and Component Ratings, Maxim Integrated Products. Appnote 1051, 2005, backup.
- TM SEPIC converter in PFC Pre-Regulator, STMicroelectronics. Application Note AN2435, backup. Dette applikationsnotat præsenterer den grundlæggende ligning for SEPIC-konverteren, foruden et praktisk designeksempel.
- High Frequency Power Converters, Intersil Corporation. Application Note AN9208, April 1994, backup. Dette applikationsnotat dækker forskellige effektkonverterarkitekturer, herunder de forskellige driftsprincipper for SEPIC-konvertere.
- ↑ Robert Warren, Erickson (1997). Fundamentals of power electronics. Chapman & Hall.
- ↑ Dongbing Zhang, Designing A Sepic Converter. May 2006, revised April 2013 Formerly National Semiconductor Application Note 1484, now Texas Instruments Application Report SNVA168E, backup.
 |
Wikimedia Commons har medier relateret til: |