Zeta轉換器的工作原理

Zeta轉換器是一種DC-DC電轉換器,可以將電壓轉換成遞進和遞下方向,它們與Zuk轉換器具有共同的特性,并且是用硬幣和推力轉換器結合開發(fā)的。 Zeta轉換器由于適應性高、效率高,因此在電池動力系統(tǒng)、太陽能收集、電信等許多不同的應用中使用了Zeta轉換器。

Zeta轉換器的工作原理依靠磁元件(感應器)和電容器在其輸入和輸出兩側之間儲存和轉移能源。能源儲存階段和能源轉移階段構成Zeta轉換器運作的兩個主要組成部分。在能源儲存階段,輸入電源向導引器收費,而能源轉移階段則涉及通過電容器將儲存的能源轉移到輸出負荷。

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

Circuit Topology and Key Components

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

Figure 20: The ZETA converter circuit diagram

在穩(wěn)定狀態(tài)下,整個電導管的平均電壓為零,因此,整個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部分。圖17顯示了SEPIC轉換器在電流期間的等效電路。ON在此期間,整個引引體的電壓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。

Figure 21: The ZETA converter circuit diagram – interval tON

圖22顯示了SEPIC轉換器在該時期內的等效電路。OFF在此期間,通過引引體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 轉換器不同, 在 ZETA 轉換器中, 輸入流是不連續(xù)的, 而輸出流是連續(xù)的。 和 SEPIC 轉換器一樣, ZETA 轉換器中的導引器如果選擇了具有同等導引的導引器, 可以進行磁結合, 這會減少單個導引器中電流的交替部分 。

Figure 22: The ZETA converter circuit diagram – interval tOFF

在穩(wěn)定狀態(tài)下,感應器的平均電壓值等于零:

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

意思是這個轉換器 是一個硬轉速轉換器

Zeta轉換器是四級DC-DC轉換器,其特征是獨特的地形學,結合了壓力轉換器和推力轉換器的要素,Zeta轉換器的關鍵組成部分包括輸入電壓源、兩個導電源(L1和L2)、兩個電容器(C1和C2)、二極管(D)和一個開關(S),通常是MOSFET或IGBT。

在典型的Zeta轉換器地形學中,輸入電壓源與第一個引體(L1)的一端連接,L1的另一端與控制通過引體流流的開關(S)連接,二極(D)與開關平行連接,與L1和S之間的共同節(jié)點相連,其陰極與輸出方相連。第二導管(L2)與二極管的陰極和輸出電壓節(jié)點相連。電容器(C1和C2)在輸出電壓節(jié)點和地面之間按序列連接,其共同節(jié)點與輸入電壓源連接。

在Zeta轉換器運行期間,在On和OFF州之間轉接的電源,控制電路的能量流動。當開關在On時,輸入電壓源充電L1,能量儲存在其磁場中。同時,二極管(D)是反向偏移的,通過吸收器L2儲存的能量通過電容器C2轉移到輸出負荷。當開關轉離離子F2時,L1中的電流繼續(xù)通過二極管(D)流動,充電L2和釋放電容器C1。然后,儲存在L2中的能量通過電容器C2轉移到輸出負荷。

Zeta轉換器的性能、效率和大小直接受感應器、電容器、二極管和開關的選擇影響,為了取得最佳性能,必須使用具有適當電流和電壓評級和低寄生物元素的部件,此外,高頻開關可能帶來的磁部件較小,可能導致設計更為緊湊。

Continuous and Discontinuous Conduction Modes

與其他DC-DC轉換器一樣,Zeta轉換器以兩種不同的導電模式運作:連續(xù)導電模式(CCM)和不連續(xù)導電模式(DCM)。 導電模式的選擇取決于各種因素,包括應用、負荷要求和預期效率。

連續(xù)傳導模式(CCM)在連續(xù)導電模式下,在轉換周期期間,通過導電器(L1和L2)流動的電流從不降至零,高功率應用往往選擇CCM操作,因為它能提供更好的電力傳輸效率和較少的輸出電壓波。此外,與CCM相比,CCM有一個較簡單的控制和分析過程。然而,CCM操作可能導致較高的導電直徑和更高的核心損失。

連續(xù)連續(xù)導導模式(DCM):在不連續(xù)的導導模式中,在轉換周期的某個時候,通過一個或兩個導線器(L1和L2)流出的電流將降至零。對于低功率應用或負載差異很大的情況下,通常建議采用DCM操作。與CCM相比,DCM能夠以低負荷和較小的導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雜的控制和分析要求。

獨特的應用和設計要求決定了Zeta轉換器是否應當以CCM或DCM模式運作,一般來說,設計師可以使用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用程序所必需的。

優(yōu)化Zeta轉換器在特定應用中的性能需要了解CCM和CCM操作之間的區(qū)別。在選擇最佳導演模式時,設計師必須考慮到負荷要求、組件大小、效率和輸出電壓波。

Design Considerations and Calculations

設計一個有效和可靠的 Zeta 轉換器以確保正確的部件選擇和系統(tǒng)性能。 在建造 Zeta 轉換器時,必須銘記以下事項: 確定應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, 計算開關的值( D) 。

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

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

計算時值周期的計算:計算開關的值勤周期(D) - 開關在時間上與總開關期之比,以確定正確轉換器操作所需的輸入-輸出電壓關系。

選取電動器:根據理想輸出電壓波、瞬時反應和轉換器穩(wěn)定性,選擇輸入(Cin)和輸出(Cout)電容器,因為適當的電容器選擇對于維持穩(wěn)定的輸出電壓和盡量減少電壓波動至關重要。

切換頻率:考慮到效率、部件大小和電磁干擾(EMI)等因素,選擇適當的交換頻率,因為較高的交換頻率可能允許使用較小的感應器和電容器,但也可能導致更多的轉換損失和電磁干擾。

控制戰(zhàn)略控制戰(zhàn)略:決定控制戰(zhàn)略(壓載模式、當前模式或數字控制),以調節(jié)轉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雜性及其在不同操作條件下的性能。

熱熱管理確保適當的熱管理,估計電力損失,保證足夠的熱耗散,以保持轉換器效率,確保長期可靠性。

EfficiencyL和Losses

效率對于電轉換器的設計至關重要,因為它直接影響到整個系統(tǒng)性能、電耗和熱管理。 Zeta轉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換器內部發(fā)生的各種損失。

行為損失:當電流通過開關、二極管和感應器等電動電子部件時,會發(fā)生導電損失。這些損失取決于電流通過時的平方,并且大多由部件的阻力性造成。為了盡量減少導電損失,設計師可以選擇阻力較低的部件,或者他們可以改進電路結構以減少寄生蟲的阻力。

轉置損失: 在電開關的 On 和 OF 狀態(tài)之間的轉換過程中發(fā)生開關損失。在這些轉換過程中,電壓和電流同時存在,造成電流消散。開關頻率、電壓和當前轉換期間的變化率以及開關裝置的特性都對開關損失產生影響。設計師可以選擇開關,開關速度更快,或增強門驅動電路以縮短轉換時間,減少開關損失。

二極反向收回損失:二極反向恢復損失與二極管在反向恢復過程中的行為有關。二極管在從運行狀態(tài)向阻斷狀態(tài)過渡時短暫地經歷逆向流動。在高頻下,這種流動造成的能量消散可能非常嚴重。設計師可以使用Shottky二極管或快速恢復二極管,這些二極管具有極快的反向恢復期,以減少反向恢復損失。磁元的核心損失。

磁力部件核心損失:由于交替磁場,誘導器和變壓器的磁核心發(fā)生核心損失。這些損失受轉換器的操作頻率、形狀和核心材料的影響。通過選擇適當的核心材料和精煉磁元件設計,設計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使用電磁反應低的電容器和適當的電動材料來減少。

Applications and Examples

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

電力供應應用:Zeta轉換器在電力供應設計中廣泛使用,為數字電路、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。這些轉換器對于在廣泛輸入電壓范圍內需要穩(wěn)定的輸出電壓的應用是理想的,例如電池動力裝置和汽車系統(tǒng)。

可再生能源系統(tǒng):在太陽能和風力發(fā)電裝置等可再生能源系統(tǒng)中,Zeta轉換器可以調節(jié)不同的輸入電壓,并將能源的不同輸入電壓轉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。

電動機動車動力系統(tǒng):Zeta轉換器對電動車輛動力系統(tǒng)有用,為各種子系統(tǒng),如發(fā)動機驅動器、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換為所需的低電壓,適合雙向電動電流應用,包括再生制動和電池充電。

電信系統(tǒng) 電信系統(tǒng)電信系統(tǒng)使用Zeta轉換器為基地站、網絡開關和路由器等敏感電子設備提供穩(wěn)定電源,Zeta轉換器的連續(xù)輸入和輸出流減少這些系統(tǒng)中產生的電磁干擾和噪音,確保LED照明應用的可靠和有效運作。

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

責任編輯：彭菁