Frage zum Booster-Konverter

Irgendwie gefällt mir die Figur nicht. Auf der Ausgangsseite befindet sich immer ein Kondensator. Da der Strom durch die Diode, wie Sie bereits erwähnt haben, diskontinuierlich ist, muss ein Energiespeicher vorhanden sein, um den Laststrom fließen zu lassen, wenn der Schalter geschlossen ist und die Induktivität "auflädt".

Nach dem, was ich im folgenden Schema verstehe, erhält der Induktor beim Schließen des Schalters eine große Strommenge (da wir keine Last haben). Der Strom schießt also in die Höhe (will den Schalter nicht zu lange geschlossen lassen!)

Der Induktorstrom steigt mit der Zeit an. Richtig, es kann sehr schnell ansteigen, Ampere in Mikrosekunden. Aus diesem Grund arbeiten die Schalter mit sehr hohen Frequenzen (jetzt bis zu MHz für kleine Konverter ~100 W und 10-100 kHz für > 100 W). Also ja, die Stromwelligkeit sollte reguliert werden, indem der Schalter ausgeschaltet und der Strom durch die Diode zum Ausgangskondensator geleitet wird.

Sobald wir also den Schalter öffnen, steigt die Spannung, weil der Induktor der Stromänderung widersteht, also steigt die Spannung, um dem zu widerstehen (ich bin immer noch verwirrt über das "Warum" ... ich wünschte, es gäbe ein gutes "Wasser" Analogie dazu)

Sobald der Schalter öffnet, schaltet sich die Diode ein, da der Strom irgendwo fließen muss. Eine Diode, die Strom leitet, hat eine Nullspannung, sodass die Spannung über der Induktivität durch die Differenz zwischen der Spannung über der Ausgangskappe und der Eingangsspannung definiert ist – unter Verwendung des Spannungsgesetzes von Kirchhoff.

Ist das dauerhaft? Ich meine, nehmen wir an, die "Last" wäre zum Beispiel ein Kondensator. Würde er 20 V speichern? Ich meine, der Induktor kann es doch nicht für immer auf 20 V halten, oder?

Die Spannung über der Induktivität wird immer durch Spannungsquellen definiert. Da es in Ihrer Abbildung nicht gezeigt wird, sehen Sie sich diese Abbildung an:

Im eingeschalteten Zustand wird die Spulenspannung nur durch die Eingangsspannung bestimmt.

Im Sperrzustand ist die Induktorspannung durch die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung definiert.

Der Induktor lädt und entlädt kontinuierlich, um die Ausgangsspannung auf einem bestimmten Wert zu halten. Im stationären Zustand (konstante Last) ist die durchschnittliche Energiemenge, die von der Induktivität zum Ausgangskondensator gelangt, gleich der durchschnittlichen Energie, die von der Last aufgenommen wird.

Nebenfrage: Wenn Sie einen superstarken Kondensator für die "Last" hätten, könnten Sie diese hohe Spannung darin speichern? (Als ob wir so tun würden, als hätten wir einen 200-V-Kondensator) könnten Sie 200 V darin speichern und es dann irgendwie wie eine RIESIGE Ladung auf einmal freigeben? (offensichtlich wäre es eine schlechte Idee von c)

Idealerweise kann dieser Aufwärtswandler natürlich einen Kondensator auf eine beliebige Spannung aufladen. In Wirklichkeit ist das Boost-Verhältnis aufgrund der Leistungsschalter- / Diodenwerte auf ~ 10x begrenzt, aber das ist nicht wichtig. Solange die Diode 200 V blockieren und der Kondensator einen 200-V-Betrieb aufrechterhalten kann, gibt es nichts als die Last und das Steuersystem, um noch höhere Spannungen zu verhindern.

Wenn Sie einen sehr großen Kondensator hätten, würde das Aufladen und Entladen lange dauern. Aber der Stromrichterbetrieb wäre derselbe. Da die Kondensatorspannung davon abhängt, wie viel Strom zum Laden und Entladen verwendet wird, sind der Induktorstrom und die Last diejenigen, die tatsächlich festlegen, wie schnell sich die Kondensatorladung ändert. Offensichtlich haben alle Lasten einen definierten Strom. In ähnlicher Weise haben auch die Induktivität, die Diode und der Leistungsschalter einen Nenn- und einen Maximalstrom. Dasselbe gilt für den Ausgangskondensator.

Dies ist normalerweise die Art von Diagramm, die zur Erklärung eines Aufwärtswandlers verwendet wird: -

Und in vielerlei Hinsicht verfehlt es den Punkt der Steuerung des Schalters.

Wenn Sie (sagen wir) 20 V am Ausgang wünschen, bedeutet dies, dass Sie eine bestimmte Leistung wünschen, die in der Widerstandslast abgeführt werden soll. Diese Betrachtungsweise ist relevant, da Sie bei jedem Schaltzyklus Energie in der Induktivität speichern und diese dann an die Last abgeben. Die Häufigkeit, mit der Sie dies pro Sekunde tun, ist die an die Last gelieferte Leistung. Es gibt KEINE inhärente Spannungsregelung.

Der Signalfluss ist also: -

Energie (Induktivität) ---> Leistung (Frequenz) ---> Widerstand ---> Spannung

Es ist keineswegs ein Spannungsregler - es ist ein Leistungsregler, und das ist eine wirklich große Sache bei Boostern, die es so wichtig macht, das "unsichtbare" Steuersystem zu schätzen. Die Hauptmethode zur Steuerung der Energie (bei konstanter Eingangsspannung) besteht darin, das Tastverhältnis des Schalters zu verwenden, und daher MUSS das unsichtbare Steuersystem die Ausgangsspannung messen und das Tastverhältnis entsprechend anpassen.

Bei vielen Systemen mit geringer Last sinkt die Frequenz massiv, da sie nicht in der Lage sind, mit weniger als (sagen wir) 0,1 % Einschaltdauer angemessen zu laufen. Einige arbeiten im Burst-Modus, wenn die Last getrennt wird – das Steuersystem hat eine Menge mehr zu bieten, als man denkt.

Wenn der Lastwiderstand in einen offenen Stromkreis geht, wird das Tastverhältnis Null (es muss es werden). Wenn sich die Eingangsspannung verdoppelt, muss sich das Tastverhältnis vierteln, um den gleichen Energiefluss zur Ausgangslast aufrechtzuerhalten.

Sobald wir also den Schalter öffnen, steigt die Spannung, weil der Induktor der Stromänderung widersteht, also steigt die Spannung, um dem zu widerstehen (ich bin immer noch verwirrt über das "Warum" ... ich wünschte, es gäbe ein gutes "Wasser" Analogie dazu)

Es gibt eine vernünftige Wasseranalogie wie folgt:

Sie haben eine Pipeline von einem Bergsee hinunter zu Ihrem Haus. Der Bergsee liegt 2 Meilen höher als Ihr Haus. Der Bergsee wird unsere Batterie sein. Die Pipeline, die Spulen enthalten könnte, wird unser Induktor sein.

An Ihrer Stelle, am Ende des Rohres, befindet sich ein TEE-Anschluss, zwei separate Öffnungen. Dies ist der Knoten, an dem sich der Transistor (Schalter) und die Diode treffen.

Eine der Rohröffnungen hat eine federbelastete Tür, die durch die Diode geschlossen gehalten wird. Die andere Öffnung hat eine Tür, die Sie leicht öffnen oder schließen und verriegeln können, das wird unser Transistor sein.

Das Rohr ist mit stehendem Wasser gefüllt und beide Türen sind geschlossen.

Öffnen Sie die Transistortür, und das Wasser läuft auf den Boden, größtenteils verschwendet. Aber das Wasser beginnt immer schneller im Rohr zu fließen. Vielleicht 20 Meilen pro Stunde Geschwindigkeit der Wasserströmung. Aha, aktuell!

Dass sich bewegendes Wasser kinetische Energie hat:$(1/2) * mass *velocity^2$

Schlagen Sie jetzt die Transistortür zu und verriegeln Sie diese Tür.

All diese gespeicherte kinetische Energie im sich bewegenden Wasser will einen Tsunami (hoher Druck oder Spannung) erzeugen und wird versuchen, Ihre Transistortür aufzubrechen.

Es ist ein Glück, dass Sie eine "Diodentür" mit Federvorspannung geliefert haben. Die federbelastete Tür öffnet sich und bietet einen Weg für all das sich bewegende Wasser. Das sich bewegende Wasser (Energie) ist das, was Sie verwenden und auch in Ihrem Kondensator speichern, um den großen Schluck Wasserenergie auszugleichen.

In einem Induktor gespeicherte Energie ist$(1/2) * L * I^2$ähnlich wie die kinetische Energie oben.

Dies beantwortet Ihre Frage nicht vollständig, erfüllt jedoch Ihren Wunsch.