Zeta转换器的工作原理

Zeta转换器是一种DC-DC电转换器,可以将电压转换成递进和递下方向,它们与Zuk转换器具有共同的特性,并且是用硬币和推力转换器结合开发的。 Zeta转换器由于适应性高、效率高,因此在电池动力系统、太阳能收集、电信等许多不同的应用中使用了Zeta转换器。

Zeta转换器的工作原理依靠磁元件(感应器)和电容器在其输入和输出两侧之间储存和转移能源。能源储存阶段和能源转移阶段构成Zeta转换器运作的两个主要组成部分。在能源储存阶段,输入电源向导引器收费,而能源转移阶段则涉及通过电容器将储存的能源转移到输出负荷。

Zeta转换器保持不断输入和输出流的能力是其重要优势之一。 低输入和输出当前波纹,降低电磁干扰(EMI ) , 提高可靠性是这些特性的影响。 Zeta转换器也可以应请求提供输入-输出分离,从而提高其在各种应用中的适应性。

Circuit Topology and Key Components

图20显示了通过交换晶体管和引体L的位置而获得的uk转换器的另一项修改。1转换器的表层与SEPIC的表层相似,因此也称为“Inverse SEPIC”。

Figure 20: The ZETA converter circuit diagram

在稳定状态下,整个电导管的平均电压为零,因此,整个电容器的平均电压等于DC电压源。电容器的容量可被视为足够大,足以忽略其电压的空调部分。图17显示了SEPIC转换器在电流期间的等效电路。ON在此期间,整个引引体的电压L1L和L2它们是:

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

以便其洋流线性地增加。

Figure 21: The ZETA converter circuit diagram – interval tON

图22显示了SEPIC转换器在该时期内的等效电路。OFF在此期间,通过引引体L的电压1L和L2它们是:

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

以便它们的电流线性下降。 与 SEPIC 转换器不同, 在 ZETA 转换器中, 输入流是不连续的, 而输出流是连续的。 和 SEPIC 转换器一样, ZETA 转换器中的导引器如果选择了具有同等导引的导引器, 可以进行磁结合, 这会减少单个导引器中电流的交替部分 。

Figure 22: The ZETA converter circuit diagram – interval tOFF

在稳定状态下,感应器的平均电压值等于零:

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

意思是这个转换器 是一个硬转速转换器

Zeta转换器是四级DC-DC转换器,其特征是独特的地形学,结合了压力转换器和推力转换器的要素,Zeta转换器的关键组成部分包括输入电压源、两个导电源(L1和L2)、两个电容器(C1和C2)、二极管(D)和一个开关(S),通常是MOSFET或IGBT。

在典型的Zeta转换器地形学中,输入电压源与第一个引体(L1)的一端连接,L1的另一端与控制通过引体流流的开关(S)连接,二极(D)与开关平行连接,与L1和S之间的共同节点相连,其阴极与输出方相连。第二导管(L2)与二极管的阴极和输出电压节点相连。电容器(C1和C2)在输出电压节点和地面之间按序列连接,其共同节点与输入电压源连接。

在Zeta转换器运行期间,在On和OFF州之间转接的电源,控制电路的能量流动。当开关在On时,输入电压源充电L1,能量储存在其磁场中。同时,二极管(D)是反向偏移的,通过吸收器L2储存的能量通过电容器C2转移到输出负荷。当开关转离离子F2时,L1中的电流继续通过二极管(D)流动,充电L2和释放电容器C1。然后,储存在L2中的能量通过电容器C2转移到输出负荷。

Zeta转换器的性能、效率和大小直接受感应器、电容器、二极管和开关的选择影响,为了取得最佳性能,必须使用具有适当电流和电压评级和低寄生物元素的部件,此外,高频开关可能带来的磁部件较小,可能导致设计更为紧凑。

Continuous and Discontinuous Conduction Modes

与其他DC-DC转换器一样,Zeta转换器以两种不同的导电模式运作:连续导电模式(CCM)和不连续导电模式(DCM)。 导电模式的选择取决于各种因素,包括应用、负荷要求和预期效率。

连续传导模式(CCM)在连续导电模式下,在转换周期期间,通过导电器(L1和L2)流动的电流从不降至零,高功率应用往往选择CCM操作,因为它能提供更好的电力传输效率和较少的输出电压波。此外,与CCM相比,CCM有一个较简单的控制和分析过程。然而,CCM操作可能导致较高的导电直径和更高的核心损失。

连续连续导导模式(DCM):在不连续的导导模式中,在转换周期的某个时候,通过一个或两个导线器(L1和L2)流出的电流将降至零。对于低功率应用或负载差异很大的情况下,通常建议采用DCM操作。与CCM相比,DCM能够以低负荷和较小的导引体尺寸提供更高的效率。然而,DCM操作伴随着增加输出电压波和更为复杂的控制和分析要求。

独特的应用和设计要求决定了Zeta转换器是否应当以CCM或DCM模式运作,一般来说,设计师可以使用CCM和DCM操作的组合,或一种控制方法,在CCM和DCM之间交换,作为要求广泛高效的应用程序所必需的。

优化Zeta转换器在特定应用中的性能需要了解CCM和CCM操作之间的区别。在选择最佳导演模式时,设计师必须考虑到负荷要求、组件大小、效率和输出电压波。

Design Considerations and Calculations

设计一个有效和可靠的 Zeta 转换器以确保正确的部件选择和系统性能。 在建造 Zeta 转换器时,必须铭记以下事项: 确定应用所需的输入和输出电压水平, 以确保您选择合适的组件值, 计算开关的值( D) 。

投入和输出电压规格输出功率和载荷要求:考虑您应用程序的输出功率和载荷要求,这些要求将影响转换器的导电模式(CCM或DCM)以及所需的导电器和电容器的大小。

诱引物的选择和计算:根据理想的导电模式、输入/输出电压规格和载荷要求,选择合适的导电值(L1和L2),这将影响转换器的效率、输出电压波和瞬时反应。

计算时值周期的计算:计算开关的值勤周期(D) - 开关在时间上与总开关期之比,以确定正确转换器操作所需的输入-输出电压关系。

选取电动器:根据理想输出电压波、瞬时反应和转换器稳定性,选择输入(Cin)和输出(Cout)电容器,因为适当的电容器选择对于维持稳定的输出电压和尽量减少电压波动至关重要。

切换频率:考虑到效率、部件大小和电磁干扰(EMI)等因素,选择适当的交换频率,因为较高的交换频率可能允许使用较小的感应器和电容器,但也可能导致更多的转换损失和电磁干扰。

控制战略控制战略:决定控制战略(压载模式、当前模式或数字控制),以调节转换器的输出电压或电流。您的控制战略将决定控制电路的复杂性及其在不同操作条件下的性能。

热热管理确保适当的热管理,估计电力损失,保证足够的热耗散,以保持转换器效率,确保长期可靠性。

EfficiencyL和Losses

效率对于电转换器的设计至关重要,因为它直接影响到整个系统性能、电耗和热管理。 Zeta转换器的效率是输出功率与输入功率的比率,以百分比表示。为了优化效率,必须了解和尽量减少转换器内部发生的各种损失。

行为损失:当电流通过开关、二极管和感应器等电动电子部件时,会发生导电损失。这些损失取决于电流通过时的平方,并且大多由部件的阻力性造成。为了尽量减少导电损失,设计师可以选择阻力较低的部件,或者他们可以改进电路结构以减少寄生虫的阻力。

转置损失: 在电开关的 On 和 OF 状态之间的转换过程中发生开关损失。在这些转换过程中,电压和电流同时存在,造成电流消散。开关频率、电压和当前转换期间的变化率以及开关装置的特性都对开关损失产生影响。设计师可以选择开关,开关速度更快,或增强门驱动电路以缩短转换时间,减少开关损失。

二极反向收回损失:二极反向恢复损失与二极管在反向恢复过程中的行为有关。二极管在从运行状态向阻断状态过渡时短暂地经历逆向流动。在高频下,这种流动造成的能量消散可能非常严重。设计师可以使用Shottky二极管或快速恢复二极管,这些二极管具有极快的反向恢复期,以减少反向恢复损失。磁元的核心损失。

磁力部件核心损失:由于交替磁场,诱导器和变压器的磁核心发生核心损失。这些损失受转换器的操作频率、形状和核心材料的影响。通过选择适当的核心材料和精炼磁元件设计,设计师可以减少核心损失。

电容器损失:等效序列抗药性(ESR)和电离损失是造成电容器损失的主要原因,这些依赖频率的损失可以通过使用电磁反应低的电容器和适当的电动材料来减少。

Applications and Examples

Zeta转换器是多功能和高效的DC-DC转换器,具有各种优势,例如连续输入和输出流、高电压转换率以及加快或降低输入电压的能力。由于这些特点,Zeta转换器在广泛的行业和系统中找到应用。本节介绍Zeta转换器的一些典型应用和实例。

电力供应应用:Zeta转换器在电力供应设计中广泛使用,为数字电路、模拟电路和电力放大器等各种载荷提供受管制的输出电压。这些转换器对于在广泛输入电压范围内需要稳定的输出电压的应用是理想的,例如电池动力装置和汽车系统。

可再生能源系统:在太阳能和风力发电装置等可再生能源系统中,Zeta转换器可以调节不同的输入电压,并将能源的不同输入电压转换为理想的输出电压,它们能够处理广泛的输入电压范围,确保连接载荷的最佳性能和最大限度的电力提取。

电动机动车动力系统:Zeta转换器对电动车辆动力系统有用,为各种子系统,如发动机驱动器、辅助载荷和电池管理系统等提供多压电压,高效地将电池包的高电压转换为所需的低电压,适合双向电动电流应用,包括再生制动和电池充电。

电信系统 电信系统电信系统使用Zeta转换器为基地站、网络开关和路由器等敏感电子设备提供稳定电源,Zeta转换器的连续输入和输出流减少这些系统中产生的电磁干扰和噪音,确保LED照明应用的可靠和有效运作。

Zeta转换器能够以恒定的电流驱动LED,在LED照明应用中提供统一的亮度和长寿命,其广泛的输入电压范围使它们适合各种照明应用,如汽车、街道和工业照明系统。

        责任编辑：彭菁