Повышение эффективности промышленной автоматизации с DC/DC преобразователями

Импульсная электроника (Power Electronics) — раздел электротехники, занимающийся электронными схемами для преобразования и управления электрической мощью. Экстремально важная область с широким применением: практически каждое современное устройство оснащено какой-то схемой импульсной электроники. Распространённые компоненты для преобразования мощности: диоды, выпрямители, транзисторы, тиристоры, SCR (управляемые выпрямители), MOSFET (полевые транзисторы с изолированным затвором).

Рисунок 1. Импульсная электроника — критические элементы почти в каждом современном электрооборудовании. Источник: Skyfi Labs

Преобразователи электрической мощности меняют основные характеристики: ток, частоту, напряжение. Базовая форма — переменный (AC) или постоянный ток (DC) — тоже ключевой параметр, модифицируемый от входа к выходу.

Эти возможности позволяют системам импульсной электроники регулировать широкий спектр неэлектрических переменных: температуру, скорость двигателя, радиочастоты. Статья фокусируется на DC/DC преобразователях, обладающих всеми описанными свойствами, с главным отличием: форма мощности всегда DC.

Что такое DC/DC преобразователь?

DC/DC преобразователь принимает мощность в DC форме и выдаёт изменённый уровень напряжения, оставаясь в DC. Выходное напряжение может быть выше или ниже входного. Также называют стабилизаторами напряжения. Регулируют выход источника питания, который может быть нестабильным или непостоянным (например, батарейные системы).

DC/DC преобразователи обычно рейтингованы по входному/выходному напряжению и току. Многие имеют фиксированный выход, некоторые — регулируемый в диапазоне. Большинство — одноканальные, есть двух- и многоканальные. По основной функции состоят из катушек индуктивности, диодов, выпрямителей, фильтров.

Рисунок 2. Высокомощные DC/DC преобразователи широко используются в масс-транзите. Источник: Absopulse

Для эффективного процесса схемы стабилизации используют импульсную электронику для снижения шумов и поддержания постоянного выхода. Хорошо спроектированные стабилизаторы имеют КПД 90%+ — важно для снижения потерь мощности и тепловыделения.

Топологии DC/DC преобразователей

Классификация на две главные группы: линейные и импульсные (switching).

Линейные стабилизаторы работают как делитель напряжения, поддерживая модифицированное постоянное напряжение на выходе. Главный минус — неэффективность: почти вся разница между входом и регулируемым выходом теряется как тепло. Импульсные (switching) работают эффективнее: коммутируют выход вкл/выкл по необходимости вместо постоянного включения.

Два основных типа импульсных DC/DC: изолированные и не изолированные.

Неизолированные — когда изменение напряжения вход/выход небольшое. Вход и выход не изолированы — общая земля. Изолированные — физически разделяют вход и выход, выше защита от интерференций, более надёжный выход. Ниже частые типы в каждой категории.

Неизолированные

• Повышающий преобразователь (Step-up / Boost): Выходное напряжение ≥ входного, полярность та же. Работает накоплением энергии в индуктивности (L), которую диод (D) под управлением ключа (S) пускает на выход.

Рисунок 3. Анимация boost-преобразователя. Источник: Marino108LFS [CC BY-SA]

• Понижающий преобразователь (Step-down / Buck): Выход ≤ входа. Главное отличие от boost — расположение диода и индуктивности. Когда ключ (S) выключен, эквивалентная схема диода (D) и индуктивности (L) пускает накопленную энергию на выход.
• Buck-Boost преобразователь: Выход может быть ниже, равен или выше входного. Позволяет инвертировать полярность — частая задача. Схема комбинирует buck и boost.

Рисунок 4. Сравнение buck, boost, buck-boost. Источник: Cyril Buttay

Изолированные

• Flyback преобразователь: Похож на buck-boost, но энергию накапливает трансформатор. Трансформатор даёт изоляцию вход/выход.
• Forward преобразователь: Аналогично flyback, но шаг трансформации первый, потом традиционный buck-boost.

Применения в промышленной автоматизации

Упомянуто: DC/DC преобразователи широко применяются, включая промышленную автоматизацию. Много полевых устройств требуют питание 24В. Электрические щиты оснащены понижающими DC/DC преобразователями, снижающими напряжение от основного питания. Некоторые полевые устройства не только требуют этот уровень, но и достаточно чувствительны, чтобы нужен был чистый и стабильный источник — ещё причина для интеграции преобразователя.

Рисунок 5. Изолированный DC/DC преобразователь Phoenix Contact. Источник: Phoenix Contact

Много батарейных приложений автоматизации, где критично интегрировать DC/DC для стабильного питания малых устройств. При разряде батареи напряжение падает постепенно. Также — внезапные просадки от неожиданных пиковых потребностей оборудования. Мобильные автоматизированные машины: AMR (автономные мобильные роботы) и LGV (лазерно-гидированные транспортные средства) — примеры батарейных роботов, нуждающихся в DC/DC для гарантированного стабильного питания ПЛК и других устройств управления.