Выбор правильного чоппера: подробное руководство по типам и применениям

О типах чопперов: большинство приложений силовой электроники имеют полностью выключенные или полностью включенные ключевые элементы. Благодаря этому их потери часто низки, что делает схему высокоэффективной. Однако ток, подаваемый на нагрузку, может быть прерывистым. Тогда потребуется высокая частота переключения или сглаживание для лучших результатов. В этом случае используется чоппер для стабилизации системы.

В сегодняшней статье мы обсудим классификацию чопперов по нескольким признакам, таким как процесс коммутации и другие.

1. Что такое схема чоппера?

Чоппер (или DC-эквивалент AC-трансформатора) — это полупроводниковое электрическое устройство. Его функция — преобразовать фиксированное входное напряжение постоянного тока (V_s) в переменную выходную мощность или напряжение постоянного тока V_o. Значение выходного напряжения постоянного тока может быть меньше напряжения источника или больше входного напряжения.

2. Как работает чоппер?

Обычно схема чоппера имеет нагрузку, резистор и полупроводниковый диод, как на диаграмме ниже.

Схема чоппера

Он работает на высокой скорости, соединяя источник с нагрузкой, а затем отключая нагрузку от источника. Используя диаграмму, можно сделать вывод о принципе работы:

• Ключ SW — это чоппер, и на высоких скоростях он может быть включен (ON) или выключен (OFF). По этой причине вы можете отключать или подключать нагрузку к Vs (источнику питания). Периодическое открытие и закрытие цепи в конечном счете контролирует выходное напряжение.
• При включении (ON) напряжение источника равно напряжению нагрузки. И наоборот, при выключении (OFF) напряжение нагрузки равно нулю.

3. Типы чопперов

Мы классифицировали чопперы по их признакам следующим образом:

По принципу работы

Принцип работы — лучший способ классификации чоппера. Существует два типа:

Чоппер с AC-звеном

Здесь происходит инверсия напряжения: инвертер преобразует напряжение постоянного тока в переменное. Затем переменное напряжение проходит через повышающий или понижающий трансформатор. Наконец, выпрямитель преобразует выход трансформатора обратно в постоянный ток.

DC-чоппер

DC-чопперы действуют как понижающие и повышающие трансформаторы на постоянном токе. Они могут изменить постоянно стабильное напряжение постоянного тока на более низкое или более высокое значение в зависимости от типа.

По процессу коммутации

Естественно коммутируемый чоппер

Естественно коммутируемый чоппер работает в цепях переменного тока, где напряжение питания поступает от источника AC. Из-за этого, когда через тиристор (SCR) проходит отрицательное напряжение, он закрывается.

Принудительно коммутируемый чоппер

Принудительно коммутируемый чоппер работает в цепях постоянного тока. Коммутацию можно достичь, снизив ток тиристора ниже удерживающего значения или применив обратное смещение к компоненту SCR. Примеры: чоппер Моргана и чоппер Джонса.

По потерям мощности при переключении

Чоппер с жестким переключением (Hard switching)

Схемы чопперов с жестким переключением используют свою способность к работе.

Чоппер с мягким переключением (Soft switching)

Чопперы с мягким переключением используют LC-резонансные цепи для включения или выключения при нулевом напряжении или токе.

По значениям выходного напряжения

Классификация схем чопперов здесь основана на выходных напряжениях.

Повышающий чоппер (Step-up / Boost)

У чоппера напряжение источника ниже среднего выходного напряжения постоянного тока (V_o > V_s). Также происходит поток мощности от нагрузки к источнику. Ток нагрузки имеет источник ЭДС и является индуктивным.

Понижающий чоппер (Step-down)

Напряжение источника выше среднего выходного напряжения постоянного тока (V_s > V_o). Напротив, поток мощности идет от источника к нагрузке.

Классификация по квадрантной работе

Схемы чопперов ограничивают направление тока через себя, так как они статические полупроводниковые приборы. Однако можно модифицировать работу чоппера в четырех квадрантах, получив пять типов чопперов.

Четыре квадранта чоппера

Класс-A чоппер / Тип A чоппер

Класс-A чоппер работает только в первом квадранте. Поэтому напряжение нагрузки (V_O) и ток нагрузки (i_O) всегда положительны. Передача мощности идет от источника к нагрузке, пример — понижающий чоппер.

Класс-B чоппер / Тип B чоппер

Работает во втором квадранте. Ток нагрузки отрицателен, а выходное напряжение чоппера положительно. Отрицательный ток нагрузки (i_o) передает мощность от нагрузки к источнику. Пример — повышающий чоппер.

Класс-C чоппер / Двухквадрантный класс-A / Тип C чоппер

Параллельное соединение классов B и A дает класс-C чоппер, работающий в первом или втором квадранте. Он действует как понижающий чоппер в первом квадранте и как повышающий — во втором.

Класс-D чоппер / Двухквадрантный класс-B / Тип D чоппер

Работает в первом и четвертом квадрантах и может передавать мощность от нагрузки к источнику или от источника к нагрузке. Среднее выходное напряжение постоянного тока можно обратить, тогда как направление тока нагрузки необратимо.

Класс-E чоппер / Тип E чоппер

Класс-E чоппер работает во всех квадрантах как универсальный чоппер. Нужны четыре диода и четыре чоппера/четыре полупроводниковых ключа. Требуется индуктивная нагрузка. В третьем и четвертом квадрантах должна быть обратная полярность ЭДС нагрузки.

Применения чоппера

Схему чоппера можно использовать в ряде приложений:

• Зарядные устройства для батарей
• Повышение напряжения DC
• Свитчевые конденсаторные фильтры
• Управление освещением и лампами
• Привод бесколлекторных двигателей постоянного тока / шаговых двигателей в актуаторах

Шаговый двигатель

• Приводы с переменной частотой
• Системы обработки сигналов
• Самолеты и космические корабли
• Контроллеры скорости двигателей постоянного тока
• Железнодорожные системы тяги
• Преобразование солнечной энергии
• Электромобили с батарейным питанием
• Импульсные блоки питания, такие как DC-DC преобразователи
• Наконец, электронные усилители класса D

Заключение

Подводя итог: несколько технологических отраслей внедряют чопперы для систем быстрого транзита. Более того, схемы чопперов обладают высокой эффективностью, быстрым откликом, регенеративными способностями и плавным управлением. Иногда в чоппере можно использовать некоторые силовые полупроводниковые приборы, например, IGBT и принудительно коммутируемые тиристоры.

На сегодня всё. Надеемся, вы узнали много нового о чопперах. Если есть вопросы или уточнения — обращайтесь, разберемся вместе.