Zeta轉(zhuǎn)換器是一種DC-DC電轉(zhuǎn)換器,可以將電壓轉(zhuǎn)換成遞進(jìn)和遞下方向,它們與Zuk轉(zhuǎn)換器具有共同的特性,并且是用硬幣和推力轉(zhuǎn)換器結(jié)合開發(fā)的。 Zeta轉(zhuǎn)換器由于適應(yīng)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(yīng)用中使用了Zeta轉(zhuǎn)換器。

Zeta轉(zhuǎn)換器的工作原理依靠磁元件(感應(yīng)器)和電容器在其輸入和輸出兩側(cè)之間儲存和轉(zhuǎn)移能源。能源儲存階段和能源轉(zhuǎn)移階段構(gòu)成Zeta轉(zhuǎn)換器運(yùn)作的兩個主要組成部分。在能源儲存階段,輸入電源向?qū)б魇召M(fèi),而能源轉(zhuǎn)移階段則涉及通過電容器將儲存的能源轉(zhuǎn)移到輸出負(fù)荷。

Zeta轉(zhuǎn)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(dāng)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(zhuǎn)換器也可以應(yīng)請求提供輸入-輸出分離,從而提高其在各種應(yīng)用中的適應(yīng)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(zhuǎn)換器的另一項修改。1轉(zhuǎn)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(dǎo)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(diào)部分。圖17顯示了SEPIC轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器在該時期內(nèi)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(zhuǎn)換器不同, 在 ZETA 轉(zhuǎn)換器中, 輸入流是不連續(xù)的, 而輸出流是連續(xù)的。 和 SEPIC 轉(zhuǎn)換器一樣, ZETA 轉(zhuǎn)換器中的導(dǎo)引器如果選擇了具有同等導(dǎo)引的導(dǎo)引器, 可以進(jìn)行磁結(jié)合, 這會減少單個導(dǎo)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(yīng)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(zhuǎn)換器 是一個硬轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換器

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

在典型的Zeta轉(zhuǎn)換器地形學(xué)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(guān)(S)連接,二極(D)與開關(guān)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(dǎo)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(zhuǎn)換器運(yùn)行期間,在On和OFF州之間轉(zhuǎn)接的電源,控制電路的能量流動。當(dāng)開關(guān)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(zhuǎn)移到輸出負(fù)荷。當(dāng)開關(guān)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移到輸出負(fù)荷。

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

Continuous and Discontinuous Conduction Modes

與其他DC-DC轉(zhuǎn)換器一樣,Zeta轉(zhuǎn)換器以兩種不同的導(dǎo)電模式運(yùn)作:連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)和不連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)。 導(dǎo)電模式的選擇取決于各種因素,包括應(yīng)用、負(fù)荷要求和預(yù)期效率。

連續(xù)傳導(dǎo)模式(CCM)在連續(xù)導(dǎo)電模式下,在轉(zhuǎn)換周期期間,通過導(dǎo)電器(L1和L2)流動的電流從不降至零,高功率應(yīng)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(dǎo)致較高的導(dǎo)電直徑和更高的核心損失。

連續(xù)連續(xù)導(dǎo)導(dǎo)模式(DCM):在不連續(xù)的導(dǎo)導(dǎo)模式中,在轉(zhuǎn)換周期的某個時候,通過一個或兩個導(dǎo)線器(L1和L2)流出的電流將降至零。對于低功率應(yīng)用或負(fù)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(fù)荷和較小的導(dǎo)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(fù)雜的控制和分析要求。

獨(dú)特的應(yīng)用和設(shè)計要求決定了Zeta轉(zhuǎn)換器是否應(yīng)當(dāng)以CCM或DCM模式運(yùn)作,一般來說,設(shè)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(yīng)用程序所必需的。

優(yōu)化Zeta轉(zhuǎn)換器在特定應(yīng)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(dǎo)演模式時,設(shè)計師必須考慮到負(fù)荷要求、組件大小、效率和輸出電壓波。

Design Considerations and Calculations

設(shè)計一個有效和可靠的 Zeta 轉(zhuǎn)換器以確保正確的部件選擇和系統(tǒng)性能。 在建造 Zeta 轉(zhuǎn)換器時,必須銘記以下事項: 確定應(yīng)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(guān)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(yīng)用程序的輸出功率和載荷要求,這些要求將影響轉(zhuǎn)換器的導(dǎo)電模式(CCM或DCM)以及所需的導(dǎo)電器和電容器的大小。

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

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

選取電動器:根據(jù)理想輸出電壓波、瞬時反應(yīng)和轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定性,選擇輸入(Cin)和輸出(Cout)電容器,因為適當(dāng)?shù)碾娙萜鬟x擇對于維持穩(wěn)定的輸出電壓和盡量減少電壓波動至關(guān)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(dāng)?shù)慕粨Q頻率,因為較高的交換頻率可能允許使用較小的感應(yīng)器和電容器,但也可能導(dǎo)致更多的轉(zhuǎn)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(dāng)前模式或數(shù)字控制),以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)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(fù)雜性及其在不同操作條件下的性能。

熱熱管理確保適當(dāng)?shù)臒峁芾?估計電力損失,保證足夠的熱耗散,以保持轉(zhuǎn)換器效率,確保長期可靠性。

EfficiencyL和Losses

效率對于電轉(zhuǎn)換器的設(shè)計至關(guān)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器內(nèi)部發(fā)生的各種損失。

行為損失:當(dāng)電流通過開關(guān)、二極管和感應(yīng)器等電動電子部件時,會發(fā)生導(dǎo)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(dǎo)電損失,設(shè)計師可以選擇阻力較低的部件,或者他們可以改進(jìn)電路結(jié)構(gòu)以減少寄生蟲的阻力。

轉(zhuǎn)置損失: 在電開關(guān)的 On 和 OF 狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程中發(fā)生開關(guān)損失。在這些轉(zhuǎn)換過程中,電壓和電流同時存在,造成電流消散。開關(guān)頻率、電壓和當(dāng)前轉(zhuǎn)換期間的變化率以及開關(guān)裝置的特性都對開關(guān)損失產(chǎn)生影響。設(shè)計師可以選擇開關(guān),開關(guān)速度更快,或增強(qiáng)門驅(qū)動電路以縮短轉(zhuǎn)換時間,減少開關(guān)損失。

二極反向收回?fù)p失:二極反向恢復(fù)損失與二極管在反向恢復(fù)過程中的行為有關(guān)。二極管在從運(yùn)行狀態(tài)向阻斷狀態(tài)過渡時短暫地經(jīng)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(yán)重。設(shè)計師可以使用Shottky二極管或快速恢復(fù)二極管,這些二極管具有極快的反向恢復(fù)期,以減少反向恢復(fù)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(dǎo)器和變壓器的磁核心發(fā)生核心損失。這些損失受轉(zhuǎn)換器的操作頻率、形狀和核心材料的影響。通過選擇適當(dāng)?shù)暮诵牟牧虾途珶挻旁O(shè)計,設(shè)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(yīng)低的電容器和適當(dāng)?shù)碾妱硬牧蟻頊p少。

Applications and Examples

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

電力供應(yīng)應(yīng)用:Zeta轉(zhuǎn)換器在電力供應(yīng)設(shè)計中廣泛使用,為數(shù)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(zhuǎn)換器對于在廣泛輸入電壓范圍內(nèi)需要穩(wěn)定的輸出電壓的應(yīng)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(fēng)力發(fā)電裝置等可再生能源系統(tǒng)中,Zeta轉(zhuǎn)換器可以調(diào)節(jié)不同的輸入電壓,并將能源的不同輸入電壓轉(zhuǎn)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(jī)動車動力系統(tǒng):Zeta轉(zhuǎn)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(jī)驅(qū)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(zhuǎn)換為所需的低電壓,適合雙向電動電流應(yīng)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(zhuǎn)換器為基地站、網(wǎng)絡(luò)開關(guān)和路由器等敏感電子設(shè)備提供穩(wěn)定電源,Zeta轉(zhuǎn)換器的連續(xù)輸入和輸出流減少這些系統(tǒng)中產(chǎn)生的電磁干擾和噪音,確保LED照明應(yīng)用的可靠和有效運(yùn)作。

Zeta轉(zhuǎn)換器能夠以恒定的電流驅(qū)動LED,在LED照明應(yīng)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(yīng)用,如汽車、街道和工業(yè)照明系統(tǒng)。

責(zé)任編輯：彭菁