Industriële automatiseringsefficiëntie verhogen met DC/DC-converters

Power electronics is een vakgebied van de elektrotechniek dat zich bezighoudt met elektronische circuits om elektrisch vermogen te converteren en te controleren. Het is een extreem belangrijk veld met verstrekkende toepassingen, aangezien vrijwel elk modern apparaat uitgerust is met een of andere vorm van een power electronics-circuit. Enkele van de meest voorkomende elektronische componenten die gebruikt worden voor vermogensconversie zijn diodes, gelijkrichters, transistors, thyristors, SCR's (silicon-controlled rectifier), en MOSFETs (metal-oxide-field effect transistor).

Figuur 1. Power electronics zijn cruciale elementen aanwezig in bijna elk modern elektrisch apparatuur. Afbeelding gebruikt met toestemming van Skyfi Labs

Elektrische vermogensconverters zijn ontworpen om de hoofdkarakteristieken van elektrisch vermogen te veranderen, zoals stroom, frequentie, en spanning. Natuurlijk is de basism, ofwel wisselstroom (AC) of gelijkstroom (DC), een andere sleutelparameter, die ook van input naar output gewijzigd kan worden.

Deze mogelijkheden stellen power electronic-systemen in staat om een breed bereik aan niet-elektrische variabelen te regelen, zoals temperatuur, motortoer, en radiofrequenties. Dit artikel richt zich op DC/DC-converters, die alle beschreven kenmerken bezitten, met het hoofdverschil dat de elektrische vermogensvorm altijd DC is.

Wat is een DC/DC-converter?

Een DC/DC-converter neemt vermogen in DC-vorm en levert een gemodificeerd spanningsniveau terwijl het in DC-vorm blijft. De uitgangsspanning kan hoger of lager zijn dan de invoer. Ze zijn ook algemeen bekend als spanningregelaars. Deze apparaten regelen de uitgang van een bron die niet stabiel of constant kan zijn, zoals die gevonden in batterij-gevoede systemen.

DC/DC-converters worden normaal gewaardeerd op basis van in- en uitgangsspanning en -stroom. Hoewel veel converters een vaste uitgangswaarde hebben, laten sommige aanpassing van de uitgang binnen een bereik toe. De meeste converters tellen met een enkele uitgang, maar er zijn ook opties met dubbele en meerdere uitgangen. Gebaseerd op de primaire functie, kunnen ze bestaan uit spoelen, diodes, gelijkrichters, en filters.

Figuur 2. Hoogvermogen DC/DC-converters worden breed gebruikt in massavervoersystemen. Afbeelding gebruikt met toestemming van Absopulse

Voor een efficiënt proces, gebruiken spanningregelaar-circuits power electronics om ruis te reduceren en een constante uitgang te behouden. Goed ontworpen regelaars hebben een efficiëntieklasse van 90% of hoger, wat een belangrijke overweging is om vermogensverlies en warmteafgifte te reduceren.

DC/DC-converter Topologieën

DC/DC-converters kunnen ingedeeld worden in twee hoofdcategorieën: lineair en schakelend.

Lineaire regelaar-apparaten functioneren vergelijkbaar met een spanningsdeler, een gewijzigde constante spanning aan de uitgang handhavend. Een groot nadeel van deze regelaars is de ondoeltreffendheid, aangezien bijna het hele verschil tussen de invoer en de gereguleerde uitgang verloren gaat als afvalwarmte. Aan de andere kant, werken schakelende regelaars efficiënter door de uitgang in- en uit te schakelen zoals nodig in plaats van permanent aan de uitgang.

Er zijn twee hoofdtypen DC/DC-schakelende converters: geïsoleerd en niet-geïsoleerd.

De laatste worden primair gebruikt wanneer de spanningsverandering tussen de invoer en uitgang relatief klein is. In- en uitgang zijn niet geïsoleerd van elkaar omdat ze een gemeenschappelijke grond delen. Integenstelling, zijn geïsoleerde converters ontworpen om de invoer fysiek van de uitgang te scheiden, wat hogere bescherming tegen interferentie biedt en een betrouwbaardere uitgang levert. Hieronder zijn enkele van de meest voorkomende typen converters in elke categorie.

Niet-geïsoleerd

• Opwaarts-converter (Step-up): Ook bekend als boost converter, is de uitgangsspanning van dit apparaat gelijk aan of hoger dan de invoer terwijl de polariteit hetzelfde blijft. Dit apparaat werkt door energie op te slaan in een spoel (L), welke toegestaan is naar de uitgang te vloeden gebaseerd op de biasing van een diode (D) gecontroleerd door een schakelaar (S).

Figuur 3. Een boost converter animatie. Afbeelding gebruikt met toestemming van Marino108LFS [CC BY-SA]

• Neerwaarts-converter (Step-down): Ook bekend als buck converter, is de uitgangsspanning gelijk aan of lager dan de invoer. Het hoofdverschil tussen deze en de boost converter is de plaatsing van de diode en spoel. In dit geval, wanneer de schakelaar (S) uitstaat, laat het equivalente circuit gevormd door de diode (D) en spoel (L) de opgeslagen energie naar de uitgang vloeien.
• Buck-boost converter: Deze apparaten genereren een uitgangsspanning die lager, gelijk aan, of hoger kan zijn dan de invoerspanning. Ze bieden de mogelijkheid om polariteiten om te keren, een veelvoorkomende toepassing. Het circuit is een combinatie van de buck en boost converters.

Figuur 4. Vergelijking van buck, boost, en buck-boost converters. Afbeelding gebruikt met toestemming van Cyril Buttay

Geïsoleerd

• Flyback converter: Werkt vergelijkbaar met een buck-boost converter, maar een transformator slaat energie op in plaats van een spoel. De transformator biedt de isolatie tussen in- en uitgang.
• Forward converter: Vergelijkbaar met de flyback converter, maar de transformatiestap wordt eerst geplaatst, gevolgd door een traditionele buck-boost conversie.

Industriële Automatisering Toepassingen

Zoals vermeld, hebben DC/DC-converters een breed scala aan toepassingen, inclusief industriële automatisering. Een groot aantal veldapparaten vereist 24V voedingsstroom. Bijvoorbeeld: elektrische panelen zijn uitgerust met DC/DC-stapverlagers die de spanning van de hoofstvoeding verlagen. Sommige veldapparaten vereisen niet alleen dit spanningsniveau, maar zijn ook gevoelig genoeg om een schone en stabiele energievoorziening nodig te hebben, wat een andere reden is voor het integreren van een converter.

Figuur 5. Een geïsoleerde DC/DC-converter van Phoenix Contact. Afbeelding gebruikt met toestemming van Phoenix Contact

Er zijn talloze batterij-gevoede automatiseringstoepassingen waar het cruciaal is om DC/DC-converters te integreren voor het handhaven van een constante stroomvoorziening aan kleine apparaten. Naarmate een batterij ontlaadt, dalen spanningsniveaus geleidelijk. Batterijspanning is ook onderhevig aan plotselinge dalingen door onverwacht hoge energie-eisen aan de geregelde apparatuur. Mobiele geautomatiseerde machines, zoals autonome mobiele robots (AMRs) en laser-geleide voertuigen (LGVs), zijn voorbeelden van batterij-gevoede robots die DC/DC-converters nodig hebben om een stabiele stroomvoorziening aan de programmable logic controller (PLC) en andere controle-apparaten te garanderen.