बूस्ट कन्वर्टर

कम लागत वाले कनवर्टर मॉड्यूल: दो बक और एक बूस्ट

बूस्ट कन्वर्टर (स्टेप-अप कन्वर्टर) डीसी-टू-डीसी पावर कन्वर्टर है जो अपने इनपुट (आपूर्ति) से अपने आउटपुट (लोड) तक वोल्टेज (करंट को कम करते हुए) को आगे बढ़ाता है। यह स्विच्ड-मोड बिजली आपूर्ति (एसएमपीएस) का एक वर्ग है जिसमें कम से कम दो अर्धचालक (एक डायोड और एक ट्रांजिस्टर) और कम से कम एक ऊर्जा भंडारण तत्व होता है, संधारित्र प्रारंभ करनेवाला, या दो के समुच्चय में है। वोल्टेज तरंग को कम करने के लिए, कैपेसिटर से बने फिल्टर (कभी-कभी इंडक्टर्स के साथ संयोजन में) को आमतौर पर ऐसे कनवर्टर के आउटपुट (लोड-साइड फिल्टर) और इनपुट (सप्लाई-साइड फिल्टर) में जोड़ा जाता है। बूस्ट कन्वर्टर्स अत्यधिक नॉनलाइनियर सिस्टम हैं और बड़े लोड विविधताओं के साथ उपयुक्त वोल्टेज विनियमन प्राप्त करने के लिए रैखिक और गैर-रेखीय नियंत्रण तकनीकों की एक विस्तृत विविधता का पता लगाया गया है।

अवलोकन

TI कैलकुलेटर से बूस्ट कन्वर्टर, दो AA रिचार्जेबल सेल द्वारा प्रदान किए गए 2.4 V से 9 V जेनरेट करता है।

बूस्ट कन्वर्टर के लिए पावर (ऊर्जा) किसी भी उपयुक्त डीसी (DC) स्रोत से आ सकती है, जैसे: बैटरी, सोलर पैनल, रेक्टिफायर (परिशोधक) और डीसी (DC) जनरेटर। यह एक ऐसी प्रक्रिया है जो एक वर्ग के डीसी (DC) वोल्टता को एक अलग वर्ग की डीसी वोल्टता में बदल देती है, इस प्रक्रिया को डीसी से डीसी रूपांतरण कहा जाता है। बूस्ट कनवर्टर एक डीसी से डीसी कनवर्टर है, जिसमें स्रोत वोल्टेज से अधिक आउटपुट वोल्टेज होता है। बूस्ट कन्वर्टर को कभी-कभी स्टेप-अप कन्वर्टर कहा जाता है क्योंकि यह सोर्स वोल्टेज (स्रोत वोल्टेज) को "स्टेप अप" करता है। चूँकि पावर ${\displaystyle P=VI}$ को संरक्षित किया जाना चाहिए,जिससे आउटपुट करंट, सोर्स करंट (स्रोत धारा) से कम होता है।

इतिहास

उच्च दक्षता के लिए, स्विच-मोड बिजली आपूर्ति (एसएमपीएस) स्विच को जल्दी से चालू और बंद करना चाहिए और कम नुकसान होना चाहिए। 1950 के दशक में एक वाणिज्यिक (कमर्शियल) सेमीकंडक्टर स्विच के आगमन ने प्रतिनिधित्व किया, जिसने एसएमपीएस जैसे कि बूस्ट कन्वर्टर को संभव बनाया। प्रमुख डीसी से डीसी कन्वर्टर्स 1960 के दशक की प्रारम्भ में विकसित किए गए थे, जिससे सेमीकंडक्टर स्विच उपलब्ध हो गए थे। छोटे, हल्के और कुशल बिजली कन्वर्टर्स के लिए अंतरिक्ष प्रौद्योगिकी उद्योग की आवश्यकता ने कनवर्टर के तेजी से विकास को जन्म दिया।

एसएमपीएस जैसे स्विच किए गए सिस्टम की रचना करना भी एक चुनौती हैं, क्योंकि उनके आकार इस बात पर निर्भर करते हैं कि स्विच खोला या बंद किया गया है या नहीं। 1977 में कैलटेक से आर.डी.मिडिलब्रुक ने डीसी से डीसी कन्वर्टर्स के लिए आज उपयोग किए जाने वाले मॉडल प्रकाशित किए। मिडिलब्रुक ने स्टेट-स्पेस एवरेजिंग तकनीक में प्रत्येक स्विच स्टेट के लिए सर्किट विन्यास का औसत निकाला और इस सरलीकरण ने दो प्रणालियों को एक में बदल दिया। नये प्रतिरूप ने अंतर्दृष्टिपूर्ण रचना समीकरणों को जन्म दिया जिससे एसएमपीएस के विकास में सहायता मिली।

अनुप्रयोग

बैटरी शक्ति प्रणाली

बैटरी शक्ति प्रणाली अक्सर उच्च वोल्टेज प्राप्त करने के लिए श्रृंखला में सैल्स (cells) का ढेर लगा देता है। हालांकि, जगह की कमी के कारण कई उच्च वोल्टेज अनुप्रयोगों में सैल्स (cells) का पर्याप्त स्टैकिंग (ढेर लगाना) संभव नहीं है। बूस्ट कन्वर्टर्स वोल्टेज बढ़ा सकते हैं और सैल्स (cells) की संख्या को कम कर सकते हैं। बूस्ट कन्वर्टर्स का उपयोग करने वाले दो बैटरी चालित अनुप्रयोगों का उपयोग हाइब्रिड इलेक्ट्रिक वाहनों (HEV) और प्रकाश व्यवस्था में किया जाता है।

NHW20 मॉडल टोयोटा प्रियस HEV में 500 V मोटर का उपयोग किया गया है। बूस्ट कन्वर्टर के बिना, प्रियस को मोटर को पावर देने के लिए लगभग 417 सैल्स (cells) की आवश्यकता होगी। हालांकि, प्रियस वास्तव में केवल 168 सैल्स (cells) का उपयोग करता है [उद्धरण वांछित] और बैटरी वोल्टेज को 202 वी से 500 वी तक बढ़ा देता है। बूस्ट कन्वर्टर्स छोटे पैमाने के अनुप्रयोगों, जैसे वहनीय प्रकाश व्यवस्था (पोर्टेबल लाइटिंग सिस्टम )पर भी उपकरणों को बिजली देते हैं। एक सफेद एलईडी को आमतौर पर प्रकाश उत्सर्जित करने के लिए 3.3 V की आवश्यकता होती है, और एक बूस्ट कन्वर्टर लैंप को पावर देने के लिए एकल 1.5 V क्षारीय सेल से वोल्टेज बढ़ा सकता है।

जूल चोर

एक अनियंत्रित बूस्ट कन्वर्टर का उपयोग सर्किट में वोल्टेज वृद्धि तंत्र के रूप में किया जाता है जिसे 'जूल चोर' के रूप में जाना जाता है, जो अवरुद्ध दोलक अवधारणाओं पर आधारित होता है। इस सर्किट टोपोलॉजी (सांस्थिति ) का उपयोग कम पावर बैटरी अनुप्रयोगों के साथ किया जाता है, और इसका उद्देश्य एक बूस्ट कनवर्टर की क्षमता को बैटरी में शेष ऊर्जा को 'चोरी' करना है,अन्यथा यह ऊर्जा बर्बाद हो जाएगी, क्योंकि लगभग समाप्त हो चुकी बैटरी का कम वोल्टेज इसे सामान्य भार के लिए अनुपयोगी बना देता है। कई अनुप्रयोग वोल्टेज कम होने पर लोड के माध्यम से पर्याप्त धारा प्रवाहित नहीं होने से यह ऊर्जा अप्रयुक्त रहेगी। इस वोल्टेज में कमी तब होती है जब बैटरी समाप्त हो जाती है, और यह सर्वव्यापी क्षारीय बैटरी की एक विशेषता है। चूँकि घात का समीकरण ${\textstyle P={\frac {V^{2}}{R}}}$ है , और R का झुकाव होता है तब स्थिर होने के लिए और इससे लोड प्राप्त करने के लिए, उपलब्ध बिजली वोल्टेज कम होने पर काफी कम हो जाती है।

फोटोवोल्टिक सेल

वोल्टेज-लिफ्ट टाइप बूस्ट कन्वर्टर्स नामक विशेष प्रकार के बूस्ट-कन्वर्टर्स का उपयोग सौर फोटोवोल्टिक (पीवी) सिस्टम में किया जाता है। ये पावर कन्वर्टर्स बिजली की गुणवत्ता में सुधार और संपूर्ण पीवी सिस्टम के प्रदर्शन को बढ़ाने के लिए पारंपरिक बूस्ट-कन्वर्टर के निष्क्रिय घटकों (डायोड, इंडक्टर और कैपेसिटर) को जोड़ते हैं।

सर्किट विश्लेषण

चित्र १ बूस्ट कनवर्टर योजनाबन्द्ध

Fig. 2. The two current paths of a boost converter, depending on the state of the switch S

संचालन

Boost converter animation.

बूस्ट कन्वर्टर का प्रमुख सिद्धांत और प्रवृत्ति धारा का अनुगम करनेवाला है, जो की चुंबकीय क्षेत्र में संग्रहीत ऊर्जा को बढ़ाकर या घटाकर वर्तमान में परिवर्तन का अवरोध करता है। बूस्ट कन्वर्टर में, आउटपुट वोल्टेज हमेशा इनपुट वोल्टेज से अधिक होता है। बूस्ट पावर स्टेज को एक योजनाबद्ध चित्र 1 में दिखाया गया है:

• जब स्विच बंद (ऑन-स्टेट) होता है, तो अनुगम करनेवाला के माध्यम से दक्षिणावर्त दिशा में प्रवाहित होता है और अनुगम करनेवाला चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करके कुछ ऊर्जा संग्रहीत करता है। अनुगम करनेवाला के बाईं ओर की ध्रुवीयता सकारात्मक है।
• जब स्विच (ऑफ-स्टेट) खोला जाता है, तो करंट कम हो जाएगा क्योंकि प्रतिबाधा अधिक है। लोड की ओर करंट बनाए रखने के लिए पहले बनाए गए चुंबकीय क्षेत्र की ऊर्जा कम हो जाएगी। इस प्रकार ध्रुवता उलट जाएगी (अर्थात अनुगम करनेवाला का बायाँ भाग ऋणात्मक हो जाएगा)। नतीजतन, दो स्रोत श्रृंखला में होंगे, जिससे डायोड डी के माध्यम से संधारित्र को चार्ज करने के लिए एक उच्च वोल्टेज होगा।

यदि स्विच को काफी तेजी से साइकिल (चक्रित) किया जाता है, तो चार्जिंग चरणों के बीच में अनुगम करनेवाला पूरी तरह से निर्वहन नहीं करेगा, और जब स्विच खोला जाता है तो लोड हमेशा इनपुट स्रोत से अधिक वोल्टेज देखेगा। साथ ही जब स्विच खोला जाता है, तो लोड के समानांतर संधारित्र (कैपसिटर या कंडेंसर ) को इस संयुक्त वोल्टेज से चार्ज किया जाता है। जब स्विच को बंद कर दिया जाता है और बाएं हाथ की तरफ से दाहिने हाथ की तरफ छोटा कर दिया जाता है, तो संधारित्र लोड को वोल्टेज और ऊर्जा प्रदान करने में सक्षम होता है। इस समय के दौरान, अवरोधक डायोड संधारित्र को स्विच के माध्यम से निर्वहन करने से रोकता है। संधारित्र को बहुत अधिक निर्वहन से रोकने के लिए स्विच को निश्चित रूप से फिर से तेजी से खोला जाना चाहिए।

बूस्ट कन्वर्टर के मूल सिद्धांत में 2 अलग-अलग अवस्थाएँ होती हैं (चित्र 2 देखें):

• ऑन-स्टेट (चालू अवस्था) में , स्विच एस (आंकड़ा 1 देखें) बंद है, जिसके परिणामस्वरूप प्रारंभ करनेवाला वर्तमान में वृद्धि हुई है;
•  ऑफ-स्टेट( बंद अवस्था) में, स्विच खुला होता है और इंडक्टर करंट को दिया जाने वाला एकमात्र रास्ता फ्लाईबैक डायोड डी, कैपेसिटर सी और लोड आर के माध्यम से होता है। इसके परिणामस्वरूप ऑन-स्टेट के दौरान संचित ऊर्जा को कैपेसिटर में स्थानांतरित किया जाता है।

   इनपुट करंट अनुगम करनेवाला करंट जैसा ही होता है, जैसा कि चित्र 2 में देखा जा सकता है। इसलिए यह बक कन्वर्टर की तरह बंद नहीं है और बक कन्वर्टर की तुलना में इनपुट फिल्टर की आवश्यकताओं में ढील दी जाती है।

निरंतर मोड

जब एक बूस्ट कन्वर्टर निरंतर मोड में संचालित होता है, तो प्रारंभ करनेवाला ${\displaystyle I_{L}}$के माध्यम से करंट कभी भी शून्य नहीं होता है। चित्र 3 इस मोड में काम कर रहे कनवर्टर में अनुगम करनेवाला वर्तमान और वोल्टेज के विशिष्ट तरंगों को दिखाता है।

चित्र ३ निरंतर मोड में काम कर रहे एक बूस्टर कनवर्टर में प्रारंभ करनेवाला वर्तमान और वोल्टेज के तरंग

स्थिर अवस्था में,अनुगम करनेवाला के पार DC (औसत) वोल्टेज शून्य होना चाहिए ताकि प्रत्येक चक्र के बाद अनुगम करनेवाला एक ही स्थिति में लौट आए, क्योंकिअनुगम करनेवाला के पार वोल्टेज इसके माध्यम से वर्तमान के परिवर्तन की दर के समानुपाती होता है (नीचे और अधिक विस्तार से बताया गया है) चित्र 1 में ध्यान दें कि $L$ का बायां हाथ ${\displaystyle V_{i}}$ पर है और $L$ का दाहिना हाथ ${\displaystyle V_{s}}$ वोल्टेज तरंग को यहां से देखता है। चित्र 3. ${\displaystyle V_{s}}$ का औसत मान ${\displaystyle (1-D)V_{o}}$ है, जहां $D$ स्विच को चलाने वाली तरंग का कार्य चक्र है। इससे हमें आदर्श अन्तरण फलन प्राप्त होता है :

${\displaystyle V_{i}=(1-D)V_{o}}$

जिसे इस तरह भी समझा जा सकता है :

${\displaystyle V_{o}/V_{i}=1/(1-D)}$

अधिक विस्तृत विश्लेषण से हमें यह परिणाम मिलता है कि स्थिर परिस्थितियों में काम करने वाले, एक आदर्श कनवर्टर (यानी एक आदर्श व्यवहार वाले घटकों का उपयोग करके) के मामले में आउटपुट वोल्टेज की गणना निम्नानुसार की जा सकती है:

ऑन-स्टेट के दौरान, स्विच $S$ को बंद कर दिया जाता है, जिससे इनपुट वोल्टेज ${\displaystyle V_{i}}$ पूरे प्रेरक में दिखाई देता है, जिससे, एक समय अवधि $(t)$, के दौरान करंट ${\displaystyle I_{L}}$ के बहाव मे बदलाव होता है, इसे

सूत्र:

${\displaystyle {\frac {\Delta I_{L}}{\Delta t}}={\frac {V_{i}}{L}}}$

के माध्यम से दर्शाया जाता है $I$ यहाँ $L$ प्रारंभ करनेवाला मान है।

इसलिए,ऑन-स्टेट के अंत में,$I_{L}$ की वृद्धि :

${\displaystyle \Delta I_{L_{On}}={\frac {1}{L}}\int _{0}^{DT}V_{i}dt={\frac {DT}{L}}V_{i}}$

है ।

यहा $D$ कार्य चक्र है। यह विनिमय अवधि $T$ के उस अंश का प्रतिनिधित्व करता है, जिसके दौरान स्विच चालू है। इसलिए, $D$ , $0$($S$ कभी चालू नहीं होता) और $1$ ($S$ हमेशा चालू रहता है) के बीच पाया जाता है।

ऑफ-स्टेट के दौरान, स्विच $S$ खुला रहता है, इसलिए लोड के माध्यम से अनुगम करनेवाला प्रवाह प्रवाहित होता है। यदि हम डायोड में शून्य वोल्टेज ड्रॉप पर विचार करते हैं, और एक संधारित्र जो इसके वोल्टेज को स्थिर रखने के लिए पर्याप्त है, तो $I_{L}$ का विकास है:

${\displaystyle V_{i}-V_{o}=L{\frac {dI_{L}}{dt}}}$

इसलिए, ऑफ-अवधि के दौरान $I_{L}$ की भिन्नता है:

${\displaystyle \Delta I_{L_{Off}}=\int _{DT}^{T}{\frac {\left(V_{i}-V_{o}\right)dt}{L}}={\frac {\left(V_{i}-V_{o}\right)\left(1-D\right)T}{L}}}$

जैसा कि हम मानते हैं कि कनवर्टर स्थिर t की स्थिति में काम करता है, इसके प्रत्येक घटक में संग्रहीत ऊर्जा की मात्रा शुरुआत और अंत में एक समान होनी चाहिए। विशेष रूप से, प्रारंभ करनेवाला में संग्रहीत ऊर्जा किसके द्वारा दी जाती है:

${\displaystyle E={\frac {1}{2}}LI_{L}^{2}}$

तो, अनुगम करनेवाला प्रवाह कम्यूटेशन (विनिमय) चक्र के प्रारंभ और अंत में समान होना चाहिए। इसका मतलब है कि वर्तमान में समग्र परिवर्तन (परिवर्तनों का योग) शून्य है:

$\Delta I_{L_{On}}+\Delta I_{L_{Off}}=0$

${\displaystyle I_{o}={\frac {V_{i}DT}{2L}}\cdot {\frac {V_{i}D}{V_{o}-V_{i}}}={\frac {V_{i}^{2}D^{2}T}{2L\left(V_{o}-V_{i}\right)}}}$

इसलिए, आउटपुट वोल्टेज लाभ को निम्नानुसार लिखा जा सकता है:

${\displaystyle {\frac {V_{o}}{V_{i}}}=1+{\frac {V_{i}D^{2}T}{2LI_{o}}}}$

${\displaystyle \Delta I_{L_{On}}}$ और ${\displaystyle \Delta I_{L_{Off}}}$ को उनके भावों से, प्रतिस्थापित कर :

${\displaystyle \Delta I_{L_{On}}+\Delta I_{L_{Off}}={\frac {V_{i}DT}{L}}+{\frac {\left(V_{i}-V_{o}\right)\left(1-D\right)T}{L}}=0}$

प्राप्त होता है

इसे इस प्रकार:${\displaystyle {\frac {V_{o}}{V_{i}}}={\frac {1}{1-D}}}$ लिखा जा सकता है

उपरोक्त समीकरण से पता चलता है कि आउटपुट वोल्टेज हमेशा इनपुट वोल्टेज से अधिक होता है (जैसा कि चक्र 0 से 1 तक जाता है), और यह डी के साथ बढ़ता है, सैद्धांतिक रूप से अनंत तक डी के दृष्टिकोण के रूप में। यही कारण है कि इस कनवर्टर को कभी-कभी संदर्भित किया जाता है एक स्टेप-अप कनवर्टर के रूप में।

समीकरण को पुनर्व्यवस्थित करने से क चक्र का पता चलता है:

${\displaystyle D={1-{\frac {V_{i}}{V_{o}}}}}$

अनिरंतर मोड

यदि धारा का तरंग आयाम बहुत अधिक है, तो अनुगम करनेवाला को पूरे कम्यूटेशन चक्र के अंत से पहले पूरी तरह से स्रावित (डिस्चार्जड) कर दी जा सकती है। यह आमतौर पर हल्के भार के तहत होता है। इस मामले में, अवधि के दौरान अनुगम करनेवाला के माध्यम से धारा शून्य हो जाती है (चित्र 4 में तरंग देखें)। हालांकि यह अंतर मामूली है, यह आउटपुट वोल्टेज समीकरण पर एक मजबूत प्रभाव डालता है।

वोल्टेज लाभ की गणना निम्नानुसार की जा सकती है:

चूंकि चक्र की शुरुआत में अनुगम करनेवाला धारा शून्य है, इसका अधिकतम मान $I_{Lmax}$ ($t=DT$$)$ पर

${\displaystyle I_{L_{Max}}={\frac {V_{i}DT}{L}}}$

बन्द-समयावधि के दौरान, ${\displaystyle \delta T}$: के बाद $I_{L}$ शून्य हो जाता है:

${\displaystyle I_{L_{Max}}+{\frac {\left(V_{i}-V_{o}\right)\delta T}{L}}=0}$

पिछले दो समीकरणों का उपयोग करते हुए, है:

$\delta ={\frac {V_{i}D}{V_{o}-V_{i}}}$

लोड करंट $I_{O}$ औसत डायोड करंट ($I_{D}$) के बराबर होता है। जैसा कि चित्र 4 पर देखा जा सकता है, डायोड करंट ऑफ-स्टेट के दौरान अनुगम करनेवाला करंट के बराबर होता है।

चित्र ४ असंतत मोड में काम कर रहे एक बूस्टर कनवर्टर में प्रारंभ करनेवाला वर्तमान और वोल्टेज के तरंग।

$I_{O}$ के औसत मान को चित्र 4 से ज्यामितीय रूप से क्रमबद्ध किया जा सकता है। इसलिए आउटपुट करंट को इस प्रकार लिखा जा सकता है:

${\displaystyle I_{o}={\bar {I_{D}}}={\frac {I_{L_{max}}}{2}}\delta }$

${I_{L_{max}}}$ और, को उनके संबंधित भावों से प्रतिस्थापित करने पर ,

${\displaystyle I_{o}={\frac {V_{i}DT}{2L}}\cdot {\frac {V_{i}D}{V_{o}-V_{i}}}={\frac {V_{i}^{2}D^{2}T}{2L\left(V_{o}-V_{i}\right)}}}$

प्राप्त होता है:

तो, अनुगम करनेवाला प्रवाह कम्यूटेशन चक्र के प्रारंभ और अंत में समान होना चाहिए। इसका मतलब है कि वर्तमान में समग्र परिवर्तन (परिवर्तनों का योग) शून्य है:

निरंतर मोड के लिए आउटपुट वोल्टेज लाभ की अभिव्यक्ति की तुलना में, यह अभिव्यक्ति बहुत अधिक जटिल है। इसके अलावा, असंतत संचालन में, आउटपुट वोल्टेज लाभ न केवल कार्य चक्र ($D$) पर निर्भर करता है, बल्किअनुगम करनेवाला मूल्य ($L$), इनपुट वोल्टेज ($V_{i}$), कम्यूटेशन अवधि ($T$) और आउटपुट वर्तमान ($I_{0}$) पर भी निर्भर करता है।

${\textstyle I_{0}={\frac {V_{0}}{R}}}$ को समीकरण में प्रतिस्थापित ( जहाँ ($R$) करना लोड है), आउटपुट वोल्टेज लाभ :

${\displaystyle {\frac {V_{o}}{V_{i}}}={\frac {1+{\sqrt {1+{\frac {4D^{2}}{K}}}}}{2}}}$

के रूप मे लिखा जा सकता है

जहाँ पर

${\textstyle K={\frac {2L}{RT}}}$

यह सभी देखें

•    जूल चोर
•    बक कन्वर्टर
•    बक-बूस्ट कनवर्टर
•    स्प्लिट-पाई टोपोलॉजी
•    ट्रांसफार्मर
•    वाइब्रेटर (इलेक्ट्रॉनिक)
•    वोल्टेज डबलर
•    वोल्टेज गुणक
•    इलेक्ट्रॉनिक-हाइड्रोलिक सादृश्य का उपयोग करते हुए हाइड्रोलिक रैम को बूस्ट कन्वर्टर के अनुरूप देखा जा सकता है।

अग्रिम पठन

• मोहन, नेड; अंडरलैंड, टोर एम.; रॉबिंस, विलियम पी. (2003)। बिजली के इलेक्ट्रॉनिक्स। होबोकन: जॉन विली
• बासो, क्रिस्टोफ़ (2008)। स्विच मोड बिजली की आपूर्ति: स्पाइस सिमुलेशन और व्यावहारिक डिजाइन। न्यूयॉर्क: मैकग्रा-हिल। आईएसबीएन 978-0-07-150858-2

बाहरी संबंध

• Explanation of nonlinear behavior, modeling, and linearization of the boost dc/dc converter
• Boost converter maximum output power operation for energy harvesting