DC/DC-Aufwärtswandler

Aufwärtswandler werden in der Elektronik verwendet, um eine DC-Ausgangsspannung zu erzeugen, die größer als die DC-Eingangsspannung ist, und so die Versorgungsspannung zu erhöhen. Aufwärtswandler werden häufig in Netzteilen für weiße LEDs, Batteriepacks für Elektroautos und vielen anderen Anwendungen eingesetzt. Ein Aufwärtswandler speichert Energie im Magnetfeld einer Induktivität und überträgt sie an eine Last mit einem Schaltkreis. Die Übertragung von Energie aus dem Magnetfeld der Induktivität ermöglicht die Erhöhung der Gleichstromleistung in einer einzigen Stufe. In diesem Video wird der Aufbau eines Aufwärtswandlers veranschaulicht und untersucht, wie sich die Änderung des Betriebszustands des Umrichters auf seine Ausgangsspannung auswirkt.

Diese einfache Aufwärtswandlerschaltung besteht aus einer Gleichspannungsquelle, die mit einer Induktivität und einem Schalter verbunden ist. Der Schalter kann ein Bipolartransistor, ein MOSFET oder ein anderes ähnliches elektronisches Gerät sein, das die Induktivität abwechselnd mit der gemeinsamen Leitung der Stromversorgung verbindet und trennt. Eine Sperrdiode verbindet die Induktivität mit einem Kondensator, der die Welligkeit in der Ausgangsspannung filtert. Durch Erhöhen der Kapazität wird die Welligkeit verringert. Bei einer ausreichend großen Kapazität wird der Ausgang zu einer konstanten Gleichspannung. Eine digitale Impulsfolge öffnet oder schließt den Schalter. Der Impuls hat ein Tastverhältnis, das sich aus dem Verhältnis der Einschaltzeit zur Periode ergibt. Das Tastverhältnis kann von Null variieren oder mit zunehmender Pünktlichkeit auf eins ansteigen. Wenn der Impuls eingeschaltet ist, schließt sich der Schalter und die Induktivität wird über die Versorgungsspannung angeschlossen. In diesem Zustand hat die Induktivitätsklemme, die mit dem Ausgang der Stromversorgung verbunden ist, das höhere Potential, und die mit dem gemeinsamen Anschluss verbundene Klemme hat das niedrigere Potential. Nun fließt Strom durch die Induktivität, der linear mit der Zeit ansteigt, um ausreichend hohe Schaltfrequenzen zu erreichen. Während dieser Zeit wird die Induktivitätsspannung als positiv definiert, da die Steigung des Stroms über der Zeit positiv ist. Die Induktivität speichert Energie proportional zum Quadrat des Stroms in ihrem Magnetfeld. Je länger die Induktivität mit dem Stromnetz verbunden ist, desto mehr Strom steigt an und desto mehr Energie speichert sie. Wenn der Schalter öffnet, muss der Strom durch die Induktivität in die gleiche Richtung weiterfließen. Auch dieser Strom nimmt ab, da die Induktivität nun Energie an die Last abgibt. Die Induktivitätsspannung wird negativ, da die Steigung von Strom und Zeit negativ ist. Infolgedessen kehrt sich die Polarität der Induktivität um und erhöht nun die Eingangsspannung auf "V in", wodurch ein höheres Potential am Ausgang entsteht. Die Schaltung in diesem Zustand spannt die Diode vor und die Induktivität entlädt den Strom, von dem einige an die Last und andere an den Kondensator gehen, der dann die Ladung speichert. Wenn der Schalter wieder schließt, wird die Diode in Sperrrichtung vorgespannt, trennt die Induktivität vom Ausgang und verhindert einen Kurzschluss der Last. Während dieser Zeit lädt sich der Induktor auf und an seiner Stelle versorgt der Kondensator die Last mit Strom. Dieser Zyklus des Ladens und Entladens des Kondensators erzeugt eine durchschnittliche Ausgangsspannung mit einer gewissen Welligkeit. Bei ausreichend hohen Schaltfrequenzen sind die Lade- und Entladezeiten des Kondensators kurz und der Ausgang erreicht eine stationäre Spannung mit relativ geringer Welligkeit. Dieser Schaltzyklus wiederholt sich unbegrenzt und ist die Grundlage für den Betrieb des Aufwärtswandlers. Im Idealfall steigt die durchschnittliche Ausgangsspannung mit zunehmender Einschaltdauer und ein Tastverhältnis von eins erzeugt unendliche Spannung. Parasitäre Elemente und Widerstände im Aufwärtswandler begrenzen jedoch die nutzbaren Werte von D auf maximal etwa 0,7 bzw. 0,8. Wenn D groß genug ist, dominieren parasitäre Effekte den Schaltungsbetrieb und die Ausgangsspannung nimmt ab, selbst wenn D weiter ansteigt. In den folgenden Experimenten werden wir untersuchen, wie ein Aufwärtswandler die Spannung im kontinuierlichen Leitungsmodus, auch CCM genannt, erhöht, einem Zustand, in dem die Induktivität immer mit einem Strom ungleich Null arbeitet.

Die Ausgangsspannung in diesem Experiment ist auf 50 Volt DC oder weniger begrenzt. Verwenden Sie nur die angegebenen Tastverhältnisse, Frequenzen, Eingangsspannungen und Lasten. Bei diesen Experimenten wird das HiRel Systems Power Pole Board verwendet, das für das Experimentieren mit verschiedenen DC/DC-Wandler-Schaltungstopologien konzipiert ist. Bei ausgeschaltetem Signalversorgungsschalter S90 die Signalversorgung +/- 12 Volt in den Stecker J90 einstecken. Stellen Sie die PWM-Steuerungswahljumper J62 und J63 auf die Open-Loop-Position. Stellen Sie die Gleichstromversorgung auf positive 10 Volt ein, schließen Sie den Netzteilausgang jedoch nicht an die Platine an. Als nächstes bauen Sie die Schaltung wie gezeigt mit dem unteren MOSFET, der oberen Diode und der BB-Magnetplatine auf. Notieren Sie den Wert der Induktivität auf der BB-Magnetplatine. Der Lastwiderstand ist ein Leistungspotentiometer. Verwenden Sie ein Multimeter, um den Widerstand zu messen, während Sie ihn auf 20 Ohm einstellen. Verbinden Sie dann das Potentiometer zwischen den Klemmen V1+ und COM. Stellen Sie die Schalthebelbank S30 wie folgt ein: PWM auf unteren MOSFET, Onboard-PWM verwenden und Last ausschalten. Verbinden Sie den Differenztastkopf des Oszilloskops zwischen Klemme 16, dem Gate des unteren MOSFETs, und Klemme 12, der Quelle. Schalten Sie den Schalter S90 ein. Die Impulsfolge, die den MOSFET ansteuert, sollte auf dem Bildschirm des Oszilloskops angezeigt werden. Wählen Sie die Zeitachse des Oszilloskops aus, um mehrere Perioden dieser Wellenform anzuzeigen. Stellen Sie das Frequenzeinstellpotentiometer RV60 auf eine Schaltfrequenz von 100 Kilohertz ein. Stellen Sie das Tastverhältnis Potentiometer RV64 so ein, dass die Impulse eine Einschaltzeit von einer Mikrosekunde haben, was einem Tastverhältnis von 0,1 entspricht.

Schließen Sie das DC-Netzteil an die Eingangsklemmen V2+ und COM an. Um den Induktorstrom zu messen, schließen Sie die Differentialdosierzange zwischen den Klemmen CS5 und COM an. Um die Spannung am Lastwiderstand RL zu messen, schließen Sie den anderen Differenztastkopf zwischen den Klemmen V1+ und COM an. Die Ausgangsspannung sollte eine Dreieckswelle sein. Die Aufwärtsrampen treten auf, wenn der Schalter des Aufwärtswandlers geöffnet ist und die Induktivität Energie an die Last überträgt. Die Abwärtsrampen treten auf, wenn der Schalter geschlossen ist, die Induktivität vom Ausgang getrennt wird und der Kondensator die Last mit Energie versorgt. Der Induktivitätsstrom ist eine Dreieckswelle, die während der Einschaltzeit der Impulsfolge linear ansteigt und dann während der Ausschaltzeit linear herunterfährt. Der Offset ist der durchschnittliche Strom. Messen Sie mit den integrierten Messfunktionen des Oszilloskops den Mittelwert der Ausgangsspannung und den Mittelwert des Induktivitätsstroms. Wiederholen Sie diese Schritte, wenn das DC-Eingangsnetzteil auf acht, 12 und 14 Volt eingestellt ist. Bei einem festen Tastverhältnis sollte die Ausgangsspannung eines idealen Aufwärtswandlers proportional ansteigen, wenn die Eingangsspannung steigt.

In diesem Teil des Experiments wird das Tastverhältnis der Impulsfolge anstelle des Induktorstroms gemessen. Verbinden Sie die Oszilloskopsonden zwischen den Anschlüssen 16 und 12, die das Gate bzw. die Quelle des unteren MOSFET sind. Verbinden Sie das DC-Eingangsnetzteil mit den Klemmen V2+ und COM. Wie zuvor ist die Ausgangsspannung eine Dreieckswelle, die sich daraus ergibt, dass die Induktivität und der Kondensator abwechselnd Strom an die Last liefern. Die Gate-Source-Spannung des MOSFET ist eine digitale Impulsfolge mit einer Frequenz von 100 Kilohertz, einer Periode von 10 Mikrosekunden und einer Einschaltzeit von einer Mikrosekunde. Messen Sie den Mittelwert der Ausgangsspannung und die Einschaltzeit des Gates zur Quellspannung zusammen mit den Eingangsstrom- und Spannungsmesswerten der Gleichstromversorgung. Wiederholen Sie diesen Test, nachdem Sie das Tastverhältnis-Potentiometer RV64 so eingestellt haben, dass der Impulsstrom eine Einschaltzeit von zwei, vier und sechs Mikrosekunden hat, was einem Tastverhältnis von 0,2, 0,4 bzw. 0,6 entspricht.

Mit zunehmender Einschaltdauer D steigt auch die Ausgangsspannung des Aufwärtswandlers. Wenn D einen Wert von 0,2 hat, erzeugt ein Eingang von 10 Volt im Idealfall einen Ausgang von etwa 12,5 Volt. Wenn D 0,4 ist, dann würde der Ausgang etwa 16,6 Volt betragen. Wenn D 0,6 ist, dann würde der Ausgang etwa 25 Volt betragen. Im Allgemeinen ist die Ausgangsspannung geringer als von der idealen Beziehung erwartet, da parasitäre Elemente nicht ideale Spannungsabfälle und unberücksichtigte Energieverluste verursachen. Wenn sich das Tastverhältnis eins nähert, wird die theoretische Ausgangsspannung unendlich groß. In Wirklichkeit ist die Ausgangsspannung auf das Drei- oder Vierfache der Eingangsspannung begrenzt, und der Einfluss parasitärer und nicht idealer Komponenten führt dazu, dass die Ausgangsspannung abnimmt, nachdem D ausreichend hoch geworden ist.

Aufwärtswandler erzeugen eine Ausgangsspannung, die größer ist als die Eingangsspannung, und viele Anwendungen integrieren sie, um die Flexibilität bei der Auswahl der Stromquellen zu erhöhen. Die Spannung eines Solarmoduls ändert sich mit dem Sonnenstand, den Wetterbedingungen und dem Schatten. Aufwärtswandler werden häufig verwendet, um die variable Leistung eines Solarmoduls zu erhöhen, um eine konstante Spannung für die Einspeisung in ein Stromnetz bereitzustellen. Batteriebetriebene Systeme werden häufig verwendet, um Geräte ohne Netzkabel mit Strom zu versorgen. Um die notwendige höhere Ausgangsspannung zu erreichen, werden Batteriezellen häufig gestapelt. Dies kann viel Platz beanspruchen, wenn viele Zellen benötigt werden, um die gewünschte Leistung zu erreichen. Stattdessen werden Aufwärtswandler eingesetzt, um die Spannung platzsparend zu erhöhen.

Sie haben gerade Joves Einführung in die Aufwärtswandler gesehen. Sie sollten nun verstehen, wie Aufwärtswandler funktionieren und wie sich die Anpassung der Eingangsspannung, des Tastverhältnisses und der Frequenz auf die Ausgangsspannung auswirkt. Danke fürs Zuschauen.