Convertidor DC/DC

Los convertidores elevadores se utilizan en electrónica para generar un voltaje de salida de CC que es mayor que la entrada de CC, por lo tanto, aumenta el voltaje de alimentación. Los convertidores elevadores se utilizan a menudo en fuentes de alimentación para LED blancos, paquetes de baterías para automóviles eléctricos y muchas otras aplicaciones. Un convertidor elevador almacena energía en el campo magnético de un inductor y la transfiere a una carga con un circuito de conmutación. La transferencia de energía del campo magnético del inductor permite el aumento de la salida de CC en una sola etapa. Este video ilustrará la construcción de un convertidor elevador e investigará cómo el cambio de la condición de funcionamiento del convertidor afecta su voltaje de salida.

Este sencillo circuito convertidor elevador consta de una fuente de voltaje de CC de entrada conectada a un inductor y un interruptor. El interruptor puede ser un transistor bipolar, un MOSFET u otro dispositivo electrónico similar que conecte y desconecte alternativamente el inductor de la línea común de la fuente de alimentación. Un diodo de bloqueo conecta el inductor a un condensador que filtra la ondulación en el voltaje de salida. El aumento de la capacitancia disminuye la ondulación. Para una capacitancia suficientemente grande, la salida se convierte en un voltaje de CC constante. Un tren de pulsos digital abre o cierra el interruptor. El pulso tiene una relación de trabajo que es la relación entre el tiempo de encendido y el período. La relación de derechos puede variar de cero o aumentar hasta uno con más y más tiempo a tiempo. Cuando el pulso está activado, el interruptor se cierra y el inductor se conecta a través del voltaje de alimentación. En este estado, el terminal del inductor conectado a la salida de la fuente de alimentación tiene el potencial más alto y el terminal conectado al común tiene el potencial más bajo. Ahora la corriente fluye a través del inductor aumentando linealmente con el tiempo para frecuencias de conmutación suficientemente altas. Durante este tiempo, el voltaje del inductor se define como positivo porque la pendiente de la corriente frente al tiempo es positiva. El inductor almacena energía proporcional al cuadrado de la corriente en su campo magnético. Cuanto más tiempo esté conectado el inductor a la fuente de alimentación, más aumentará la corriente y más energía almacenará. Cuando se abre el interruptor, la corriente a través del inductor debe continuar fluyendo en la misma dirección. Esta corriente también disminuye porque el inductor ahora cede energía a la carga. El voltaje del inductor se vuelve negativo porque la pendiente de la corriente frente al tiempo es negativa. Como resultado, la polaridad del inductor se invierte y ahora se agrega al voltaje de entrada "V in" produciendo un mayor potencial en la salida. El circuito en este estado, polariza el diodo y el inductor descarga corriente, parte de la cual va a la carga y otra parte al condensador que luego almacena la carga. Cuando el interruptor se cierra de nuevo, el diodo se convierte en polarización inversa, desconectando el inductor de la salida y evitando un cortocircuito de la carga. Durante este tiempo, el inductor se recarga y en su lugar el condensador proporciona corriente a la carga. Este ciclo de carga y descarga del condensador produce un voltaje de salida promedio con cierta cantidad de ondulación. A frecuencias de conmutación suficientemente altas, los tiempos de carga y descarga del condensador son cortos y la salida alcanza un voltaje de estado estacionario con relativamente poca ondulación. Este ciclo de conmutación se repite indefinidamente y es la base del funcionamiento del convertidor elevador. Idealmente, el voltaje de salida promedio aumenta a medida que aumenta la relación de trabajo y una relación de trabajo de uno genera un voltaje infinito. Sin embargo, los elementos parásitos y las resistencias en el convertidor elevador limitan los valores útiles de D a un máximo de aproximadamente 0,7 o 0,8. Si D es lo suficientemente grande, los efectos parásitos dominan el funcionamiento del circuito y el voltaje de salida disminuye incluso cuando D continúa aumentando. En los siguientes experimentos estudiaremos cómo un convertidor elevador aumenta el voltaje en modo de conducción continua, también llamado CCM, una condición en la que el inductor funciona en todo momento con corriente distinta de cero.

El voltaje de salida en este experimento está limitado a 50 voltios CC o menos. Utilice únicamente los ciclos de trabajo, las frecuencias, los voltajes de entrada y las cargas especificados. Estos experimentos utilizan la placa de postes de alimentación de HiRel Systems, que está diseñada para la experimentación con diferentes topologías de circuitos de convertidor de CC a CC. Con el interruptor de alimentación de señal S90 apagado, conecte el suministro de señal de +/- 12 voltios en el conector den J90. Coloque los puentes de selección de control PWM J62 y J63 en la posición de bucle abierto. Ajuste la fuente de alimentación de CC a 10 voltios positivos, pero no conecte la salida de la fuente de alimentación a la placa. A continuación, construya el circuito como se muestra con el MOSFET inferior, el diodo superior y la placa magnética BB. Registre el valor del inductor en la pizarra magnética BB. La resistencia de carga es un potenciómetro de potencia. Use un multímetro para medir su resistencia mientras la ajusta a 20 ohmios. A continuación, conecte el potenciómetro entre los terminales V1+ y COM. Ajuste el banco selector de interruptores S30 de la siguiente manera: PWM al MOSFET inferior, use PWM integrado y apague la carga. Conecte la sonda diferencial del osciloscopio entre el terminal 16, que es la puerta del MOSFET inferior, y el terminal 12, que es la fuente. Encienda el interruptor S90. El tren de pulsos que impulsa el MOSFET debería aparecer en la pantalla del visor. Seleccione el eje de tiempo del osciloscopio para mostrar varios períodos de esta forma de onda. Ajuste el potenciómetro de ajuste de frecuencia RV60 para producir una frecuencia de conmutación de 100 kilohercios. Ajuste el potenciómetro de relación de trabajo RV64 para que los pulsos tengan un tiempo de encendido de un microsegundo, lo que corresponde a una relación de trabajo de 0,1.

Conecte la fuente de alimentación de CC a los terminales de entrada V2+ y COM. Para medir la corriente del inductor, conecte la sonda de alcance diferencial entre los terminales CS5 y COM. Para medir el voltaje a través de la resistencia de carga RL, conecte la otra sonda diferencial entre los terminales V1+ y COM. El voltaje de salida debe ser una onda triangular. Las rampas ascendentes ocurren cuando el interruptor del convertidor elevador está abierto y el inductor está transfiriendo energía a la carga. Las rampas descendentes ocurren cuando el interruptor está cerrado, el inductor está desconectado de la salida y el condensador está suministrando energía a la carga. La corriente del inductor es una onda triangular que aumenta linealmente durante el tiempo de encendido del tren de pulsos, luego disminuye linealmente durante el tiempo de apagado. El desplazamiento es la corriente promedio. Utilizando las funciones de medición integradas del osciloscopio, mida el valor medio del voltaje de salida y el valor medio de la corriente del inductor. Repita estos pasos con la fuente de alimentación de CC de entrada configurada en ocho, 12 y 14 voltios. Para una relación de trabajo fija, a medida que aumenta el voltaje de entrada, el voltaje de salida de un convertidor elevador ideal debe aumentar proporcionalmente.

Esta parte del experimento mide la relación de trabajo del tren de pulsos en lugar de la corriente del inductor. Conecte las sondas de alcance entre los terminales 16 y 12, que son la puerta y la fuente del MOSFET inferior respectivamente. Conecte la fuente de alimentación de CC de entrada a los terminales V2+ y COM. Al igual que antes, el voltaje de salida es una onda triangular que resulta de que el inductor y el condensador suministran corriente alternativamente a la carga. El voltaje de la fuente de puerta del MOSFET es un tren de pulsos digital con una frecuencia de 100 kilohercios, un período de 10 microsegundos y un tiempo de encendido de un microsegundo. Mida el valor medio del voltaje de salida y el tiempo de encendido del voltaje de la puerta a la fuente junto con las lecturas de corriente y voltaje de entrada de la fuente de alimentación de CC. Repita esta prueba después de ajustar el potenciómetro de relación de trabajo RV64 para que la corriente de pulso tenga un tiempo de encendido de dos, cuatro y seis microsegundos, que corresponden a relaciones de trabajo de 0.2, 0.4 y 0.6 respectivamente.

A medida que aumenta la relación de trabajo D, también aumenta el voltaje de salida del convertidor elevador. Idealmente, si D tiene un valor de 0,2, entonces una entrada de 10 voltios genera una salida de aproximadamente 12,5 voltios. Si D es 0,4, entonces la salida sería de unos 16,6 voltios. Si D es 0,6, la salida sería de unos 25 voltios. En general, el voltaje de salida es menor de lo esperado de la relación ideal porque los elementos parásitos crean caídas de voltaje no ideales y pérdidas de energía no contabilizadas. A medida que la relación de trabajo se acerca a uno, el voltaje de salida teórico se vuelve infinitamente grande. En realidad, el voltaje de salida está limitado a aproximadamente tres o cuatro veces el voltaje de entrada y la influencia de componentes parásitos y no ideales hace que el voltaje de salida disminuya después de que D sea lo suficientemente alto.

Los convertidores elevadores generan un voltaje de salida que es mayor que el voltaje de entrada y muchas aplicaciones los incorporan para aumentar la flexibilidad en la elección de las fuentes de energía. El voltaje de un panel solar cambia con la posición del sol, las condiciones climáticas y la sombra. Los convertidores elevadores se usan comúnmente para aumentar la salida variable de un conjunto de paneles solares para proporcionar un voltaje constante para alimentar una red eléctrica. Los sistemas alimentados por batería se utilizan con frecuencia para alimentar dispositivos sin el uso de un cable de alimentación. Para lograr el voltaje de salida más alto necesario, las celdas de la batería a menudo se apilan. Esto puede ocupar mucho espacio si se necesitan muchas celdas para alcanzar la salida deseada. En cambio, los convertidores elevadores se utilizan para aumentar el voltaje mientras se conserva el espacio.

Acabas de ver la Introducción de Jove a los Convertidores Boost. Ahora debería comprender cómo funcionan los convertidores elevadores y cómo el ajuste del voltaje de entrada, la relación de trabajo y la frecuencia afecta el voltaje de salida. Gracias por mirar.