Convertisseur élévateur DC/DC

Les convertisseurs élévateurs sont utilisés en électronique pour générer une tension de sortie CC supérieure à l’entrée CC, augmentant ainsi la tension d’alimentation. Les convertisseurs élévateurs sont souvent utilisés dans les alimentations pour les LED blanches, les batteries pour les voitures électriques et de nombreuses autres applications. Un convertisseur élévateur stocke l’énergie dans le champ magnétique d’une inductance et la transfère à une charge avec un circuit de commutation. Le transfert d’énergie du champ magnétique de l’inductance permet d’augmenter la sortie CC en un seul étage. Cette vidéo illustrera la construction d’un convertisseur élévateur et étudiera comment la modification de l’état de fonctionnement du convertisseur affecte sa tension de sortie.

Ce circuit de convertisseur élévateur simple se compose d’une source de tension CC d’entrée connectée à une inductance et à un interrupteur. Le commutateur peut être un transistor bipolaire, un MOSFET ou un autre dispositif électronique similaire qui connecte et déconnecte alternativement l’inductance de la ligne commune de l’alimentation. Une diode bloquante relie l’inductance à un condensateur qui filtre l’ondulation de la tension de sortie. L’augmentation de la capacité diminue l’ondulation. Pour une capacité suffisamment grande, la sortie devient une tension continue constante. Un train d’impulsions numérique ouvre ou ferme l’interrupteur. L’impulsion a un rapport de service qui est le rapport entre le temps de marche et la période. Le rapport de service peut varier de zéro ou augmenter jusqu’à un avec de plus en plus de temps. Lorsque l’impulsion est activée, l’interrupteur se ferme et l’inductance est connectée à la tension d’alimentation. Dans cet état, la borne de l’inductance connectée à la sortie de l’alimentation a le potentiel le plus élevé et la borne connectée au commun a le potentiel le plus faible. Maintenant, le courant circule à travers l’inductance, augmentant linéairement avec le temps pour des fréquences de commutation suffisamment élevées. Pendant ce temps, la tension de l’inductance est définie comme positive car la pente du courant en fonction du temps est positive. L’inductance stocke de l’énergie proportionnelle au carré du courant dans son champ magnétique. Plus l’inductance est connectée longtemps à l’alimentation électrique, plus le courant augmente et plus il stocke d’énergie. Lorsque l’interrupteur s’ouvre, le courant traversant l’inductance doit continuer à circuler dans la même direction. Ce courant diminue également parce que l’inductance cède maintenant de l’énergie à la charge. La tension de l’inductance devient négative car la pente du courant en fonction du temps est négative. En conséquence, la polarité de l’inductance s’inverse et ajoute maintenant à la tension d’entrée « V in », produisant un potentiel plus élevé à la sortie. Le circuit dans cet état, polarise vers l’avant la diode et l’inductance décharge le courant, une partie allant à la charge, et d’autres allant au condensateur qui stocke ensuite la charge. Lorsque l’interrupteur se referme, la diode devient polarisée en sens inverse, déconnectant l’inductance de la sortie et empêchant un court-circuit de la charge. Pendant ce temps, l’inductance se recharge et à sa place, le condensateur fournit du courant à la charge. Ce cycle de charge et de décharge du condensateur produit une tension de sortie moyenne avec une certaine quantité d’ondulation. À des fréquences de commutation suffisamment élevées, les temps de charge et de décharge du condensateur sont courts et la sortie atteint une tension d’état stable avec relativement peu d’ondulations. Ce cycle de commutation se répète indéfiniment et constitue la base du fonctionnement du convertisseur élévateur. Idéalement, la tension de sortie moyenne augmente à mesure que le rapport de service augmente, et un rapport de service de un génère une tension infinie. Cependant, les éléments parasites et les résistances dans le convertisseur de suralimentation limitent les valeurs utiles de D à un maximum d’environ 0,7 ou 0,8. Si D est suffisamment grand, les effets parasites dominent le fonctionnement du circuit et la tension de sortie diminue même si D continue d’augmenter. Dans les expériences suivantes, nous étudierons comment un convertisseur élévateur augmente la tension en mode de conduction continue, également appelé CCM, une condition dans laquelle l’inductance fonctionne à tout moment avec un courant non nul.

La tension de sortie dans cette expérience est limitée à 50 volts CC ou moins. Utilisez uniquement les cycles de service, les fréquences, les tensions d’entrée et les charges spécifiés. Ces expériences utilisent la carte de poteau d’alimentation HiRel Systems qui est conçue pour l’expérimentation avec différentes topologies de circuits de convertisseur DC à DC. Avec l’interrupteur d’alimentation du signal S90 éteint, branchez l’alimentation du signal de +/- 12 volts dans le connecteur J90. Réglez les cavaliers de sélection de commande PWM J62 et J63 en position de boucle ouverte. Réglez l’alimentation CC à 10 volts, mais ne connectez pas la sortie de l’alimentation à la carte. Ensuite, construisez le circuit comme indiqué avec le MOSFET inférieur, la diode supérieure et la carte magnétique BB. Enregistrez la valeur de l’inductance sur le tableau magnétique BB. La résistance de charge est un potentiomètre de puissance. Utilisez un multimètre pour mesurer sa résistance tout en l’ajustant à 20 ohms. Connectez ensuite le potentiomètre entre les bornes V1+ et COM. Réglez la banque de sélecteurs S30 comme suit : PWM sur MOSFET inférieur, utilisez le PWM intégré et désactivez la charge. Connectez la sonde différentielle de l’oscilloscope entre la borne 16 qui est la grille du MOSFET inférieur et la borne 12 qui est la source. Allumez l’interrupteur S90. Le train d’impulsions qui entraîne le MOSFET doit apparaître sur l’écran de l’oscilloscope. Sélectionnez l’axe temporel de l’oscilloscope pour afficher plusieurs périodes de cette forme d’onde. Réglez le potentiomètre de réglage de fréquence RV60 pour produire une fréquence de commutation de 100 kilohertz. Réglez le potentiomètre de rapport de service RV64 de sorte que les impulsions aient un temps de marche d’une microseconde, ce qui correspond à un rapport de service de 0,1.

Connectez l’alimentation CC aux bornes d’entrée V2+ et COM. Pour mesurer le courant d’inductance, connectez la sonde différentielle entre les bornes CS5 et COM. Pour mesurer la tension aux bornes de la résistance de charge RL, connectez l’autre sonde différentielle entre les bornes V1+ et COM. La tension de sortie doit être une onde triangulaire. Les rampes ascendantes se produisent lorsque l’interrupteur du convertisseur d’alimentation est ouvert et que l’inductance transfère de l’énergie à la charge. Les rampes descendantes se produisent lorsque l’interrupteur est fermé, que l’inductance est déconnectée de la sortie et que le condensateur fournit de l’énergie à la charge. Le courant d’inductance est une onde triangulaire qui augmente linéairement pendant le temps de marche du train d’impulsions, puis descend linéairement pendant le temps d’arrêt. Le décalage est le courant moyen. À l’aide des fonctions de mesure intégrées de l’oscilloscope, mesurez la valeur moyenne de la tension de sortie et la valeur moyenne du courant d’inductance. Répétez ces étapes avec l’alimentation CC d’entrée réglée sur huit, 12 et 14 volts. Pour un rapport de service fixe, lorsque la tension d’entrée augmente, la tension de sortie d’un convertisseur élévateur idéal doit augmenter proportionnellement.

Cette partie de l’expérience mesure le rapport de service du train d’impulsions au lieu du courant d’inductance. Connectez les sondes de l’oscilloscope entre les bornes 16 et 12, qui sont respectivement la porte et la source du MOSFET inférieur. Connectez l’alimentation DC d’entrée aux bornes V2+ et COM. Comme précédemment, la tension de sortie est une onde triangulaire résultant de l’inductance et du condensateur fournissant alternativement du courant à la charge. La tension de la source de grille du MOSFET est un train d’impulsions numériques d’une fréquence de 100 kilohertz, d’une période de 10 microsecondes et d’un temps de marche d’une microseconde. Mesurez la valeur moyenne de la tension de sortie et le temps de marche de la tension entre la grille et la source, ainsi que le courant d’entrée et les lectures de tension de l’alimentation CC. Répétez ce test après avoir ajusté le potentiomètre de rapport de service RV64 de sorte que le flux d’impulsions ait un temps de marche de deux, quatre et six microsecondes, ce qui correspond à des rapports de service de 0,2, 0,4 et 0,6 respectivement.

Lorsque le rapport de service D augmente, la tension de sortie du convertisseur élévateur augmente également. Idéalement, si D a une valeur de 0,2, une entrée de 10 volts génère une sortie d’environ 12,5 volts. Si D est de 0,4, la sortie serait d’environ 16,6 volts. Si D est de 0,6, la sortie serait d’environ 25 volts. En général, la tension de sortie est inférieure à celle attendue de la relation idéale car les éléments parasites créent des chutes de tension non idéales et des pertes d’énergie non comptabilisées. Lorsque le rapport de service se rapproche de un, la tension de sortie théorique devient infiniment grande. En réalité, la tension de sortie est limitée à environ trois ou quatre fois la tension d’entrée et l’influence de composants parasites et non idéaux fait diminuer la tension de sortie une fois que D devient suffisamment élevé.

Les convertisseurs élévateurs génèrent une tension de sortie supérieure à la tension d’entrée, et de nombreuses applications les intègrent pour augmenter la flexibilité dans le choix des sources d’alimentation. La tension d’un panneau solaire change en fonction de la position du soleil, des conditions météorologiques et de l’ombre. Les convertisseurs élévateurs sont couramment utilisés pour augmenter la puissance variable d’un réseau de panneaux solaires afin de fournir une tension constante pour alimenter un réseau électrique. Les systèmes alimentés par batterie sont fréquemment utilisés pour alimenter des appareils sans l’utilisation d’un cordon d’alimentation. Afin d’obtenir la tension de sortie plus élevée nécessaire, les cellules de batterie sont souvent empilées. Cela peut prendre beaucoup de place si de nombreuses cellules sont nécessaires pour atteindre la sortie souhaitée. Au lieu de cela, des convertisseurs élévateurs sont utilisés pour augmenter la tension tout en économisant de l’espace.

Vous venez de regarder l’introduction de Jupiter aux convertisseurs Boost. Vous devriez maintenant comprendre comment fonctionnent les convertisseurs élévateurs et comment le réglage de la tension d’entrée, du rapport de service et de la fréquence affecte la tension de sortie. Merci d’avoir regardé.