DC-DC 昇圧コンバーター

昇圧コンバータは、電子機器でDC入力よりも高いDC出力電圧を生成するために使用され、したがって供給電圧を昇圧します。昇圧コンバータは、白色LEDの電源や電気自動車のバッテリーパックなど、さまざまな用途によく使われています。昇圧コンバータは、インダクタの磁場にエネルギーを蓄え、スイッチング回路で負荷にエネルギーを伝達します。インダクタの磁場からのエネルギーの伝達により、1段でDC出力を増加させることができます。このビデオでは、昇圧コンバータの構造を説明し、コンバータの動作条件を変更すると出力電圧にどのように影響するかを調査します。

この単純な昇圧コンバータ回路は、インダクタとスイッチに接続された入力DC電圧源で構成されています。スイッチは、バイポーラトランジスタ、MOSFET、またはインダクタを電源の共通ラインに交互に接続および切断する他の同様の電子デバイスであってもよい。ブロッキングダイオードは、インダクタをコンデンサに接続し、出力電圧のリップルをフィルタリングします。静電容量を大きくすると、リップルが小さくなります。十分に大きな静電容量の場合、出力は安定したDC電圧になります。デジタルパルス列がスイッチを開閉します。パルスには、オン時間と期間の比率であるデューティ比があります。デューティ比は、ゼロから、または時間通りにますます1つまで増加する場合があります。パルスがオンになると、スイッチが閉じ、インダクタが電源電圧の両端に接続されます。この状態では、電源の出力に接続されているインダクタ端子の電位が高く、コモンに接続されている端子の電位が低くなります。ここで、インダクタを流れる電流は、十分に高いスイッチング周波数のために時間とともに直線的に増加します。この間、インダクタ電圧は、電流対時間の傾きが正であるため、正と定義されます。インダクタは、磁場内の電流の2乗に比例したエネルギーを蓄えます。インダクタが電源に接続されている時間が長いほど、より多くの電流が増加し、より多くのエネルギーを蓄えます。スイッチが開くと、インダクタを流れる電流は同じ方向に流れ続ける必要があります。この電流も減少します。これは、インダクタが負荷にエネルギーを放棄するためです。インダクタ電圧は、電流対時間の傾きが負であるため、負になります。その結果、インダクタの極性が反転し、入力電圧「V in」が加わり、出力でより高い電位が生成されます。この状態の回路はダイオードを順方向にバイアスし、インダクタは電流を放電し、一部は負荷に、一部はコンデンサに電流を送り、コンデンサに電流を蓄えます。スイッチが再び閉じると、ダイオードは逆バイアスされ、インダクタを出力から切り離して負荷の短絡を防ぎます。この間、インダクタは再充電され、その代わりにコンデンサが負荷に電流を供給します。このコンデンサの充電と放電のサイクルにより、ある程度のリップルを伴う平均出力電圧が生成されます。スイッチング周波数が十分に高いと、コンデンサの充電時間と放電時間は短くなり、出力は比較的小さなリップルで定常状態の電圧に達します。このスイッチングサイクルは無限に繰り返され、昇圧コンバータの動作の基礎となります。理想的には、デューティ比が増加するにつれて平均出力電圧が増加し、デューティ比が1になると無限の電圧が生成されます。ただし、昇圧コンバータの寄生要素と寄生抵抗により、Dの有効値は最大で約0.7または0.8に制限されます。Dが十分に大きいと、寄生効果が回路の動作を支配し、Dが増加し続けても出力電圧は低下します。次の実験では、昇圧コンバータが連続導通モード(CCMとも呼ばれる)で電圧を昇圧する方法を研究します。これは、インダクタが常にゼロ以外の電流で動作する状態です。

この実験の出力電圧は、DC50ボルト以下に制限されています。指定されたデューティサイクル、周波数、入力電圧、および負荷のみを使用してください。これらの実験では、さまざまなDC-DCコンバータ回路トポロジの実験用に設計されたHiRel SystemsのPower Pole Boardを利用しています。信号供給スイッチS90をオフにした状態で、+/- 12ボルトの信号供給をデンコネクタJ90に差し込みます。PWM制御選択ジャンパJ62およびJ63をオープンループ位置に設定します。DC 電源をプラスの 10 ボルトに調整しますが、電源出力をボードに接続しないでください。次に、下のMOSFET、上のダイオード、BB磁気基板で図のように回路を構築します。インダクタの値をBB磁気基板に記録します。負荷抵抗はパワーポテンショメータです。マルチメーターを使用して、抵抗を測定し、20オームに調整します。次に、端子V1 +とCOMの間にポテンショメータを接続し、スイッチセレクタバンクS30を次のように設定します:PWMを下部MOSFETに、オンボードPWMを使用し、負荷をオフに切り替えます。オシロスコープの差動プローブを、下位MOSFETのゲートである端子16とソースである端子12の間に接続します。スイッチS90をオンにします。MOSFETを駆動するパルス列がオシロスコープの画面に表示されます。スコープの時間軸を選択して、この波形のいくつかの期間を表示します。周波数調整ポテンショメータRV60を設定して、100キロヘルツのスイッチング周波数を生成します。デューティ比ポテンショメータRV64を設定して、パルスのオン時間が0.1のデューティ比に対応する1マイクロ秒になるようにします。

DC電源を入力端子V2+およびCOMに接続します。インダクタ電流を測定するには、端子CS5とCOMの間に差動スコーププローブを接続します。負荷抵抗RLの両端の電圧を測定するには、端子V1+とCOMの間にもう一方の差動プローブを接続します。出力電圧は三角波である必要があります。昇進コンバータのスイッチがオープンで、インダクタがエネルギーを負荷に伝達しているときに、上昇が起こります。下向きのランプは、スイッチが閉じられ、インダクタが出力から切断され、コンデンサが負荷にエネルギーを供給しているときに発生します。インダクタ電流は三角波で、パルス列のオン時間中に直線的に増加し、オフ時間中に線形に減少します。オフセットは平均電流です。オシロスコープに内蔵された測定機能を使用して、出力電圧の平均値とインダクタ電流の平均値を測定します。入力 DC 電源を 8 ボルト、12 ボルト、14 ボルトに設定して、これらの手順を繰り返します。デューティ比が固定の場合、入力電圧が増加するにつれて、理想的な昇圧コンバータの出力電圧は比例して増加するはずです。

実験のこの部分では、インダクタ電流の代わりにパルス列のデューティ比を測定します。スコーププローブを、それぞれ下位MOSFETのゲートとソースである端子16と12の間に接続します。入力DC電源を端子V2+およびCOMに接続します。以前と同様に、出力電圧は、インダクタとコンデンサが交互に負荷に電流を供給することから生じる三角波です。MOSFETのゲートソース電圧は、周波数100キロヘルツ、周期10マイクロ秒、オン時間が1マイクロ秒のデジタルパルス列です。出力電圧の平均値とゲート-ソース間電圧のオン時間、およびDC電源からの入力電流と電圧の読み取り値を測定します。デューティ比ポテンショメータRV64を調整した後、このテストを繰り返して、パルスストリームのオン時間が2、4、および6マイクロ秒になるようにします。これは、それぞれ0.2、0.4、および0.6のデューティ比に対応します。

デューティ比Dが増加すると、昇圧コンバータの出力電圧も増加します。理想的には、Dの値が0.2の場合、10ボルトの入力は約12.5ボルトの出力を生成します。Dが0.4の場合、出力は約16.6ボルトになります。Dが0.6の場合、出力は約25ボルトになります。一般に、出力電圧は理想的な関係から予想されるよりも低くなります。これは、寄生要素によって非理想的な電圧降下と説明されていないエネルギー損失が発生するためです。デューティ比が1に近づくと、理論上の出力電圧は無限に大きくなります。実際には、出力電圧は入力電圧の約3倍から4倍に制限されており、寄生成分や非理想成分の影響により、Dが十分に高くなってから出力電圧が減少します。

昇圧コンバータは入力電圧よりも高い出力電圧を生成し、多くのアプリケーションでは、電源選択の柔軟性を高めるために昇圧コンバータを組み込んでいます。ソーラーパネルからの電圧は、太陽の位置、気象条件、日陰によって変化します。昇圧コンバータは、ソーラーパネルアレイの可変出力をステップアップして、電力網に供給するための一貫した電圧を提供するために一般的に使用されます。バッテリー駆動システムは、電源コードを使用せずにデバイスに電力を供給するためによく使用されます。必要なより高い出力電圧を達成するために、バッテリーセルはしばしば積み重ねられます。目的の出力に到達するために多くのセルが必要な場合、これは多くのスペースを占有する可能性があります。代わりに、昇圧コンバータを使用して、スペースを節約しながら電圧を昇圧します。

Joveの「Introduction to Boost Converters」をご覧になりました。これで、昇圧コンバータがどのように機能し、入力電圧、デューティ比、および周波数の調整が出力電圧にどのように影響するかを理解できました。ご覧いただきありがとうございます。