DC/DC 부스트 컨버터
출처: 알리 바지, 코네티컷 대학교 전기 공학학과, 스토스, CT.
Boost 컨버터는 변형기를 사용하여 AC로 변환한 다음 변압기 출력을 수정할 필요 없이 DC 전압을 늘려야 하는 많은 응용 분야에서 DC 전압을 강화하는 다목적 솔루션을 제공합니다. 부스트 컨버터는…
주의: 이 실험은 출력 전압을 50V DC 미만으로 제한하도록 설계되었습니다. 여기에 주어진 듀티 비율, 주파수, 입력 전압 또는 하중만 사용합니다.
이 실험은 HiRel Systems에서 제공하는 DC-DC 컨버터 보드를 활용합니다. http://www.hirelsystems.com/shop/Power-Pole-Board.html
보드 운영에 대한 정보는 이 컬렉션 비디오 "HiRel 보드 소개"에서 찾을 수 있습니다.
여기에 표시된 절차는 프로토 보드, 빵 기판 또는 인쇄 회로 기판에 구축 할 수있는 간단한 부스트 컨버터 회로에 적용됩니다.
1. 보드 설정:
- "DIN" 커넥터에서 ±12 신호 공급을 연결하지만 "S90" OFF를 유지합니다.
- PWM 제어 선택기가 열린 루프 위치에 있는지 확인합니다.
- DC 전원 공급 장치를 10V로 설정합니다.
- 지금 동안 출력이 보드에서 분리된 상태로 유지합니다.
- 하중 저항기를 연결하기 전에 20 Ω 조정합니다.
- 하부 MOSFET, 상부 다이오드 및 BB 자기 보드를 사용하여 도 2에 도시된 회로를 구축한다.
- 칠판에 표시된 인덕트 값을 기록합니다.
- "RL"을"V1+"와 "COM"에 연결합니다.
- 입력 및 출력 연결이 벅 컨버터 실험의 연결에 비해 뒤집혀 있습니다.
- 부스트 컨버터가 불안정해지고 보드에 손상을 줄 수 있으므로 실험 중에 부하를 분리하지 마십시오.
- MOSFET 선택(하부 MOSFET), PWM 선택 및 기타 설정에 대한 스위치 어레이가 올바른지 확인하여 도 2에서와 같이 기능 회로를 달성하십시오.
그림 2. 부스트 컨버터 회로
2. 의무 비율 조정 및 스위칭 주파수
- 아래쪽 MOSFET의 게이트-소스를 가로질러 차동 프로브를 연결합니다.
- 켜기 "S90"을 켭니다. 스위칭 신호가 범위 화면에 나타납니다.
- 신호 시간 축을 조정하여 2~3개의 기간을 확인합니다.
- 주파수 전위도계를 조정하여 100kHz(10μs 의 주파수)를 달성합니다.
- 10%의 관세 비율(1μs의 정시)을 달성하기 위해 관세 비율을 조정합니다.
3. 가변 입력에 대한 변환기 테스트 향상
- 이미 10V로 설정된 입력 DC 전원 공급 장치를 "V2+" 및 "COM"에 연결합니다.
- 차동 프로브를 연결하여 "CS5"에서 인덕터 전류를 측정합니다.
- 다른 프로브를 부하에 연결합니다. 접지 커넥터가 "COM"에 연결되어 있는지 확인합니다.
- 파형을 캡처하고 출력 전압 평균, 인덕터 전류 리플 및 인덕터 전류 평균을 측정합니다.
- DC 전원 공급 장치에 입력 전류 및 전압 판독값을 기록합니다.
- 입력 전압을 8V, 12V 및 14V로 조정하고 이러한 각 전압에 대해 위의 단계를 반복합니다.
- 입력 DC 공급의 연결을 끊고 출력을 10 V로 조정합니다.
4. 가변 듀티 비율에 대한 부스트 컨버터 테스트
- 게이트를 가로질러 디포티얼 프로브를 아래쪽 MOSFET의 소스에 연결합니다.
- 다른 프로브를 부하에 연결합니다. 접지 커넥터가 "COM"에 연결되어 있는지 확인합니다.
- 입력 DC 공급 장치를 "V2+" 및 "COM"에 연결합니다.
- 파형을 캡처하고 게이트 대 소스 전압(또한 듀티 비율)의 출력 전압 평균 및 정시 측정합니다.
- DC 전원 공급 장치에 입력 전류 및 전압 판독값을 기록합니다.
- 관세비율을 20%, 40%, 60%로 조정합니다. 이 세 가지 의무 비율 각각에 대해 위의 단계를 반복합니다.
- 관세비율을 10%로 재설정합니다.
- 입력 DC 공급 의 연결을 끊습니다.
5. 가변 스위칭 주파수에 대한 부스트 컨버터 테스트
- 게이트를 가로질러 디포티얼 프로브를 아래쪽 MOSFET의 소스에 연결합니다.
- 다른 프로브를 "COM"에 연결된 접지 커넥터와 부하 를 가로 질러 연결합니다.
- 입력 DC 공급 장치를 "V2+" 및 "COM"에 연결합니다.
- 스위칭 주파수를 70kHz로 조정합니다.
- 파형을 캡처하고 게이트 대 소스 전압(또한 듀티 비율)의 출력 전압 평균 및 정시 측정합니다.
- DC 전원 공급 장치에 입력 전류 및 전압 판독값을 기록합니다.
- 스위칭 주파수를 40kHz, 20kHz 및 10kHz로 조정합니다(또는 10kHz에 도달할 수 없는 경우 최소 가능).
- 이 세 가지 스위칭 주파수 각각에 대해 위의 단계를 반복합니다.
- 입력 DC 공급 및 "S90"을 끄고 회로를 분해합니다.
부스트 컨버터는 전자 제품에 사용되어 DC 입력보다 큰 DC 출력 전압을 생성하여 공급 전압을 높입니다. 부스트 컨버터는 백색 LED용 전원 공급 장치, 전기 자동차용 배터리 팩 및 기타 여러 응용 분야에 자주 사용됩니다. 부스트 컨버터는 인덕터의 자기장에 에너지를 저장하고 스위칭 회로를 통해 부하로 전달합니다. 인덕터의 자기장에서 에너지를 전달하면 단일 단계에서 DC 출력을 높일 수 있습니다. 이 동영상에서는 부스트 컨버터의 구조를 설명하고 컨버터의 작동 조건 변경이 출력 전압에 어떤 영향을 미치는지 살펴봅니다.
이 간단한 부스트 컨버터 회로는 인덕터와 스위치에 연결된 입력 DC 전압 소스로 구성됩니다. 스위치는 바이폴라 트랜지스터, MOSFET 또는 전원 공급 장치의 공통 라인에서 인덕터를 교대로 연결 및 분리하는 기타 유사한 전자 장치일 수 있습니다. 차단 다이오드는 인덕터를 커패시터에 연결하여 출력 전압의 리플을 필터링합니다. 커패시턴스를 높이면 리플이 감소합니다. 충분히 큰 커패시턴스의 경우 출력은 안정적인 DC 전압이 됩니다. 디지털 펄스 트레인은 스위치를 열거나 닫습니다. 펄스에는 주기에 대한 켜짐 시간의 비율인 듀티 비율이 있습니다. 듀티 비율은 0에서 다양하거나 1까지 증가할 수 있으며 점점 더 많은 시간이 소요됩니다. 펄스가 켜져 있으면 스위치가 닫히고 인덕터가 공급 전압을 가로질러 연결됩니다. 이 상태에서 전원 공급 장치의 출력에 연결된 인덕터 단자는 더 높은 전위를 가지며 공통에 연결된 단자는 더 낮은 전위를 갖습니다. 이제 전류가 인덕터를 통해 흐르며 충분히 높은 스위칭 주파수를 위해 시간에 따라 선형적으로 증가합니다. 이 시간 동안 인덕터 전압은 전류 대 시간의 기울기가 양수이기 때문에 양수로 정의됩니다. 인덕터는 자기장에서 전류의 제곱에 비례하여 에너지를 저장합니다. 인덕터가 전원 공급 장치에 오래 연결될수록 더 많은 전류가 증가하고 더 많은 에너지를 저장하게 됩니다. 스위치가 열리면 인덕터를 통과하는 전류가 같은 방향으로 계속 흘러야 합니다. 이 전류는 인덕터가 이제 부하에 에너지를 포기하기 때문에 감소합니다. 인덕터 전압은 전류 대 시간의 기울기가 음수이기 때문에 음수가 됩니다. 그 결과, 인덕터의 극성이 바뀌고 이제 입력 전압 "V in"에 추가되어 출력에서 더 높은 전위를 생성합니다. 이 상태의 회로는 다이오드를 순방향 바이어스하고 인덕터는 전류를 방전하며, 일부는 부하로 이동하고 일부는 커패시터로 이동하여 전하를 저장합니다. 스위치가 다시 닫히면 다이오드가 역 바이어스 상태가 되어 인덕터가 출력에서 분리되고 부하의 단락을 방지합니다. 이 시간 동안 인덕터는 재충전되고 그 자리에 커패시터가 부하에 전류를 공급합니다. 이러한 커패시터 충전 및 방전 주기는 일정량의 리플이 있는 평균 출력 전압을 생성합니다. 충분히 높은 스위칭 주파수에서 커패시터의 충전 및 방전 시간은 짧고 출력은 상대적으로 리플이 적은 정상 상태 전압에 도달합니다. 이 스위칭 주기는 무한정 반복되며 부스트 컨버터 작동의 기초가 됩니다. 이상적으로는 듀티 비율이 증가함에 따라 평균 출력 전압이 증가하고 듀티 비율이 1이면 무한 전압이 생성됩니다. 그러나 부스트 컨버터의 기생 요소와 저항은 D의 유용한 값을 최대 약 0.7 또는 0.8로 제한합니다. D가 충분히 크면 기생 효과가 회로 작동을 지배하고 D가 계속 증가하더라도 출력 전압은 감소합니다. 다음 실험에서는 인덕터가 항상 0이 아닌 전류로 작동하는 상태인 CCM이라고도 하는 연속 전도 모드에서 부스트 컨버터가 전압을 높이는 방법을 연구합니다.
이 실험에서 출력 전압은 50V DC 이하로 제한됩니다. 지정된 듀티 사이클, 주파수, 입력 전압 및 부하만 사용하십시오. 이러한 실험은 다양한 DC-DC 컨버터 회로 토폴로지를 실험하기 위해 설계된 HiRel Systems Power Pole Board를 활용합니다. 신호 공급 스위치 S90이 꺼진 상태에서 +/- 12볼트 신호 공급 장치를 덴 커넥터 J90에 꽂습니다. PWM 제어 선택 점퍼 J62 및 J63을 개방 루프 위치로 설정합니다. DC 전원 공급 장치를 양극 10볼트로 조정하되 전원 공급 장치 출력을 보드에 연결하지 마십시오. 다음으로 하부 MOSFET, 상부 다이오드 및 BB 마그네트 보드와 같이 회로를 구축합니다. BB 마그네틱 보드에 인덕터의 값을 기록합니다. 부하 저항은 전력 전위차계입니다. 멀티 미터를 사용하여 저항을 측정하면서 20옴으로 조정합니다. 그런 다음 단자 V1+와 COM 사이에 전위차계를 연결합니다. 스위치 선택 뱅크 S30을 다음과 같이 설정합니다: PWM을 하단 MOSFET으로, 온보드 PWM을 사용하고, 부하를 끕니다. 오실로스코프의 차동 프로브를 하부 MOSFET의 게이트인 단자 16과 소스인 단자 12 사이에 연결합니다. 스위치 S90을 켭니다. MOSFET을 구동하는 펄스 트레인이 스코프 화면에 나타나야 합니다. 범위의 시간 축을 선택하여 이 파형의 여러 기간을 표시합니다. 주파수 조정 전위차계 RV60을 설정하여 100kHz의 스위칭 주파수를 생성합니다. 듀티 비율 전위차계 RV64를 설정하여 펄스가 듀티 비율 0.1에 해당하는 1마이크로초의 켜짐 시간을 갖도록 합니다.
DC 전원 공급 장치를 입력 단자 V2+ 및 COM에 연결합니다. 인덕터 전류를 측정하려면 단자 CS5와 COM 사이에 차동 스코프 프로브를 연결합니다. 볼륨을 측정하려면tage 부하 저항 RL을 통해 단자 V1+와 COM 사이에 다른 차동 프로브를 연결합니다. 출력 전압은 삼각파여야 합니다. 상향 램프는 부스트 컨버터 스위치가 열려 있고 인덕터가 부하로 에너지를 전달할 때 발생합니다. 하향 램프는 스위치가 닫히고, 인덕터가 출력에서 분리되고, 커패시터가 부하에 에너지를 공급할 때 발생합니다. 인덕터 전류는 펄스 트레인의 켜짐 시간 동안 선형적으로 증가한 다음 꺼짐 시간 동안 선형적으로 감소하는 삼각파입니다. 오프셋은 평균 전류입니다. 스코프에 내장된 측정 기능을 사용하여 출력 전압의 평균값과 인덕터 전류의 평균값을 측정합니다. 입력 DC 전원 공급 장치를 8V, 12V 및 14V로 설정하여 이 단계를 반복합니다. 고정 듀티 비율의 경우 입력 전압이 증가함에 따라 이상적인 부스트 컨버터의 출력 전압이 비례적으로 증가해야 합니다.
실험의 이 부분에서는 인덕터 전류 대신 펄스 트레인의 듀티 비율을 측정합니다. 각각 하단 MOSFET의 게이트와 소스인 단자 16과 12 사이에 스코프 프로브를 연결합니다. 입력 DC 전원 공급 장치를 단자 V2+ 및 COM에 연결합니다. 이전과 마찬가지로 출력 전압은 인덕터와 커패시터가 부하에 교대로 전류를 공급하면서 발생하는 삼각파입니다. MOSFET의 게이트 소스 전압은 주파수가 100kHz, 주기가 10마이크로초, 온 시간이 1마이크로초인 디지털 펄스 트레인입니다. 출력 전압의 평균값과 소스 전압에 대한 게이트의 켜짐 시간을 DC 전원 공급 장치의 입력 전류 및 전압 판독값과 함께 측정합니다. 듀티 비율 전위차계 RV64를 조정한 후 이 테스트를 반복하여 펄스 스트림의 켜짐 시간이 각각 0.2, 0.4 및 0.6의 듀티 비율에 해당하는 2, 4 및 6마이크로초를 갖도록 합니다.
듀티비 D가 증가하면 부스트 컨버터의 출력 전압도 증가합니다. 이상적으로 D의 값이 0.2인 경우 10V를 입력하면 약 12.5V의 출력이 생성됩니다. D가 0.4이면 출력은 약 16.6볼트가 됩니다. D가 0.6이면 출력은 약 25볼트가 됩니다. 일반적으로 출력 전압은 이상적인 관계에서 예상한 것보다 낮은데, 이는 기생 요소가 비이상적인 전압 강하와 계산되지 않은 에너지 손실을 생성하기 때문입니다. 듀티 비율이 1에 가까워지면 이론적인 출력 전압이 무한히 커집니다. 실제로 출력 전압은 입력 전압의 약 3배 또는 4배로 제한되며, 기생 및 비이상적인 구성 요소의 영향으로 D가 충분히 높아진 후 출력 전압이 감소합니다.
부스트 컨버터는 입력 전압보다 큰 출력 전압을 생성하며, 많은 응용 분야에서 이를 통합하여 전원 선택의 유연성을 높입니다. 태양 전지판의 전압은 태양의 위치, 기상 조건 및 그늘에 따라 변합니다. 부스트 컨버터는 일반적으로 태양 전지판 어레이의 가변 출력을 높여 전기 그리드에 공급되는 일관된 전압을 제공하는 데 사용됩니다. 배터리 구동 시스템은 전원 코드를 사용하지 않고 장치에 전원을 공급하는 데 자주 사용됩니다. 필요한 더 높은 출력 전압을 달성하기 위해 배터리 셀이 적층되는 경우가 많습니다. 원하는 출력에 도달하기 위해 많은 셀이 필요한 경우 많은 공간을 차지할 수 있습니다. 대신 부스트 컨버터를 사용하여 공간을 절약하면서 전압을 높입니다.
방금 Jove의 부스트 컨버터 소개를 시청했습니다. 이제 부스트 컨버터가 작동하는 방식과 입력 전압, 듀티비 및 주파수를 조정하는 것이 출력 전압에 어떤 영향을 미치는지 이해해야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다.
Q1: How does a boost converter increase DC voltage?
A boost converter stores energy in an inductor's magnetic field and transfers it to the load through a switching circuit. When the switch closes, current flows through the inductor, increasing linearly and storing energy. When the switch opens, the inductor's polarity flips and adds to the input voltage, producing a higher output potential. This energy transfer enables voltage step-up in a single stage.
Q2: What role does the duty ratio play in boost converter output?
The duty ratio, defined as the ratio of switch on-time to the total period, directly controls the output voltage. As duty ratio increases, output voltage increases proportionally. Ideally, a duty ratio of 0.2 produces 12.5 volts from a 10-volt input, while 0.6 produces 25 volts. However, parasitic elements limit practical duty ratios to approximately 0.7 or 0.8 maximum.
Q3: What components make up a basic boost converter circuit?
A boost converter consists of an input DC voltage source, an inductor, a switch (MOSFET or transistor), a blocking diode, and a capacitor. The switch alternately connects and disconnects the inductor from the power supply. The diode prevents reverse current, while the capacitor filters output ripple voltage. Increasing capacitance decreases ripple and produces steadier DC output.
Q4: How does switching frequency affect boost converter performance?
Higher switching frequencies allow the capacitor's charge and discharge cycles to complete quickly, reducing output voltage ripple. At sufficiently high switching frequencies, the output reaches steady-state voltage with minimal ripple. The pulse train frequency, typically 100 kilohertz in experiments, determines how rapidly the inductor charges and discharges energy to the load.
Q5: What happens to inductor current during boost converter operation?
Inductor current forms a triangle wave pattern. During the switch on-time, current ramps up linearly as the inductor connects to the supply voltage. During the switch off-time, current ramps down linearly as the inductor transfers energy to the load. The offset represents the average current. This continuous cycling in continuous conduction mode ensures non-zero inductor current throughout operation.
Q6: Why are boost converters used in battery-powered systems?
Boost converters step up variable or low DC voltages to higher levels without converting to AC or using transformers. In battery systems, stacking many cells to achieve desired voltage requires significant space. Instead, boost converters efficiently increase voltage from fewer cells, conserving space and simplifying design. They also regulate variable solar panel output to consistent grid-compatible voltages.
Q7: What limits the maximum output voltage in a practical boost converter?
Parasitic elements and resistances in the circuit limit useful duty ratios to approximately 0.7 or 0.8, preventing the theoretical infinite voltage at duty ratio one. When duty ratio becomes sufficiently large, parasitic effects dominate circuit operation and output voltage actually decreases despite increasing duty ratio. Practically, output voltage is limited to about three or four times the input voltage.