DC/DC Boost Converter
Bron: Ali Bazzi, Afdeling Elektrotechniek, Universiteit van Connecticut, Storrs, CT.
Boost converters bieden een veelzijdige oplossing voor het stijge…
LET OP: Dit experiment is ontworpen om de uitgangsspanning te beperken tot minder dan 50V DC. Gebruik alleen de hier gegeven verhoudingen, frequenties, ingangsspanningen of belastingen.
Dit experiment maakt gebruik van de DC-DC converter board die wordt geleverd door HiRel Systems. http://www.hirelsystems.com/shop/Power-Pole-Board.html
Informatie over de werking van de board kunt u vinden in deze video collectie “Introduction to the HiRel Board.”
De procedure die hier wordt getoond, is van toepassing op elke eenvoudige boost converter circuit die kan worden gebouwd op proto boards, bread boards of printplaten.
1. Board setup:
- Verbind de ±12 signaalvoeding bij de "DIN" connector, maar houd "S90" UIT.
- Zorg ervoor dat de PWM controle selectie in de open-loop positie staat.
- Stel de DC voeding in op 10 V.
- Houd de uitgang voorlopig los van de board.
- Stel de belastingweerstand in op 20 Ω voordat u deze aansluit.
- Bouw het circuit in Fig. 2 door gebruik te maken van de onderste MOSFET, bovenste diode en BB magnetische board.
- Let op de inductantie waarde die op de board wordt getoond.
- Verbind "RL"over "V1+" en "COM."
- Let op dat de ingangs- en uitgangsverbindingen zijn omgedraaid in vergelijking met die in het buck converter experiment.
- Ontkoppel NOOIT de belasting tijdens het experiment, aangezien de boost converter onstabiel kan worden en schade aan de board kan veroorzaken.
- Zorg ervoor dat de schakelaars voor MOSFET selectie (onderste MOSFET), PWM selectie en andere instellingen correct staan om een functioneel circuit te krijgen zoals in Fig. 2.
Figuur 2. Boost converter circuit
2. Aanpassen van de duty ratio en schakelfrequentie
- Verbind de differentiële sonde over de gate-to-source van de onderste MOSFET.
- Schakel "S90" AAN. Een schakel signaal zou op het oscilloscoopscherm moeten verschijnen.
- Stel de tijdas van het signaal af om twee of drie perioden te zien.
- Stel de frequentie potentiometer af om een frequentie van 100 kHz (periode van 10 µs) te bereiken.
- Stel de duty ratio potentiometer af om een duty ratio van 10% te bereiken (aan-tijd van 1 µs).
3. Boost Converter Testen voor Variabele Ingang
- Verbind de ingang DC voeding, die al op 10 V is ingesteld, met "V2+" en "COM."
- Verbind de differentiële sonde om de inductor stroom te meten bij "CS5."
- Verbind de andere sonde over de belasting. Zorg ervoor dat de grond connector is verbonden met "COM."
- Vang de golfvormen op en meet de gemiddelde uitgangsspanning, inductor stroom rimpel en gemiddelde inductor stroom.
- Noteer de ingangs stroom en spanningsmetingen op de DC voeding.
- Stel de ingangsspanning in op 8 V, 12 V en 14 V, en herhaal de bovenstaande stappen voor elke van deze spanningen.
- Ontkoppel de ingang DC voeding en stel de uitgang in op 10 V.
4. Boost Converter Testen voor Variabele Duty Ratio
- Verbind de differentiële sonde over de gate tot source van de onderste MOSFET.
- Verbind de andere sonde over de belasting. Zorg ervoor dat de grond connector is verbonden met "COM."
- Verbind de ingang DC voeding met "V2+" en "COM."
- Vang de golfvormen op en meet de gemiddelde uitgangsspanning en aan-tijd van de gate-to-source spanning (ook de duty ratio).
- Noteer de ingangs stroom en spanningsmetingen op de DC voeding.
- Stel de duty ratio in op 20%, 40% en 60%. Herhaal de bovenstaande stappen voor elk van deze drie duty ratios.
- Stel de duty ratio terug naar 10%.
- Ontkoppel de ingang DC voeding.
5. Boost Converter Testen voor Variabele Schakelfrequentie
- Verbind de differentiële sonde over de gate tot source van de onderste MOSFET.
- Verbind de andere sonde over de belasting met de grond connector verbonden met "COM."
- Verbind de ingang DC voeding met "V2+" en "COM."
- Stel de schakelfrequentie in op 70 kHz.
- Vang de golfvormen op en meet de gemiddelde uitgangsspanning en aan-tijd van de gate-to-source spanning (ook de duty ratio).
- Noteer de ingangs stroom en spanningsmeting op de DC voeding.
- Stel de schakelfrequentie in op 40 kHz, 20 kHz, en 10 kHz (of minimum mogelijk als 10 kHz niet kan worden bereikt).
- Herhaal de bovenstaande stappen voor elk van deze drie schakelfrequenties.
- Schakel de ingang DC voeding en "S90" UIT, en ontmantel vervolgens het circuit.
Boost converters worden gebruikt in de elektronica om een DC-uitgangsspanning te genereren die hoger is dan de DC-ingangsspanning, waardoor de voedingsspanning wordt verhoogd. Boost converters worden vaak gebruikt in voedingen voor witte LED's, accu's voor elektrische auto's en vele andere toepassingen. Een boost converter slaat energie op in het magnetische veld van een inductor en brengt deze over naar een belasting met behulp van een schakelkring. De overdracht van energie vanuit het magnetische veld van de inductor maakt de verhoging van de DC-uitgang in een enkele fase mogelijk. Deze video zal de constructie van een boost converter illustreren en onderzoeken hoe het veranderen van de bedrijfsomstandigheden van de converter van invloed is op de uitgangsspanning.
Deze eenvoudige boost converter circuit bestaat uit een ingangs DC-spanningsbron verbonden met een inductor en een schakelaar. De schakelaar kan een bipolaire transistor, een MOSFET of een andere soortgelijke elektronische apparaat zijn die de inductor afwisselend aansluit en loskoppelt van de gemeenschappelijke lijn van de voeding. Een blokkeerdiode verbindt de inductor met een condensator die de rimpel in de uitgangsspanning filtert. Het verhogen van de capaciteit vermindert de rimpel. Voor een voldoende grote capaciteit wordt de uitgang een constante DC-spanning. Een digitale pulstrein opent of sluit de schakelaar. De puls heeft een duty ratio, dat is de verhouding van de aan-tijd tot de periode. De duty ratio kan variëren van nul of toenemen tot één met meer en meer aan-tijd. Wanneer de puls aan is, sluit de schakelaar en wordt de inductor over de voedingsspanning aangesloten. In deze staat heeft de inductoraansluiting die is verbonden met de uitgang van de voeding een hoger potentieel en de aansluiting die is verbonden met de gemeenschappelijke lijn een lager potentieel. Nu stroomt er stroom door de inductor, die lineair toeneemt met de tijd voor voldoende hoge schakelversnelling. Gedurende deze tijd wordt de spanning van de inductor gedefinieerd als positief omdat de helling van de stroom versus tijd positief is. De inductor slaat energie op die evenredig is met het kwadraat van de stroom in zijn magnetische veld. Hoe langer de inductor is aangesloten op de voeding, hoe meer de stroom toeneemt en hoe meer energie deze opslaat. Wanneer de schakelaar opent, moet de stroom door de inductor in dezelfde richting blijven stromen. Deze stroom neemt ook af omdat de inductor nu energie aan de belasting afgeeft. De spanning van de inductor wordt negatief omdat de helling van de stroom versus tijd negatief is. Als gevolg hiervan verandert de pool van de inductor en voegt deze nu toe aan de ingangsspanning "V in" en produceert een hoger potentieel aan de uitgang. De schakeling in deze toestand, voorwaarts biast de diode en de inductor ontlaadt de stroom, een deel gaat naar de belasting en een deel naar de condensator die vervolgens de lading opslaat. Wanneer de schakelaar weer sluit, wordt de diode omgekeerd voorgespannen, waardoor de inductor van de uitgang wordt losgekoppeld en een kortsluiting van de belasting wordt voorkomen. Gedurende deze tijd laadt de inductor zich opnieuw op en in zijn plaats levert de condensator stroom aan de belasting. Deze cyclus van condensatoroplading en ontlading produceert een gemiddelde uitgangsspanning met een zekere hoeveelheid rimpel. Bij voldoende hoge schakelversnelling zijn de laad- en ontlaadtijden van de condensator kort en bereikt de uitgang een constante spanning met relatief weinig rimpel. Deze schakeling herhaalt zich oneindig en is de basis van de werking van de boost converter. Ideaal gezien neemt de gemiddelde uitgangsspanning toe naarmate de duty ratio toeneemt en een duty ratio van één genereert oneindige spanning. Echter, parasite elementen en weerstand in de boost converter beperken nuttige waarden van D tot een maximum van ongeveer 0,7 of 0,8. Als D voldoende groot is, domineren parasitaire effecten de circuitwerking en neemt de uitgangsspanning af, zelfs als D blijft toenemen. In de volgende experimenten zullen we bestuderen hoe een boost converter de spanning verhoogt in continue geleidingsmodus, ook wel CCM genoemd, een toestand waarin de inductor te allen tijde met een niet-nul stroom werkt.
De uitgangsspanning in dit experiment is beperkt tot 50 volt DC of minder. Gebruik alleen de opgegeven duty cycles, frequenties, ingangsspanningen en belastingen. Deze experimenten maken gebruik van de HiRel Systems Power Pole Board die is ontworpen voor experimenten met verschillende DC naar DC converter circuit topologieën. Met schakelaar S90 uitgeschakeld, sluit de +/- 12 volt signaalbron aan op connector J90. Stel de PWM controleselectie jumpers J62 en J63 in op de open lus positie. Stel de DC-voeding in op positieve 10 volt, maar sluit de uitgang van de voeding niet aan op het bord. Bouw vervolgens de circuit zoals getoond met de onderste MOSFET, de bovenste diode en de BB magnetische board. Noteer de waarde van de inductor op de BB magnetische board. De belastingsweerstand is een vermogenspotentiometer. Gebruik een multimeter om de weerstand te meten terwijl u deze afstemt op 20 ohm. Verbind vervolgens de potentiometer tussen de terminals V1+ en COM. Stel de schakelaar selectiebank S30 als volgt in: PWM naar onderste MOSFET, gebruik onboard PWM en schakelbare belasting uit. Verbind de differentiële sonde van de oscilloscoop tussen terminal 16, dat de gate van de onderste MOSFET is, en terminal 12, dat de bron is. Schakel schakelaar S90 in. De pulstrein die de MOSFET aanstuurt, zou op het scherm van de oscilloscoop moeten verschijnen. Selecteer de tijdas van de oscilloscoop om meerdere perioden van deze golfvorm weer te geven. Stel de frequentie aanpassingspotentiometer RV60 in om een schakelversnelling van 100 kilohertz te produceren. Stel de duty ratio potentiometer RV64 zo in dat de pulsen een aan-tijd van één microseconde hebben, wat overeenkomt met een duty ratio van 0,1.
Verbind de DC-voeding aan de ingangsterminals V2+ en COM. Om de inductorstroom te meten, verbind de differentiële sonde van de oscilloscoop tussen de terminals CS5 en COM. Om de spanning over de belastingsweerstand RL te meten, verbind de andere differentiële sonde tussen de terminals V1+ en COM. De uitgangsspanning zou een driehoeksgolf moeten zijn. De opwaartse ramps gebeuren wanneer de boost converter schakelaar open is en de inductor energie naar de belasting overbre
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.