Przetwornica podwyższająca DC/DC
Źródło: Ali Bazzi, Wydział Inżynierii Elektrycznej, Uniwersytet Connecticut, Storrs, CT.
Przetwornice boost zapewniają wszechstronne rozwiązanie do zw…
UWAGA: Ten eksperyment ma na celu ograniczenie napięcia wyjściowego do poziomu mniejszego niż 50V DC. Używaj tylko współczynników wypełnienia, częstotliwości, napięcia wejściowego lub obciążeń, które są tutaj podane.
Ten eksperyment będzie wykorzystywał płytkę konwertera DC-DC dostarczoną przez HiRel Systems. http://www.hirelsystems.com/shop/Power-Pole-Board.html
Informacje na temat działania zarządu można znaleźć w tym filmie "Wprowadzenie do tablicy HiRel."
Procedura pokazana tutaj dotyczy każdego prostego obwodu konwertera boost, który może być zbudowany na płytkach proto, płytkach stykowych lub płytkach drukowanych.
1. Ustawienia tablicy:
- Podłącz zasilanie sygnałowe ±12 do złącza "DIN", ale pozostaw "S90" WYŁĄCZONE.
- Upewnij się, że selektor sterowania PWM znajduje się w pozycji otwartej pętli.
- Ustaw zasilacz prądu stałego na 10 V.
- Na razie pozostaw wyjście odłączone od płyty.
- Przed podłączeniem rezystora obciążenia należy go ustawić na 20 Ω.
- Zbuduj obwód pokazany na rys. 2, używając dolnego tranzystora MOSFET, górnej diody i płytki magnetycznej BB.
- Zwróć uwagę na wartość indukcyjności pokazaną na tablicy.
- Połącz "RL" przez "V1+" i "COM".
- Zauważ, że połączenia wejściowe i wyjściowe są odwrócone w porównaniu z tymi w eksperymencie z konwerterem buck .
- NIGDY Nie odłączaj obciążenia podczas eksperymentu, ponieważ konwerter doładowania może stać się niestabilny i spowodować uszkodzenie płyty.
- Upewnij się, że układ przełączników wyboru MOSFET (dolny MOSFET), wyboru PWM i innych ustawień jest prawidłowy, aby uzyskać funkcjonalny obwód, jak na rys. 2.
Rysunek 2. Obwód przetwornicy doładowania
2. Regulacja współczynnika wypełnienia i częstotliwości przełączania
- Podłącz sondę różnicową w poprzek bramki do źródła dolnego tranzystora MOSFET.
- Włącz "S90". Na ekranie lunety powinien pojawić się sygnał przełączający.
- Dostosuj oś czasu sygnału, aby zobaczyć dwa lub trzy okresy.
- Wyreguluj potencjometr częstotliwości, aby uzyskać częstotliwość 100 kHz (okres 10 μs).
- Wyreguluj potencjometr stopnia wypełnienia, aby uzyskać 10% współczynnik wypełnienia (czas włączenia 1 μs).
3. Testowanie przetwornika doładowania dla zmiennego wejścia
- Podłącz wejściowy zasilacz prądu stałego, który jest już ustawiony na 10 V, do "V2+" i "COM".
- Podłącz sondę różnicową, aby zmierzyć prąd cewki indukcyjnej w "CS5".
- Podłącz drugą sondę w poprzek obciążenia. Upewnij się, że złącze uziemiające jest podłączone do "COM".
- Uchwyć przebiegi i zmierz średnie napięcie wyjściowe, tętnienie prądu cewki indukcyjnej i średnie prąd cewki indukcyjnej.
- Zapisz odczyty prądu wejściowego i napięcia na zasilaczu prądu stałego.
- Dostosuj napięcie wejściowe do 8 V, 12 V i 14 V i powtórz powyższe kroki dla każdego z tych napięć.
- Odłącz wejściowe zasilanie prądem stałym i ustaw jego wyjście na 10 V.
4. Testowanie konwertera doładowania dla zmiennego współczynnika wypełnienia
- Podłącz sondę różnicową w poprzek bramki do źródła dolnego tranzystora MOSFET.
- Podłącz drugą sondę w poprzek obciążenia. Upewnij się, że złącze uziemiające jest podłączone do "COM".
- Podłącz wejściowe zasilanie prądem stałym do "V2+" i "COM".
- Uchwyć przebiegi i zmierz średnią napięcia wyjściowego i czas włączenia napięcia bramka-źródło (również współczynnik wypełnienia).
- Zapisz odczyty prądu wejściowego i napięcia na zasilaczu prądu stałego.
- Dostosuj współczynnik wypełnienia do 20%, 40% i 60%. Powtórz powyższe kroki dla każdego z tych trzech przełożeń pracy.
- Zresetuj współczynnik wypełnienia do 10%.
- Odłącz wejściowe zasilanie prądem stałym.
5. Testowanie przetwornicy doładowania dla zmiennej częstotliwości przełączania
- Podłącz sondę różnicową w poprzek bramki do źródła dolnego tranzystora MOSFET.
- Podłącz drugą sondę w poprzek obciążenia za pomocą złącza uziemiającego podłączonego do "COM".
- Podłącz wejściowe zasilanie prądem stałym do "V2+" i "COM".
- Dostosuj częstotliwość przełączania na 70 kHz.
- Uchwyć przebiegi i zmierz średnią napięcia wyjściowego i czas włączenia napięcia bramka-źródło (również współczynnik wypełnienia).
- Zapisz odczyt prądu wejściowego i napięcia na zasilaczu prądu stałego.
- Dostosuj częstotliwość przełączania na 40 kHz, 20 kHz i 10 kHz (lub minimalną możliwą wartość, jeśli nie można osiągnąć 10 kHz).
- Powtórz powyższe kroki dla każdej z tych trzech częstotliwości przełączania.
- Wyłącz wejściowe zasilanie prądem stałym i "S90", a następnie zdemontuj obwód.
Przetwornice boost są stosowane w elektronice do generowania napięcia wyjściowego DC, które jest większe niż wejście DC, zwiększając w ten sposób napięcie zasilania. Przetwornice boost są często stosowane w zasilaczach do białych diod LED, akumulatorach do samochodów elektrycznych i wielu innych zastosowaniach. Przetwornica doładowania magazynuje energię w polu magnetycznym cewki indukcyjnej i przekazuje ją do obciążenia za pomocą obwodu przełączającego. Przeniesienie energii z pola magnetycznego cewki indukcyjnej umożliwia zwiększenie mocy wyjściowej prądu stałego w jednym stopniu. Ten film zilustruje budowę przetwornicy boost i zbada, jak zmiana warunków pracy przetwornicy wpływa na jej napięcie wyjściowe.
Ten prosty obwód przetwornicy podwyższającej składa się z wejściowego źródła napięcia prądu stałego podłączonego do cewki indukcyjnej i przełącznika. Przełącznik może być tranzystorem bipolarnym, tranzystorem MOSFET lub innym podobnym urządzeniem elektronicznym, które naprzemiennie łączy i odłącza cewkę indukcyjną od wspólnej linii zasilacza. Dioda blokująca łączy cewkę indukcyjną z kondensatorem, który filtruje tętnienia napięcia wyjściowego. Zwiększenie pojemności zmniejsza tętnienie. Aby uzyskać wystarczająco dużą pojemność, wyjście staje się stałym napięciem stałym. Cyfrowy ciąg impulsowy otwiera lub zamyka przełącznik. Impuls ma współczynnik wypełnienia, który jest stosunkiem czasu włączenia do okresu. Współczynnik cła może wahać się od zera lub wzrosnąć do jednego z coraz większą terminowością. Gdy impuls jest włączony, przełącznik zamyka się, a cewka indukcyjna jest podłączona przez napięcie zasilania. W tym stanie zacisk cewki indukcyjnej podłączony do wyjścia zasilacza ma wyższy potencjał, a zacisk podłączony do wspólnego ma niższy potencjał. Teraz prąd przepływa przez cewkę indukcyjną, zwiększając się liniowo w czasie, aby uzyskać wystarczająco wysokie częstotliwości przełączania. W tym czasie napięcie cewki indukcyjnej jest definiowane jako dodatnie, ponieważ nachylenie prądu w funkcji czasu jest dodatnie. Cewka indukcyjna magazynuje energię proporcjonalną do kwadratu prądu w swoim polu magnetycznym. Im dłużej cewka indukcyjna jest podłączona do zasilania, tym bardziej wzrasta prąd i tym więcej energii magazynuje. Gdy przełącznik się otworzy, prąd płynący przez cewkę indukcyjną musi nadal płynąć w tym samym kierunku. Prąd ten również maleje, ponieważ cewka indukcyjna oddaje teraz energię obciążeniu. Napięcie cewki indukcyjnej staje się ujemne, ponieważ nachylenie prądu w funkcji czasu jest ujemne. W rezultacie polaryzacja cewki indukcyjnej odwraca się i teraz dodaje się do napięcia wejściowego "V in", wytwarzając wyższy potencjał na wyjściu. Obwód w tym stanie przewodzenia polaryzuje diodę, a cewka indukcyjna rozładowuje prąd, część trafia do obciążenia, a część do kondensatora, który następnie przechowuje ładunek. Gdy przełącznik ponownie się zamknie, dioda staje się spolaryzowana wstecznie, odłączając cewkę indukcyjną od wyjścia i zapobiegając zwarciu obciążenia. W tym czasie cewka indukcyjna ładuje się, a w jej miejsce kondensator dostarcza prąd do obciążenia. Ten cykl ładowania i rozładowywania kondensatora wytwarza średnie napięcie wyjściowe z pewnym tętnieniem. Przy wystarczająco wysokich częstotliwościach przełączania czasy ładowania i rozładowania kondensatora są krótkie, a wyjście osiąga napięcie w stanie ustalonym ze stosunkowo niewielkimi tętnieniami. Ten cykl przełączania powtarza się w nieskończoność i jest podstawą działania przetwornicy doładowania. W idealnej sytuacji średnie napięcie wyjściowe wzrasta wraz ze wzrostem współczynnika wypełnienia, a współczynnik wypełnienia jeden generuje nieskończone napięcie. Jednak elementy pasożytnicze i rezystancje w przetwornicy boost ograniczają użyteczne wartości D do maksymalnie około 0,7 lub 0,8. Jeśli D jest wystarczająco duże, efekty pasożytnicze dominują w pracy obwodu, a napięcie wyjściowe spada, nawet gdy D nadal rośnie. W poniższych eksperymentach zbadamy, w jaki sposób przetwornica boost zwiększa napięcie w trybie ciągłego przewodzenia, zwanym również CCM, w stanie, w którym cewka indukcyjna działa przez cały czas z prądem niezerowym.
Napięcie wyjściowe w tym eksperymencie jest ograniczone do 50 woltów prądu stałego lub mniej. Używaj tylko określonych cykli pracy, częstotliwości, napięcia wejściowego i obciążeń. Eksperymenty te wykorzystują płytkę słupa zasilania HiRel Systems, która jest przeznaczona do eksperymentowania z różnymi topologiami obwodów przetwornicy prądu stałego na prąd stały. Przy wyłączonym wyłączniku zasilania sygnałem S90 podłączyć zasilanie sygnałem +/- 12 V do złącza den J90. Ustaw zworki wyboru sterowania PWM J62 i J63 w pozycji otwartej pętli. Ustaw zasilanie prądem stałym na dodatnie 10 woltów, ale nie podłączaj wyjścia zasilacza do płyty. Następnie zbuduj obwód, jak pokazano, z dolnym tranzystorem MOSFET, górną diodą i płytką magnetyczną BB. Zapisz wartość cewki indukcyjnej na tablicy magnetycznej BB. Rezystorem obciążenia jest potencjometr mocy. Użyj multimetru, aby zmierzyć jego rezystancję, dostosowując ją do 20 omów. Następnie podłącz potencjometr między zaciskami V1+ i COM. Ustaw bank selektorów przełączników S30 w następujący sposób: PWM na dolny MOSFET, użyj wbudowanego PWM i wyłącz obciążenie. Podłącz sondę różnicową oscyloskopu między zaciskiem 16, który jest bramką dolnego tranzystora MOSFET, a zaciskiem 12, który jest źródłem. Włącz przełącznik S90. Ciąg impulsów, który napędza MOSFET, powinien pojawić się na ekranie oscyloskopu. Wybierz oś czasu zakresu, aby wyświetlić kilka okresów tej postaci fali. Ustaw potencjometr regulacji częstotliwości RV60 tak, aby uzyskać częstotliwość przełączania 100 kiloherców. Ustaw potencjometr o współczynniku wypełnienia RV64 tak, aby impulsy miały czas włączenia wynoszący jedną mikrosekundę, co odpowiada stosunkowi wypełnienia 0,1.
Podłącz zasilacz prądu stałego do zacisków wejściowych V2+ i COM. Aby zmierzyć prąd cewki indukcyjnej, podłącz sondę różnicową między zaciskami CS5 i COM. Aby zmierzyć napięcie na rezystorze obciążenia RL, podłącz drugą sondę różnicową między zaciskami V1+ i COM. Napięcie wyjściowe powinno być falą trójkątną. Rampy w górę występują, gdy przełącznik przetwornicy doładowania jest otwarty, a cewka indukcyjna przekazuje energię do obciążenia. Rampy w dół występują, gdy przełącznik jest zamknięty, cewka indukcyjna jest odłączona od wyjścia, a kondensator dostarcza energię do obciążenia. Prąd cewki indukcyjnej jest falą trójkątną, która rośnie liniowo w czasie włączenia ciągu impulsów, a następnie zmniejsza się liniowo w czasie wyłączenia. Przesunięcie to średni prąd. Korzystając z wbudowanych funkcji pomiarowych oscyloskopu, zmierz średnią wartość napięcia wyjściowego i średnią wartość prądu cewki indukcyjnej. Powtórz te kroki z wejściowym zasilaczem prądu stałego ustawionym na osiem, 12 i 14 woltów. W przypadku stałego współczynnika wypełnienia, wraz ze wzrostem napięcia wejściowego, napięcie wyjściowe idealnej przetwornicy podwyższającej powinno wzrastać proporcjonalnie.
Ta część eksperymentu mierzy współczynnik wypełnienia ciągu impulsów zamiast prądu cewki indukcyjnej. Podłącz sondy oscyloskopu między zaciskami 16 i 12, które są odpowiednio bramką i źródłem dolnego MOSFET. Podłącz wejściowy zasilacz prądu stałego do zacisków V2+ i COM. Tak jak poprzednio, napięcie wyjściowe jest falą trójkątną wynikającą z naprzemiennego dostarczania prądu przez cewkę indukcyjną i kondensator do obciążenia. Napięcie źródła bramki MOSFET to cyfrowy ciąg impulsów o częstotliwości 100 kiloherców, okresie 10 mikrosekund i czasie włączenia wynoszącym jedną mikrosekundę. Zmierz średnią wartość napięcia wyjściowego i czas włączenia napięcia bramka-źródło wraz z odczytami prądu wejściowego i napięcia z zasilacza prądu stałego. Powtórz ten test po wyregulowaniu potencjometru współczynnika wypełnienia RV64 tak, aby strumień impulsów miał czas włączenia wynoszący dwie, cztery i sześć mikrosekund, co odpowiada współczynnikom wypełnienia wynoszącym odpowiednio 0,2, 0,4 i 0,6.
Wraz ze wzrostem współczynnika wypełnienia D wzrasta również napięcie wyjściowe przetwornicy podwyższania. Idealnie, jeśli D ma wartość 0,2, to wejście 10 woltów generuje wyjście około 12,5 wolta. Jeśli D wynosi 0,4, to wyjście wyniesie około 16,6 wolta. Jeśli D wynosi 0,6, to wyjście wyniesie około 25 woltów. Ogólnie rzecz biorąc, napięcie wyjściowe jest mniejsze niż oczekiwano od idealnej zależności, ponieważ elementy pasożytnicze powodują nieidealne spadki napięcia i nieuwzględnione straty energii. Gdy współczynnik wypełnienia zbliża się do jednego, teoretyczne napięcie wyjściowe staje się nieskończenie duże. W rzeczywistości napięcie wyjściowe jest ograniczone do około trzy lub czterech razy więcej niż napięcie wejściowe, a wpływ pasożytniczych i nieidealnych komponentów powoduje spadek napięcia wyjściowego po tym, jak D stanie się wystarczająco wysokie.
Przetwornice boost generują napięcie wyjściowe, które jest większe niż napięcie wejściowe i wiele aplikacji wykorzystuje je w celu zwiększenia elastyczności w wyborze źródeł zasilania. Napięcie z panelu słonecznego zmienia się wraz z położeniem słońca, warunkami pogodowymi i cieniem. Przetwornice boost są powszechnie używane do zwiększania zmiennej mocy wyjściowej panelu paneli słonecznych w celu zapewnienia stałego napięcia do zasilania sieci elektrycznej. Systemy zasilane bateryjnie są często używane do zasilania urządzeń bez użycia przewodu zasilającego. Aby osiągnąć niezbędne wyższe napięcie wyjściowe, ogniwa akumulatora są często układane w stosy. Może to zająć dużo miejsca, jeśli do osiągnięcia pożądanego wyjścia potrzeba wielu komórek. Zamiast tego przetwornice boost służą do zwiększania napięcia przy jednoczesnej oszczędności miejsca.
Właśnie obejrzałeś Wprowadzenie Jowisza do konwerterów doładowania. Powinieneś teraz zrozumieć, jak działają przetwornice boost i jak regulacja napięcia wejściowego, współczynnika wypełnienia i częstotliwości wpływa na napięcie wyjściowe. Dzięki za oglądanie.
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.