电源杆板介绍

Electrical Engineering

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Overview

资料来源: Bazzi, 康涅狄格州大学电气工程系, 斯托斯, CT。

dc/dc 转换器是将直流电压和电流从一定的电平转换到另一个电平的电力电子转换器。通常情况下, 电压转换是 dc/dc 转换器的主要用途, 在单个转换器中存在三种主要转换类型: 向上、向下、向上或向下。其中最常见的步进转换器是升压转换器 (参考此集合视频: dc/dc 升压转换器), 而最常见的步进转换器是降压转换器。(请参阅此收藏视频: dc/dc 降压转换器。降压升压转换器也经常执行步进和步下功能, 和反激转换器可以被认为是特殊类型降压升压转换器, 在电气隔离是实现之间的输入和输出端口。(请参阅此集合视频: 反激转换器。

dc/dc 转换器拓扑众多, 它们的控制、建模和操作改进 (如效率、可靠性、性能等) 都是持续关注的领域。该实验提供了一个非常灵活的工具, 研究和分析的性能的升压, 降压, 和反激式转换器, 所有在一个单一的板 HiRel 电源杆板。

本实验的目的是介绍 HiRel 系统中的功率极板的主要部件和性能, 这是在三的 dc/dc 变换器实验中使用的电路板。

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 电气工程. 电源杆板介绍. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

HiRel 电源杆板有五主要的子电路区域, 在图1中标注。(图1中标记的区域是近似的。第一个区域 (红色) 包括主侧, 它有滤波电容器、电流传感器和标有 "V1" 和 "COM" 的连接器, 它可以连接到直流电压源或负载。图2显示了带有标记的组件的第一个区域的放大。

第二个区域 (黄色) 包括二次侧, 它有滤波电容器、电流传感器和标有 "V2" 和 "COM" 的连接器, 它连接到直流电压源或显示为平面电源电阻的负载。图3显示了带有标记组件的第二个区域的放大。第一个或第二个区域可以用于连接到直流电压源, 例如直流电源, 而另一种则连接到负载。请注意, 当第二个区域连接到一个源时, 负载电阻可以从电路板上拆散, 而不会对转换器的操作产生影响, 因为它将直接从直流电压源送入。

第三区 (绿色) 是功率极区, 两个 mosfet 和两个二极管连接在一起。第一个 "腿" 包括一个上 mosfet 和一个较低的二极管, 而第二个 "腿" 包括一个上二极管和一个较低的 mosfet。上部 mosfet 和二极管的实际成分安装在相同的散热器上, 在左上角的图1的绿色矩形, 而较低的 mosfet 和二极管安装在相同的散热器上左下角的绿色矩形在图1。图4显示了该区域的放大视图。另一个小的绿色矩形包括了一个低功率开关脉冲的栅极驱动, 如脉冲宽度调制信号, 并将其转换成适当的电压电平, 可以打开和关闭 mosfet。

第四区域 (蓝色) 有四连接点, 其中包括磁性元件的子板可以安装。该主板用于 dc/dc 转换器实验: 第一板是 BB 板, 如图5所示, 其中包括大约100µH 电感;第二个板是反激板, 如图6所示, 其中包括一个回扫耦合电感器或变压器及其 R C 二极管缓冲电路。缓冲电路有助于在反激变换器的工作模式之一中为主变压器侧的存储能量提供路径。

第五领域包括低功耗电子产品, 它可以产生开关脉冲到 mosfet, 并为电路板提供保护, 包括过流和过电压保护。一个单独的直流电源连接到主板的左下角, 旁边的开关 "S90", 它打开所有的低功耗电路, 使大功率侧, 即区域 1-4, 可以正常工作。外接直流电源及其连接器插入到电源极板上, 分别显示在图7和8中。

Figure 1
图 1: HiRel 电源极板与五主要区域请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 2
图 2: 放大区域1。

Figure 3
图 3: 放大区域2。

Figure 4
图 4: 放大区域3。

Figure 5
图 5: BB 板。

Figure 6
图 6: 反激板。

Figure 7
图 7: 低功耗电子设备的外部电源。

Figure 8
图 8: 外部电源接头。

Procedure

本程序主要研究功率极板调节开关脉冲对上下 mosfet 的能力

1. 设置

  1. 将外部直流电源连接至电源极板。
  2. 打开 "S90"
  3. 观察绿色指示灯打开。
  4. 检查 "S90" 和绿色指示灯在图9中的位置。
  5. 将第二个滑动开关放在 "Int. PWM" 的蓝色开关阵列上。检查滑动开关阵列在图10中的位置。
    1. Int. pwm "设置意味着开关脉冲 (pwm: 脉宽调制) 对任一 MOSFET 是产生在电源杆板本身。
    2. Ext. PWM "是指由外部源 (如函数发生器或微控制器) 产生的开关脉冲到任一 MOSFET。
  6. 将第一个滑动开关放在蓝色阵列上的 "顶部 FET" 上。在电源极板上只产生一个 PWM 信号, 因此必须选择一个 mosfet 作为接收脉冲。一旦选择了 mosfet, mosfet 现在应该能够打开和关闭。
    1. 顶部 FET 的选择意味着上部 MOSFET 将接收开关脉冲。
    2. 机器人 FET 的选择意味着较低的 MOSFET 将接收开关脉冲。

Figure 9
图 9.外部电源接头、主开关和指示灯

Figure 10
图 10.滑块开关阵列

2. 监测 MOSFET 栅极脉冲的测量

  1. 打开示波器。
  2. 连接一个普通的10x 探头到示波器的通道1。
  3. 设置示波器通道 1, 以在直流耦合中看到 PWM 偏移。
  4. 设置要为10x 探头缩放的通道1。
  5. 在示波器上设置测量, 测量在1通道上测量信号的频率和正的占空比。
  6. 将探头的测量夹钩到图10所示的 "PWM" 引脚上。
  7. 将探头接地连接到图10所示的 "地线" 引脚。
  8. 在示波器屏幕上, 观察一列 PWM 信号转到上开关门驱动的脉冲列车。
    1. 为了确保上部 mosfet 是开关, 删除探头的测量剪辑, 并钩它的 "门" 上的左上方的 mosfet 显示在图11。你应该观察一个类似的波形, 你看到时, PWM 引脚被探测。
    2. 为了确保较低的 MOSFET 不切换, 从上部 "门" 引脚上取下探头的测量夹, 并将其放在图11所示的较低的 "门" 引脚上。你应该观察零电压。
  9. 将探头的剪辑重新放置在 "PWM" 针脚上。
  10. 通过改变图12中所示的电位器旋钮调整 "PWM" 信号的占空比。顺时针方向将工作周期从零增加到 100%, 逆时针方向递减。
  11. 调整 PWM 频率通过转动电位器螺丝显示在图13。用小螺丝刀调整螺丝的位置。
    1. 观察示波器屏幕上显示的脉冲数随着电位器的调整而增减。
  12. 重复上述过程与 BOT 的 FET 选择和检查, 以确保较低的 MOSFET 门现在看到一个开关脉冲

Figure 11
图 11: 门信号引脚.

Figure 12
图 12: 电位器工作周期调整.

Figure 13
图 13: 频率调整电位器

3. 关闭电路

  1. 关掉 "S90"
  2. 断开外部直流电源。
  3. 从两边断开示波器。
  4. 关闭示波器。

HiRel 功率极板是研究和分析简单 dc-dc 变换器电路性能的工具。dc-dc 变换器采用直流电压输入, 产生不同值的直流电压输出。例如, 升压转换器加强电压, 而降压转换器下台电压。这些转换器可以在一个面包板上组装和测试, 但可以更简单地使用预先制作的演示板 (如 HiRel 系统电源极板) 进行评估。该视频将介绍电源极板的主要组成部分和功能, 这是在实验中使用的升压, 降压, 和反激转换器在这个集合。

HiRel 电源杆板有五主要部分。第一种是主侧, 它有用于转换电路的滤波电容器, 一种通过电路测量电流的传感器, 以及连接到直流电压源或负载的连接器 V1 和 COM。第二部分是二次侧, 也有滤波电容器和电流传感器。本节有连接到直流电压源或负载的 V2 和 COM 的连接器。这里的负载显示为一个平面功率电阻器。对于 dc-dc 转换器的实验在这个集合中, 负载是一个功率电位器, 它可以根据电路的要求进行调整和测试。根据转换器类型, 这两个部分中的一个充当输入端, 连接到直流电压源, 而另一个则是连接到负载的输出端。第三部分是电源极点, 它包含了在 dc-dc 转换过程中的核心部分。该电源极有两个金属氧化物半导体场效应晶体管, 或 mosfet, 和两个二极管。上面的 MOSFET 和上二极管被安装回一个单一的散热器上。同样, 较低的 MOSFET 和较低的二极管安装在一个散热器上。本节中还包括了将开关信号转换为打开和关闭 mosfet 的电压电平的栅极驱动程序。第四部分有一个子板的连接, 它带有磁性元件, 如电感器或变压器。两个子板被用于 dc-dc 转换器实验: BB 板和反激板。第五部分包含为 mosfet 产生开关脉冲的电子器件, 并为电路提供过电流和过压保护。外部直流电源可以通过 DIN 连接器连接到 HiRel 电源极板。主开关 S90, 它是旁边的 DIN 连接器, 打开电源的所有低功率电路板上。现在, 我们已经看到了 HiRel 电源极板的主要部分, 让我们设置板, 并显示如何将其用于 dc-dc 转换电路。

在使用电源杆板之前, 必须将其配置为为 mosfet 产生开关脉冲。首先, 将外部直流电源插入 DIN 连接器。然后, 打开主开关 S90。由开关的绿色 LED S90 照亮表明, 权力是适用于董事会。定位选择开关银行 S30, 并设置第一个开关到顶部 FET。有了这个设置, 脉冲的 mosfet 打开和关闭控制上部 MOSFET。如果此开关设置为底部 FET, 脉冲控制较低的 MOSFET。现在, 将第二个开关设置为 PWM 内部。在这个位置上, 在电路板上产生调制信号的脉冲会打开和关闭选定的 MOSFET。如果此开关设置为 PWM 外部, 则外部源, 如函数发生器或微控制器控制 MOSFET。

将10X 探头连接到示波器的1频道。将探头的接地带到电路板的接地端子和探头尖端到 PWM 终端。要查看调制信号的脉冲偏移量, 请为 DC 耦合设置范围通道1。示波器屏幕应该显示一列脉冲到驱动程序为上部 MOSFET。直接检查控制信号, 从线虫端子上取下探针尖端, 然后由上部 MOSFET 将其剪切到栅极端子上。脉冲列车应在示波器上看到。再次将探头尖端夹在 PWM 端子上。该脉冲列的占空比决定了 MOSFET 的时间在该周期的百分比。这种占空比是一个主要的控制变量, 因为它影响了 dc-dc 转换器的输入和输出电压之间的关系。为了改变脉冲调制信号的占空比, 调整电位器 RV64。关税比率可由0到1不等。由于元件的最大工作频率按类型和设计, 开关频率是一个关键参数的性能, dc-dc 转换器。此外, 更高的开关频率通常会产生更小的输出电压和电流波纹为一个给定的电容器和电感组合。通过调整电位器 RV60, 改变调制信号的脉冲频率。观察在调整电位器时, 示波器屏幕上的脉冲数是如何增减的。接下来, 将选择开关库的第一个开关 S30 到底部 FET。从 PWM 端子上取下探头尖端, 并将其夹到较低 MOSFET 的栅极端子上。最后, 确认下 MOSFET 的栅极接收开关脉冲。

dc-dc 变换器由于其高效率和优良的调节, 在许多商业应用中得到了应用。这里介绍了三通用转换器, 并在此集合的后续视频中进行了讨论。升压转换器产生的直流输出电压大于直流输入, 因此提高了电源电压。视频 "dc/dc 升压转换器" 解释了升压转换器的运行情况, 同时还使用 HiRel 电源极板进行了实验。降压转换器产生的直流输出电压小于输入。换言之, 降低或降低电源电压。视频 "dc/dc 降压转换器" 讨论降压转换器如何工作, 并演示他们的使用, 在 HiRel 电源杆板上的实验。反激式转换器产生的直流输出电压可以大于或小于直流输入。请观看视频 "反激式转换器", 以了解它们是如何从加入降压转换器, 以获得两者的行为。

你刚刚看了朱庇特的介绍 HiRel 电源杆板。您现在应该了解电路板的设计, 如何设置它, 以及如何使用它进行直流-直流转换器的实验。谢谢收看!

Results

在示波器屏幕上预计会出现 PWM 脉冲。在调整 MOSFET 或任何其它半导体主动控制开关的周期时, 占空比是 dc/dc 变换器的主要控制变量。dc/dc 转换器的所有输入输出电压关系都依赖于此占空比的值, 以及某些转换器拓扑中的其他变量。

由于元件的最大工作频率因元件类型和设计而异, 因此开关频率在元件选择中至关重要。较高的开关频率通常产生较小的电压和电流波纹, 但需要较大的电容器和电感。

Applications and Summary

直流/直流转换器是非常常见的直流电源用于充电电子, 并为许多其他电子线路供电。例如, 任何马达驱动器都需要一些较小的直流电源来为其低功耗的电子设备、保护电路和大功率闸门驱动器供电。计算机处理器和其他外围设备和附件要求直流电源提供非常好的直流电压。可再生能源系统, 如太阳能光伏板, 需要直流/直流转换器来调节面板的直流输出电压, 因为太阳辐照度和环境温度变化导致太阳能电池板的电压和电流输出的变化。更多的工业, 运输, 军事和其他应用程序使用 dc/dc 转换器, 而不是线性调节器, 由于其高效率, 高性能, 和优良的监管。

本程序主要研究功率极板调节开关脉冲对上下 mosfet 的能力

1. 设置

  1. 将外部直流电源连接至电源极板。
  2. 打开 "S90"
  3. 观察绿色指示灯打开。
  4. 检查 "S90" 和绿色指示灯在图9中的位置。
  5. 将第二个滑动开关放在 "Int. PWM" 的蓝色开关阵列上。检查滑动开关阵列在图10中的位置。
    1. Int. pwm "设置意味着开关脉冲 (pwm: 脉宽调制) 对任一 MOSFET 是产生在电源杆板本身。
    2. Ext. PWM "是指由外部源 (如函数发生器或微控制器) 产生的开关脉冲到任一 MOSFET。
  6. 将第一个滑动开关放在蓝色阵列上的 "顶部 FET" 上。在电源极板上只产生一个 PWM 信号, 因此必须选择一个 mosfet 作为接收脉冲。一旦选择了 mosfet, mosfet 现在应该能够打开和关闭。
    1. 顶部 FET 的选择意味着上部 MOSFET 将接收开关脉冲。
    2. 机器人 FET 的选择意味着较低的 MOSFET 将接收开关脉冲。

Figure 9
图 9.外部电源接头、主开关和指示灯

Figure 10
图 10.滑块开关阵列

2. 监测 MOSFET 栅极脉冲的测量

  1. 打开示波器。
  2. 连接一个普通的10x 探头到示波器的通道1。
  3. 设置示波器通道 1, 以在直流耦合中看到 PWM 偏移。
  4. 设置要为10x 探头缩放的通道1。
  5. 在示波器上设置测量, 测量在1通道上测量信号的频率和正的占空比。
  6. 将探头的测量夹钩到图10所示的 "PWM" 引脚上。
  7. 将探头接地连接到图10所示的 "地线" 引脚。
  8. 在示波器屏幕上, 观察一列 PWM 信号转到上开关门驱动的脉冲列车。
    1. 为了确保上部 mosfet 是开关, 删除探头的测量剪辑, 并钩它的 "门" 上的左上方的 mosfet 显示在图11。你应该观察一个类似的波形, 你看到时, PWM 引脚被探测。
    2. 为了确保较低的 MOSFET 不切换, 从上部 "门" 引脚上取下探头的测量夹, 并将其放在图11所示的较低的 "门" 引脚上。你应该观察零电压。
  9. 将探头的剪辑重新放置在 "PWM" 针脚上。
  10. 通过改变图12中所示的电位器旋钮调整 "PWM" 信号的占空比。顺时针方向将工作周期从零增加到 100%, 逆时针方向递减。
  11. 调整 PWM 频率通过转动电位器螺丝显示在图13。用小螺丝刀调整螺丝的位置。
    1. 观察示波器屏幕上显示的脉冲数随着电位器的调整而增减。
  12. 重复上述过程与 BOT 的 FET 选择和检查, 以确保较低的 MOSFET 门现在看到一个开关脉冲

Figure 11
图 11: 门信号引脚.

Figure 12
图 12: 电位器工作周期调整.

Figure 13
图 13: 频率调整电位器

3. 关闭电路

  1. 关掉 "S90"
  2. 断开外部直流电源。
  3. 从两边断开示波器。
  4. 关闭示波器。

HiRel 功率极板是研究和分析简单 dc-dc 变换器电路性能的工具。dc-dc 变换器采用直流电压输入, 产生不同值的直流电压输出。例如, 升压转换器加强电压, 而降压转换器下台电压。这些转换器可以在一个面包板上组装和测试, 但可以更简单地使用预先制作的演示板 (如 HiRel 系统电源极板) 进行评估。该视频将介绍电源极板的主要组成部分和功能, 这是在实验中使用的升压, 降压, 和反激转换器在这个集合。

HiRel 电源杆板有五主要部分。第一种是主侧, 它有用于转换电路的滤波电容器, 一种通过电路测量电流的传感器, 以及连接到直流电压源或负载的连接器 V1 和 COM。第二部分是二次侧, 也有滤波电容器和电流传感器。本节有连接到直流电压源或负载的 V2 和 COM 的连接器。这里的负载显示为一个平面功率电阻器。对于 dc-dc 转换器的实验在这个集合中, 负载是一个功率电位器, 它可以根据电路的要求进行调整和测试。根据转换器类型, 这两个部分中的一个充当输入端, 连接到直流电压源, 而另一个则是连接到负载的输出端。第三部分是电源极点, 它包含了在 dc-dc 转换过程中的核心部分。该电源极有两个金属氧化物半导体场效应晶体管, 或 mosfet, 和两个二极管。上面的 MOSFET 和上二极管被安装回一个单一的散热器上。同样, 较低的 MOSFET 和较低的二极管安装在一个散热器上。本节中还包括了将开关信号转换为打开和关闭 mosfet 的电压电平的栅极驱动程序。第四部分有一个子板的连接, 它带有磁性元件, 如电感器或变压器。两个子板被用于 dc-dc 转换器实验: BB 板和反激板。第五部分包含为 mosfet 产生开关脉冲的电子器件, 并为电路提供过电流和过压保护。外部直流电源可以通过 DIN 连接器连接到 HiRel 电源极板。主开关 S90, 它是旁边的 DIN 连接器, 打开电源的所有低功率电路板上。现在, 我们已经看到了 HiRel 电源极板的主要部分, 让我们设置板, 并显示如何将其用于 dc-dc 转换电路。

在使用电源杆板之前, 必须将其配置为为 mosfet 产生开关脉冲。首先, 将外部直流电源插入 DIN 连接器。然后, 打开主开关 S90。由开关的绿色 LED S90 照亮表明, 权力是适用于董事会。定位选择开关银行 S30, 并设置第一个开关到顶部 FET。有了这个设置, 脉冲的 mosfet 打开和关闭控制上部 MOSFET。如果此开关设置为底部 FET, 脉冲控制较低的 MOSFET。现在, 将第二个开关设置为 PWM 内部。在这个位置上, 在电路板上产生调制信号的脉冲会打开和关闭选定的 MOSFET。如果此开关设置为 PWM 外部, 则外部源, 如函数发生器或微控制器控制 MOSFET。

将10X 探头连接到示波器的1频道。将探头的接地带到电路板的接地端子和探头尖端到 PWM 终端。要查看调制信号的脉冲偏移量, 请为 DC 耦合设置范围通道1。示波器屏幕应该显示一列脉冲到驱动程序为上部 MOSFET。直接检查控制信号, 从线虫端子上取下探针尖端, 然后由上部 MOSFET 将其剪切到栅极端子上。脉冲列车应在示波器上看到。再次将探头尖端夹在 PWM 端子上。该脉冲列的占空比决定了 MOSFET 的时间在该周期的百分比。这种占空比是一个主要的控制变量, 因为它影响了 dc-dc 转换器的输入和输出电压之间的关系。为了改变脉冲调制信号的占空比, 调整电位器 RV64。关税比率可由0到1不等。由于元件的最大工作频率按类型和设计, 开关频率是一个关键参数的性能, dc-dc 转换器。此外, 更高的开关频率通常会产生更小的输出电压和电流波纹为一个给定的电容器和电感组合。通过调整电位器 RV60, 改变调制信号的脉冲频率。观察在调整电位器时, 示波器屏幕上的脉冲数是如何增减的。接下来, 将选择开关库的第一个开关 S30 到底部 FET。从 PWM 端子上取下探头尖端, 并将其夹到较低 MOSFET 的栅极端子上。最后, 确认下 MOSFET 的栅极接收开关脉冲。

dc-dc 变换器由于其高效率和优良的调节, 在许多商业应用中得到了应用。这里介绍了三通用转换器, 并在此集合的后续视频中进行了讨论。升压转换器产生的直流输出电压大于直流输入, 因此提高了电源电压。视频 "dc/dc 升压转换器" 解释了升压转换器的运行情况, 同时还使用 HiRel 电源极板进行了实验。降压转换器产生的直流输出电压小于输入。换言之, 降低或降低电源电压。视频 "dc/dc 降压转换器" 讨论降压转换器如何工作, 并演示他们的使用, 在 HiRel 电源杆板上的实验。反激式转换器产生的直流输出电压可以大于或小于直流输入。请观看视频 "反激式转换器", 以了解它们是如何从加入降压转换器, 以获得两者的行为。

你刚刚看了朱庇特的介绍 HiRel 电源杆板。您现在应该了解电路板的设计, 如何设置它, 以及如何使用它进行直流-直流转换器的实验。谢谢收看!

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