Overview
Fonte: Ali Bazzi, Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade de Connecticut, Storrs, CT.
Os conversores boost fornecem uma solução versátil para intensificar as tensões DC em muitas aplicações onde uma tensão DC precisa ser aumentada sem a necessidade de convertê-la para AC, usando um transformador e, em seguida, corrigir a saída do transformador. Os conversores boost são conversores intensificadores que usam um indutor como um dispositivo de armazenamento de energia que suporta a saída com energia adicional, além da fonte de entrada DC. Isso faz com que a tensão de saída aumente.
O objetivo deste experimento é estudar diferentes características de um conversor de impulso. A capacidade de intensificação do conversor será observada sob o modo de condução contínua (CCM) onde a corrente do indutor não é zero. A operação de loop aberto com uma relação de serviço definida manualmente será usada. Será observada uma aproximação da relação entrada-saída.
Principles
Um conversor de impulso depende da energia armazenada no indutor, L,para fornecer energia para o lado de saída onde a carga é suportada, além de uma fonte DC ser a principal fonte de energia. O principal conceito por trás da operação do conversor de impulso é que um indutor vai virar sua polaridade de tensão para manter o fluxo de corrente. Como mostrado na Fig. 1(a) para um circuito simples de conversor de boost, quando o interruptor está ligado para um ciclo de trabalho D do período de comutação T,a tensão do indutor VL aumenta. Quando o interruptor está desligado, a corrente do indutor deve continuar fluindo e, portanto, a polaridade de tensão do indutor será invertida para adicionar à tensão de entrada Vem.
No entanto, quando o interruptor está ligado, a carga é curto-circuito e a tensão de saída é zero, o que não é desejado. Portanto, um diodo de bloqueio é adicionado no lado de saída, como mostrado na Fig. 1(b) para evitar que a carga seja curta-circuito. Este diodo ainda não resolve o problema da carga não vendo tensão quando o interruptor está ligado, de modo que um capacitor é adicionado como mostrado na Fig. 1(c) para fornecer a carga com corrente necessária durante o período em que o interruptor está ligado. Note que quando o interruptor está ligado, o diodo está desligado (viés inverso) e vice-versa. A tensão média da saída está, portanto, relacionada à tensão de entrada como:
Figura 1. Passos para a construção de um conversor de impulso
À medida que este experimento prossegue, será mostrado que a tensão média da saída aumenta à medida que o ciclo de serviço, D,aumenta. Isso é verdade, uma vez que a tensão de saída para a relação de tensão de entrada é inversamente proporcional a -D, e assim a tensão de saída e D têm uma correlação positiva.
Observe que a equação apresentada é para um conversor de impulso ideal, e pode parecer que um D=1 produzirá tensão de saída infinita, mas isso não é verdade. Na realidade, elementos parasitas e resistências no conversor de impulso fazem com que D fique limitado a cerca de 70-80% após o qual os efeitos parasiticos começam a dominar a operação do circuito e causam quedas significativas de tensão. Nesse ponto, a tensão de saída começa a diminuir à medida que a D aumenta. Com frequências de comutação mais altas, a ondulação de tensão na saída diminuirá, uma vez que os tempos de carregamento e descarga de tensão no capacitor tornam-se significativamente mais curtos com uma frequência de comutação reduzida.
Procedure
ATENÇÃO: Este experimento foi projetado para limitar a tensão de saída a menos de 50V DC. Use apenas as relações de serviço, frequências, tensão de entrada ou cargas que são dadas aqui.
Este experimento utilizará a placa conversora DC-DC fornecida pela HiRel Systems. http://www.hirelsystems.com/shop/Power-Pole-Board.html
Informações sobre a operação do conselho podem ser encontradas neste vídeo de coleções "Introdução ao Quadro HiRel".
O procedimento aqui mostrado se aplica a qualquer circuito simples de conversor de boost que possa ser construído em placas de proto, placas de pão ou placas de circuito impresso.
1. Configuração do quadro:
- Conecte a fonte de sinal ±12 no conector "DIN", mas mantenha "S90" DESLIGADO.
- Certifique-se de que o seletor de controle PWM esteja na posição de loop aberto.
- Coloque a fonte de alimentação DC em 10 V.
- Mantenha a saída desconectada da placa por enquanto.
- Antes de conectar o resistor de carga, ajuste-o a 20 Ω.
- Construa o circuito mostrado em Fig. 2 usando a placa magnética MOSFET inferior, diodo superior e placa magnética BB.
- Observe o valor de indução mostrado no quadro.
- Conecte "RL"em "V1+" e "COM".
- Observe que as conexões de entrada e saída são invertidas em comparação com as do experimento do conversor de buck.
- NUNCA Desconecte a carga durante o experimento, pois o conversor de impulso pode se tornar instável e causar danos à placa.
- Certifique-se de que a matriz de switches para seleção MOSFET (MOSFET inferior), seleção PWM e outras configurações estão corretas para alcançar um circuito funcional como na Fig. 2.
Figura 2. Circuito de conversor boost
2. Ajustando a relação de dever e a frequência de comutação
- Conecte a sonda diferencial através do portão-fonte do MOSFET inferior.
- Ligue "S90". Um sinal de comutação deve aparecer na tela do escopo.
- Ajuste o eixo de tempo do sinal para ver dois ou três períodos.
- Ajuste o potencialiômetro de frequência para alcançar uma frequência de 100 kHz (período de 10 μs).
- Ajuste o potencialiômetro da razão de serviço para atingir uma relação de 10% de imposto (no tempo de 1 μs).
3. Teste do conversor de impulso para entrada variável
- Conecte a fonte de alimentação DC de entrada, que já está definida em 10 V, a "V2+" e "COM".
- Conecte a sonda diferencial para medir a corrente do indutor em "CS5".
- Conecte a outra sonda através da carga. Certifique-se de que o conector do solo esteja conectado ao "COM".
- Capture as formas de onda e meça a média de tensão de saída, a onda de corrente indutora e a corrente do indutor.
- Regisso registro das leituras de corrente de entrada e tensão na fonte de alimentação DC.
- Ajuste a tensão de entrada para 8 V, 12 V e 14 V e repita as etapas acima para cada uma dessas tensões.
- Desconecte a entrada de alimentação DC e ajuste sua saída para 10 V.
4. Teste do conversor de impulso para a relação de dever variável
- Conecte a sonda diferencial através do portão à fonte do MOSFET inferior.
- Conecte a outra sonda através da carga. Certifique-se de que o conector do solo esteja conectado ao "COM".
- Conecte a fonte DC de entrada a "V2+" e "COM".
- Capture as formas de onda e meça a média de tensão de saída e o tempo de tensão do portão para fonte (também a razão de serviço).
- Regisso registro das leituras de corrente de entrada e tensão na fonte de alimentação DC.
- Ajuste a relação de direitos para 20%, 40% e 60%. Repita as etapas acima para cada uma dessas três relações de serviço.
- Redefinir a relação de direitos para 10%.
- Desconecte a entrada de alimentação DC.
5. Teste do conversor de impulso para frequência de comutação variável
- Conecte a sonda diferencial através do portão à fonte do MOSFET inferior.
- Conecte a outra sonda através da carga com o conector do solo conectado ao "COM".
- Conecte a fonte DC de entrada a "V2+" e "COM".
- Ajuste a frequência de comutação para 70 kHz.
- Capture as formas de onda e meça a média de tensão de saída e o tempo de tensão do portão para fonte (também a razão de serviço).
- Regisso registro da corrente de entrada e leitura de tensão na fonte de alimentação DC.
- Ajuste a frequência de comutação para 40 kHz, 20 kHz e 10 kHz (ou mínimo possível se 10 kHz não puderem ser alcançados).
- Repita as etapas acima para cada uma dessas três frequências de comutação.
- Desligue a entrada de alimentação DC e "S90", e desmonte o circuito.
Os conversores boost são usados em eletrônica para gerar uma tensão de saída DC maior que a entrada DC, aumentando assim a tensão de alimentação. Os conversores boost são frequentemente usados em fontes de alimentação para LEDs brancos, baterias para automóveis elétricos e muitas outras aplicações. Um conversor de impulso armazena energia no campo magnético de um indutor e transfere-a para uma carga com um circuito de comutação. A transferência de energia do campo magnético do indutor permite o aumento da saída de DC em um único estágio. Este vídeo ilustrará a construção de um conversor de impulso e investigará como a alteração da condição de funcionamento do conversor afeta sua tensão de saída.
Este circuito simples de conversor de boost consiste em uma fonte de tensão DC de entrada conectada a um indutor e um interruptor. O interruptor pode ser um transistor bipolar, um MOSFET ou outro dispositivo eletrônico similar que alternadamente conecta e desconecta o indutor da linha comum da fonte de alimentação. Um diodo bloqueador conecta o indutor a um capacitor que filtra a ondulação na tensão de saída. Aumentar a capacitância diminui a ondulação. Para uma capacitância suficientemente grande, a saída torna-se uma tensão DC constante. Um trem de pulso digital abre ou fecha o interruptor. O pulso tem uma razão de serviço que é a razão do tempo em tempo para o período. A razão de serviço pode variar de zero ou aumentar até um com mais e mais no prazo. Quando o pulso está ligado, o interruptor fecha e o indutor é conectado através da tensão de alimentação. Neste estado, o terminal indutor conectado à saída da fonte de alimentação tem maior potencial e o terminal conectado ao comum tem menor potencial. Agora a corrente flui através do indutor aumentando linearmente com o tempo para frequências de comutação suficientemente altas. Durante este tempo, a tensão do indutor é definida como positiva porque a inclinação da corrente versus o tempo é positiva. O indutor armazena energia proporcional ao quadrado da corrente em seu campo magnético. Quanto mais tempo o indutor estiver conectado à fonte de alimentação, maior a corrente aumenta e mais energia ele armazena. Quando o interruptor abrir, a corrente através do indutor deve continuar fluindo na mesma direção. Essa corrente também diminui porque o indutor agora abre mão de energia para a carga. A tensão do indutor torna-se negativa porque a inclinação da corrente versus o tempo é negativa. Como resultado, a polaridade do indutor gira e agora adiciona à tensão de entrada "V in" produzindo um potencial maior na saída. O circuito neste estado, o atacante viese o diodo e o indutor descarrega corrente, alguns indo para a carga, e alguns indo para o capacitor que então armazena a carga. Quando o interruptor fecha novamente, o diodo fica com viés inverso desligando o indutor da saída e evitando um curto-circuito da carga. Durante este tempo o indutor recarrega e em seu lugar o capacitor fornece corrente para a carga. Este ciclo de carregamento e descarga do capacitor produz uma tensão média de saída com alguma quantidade de ondulação. Em frequências de comutação suficientemente altas, os tempos de carga e descarga do capacitor são curtos e a saída atinge uma tensão de estado estável com relativamente pouca ondulação. Este ciclo de comutação se repete indefinidamente e é a base da operação do conversor boost. Idealmente, a tensão média de saída aumenta à medida que a razão de serviço aumenta e uma razão de dever de um gera tensão infinita. No entanto, elementos parasitas e resistências no conversor boost limitam valores úteis de D a um máximo de cerca de 0,7 ou 0,8. Se D é suficientemente grande, os efeitos parasiticos dominam a operação do circuito e a tensão de saída diminui mesmo quando D continua a aumentar. Nos experimentos a seguir, estudaremos como um conversor de impulso intensifica a tensão no modo de condução contínua, também chamado ccm, uma condição quando o indutor opera o tempo todo com corrente não zero.
A tensão de saída neste experimento é limitada a 50 volts DC ou menos. Use apenas os ciclos de trabalho especificados, frequências, tensões de entrada e cargas. Esses experimentos utilizam o HiRel Systems Power Pole Board, que foi projetado para experimentação com diferentes topoologias do circuito de conversor DC to DC. Com o interruptor de alimentação de sinal S90 desligado, conecte a fonte de sinal de +/- 12 volts no conector J90. Defina os jumpers de seleção de controle PWM J62 e J63 na posição de loop aberto. Ajuste a fonte de alimentação DC para 10 volts positivos, mas não conecte a saída de alimentação à placa. Em seguida, construa o circuito como mostrado com o MOSFET inferior, o diodo superior e a placa magnética BB. Registo o valor do indutor na placa magnética BB. O resistor de carga é um potencialiômetro de potência. Use um medidor múltiplo para medir sua resistência enquanto o ajusta a 20 ohms. Em seguida, conecte o potencialiômetro entre os terminais V1+ e COM. Defina o banco seletor de interruptor S30 da seguinte forma: PWM para fundo MOSFET, use PWM a bordo e desligue a carga. Conecte a sonda diferencial do osciloscópio entre o terminal 16, que é o portão da MOSFET inferior e o terminal 12, que é a fonte. Ligue o interruptor S90. O trem de pulso que dirige o MOSFET deve aparecer na tela do escopo. Selecione o eixo de tempo do escopo para exibir vários períodos desta forma de onda. Ajuste de frequência potencialiometer RV60 para produzir uma frequência de comutação de 100 kilohertz. Defina a razão de serviço potencialiometer RV64 para que os pulsos tenham um tempo de um microssegundo que corresponde a uma razão de serviço de 0,1.
Conecte a fonte de alimentação DC aos terminais de entrada V2+ e COM. Para medir a corrente do indutor conecte a sonda de escopo diferencial entre os terminais CS5 e COM. Para medir a tensão através do resistor de carga RL, conecte a outra sonda diferencial entre os terminais V1+ e COM. A tensão de saída deve ser uma onda triângulo. As rampas ascendentes ocorrem quando o interruptor do conversor de impulso está aberto e o indutor está transferindo energia para a carga. As rampas para baixo ocorrem quando o interruptor é fechado, o indutor é desconectado da saída, e o capacitor está fornecendo energia para a carga. A corrente do indutor é uma onda de triângulo que aumenta linearmente durante o tempo do trem de pulso, em seguida, ramps para baixo linearmente durante o tempo de folga. O deslocamento é a corrente média. Utilizando as funções de medição incorporadas do escopo, meça o valor médio da tensão de saída e o valor médio da corrente do indutor. Repita estas etapas com a fonte de alimentação DC de entrada definida para oito, 12 e 14 volts. Para uma relação de direito fixo, a tensão de entrada aumenta a tensão de saída de um conversor de impulso ideal deve aumentar proporcionalmente.
Esta parte do experimento mede a razão de serviço do trem de pulso em vez da corrente indutor. Conecte as sondas de escopo entre os terminais 16 e 12 que são o portão e a fonte do MOSFET inferior, respectivamente. Conecte a fonte de alimentação DC de entrada aos terminais V2+ e COM. Como antes, a tensão de saída é uma onda de triângulo resultante do indutor e do capacitor que alternadamente fornece corrente para a carga. A tensão de origem do portão do MOSFET é um trem de pulso digital com uma frequência de 100 kilohertz, um período de 10 microssegundos, e um tempo de um microssegundo. Meça o valor médio da tensão de saída e o tempo de tensão do portão para a tensão da fonte, juntamente com a corrente de entrada e as leituras de tensão da fonte de alimentação DC. Repita este teste após o ajuste da razão de serviço potencialiometer RV64 para que o fluxo de pulso tenha um tempo de dois, quatro e seis microsegundos, que correspondem a relações de serviço de 0,2, 0,4 e 0,6, respectivamente.
À medida que a relação de imposto D aumenta, a tensão de saída do conversor de impulso também aumenta. Idealmente, se D tem um valor de 0,2 então uma entrada de 10 volts gera uma saída de cerca de 12,5 volts. Se D for 0.4, então a saída seria de cerca de 16,6 volts. Se D for 0.6 então a saída seria de cerca de 25 volts. Em geral, a tensão de saída é menor do que o esperado da relação ideal porque elementos parasiticos criam gotas de tensão não ideais e perda de energia não contabilizada. À medida que a razão de serviço se aproxima de um, a tensão de saída teórica torna-se infinitamente grande. Na realidade, a tensão de saída é limitada a cerca de três ou quatro vezes a tensão de entrada e a influência de componentes parasitas e não ideais faz com que a tensão de saída diminua depois que D se torna suficientemente alta.
Os conversores de boost geram uma tensão de saída maior que a tensão de entrada e muitas aplicações os incorporam para aumentar a flexibilidade na escolha das fontes de energia. A tensão de um painel solar muda com a posição do sol, as condições climáticas e a sombra. Os conversores boost são comumente usados para intensificar a saída variável de uma matriz de painéis solares para fornecer uma tensão consistente para alimentar em uma rede elétrica. Sistemas alimentados por bateria são frequentemente usados para alimentar dispositivos sem o uso de um cabo de alimentação. Para alcançar a tensão de saída mais alta necessária, as células da bateria são frequentemente empilhadas. Isso pode ocupar muito espaço se muitas células forem necessárias para alcançar a saída desejada. Em vez disso, os conversores de impulso são usados para intensificar a tensão enquanto conservam o espaço.
Você acabou de assistir a introdução de Jove para boost converters. Agora você deve entender como os conversores de impulso funcionam e como o ajuste da tensão de entrada, a razão de serviço e a frequência afetam a tensão de saída. Obrigado por assistir.
Results
A relação de tensão de saída-entrada do conversor de impulso é proporcional ao ciclo de tarefa no sentido de que d mais alto produzirá maiores tensões de saída para uma determinada tensão de entrada. Se a tensão de entrada estiver V dentroe a tensão de saída forV out, Vout/Vem= 1/(1-D), onde 0≤D≤ 100%. Portanto, para uma tensão de entrada de 10 V, Vfora≈ 12,5 V para D = 20%, Vfora≈ 16,67 V para D= 40%, e Vfora≈ 25 V para D = 60%.
No entanto, a tensão de saída será menor do que o esperado a partir da relação ideal, que é linear com a razão de serviço. A principal razão é que o modelo ideal de conversor a partir do qual o Vout/Vem relacionamento pode ser derivado não conta com não idealidades e quedas de tensão no conversor. Teoricamente, como D→100%, Vfora→∞; praticamente, um limite teórico na capacidade de impulso é em torno de 3-4x a tensão de entrada, e após um certo nível de D, a tensão de saída do conversor começa a cair em vez de ser aumentada devido a elementos parasitas e não ideais em um conversor real.
Applications and Summary
Os conversores boost são muito comuns em aplicações solares fotovoltaicas onde a tensão de entrada do painel solar varia com as condições climáticas e energia solar disponível, e um conversor de impulso pode sempre impulsionar a partir da tensão do painel FOTOVOLTAL. Correção do fator de potência para melhorar a qualidade da energia, como visto na rede elétrica com cargas eletrônicas de energia que podem exigir uma potência reativa significativa, por exemplo, motores, é outra grande aplicação de conversores de impulso.
