Overview
Source : Ali Bazzi, département de génie électrique, Université du Connecticut, Storrs, CT.
Poussée convertisseurs fournissent une solution polyvalente pour intensifier les tensions continues dans de nombreuses applications où une tension continue doit être augmentée sans avoir besoin de le convertir en AC, à l’aide d’un transformateur et rectifier ensuite la sortie du transformateur. Convertisseurs de Poussée sont des convertisseurs de Step-up qui utilisent une inductance comme un périphérique de stockage de l’énergie qui prend en charge la sortie avec une énergie supplémentaire en plus de la source d’entrée DC. Cela provoque la tension de sortie à la Poussée.
L’objectif de cette expérience est d’étudier les différentes caractéristiques d’un convertisseur boost. La capacité du convertisseur de Step-Up sera célébrée sous le mode de conduction continue (MPC) où l’inductance est différent de zéro. Opération de boucle ouverte avec un ratio de devoir manuellement-set sera utilisée. On observera une approximation de la relation entrée-sortie.
Principles
Un convertisseur boost s’appuie sur l’énergie stockée dans l’inductance, L, en vue de fournir de l’énergie sur le côté de sortie où la charge est pris en charge, en plus d’une source DC étant la principale source d’énergie. Le concept principal derrière le fonctionnement du convertisseur boost est qu’une inductance renversera sa polarité de la tension pour maintenir le flux de courant. Comme indiqué dans la Fig. 1 (a) pour un circuit de convertisseur boost simple, lorsque l’interrupteur est sur pour un cycle D de la période de commutation T, tension d’inducteur VL s’accumule. Lorsque l’interrupteur est éteint, l’inductance doit continuer à couler et donc polarité tension de l’inducteur renversera pour ajouter à la tension d’entrée Ven.
Toutefois, lorsque l’interrupteur est activé, la charge est court-circuitée et la tension de sortie est nulle, ce qui n’est pas souhaitée. Par conséquent, une diode de blocage est ajoutée sur le côté de sortie comme sur la Fig. 1 (b) pour empêcher le chargement d’être court-circuitée. Cette diode ne résout pas la question de la charge de ne voir aucune tension lorsque le commutateur est activé, donc un condensateur est ajouté comme indiqué dans la Fig. 1 (c) pour fournir la charge avec le courant nécessaire au cours de la période lorsque le commutateur est sur. Notez que le quand le commutateur est activé, la diode est éteinte (revers biaisé) et vice versa. La tension moyenne de sortie est donc liée à la tension d’entrée : < Vout> = Vdans/(1-D).
La figure 1. Étapes pour construire un convertisseur boost
Comme le produit de cette expérience, il sera montré que la tension moyenne de sortie augmente lorsque le facteur de marche, D, augmente. C’est vrai car la tension de sortie à relation tension d’entrée est inversement proportionnelle à -D, et ainsi la tension de sortie et D ont une corrélation positive.
Notez que l’équation présentée est pour un convertisseur élévateur idéal et qu’il peut sembler comme si D = 1 donnera la tension de sortie infinie, mais ce n’est pas vrai. En réalité, les éléments parasitaires et des résistances dans la cause de convertisseur boost D être limité aux alentours de 70 à 80 % après quels effets parasites commencent à dominer le fonctionnement en circuit et cause de chute de tension importante. À un tel point, la tension de sortie commence à décroître au fur D . Avec plus haut fréquences de commutation, l’ondulation de tension à la sortie va diminuer depuis la tension de charge et décharge fois à condensateur deviennent beaucoup plus courts avec une fréquence de commutation une diminution.
Procedure
ATTENTION : Cette expérience est conçue pour limiter la tension de sortie est inférieure à 50 v DC. N’utilisez que les ratios de devoir, fréquences, tension d’entrée ou les charges qui sont donnés ici.
Cette expérience utilisera la carte de convertisseur DC / DC offertes par les systèmes de HiRel. http://www.hirelsystems.com/Shop/Power-Pole-Board.html
Informations relatives au fonctionnement du Conseil d’administration peuvent être trouvées dans cette vidéo de collections « Introduction à la Commission HiRel. »
La procédure présentée ici s’applique à n’importe quel circuit convertisseur boost simple qui peut être construit sur proto planches, planches à pain ou de circuits imprimés.
1. Configuration Conseil :
- Branchez l’alimentation ±12 de signal au niveau du connecteur « DIN » mais garder « S90 » OFF.
- Assurez-vous que le sélecteur de contrôle PWM est en position de boucle ouverte.
- Prévoyez l’alimentation DC à 10 V.
- Garder la sortie déconnectée de la Commission pour l’instant.
- Avant de raccorder la résistance de charge, réglez-le à 20 Ω.
- Construire le circuit représenté sur la figure 2 en utilisant les MOSFET inférieur et supérieur diode tableau magnétique BB.
- Notez la valeur de l’inductance montrée sur la carte.
- Connectez R «L« à travers « V1 + » et « com ».
- Notez que les connexions d’entrée et de sortie sont retournées par rapport à ceux de l’expérience du convertisseur buck.
- Ne jamais débrancher la charge pendant l’expérience comme le convertisseur boost peut devenir instable et causer des dommages au Conseil d’administration.
- Assurez-vous que le tableau de commutateur de sélection de MOSFET (MOSFET inférieur), sélection de PWM et d’autres paramètres sont corrects réaliser un circuit fonctionnel comme dans la Fig. 2.
Figure 2 . Poussée circuit convertisseur
2. ajuster le taux de l’obligation et la fréquence de commutation
- Connecter la sonde différentielle à travers la porte à source du MOSFET inférieur.
- Tourner sur « S90. » Un signal de commutation doit apparaître sur l’écran du scope.
- Ajustez l’axe du temps signal pour voir deux ou trois périodes.
- Régler le potentiomètre de fréquence pour atteindre une fréquence de 100 kHz (période de 10 µs).
- Régler le potentiomètre de ratio de devoir pour atteindre un ratio de service de 10 % (allumage du 1 µs).
3. convertisseur élévateur tests d’entrée Variable
- Connecter l’entrée alimentation CC, qui est déjà fixée à 10 V, à « V2 + » et « com ».
- Connecter la sonde différentielle pour mesurer l’inductance à « CS5 ».
- Connectez l’autre sonde à travers la charge. Assurez-vous que le connecteur de terre est connecté à « COM. »
- Capturer les formes d’onde et mesurer la sortie tension moyenne, ondulation de courant inducteur et moyenne actuelle inducteur.
- Enregistrer le courant d’entrée et des lectures de tension sur le bloc d’alimentation DC.
- Régler la tension d’entrée à 8 V, 12 V et 14 V et répétez les étapes ci-dessus pour chacune de ces tensions.
- Déconnecter l’entrée DC fournir et ajuster sa production à 10 V.
4. convertisseur élévateur stable pour les taux de droit Variable
- Connecter la sonde différentielle à travers la porte vers la source du MOSFET inférieur.
- Connectez l’autre sonde à travers la charge. Assurez-vous que le connecteur de terre est connecté à « COM. »
- Connecter l’entrée alimentation CC à « V2 + » et « com ».
- Capturer les formes d’onde et mesurer la moyenne tension de sortie et les délais de la tension de la porte-de-source (également le ratio de devoir).
- Enregistrer le courant d’entrée et des lectures de tension sur le bloc d’alimentation DC.
- Ajuster le ratio de service de 20 %, 40 % et 60 %. Répétez les étapes ci-dessus pour chacun de ces ratios de trois fonctions.
- Réinitialiser le rapport entre le droit à 10 %.
- Couper l’alimentation d’entrée de DC.
5. Poussée convertisseur essais à fréquence de découpage Variable
- Connecter la sonde différentielle à travers la porte vers la source du MOSFET inférieur.
- Connecter l’autre sonde dans l’ensemble de la charge avec le connecteur de terre relié à la « com ».
- Connecter l’entrée alimentation CC à « V2 + » et « com ».
- Régler la fréquence de commutation à 70 kHz.
- Capturer les formes d’onde et mesurer la moyenne tension de sortie et les délais de la tension de la porte-de-source (également le ratio de devoir).
- Le courant d’entrée d’enregistrement et lecture sur le courant continu de tension d’alimentation.
- Régler la fréquence de commutation à 40 kHz, 20 kHz et 10kHz (ou minimale possible si 10kHz n’est pas joignable).
- Répétez les étapes ci-dessus pour chacun de ces trois fréquences de commutation.
- Couper l’alimentation DC et « S90 » et puis démonter le circuit.
Convertisseurs de Poussée sont utilisés en électronique pour générer une tension de sortie DC qui est supérieure à l’entrée, DC donc stimuler jusqu'à la tension d’alimentation. Convertisseurs Boost sont souvent utilisés dans les alimentations pour LEDs blanches, blocs-batteries pour voitures électriques et beaucoup d’autres applications. Un convertisseur boost stocke l’énergie dans le champ magnétique de l’inducteur et le transfère à une charge avec un circuit de commutation. Le transfert d’énergie du champ magnétique de l’inducteur permet l’augmentation en sortie DC en une seule étape. Cette vidéo va illustrer la construction d’un convertisseur boost et étudier comment modifier l’état de fonctionnement du convertisseur affecte sa tension de sortie.
Ce circuit de convertisseur boost simple se compose d’une source de tension d’entrée DC reliée à un inducteur et un interrupteur. L’interrupteur peut être un transistor bipolaire, un MOSFET ou, tout autre périphérique électronique similaire alternativement se connecte et déconnecte l’inductance de la ligne courante de l’alimentation. Une diode de blocage connecte l’inducteur à un condensateur qui filtre l’ondulation de la tension de sortie. Augmenter la capacité diminue l’ondulation. Pour une capacité suffisante, la sortie devient une tension constante. Un train d’impulsions numériques ouvre ou ferme l’interrupteur. L’impulsion a un ratio de devoir qui est le rapport du temps sur la période. Le ratio de devoir peut varient de zéro ou augmenter jusqu'à un avec en plus à l’heure. Lorsque le pouls est activé, l’interrupteur se ferme et l’inducteur est branché sur la tension d’alimentation. Dans cet État, l’inducteur terminal connecté à la sortie de l’alimentation a un potentiel le plus élevé et le terminal relié au commun a le potentiel inférieur. Instant courant circule à travers l’inducteur croissant linéairement avec le temps pour les fréquences de commutation suffisamment élevés. Pendant ce temps, la tension de l’inducteur est définie pour être positive car la pente du courant par rapport au temps est positive. L’inducteur emmagasine l’énergie proportionnelle au carré du courant dans son champ magnétique. Plus l’inducteur est connecté à l’alimentation, les augmentations plus actuelles et plus il stocke l’énergie. Lorsque l’interrupteur s’ouvre, courant dans l’inductance doit continuer circulant dans le même sens. Ce courant diminue également car l’inductance donne aujourd'hui à la charge d’énergie. La tension de l’inducteur devienne négative, car la pente du courant par rapport au temps est négative. En conséquence, polarité de l’inducteur flips et maintenant ajoute pour tension d’entrée « V en » produisant un potentiel plus élevé à la sortie. Le circuit dans cet État, avance biaise la diode et l’inducteur rejets actuels, certains allant à la charge et quelques cours au condensateur qui stocke ensuite l’accusation. Lorsque l’interrupteur referme la diode devient inverse biaisée déconnecter l’inducteur de la sortie et empêche un court-circuit de la charge. Pendant ce temps l’inducteur se recharge et à sa place le condensateur fournit actuellement à la charge. Ce cycle de condensateur de charge et la décharge produit une tension de sortie moyenne avec une certaine quantité d’ondulation. À suffisamment haute fréquences de commutation charge le condensateur et les temps de décharge sont courtes et la sortie atteint une tension de l’état stationnaire avec relativement peu d’ondulation. Ce cycle de commutation se répète indéfiniment et est la base du fonctionnement du convertisseur boost. Idéalement la tension de sortie moyenne augmente à mesure que le ratio de devoir augmente et un ratio de service de l’un génère une tension infinie. Éléments cependant parasitaires et des résistances dans le convertisseur boost Valeurslimites utile de D à un maximum de 0,7 ou 0,8. Si D est suffisamment grand, effets parasites dominent le fonctionnement en circuit et diminution de la tension de sortie même si D ne cesse d’augmenter. Dans les expériences suivantes, nous allons étudier comment un convertisseur boost intensifie de tension en mode de conduction continue, aussi appelée CCM, une condition où l’inductance fonctionne à tout moment avec non courant de zéro.
La tension de sortie dans cette expérience est limitée à 50 volts CC ou moins. Utilisez seulement le heavy duty spécifié, fréquences, tensions d’entrée et des charges. Ces expériences utilisent le HiRel systèmes Power Board de pôle qui est conçu pour l’expérimentation de topologies de circuits différents convertisseur DC DC. Avec interrupteur de signal d’alimentation S90 éteint, branchez le +/-12 volts signal d’alimentation dans le connecteur den J90. Réglez le contrôle PWM cavaliers de sélection J62 et J63 à la position de la boucle ouverte. Ajuster l’alimentation positives 10 volts DC, mais ne pas brancher la sortie de l’alimentation à la carte. Générez ensuite le circuit comme indiqué avec le MOSFET inférieur, la diode supérieure et le tableau magnétique de BB. Enregistrez la valeur de l’inductance sur le tableau magnétique de BB. La résistance de charge est un potentiomètre de puissance. Utiliser un compteur multi pour mesurer sa résistance tout en ajustant à 20 ohms. Puis connectez le potentiomètre entre bornes V1 + et COM. Set commutateur sélecteur Banque S30 comme suit : PWM en bas MOSFET, utilisez PWM à bord et hors charge. Connecter la sonde différentielle de l’oscilloscope entre la borne 16 qui est la porte du MOSFET inférieure et la borne 12 qui est la source. Allumez le commutateur S90. Le train d’impulsions qui anime le MOSFET doit apparaître sur l’écran de la lunette. Sélectionnez l’axe du temps de la lunette pour afficher plusieurs périodes de cette forme d’onde. Régler le potentiomètre de réglage de fréquence RV60 pour produire une fréquence de découpage de 100 kilohertz. Régler le potentiomètre de ratio de devoir RV64 donc les impulsions ont une heure de sur d’une microseconde qui correspond à un ratio de devoir de 0,1.
Connecter l’alimentation CC aux bornes d’entrée V2 + et COM. Pour mesurer l’inducteur courant brancher la sonde portée différentielle entre les bornes CS5 et COM. Pour mesurer la tension aux bornes de résistance de charge RL, raccorder l’autre sonde différentielle entre les bornes V1 + et COM. La tension de sortie devrait être une onde triangulaire. Les rampes à la hausse se produisent lorsque le commutateur de convertisseur boost est ouvert et l’inducteur est transmission d’énergie à la charge. Les rampes à la baisse se produisent lorsque l’interrupteur est fermé, l’inducteur est déconnecté de la sortie et le condensateur est qui fournit l’énergie à la charge. L’inductance est une onde triangulaire dont rampes jusqu'à linéairement pendant le temps sur le train d’impulsion, puis rampes bas linéairement pendant le temps d’arrêt. L’offset est le courant moyen. À l’aide de la lunette construite en fonctions de mesure, mesurer la valeur moyenne de la tension de sortie et la valeur moyenne de l’inductance. Répétez ces étapes avec l’alimentation d’entrée DC la valeur huit, 12 et 14 volts. Pour un droit fixe ratio que la tension d’entrée augmente la tension de sortie d’un convertisseur élévateur idéal devrait augmenter proportionnellement.
Cette partie de l’expérience mesure le rapport de l’obligation du train d’impulsions plutôt que de l’inductance. Connecter les sondes de portée entre les bornes 16 et 12 qui sont respectivement la porte et la source du MOSFET inférieur. Raccorder l’entrée alimentation CC aux bornes V2 + et COM. Comme auparavant, la tension de sortie est une onde triangulaire résultant de l’inductance et condensateur fournissant alternativement actuelle à la charge. Tension de la source de la porte du MOSFET est un train d’impulsions numériques avec une fréquence de 100 kilohertz, une période de 10 microsecondes et une fois sur d’une microseconde. Mesurer la valeur moyenne de la tension de sortie et l’heure sur du portail à la tension de la source ainsi que le courant d’entrée et des lectures de tension du bloc d’alimentation DC. Répéter ce test après avoir réglé le potentiomètre de ratio de devoir RV64 ainsi le flux d’impulsions a un sur temps de deux, quatre et six microsecondes, qui correspondent respectivement aux ratios de devoir de 0,2, 0,4 et 0,6.
Comme facteur d’obligation D augmente, la tension de sortie du convertisseur boost augmente également. Idéalement si D a une valeur de 0,2 puis une entrée de 10 volts génère une sortie d’environ 12,5 volts. Si D est de 0,4, puis la sortie serait environ 16,6 volts. Si D est de 0,6 alors la sortie serait environ 25 volts. En général, la tension de sortie est moindre que prévu de la relation idéale parce que les éléments parasitaires créent les chutes de tension non idéal et perte d’énergie non comptabilisées. Le ratio de devoir on l’approche, la tension de sortie théorique devient infiniment grande. En réalité, la tension de sortie est limitée à environ trois ou quatre fois la tension d’entrée et l’influence des éléments parasitaires et non idéales provoque la tension de sortie à diminuer après que D devient suffisamment élevée.
Convertisseurs Boost génèrent une tension de sortie est supérieure à la tension d’entrée et les nombreuses applications incorporent pour augmenter la flexibilité dans le choix des sources d’énergie. La tension d’un panneau solaire varie avec la position du soleil, les conditions météorologiques et ombre. Convertisseurs de Poussée sont couramment utilisés pour intensifier la sortie variable d’une gamme de panneaux solaires pour fournir une tension uniforme pour alimenter un réseau électrique. Les systèmes de piles sont fréquemment utilisés pour les dispositifs de puissance sans l’utilisation d’un cordon d’alimentation. Afin d’atteindre la tension de sortie supérieure nécessaire, cellules de la batterie sont souvent empilés. Cela peut prendre beaucoup d’espace si plusieurs cellules sont nécessaires pour atteindre le résultat souhaité. Au lieu de cela, les convertisseurs boost sont utilisés pour intensifier la tension tout en conservant l’espace.
Vous avez juste regardé Introduction de Jove aux convertisseurs de Boost. Vous devez maintenant comprendre comment le travail de convertisseurs boost et comment réglage de tension d’entrée, taux de l’obligation et fréquence affecte la tension de sortie. Merci de regarder.
Results
La relation de tension d’entrée-sortie de convertisseur boost est proportionnelle à la facteur de marche dans le sens que plus D donneront des tensions de sortie plus élevées pour une tension d’entrée donnée. Si la tension d’entrée est Vdanset la tension de sortie est Và, Và /Ven= 1 / (1 -D), où 0≤D≤ 100 %. Par conséquent, pour une tension de 10 V, Và≈ 12,5 V pour D = 20 %, Và≈ 16,67 V pour D= 40 % et Và≈ 25 V pour D = 60 %.
Néanmoins, la tension de sortie sera plus faible que prévu de la relation idéale, qui est linéaire avec un rapport d’obligation. La raison principale est que le modèle de convertisseur idéal d'où la relation Vout/ven peut être dérivée ne tient pas compte non-idealities et tension descend dans le convertisseur. Théoriquement, comme la →100 d%, Vout→∞ ; en pratique, une limite théorique sur la capacité de stimuler est d’environ 3-4 x la tension d’entrée, et après un certain niveau de D, la tension de sortie du convertisseur commence à laisser tomber plutôt que d’être stimulé en raison des éléments parasitaires et non idéales à un véritable convertisseur.
Applications and Summary
Convertisseurs de Poussée sont très fréquents dans les applications photovoltaïques solaires où la tension d’entrée du panneau solaire varie en fonction des conditions météorologiques et de l’énergie solaire disponible, et un convertisseur boost peut toujours Poussée par la tension du panneau PV. Correction du facteur de puissance pour améliorer la qualité de l’alimentation vu sur le réseau électrique avec électronique de puissance des charges qui peuvent nécessiter une puissance réactive importante, par exemple moteurs, est une autre application majeure de convertisseurs boost.
