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Convertitore DC/DC Boost

Overview

Fonte: Ali Bazzi, Dipartimento di Ingegneria Elettrica, Università del Connecticut, Storrs, CT.

I convertitori Boost forniscono una soluzione versatile per aumentare le tensioni CC in molte applicazioni in cui una tensione CC deve essere aumentata senza la necessità di convertirla in CA, utilizzando un trasformatore e quindi rettificando l'uscita del trasformatore. I convertitori Boost sono convertitori step-up che utilizzano un induttore come dispositivo di accumulo di energia che supporta l'uscita con energia aggiuntiva oltre alla sorgente di ingresso CC. Ciò provoca l'aumento della tensione di uscita.

L'obiettivo di questo esperimento è quello di studiare diverse caratteristiche di un convertitore boost. La capacità di step-up del convertitore sarà osservata in modalità di conduzione continua (CCM) in cui la corrente dell'induttore è diversa da zero. Verrà utilizzato il funzionamento a circuito aperto con un rapporto di servizio impostato manualmente. Si osserverà un'approssimazione della relazione input-output.

Principles

Un convertitore boost si basa sull'energia immagazzinata nell'induttore, L, per fornire energia al lato di uscita in cui è supportato il carico, oltre a una fonte DC che è la principale fonte di energia. Il concetto principale alla base del funzionamento del convertitore boost è che un induttore invertirà la sua polarità di tensione per mantenere il flusso di corrente. Come mostrato in Fig. 1 (a) per un semplice circuito di convertitore di spinta, quando l'interruttore è acceso per un ciclo di lavoro D del periodo di commutazione T, la tensione dell'induttore VL si accumula. Quando l'interruttore è spento, la corrente dell'induttore deve continuare a fluire e quindi la polarità di tensione dell'induttore si capovolgerà per aggiungere alla tensione di ingresso Vin.

Tuttavia, quando l'interruttore è acceso, il carico è cortocircuitato e la tensione di uscita è zero, il che non è desiderato. Pertanto, un diodo di blocco viene aggiunto sul lato di uscita come mostrato in Fig. 1 (b) per evitare che il carico venga cortocircuitato. Questo diodo non risolve ancora il problema del carico che non vede tensione quando l'interruttore è acceso, quindi viene aggiunto un condensatore come mostrato in Fig. 1 (c) per fornire al carico la corrente necessaria durante il periodo in cui l'interruttore è acceso. Si noti che quando l'interruttore è acceso, il diodo è spento (polarizzato inverso) e viceversa. La tensione media di uscita è quindi correlata alla tensione di ingresso come: out>=Vin/(1-D).

Figure 1
Figura 1. Passaggi per costruire un convertitore boost

Man mano che questo esperimento procede, verrà dimostrato che la tensione media di uscita aumenta all'aumentare del ciclo di lavoro, D. Questo è vero poiché la relazione tra tensione di uscita e tensione di ingresso è inversamente proporzionale a -D, e quindi la tensione di uscita e D hanno una correlazione positiva.

Si noti che l'equazione presentata è per un convertitore boost ideale, e può sembrare che un D = 1 produrrà una tensione di uscita infinita, ma questo non è vero. In realtà, gli elementi parassiti e le resistenze nel convertitore boost fanno sì che D sia limitato a circa il 70-80%, dopo di che gli effetti parassiti iniziano a dominare il funzionamento del circuito e causano significative cadute di tensione. A tale punto, la tensione di uscita inizia a diminuire all'aumentare di D. Con frequenze di commutazione più elevate, l'ondulazione di tensione all'uscita diminuirà poiché i tempi di carica e scarica della tensione al condensatore diventano significativamente più brevi con una frequenza di commutazione ridotta.

Procedure

ATTENZIONE: Questo esperimento è progettato per limitare la tensione di uscita a meno di 50V DC. Utilizzare solo i rapporti di servizio, le frequenze, la tensione di ingresso o i carichi indicati qui.

Questo esperimento utilizzerà la scheda convertitore DC-DC fornita da HiRel Systems. http://www.hirelsystems.com/shop/Power-Pole-Board.html

Informazioni sul funzionamento della scheda sono disponibili in questo video di raccolta "Introduzione alla scheda HiRel".

La procedura mostrata qui si applica a qualsiasi semplice circuito di convertitore boost che può essere costruito su schede proto, schede bread o circuiti stampati.

1. Configurazione della scheda:

  1. Collegare l'alimentazione del segnale ±12 al connettore "DIN" ma mantenere "S90" OFF.
  2. Assicurarsi che il selettore di controllo PWM si trova nella posizione a ciclo aperto.
  3. Impostare l'alimentazione DC a 10 V.
    1. Mantenere l'uscita scollegata dalla scheda per ora.
  4. Prima di collegare la resistenza di carico, regolarla a 20 Ω.
  5. Costruire il circuito mostrato in Fig. 2 utilizzando il MOSFET inferiore, il diodo superiore e la lavagna magnetica BB.
    1. Notare il valore di induttanza mostrato sulla scheda.
  6. Collegare "RL"tra "V1+" e "COM".
    1. Si noti che le connessioni di ingresso e uscita sono capovolte rispetto a quelle dell'esperimento del convertitore buck.
    2. MAI Scollegare il carico durante l'esperimento poiché il convertitore boost può diventare instabile e causare danni alla scheda.
    3. Assicurarsi che l'array di switch per la selezione MOSFET (MOSFET inferiore), la selezione PWM e altre impostazioni siano corrette per ottenere un circuito funzionale come in Fig. 2.

Figure 2
Figura 2. Circuito convertitore Boost

2. Regolazione del rapporto di servizio e della frequenza di commutazione

  1. Collegare la sonda differenziale attraverso il gate-to-source del MOSFET inferiore.
  2. Attiva "S90". Un segnale di commutazione dovrebbe apparire sullo schermo dell'ambito.
    1. Regolare l'asse temporale del segnale per visualizzare due o tre periodi.
    2. Regolare il potenziometro di frequenza per ottenere una frequenza di 100 kHz (periodo di 10 μs).
  3. Regolare il potenziometro del rapporto di servizio per ottenere un rapporto di servizio del 10% (in tempo di 1 μs).

3. Test del convertitore Boost per l'input variabile

  1. Collegare l'alimentatore CC in ingresso, che è già impostato a 10 V, a "V2+" e "COM".
  2. Collegare la sonda differenziale per misurare la corrente dell'induttore a "CS5".
    1. Collegare l'altra sonda attraverso il carico. Assicurarsi che il connettore di terra sia collegato a "COM".
    2. Acquisire le forme d'onda e misurare la media della tensione di uscita, l'ondulazione della corrente dell'induttore e la media della corrente dell'induttore.
    3. Registrare le letture di corrente e tensione in ingresso sull'alimentatore CC.
  3. Regolare la tensione di ingresso a 8 V, 12 V e 14 V e ripetere i passaggi precedenti per ciascuna di queste tensioni.
  4. Scollegare l'alimentazione CC in ingresso e regolarne l'uscita a 10 V.

4. Test del convertitore boost per il rapporto di lavoro variabile

  1. Collegare la sonda differenziale attraverso il cancello alla sorgente del MOSFET inferiore.
    1. Collegare l'altra sonda attraverso il carico. Assicurarsi che il connettore di terra sia collegato a "COM".
    2. Collegare l'alimentazione CC di ingresso a "V2+" e "COM".
    3. Cattura le forme d'onda e misura la tensione di uscita media e il tempo di uscita della tensione gate-to-source (anche il rapporto di servizio).
    4. Registrare le letture di corrente e tensione in ingresso sull'alimentatore CC.
  2. Adeguare il rapporto di dazio al 20%, 40% e 60%. Ripetere i passaggi precedenti per ciascuno di questi tre rapporti di servizio.
  3. Ripristinare il rapporto di servizio al 10%.
  4. Scollegare l'alimentazione CC in ingresso.

5. Test del convertitore Boost per la frequenza di commutazione variabile

  1. Collegare la sonda differenziale attraverso il cancello alla sorgente del MOSFET inferiore.
  2. Collegare l'altra sonda attraverso il carico con il connettore di terra collegato a "COM".
  3. Collegare l'alimentazione CC di ingresso a "V2+" e "COM".
  4. Regolare la frequenza di commutazione a 70 kHz.
  5. Cattura le forme d'onda e misura la tensione di uscita media e il tempo di uscita della tensione gate-to-source (anche il rapporto di servizio).
  6. Registrare la corrente di ingresso e la lettura della tensione sull'alimentatore CC.
  7. Regolare la frequenza di commutazione a 40 kHz, 20 kHz e 10 kHz (o il minimo possibile se non è possibile raggiungere 10 kHz).
  8. Ripetere i passaggi precedenti per ciascuna di queste tre frequenze di commutazione.
  9. Spegnere l'alimentazione CC di ingresso e "S90", quindi smontare il circuito.

I convertitori Boost sono utilizzati nell'elettronica per generare una tensione di uscita CC maggiore dell'ingresso CC, aumentando così la tensione di alimentazione. I convertitori Boost sono spesso utilizzati negli alimentatori per LED bianchi, pacchi batteria per automobili elettriche e molte altre applicazioni. Un convertitore boost immagazzina energia nel campo magnetico di un induttore e la trasferisce a un carico con un circuito di commutazione. Il trasferimento di energia dal campo magnetico dell'induttore consente l'aumento della potenza CC in un unico stadio. Questo video illustrerà la costruzione di un convertitore boost e indagherà su come la modifica delle condizioni operative del convertitore influisce sulla sua tensione di uscita.

Questo semplice circuito di conversione boost è costituito da una sorgente di tensione CC in ingresso collegata a un induttore e a un interruttore. L'interruttore può essere un transistor bipolare, un MOSFET o, altro dispositivo elettronico simile che alternativamente collega e scollega l'induttore dalla linea comune dell'alimentatore. Un diodo di blocco collega l'induttore a un condensatore che filtra l'ondulazione nella tensione di uscita. Aumentando la capacità diminuisce l'ondulazione. Per una capacità sufficientemente grande l'uscita diventa una tensione CC costante. Un treno di impulsi digitali apre o chiude l'interruttore. L'impulso ha un rapporto di servizio che è il rapporto tra il tempo di in servizio e il periodo. Il rapporto di servizio può variare da zero o aumentare fino a uno con sempre più tempo. Quando l'impulso è acceso, l'interruttore si chiude e l'induttore è collegato attraverso la tensione di alimentazione. In questo stato, il terminale induttore collegato all'uscita dell'alimentatore ha il potenziale più alto e il terminale collegato al comune ha il potenziale inferiore. Ora la corrente scorre attraverso l'induttore aumentando linearmente con il tempo per frequenze di commutazione sufficientemente elevate. Durante questo periodo la tensione dell'induttore è definita positiva perché la pendenza della corrente rispetto al tempo è positiva. L'induttore immagazzina energia proporzionale al quadrato della corrente nel suo campo magnetico. Più a lungo l'induttore è collegato all'alimentazione, maggiore è l'aumento di corrente e maggiore è l'energia che immagazzina. Quando l'interruttore si apre, la corrente attraverso l'induttore deve continuare a fluire nella stessa direzione. Questa corrente diminuisce anche perché l'induttore ora cede energia al carico. La tensione dell'induttore diventa negativa perché la pendenza della corrente rispetto al tempo è negativa. Di conseguenza, la polarità dell'induttore si capovolge e ora aggiunge alla tensione di ingresso "V in" producendo un potenziale più elevato all'uscita. Il circuito in questo stato, polarizza in avanti il diodo e l'induttore scarica corrente, alcuni andando al carico e altri andando al condensatore che poi immagazzina la carica. Quando l'interruttore si chiude di nuovo, il diodo diventa polarizzato inversamente scollegando l'induttore dall'uscita e impedendo un cortocircuito del carico. Durante questo periodo l'induttore si ricarica e al suo posto il condensatore fornisce corrente al carico. Questo ciclo di carica e scarica del condensatore produce una tensione di uscita media con una certa quantità di ondulazione. A frequenze di commutazione sufficientemente elevate, i tempi di carica e scarica del condensatore sono brevi e l'uscita raggiunge una tensione allo stato stazionario con relativamente poca ondulazione. Questo ciclo di commutazione si ripete indefinitamente ed è la base del funzionamento del convertitore boost. Idealmente la tensione di uscita media aumenta all'aumentare del rapporto di servizio e un rapporto di servizio di uno genera una tensione infinita. Tuttavia gli elementi parassiti e le resistenze nel convertitore boost limitano i valori utili di D ad un massimo di circa 0,7 o 0,8. Se D è sufficientemente grande, gli effetti parassiti dominano il funzionamento del circuito e la tensione di uscita diminuisce anche se D continua ad aumentare. Nei seguenti esperimenti studieremo come un convertitore boost aumenta la tensione in modalità di conduzione continua, chiamata anche CCM, una condizione in cui l'induttore funziona in ogni momento con corrente diversa da zero.

La tensione di uscita in questo esperimento è limitata a 50 volt DC o meno. Utilizzare solo i cicli di lavoro, le frequenze, le tensioni di ingresso e i carichi specificati. Questi esperimenti utilizzano la HiRel Systems Power Pole Board, progettata per la sperimentazione con diverse topologie di circuiti di conversione da CC a CC. Con l'interruttore di alimentazione del segnale S90 spento, collegare l'alimentazione del segnale +/- 12 volt al connettore den J90. Impostare i ponticelli di selezione del controllo PWM J62 e J63 sulla posizione ad anello aperto. Regolare l'alimentazione CC a 10 volt positivi, ma non collegare l'uscita dell'alimentatore alla scheda. Quindi costruire il circuito come mostrato con il MOSFET inferiore, il diodo superiore e la scheda magnetica BB. Registrare il valore dell'induttore sulla lavagna magnetica BB. Il resistore di carico è un potenziometro di potenza. Usa un multimetro per misurare la sua resistenza mentre lo regoli a 20 ohm. Quindi collegare il potenziometro tra i terminali V1 + e COM. Impostare il selettore di interruttori S30 come segue: PWM al MOSFET inferiore, utilizzare PWM integrato e scaricare il carico. Collegare la sonda differenziale dell'oscilloscopio tra il terminale 16 che è il cancello del MOSFET inferiore e il terminale 12 che è la sorgente. Accendere l'interruttore S90. Il treno di impulsi che aziona il MOSFET dovrebbe apparire sullo schermo dell'oscilloscopio. Selezionate l'asse temporale dell'ambito per visualizzare diversi periodi di questa forma d'onda. Impostare il potenziometro di regolazione della frequenza RV60 per produrre una frequenza di commutazione di 100 kilohertz. Impostare il potenziometro del rapporto di servizio RV64 in modo che gli impulsi abbiano un tempo di un microsecondo che corrisponde a un rapporto di servizio di 0,1.

Collegare l'alimentatore CC ai terminali di ingresso V2+ e COM. Per misurare la corrente dell'induttore collegare la sonda dell'oscilloscopio differenziale tra i terminali CS5 e COM. Per misurare la tensione attraverso il resistore di carico RL, collegare l'altra sonda differenziale tra i terminali V1+ e COM. La tensione di uscita dovrebbe essere un'onda triangolare. Le rampe verso l'alto si verificano quando l'interruttore del convertitore di spinta è aperto e l'induttore sta trasferendo energia al carico. Le rampe verso il basso si verificano quando l'interruttore è chiuso, l'induttore è scollegato dall'uscita e il condensatore fornisce energia al carico. La corrente dell'induttore è un'onda triangolare che aumenta linearmente durante il tempo di on del treno di impulsi, quindi scende linearmente durante il tempo di spegnimento. L'offset è la corrente media. Utilizzando le funzioni di misurazione integrate nell'oscilloscopio, misurare il valore medio della tensione di uscita e il valore medio della corrente dell'induttore. Ripetere questi passaggi con l'alimentatore CC in ingresso impostato su otto, 12 e 14 volt. Per un rapporto di servizio fisso all'aumentare della tensione di ingresso, la tensione di uscita di un convertitore boost ideale dovrebbe aumentare proporzionalmente.

Questa parte dell'esperimento misura il rapporto di servizio del treno di impulsi invece della corrente dell'induttore. Collegare le sonde dell'oscilloscopio tra i terminali 16 e 12 che sono rispettivamente il cancello e la sorgente del MOSFET inferiore. Collegare l'alimentatore DC in ingresso ai terminali V2+ e COM. Come prima, la tensione di uscita è un'onda triangolare risultante dall'induttore e dal condensatore che forniscono alternativamente corrente al carico. La tensione della sorgente gate del MOSFET è un treno di impulsi digitali con una frequenza di 100 kilohertz, un periodo di 10 microsecondi e un tempo di on di un microsecondo. Misurare il valore medio della tensione di uscita e il tempo di accensione della tensione gate to source insieme alla corrente di ingresso e alle letture di tensione dall'alimentatore CC. Ripetere questo test dopo aver regolato il potenziometro del rapporto di servizio RV64 in modo che il flusso di impulsi abbia un tempo di due, quattro e sei microsecondi, che corrispondono a rapporti di servizio rispettivamente di 0,2, 0,4 e 0,6.

All'aumentare del rapporto di servizio D, aumenta anche la tensione di uscita del convertitore boost. Idealmente se D ha un valore di 0,2 allora un ingresso di 10 volt genera un'uscita di circa 12,5 volt. Se D è 0,4 allora l'uscita sarebbe di circa 16,6 volt. Se D è 0,6 allora l'uscita sarebbe di circa 25 volt. In generale, la tensione di uscita è inferiore al previsto dalla relazione ideale perché gli elementi parassiti creano cadute di tensione non ideali e perdite di energia non contabilizzate. Man mano che il rapporto di servizio si avvicina a uno, la tensione di uscita teorica diventa infinitamente grande. In realtà, la tensione di uscita è limitata a circa tre o quattro volte la tensione di ingresso e l'influenza di componenti parassiti e non ideali fa sì che la tensione di uscita diminuisca dopo che D diventa sufficientemente alto.

I convertitori Boost generano una tensione di uscita maggiore della tensione di ingresso e molte applicazioni li incorporano per aumentare la flessibilità nella scelta delle fonti di alimentazione. La tensione di un pannello solare cambia con la posizione del sole, le condizioni meteorologiche e l'ombra. I convertitori Boost sono comunemente usati per aumentare l'uscita variabile di un array di pannelli solari per fornire una tensione costante per alimentare una rete elettrica. I sistemi alimentati a batteria vengono spesso utilizzati per alimentare i dispositivi senza l'uso di un cavo di alimentazione. Al fine di ottenere la tensione di uscita più elevata necessaria, le celle della batteria sono spesso impilate. Questo può occupare molto spazio se sono necessarie molte celle per raggiungere l'output desiderato. Invece, i convertitori boost vengono utilizzati per aumentare la tensione risparmiando spazio.

Hai appena visto l'introduzione di Jove ai convertitori Boost. Ora dovresti capire come funzionano i convertitori boost e come la regolazione della tensione di ingresso, del rapporto di servizio e della frequenza influisce sulla tensione di uscita. Grazie per l'attenzione.

Results

Il rapporto tra tensione di uscita e di ingresso del convertitore boost è proporzionale al ciclo di lavoro, nel senso che un D più alto produrrà tensioni di uscita più elevate per una data tensione di ingresso. Se la tensione di ingresso è Vine la tensione di uscita è Vout, Vout/Vin= 1/(1-D), dove 0≤D≤ 100%. Pertanto, per una tensione di ingresso di 10 V, Vin uscita≈ 12,5 V per D = 20%, V inuscita 16,67 V per D= 40% e V inuscita≈ 25 V per D = 60%.

Tuttavia, la tensione di uscita sarà inferiore al previsto dalla relazione ideale, che è lineare con il rapporto di servizio. Il motivo principale è che il modello di convertitore ideale da cui può essere derivato il Vout/Vin relazione non tiene conto delle non idealità e delle cadute di tensione nel convertitore. Teoricamente, come D→100%, Vfuori→∞; in pratica, un limite teorico alla capacità di amplificazione è di circa 3-4 volte la tensione di ingresso, e dopo un certo livello di D, la tensione di uscita del convertitore inizia a scendere piuttosto che essere potenziata a causa di elementi parassiti e non ideali in un convertitore reale.

Applications and Summary

I convertitori boost sono molto comuni nelle applicazioni solari fotovoltaiche in cui la tensione di ingresso dal pannello solare varia con le condizioni meteorologiche e l'energia solare disponibile, e un convertitore boost può sempre aumentare dalla tensione del pannello fotovoltaico. La correzione del fattore di potenza per migliorare la qualità dell'alimentazione vista dalla rete elettrica con carichi elettronici di potenza che possono richiedere una potenza reattiva significativa, ad esempio i motori, è un'altra importante applicazione dei convertitori boost.

Transcript

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