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Convertitore Buck DC/DC

Overview

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

Mentre è semplice aumentare o ridurre le tensioni e le correnti CA utilizzando i trasformatori, l'aumento o la diminuzione delle tensioni e delle correnti CC in modo efficiente e regolato richiede la commutazione dei convertitori di potenza. Il convertitore buck DC/DC taglia la tensione DC in ingresso utilizzando un interruttore di ingresso in serie e la tensione tritata viene filtrata attraverso il filtro passa-basso L-C per estrarre la tensione media di uscita. Il diodo fornisce un percorso per la corrente dell'induttore quando l'interruttore è spento per parte del periodo di commutazione. La tensione di uscita è inferiore o uguale alla tensione di ingresso.

L'obiettivo di questo esperimento è quello di studiare diverse caratteristiche di un convertitore buck. La capacità di step-down 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

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I regolatori lineari (serie e shunt) possono fornire capacità di step-down, ma sono altamente inefficienti quando il rapporto tensione uscita-ingresso è molto basso. I divisori di tensione possono anche ridurre la tensione CC, tuttavia, non vi è alcuna regolazione coinvolta con carichi variabili. I convertitori Buck presentano quindi capacità di step-down della tensione CC efficienti e robuste.

Per costruire un buck-converter, possiamo iniziare con il circuito mostrato di seguito in Fig. 1 (a). Quando l'interruttore è acceso per una porzione (D) del periodo di commutazione (T), la tensione di uscita (Vo) e la tensione di ingresso (Vin) sono uguali. Quando l'interruttore è spento per una porzione (1-D) del periodo, la tensione di uscita è zero. Questo produce una tensione di uscita a onda quadra la cui media (mostrata da parentesi < >) è inferiore a quella della tensione di ingresso: o>=VoD+ Vo(1-D)= VinD + 0(1-D)= VinD.

Al fine di ridurre al minimo l'ondulazione della corrente di uscita, e quindi l'ondulazione della tensione di uscita con un carico resistivo, viene aggiunto un induttore come mostrato in Fig. 1 (b). Il problema con un induttore è che mantiene il flusso di corrente fino a quando tutta la sua energia immagazzinata non viene rilasciata, quindi se l'interruttore si spegne, si verificherà un grande dI / dt attraverso l'interruttore poiché la corrente deve fluire. Pertanto, viene aggiunto un diodo a ruota libera per fornire un percorso di corrente dell'induttore, come mostrato in Fig. 1 (c). Tuttavia, l'induttanza dell'induttore dovrà essere molto grande per avere un'ondulazione della tensione di uscita molto bassa e sarà necessario aggiungere un condensatore per ridurre le dimensioni dell'induttore e fornire un'uscita di tensione CC pulita al carico, come mostrato in Fig. 1 (d).

Figure 1
Figura 1. Passaggi per costruire un convertitore buck

Man mano che questo esperimento procede, verrà dimostrato che la tensione di uscita media aumenterà all'aumentare del ciclo di lavoro, 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.

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Procedure

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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 conversione buck 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 CC a 24 V. Tenere l'uscita scollegata dalla scheda.
  4. Prima di collegare la resistenza di carico, regolarla a 12 Ω.
  5. Costruire il circuito mostrato in Fig. 2 utilizzando il MOSFET superiore, il diodo inferiore e la scheda magnetica BB. Registrare il valore di induttanza mostrato nella scheda. Si noti che la scheda magnetica BB ha un induttore con due terminali che si collegano alla scheda del convertitore DC-DC (power-pole).
    1. Collegare "RL"attraverso "V2+" e "COM".
    2. Assicurarsi che l'array di switch per la selezione MOSFET, la selezione PWM e altre impostazioni siano come mostrato in Fig. 2.

Figure 2
Figura 2. Circuito convertitore Buck

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

  1. Collegare la sonda differenziale attraverso il cancello alla sorgente del MOSFET superiore.
  2. Attiva "S90". Un segnale di commutazione dovrebbe apparire sullo schermo dell'oscilloscopio.
    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 10μs).
    3. Regolare il potenziometro del rapporto di lavoro per ottenere un rapporto di servizio del 50%.

3. Test del convertitore Buck per l'input variabile

  1. Collegare l'alimentatore CC in ingresso, che è già impostato a 24 V, su "V1+" e "COM".
  2. Collegare la sonda differenziale attraverso il cancello alla sorgente del MOSFET superiore.
    1. Collegare l'altra sonda attraverso il carico. Assicurarsi che il connettore di terra sia collegato a "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).
    1. Registrare le letture di corrente e tensione in ingresso sull'alimentatore CC.
  4. Regolare la tensione di ingresso a 21 V, 18 V e 15 V e ripetere i passaggi precedenti per ciascuna di queste tensioni.
  5. Scollegare l'alimentazione CC in ingresso e regolarne l'uscita a 24 V.

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

  1. Collegare la sonda differenziale attraverso il cancello alla sorgente del MOSFET superiore.
    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 impostata su 24 V tra "V1+" 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).
    1. Registrare le letture di corrente e tensione in ingresso sull'alimentatore CC.
    2. Regola il rapporto di servizio per tre passaggi a tua scelta tra il 30% e il 70%. Ripetere i passaggi precedenti per ciascuno di questi tre rapporti di servizio.
  4. Reimpostare il rapporto di servizio al 50%.
  5. Scollegare l'alimentazione CC in ingresso.

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

  1. Collegare la sonda differenziale attraverso il cancello alla sorgente del MOSFET superiore.
  2. Collegare l'altra sonda attraverso il carico. Assicurarsi che il connettore di terra sia collegato a "COM".
  3. Collegare l'alimentazione CC di ingresso a "V1+" e "COM".
  4. 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).
    1. Registrare la corrente di ingresso e la lettura della tensione sull'alimentatore CC.
    2. Regola la frequenza di commutazione per tre passaggi a tua scelta tra 5 kHz e 40 kHz. Ripetere i passaggi precedenti per ciascuno di questi tre rapporti di servizio.
  5. Spegnere l'alimentazione CC di ingresso e "S90", quindi smontare il circuito.

I convertitori Buck generano una tensione di uscita CC inferiore all'ingresso CC. In altre parole, allacciare o diminuire la tensione di alimentazione. I regolatori lineari comunemente usati abbassano la tensione dissipando la potenza come calore in un resistore, che diventa molto inefficiente con grandi differenze tra le tensioni di ingresso e di uscita. Mentre i componenti resistivi sprecano energia attraverso il riscaldamento joule, i convertitori buck utilizzano componenti reattivi che idealmente non dissipano energia e di conseguenza possono ridurre in modo efficiente la tensione con un corrispondente aumento della corrente disponibile. Nel convertitore buck, un interruttore intrappola l'alimentazione CC per creare l'ingresso CA a un filtro passa-basso. Il filtro passa-basso è costituito da un induttore e un condensatore ed estrae la tensione media con solo piccole perdite dovute alle resistenze parassitarie. Il risultato è una tensione di uscita inferiore o uguale alla tensione di ingresso. Questo video illustrerà la costruzione di un convertitore buck e indagherà su come la modifica delle condizioni operative dei convertitori influisce sulla sua tensione di uscita.

Questo circuito buck converter utilizza un interruttore elettronico per collegare e scollegare un induttore dall'alimentazione CC. Questo interruttore potrebbe essere un transistor bipolare, un MOSFET o un altro dispositivo elettronico simile. L'induttore e un condensatore costituiscono un filtro passa-basso con un diodo per fornire un percorso per la corrente dell'induttore quando l'interruttore è aperto. L'uscita del filtro passa-basso è collegata al carico. Un treno di impulsi digitali apre o chiude l'interruttore con un rapporto di servizio, D, che è il rapporto tra il tempo di accensione e il periodo. Quando l'interruttore è chiuso, l'ingresso al filtro passa-basso è collegato alla tensione di alimentazione, V in. Il diodo diventa polarizzato inverso e non conduce e la corrente scorre attraverso l'induttore. Quando l'interruttore è aperto, questa corrente dell'induttore deve continuare nella stessa direzione e il diodo diventa polarizzato in avanti per formare un ciclo di corrente completo. All'ingresso del filtro passa-basso, questa commutazione dell'interruttore produce un'onda rettangolare che oscilla tra V in circa zero volt. Fatta eccezione per qualche ondulazione, l'uscita del filtro è la media dell'onda rettangolare, che aumenta all'aumentare del rapporto di lavoro. A frequenze di commutazione sufficientemente elevate, i tempi di carica e scarica dei condensatori sono brevi. Quindi l'ondulazione di tensione diventa piccola e il risultato è un'uscita CC pulita abbassata dall'ingresso CC. Poiché l'induttore e il condensatore sono componenti reattivi, idealmente non hanno perdite di potenza resistiva. Il filtro LC ideale è quindi in grado di passare la potenza al carico con un'efficienza del 100%. In realtà, la resistenza del filo dell'induttore e altre resistenze parassitarie nel circuito, riducono l'efficienza nell'intervallo dall'80 al 95%. Ora che le basi del convertitore buck sono state discusse, diamo un'occhiata a come un convertitore buck abbassa la tensione e continua come modalità di conduzione, chiamata anche CCM, una condizione in cui l'induttore funziona in ogni momento con corrente diversa da zero.

Questi esperimenti utilizzano la scheda del polo di potenza HiRel Systems, progettata per la sperimentazione con varie topologie di circuiti di conversione da CC a CC. Inizia assicurandoti che l'interruttore di alimentazione del segnale, S90 sia spento. Quindi collegare l'alimentazione del segnale al connettore DIN J90. Impostare i ponticelli di selezione del controllo PWM, J62 e J63 sulla posizione ad anello aperto. Regolare l'alimentazione CC a 24 volt positivi, ma non collegare l'uscita dell'alimentatore alla scheda. Costruisci il circuito con il MOSFET superiore, il diodo inferiore e la scheda magnetica BB. Registrare il valore dell'induttore sulla lavagna magnetica BB. Il resistore di carico RL è un potenziometro di potenza. Usa un multimetro per leggere la sua resistenza mentre lo regoli a 12 ohm. Quindi collegare la resistenza di carico tra i terminali V2+ e COM. Impostare il banco di selezione degli interruttori S30 come segue. PWM al MOSFET superiore, utilizzare PWM integrato e carico spento. Quindi, collegare la sonda differenziale dell'oscilloscopio tra il terminale 15, che è il cancello del MOSFET superiore e il terminale 11, che è la sorgente. Accendere l'interruttore di alimentazione del segnale, S90 e osservare il treno di impulsi che aziona il MOSFET. Impostare il potenziometro di regolazione della frequenza, RV60 per produrre una frequenza di commutazione di 100 kilohertz. Impostare il potenziometro del rapporto di servizio, RV63 in modo che gli impulsi abbiano un tempo di cinque microsecondi.

Mantenere la sonda dell'oscilloscopio differenziale collegata tra i terminali 15 e 11, che sono rispettivamente il cancello e la sorgente del MOSFET superiore. Per misurare la tensione attraverso il resistore di carico, RL, collegare l'altra sonda differenziale tra i terminali V2+ e COM. Collegare l'alimentatore CC ai terminali di ingresso, V1+ e COM. Osservare la forma d'onda triangolare per la tensione di uscita e il treno di impulsi rettangolare del segnale di commutazione. Le rampe verso l'alto della tensione di uscita si verificano quando l'interruttore del convertitore buck è chiuso e l'induttore trasferisce energia al condensatore e al carico. Le rampe verso il basso si verificano quando l'interruttore è aperto, l'induttore viene scollegato dalla sorgente di tensione di ingresso e il condensatore sta cedendo parte dell'energia immagazzinata al carico. Quindi, misurare il valore medio della tensione di uscita e il tempo di puntualità della tensione della sorgente gate. Prendere nota delle letture di corrente e tensione di ingresso dall'alimentatore CC. Ripetere questo test dopo aver regolato il potenziometro del rapporto di servizio, RV64 in modo che il treno di impulsi abbia rapporti di servizio di 0,4, 0,6 e 0,7. All'aumentare del rapporto di servizio D, aumenta anche la tensione di uscita media del convertitore buck. Idealmente, se D ha un valore di 0,3, allora un ingresso di 24 volt genera un'uscita di circa 7,2 volt. Allo stesso modo, se D è 0,5, l'uscita sarebbe di circa 12 volt o se D è 0,7, allora l'uscita sarebbe di circa 16,8 volt e così via.

Impostare il rapporto di servizio su 0,5 e quindi collegare l'alimentazione CC in ingresso ai terminali V1+ e COM. Impostare RV60 per produrre una frequenza di commutazione di 100 kilohertz. Come prima, la forma d'onda della tensione di uscita è un'onda triangolare risultante dal filtro passa-basso che agisce sull'ingresso dell'onda rettangolare. La tensione della sorgente gate è un treno di impulsi digitali con una frequenza di 100 kilohertz. Un periodo di 10 microsecondi e un tempo di cinque microsecondi. Misurare il valore medio della tensione di uscita e il tempo di funzionamento della tensione gate-to source. Prendere nota delle letture di corrente e tensione di ingresso dall'alimentatore CC. Ripetere questo test dopo aver regolato RV60 su una frequenza di commutazione di 10, 20 e 40 kilohertz con il rapporto di servizio fissato a 0,5. All'aumentare della frequenza, l'ondulazione di uscita diminuisce perché diminuiscono anche i tempi di carica e scarica del condensatore. In generale, la tensione di uscita in questo esperimento è inferiore al previsto dalla relazione ideale. Questa deviazione è il risultato di elementi parassiti come la resistenza del filo nell'induttore e altre resistenze nel circuito, che creano cadute di tensione non ideali e perdite di energia non contabilizzate.

Il convertitore Buck fornisce una regolazione della tensione ben controllata con un conseguente aumento di corrente, rendendoli cruciali per le applicazioni che riguardano la minima perdita di potenza nel processo di conversione. Il consumo energetico nei laptop è diminuito notevolmente a causa dello sviluppo di microprocessori che funzionano con soli 1,8 o 0,8 volt. I laptop e i dispositivi telecomandati utilizzano convertitori buck per ridurre la tensione delle batterie al litio a questi valori bassi, prolungando la durata utile della batteria e aumentando la corrente della batteria per soddisfare le esigenze dei circuiti integrati con milioni di transistor. I dispositivi elettronici come i telefoni cellulari utilizzano batterie agli ioni di litio con una tensione nominale della cella, da circa 3,6 a 3,7 volt. Tuttavia, i caricabatterie standardizzati con i connettori USB forniscono cinque volt. Un convertitore buck nel dispositivo elettronico abbassa l'uscita USB alla tensione inferiore richiesta per caricare la batteria agli ioni di litio.

Hai appena visto l'introduzione di Jove ai convertitori buck. Ora dovresti capire il loro funzionamento e come l'uscita CC dipende dal rapporto di servizio e dalla frequenza di commutazione. Grazie per l'attenzione.

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Results

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Si prevede che la relazione tensione di uscita-ingresso di un convertitore buck ideale sia correlata al ciclo di lavoro o al rapporto di lavoro D. Se la tensione di ingresso è Vin e la tensione di uscita è Vout, Vout/Vin = D, dove 0≤D≤ 100%. Pertanto, per una tensione di ingresso di 24 V, Vin uscita≈ 12 V per D = 50%, Vout≈ 7,2 V per D = 30% e V in uscita≈ 16,8 V per D = 70%. Tuttavia, la tensione di uscita sarà inferiore al previsto dalla relazione ideale, che è lineare con il rapporto di servizio, e la ragione principale è che il modello di convertitore buck ideale non tiene conto delle non idealità e delle cadute di tensione nel convertitore.

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Applications and Summary

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I convertitori Buck sono molto comuni nei caricabatterie per dispositivi elettronici dove forniscono un'eccellente regolazione della tensione richiesta per la ricarica della batteria. Sono comunemente usati negli alimentatori che alimentano computer, circuiti integrati e schede elettroniche, nonché in applicazioni di energia rinnovabile e sistemi alimentati a batteria.

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