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Electrical Engineering

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Overview

출처: 알리 바지, 코네티컷 대학교 전기 공학학과, 스토스, CT.

변압기를 사용하여 AC 전압과 전류를 위또는 하강하는 것은 간단하지만 효율적이고 규제된 방식으로 DC 전압과 전류를 위또는 하강하려면 전원 컨버터를 전환해야 합니다. DC/DC 벅 컨버터는 계열 입력 스위치를 사용하여 입력 DC 전압을 잘라내고, 다진 전압은 L-C 로우 패스 필터를 통해 필터링되어 평균 출력 전압을 추출합니다. 다이오드는 전환 기간의 일부에 대해 스위치가 꺼져 있을 때 인덕터 전류에 대한 경로를 제공합니다. 출력 전압은 입력 전압보다 적거나 동일합니다.

이 실험의 목적은 벅 컨버터의 다른 특성을 연구하는 것입니다. 컨버터의 스텝다운 기능은 인덕터 전류가 0이 아닌 연속 전도 모드(CCM)에서 관찰됩니다. 수동으로 설정된 듀티 비율을 가진 개방형 루프 작업이 사용됩니다. 입력 출력 관계의 근사치가 관찰될 것이다.

Principles

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선형 레귤레이터(계열 및 션트)는 스텝다운 기능을 제공할 수 있지만 출력 대 입력 전압 비율이 매우 낮을 때 매우 비효율적입니다. 전압 분단기는 DC 전압을 물러날 수도 있지만 가변 하중과 관련된 규정은 없습니다. 따라서 벅 컨버터는 효율적이고 견고한 DC 전압 스텝다운 기능을 제공합니다.

벅 컨버터를 구성하기 위해, 우리는 도 1 (a)에 표시된 회로로 시작할 수 있습니다. 스위치가 스위칭기간(T)의일부(D)에대해 켜지면 출력 전압(Vo)및 입력전압(Vin)이동일합니다. 상기 기간의일부(1-D)에대해 스위치가 꺼지면 출력 전압은 0입니다. 이렇게 하면 평균(브래킷 < > 표시)이 입력 전압보다 적은 사각형 파 출력 전압을 생성합니다: o>=VoD+ V o (1-D)=D의V + 0(1-D)=D의V.

출력 전류 리플을 최소화하기 위해, 따라서 저항 부하와 출력 전압 잔물결을 최소화하기 위해, 인덕터는 도 1(b)에 도시된 바와 같이 추가된다. 인덕터의 문제는 저장된 모든 에너지가 해제될 때까지 전류 흐름을 유지하므로 스위치가 꺼지면 전류가 흐르기 때문에 스위치 간에 큰 dI/dt가 발생합니다. 따라서, 프리휠링 다이오드가 추가되어 도 1(c)에 도시된 바와 같이 인덕터 전류 경로를 제공한다. 그러나, 인덕터의 유도는 매우 낮은 출력 전압 잔물결을 갖기 위해 매우 커서가 추가되어야 하며, 도 1(d)에 도시된 바와 같이 하중에서 깨끗한 DC 전압 출력을 제공하기 위해 커패시터를 첨가해야 한다.

Figure 1
그림 1. 벅 컨버터 를 구축하는 단계

이 실험이 진행됨에 따라, 듀티 사이클, D가증가함에 따라 평균 출력 전압이 증가할 것으로 나타났습니다. 스위칭 주파수가 높을수록 커패시터의 전압 충전 및 방전 시간이 감소하여 스위칭 주파수가 현저히 짧아지기 때문에 출력의 전압 잔물결이 감소합니다.

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Procedure

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이 실험은 HiRel Systems에서 제공하는 DC-DC 컨버터 보드를 활용합니다. http://www.hirelsystems.com/shop/Power-Pole-Board.html

보드 운영에 대한 정보는 이 컬렉션 비디오 "HiRel 보드 소개"에서 찾을 수 있습니다.

여기에 표시된 절차는 프로토 보드, 빵 기판 또는 인쇄 회로 기판에 구축 할 수있는 간단한 벅 컨버터 회로에 적용됩니다.

1. 보드 설정

  1. "DIN" 커넥터에서 ±12 신호 공급을 연결하지만 "S90" OFF를 유지합니다.
  2. PWM 제어 선택기가 열린 루프 위치에 있는지 확인합니다.
  3. DC 전원 공급 장치를 24 V로 설정하여 출력을 보드에서 분리상태로 유지합니다.
  4. 하중 저항기를 연결하기 전에 12 Ω 조정했습니다.
  5. 상부 MOSFET, 하부 다이오드 및 BB 자기 보드를 사용하여 도 2에 도시된 회로를 구축한다. 칠판에 표시된 인덕턴스 값을 기록합니다. BB 마그네틱 보드에는 DC-DC 컨버터(전원극) 보드에 연결하는 두 개의 단자가 있는 인덕터가 있습니다.
    1. "RL""건너편"과 "COM"을 연결합니다.
    2. MOSFET 선택, PWM 선택 및 기타 설정의 스위치 배열이 도 2에 표시된 것과 같이 있는지 확인합니다.

Figure 2
그림 2. 벅 컨버터 회로

2. 의무 비율 조정 및 스위칭 주파수

  1. 게이트를 가로질러 분산 프로브를 상부 MOSFET의 소스에 연결합니다.
  2. 켜기 "S90"을 켭니다. 스위칭 신호가 오실로스코프 화면에 나타나야 합니다.
    1. 신호 시간 축을 조정하여 2~3개의 기간을 확인합니다.
    2. 주파수 전위도계를 조정하여 100kHz(10μs)의 주파수를 달성합니다.
    3. 50%의 관세 비율을 달성하기 위해 관세 비율을 조정합니다.

3. 가변 입력에 대한 벅 컨버터 테스트

  1. 이미 24V로 설정된 입력 DC 전원 공급 장치를 "V1+" 및 "COM"에 연결합니다.
  2. 게이트를 가로질러 분산 프로브를 상부 MOSFET의 소스에 연결합니다.
    1. 다른 프로브를 부하에 연결합니다. 접지 커넥터가 "COM"에 연결되어 있는지 확인합니다.
  3. 파형을 캡처하고 게이트 대 소스 전압(또한 듀티 비율)의 출력 전압 평균 및 정시 측정합니다.
    1. DC 전원 공급 장치에 입력 전류 및 전압 판독값을 기록합니다.
  4. 입력 전압을 21V, 18V 및 15V로 조정하고 이러한 각 전압에 대해 위의 단계를 반복합니다.
  5. 입력 DC 공급의 연결을 끊고 출력을 24 V로 조정합니다.

4. 가변 관세 비율에 대한 벅 컨버터 테스트

  1. 게이트를 가로질러 분산 프로브를 상부 MOSFET의 소스에 연결합니다.
    1. 다른 프로브를 부하에 연결합니다. 접지 커넥터가 "COM"에 연결되어 있는지 확인합니다.
  2. "V1+"과 "COM" 사이에 24V로 설정된 입력 DC 공급 장치를 연결합니다.
  3. 파형을 캡처하고 게이트 대 소스 전압(또한 듀티 비율)의 출력 전압 평균 및 정시 측정합니다.
    1. DC 전원 공급 장치에 입력 전류 및 전압 판독값을 기록합니다.
    2. 30%에서 70%의 세 단계로 의무 비율을 조정합니다. 이 세 가지 의무 비율 각각에 대해 위의 단계를 반복합니다.
  4. 관세비율을 50%로 재설정합니다.
  5. 입력 DC 공급 의 연결을 끊습니다.

5. 가변 스위칭 주파수에 대한 벅 컨버터 테스트

  1. 게이트를 가로질러 분산 프로브를 상부 MOSFET의 소스에 연결합니다.
  2. 다른 프로브를 부하에 연결합니다. 접지 커넥터가 "COM"에 연결되어 있는지 확인합니다.
  3. 입력 DC 공급 장치를 "V1+" 및 "COM"에 연결합니다.
  4. 파형을 캡처하고 게이트 대 소스 전압(또한 듀티 비율)의 출력 전압 평균 및 정시 측정합니다.
    1. DC 전원 공급 장치에 입력 전류 및 전압 판독값을 기록합니다.
    2. 5kHz와 40kHz 사이에서 선택한 세 단계로 스위칭 주파수를 조정합니다. 이 세 가지 의무 비율 각각에 대해 위의 단계를 반복합니다.
  5. 입력 DC 공급 및 "S90"을 끄고 회로를 분해합니다.

벅 컨버터는 DC 입력보다 적은 DC 출력 전압을 생성합니다. 즉, 공급 전압을 낮추거나 줄입니다. 일반적으로 사용되는 선형 레귤레이터는 저항기의 열로 전력을 분산하여 전압을 단계별로 제거하여 입력 및 출력 전압 간의 큰 차이로 매우 비효율적입니다. 저항 성분은 joule 가열을 통해 전력을 낭비하지만, 벅 컨버터는 이상적으로 전력을 방출하지 않는 반응성 부품을 사용하므로 사용 가능한 전류가 증가함에 따라 전압을 효율적으로 줄일 수 있습니다. 벅 컨버터에서 스위치는 DC 공급을 트랩하여 낮은 패스 필터에 AC 입력을 만듭니다. 로우 패스 필터는 인덕터와 커패시터로 구성되며 기생 저항으로 인해 작은 손실만으로 평균 전압을 추출합니다. 그 결과 출력 전압이 입력 전압보다 적거나 동일합니다. 이 비디오는 벅 컨버터의 구성을 설명하고 컨버터 작동 조건을 변경하는 것이 출력 전압에 미치는 영향을 조사합니다.

이 벅 컨버터 회로는 전자 스위치를 사용하여 DC 전원 공급 장치에서 인덕터를 연결하고 분리합니다. 이 스위치는 양극성 트랜지스터, MOSFET 또는 기타 유사한 전자 장치일 수 있습니다. 인덕터와 커패시터는 스위치가 열려있을 때 인덕터 전류에 대한 경로를 제공하기 위해 다이오드가있는 로우 패스 필터를 구성합니다. 로우 패스 필터의 출력이 부하에 연결됩니다. 디지털 펄스 열차는 정시의 비율인 듀티 비율 D로 스위치를 열거나 닫습니다. 스위치가 닫히면 로우 패스 필터에 대한 입력이 공급 전압, V in에 연결됩니다. 다이오드는 역편향되고 인덕터를 통해 전류가 흐르지 않습니다. 스위치가 열려 있을 때 이 인덕터 전류는 동일한 방향으로 계속되어야 하며 다이오드가 편향되어 완전한 전류 루프를 형성합니다. 로우 패스 필터에 대한 입력에서 이 스위치 통근은 약 0볼트에서 V 사이에 진동하는 직사각형 파를 생성합니다. 일부 잔물결을 제외하고, 필터의 출력은 직사각형 파의 평균이며, 이는 관세 비율이 증가함에 따라 증가합니다. 충분히 높은 스위칭 주파수에서 커패시터는 충전 및 방전 시간이 짧습니다. 따라서 전압 잔물결이 작아지고 그 결과 DC 입력에서 깨끗한 DC 출력이 내려집니다. 인덕터와 커패시터는 반응성 구성 요소이므로 이상적으로 저항력 손실이 없습니다. 이상적인 LC 필터는 100% 효율로 부하에 전력을 전달할 수 있습니다. 실제로 회로내 인덕터 및 기타 기생 저항의 와이어 저항은 80 ~95 %의 범위로 효율성을 감소시다. 이제 벅 컨버터의 기본이 논의되었으므로 벅 컨버터가 전압을 내리고 CCM이라고도 하는 전도 모드로 계속 진행하는 방법을 살펴보겠습니다.

이 실험은 다양한 DC에서 DC 컨버터 회로 토폴로지실험을 위해 설계된 HiRel Systems 전신주 판을 활용합니다. 먼저 신호 공급 스위치인 S90이 꺼져 있는지 확인합니다. 그런 다음 신호 공급을 DIN 커넥터 J90에 연결합니다. PWM 컨트롤 선택 점퍼, J62 및 J63을 오픈 루프 위치로 설정합니다. DC 전원 공급 장치를 양수 24볼트로 조정하지만 전원 공급 장치 출력을 보드에 연결하지 않습니다. 상부 MOSFET, 하부 다이오드 및 BB 마그네틱 보드로 회로를 구축합니다. BB 마그네틱 보드에 인덕터값을 기록합니다. 하중 저항기 RL은 전력 전위요미터입니다. 멀티미터를 사용하여 저항을 읽는 동안 12 옴으로 조정합니다. 그런 다음 터미널 V2+와 COM 사이에 부하 저항장치를 연결합니다. PWM에서 상부 MOSFET까지, 온보드 PWM을 사용하고 로드를 끄세요. 다음으로, 상부 MOSFET와 제11터미널의 게이트인 제15터미널 사이의 오실로스코프 차동 프로브를 연결하여 소스이다. 신호 공급 스위치, S90을 켜고 MOSFET를 구동 하는 펄스 기차를 관찰 합니다. 주파수 조정 전위요미터인 RV60을 설정하여 100킬로헤르츠의 스위칭 주파수를 생성합니다. 듀티 비율 전위요미터인 RV63을 설정하여 펄스가 5마이크로초의 정시를 갖습니다.

상부 MOSFET의 게이트 및 소스인 15번단과 11번 터미널 사이에 차동 범위 프로브를 연결하여 보관합니다. 부하 저항기에서 전압을 측정하려면 RL을 통해 전압을 측정하려면 터미널 V2+와 COM 사이의 다른 차동 프로브를 입력 단자, V1+ 및 COM에 연결합니다. 출력 전압의 위쪽 경사로는 벅 컨버터 스위치가 닫히고 인덕터가 커패시터및 부하로 에너지를 전송할 때 발생합니다. 하향 경사로는 스위치가 열려 있을 때 발생하며, 인덕터는 입력 전압 소스에서 분리되고 커패시터는 부하에 저장된 에너지를 포기합니다. 다음으로, 출력 전압의 평균 값과 게이트 소스 전압의 정시를 측정합니다. DC 전원 공급 장치에서 입력 전류 및 전압 판독값을 기록합니다. 펄스 열차의 관세 비율이 0.4, 0.6 및 0.7의 관세 비율을 가지고 있도록 의무 비율 전위, RV64를 조정 한 후이 테스트를 반복합니다. 듀티 비율 D가 증가함에 따라 벅 컨버터의 평균 출력 전압도 증가합니다. 이상적으로 D의 값이 0.3인 경우 24볼트의 입력은 약 7.2볼트의 출력을 생성합니다. 마찬가지로 D가 0.5인 경우 출력은 약 12볼트이거나 D가 0.7인 경우 출력은 약 16.8볼트가 됩니다.

듀티 비율을 0.5로 설정한 다음 입력 DC 공급을 터미널 V1+ 및 COM에 연결하여 RV60을 설정하여 100킬로헤르츠의 스위칭 주파수를 생성합니다. 이전과 마찬가지로 출력 전압 파형은 직사각형 파동 입력에 작용하는 로우 패스 필터에서 발생하는 삼각형 파형입니다. 게이트 소스 전압은 100킬로헤르츠의 주파수를 가진 디지털 펄스 트레인입니다. 10 마이크로초의 기간과 5 마이크로초의 정시. 출력 전압의 평균 값과 게이트의 정시를 소스 전압으로 측정합니다. DC 전원 공급 장치에서 입력 전류 및 전압 판독값을 기록합니다. RV60을 10, 20 및 40 킬로헤르츠의 스위칭 주파수로 조정한 후 이 테스트를 반복하여 0.5로 고정된 듀티 비율을 사용한다. 주파수가 증가함에 따라 커패시터 충전 및 방전 시간도 감소하기 때문에 출력 잔물결이 감소합니다. 일반적으로, 출력 전압은 이 실험에서 이상적인 관계에서 예상보다 적습니다. 이러한 편차는 인덕터의 와이어 저항과 회로의 기타 저항과 같은 기생 요소의 결과로, 이는 이상적인 전압 강하 및 미회계 에너지 손실을 생성합니다.

벅 컨버터는 현재 와 함께 잘 제어된 전압 조절을 제공하므로 변환 프로세스에서 최소 전력 손실과 관련된 응용 분야에 매우 중요합니다. 노트북의 전력 소비는 1.8 또는 0.8 볼트로 작동하는 마이크로 프로세서의 개발로 인해 크게 감소했습니다. 노트북과 원격 제어 장치는 벅 컨버터를 사용하여 리튬 배터리의 전압을 이러한 낮은 값으로 줄이고 유용한 배터리 수명을 연장하고 배터리 전류를 강화하여 수백만 개의 트랜지스터와 집적 회로의 요구를 제공합니다. 휴대 전화와 같은 전자 장치는 명목 전지 전압이있는 리튬 이온 배터리를 약 3.6 ~ 3.7 볼트로 사용합니다. 그러나 USB 커넥터가 있는 표준화된 배터리 충전기는 5볼트를 공급합니다. 전자 장치의 벅 컨버터는 리튬 이온 배터리를 충전하는 데 필요한 낮은 전압으로 USB 출력을 단계아래로 단계.

당신은 벅 컨버터에 조브의 소개를 보았다. 이제 DC 출력이 듀티 비율 및 스위칭 주파수에 따라 달라지는 방법을 이해해야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다.

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Results

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이상적인 벅 컨버터의 출력 입력 전압 관계는 듀티 사이클 또는 듀티 비율 D와관련이 있을 것으로 예상된다. 입력 전압이 V인이고 출력 전압이 V출력인경우, 0≤D가100%≤ V 출력/V= D. 따라서, 24V의 입력 전압의 경우, V아웃은D = 50%, Vout≈ 7.2 V = D = 30%, V아웃≈ 16.8 V = 70%를 ≈. 그럼에도 불구하고, 출력 전압은 듀티 비율과 선형인 이상적인 관계에서 예상보다 낮을 것이며, 주된 이유는 이상적인 벅 컨버터 모델이 컨버터의 비 이상성과 전압 강하를 고려하지 않기 때문입니다.

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Applications and Summary

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벅 컨버터는 배터리 충전에 필요한 우수한 전압 조절을 제공하는 전자 장치 충전기에서 매우 일반적입니다. 컴퓨터, 집적 회로 및 전자 기판뿐만 아니라 재생 에너지 응용 프로그램 및 배터리 공급 시스템에 전력 공급 장치에 일반적으로 사용됩니다.

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Transcript

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