Overview
מקור: עלי באזי, המחלקה להנדסת חשמל, אוניברסיטת קונטיקט, סטורים, CT.
ממירי DC/DC הם ממירים אלקטרוניים כוח הממירים מתחי DC וזרמים מרמה מסוימת לרמה אחרת. בדרך כלל, המרת מתח היא המטרה העיקרית של ממירי DC / DC ושלושה סוגים עיקריים של המרה קיימים בממיר יחיד: צעד למעלה, ירידה למטה, וצעד למעלה או למטה. בין ממירי הצעד הנפוצים ביותר הם ממירי דחיפה (עיין בסרטון אוספים זה: DC / DC Boost Converter), ואילו בין ממירי הצעד הנפוץ ביותר הם ממירי דולר. (עיין בסרטון אוספים זה: ממיר DC/DC Buck.) ממירי Buck-boost נפוצים גם לביצוע פונקציות מדרגה וצעד למטה, וממירי flyback יכולים להיחשב כסוגים מיוחדים של ממירים לחיזוק באק שבהם מתבצע בידוד חשמלי בין יציאות הקלט והפלט. (עיין בסרטון אוספים זה: ממיר Flyback.)
טופולוגיות ממיר DC/DC הן רבות, והשליטה, המידול והשיפורים התפעוליים שלהן (לדוגמה יעילות, אמינות, ביצועים וכו') הם תחומי עניין מתמשכים. לוח הקוטב Power Pole HiRel שהוצג בניסוי זה מספק כלי גמיש מאוד ללמוד ולנתח את הביצועים של דחיפה, buck, ממיר flyback, כל על לוח אחד.
מטרת הניסוי היא להציג את הרכיבים והיכולות העיקריים של לוח הקוטב הפנימי ממערכות HiRel, שהוא הלוח המשמש בשלושה ניסויים על ממירי DC / DC.
Principles
לוח עמוד החשמל HiRel כולל חמישה אזורים תת-מעגליים עיקריים המסומנים בתג 1. (אזורים המסומנים בתאנה 1 הם משוערים.) האזור הראשון (אדום) כולל את הצד הראשי הכולל קבלי סינון, חיישן זרם ומחברים הנקראים "V1" ו- "COM", שיכולים להתחבר למקור מתח DC או לעומס. תמונה 2 מציגה זום באזור הראשון עם רכיבים מסומנים.
האזור השני (צהוב) כולל את הצד המשני, הכולל קבלי סינון, חיישן זרם ומחברים הנקראים "V2" ו- "COM", המתחברים למקור מתח DC או לעומס המוצג כנגד כוח מנדרני. תמונה 3 מציגה התקרבות באזור השני עם רכיבים מסומנים. ניתן להשתמש באזור הראשון או השני כדי להתחבר למקור מתח DC, למשל ספק כוח DC, בעוד השני מתחבר לעומס. שים לב שכאשר האזור השני מחובר למקור, ניתן לבטל את פעולתו של נגד העומס מהלוח או להשאירו מבלי להשפיע על פעולת הממיר מכיוון שהוא יוזן ישירות ממקור המתח DC.
האזור השלישי (ירוק) הוא אזור עמוד החשמל, שבו מחוברים שני MOSFETs ושתי דיודות. "הרגל" הראשונה כוללת MOSFET עליון ודיודה תחתונה, ואילו "הרגל" השנייה כוללת דיודה עליונה ו- MOSFET נמוך יותר. הרכיבים בפועל של MOSFET העליון ודיודה מותקנים על אותו כיור חום במלבן הירוק של איור. 1 בצד שמאל העליון, בעוד MOSFET התחתון ודיודה מותקנים על אותו כיור חום בצד שמאל התחתון במלבן הירוק ב- Fig. 1. מבט זום-אין על אזור זה מוצג ב איור 4. המלבן הירוק הקטן האחר כולל מנהלי התקנים של שערים שלוקחים פעימת מיתוג בהספק נמוך, למשל אות מווסת ברוחב דופק, וממירים אותו לרמות המתח המתאימות שיכולות להפעיל ולכבות את ה- MOSFETs.
האזור הרביעי (כחול) כולל ארבע נקודות חיבור שבהן ניתן להרכיב לוח בת הכולל רכיב מגנטי. שני לוחות משמשים עם לוח זה לניסויי ממיר DC / DC: הלוח הראשון הוא לוח BB, המוצג ב Fig. 5, הכולל משרן כ 100 μH; והלוח השני הוא לוח flyback, המוצג בתמונה 6, הכולל משרן או שנאי מצמד של Flyback יחד עם מעגל הסנובר R-C-Diode שלו. מעגל snubber מסייע לספק נתיב לאנרגיה המאוחסנת של צד השנאי הראשי באחד ממצבי ההפעלה של ממיר flyback.
האזור החמישי כולל אלקטרוניקה בהספק נמוך המייצרת פולסים מיתוג ל- MOSFETs, ומספקת הגנה ללוח כולל הגנה על זרם יתר ומתח יתר. ספק כוח DC נפרד מחובר לשמאל התחתון של הלוח, לצד מתג "S90" שמפעיל את החשמל לכל מעגלי ההספק הנמוכים כך שהצד בעל ההספק הגבוה, כלומר אזורים 1-4, יוכל לתפקד כראוי. ספק הכוח החיצוני DC והמחבר שלו המתחבר ללוח Power Pole מוצגים ב- Fig. 7 ו- 8, בהתאמה.
איור 1: לוח עמוד החשמל HiRel עם חמישה אזורים עיקריים לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 2: התקרבות לאזור 1.
איור 3: התקרבות לאזור 2.
איור 4: התקרבות לאזור 3.
איור 5: לוח ביבי.
איור 6: לוח טיסה.
איור 7: ספק כוח חיצוני עבור האלקטרוניקה בהספק נמוך.
איור 8: מחבר ספק כוח חיצוני.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
הליך זה מתמקד בעיקר ביכולתו של לוח הקוטב הכוח להתאים פולסים מיתוג ל- MOSFETs העליון והתחתון
1. התקנה
- חבר את ספק הכוח החיצוני של DC ללוח ה- Power Pole.
- הפעל את "S90".
- שים לב כי ה- LED הירוק נדלק.
- בדוק את המיקומים של "S90" ואת נורית ה-LED הירוקה ב-9.
- מקם את מתג ההזזה השני במערך המתגים הכחולים ב- "Int. PWM. בדוק את המיקום של מערך מתגי ההזזה ב- Fig.10.
- הגדרת Int. PWM פירושה כי פעימת המיתוג (PWM: אפנון רוחב דופק) לכל MOSFET נוצרת על לוח הקוטב עצמו.
- Ext. PWM" פירושו כי הדופק מיתוג ל- MOSFET נוצר על ידי מקור חיצוני, למשל מחולל פונקציה או מיקרו בקר.
- מקם את מתג ההזזה הראשון במערך הכחול ב-"TOP FET". רק אות PWM אחד נוצר על לוח עמוד החשמל, ולכן יש לבחור את אחד ה- MOSFETs כדופק המקבל. לאחר בחירת MOSFET, MOSFET אמור כעת להיות מסוגל להפעיל ולכבות.
- הבחירה העליונה FET "פירושה כי MOSFET העליון יקבל את פעימת המיתוג.
- בחירת BOT FET פירושה ש- MOSFET התחתון יקבל את פעימת המיתוג.
איור 9. מחבר ספק כוח חיצוני, מתג ראשי ומחוון LED
איור 10. מערך מתגי המחוון
2. מדידות לניטור פולסי שער MOSFET
- הפעל אוסצילוסקופ.
- חבר גשוש 10x רגיל לערוץ 1 של האוסצילוסקופ.
- הגדר את ערוץ אוסצילוסקופ 1 להיות בצימוד DC כדי לראות את היסט PWM.
- הגדר ערוץ 1 כדי להיות קנה מידה עבור בדיקה 10x.
- הגדר מדידות על האוסצילוסקופ כדי למדוד את תדירות ומחזור החובה החיובית של האות להימדד בערוץ 1.
- חבר את קליפ המדידה של הגשושית לפין "PWM" המוצגת בתג 10.
- חבר את קרקע הגשוש לפין "GND" המוצגת ב- Fig. 10.
- במסך האוסצילוסקופ, התבונן ברכבת דופק שהיא אות PWM שנועם לנהג השער של המתג העליון.
- כדי להבטיח כי MOSFET העליון מחליף, להסיר את קליפ המדידה של הגשושית ולחבר אותו לפין "שער" בפינה השמאלית העליונה של MOSFET העליון המוצג ב- Fig. 11. אתה צריך להתבונן בצורת גל דומה לזו שראית כאשר סיכת PWM נחקרה.
- כדי להבטיח כי MOSFET התחתון אינו מיתוג, להסיר את קליפ המדידה של הגשושית מן הסיכה העליונה "שער" ולהניח אותו על הסיכה התחתונה "שער" המוצגת איור 11. אתה צריך להתבונן במתח אפס.
- הנח מחדש את קליפ הגשוש על סיכת ה-"PWM".
- התאם את מחזור החובה של אות "PWM" על ידי שינוי הידית של הפוטנציומטר המוצגת ב- Fig. 12. מעבר בכיוון השעון מגדיל את מחזור החובה מאפס ל- 100%, וההתנגדות בכיוון השעון מקטינה אותו.
- התאם את תדר ה-PWM על-ידי הפיכת הבורג של הפוטנציומטר המוצג ב-Fig. 13. השתמש במברג קטן כדי להתאים את מיקום הבורג.
- שים לב כי מספר הפולסים המוצגים על מסך oscilloscope גדל או פוחת כמו potentiometer מותאם.
- חזור על ההליך לעיל עם בחירת BOT FET ובדוק כדי לוודא ששער MOSFET התחתון רואה כעת פעימת מיתוג
איור 11:סיכות אות שער.
איור 12: התאמת מחזור החובה של פוטנציומטר.
איור 13: פוטנציומטר להתאמת תדרים
3. כבה את המעגל
- כבה את "אס-90".
- נתק את ספק הכוח החיצוני של DC.
- נתק את האוסצילוסקופ משני הצדדים.
- כבה את האוסצילוסקופ.
לוח עמוד החשמל HiRel הוא כלי ללימוד וניתוח הביצועים של מעגלי ממיר DC-DC פשוטים. ממירי DC-DC לוקחים כניסות מתח DC ומייצרים יציאות מתח DC עם ערך שונה. לדוגמה, ממירי דחיפה מגבירים את המתח, בעוד ממירי באק יורדים במתח. ממירים אלה ניתן להרכיב ולבדוק על לוח לחם, אבל ניתן להעריך יותר פשוט באמצעות לוח הדגמה מראש, כגון לוח הקוטב כוח HiRel Systems. וידאו זה יציג את הרכיבים והיכולות העיקריים של לוח הקוטב Power Pole, המשמש בניסויים עם ממירי דחיפה, באק ו flyback באוסף זה.
מועצת הקוטב של הראל כוללת חמישה חלקים עיקריים. הראשון הוא הצד הראשי, הכולל קבלי סינון המשמשים במעגלי הממיר, חיישן למדידת זרם דרך המעגל, ומחברים V1 ו- COM המתחברים למקור מתח DC או עומס. החלק השני הוא הצד המשני, שיש לו גם קבלי סינון וחיישן זרם. סעיף זה כולל מחברים הנקראים V2 ו- COM המתחברים למקור מתח DC או לעומס. כאן העומס מוצג כנגד כוח מטען. עבור ניסויי ממיר DC-DC באוסף זה, העומס הוא פוטנציומטר כוח, אשר ניתן להתאים בהתבסס על הדרישות של המעגל ואת הבדיקה. בהתאם לתפטיולוגיה של הממיר, אחד משני חלקים אלה משמש כצד הקלט, המחובר למקור מתח DC, ואילו השני הוא צד היציאה המחובר לעומס. החלק השלישי הוא עמוד החשמל, המכיל את הרכיבים בליבת תהליך ההמרה DC-DC. למוט הכוח יש שני טרנזיסטורים של אפקט שדה מוליכים למחצה של תחמוצת מתכת, או MOSFETs, ושתי דיודות. MOSFET העליון ודיודה עליונה מותקנים גב אל גב על כיור חום יחיד. באופן דומה, MOSFET התחתון ודיודה התחתונה מותקנים על כיור חום אחד. כמו כן כלולים במקטע זה מנהלי התקנים של שער הממירים אות מיתוג לרמות המתח שמדליקות ומכבות את ה- MOSFETs. בחלק הרביעי יש חיבורים ללוח בת, הנושא רכיב מגנטי, כגון משרן או שנאי. שני לוחות בת משמשים לניסויי ממיר DC-DC: לוח BB ולוח flyback. החלק החמישי מכיל אלקטרוניקה המייצרת פולסים מיתוג עבור MOSFETs ומספקים הגנה על זרם יתר ומתח יתר עבור המעגל. ניתן לחבר ספק כוח DC חיצוני ללוח עמוד החשמל HiRel באמצעות מחבר DIN. Main Switch S90, הסמוך למחבר DIN, מפעיל את החשמל לכל מעגלי ההספק הנמוכים בלוח. כעת, לאחר שראינו את החלקים העיקריים של לוח עמודי החשמל של HiRel, בואו נציב את הלוח ונראה כיצד הוא ישמש במעגלי ממיר DC-DC.
לפני השימוש בלוח הקוטב החזק, יש להגדיר אותו כדי ליצור פולסים מיתוג עבור MOSFETs. תחילה, חבר את ספק הכוח החיצוני של DC למחבר DIN. לאחר מכן, הפעל את מתג ראשי S90. נורית ה-LED הירוקה של Switch S90 מאירה כדי לציין שהחשמל מוחל על הלוח. אתר בורר מתג בנק S30 והגדר את המתג הראשון ל- TOP FET. בהגדרה זו, הפולסים שמדליקים ומכבים את MOSFETS שולטים ב- MOSFET העליון. אם בורר זה מוגדר ל- BOTTOM FET, הפולסים שולטים ב- MOSFET התחתון. עכשיו, הגדר את המתג השני ל- PWM פנימי. במצב זה, דופק עם אותות מאופננים שנוצרו על הלוח להפעיל ולכבות את MOSFET שנבחר. אם בורר זה מוגדר כ- PWM חיצוני, מקור חיצוני, כגון מחולל פונקציות או מיקרו-בקר שולט ב- MOSFET.
חבר גשוש 10X לערוץ 1 של אוסצילוסקופ. חותכים את ההובלה הקרקעית של הגשושית למסוף הקרקע של הלוח ואת קצה הגשושית למסוף PWM. כדי לראות את היסט הפעימה עם אות מאופנת, הגדר את ערוץ טווח 1 לצימוד DC. מסך האוסצילוסקופ אמור להראות רכבת של פולסים לנהג עבור MOSFET העליון. בדוק את אות הבקרה ישירות על-ידי הסרת קצה הבדיקה ממסוף PWN וחיתוך אותו למסוף השער על-ידי MOSFET העליון. רכבת דופק צריכה להיות גלויה על הטווח. חתוך שוב את קצה הגשוש למסוף PWM. יחס החובה של רכבת דופק זו קובע את הזמן של MOSFET כאחוז מהתקופה. יחס חובה זה הוא משתנה בקרה ראשי מכיוון שהוא משפיע על הקשר בין מתחי הכניסה והפלט של ממיר DC-DC. כדי לשנות את יחס החובה של הדופק עם אות מאופנן, התאם את פוטנציומטר RV64. יחס החובה עשוי להיות מגוון מאפס לאחד. מאחר שתדר ההפעלה המרבי של רכיב לפי סוג ועיצוב, תדירות המיתוג היא פרמטר קריטי בביצועים של ממירי DC-DC. בנוסף, תדרי מיתוג גבוהים יותר בדרך כלל מניבים מתח יציאה קטן יותר ואדוות זרם עבור שילוב נתון של קבלים ומשרן. שנה את תדירות הדופק עם אות מאופנת על ידי התאמת פוטנציומטר RV60. שים לב כיצד מספר הפולסים על מסך oscilloscope גדל או פוחת כמו potentiometer מותאם. לאחר מכן, הגדר את המתג הראשון של בורר מתג בנק S30 לתחתית FET. הסר את קצה הבדיקה ממסוף PWM וחתוך אותו למסוף השער על ידי MOSFET התחתון. לבסוף, ודא כי השער של MOSFET התחתון מקבל את פעימת המיתוג.
בגלל היעילות הגבוהה שלהם רגולציה מעולה, ממירי DC-DC משמשים ביישומים מסחריים רבים. שלושה ממירים נפוצים מוצגים כאן ומכוסים בסרטונים הבאים באוסף זה. ממירי דחיפה ליצור מתח יציאה DC כי הוא גדול יותר מאשר קלט DC, ולכן להגביר את מתח האספקה. הווידאו "DC / DC Boost Converter" מסביר את הפעולה של ממירי דחיפה, מלווה בניסויים באמצעות לוח עמוד החשמל HiRel. ממירי באק יוצרים מתח יציאה DC שהוא פחות מהקלט. במילים אחרות, קורס או מוריד את מתח האספקה. הווידאו "DC / DC Buck Converter" דן כיצד ממירי באק פועלים ומדגים את השימוש בהם בניסויים בלוח עמוד החשמל של HiRel. ממירי Flyback יוצרים מתח יציאה DC שיכול להיות גדול או קטן מקלט DC. אנא צפה בסרטון "ממיר Flyback" כדי לראות כיצד הם נגזרים מהצטרפות של ממיר buck עם ממיר דחיפה כדי להשיג את ההתנהגות של שניהם.
הרגע צפית בהקדמה של ג'וב למועצת הקוטב הפנימי של הראל. עכשיו אתה צריך להבין את העיצוב של הלוח, איך להגדיר אותו, וכיצד להשתמש בו לניסויים עם מעגלי ממיר DC-DC. תודה שצפיתם!
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Results
פעימת PWM צפויה להיראות על מסך האוסצילוסקופ. מחזור החובה הוא משתנה בקרה מרכזי עבור ממיר DC/DC כפי שהוא מתאים את התקופה שבמהלכה MOSFET או כל מתג מוליך למחצה אחר הנשלט באופן פעיל מופעל. כל קשרי מתח היציאה-קלט של ממירי DC/DC מסתמכים על הערך של יחס חובה זה, יחד עם משתנה אחר בטופולוגיות ממיר מסוימות.
תדירות המיתוג קריטית בבחירת הרכיבים מכיוון שתדירות ההפעלה המרבית של הרכיבים משתנה בהתאם לסוג הרכיב ולעיצוב. תדרי מיתוג גבוהים יותר בדרך כלל מניבים מתח קטן יותר ואדוות זרם, אך דורשים קבלים ומשרן גדולים יותר.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
ממירי DC/DC נפוצים מאוד ב- DC ספקי כוח המשמשים לטעינת אלקטרוניקה, ולספק חשמל למעגלים אלקטרוניים רבים אחרים. לדוגמה, כל כונן מנוע ידרוש ספקי כוח DC קטנים יותר כדי להפעיל את האלקטרוניקה בהספק נמוך, מעגלי ההגנה וכונני השער בהספק גבוה. מעבדי מחשב וציוד היקפי ואביזרים אחרים דורשים מתחי DC מוסדרים היטב המסופקים על ידי ספקי כוח DC. מערכות אנרגיה מתחדשת, למשל פאנלים פוטו-וולטאיים סולאריים, דורשות ממירי DC/DC כדי לווסת את מתח היציאה DC של הפאנלים, שכן קרינה סולארית וטמפרטורת הסביבה משתנות וגורמות לשינוי במתח וביציאות הנוכחיות של הפאנל הסולארי. יישומים תעשייתיים, תחבורתיים, צבאיים ואחרים רבים משתמשים בממירי DC/DC במקום ברגולטורים ליניאריים בשל היעילות הגבוהה, הביצועים הגבוהים והרגולציה המצוינת שלהם.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
