Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Science Education
Electrical Engineering

A subscription to JoVE is required to view this content.
You will only be able to see the first 20 seconds.

 
Click here for the English version

파워 폴 보드 소개

Overview

출처: 알리 바지, 코네티컷 대학교 전기 공학학과, 스토스, CT.

DC/DC 컨버터는 DC 전압과 전류를 특정 수준에서 다른 수준으로 변환하는 전력 전자 컨버터입니다. 일반적으로 전압 변환은 DC/DC 컨버터의 주요 목적이며 단일 컨버터에는 스테핑, 스테핑 및 위또는 아래로 스텝업하는 세 가지 주요 유형의 변환이 존재합니다. 가장 일반적인 스텝업 컨버터 중에는 부스트 컨버터(이 컬렉션 비디오: DC/DC 부스트 컨버터 참조)가 가장 일반적인 스텝다운 컨버터는 벅 컨버터입니다. (이 컬렉션 비디오를 참조하십시오: DC/DC 벅 컨버터.) 벅 부스트 컨버터는 스텝업 및 스텝다운 기능을 모두 수행하는 것이 일반적이며, 플라이백 컨버터는 입력 및 출력 포트 간에 전기 절연이 이루어지는 벅 부스트 컨버터의 특수 유형으로 간주될 수 있습니다. (이 컬렉션 비디오를 참조하십시오: 플라이백 컨버터.)

DC/DC 컨버터 토폴로지는 수많은 기능을 가지고 있으며, 제어, 모델링 및 운영 개선(예: 효율성, 신뢰성, 성능 등)은 지속적인 관심 영역입니다. 이 실험에 발표된 HiRel 파워 폴 보드는 단일 보드에서 부스트, 벅 및 플라이백 컨버터의 성능을 연구하고 분석할 수 있는 매우 유연한 도구를 제공합니다.

이 실험의 목적은 DC/DC 컨버터에 대한 세 가지 실험에서 사용되는 보드인 HiRel 시스템에서 파워 폴 보드의 주요 구성 요소와 기능을 소개하는 것입니다.

Principles

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

HiRel 파워 폴 보드에는 도 1에 레이블이 붙은 5개의 주요 하위 회로 영역이 있습니다. (도1에 표시된 영역은 대략적인 것입니다.) 첫 번째 영역(빨간색)에는 필터 커패시터, 전류 센서 및 DC 전압 소스 또는 부하에 연결할 수 있는 "V1" 및 "COM"이라는 커넥터가 있는 기본 측면이 포함됩니다. 그림 2는 레이블이 부착된 구성 요소가 있는 첫 번째 영역에서 확대/축소를 나타낸다.

두 번째 영역(노란색)에는 필터 커패시터, 전류 센서 및 "V2" 및 "COM"이라는 커넥터가 있는 보조 측이 포함되며, 이는 DC 전압 소스 또는 평면 전력 저항기로 표시된 부하에 연결됩니다. 도 3은 레이블이 부착된 구성 요소가 있는 두 번째 영역에서 확대/축소를 나타낸다. 첫 번째 또는 두 번째 영역을 사용하여 DC 전원 공급 장치(예: DC 전원 공급 장치에 연결할 수 있으며 다른 영역은 부하에 연결됩니다. 두 번째 영역이 소스에 연결되어 있을 때, 부하 저항기는 DC 전압 소스에서 직접 공급되는 것처럼 컨버터의 작동에 영향을 주지 않고 보드에서 납땜되지 않거나 왼쪽으로 갈 수 있습니다.

세 번째 영역(녹색)은 2개의 MOSFET와 2개의 다이오드가 연결된 전신영역입니다. 첫 번째 "다리"에는 상부 MOSFET와 하부 다이오드가 포함되며 두 번째 "다리"에는 상부 다이오드와 하부 MOSFET가 포함됩니다. 상부 MOSFET 및 다이오드의 실제 구성요소는 왼쪽 상단에 있는 도 1의 녹색 사각형에서 동일한 방열판에 장착되며, 하부 MOSFET 및 다이오드는 도 1의 녹색 사각형에서 왼쪽 하단의 동일한 방열판에 장착된다. 해당 영역에 대한 확대/축소 보기는 도 4에 표시됩니다. 다른 작은 녹색 사각형에는 펄스 폭 변조 된 신호와 같은 저전력 스위칭 펄스를 취하고 MOSFET를 켜고 끌 수있는 적절한 전압 수준으로 변환하는 게이트 드라이버가 포함됩니다.

네 번째 영역(파란색)에는 자기 성분이 포함된 딸 보드를 장착할 수 있는 4개의 연결 지점이 있습니다. DC/DC 컨버터 실험을 위해 이 보드와 함께 두 개의 보드가 사용됩니다: 첫 번째 보드는 약 100 μH 인덕터를 포함하는 도 5에 표시된 BB 보드입니다. 두 번째 보드는 도 6에 표시된 플라이백 보드로, R-C-다이오드 스너버 회로와 함께 플라이백 결합 인덕터 또는 변압기를 포함한다. 스너버 회로는 플라이백 컨버터의 작동 모드 중 하나에서 기본 변압기 측의 저장된 에너지에 대한 경로를 제공하는 데 도움이 됩니다.

다섯 번째 영역에는 MOSFET에 스위칭 펄스를 생성하고 과전류 및 과전압 보호를 포함하여 보드에 보호를 제공하는 저전력 전자 장치가 포함됩니다. 별도의 DC 전원 공급 장치는 모든 저전력 회로에 전력을 켜는 "S90"을 스위치 옆에 있는 보드의 왼쪽 하단에 연결되어 고출력 측면(예: 영역 1-4)이 제대로 작동할 수 있도록 합니다. 전원 극 보드에 연결되는 외부 DC 전원 공급 장치와 커넥터는 각각 도 7과 8에 표시됩니다.

Figure 1
그림 1: 5개의 주요 영역이 있는 HiRel 파워 폴 보드를 클릭하여 이 그림의 더 큰 버전을 확인하십시오.

Figure 2
그림 2: 영역 1의 확대/ 축소.

Figure 3
그림 3: 영역 2의 확대.

Figure 4
그림 4: 영역 3의 확대/ 축소.

Figure 5
그림 5: BB 보드.

Figure 6
그림 6: 플라이백 보드.

Figure 7
그림 7: 저전력 전자 장치에 대한 외부 전원 공급 장치입니다.

Figure 8
그림 8: 외부 전원 공급 장치 커넥터.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Procedure

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

이 절차는 주로 전원 극 보드의 능력에 초점을 맞추고 위쪽 및 하부 MOSFETs로 스위칭 펄스를 조정

1. 설정

  1. 외부 DC 전원 공급 장치를 전원 극 보드에 연결합니다.
  2. "S90"을 켭니다.
  3. 녹색 LED가 켜지는 것을 관찰합니다.
  4. 도 9에서 "S90"과 녹색 LED의 위치를 확인합니다.
  5. 두 번째 슬라이딩 스위치를 파란색 스위치 어레이에 "Int. PWM"에 배치합니다. Fig.10에서 슬라이딩 스위치 어레이의 위치를 확인합니다.
    1. Int. PWM" 설정은 전원 극 보드 자체에 MOSFET에 스위칭 펄스(PWM: 펄스 폭 변조)가 생성된다는 것을 의미합니다.
    2. Ext. PWM"은 MOSFET로의 스위칭 펄스가 기능 발생기 또는 마이크로 컨트롤러와 같은 외부 소스에 의해 생성된다는 것을 의미합니다.
  6. 첫 번째 슬라이딩 스위치를 파란색 배열에 "TOP FET"에 배치합니다. 파워 폴 보드에서 하나의 PWM 신호만 생성되므로 MOSFET 중 하나를 수신 펄스로 선택해야 합니다. MOSFET를 선택하면 MOSFET를 켜고 끌 수 있습니다.
    1. TOP FET "선택은 상부 MOSFET가 스위칭 펄스를 수신한다는 것을 의미합니다.
    2. BOT FET" 선택은 하부 MOSFET가 스위칭 펄스를 수신한다는 것을 의미합니다.

Figure 9
그림 9. 외부 전원 공급 장치 커넥터, 메인 스위치 및 LED 표시기

Figure 10
그림 10. 슬라이더 스위치 배열

2. MOSFET 게이트 펄스를 모니터링하는 측정

  1. 오실로스코프를 켭니다.
  2. 일반 10x 프로브를 오실로스코프의 채널 1에 연결합니다.
  3. PWM 오프셋을 보려면 DC 커플링에 있는 오실로스코프 채널 1을 설정합니다.
  4. 10배 프로브에 맞게 채널 1을 확장하도록 설정합니다.
  5. 채널 1에서 측정할 신호의 주파수 및 양면 듀티 사이클을 측정하기 위해 오실로스코프에 측정값을 설정합니다.
  6. 도 10에 표시된 "PWM" 핀에 프로브의 측정 클립을 연결합니다.
  7. 도 10에 표시된 "GND" 핀에 프로브 접지를 연결합니다.
  8. 오실로스코프 화면에서 상부 스위치 게이트 드라이버로 가는 PWM 신호인 펄스 트레인을 관찰합니다.
    1. 상부 MOSFET가 전환되도록 하려면 프로브의 측정 클립을 제거하고 도 11에 표시된 상부 MOSFET의 왼쪽 상단에 있는 "게이트" 핀에 연결합니다. PWM 핀이 조사될 때 보았던 것과 유사한 파형을 관찰해야 합니다.
    2. 하부 MOSFET가 전환되지 않도록 하려면 상부 "게이트" 핀에서 프로브의 측정 클립을 제거하고 도 11에 표시된 아래 "게이트" 핀에 놓습니다. 당신은 제로 전압을 관찰해야합니다.
  9. 프로브 클립을 "PWM" 핀에 다시 배치합니다.
  10. 도 12에 도시된 전위요계의 노브를 변경하여 "PWM" 신호의 듀티 사이클을 조정한다. 시계 방향으로 이동하면 듀티 사이클이 0에서 100 %로 증가하고 시계 반대 방향으로 이동하면 감소합니다.
  11. 도 13에 표시된 전위력계의 나사를 돌려 PWM 주파수를 조정합니다. 작은 드라이버드라이버를 사용하여 나사의 위치를 조정합니다.
    1. 전위도계가 조정되면 오실로스코프 화면에 표시되는 펄스 수가 증가하거나 감소하는 것을 관찰한다.
  12. 봇 FET 선택으로 위의 절차를 반복하고 아래 MOSFET 게이트가 이제 스위칭 펄스를 보고 있는지 확인합니다.

Figure 11
그림 11: 게이트 신호 핀.

Figure 12
그림 12: 전형적 관세 주기 조정.

Figure 13
그림 13: 주파수 조정을 위한 전형성계

3. 회로 종료

  1. "S90"을 끕니다.
  2. 외부 DC 전원 공급 장치를 분리합니다.
  3. 양쪽에서 오실로스코프를 분리합니다.
  4. 오실로스코프를 끕니다.

HiRel 파워 폴 보드는 간단한 DC-DC 컨버터 회로의 성능을 연구하고 분석하기 위한 도구입니다. DC-DC 컨버터는 DC 전압 입력을 취하고 다른 값의 DC 전압 출력을 생성합니다. 예를 들어, 부스트 컨버터는 전압을 높이고 벅 컨버터는 전압을 단계별로 종료합니다. 이러한 컨버터는 빵 판에서 조립 및 테스트할 수 있지만 HiRel Systems 전원 극 보드와 같은 사전 제작 된 데모 보드를 사용하여 더 간단하게 평가 할 수 있습니다. 이 비디오는 이 컬렉션에서 부스트, 벅 및 플라이백 컨버터실험에 사용되는 파워 폴 보드의 주요 구성 요소와 기능을 소개합니다.

HiRel 파워 폴 보드에는 5개의 주요 섹션이 있습니다. 첫 번째는 컨버터 회로에 사용되는 필터 커패시터, 회로를 통해 전류를 측정하기 위한 센서, DC 전압 소스 또는 부하에 연결되는 커넥터 V1 및 COM을 포함하는 기본 측면입니다. 두 번째 섹션은 필터 커패시터와 전류 센서가 있는 보조 측면입니다. 이 섹션에는 DC 전압 소스 또는 부하에 연결하는 V2 및 COM레이블이 있는 커넥터가 있습니다. 여기서 하중은 평면 전력 저항자로 표시됩니다. 이 컬렉션의 DC-DC 컨버터 실험의 경우 부하는 회로 및 테스트의 요구 사항에 따라 조정할 수 있는 전력 전위력계입니다. 변환기 유형학에 따라 이 두 섹션 중 하나는 DC 전압 소스에 연결된 입력 측의 역할을 하며 다른 하나는 부하에 연결된 출력 측면입니다. 세 번째 섹션은 DC-DC 변환 프로세스의 핵심에 구성 요소를 포함하는 전신주입니다. 전신주에는 두 개의 금속 산화물 반도체 필드 효과 트랜지스터 또는 MOSFET, 및 2개의 다이오드가 있습니다. 상부 MOSFET와 상부 다이오드는 단일 방열판에 다시 장착됩니다. 마찬가지로, 하부 MOSFET 및 하부 다이오드는 하나의 방열판에 장착됩니다. 또한 이 섹션에는 스위칭 신호를 MOSFET를 켜고 끄는 전압 수준으로 변환하는 게이트 드라이버도 포함되어 있습니다. 네 번째 섹션에는 인덕터 나 변압기와 같은 자기 구성 요소를 운반하는 딸 보드에 대한 연결이 있습니다. 두 개의 딸 보드는 DC DC 컨버터 실험에 사용됩니다: BB 보드와 플라이백 보드. 다섯 번째 섹션에는 MOSFET에 대한 스위칭 펄스를 생성하고 회로에 대한 과전류 및 과전압 보호 기능을 제공하는 전자 장치가 포함되어 있습니다. 외부 DC 전원 공급 장치는 DIN 커넥터를 통해 HiRel 전원 극 보드에 연결할 수 있습니다. DIN 커넥터 옆에 있는 메인 스위치 S90은 기판의 모든 저전력 회로에 전원을 켭니다. 이제 HiRel 파워 폴 보드의 주요 섹션을 보았으니 보드를 설정하고 DC-DC 컨버터 회로에서 어떻게 사용되는지 보여 드리겠습니다.

파워 폴 보드를 사용하기 전에 MOSFET에 대한 스위칭 펄스를 생성하도록 구성해야 합니다. 먼저 외부 DC 전원 공급 장치를 DIN 커넥터에 연결합니다. 그런 다음 메인 스위치 S90을 켭니다. 스위치 S90의 녹색 LED가 켜져 전원이 보드에 적용되었음을 나타냅니다. 선택기 스위치 뱅크 S30을 찾아 TOP FET로 첫 번째 스위치를 설정합니다. 이 설정을 사용하면 MOSFETS를 켜고 끄는 펄스가 상부 MOSFET를 제어합니다. 이 스위치가 BOTTOM FET로 설정된 경우 펄스는 하부 MOSFET를 제어합니다. 이제 두 번째 스위치를 PWM 내부로 설정합니다. 이 위치에서, 보드에 생성 된 변조 된 신호와 펄스는 선택된 MOSFET를 켜고 끕니다. 이 스위치가 PWM 외부로 설정된 경우 함수 생성기 또는 마이크로 컨트롤러와 같은 외부 소스가 MOSFET를 제어합니다.

10X 프로브를 오실로스코프의 채널 1에 연결합니다. 프로브의 지면을 클립하면 보드의 지면 단자와 프로브 팁이 PWM 단자까지 연결됩니다. 변조된 신호로 펄스의 오프셋을 보려면 DC 커플링에 대한 Scope Channel 1을 설정합니다. 오실로스코프 화면은 상부 MOSFET에 대한 드라이버에 펄스의 기차를 표시해야합니다. PWN 단자에서 프로브 팁을 제거하고 상부 MOSFET에 의해 게이트 터미널로 클리핑하여 제어 신호를 직접 확인합니다. 펄스 트레인은 범위에 표시되어야 합니다. 프로브 팁을 PWM 단자에 다시 잘라냅니다. 이 펄스 열차의 의무 비율은 MOSFET의 정시에 해당 기간의 백분율로 결정합니다. 이 듀티 비율은 DC-DC 컨버터의 입력 및 출력 전압 간의 관계에 영향을 미치기 때문에 주요 제어 변수입니다. 변조된 신호로 펄스의 듀티 비율을 변경하려면 전위요계 RV64를 조정합니다. 관세비율은 0에서 1로 다양할 수 있습니다. 구성 요소의 유형 및 설계별 최대 작동 주파수이기 때문에 스위칭 주파수는 DC-DC 컨버터 성능에 중요한 매개 변수입니다. 또한 스위칭 주파수가 높을수록 일반적으로 커패시터와 인덕터의 지정된 조합에 대해 더 작은 출력 전압과 전류 잔물결을 생성합니다. 전위요미터 RV60을 조정하여 변조 된 신호로 펄스의 주파수를 변경합니다. 전위도측정을 조정함에 따라 오실로스코프 화면의 펄스 수가 어떻게 증가하거나 감소하는지 관찰한다. 다음으로 선택기 스위치 뱅크 S30의 첫 번째 스위치를 BOTTOM FET로 설정합니다. PWM 단자에서 프로브 팁을 제거하고 아래 MOSFET에 의해 게이트 터미널로 클립합니다. 마지막으로, 하부 MOSFET의 게이트가 스위칭 펄스를 수신하는지 확인합니다.

높은 효율성과 우수한 규제로 인해 DC-DC 컨버터는 많은 상용 애플리케이션에 사용됩니다. 세 개의 일반적인 컨버터가 여기에 소개되어 이 컬렉션의 후속 동영상에 적용됩니다. 부스트 컨버터는 DC 입력보다 큰 DC 출력 전압을 생성하므로 공급 전압이 증가합니다. 비디오 "DC /DC 부스트 컨버터"는 HiRel 파워 폴 보드를 사용하여 실험과 함께 부스트 컨버터의 작동을 설명합니다. 벅 컨버터는 입력보다 적은 DC 출력 전압을 생성합니다. 즉, 공급 전압을 낮추거나 줄입니다. 비디오 "DC /DC 벅 컨버터"는 벅 컨버터가 작동하는 방법에 대해 설명하고 HiRel 파워 폴 보드의 실험으로 사용을 보여줍니다. 플라이백 컨버터는 DC 입력보다 크거나 적을 수 있는 DC 출력 전압을 생성합니다. 비디오 "플라이백 컨버터"를 시청하여 부스트 컨버터가 있는 벅 컨버터의 결합에서 파생된 방법을 확인하여 둘 다의 동작을 확보하십시오.

당신은 방금 조브가 히렐 파워 폴 보드에 소개하는 것을 보았습니다. 이제 보드의 디자인, 설정 방법 및 DC-DC 컨버터 회로실험에 사용하는 방법을 이해해야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다!

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

PWM 펄스는 오실로스코프 화면에서 볼 수 있을 것으로 예상됩니다. 듀티 사이클은 MOSFET 또는 기타 반도체능동 제어 스위치가 켜진 기간을 조정하므로 DC/DC 컨버터의 주요 제어 변수입니다. DC/DC 컨버터의 모든 입력 출력 전압 관계는 일부 컨버터 topologies의 다른 변수와 함께 이 의무 비율의 값에 의존합니다.

구성 요소의 최대 작동 빈도는 구성 요소 유형 및 설계에 따라 다르기 때문에 스위칭 주파수는 구성 요소 선택에 매우 중요합니다. 스위칭 주파수가 높을수록 일반적으로 전압과 전류 잔물결이 작지만 커패시터와 인덕터가 필요합니다.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Applications and Summary

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

DC/DC 컨버터는 전자 장치를 충전하고 다른 많은 전자 회로에 전원을 공급하는 데 사용되는 DC 전원 공급 장치에서 매우 일반적입니다. 예를 들어, 모든 모터 드라이브에는 저전력 전자 장치, 보호 회로 및 고출력 게이트 드라이브에 전력을 공급하기 위해 몇 가지 작은 DC 전원 공급 장치가 필요합니다. 컴퓨터 프로세서 및 기타 주변 장치 및 액세서리는 DC 전원 공급 장치에 의해 제공되는 매우 잘 조절된 DC 전압이 필요합니다. 태양광 태양광 패널과 같은 재생 에너지 시스템은 태양광 의 조광 및 주변 온도가 변하기 때문에 패널의 DC 출력 전압을 조절하기 위해 DC/DC 컨버터가 필요합니다. 더 많은 산업, 운송, 군사 및 기타 응용 분야는 고효율, 고성능 및 우수한 규제로 인해 선형 규제 대신 DC/DC 컨버터를 사용합니다.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Transcript

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the English version.

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter