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Introduzione alla scheda con polo di alimentazione
 
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Introduzione alla scheda con polo di alimentazione

Overview

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

I convertitori DC/ DC sono convertitori elettronici di potenza che convertono tensioni e correnti CC da un certo livello a un altro livello. In genere, la conversione di tensione è lo scopo principale dei convertitori CC / CC e tre tipi principali di conversione esistono in un singolo convertitore: salire, scendere e salire o scendere. Tra i convertitori step-up più comuni ci sono i convertitori boost (fare riferimento a questo video di raccolta: DC / DC Boost Converter), mentre tra i convertitori step-down più comuni ci sono i convertitori buck. (Fare riferimento a questo video della raccolta: DC/DC Buck Converter.) I convertitori buck-boost sono anche comuni per eseguire funzionalità step-up e step-down, e i convertitori flyback possono essere considerati come tipi speciali di convertitori buck-boost in cui si ottiene l'isolamento elettrico tra le porte di ingresso e uscita. (Fare riferimento a questo video della raccolta: Flyback Converter.)

Le topologie dei convertitori DC/DC sono numerose e il loro controllo, modellazione e miglioramenti operativi (ad esempio efficienza, affidabilità, prestazioni, ecc.) sono aree di continuo interesse. La scheda HiRel Power Pole presentata in questo esperimento fornisce uno strumento molto flessibile per studiare e analizzare le prestazioni del convertitore boost, buck e flyback, il tutto su una singola scheda.

L'obiettivo di questo esperimento è quello di introdurre i principali componenti e le capacità della Power Pole Board dei sistemi HiRel, che è la scheda utilizzata in tre esperimenti su convertitori DC / DC.

Principles

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La scheda HiRel Power Pole ha cinque principali aree di sottocircuito che sono etichettate in Fig. 1. (Le aree etichettate in Fig. 1 sono approssimative.) La prima area (rossa) include il lato primario che ha condensatori filtranti, un sensore di corrente e connettori etichettati "V1" e "COM", che possono connettersi a una fonte di tensione o carico CC. La Fig. 2 mostra uno zoom nella prima area con componenti etichettati.

La seconda area (gialla) comprende il lato secondario, che ha condensatori filtranti, un sensore di corrente e connettori etichettati "V2" e "COM", che si collegano a una fonte di tensione CC o al carico mostrato come resistenza di potenza planare. La Fig. 3 mostra uno zoom nella seconda area con componenti etichettati. La prima o la seconda area possono essere utilizzate per connettersi a una fonte di tensione CC, ad esempio l'alimentazione CC, mentre l'altra si collega a un carico. Si noti che quando la seconda area è collegata a una sorgente, la resistenza di carico può essere dissolata dalla scheda o lasciata senza avere un impatto sul funzionamento del convertitore in quanto verrebbe alimentata direttamente dalla sorgente di tensione CC.

La terza area (verde) è l'area del polo elettrico, dove sono collegati due MOSFET e due diodi. La prima "gamba" comprende un MOSFET superiore e un diodo inferiore, mentre la seconda "gamba" comprende un diodo superiore e un MOSFET inferiore. I componenti effettivi del MOSFET e del diodo superiore sono montati sullo stesso dissipatore di calore nel rettangolo verde della Fig. 1 in alto a sinistra, mentre il MOSFET e il diodo inferiori sono montati sullo stesso dissipatore di calore in basso a sinistra nel rettangolo verde in Fig. 1. Una vista di zoom su quell'area è mostrata in Fig. 4. L'altro piccolo rettangolo verde include gate driver che prendono un impulso di commutazione a bassa potenza, ad esempio un segnale modulato in larghezza di impulso, e lo convertono ai livelli di tensione appropriati che possono accendere e spegnere i MOSFET.

La quarta area (blu) ha quattro punti di collegamento in cui è possibile montare una scheda figlia che include un componente magnetico. Due schede sono utilizzate con questa scheda per gli esperimenti di conversione DC / DC: la prima scheda è la scheda BB, mostrata in Fig. 5, che include un induttore approssimativo di 100 μH; e la seconda scheda è la scheda flyback, mostrata in Fig. 6, che include un induttore o trasformatore accoppiato flyback insieme al suo circuito snubber R-C-Diode. Il circuito snubber aiuta a fornire un percorso per l'energia immagazzinata dal lato del trasformatore primario in una delle modalità operative del convertitore flyback.

La quinta area comprende l'elettronica a bassa potenza che genera impulsi di commutazione ai MOSFET e fornisce protezione alla scheda, compresa la protezione da sovracorrente e sovratensione. Un alimentatore CC separato è collegato in basso a sinistra della scheda, accanto all'interruttore "S90" che accende l'alimentazione a tutti i circuiti a bassa potenza in modo che il lato ad alta potenza, cioè le aree 1-4, possa funzionare correttamente. L'alimentatore CC esterno e il relativo connettore che si collega alla scheda Power Pole sono mostrati rispettivamente in Fig. 7 e 8.

Figure 1
Figura 1: HiRel Power Pole Board con cinque aree principali Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2: Zoom avanti dell'Area 1.

Figure 3
Figura 3: Zoom dell'area 2.

Figure 4
Figura 4: Zoom dell'area 3.

Figure 5
Figura 5: BB Board.

Figure 6
Figura 6: Flyback Board.

Figure 7
Figura 7: Alimentatore esterno per l'elettronica a bassa potenza.

Figure 8
Figura 8: Connettore di alimentazione esterno.

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Procedure

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Questa procedura si concentra principalmente sulla capacità della scheda Power Pole di regolare gli impulsi di commutazione sui MOSFET superiori e inferiori

1. Configurazione

  1. Collegare l'alimentatore CC esterno alla scheda Power Pole.
  2. Attiva "S90".
  3. Osserva che il LED verde si accende.
  4. Controlla le posizioni di "S90" e il LED verde in Fig. 9.
  5. Posizionare il secondo interruttore scorrevole nell'array di interruttori blu su "Int. PWM. Controllare la posizione dell'array di interruttori scorrevoli in Fig.10.
    1. PWM" significa che l'impulso di commutazione (PWM: Pulse width modulation) a entrambi i MOSFET viene generato sulla scheda Power Pole stessa.
    2. PWM" significa che l'impulso di commutazione a uno dei MOSFET è generato da una sorgente esterna, ad esempio generatore di funzioni o microcontrollore.
  6. Posizionare il primo interruttore scorrevole nell'array blu su "TOP FET". Sulla Power Pole Board viene generato un solo segnale PWM, pertanto uno dei MOSFET deve essere selezionato come impulso ricevente. Una volta selezionato un MOSFET, quel MOSFET dovrebbe ora essere in grado di accendersi e spegnersi.
    1. La selezione TOP FET "significa che il MOSFET superiore riceverà l'impulso di commutazione.
    2. LA SELEZIONE BOT FET" significa che il MOSFET inferiore riceverà l'impulso di commutazione.

Figure 9
Figura 9. Connettore di alimentazione esterno, interruttore principale e indicatore LED

Figure 10
Figura 10. Matrice di interruttori a scorrimento

2. Misurazioni per monitorare gli impulsi mosFET Gate

  1. Accendere un oscilloscopio.
  2. Collegare una sonda 10x normale al canale 1 dell'oscilloscopio.
  3. Impostare il canale 1 dell'oscilloscopio in modo che sia in accoppiamento CC per vedere l'offset PWM.
  4. Impostare il canale 1 da ridimensionare per una sonda 10x.
  5. Impostare le misurazioni sull'oscilloscopio per misurare la frequenza e il ciclo di lavoro positivo del segnale da misurare sul canale 1.
  6. Agganciare la clip di misura della sonda al perno "PWM" mostrato in Fig. 10.
  7. Collegare la sonda a terra al pin "GND" mostrato in Fig. 10.
  8. Sullo schermo dell'oscilloscopio, osservare un treno di impulsi che è il segnale PWM che va al gate driver dell'interruttore superiore.
    1. Per assicurarsi che il MOSFET superiore stia commutando, rimuovere la clip di misura della sonda e agganciarla al perno "Gate" in alto a sinistra del MOSFET superiore mostrato in Fig. 11. Dovresti osservare una forma d'onda simile a quella che hai visto quando il pin PWM veniva sondato.
    2. Per assicurarsi che il MOSFET inferiore non stia cambiando, rimuovere la clip di misura della sonda dal pin "Gate" superiore e posizionarla sul pin "Gate" inferiore mostrato in Fig. 11. Dovresti osservare la tensione zero.
  9. Ricommettere la clip della sonda sul pin "PWM".
  10. Regolare il ciclo di lavoro del segnale "PWM" cambiando la manopola del potenziometro mostrata in Fig. 12. Andare in senso orario aumenta il ciclo di lavoro da zero a 100% e andare in senso antiorario lo diminuisce.
  11. Regolare la frequenza PWM ruotando la vite del potenziometro mostrata in Fig. 13. Utilizzare un piccolo cacciavite per regolare la posizione della vite.
    1. Osservare che il numero di impulsi visualizzati sullo schermo dell'oscilloscopio aumenta o diminuisce man mano che il potenziometro viene regolato.
  12. Ripetere la procedura di cui sopra con la selezione BOT FET e verificare che il gate MOSFET inferiore veda ora un impulso di commutazione

Figure 11
Figura 11: Pin di segnale del gate.

Figure 12
Figura 12: Regolazione del ciclo di lavoro del potenziometro.

Figure 13
Figura 13: Potenziometro per la regolazione della frequenza

3. Spegni il circuito

  1. Disattiva "S90".
  2. Scollegare l'alimentatore CC esterno.
  3. Scollegare l'oscilloscopio da entrambi i lati.
  4. Spegnere l'oscilloscopio.

La HiRel Power Pole Board è uno strumento per studiare e analizzare le prestazioni di semplici circuiti convertitore DC-DC. I convertitori DC-DC prendono ingressi di tensione DC e producono uscite di tensione DC con un valore diverso. Ad esempio, i convertitori boost aumentano la tensione, mentre i convertitori buck abbassano la tensione. Questi convertitori possono essere assemblati e testati su una bread board, ma possono essere valutati più semplicemente utilizzando una scheda dimostrativa prefabbricata, come la HiRel Systems Power Pole Board. Questo video introdurrà i principali componenti e funzionalità della Power Pole Board, che viene utilizzata negli esperimenti con convertitori boost, buck e flyback in questa collezione.

La HiRel Power Pole Board ha cinque sezioni principali. Il primo è il lato primario, che ha condensatori filtranti utilizzati nei circuiti del convertitore, un sensore per misurare la corrente attraverso il circuito e connettori V1 e COM che si collegano a una fonte di tensione CC o a un carico. La seconda sezione è il lato secondario, che ha anche condensatori filtranti e un sensore di corrente. In questa sezione sono inclusi connettori denominati V2 e COM che si collegano a una sorgente di tensione CC o a un carico. Qui il carico è mostrato come un resistore di potenza planare. Per gli esperimenti di conversione DC-DC in questa raccolta, il carico è un potenziometro di potenza, che può essere regolato in base ai requisiti del circuito e del test. A seconda della tipologia di convertitore, una di queste due sezioni funge da lato di ingresso, collegato a una sorgente di tensione CC, mentre l'altra è il lato di uscita collegato a un carico. La terza sezione è il polo di alimentazione, che contiene i componenti al centro del processo di conversione DC-DC. Il polo di alimentazione ha due transistor a effetto di campo a semiconduttore di ossido di metallo, o MOSFET, e due diodi. Il MOSFET superiore e il diodo superiore sono montati uno dietro l'altro su un singolo dissipatore di calore. Allo stesso modo, il MOSFET inferiore e il diodo inferiore sono montati su un dissipatore di calore. In questa sezione sono inclusi anche i gate driver che convertono un segnale di commutazione ai livelli di tensione che accendono e spegnino i MOSFET. La quarta sezione ha connessioni per una scheda figlia, che trasporta un componente magnetico, come un induttore o un trasformatore. Due schede figlie sono utilizzate per gli esperimenti di conversione DC-DC: la scheda BB e la scheda flyback. La quinta sezione contiene elettronica che genera impulsi di commutazione per i MOSFET e fornisce protezione da sovracorrente e sovratensione per il circuito. Un alimentatore CC esterno può essere collegato alla scheda HiRel Power Pole tramite un connettore DIN. L'interruttore principale S90, che si trova accanto al connettore DIN, accende tutti i circuiti a bassa potenza sulla scheda. Ora che abbiamo visto le sezioni principali della HiRel Power Pole Board, impostiamo la scheda e mostriamo come verrà utilizzata nei circuiti di conversione DC-DC.

Prima di utilizzare la Power Pole Board, è necessario configurarla per generare impulsi di commutazione per i MOSFET. Innanzitutto, collegare l'alimentatore CC esterno al connettore DIN. Quindi, attiva l'interruttore principale S90. Il LED verde dello switch S90 si illumina per indicare che l'alimentazione viene applicata alla scheda. Individuare il selettore del banco di commutazione S30 e impostare il primo interruttore su TOP FET. Con questa impostazione, gli impulsi che accendono e spegnino i MOSFET controllano il MOSFET superiore. Se questo interruttore è impostato su BOTTOM FET, gli impulsi controllano il MOSFET inferiore. Ora, imposta il secondo interruttore su PWM Internal. In questa posizione, l'impulso con segnali modulati generati sulla scheda accende e spegne il MOSFET selezionato. Se questo interruttore è impostato su PWM External, una sorgente esterna, come un generatore di funzioni o un microcontroller, controlla il MOSFET.

Collegare una sonda 10X al canale 1 di un oscilloscopio. Agganciare il mozzo della sonda al terminale di terra della scheda e la punta della sonda al terminale PWM. Per visualizzare l'offset dell'impulso con segnale modulato, impostare Scope Channel 1 per l'accoppiamento DC. Lo schermo dell'oscilloscopio dovrebbe mostrare un treno di impulsi al conducente per il MOSFET superiore. Controllare direttamente il segnale di controllo rimuovendo la punta della sonda dal terminale PWN e agganciandola al terminale del gate dal MOSFET superiore. Un treno di impulsi dovrebbe essere visibile sull'oscilloscopio. Agganciare nuovamente la punta della sonda al terminale PWM. Il rapporto di servizio di questo treno di impulsi determina il tempo di on del MOSFET come percentuale del periodo. Questo rapporto di servizio è una variabile di controllo importante perché influenza la relazione tra le tensioni di ingresso e di uscita di un convertitore DC-DC. Per modificare il rapporto di servizio dell'impulso con segnale modulato, regolare il potenziometro RV64. Il rapporto di servizio può variare da zero a uno. Poiché la frequenza operativa massima di un componente è per tipo e progettazione, la frequenza di commutazione è un parametro critico per le prestazioni dei convertitori CC-CC. Inoltre, frequenze di commutazione più elevate in genere producono tensioni di uscita e increspature di corrente più piccole per una determinata combinazione di condensatore e induttore. Modificare la frequenza dell'impulso con segnale modulato regolando il potenziometro RV60. Osservare come il numero di impulsi sullo schermo dell'oscilloscopio aumenta o diminuisce man mano che il potenziometro viene regolato. Quindi, impostare il primo interruttore del selettore del banco di commutazione S30 su BOTTOM FET. Rimuovere la punta della sonda dal terminale PWM e agganciarla al terminale gate dal MOSFET inferiore. Infine, confermare che il gate del MOSFET inferiore riceva l'impulso di commutazione.

Grazie alla loro elevata efficienza e all'eccellente regolazione, i convertitori DC-DC sono utilizzati in molte applicazioni commerciali. Tre convertitori comuni sono introdotti qui e trattati nei video successivi in questa raccolta. I convertitori Boost generano una tensione di uscita CC maggiore dell'ingresso CC, aumentando così la tensione di alimentazione. Il video "DC/DC Boost Converter" spiega il funzionamento dei convertitori boost, accompagnato da esperimenti che utilizzano la HiRel Power Pole Board. I convertitori Buck generano una tensione di uscita CC inferiore all'ingresso. In altre parole, allacciare o diminuire la tensione di alimentazione. Il video "DC/DC Buck Converter" discute come funzionano i convertitori buck e dimostra il loro uso con esperimenti sulla HiRel Power Pole Board. I convertitori Flyback generano una tensione di uscita CC che può essere maggiore o minore dell'ingresso CC. Si prega di guardare il video "Flyback Converter" per vedere come sono derivati dall'unione di un convertitore buck con un convertitore boost per ottenere il comportamento di entrambi.

Hai appena visto l'introduzione di Jove alla HiRel Power Pole Board. Ora dovresti capire il design della scheda, come configurarla e come usarla per esperimenti con circuiti di conversione DC-DC. Grazie per l'attenzione!

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Results

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Un impulso PWM dovrebbe essere visto sullo schermo dell'oscilloscopio. Il ciclo di lavoro è una variabile di controllo importante per il convertitore CC / CC in quanto regola il periodo durante il quale un MOSFET o qualsiasi altro interruttore a controllo attivo a semiconduttore è acceso. Tutte le relazioni di tensione di ingresso-uscita dei convertitori CC/CC si basano sul valore di questo rapporto di servizio, insieme ad altre variabili in alcune topologie di convertitori.

La frequenza di commutazione è fondamentale nella selezione dei componenti in quanto la frequenza operativa massima dei componenti varia in base al tipo di componente e al design. Frequenze di commutazione più elevate in genere producono increspature di tensione e corrente più piccole, ma richiedono condensatori e induttori più grandi.

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Applications and Summary

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I convertitori CC / CC sono molto comuni negli alimentatori CC utilizzati per caricare l'elettronica e per fornire alimentazione a molti altri circuiti elettronici. Ad esempio, qualsiasi azionamento del motore richiederà alcuni alimentatori CC più piccoli per alimentare l'elettronica a bassa potenza, i circuiti di protezione e gli azionamenti gate ad alta potenza. I processori per computer e altre periferiche e accessori richiedono tensioni CC molto ben regolate fornite dagli alimentatori CC. I sistemi di energia rinnovabile, ad esempio i pannelli solari fotovoltaici, richiedono convertitori CC / CC per regolare la tensione di uscita CC dei pannelli, poiché l'irraggiamento solare e la temperatura ambiente variano causando variazioni nella tensione e nelle uscite di corrente del pannello solare. Molte altre applicazioni industriali, di trasporto, militari e di altro livello utilizzano convertitori CC / CC anziché regolatori lineari grazie alla loro elevata efficienza, alle elevate prestazioni e all'eccellente regolazione.

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