dc/dc 升压转换器

Overview

资料来源: Bazzi, 康涅狄格州大学电气工程系, 斯托斯, CT。

升压转换器提供了一种通用的解决方案, 可以在许多应用中增加直流电压, 而无需将其转换为 AC, 使用变压器, 然后整流变压器输出。升压转换器是一步向上转换器, 它使用电感作为能量存储设备, 除了直流输入源之外, 还能支持输出和额外的能量。这会导致输出电压增加。

本实验的目的是研究升压变换器的不同特性。在电感电流为非零的连续传导模式 (CCM) 下, 可以观察到该变流器的步进能力。将使用具有手动设置的占空比的开环操作。将观察输入-输出关系的近似值。

Principles

升压转换器依赖于电感 ( L) 中存储的能量, 用于向负载受支持的输出端提供能量, 此外还有一个 DC 源是主要的能量源。升压转换器操作背后的主要概念是, 电感将翻转其电压极性以保持电流流。如图 1 (a) 所示, 对于一个简单的升压转换器电路, 当开关为一个占空比D的开关周期T, 电感电压V_L建立。当开关关闭时, 电感电流必须继续流动, 因此电感器的电压极性会翻转到_中的输入电压 V。

但是, 当开关打开时, 负载是短短路的, 输出电压为零, 这是不需要的。因此, 在输出端添加一个阻挡二极管, 如图 1 (b) 所示, 以防止负载被短短路。这个二极管仍然没有解决的问题, 看到没有电压时, 开关是打开, 所以一个电容器, 如图 1 (c) 中所示, 以提供必要的电流, 在开关是开机期间的负载。注意, 当开关打开时, 二极管关闭 (反向偏置), 反之亦然。因此, 平均输出电压与输入电压相关, 如: <v_在/(1-D) 中的 > = v.

图1。构建升压转换器的步骤

随着这一实验的进行, 将会证明平均输出电压随着占空比的增加而增加, D。这是真实的, 因为输出电压的输入电压关系是成反比-d, 因此输出电压和d有一个正相关。

请注意, 所给出的方程是一个理想的升压转换器, 并且可能看起来像一个D=1会产生无限的输出电压, 但这不是真的。实际上, 在升压转换器中的寄生元素和电阻会导致D被限制在70-80% 左右, 之后寄生效应开始主导电路操作, 导致显著的电压下降。此时, 随着D的增加, 输出电压开始下降。随着开关频率的提高, 由于电容器的电压充电和放电时间变短, 开关频降低, 输出电压波动会减小。

Procedure

注意: 本实验旨在限制输出电压小于 50V DC。仅使用此处给出的占空比、频率、输入电压或负载。

本实验将利用 HiRel 系统提供的 dc-dc 转换板。http://www.hirelsystems.com/shop/Power-Pole-Board.html

有关主板操作的信息, 请在本集视频 "HiRel 板介绍" 中找到。

这里所示的程序适用于任何简单的升压转换电路, 可以建立在原始板, 面包板, 或印刷电路板。

1. 安装板:

连接±12信号供应在 "DIN" 连接器, 但保持 "S90" 关闭。
确保 PWM 控制选择器处于开环位置。
将直流电源设置为 10 v
1. 现在将输出与主板断开。
在连接负载电阻之前, 将其调整为20Ω。
使用较低的 MOSFET、上二极管和 BB 磁板来构建图2所示的电路。
1. 注意主板上显示的电感值。
在 "V1+" 和 "COM" 之间连接 "R_L"。
1. 请注意, 与降压转换器实验相比, 输入和输出连接是翻转的。
2. 在实验中切勿断开负载, 因为升压转换器可能会变得不稳定, 并对主板造成损坏。
3. 确保开关阵列的 mosfet 选择 (低 mosfet), PWM 选择, 和其他设置是正确的, 以实现一个功能电路如图2。

图 2.升压转换电路

2. 调整占空比和开关频率

将差分探头连接到较低 MOSFET 的栅极源上。
打开 "S90"切换信号应出现在示波器屏幕上。
1. 调整信号时间轴以查看两个或三周期。
2. 调整频率电位器, 实现频率为100赫 (周期为10µs)。
调整占空比电位器达到10% 的占空比 (准时1µs)。

3. 可变输入的升压转换器测试

将输入的直流电源 (已设置为 10 V) 连接到 "V2+" 和 "COM"。
在 "CS5" 上连接差分探头以测量电感电流。
1. 将其他探头连接到负载上。确保接地接头连接到 "COM"。
2. 捕获波形并测量输出电压平均值、电感电流纹波和电感电流平均值。
3. 记录直流电源上的输入电流和电压读数。
将输入电压调整为 8 v、12 v 和 14 v, 并对上述每个电压重复上述步骤。
断开输入直流电源, 并将其输出调整为 10 v。

4. 可变占空比的升压转换器测试

将差分探头通过栅极连接到下部 MOSFET 的源。
1. 将其他探头连接到负载上。确保接地接头连接到 "COM"。
2. 将输入直流电源连接到 "V2+" 和 "COM"。
3. 捕获波形并测量输出电压平均值和门到源电压的时间 (也为占空比)。
4. 记录直流电源上的输入电流和电压读数。
将关税比率调整为20%、40% 和60%。对上述三项工作比率中的每一项, 重复上述步骤。
将占空比重置为10%。
断开输入直流电源。

5. 可变开关频率的升压转换器测试

将差分探头通过栅极连接到下部 MOSFET 的源。
通过连接到 "COM" 的接地连接器, 将其他探头连接到负载上。
将输入直流电源连接到 "V2+" 和 "COM"。
将开关频率调整为70赫。
捕获波形并测量输出电压平均值和门到源电压的时间 (也为占空比)。
记录直流电源上的输入电流和电压读数。
调整开关频率为40赫, 20 赫, 和10赫 (或最低可能, 如果10赫无法达到)。
对于上述三开关频率, 重复上述步骤。
关闭输入直流电源和 "S90", 然后拆卸电路。

Results

升压转换器输出输入电压关系与占空比成正比, 这意味着较高的D将为给定的输入电压产生更高的输出电压。如果输入电压是v_在和输出电压是 v_出_, v_出/V_在= 1/(1-d), 其中 0≤d≤100%。因此, 对于输入电压为 10 v, v_出≈ 12.5 v 为d = 20%, v_出≈ 16.67 v 为d= 40%, 和v_出≈ 25 v 为d = 60%。

然而, 输出电压将低于预期的理想关系, 这是线性的占比。其主要原因是, 可以导出的理想转换器模型在关系_中的 v_出/v不考虑转换器中的非理想和电压下降。理论上, 作为D→100%, V_出→∞;实际上, 对升压能力的一个理论极限是围绕3-4x 输入电压, 并且在某一级别的D之后, 转换器的输出电压开始下降, 而不是由于寄生和非理想元素在实际器.

Application and Summary

升压转换器是非常常见的太阳能光伏应用中的输入电压, 从太阳能电池板变化的天气条件和可用的太阳能, 和升压转换器总是可以提高从光伏面板电压。功率因数校正, 以提高电能质量, 从公用事业网格的电力电子负载, 可能需要大量的无功功率, 如马达, 是另一个主要的应用升压转换器。

注意: 本实验旨在限制输出电压小于 50V DC。仅使用此处给出的占空比、频率、输入电压或负载。

本实验将利用 HiRel 系统提供的 dc-dc 转换板。http://www.hirelsystems.com/shop/Power-Pole-Board.html

有关主板操作的信息, 请在本集视频 "HiRel 板介绍" 中找到。

这里所示的程序适用于任何简单的升压转换电路, 可以建立在原始板, 面包板, 或印刷电路板。

1. 安装板:

连接±12信号供应在 "DIN" 连接器, 但保持 "S90" 关闭。
确保 PWM 控制选择器处于开环位置。
将直流电源设置为 10 v
1. 现在将输出与主板断开。
在连接负载电阻之前, 将其调整为20Ω。
使用较低的 MOSFET、上二极管和 BB 磁板来构建图2所示的电路。
1. 注意主板上显示的电感值。
在 "V1+" 和 "COM" 之间连接 "R_L"。
1. 请注意, 与降压转换器实验相比, 输入和输出连接是翻转的。
2. 在实验中切勿断开负载, 因为升压转换器可能会变得不稳定, 并对主板造成损坏。
3. 确保开关阵列的 mosfet 选择 (低 mosfet), PWM 选择, 和其他设置是正确的, 以实现一个功能电路如图2。

图 2.升压转换电路

2. 调整占空比和开关频率

将差分探头连接到较低 MOSFET 的栅极源上。
打开 "S90"切换信号应出现在示波器屏幕上。
1. 调整信号时间轴以查看两个或三周期。
2. 调整频率电位器, 实现频率为100赫 (周期为10µs)。
调整占空比电位器达到10% 的占空比 (准时1µs)。

3. 可变输入的升压转换器测试

将输入的直流电源 (已设置为 10 V) 连接到 "V2+" 和 "COM"。
在 "CS5" 上连接差分探头以测量电感电流。
1. 将其他探头连接到负载上。确保接地接头连接到 "COM"。
2. 捕获波形并测量输出电压平均值、电感电流纹波和电感电流平均值。
3. 记录直流电源上的输入电流和电压读数。
将输入电压调整为 8 v、12 v 和 14 v, 并对上述每个电压重复上述步骤。
断开输入直流电源, 并将其输出调整为 10 v。

4. 可变占空比的升压转换器测试

将差分探头通过栅极连接到下部 MOSFET 的源。
1. 将其他探头连接到负载上。确保接地接头连接到 "COM"。
2. 将输入直流电源连接到 "V2+" 和 "COM"。
3. 捕获波形并测量输出电压平均值和门到源电压的时间 (也为占空比)。
4. 记录直流电源上的输入电流和电压读数。
将关税比率调整为20%、40% 和60%。对上述三项工作比率中的每一项, 重复上述步骤。
将占空比重置为10%。
断开输入直流电源。

5. 可变开关频率的升压转换器测试

将差分探头通过栅极连接到下部 MOSFET 的源。
通过连接到 "COM" 的接地连接器, 将其他探头连接到负载上。
将输入直流电源连接到 "V2+" 和 "COM"。
将开关频率调整为70赫。
捕获波形并测量输出电压平均值和门到源电压的时间 (也为占空比)。
记录直流电源上的输入电流和电压读数。
调整开关频率为40赫, 20 赫, 和10赫 (或最低可能, 如果10赫无法达到)。
对于上述三开关频率, 重复上述步骤。
关闭输入直流电源和 "S90", 然后拆卸电路。

PLAYLIST

Loading...

版权所属 © 2025 MyJoVE 公司版权所有，本公司不涉及任何医疗业务和医疗服务。