Fuente: Ali Bazzi, Departamento de ingeniería eléctrica, Universidad de Connecticut, Storrs, CT.

Convertidores Boost proporcionan una solución versátil para intensificar los voltajes DC en muchas aplicaciones donde un voltaje DC debe ser aumentado sin necesidad de convertir a la CA, utilizando un transformador y luego rectificar la salida del transformador. Convertidores Boost son convertidores elevadores que utilizan un inductor como un dispositivo de almacenamiento de energía que apoya la salida con energía adicional además de la fuente de entrada de DC. Esto hace que la tensión de salida impulsar.

El objetivo de este experimento es estudiar diversas características de un convertidor boost. Se observará la capacidad de Step-up del convertidor en modo de conducción continua (MCC) donde el corriente del inductor es cero. Se utilizará la operación de bucle abierto con una relación de deber conjunto manualmente. Se observará una aproximación de la relación insumo-producto.

Un convertidor boost se basa en la energía almacenada en el inductor, L, para suministrar energía a la parte de salida donde se apoya la carga, además de una fuente de continua siendo la principal fuente de energía. El concepto principal detrás de la operación de convertidor boost es que un inductor moverá de un tirón su polaridad de tensión para mantener el flujo de corriente. Como se muestra en la figura 1 para un circuito de convertidor boost simple, cuando el interruptor está encendido para un ciclo de trabajo D el período de conmutación T, voltaje inductor acumula V_L . Cuando el interruptor está apagado, el inductor actual tiene que seguir fluyendo y por lo tanto, la polaridad de voltaje del inductor moverá de un tirón para agregar a la tensión de entrada V_en.

Sin embargo, cuando el interruptor está encendido, la carga es cortocircuitada y la tensión de salida es cero, lo que no se desea. Por lo tanto, un diodo de bloqueo se agrega en el lado de salida como se muestra en la figura 1 para evitar que la carga esté cortocircuitado. Este diodo todavía no resuelve el problema de la carga no ver ningún voltaje cuando el interruptor está encendido, por lo que se añade un condensador como se muestra en la figura 1 para proporcionar la carga de corriente necesaria durante el período cuando el interruptor está en. Tenga en cuenta que cuando el interruptor está encendido, el diodo está apagado (retorno parcial) y viceversa. El voltaje de salida promedio se relaciona así con la tensión de entrada como: <_a> = V_en/(1-D).

Figura 1. Pasos para la construcción de un convertidor boost

Como producto de este experimento, se mostrará que el voltaje de salida promedio aumenta a medida que el ciclo de trabajo, D, aumenta. Esto es cierto ya que la tensión de salida a la relación de voltaje de entrada es inversamente proporcional a -D, y por lo tanto el voltaje de la salida y la D tienen una correlación positiva.

Tenga en cuenta que la ecuación presentada es para un convertidor ideal y puede parecer como si una D = 1 producirá tensión de salida infinita, pero eso no es cierto. En realidad, elementos parásitos y resistencias en la causa de convertidor boost D limitarse a alrededor del 70-80% después de que los efectos parásitos comienzan a dominar la operación del circuito y causa caídas de voltaje significativo. En tal punto, el voltaje de salida empieza a disminuir a medida que aumenta el D . Con mayores frecuencias de conmutación, la ondulación de voltaje a la salida disminuirá desde el voltaje de carga y tiempos de descarga en el condensador significativamente más cortos con una menor frecuencia de conmutación.

Atención: Este experimento está diseñado para limitar la tensión de salida para ser menos de 50V DC. Sólo uso deber proporciones, frecuencias, voltaje de entrada o cargas que se dan aquí.

Este experimento utilizará el tablero de convertidor DC-DC proporcionado por sistemas de HiRel. http://www.hirelsystems.com/shop/Power-pole-Board.html

Información sobre el funcionamiento de la Junta se puede encontrar en este video de colecciones "Introducción a la Junta de HiRel".

El procedimiento que se muestra a continuación se aplica a cualquier circuito de convertidor boost simple puede ser construido en proto boards, tablas de pan o placas de circuito impreso.

1. configuración de Junta Directiva:

1. Conecte la fuente de señal de ±12 en el conector "DIN" pero tener "S90" OFF.
2. Asegúrese que el selector de control PWM está en la posición de lazo abierto.
3. Establecer la fuente de alimentación de 10 V.
   1. Mantener la salida desconectada de la placa por ahora.
4. Antes de conectar la resistencia de carga, ajustar a 20 Ω.
5. Construya el circuito mostrado en la figura 2 utilizando el MOSFET inferior diodo superior y tablero magnético de BB.
   1. Tenga en cuenta el valor de inductancia que se muestra en el tablero.
6. Conectar "R_L"a través "V1 +" y "COM."
   1. Tenga en cuenta que las conexiones de entrada y salidas son volteadas en comparación con aquellos en el experimento de convertidor buck.
   2. Nunca desconecte la carga durante el experimento como el convertidor puede volverse inestable y causar daños a la Junta.
   3. Asegúrese de que la matriz de interruptor para selección de MOSFET (MOSFET inferior), selección de PWM y otras configuraciones son correctas lograr un circuito funcional como en la figura 2.

Figura 2 . Impulsar el circuito de convertidor

2. ajustar la relación de trabajo y frecuencia de conmutación

1. Conecte la sonda diferencial a través de la puerta-fuente del MOSFET inferior.
2. Encienda "S90." Una señal de conexión aparecerá la pantalla alcance.
   1. Ajuste el eje de tiempo de señal para ver dos o tres períodos.
   2. Ajuste el potenciómetro de frecuencia para alcanzar una frecuencia de 100 kHz (período de 10 μs).
3. Ajuste el potenciómetro de relación de trabajo para lograr una relación de trabajo del 10% (en vez de 1 μs).

3. convertidor prueba de entrada Variable

1. Conecte la entrada fuente de alimentación, que ya está establecida en 10 V, y "V2 +" y "COM."
2. Conecte la sonda diferencial para medir el inductor corriente "CS5".
   1. Conectar la otra sonda a través de la carga. Asegúrese de que el conector de tierra está conectado a "COM."
   2. Capturar las formas de onda y medir la salida tensión media, ondulación actual inductor y media actual de inductor.
   3. Apunte la corriente de entrada y las lecturas de voltaje en la fuente de alimentación.
3. Ajuste la tensión de entrada a 8 V, 12 V y 14 V y repita los pasos anteriores para cada uno de estos voltajes.
4. Desconecte la entrada DC de la fuente y ajustar su producción a 10 V.

4. convertidor prueba derecho Variable relación

1. Conecte la sonda diferencial a través de la puerta a la fuente del MOSFET inferior.
   1. Conectar la otra sonda a través de la carga. Asegúrese de que el conector de tierra está conectado a "COM."
   2. Conecte la entrada fuente de DC "V2 +" y "COM."
   3. Capturar las formas de onda y medir la salida tensión media y en vez de la tensión compuerta a fuente (también la relación de deber).
   4. Apunte la corriente de entrada y las lecturas de voltaje en la fuente de alimentación.
2. Ajustar la relación de trabajo al 20%, 40% y 60%. Repita los pasos anteriores para cada uno de estos cocientes de tres derechos.
3. Restablecer la relación de trabajo al 10%.
4. Desconecte la fuente de entrada.

5. impulsar el convertidor de prueba para la Variable frecuencia de conmutación

1. Conecte la sonda diferencial a través de la puerta a la fuente del MOSFET inferior.
2. Conectar la otra sonda a través de la carga con el conector de tierra conectado a "COM."
3. Conecte la entrada fuente de DC "V2 +" y "COM."
4. Ajustar la frecuencia de conmutación a 70 kHz.
5. Capturar las formas de onda y medir la salida tensión media y en vez de la tensión compuerta a fuente (también la relación de deber).
6. Registro la entrada de corriente y voltaje en la alimentación de CC de la fuente.
7. Ajustar la frecuencia de conmutación de 40 kHz, 20 kHz y 10 kHz (o mínimo posible si no se puede llegar a 10 kHz).
8. Repita los pasos anteriores para cada una de estas tres frecuencias de conmutación.
9. Apague la fuente de entrada y "S90" y luego desmontar el circuito.

La relación de voltaje de salida-entrada convertidor boost es proporcional al ciclo de deber en el sentido que mayor D producirá mayores voltajes de salida para una tensión de entrada dada. Si el voltaje de entrada es V_eny la tensión de salida es V_a, V_{a /}V_en= 1 / (1 -D), donde 0≤D≤ 100%. Por lo tanto, para un voltaje de entrada de 10 V, V_a≈ 12,5 V para D = 20%, V_a≈ 16.67 V d= 40% y V_a≈ 25 V para D = 60%.

Sin embargo, la tensión de salida será menor de lo esperado de la relación ideal, que es lineal con la relación de trabajo. La razón principal es que el modelo de convertidor ideal de que la relación Va/v_en puede ser derivada no tiene en cuenta para no ideales y caídas de voltaje en el convertidor. Teóricamente, como D→100%, V_a→∞; prácticamente, es un límite teórico de la capacidad de refuerzo alrededor de 3-4 x la tensión de entrada, y después de un cierto nivel de D, la tensión de salida del convertidor comienza a caer en lugar de ser impulsado por elementos parásitos y no son ideales en un verdadero convertidor.

Convertidores Boost son muy comunes en aplicaciones de energía solar fotovoltaicas donde la tensión de entrada del panel solar varía con las condiciones climáticas y disponibilidad de energía solar y un convertidor puede aumentar siempre de la tensión del panel PV. Corrección de factor de potencia para mejorar la calidad de la energía de la rejilla para uso general con energía electrónica cargas que requieran gran potencia reactiva, por ejemplo motores, es otra importante aplicación de convertidores boost.