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

I convertitori Boost forniscono una soluzione versatile per aumentare le tensioni CC in molte applicazioni in cui una tensione CC deve essere aumentata senza la necessità di convertirla in CA, utilizzando un trasformatore e quindi rettificando l'uscita del trasformatore. I convertitori Boost sono convertitori step-up che utilizzano un induttore come dispositivo di accumulo di energia che supporta l'uscita con energia aggiuntiva oltre alla sorgente di ingresso CC. Ciò provoca l'aumento della tensione di uscita.

L'obiettivo di questo esperimento è quello di studiare diverse caratteristiche di un convertitore boost. La capacità di step-up del convertitore sarà osservata in modalità di conduzione continua (CCM) in cui la corrente dell'induttore è diversa da zero. Verrà utilizzato il funzionamento a circuito aperto con un rapporto di servizio impostato manualmente. Si osserverà un'approssimazione della relazione input-output.

Un convertitore boost si basa sull'energia immagazzinata nell'induttore, L, per fornire energia al lato di uscita in cui è supportato il carico, oltre a una fonte DC che è la principale fonte di energia. Il concetto principale alla base del funzionamento del convertitore boost è che un induttore invertirà la sua polarità di tensione per mantenere il flusso di corrente. Come mostrato in Fig. 1 (a) per un semplice circuito di convertitore di spinta, quando l'interruttore è acceso per un ciclo di lavoro D del periodo di commutazione T, la tensione dell'induttore V_L si accumula. Quando l'interruttore è spento, la corrente dell'induttore deve continuare a fluire e quindi la polarità di tensione dell'induttore si capovolgerà per aggiungere alla tensione di ingresso V_in.

Tuttavia, quando l'interruttore è acceso, il carico è cortocircuitato e la tensione di uscita è zero, il che non è desiderato. Pertanto, un diodo di blocco viene aggiunto sul lato di uscita come mostrato in Fig. 1 (b) per evitare che il carico venga cortocircuitato. Questo diodo non risolve ancora il problema del carico che non vede tensione quando l'interruttore è acceso, quindi viene aggiunto un condensatore come mostrato in Fig. 1 (c) per fornire al carico la corrente necessaria durante il periodo in cui l'interruttore è acceso. Si noti che quando l'interruttore è acceso, il diodo è spento (polarizzato inverso) e viceversa. La tensione media di uscita è quindi correlata alla tensione di ingresso come: out>=V_in/(1-D).

Figura 1. Passaggi per costruire un convertitore boost

Man mano che questo esperimento procede, verrà dimostrato che la tensione media di uscita aumenta all'aumentare del ciclo di lavoro, D. Questo è vero poiché la relazione tra tensione di uscita e tensione di ingresso è inversamente proporzionale a -D, e quindi la tensione di uscita e D hanno una correlazione positiva.

Si noti che l'equazione presentata è per un convertitore boost ideale, e può sembrare che un D = 1 produrrà una tensione di uscita infinita, ma questo non è vero. In realtà, gli elementi parassiti e le resistenze nel convertitore boost fanno sì che D sia limitato a circa il 70-80%, dopo di che gli effetti parassiti iniziano a dominare il funzionamento del circuito e causano significative cadute di tensione. A tale punto, la tensione di uscita inizia a diminuire all'aumentare di D. Con frequenze di commutazione più elevate, l'ondulazione di tensione all'uscita diminuirà poiché i tempi di carica e scarica della tensione al condensatore diventano significativamente più brevi con una frequenza di commutazione ridotta.

ATTENZIONE: Questo esperimento è progettato per limitare la tensione di uscita a meno di 50V DC. Utilizzare solo i rapporti di servizio, le frequenze, la tensione di ingresso o i carichi indicati qui.

Questo esperimento utilizzerà la scheda convertitore DC-DC fornita da HiRel Systems. http://www.hirelsystems.com/shop/Power-Pole-Board.html

Informazioni sul funzionamento della scheda sono disponibili in questo video di raccolta "Introduzione alla scheda HiRel".

La procedura mostrata qui si applica a qualsiasi semplice circuito di convertitore boost che può essere costruito su schede proto, schede bread o circuiti stampati.

1. Configurazione della scheda:

1. Collegare l'alimentazione del segnale ±12 al connettore "DIN" ma mantenere "S90" OFF.
2. Assicurarsi che il selettore di controllo PWM si trova nella posizione a ciclo aperto.
3. Impostare l'alimentazione DC a 10 V.
   1. Mantenere l'uscita scollegata dalla scheda per ora.
4. Prima di collegare la resistenza di carico, regolarla a 20 Ω.
5. Costruire il circuito mostrato in Fig. 2 utilizzando il MOSFET inferiore, il diodo superiore e la lavagna magnetica BB.
   1. Notare il valore di induttanza mostrato sulla scheda.
6. Collegare "R_L"tra "V1+" e "COM".
   1. Si noti che le connessioni di ingresso e uscita sono capovolte rispetto a quelle dell'esperimento del convertitore buck.
   2. MAI Scollegare il carico durante l'esperimento poiché il convertitore boost può diventare instabile e causare danni alla scheda.
   3. Assicurarsi che l'array di switch per la selezione MOSFET (MOSFET inferiore), la selezione PWM e altre impostazioni siano corrette per ottenere un circuito funzionale come in Fig. 2.

Figura 2. Circuito convertitore Boost

2. Regolazione del rapporto di servizio e della frequenza di commutazione

1. Collegare la sonda differenziale attraverso il gate-to-source del MOSFET inferiore.
2. Attiva "S90". Un segnale di commutazione dovrebbe apparire sullo schermo dell'ambito.
   1. Regolare l'asse temporale del segnale per visualizzare due o tre periodi.
   2. Regolare il potenziometro di frequenza per ottenere una frequenza di 100 kHz (periodo di 10 μs).
3. Regolare il potenziometro del rapporto di servizio per ottenere un rapporto di servizio del 10% (in tempo di 1 μs).

3. Test del convertitore Boost per l'input variabile

1. Collegare l'alimentatore CC in ingresso, che è già impostato a 10 V, a "V2+" e "COM".
2. Collegare la sonda differenziale per misurare la corrente dell'induttore a "CS5".
   1. Collegare l'altra sonda attraverso il carico. Assicurarsi che il connettore di terra sia collegato a "COM".
   2. Acquisire le forme d'onda e misurare la media della tensione di uscita, l'ondulazione della corrente dell'induttore e la media della corrente dell'induttore.
   3. Registrare le letture di corrente e tensione in ingresso sull'alimentatore CC.
3. Regolare la tensione di ingresso a 8 V, 12 V e 14 V e ripetere i passaggi precedenti per ciascuna di queste tensioni.
4. Scollegare l'alimentazione CC in ingresso e regolarne l'uscita a 10 V.

4. Test del convertitore boost per il rapporto di lavoro variabile

1. Collegare la sonda differenziale attraverso il cancello alla sorgente del MOSFET inferiore.
   1. Collegare l'altra sonda attraverso il carico. Assicurarsi che il connettore di terra sia collegato a "COM".
   2. Collegare l'alimentazione CC di ingresso a "V2+" e "COM".
   3. Cattura le forme d'onda e misura la tensione di uscita media e il tempo di uscita della tensione gate-to-source (anche il rapporto di servizio).
   4. Registrare le letture di corrente e tensione in ingresso sull'alimentatore CC.
2. Adeguare il rapporto di dazio al 20%, 40% e 60%. Ripetere i passaggi precedenti per ciascuno di questi tre rapporti di servizio.
3. Ripristinare il rapporto di servizio al 10%.
4. Scollegare l'alimentazione CC in ingresso.

5. Test del convertitore Boost per la frequenza di commutazione variabile

1. Collegare la sonda differenziale attraverso il cancello alla sorgente del MOSFET inferiore.
2. Collegare l'altra sonda attraverso il carico con il connettore di terra collegato a "COM".
3. Collegare l'alimentazione CC di ingresso a "V2+" e "COM".
4. Regolare la frequenza di commutazione a 70 kHz.
5. Cattura le forme d'onda e misura la tensione di uscita media e il tempo di uscita della tensione gate-to-source (anche il rapporto di servizio).
6. Registrare la corrente di ingresso e la lettura della tensione sull'alimentatore CC.
7. Regolare la frequenza di commutazione a 40 kHz, 20 kHz e 10 kHz (o il minimo possibile se non è possibile raggiungere 10 kHz).
8. Ripetere i passaggi precedenti per ciascuna di queste tre frequenze di commutazione.
9. Spegnere l'alimentazione CC di ingresso e "S90", quindi smontare il circuito.

Il rapporto tra tensione di uscita e di ingresso del convertitore boost è proporzionale al ciclo di lavoro, nel senso che un D più alto produrrà tensioni di uscita più elevate per una data tensione di ingresso. Se la tensione di ingresso è V_ine la tensione di uscita è V_out, V_out/V_in= 1/(1-D), dove 0≤D≤ 100%. Pertanto, per una tensione di ingresso di 10 V, V_{in uscita}≈ 12,5 V per D = 20%, V in_uscita≈ 16,67 V per D= 40% e V in_uscita≈ 25 V per D = 60%.

Tuttavia, la tensione di uscita sarà inferiore al previsto dalla relazione ideale, che è lineare con il rapporto di servizio. Il motivo principale è che il modello di convertitore ideale da cui può essere derivato il V_out/V_in relazione non tiene conto delle non idealità e delle cadute di tensione nel convertitore. Teoricamente, come D→100%, V_fuori→∞; in pratica, un limite teorico alla capacità di amplificazione è di circa 3-4 volte la tensione di ingresso, e dopo un certo livello di D, la tensione di uscita del convertitore inizia a scendere piuttosto che essere potenziata a causa di elementi parassiti e non ideali in un convertitore reale.

I convertitori boost sono molto comuni nelle applicazioni solari fotovoltaiche in cui la tensione di ingresso dal pannello solare varia con le condizioni meteorologiche e l'energia solare disponibile, e un convertitore boost può sempre aumentare dalla tensione del pannello fotovoltaico. La correzione del fattore di potenza per migliorare la qualità dell'alimentazione vista dalla rete elettrica con carichi elettronici di potenza che possono richiedere una potenza reattiva significativa, ad esempio i motori, è un'altra importante applicazione dei convertitori boost.