Convertitore buck (riduttore) DC-DC

Panoramica

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

Mentre è semplice aumentare o ridurre le tensioni e le correnti CA utilizzando i trasformatori, l'aumento o la diminuzione delle tensioni e delle correnti CC in modo efficiente e regolato richiede la commutazione dei convertitori di potenza. Il convertitore buck DC/DC taglia la tensione DC in ingresso utilizzando un interruttore di ingresso in serie e la tensione tritata viene filtrata attraverso il filtro passa-basso L-C per estrarre la tensione media di uscita. Il diodo fornisce un percorso per la corrente dell'induttore quando l'interruttore è spento per parte del periodo di commutazione. La tensione di uscita è inferiore o uguale alla tensione di ingresso.

L'obiettivo di questo esperimento è quello di studiare diverse caratteristiche di un convertitore buck. La capacità di step-down 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.

Procedura

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 conversione buck che può essere costruito su schede proto, schede bread o circuiti stampati.

1. Configurazione

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Risultati

Si prevede che la relazione tensione di uscita-ingresso di un convertitore buck ideale sia correlata al ciclo di lavoro o al rapporto di lavoro D. Se la tensione di ingresso è V_in e la tensione di uscita è V_out_, V_out/V_in= D, dove 0≤D≤ 100%. Pertanto, per una tensione di ingresso di 24 V, V_{in uscita}≈ 12 V per D = 50%, V_ou_t≈ 7,2 ...

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Applicazione e Riepilogo

I convertitori Buck sono molto comuni nei caricabatterie per dispositivi elettronici dove forniscono un'eccellente regolazione della tensione richiesta per la ricarica della batteria. Sono comunemente usati negli alimentatori che alimentano computer, circuiti integrati e schede elettroniche, nonché in applicazioni di energia rinnovabile e sistemi alimentati a batteria.

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DC DC Buck Converter DC Output Voltage Input Voltage Linear Regulator Resistive Components Reactive Components Switch Low Pass Filter Inductor Capacitor Output Voltage Electronic Switch Bipolar Transistor MOSFET Diode Load Digital Pulse Train

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 conversione buck che può essere costruito su schede proto, schede bread o circuiti stampati.

1. Configurazione della scheda

Collegare l'alimentazione del segnale ±12 al connettore "DIN" ma mantenere "S90" OFF.
Assicurarsi che il selettore di controllo PWM si trova nella posizione a ciclo aperto.
Impostare l'alimentazione CC a 24 V. Tenere l'uscita scollegata dalla scheda.
Prima di collegare la resistenza di carico, regolarla a 12 Ω.
Costruire il circuito mostrato in Fig. 2 utilizzando il MOSFET superiore, il diodo inferiore e la scheda magnetica BB. Registrare il valore di induttanza mostrato nella scheda. Si noti che la scheda magnetica BB ha un induttore con due terminali che si collegano alla scheda del convertitore DC-DC (power-pole).
1. Collegare "R_L"attraverso "V2+" e "COM".
2. Assicurarsi che l'array di switch per la selezione MOSFET, la selezione PWM e altre impostazioni siano come mostrato in Fig. 2.

Figura 2. Circuito convertitore Buck

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

Collegare la sonda differenziale attraverso il cancello alla sorgente del MOSFET superiore.
Attiva "S90". Un segnale di commutazione dovrebbe apparire sullo schermo dell'oscilloscopio.
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 10μs).
3. Regolare il potenziometro del rapporto di lavoro per ottenere un rapporto di servizio del 50%.

3. Test del convertitore Buck per l'input variabile

Collegare l'alimentatore CC in ingresso, che è già impostato a 24 V, su "V1+" e "COM".
Collegare la sonda differenziale attraverso il cancello alla sorgente del MOSFET superiore.
1. Collegare l'altra sonda attraverso il carico. Assicurarsi che il connettore di terra sia collegato a "COM".
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).
1. Registrare le letture di corrente e tensione in ingresso sull'alimentatore CC.
Regolare la tensione di ingresso a 21 V, 18 V e 15 V e ripetere i passaggi precedenti per ciascuna di queste tensioni.
Scollegare l'alimentazione CC in ingresso e regolarne l'uscita a 24 V.

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

Collegare la sonda differenziale attraverso il cancello alla sorgente del MOSFET superiore.
1. Collegare l'altra sonda attraverso il carico. Assicurarsi che il connettore di terra sia collegato a "COM".
Collegare l'alimentazione CC di ingresso impostata su 24 V tra "V1+" e "COM".
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).
1. Registrare le letture di corrente e tensione in ingresso sull'alimentatore CC.
2. Regola il rapporto di servizio per tre passaggi a tua scelta tra il 30% e il 70%. Ripetere i passaggi precedenti per ciascuno di questi tre rapporti di servizio.
Reimpostare il rapporto di servizio al 50%.
Scollegare l'alimentazione CC in ingresso.

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

Collegare la sonda differenziale attraverso il cancello alla sorgente del MOSFET superiore.
Collegare l'altra sonda attraverso il carico. Assicurarsi che il connettore di terra sia collegato a "COM".
Collegare l'alimentazione CC di ingresso a "V1+" e "COM".
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).
1. Registrare la corrente di ingresso e la lettura della tensione sull'alimentatore CC.
2. Regola la frequenza di commutazione per tre passaggi a tua scelta tra 5 kHz e 40 kHz. Ripetere i passaggi precedenti per ciascuno di questi tre rapporti di servizio.
Spegnere l'alimentazione CC di ingresso e "S90", quindi smontare il circuito.

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