비디오: DC Boost Converters; Testing with Variable Input and Duty Ratio

DC/DC 부스트 컨버터

Overview

출처: 알리 바지, 코네티컷 대학교 전기 공학학과, 스토스, CT.

Boost 컨버터는 변형기를 사용하여 AC로 변환한 다음 변압기 출력을 수정할 필요 없이 DC 전압을 늘려야 하는 많은 응용 분야에서 DC 전압을 강화하는 다목적 솔루션을 제공합니다. 부스트 컨버터는 인덕터를 DC 입력 소스 이외에 추가 에너지로 출력을 지원하는 에너지 저장 장치로 사용하는 스텝업 컨버터입니다. 이로 인해 출력 전압이 향상됩니다.

이 실험의 목적은 부스트 컨버터의 다양한 특성을 연구하는 것입니다. 컨버터의 스텝업 기능은 인덕터 전류가 0이 아닌 연속 전도 모드(CCM)에서 관찰됩니다. 수동으로 설정된 듀티 비율을 가진 개방형 루프 작업이 사용됩니다. 입력 출력 관계의 근사치가 관찰될 것이다.

Principles

부스트 컨버터는 인덕터 L에저장된 에너지에 의존하여 부하가 지원되는 출력 측에 에너지를 공급하며 DC 소스는 주요 에너지원이 됩니다. 부스트 컨버터 작동의 주요 개념은 인덕터가 전류 흐름을 유지하기 위해 전압 극성을 뒤집을 것이라는 것입니다. 간단한 부스트 컨버터 회로에 대해 도 1(a)에 도시된 바와 같이, 스위칭 기간 T의듀티 사이클 D에 스위치가 켜지면 인덕터 전압 V_L이 축적된다. 스위치가 꺼지면 인덕터 전류가 계속 흐르므로 인덕터의 전압 극성이 뒤집히면 입력 전압 _V에추가됩니다.

그러나 스위치가 켜지면 하중이 단락되고 출력 전압이 0으로 되어 원하지 않습니다. 따라서, 블로킹 다이오드가 도 1(b)에 도시된 바와 같이 출력 측에 첨가되어 하중이 단락되는 것을 방지한다. 이 다이오드는 스위치가 켜질 때 전압이 없는 하중문제를 여전히 해결하지 않으므로 스위치가 켜진 기간 동안 필요한 전류를 제공하기 위해 도 1(c)에 도시된 대로 커패시터가 추가됩니다. 스위치가 켜지면 다이오드가 꺼져 있고(역편향됨) 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 따라서 평균 출력 전압은 입력 전압과 관련이 있습니다: 출력>=V/(1-D).

그림 1. 부스트 컨버터 구축 단계

이 실험이 진행됨에 따라, 듀티 사이클, D가증가함에 따라 평균 출력 전압이 증가하는 것으로 나타났습니다. 이는 입력 전압 관계에 대한 출력 전압이 반대로 -D에비례하기 때문에 출력 전압과 D는 양수 상관 관계가 있기 때문에 사실입니다.

제시된 방정식은 이상적인 부스트 컨버터를 위한 것이며 D=1이 무한 출력 전압을 산출하는 것처럼 보일 수 있지만 이는 사실이 아닙니다. 실제로 부스트 컨버터의 기생 요소와 저항으로 인해 D는 약 70-80%로 제한되며, 그 후 기생 효과가 회로 작동을 지배하고 상당한 전압 강하를 야기합니다. 이러한 시점에서 D가 증가함에 따라 출력 전압이 감소하기 시작합니다. 스위칭 주파수가 높을수록 커패시터의 전압 충전 및 방전 시간이 감소하여 스위칭 주파수가 현저히 짧아지기 때문에 출력의 전압 잔물결이 감소합니다.

Procedure

주의: 이 실험은 출력 전압을 50V DC 미만으로 제한하도록 설계되었습니다. 여기에 주어진 듀티 비율, 주파수, 입력 전압 또는 하중만 사용합니다.

이 실험은 HiRel Systems에서 제공하는 DC-DC 컨버터 보드를 활용합니다. http://www.hirelsystems.com/shop/Power-Pole-Board.html

보드 운영에 대한 정보는 이 컬렉션 비디오 "HiRel 보드 소개"에서 찾을 수 있습니다.

여기에 표시된 절차는 프로토 보드, 빵 기판 또는 인쇄 회로 기판에 구축 할 수있는 간단한 부스트 컨버터 회로에 적용됩니다.

1. 보드 설정:

"DIN" 커넥터에서 ±12 신호 공급을 연결하지만 "S90" OFF를 유지합니다.
PWM 제어 선택기가 열린 루프 위치에 있는지 확인합니다.
DC 전원 공급 장치를 10V로 설정합니다.
1. 지금 동안 출력이 보드에서 분리된 상태로 유지합니다.
하중 저항기를 연결하기 전에 20 Ω 조정합니다.
하부 MOSFET, 상부 다이오드 및 BB 자기 보드를 사용하여 도 2에 도시된 회로를 구축한다.
1. 칠판에 표시된 인덕트 값을 기록합니다.
"R_L"을"V1+"와 "COM"에 연결합니다.
1. 입력 및 출력 연결이 벅 컨버터 실험의 연결에 비해 뒤집혀 있습니다.
2. 부스트 컨버터가 불안정해지고 보드에 손상을 줄 수 있으므로 실험 중에 부하를 분리하지 마십시오.
3. MOSFET 선택(하부 MOSFET), PWM 선택 및 기타 설정에 대한 스위치 어레이가 올바른지 확인하여 도 2에서와 같이 기능 회로를 달성하십시오.

그림 2. 부스트 컨버터 회로

2. 의무 비율 조정 및 스위칭 주파수

아래쪽 MOSFET의 게이트-소스를 가로질러 차동 프로브를 연결합니다.
켜기 "S90"을 켭니다. 스위칭 신호가 범위 화면에 나타납니다.
1. 신호 시간 축을 조정하여 2~3개의 기간을 확인합니다.
2. 주파수 전위도계를 조정하여 100kHz(10μs 의 주파수)를 달성합니다.
10%의 관세 비율(1μs의 정시)을 달성하기 위해 관세 비율을 조정합니다.

3. 가변 입력에 대한 변환기 테스트 향상

이미 10V로 설정된 입력 DC 전원 공급 장치를 "V2+" 및 "COM"에 연결합니다.
차동 프로브를 연결하여 "CS5"에서 인덕터 전류를 측정합니다.
1. 다른 프로브를 부하에 연결합니다. 접지 커넥터가 "COM"에 연결되어 있는지 확인합니다.
2. 파형을 캡처하고 출력 전압 평균, 인덕터 전류 리플 및 인덕터 전류 평균을 측정합니다.
3. DC 전원 공급 장치에 입력 전류 및 전압 판독값을 기록합니다.
입력 전압을 8V, 12V 및 14V로 조정하고 이러한 각 전압에 대해 위의 단계를 반복합니다.
입력 DC 공급의 연결을 끊고 출력을 10 V로 조정합니다.

4. 가변 듀티 비율에 대한 부스트 컨버터 테스트

게이트를 가로질러 디포티얼 프로브를 아래쪽 MOSFET의 소스에 연결합니다.
1. 다른 프로브를 부하에 연결합니다. 접지 커넥터가 "COM"에 연결되어 있는지 확인합니다.
2. 입력 DC 공급 장치를 "V2+" 및 "COM"에 연결합니다.
3. 파형을 캡처하고 게이트 대 소스 전압(또한 듀티 비율)의 출력 전압 평균 및 정시 측정합니다.
4. DC 전원 공급 장치에 입력 전류 및 전압 판독값을 기록합니다.
관세비율을 20%, 40%, 60%로 조정합니다. 이 세 가지 의무 비율 각각에 대해 위의 단계를 반복합니다.
관세비율을 10%로 재설정합니다.
입력 DC 공급 의 연결을 끊습니다.

5. 가변 스위칭 주파수에 대한 부스트 컨버터 테스트

게이트를 가로질러 디포티얼 프로브를 아래쪽 MOSFET의 소스에 연결합니다.
다른 프로브를 "COM"에 연결된 접지 커넥터와 부하 를 가로 질러 연결합니다.
입력 DC 공급 장치를 "V2+" 및 "COM"에 연결합니다.
스위칭 주파수를 70kHz로 조정합니다.
파형을 캡처하고 게이트 대 소스 전압(또한 듀티 비율)의 출력 전압 평균 및 정시 측정합니다.
DC 전원 공급 장치에 입력 전류 및 전압 판독값을 기록합니다.
스위칭 주파수를 40kHz, 20kHz 및 10kHz로 조정합니다(또는 10kHz에 도달할 수 없는 경우 최소 가능).
이 세 가지 스위칭 주파수 각각에 대해 위의 단계를 반복합니다.
입력 DC 공급 및 "S90"을 끄고 회로를 분해합니다.

Results

부스트 컨버터 출력 입력 전압 관계는 더 높은 D가 주어진 입력 전압에 대해 더 높은 출력 전압을 산출한다는 점에서 듀티 사이클에 비례합니다. 입력 전압이 _V인이고출력 전압이 V_출력인경우_0≤D가100%≤ 여기서 = 1/(1-D)에서 V_출력/V가꺼진 경우. 따라서, 10V의 입력 전압의 경우, V아웃 ≈은 D = 20%, _V아웃≈ 16.67 V D= 40%, _V아웃 은 D = 60%에 대해 25V를 ≈.

그럼에도 불구하고, 출력 전압은 관세 비율과 선형 이상적인 관계에서 예상보다 낮을 것입니다. 주된 이유는 V_아웃/V의 관계에서 파생될 수 있는 이상적인 컨버터 모델이 컨버터의 비이상성 및 전압 강하를 고려하지 않기 때문입니다. 이론적으로, D로→100%, V_밖으로→∞; 실질적으로 증폭 기능에 대한 이론적 한계는 입력 전압의 약 3-4배이며, 특정 수준의 D이후 컨버터의 출력 전압은 실제 컨버터의 기생 및 비이상 요소로 인해 증폭되기 시작합니다.

Application and Summary

부스트 컨버터는 태양 전지 패널의 입력 전압이 기상 조건 및 사용 가능한 태양 에너지에 따라 다르며 부스트 컨버터가 항상 PV 패널 전압에서 높일 수 있는 태양 광 발전 응용 분야에서 매우 일반적입니다. 동력 과 같은 상당한 반응성 전력이 필요할 수 있는 전력 전자 부하가 있는 유틸리티 그리드에서 볼 수 있듯이 전력 품질을 개선하기 위한 전력 계수 보정은 부스트 컨버터의 또 다른 주요 응용 분야입니다.

주의: 이 실험은 출력 전압을 50V DC 미만으로 제한하도록 설계되었습니다. 여기에 주어진 듀티 비율, 주파수, 입력 전압 또는 하중만 사용합니다.

이 실험은 HiRel Systems에서 제공하는 DC-DC 컨버터 보드를 활용합니다. http://www.hirelsystems.com/shop/Power-Pole-Board.html

보드 운영에 대한 정보는 이 컬렉션 비디오 "HiRel 보드 소개"에서 찾을 수 있습니다.

여기에 표시된 절차는 프로토 보드, 빵 기판 또는 인쇄 회로 기판에 구축 할 수있는 간단한 부스트 컨버터 회로에 적용됩니다.

1. 보드 설정:

"DIN" 커넥터에서 ±12 신호 공급을 연결하지만 "S90" OFF를 유지합니다.
PWM 제어 선택기가 열린 루프 위치에 있는지 확인합니다.
DC 전원 공급 장치를 10V로 설정합니다.
1. 지금 동안 출력이 보드에서 분리된 상태로 유지합니다.
하중 저항기를 연결하기 전에 20 Ω 조정합니다.
하부 MOSFET, 상부 다이오드 및 BB 자기 보드를 사용하여 도 2에 도시된 회로를 구축한다.
1. 칠판에 표시된 인덕트 값을 기록합니다.
"R_L"을"V1+"와 "COM"에 연결합니다.
1. 입력 및 출력 연결이 벅 컨버터 실험의 연결에 비해 뒤집혀 있습니다.
2. 부스트 컨버터가 불안정해지고 보드에 손상을 줄 수 있으므로 실험 중에 부하를 분리하지 마십시오.
3. MOSFET 선택(하부 MOSFET), PWM 선택 및 기타 설정에 대한 스위치 어레이가 올바른지 확인하여 도 2에서와 같이 기능 회로를 달성하십시오.

그림 2. 부스트 컨버터 회로

2. 의무 비율 조정 및 스위칭 주파수

아래쪽 MOSFET의 게이트-소스를 가로질러 차동 프로브를 연결합니다.
켜기 "S90"을 켭니다. 스위칭 신호가 범위 화면에 나타납니다.
1. 신호 시간 축을 조정하여 2~3개의 기간을 확인합니다.
2. 주파수 전위도계를 조정하여 100kHz(10μs 의 주파수)를 달성합니다.
10%의 관세 비율(1μs의 정시)을 달성하기 위해 관세 비율을 조정합니다.

3. 가변 입력에 대한 변환기 테스트 향상

이미 10V로 설정된 입력 DC 전원 공급 장치를 "V2+" 및 "COM"에 연결합니다.
차동 프로브를 연결하여 "CS5"에서 인덕터 전류를 측정합니다.
1. 다른 프로브를 부하에 연결합니다. 접지 커넥터가 "COM"에 연결되어 있는지 확인합니다.
2. 파형을 캡처하고 출력 전압 평균, 인덕터 전류 리플 및 인덕터 전류 평균을 측정합니다.
3. DC 전원 공급 장치에 입력 전류 및 전압 판독값을 기록합니다.
입력 전압을 8V, 12V 및 14V로 조정하고 이러한 각 전압에 대해 위의 단계를 반복합니다.
입력 DC 공급의 연결을 끊고 출력을 10 V로 조정합니다.

4. 가변 듀티 비율에 대한 부스트 컨버터 테스트

게이트를 가로질러 디포티얼 프로브를 아래쪽 MOSFET의 소스에 연결합니다.
1. 다른 프로브를 부하에 연결합니다. 접지 커넥터가 "COM"에 연결되어 있는지 확인합니다.
2. 입력 DC 공급 장치를 "V2+" 및 "COM"에 연결합니다.
3. 파형을 캡처하고 게이트 대 소스 전압(또한 듀티 비율)의 출력 전압 평균 및 정시 측정합니다.
4. DC 전원 공급 장치에 입력 전류 및 전압 판독값을 기록합니다.
관세비율을 20%, 40%, 60%로 조정합니다. 이 세 가지 의무 비율 각각에 대해 위의 단계를 반복합니다.
관세비율을 10%로 재설정합니다.
입력 DC 공급 의 연결을 끊습니다.

5. 가변 스위칭 주파수에 대한 부스트 컨버터 테스트

게이트를 가로질러 디포티얼 프로브를 아래쪽 MOSFET의 소스에 연결합니다.
다른 프로브를 "COM"에 연결된 접지 커넥터와 부하 를 가로 질러 연결합니다.
입력 DC 공급 장치를 "V2+" 및 "COM"에 연결합니다.
스위칭 주파수를 70kHz로 조정합니다.
파형을 캡처하고 게이트 대 소스 전압(또한 듀티 비율)의 출력 전압 평균 및 정시 측정합니다.
DC 전원 공급 장치에 입력 전류 및 전압 판독값을 기록합니다.
스위칭 주파수를 40kHz, 20kHz 및 10kHz로 조정합니다(또는 10kHz에 도달할 수 없는 경우 최소 가능).
이 세 가지 스위칭 주파수 각각에 대해 위의 단계를 반복합니다.
입력 DC 공급 및 "S90"을 끄고 회로를 분해합니다.

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0:06

Overview

0:58

Principles of Boost Converters

5:01

Board Setup

7:12

Boost Converter Testing with Variable Input

8:38

Boost Converter Testing with Variable Duty Ratio

9:53

Results

11:02

Applications

11:56

Summary

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