Fonte: Ali Bazzi, Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade de Connecticut, Storrs, CT.

Os conversores boost fornecem uma solução versátil para intensificar as tensões DC em muitas aplicações onde uma tensão DC precisa ser aumentada sem a necessidade de convertê-la para AC, usando um transformador e, em seguida, corrigir a saída do transformador. Os conversores boost são conversores intensificadores que usam um indutor como um dispositivo de armazenamento de energia que suporta a saída com energia adicional, além da fonte de entrada DC. Isso faz com que a tensão de saída aumente.

O objetivo deste experimento é estudar diferentes características de um conversor de impulso. A capacidade de intensificação do conversor será observada sob o modo de condução contínua (CCM) onde a corrente do indutor não é zero. A operação de loop aberto com uma relação de serviço definida manualmente será usada. Será observada uma aproximação da relação entrada-saída.

Um conversor de impulso depende da energia armazenada no indutor, L,para fornecer energia para o lado de saída onde a carga é suportada, além de uma fonte DC ser a principal fonte de energia. O principal conceito por trás da operação do conversor de impulso é que um indutor vai virar sua polaridade de tensão para manter o fluxo de corrente. Como mostrado na Fig. 1(a) para um circuito simples de conversor de boost, quando o interruptor está ligado para um ciclo de trabalho D do período de comutação T,a tensão do indutor V_L aumenta. Quando o interruptor está desligado, a corrente do indutor deve continuar fluindo e, portanto, a polaridade de tensão do indutor será invertida para adicionar à tensão de entrada V_em.

No entanto, quando o interruptor está ligado, a carga é curto-circuito e a tensão de saída é zero, o que não é desejado. Portanto, um diodo de bloqueio é adicionado no lado de saída, como mostrado na Fig. 1(b) para evitar que a carga seja curta-circuito. Este diodo ainda não resolve o problema da carga não vendo tensão quando o interruptor está ligado, de modo que um capacitor é adicionado como mostrado na Fig. 1(c) para fornecer a carga com corrente necessária durante o período em que o interruptor está ligado. Note que quando o interruptor está ligado, o diodo está desligado (viés inverso) e vice-versa. A tensão média da saída está, portanto, relacionada à tensão de entrada como: fora>=V_em/(1-D).

Figura 1. Passos para a construção de um conversor de impulso

À medida que este experimento prossegue, será mostrado que a tensão média da saída aumenta à medida que o ciclo de serviço, D,aumenta. Isso é verdade, uma vez que a tensão de saída para a relação de tensão de entrada é inversamente proporcional a -D, e assim a tensão de saída e D têm uma correlação positiva.

Observe que a equação apresentada é para um conversor de impulso ideal, e pode parecer que um D=1 produzirá tensão de saída infinita, mas isso não é verdade. Na realidade, elementos parasitas e resistências no conversor de impulso fazem com que D fique limitado a cerca de 70-80% após o qual os efeitos parasiticos começam a dominar a operação do circuito e causam quedas significativas de tensão. Nesse ponto, a tensão de saída começa a diminuir à medida que a D aumenta. Com frequências de comutação mais altas, a ondulação de tensão na saída diminuirá, uma vez que os tempos de carregamento e descarga de tensão no capacitor tornam-se significativamente mais curtos com uma frequência de comutação reduzida.

ATENÇÃO: Este experimento foi projetado para limitar a tensão de saída a menos de 50V DC. Use apenas as relações de serviço, frequências, tensão de entrada ou cargas que são dadas aqui.

Este experimento utilizará a placa conversora DC-DC fornecida pela HiRel Systems. http://www.hirelsystems.com/shop/Power-Pole-Board.html

Informações sobre a operação do conselho podem ser encontradas neste vídeo de coleções "Introdução ao Quadro HiRel".

O procedimento aqui mostrado se aplica a qualquer circuito simples de conversor de boost que possa ser construído em placas de proto, placas de pão ou placas de circuito impresso.

1. Configuração do quadro:

1. Conecte a fonte de sinal ±12 no conector "DIN", mas mantenha "S90" DESLIGADO.
2. Certifique-se de que o seletor de controle PWM esteja na posição de loop aberto.
3. Coloque a fonte de alimentação DC em 10 V.
   1. Mantenha a saída desconectada da placa por enquanto.
4. Antes de conectar o resistor de carga, ajuste-o a 20 Ω.
5. Construa o circuito mostrado em Fig. 2 usando a placa magnética MOSFET inferior, diodo superior e placa magnética BB.
   1. Observe o valor de indução mostrado no quadro.
6. Conecte "R_L"em "V1+" e "COM".
   1. Observe que as conexões de entrada e saída são invertidas em comparação com as do experimento do conversor de buck.
   2. NUNCA Desconecte a carga durante o experimento, pois o conversor de impulso pode se tornar instável e causar danos à placa.
   3. Certifique-se de que a matriz de switches para seleção MOSFET (MOSFET inferior), seleção PWM e outras configurações estão corretas para alcançar um circuito funcional como na Fig. 2.

Figura 2. Circuito de conversor boost

2. Ajustando a relação de dever e a frequência de comutação

1. Conecte a sonda diferencial através do portão-fonte do MOSFET inferior.
2. Ligue "S90". Um sinal de comutação deve aparecer na tela do escopo.
   1. Ajuste o eixo de tempo do sinal para ver dois ou três períodos.
   2. Ajuste o potencialiômetro de frequência para alcançar uma frequência de 100 kHz (período de 10 μs).
3. Ajuste o potencialiômetro da razão de serviço para atingir uma relação de 10% de imposto (no tempo de 1 μs).

3. Teste do conversor de impulso para entrada variável

1. Conecte a fonte de alimentação DC de entrada, que já está definida em 10 V, a "V2+" e "COM".
2. Conecte a sonda diferencial para medir a corrente do indutor em "CS5".
   1. Conecte a outra sonda através da carga. Certifique-se de que o conector do solo esteja conectado ao "COM".
   2. Capture as formas de onda e meça a média de tensão de saída, a onda de corrente indutora e a corrente do indutor.
   3. Regisso registro das leituras de corrente de entrada e tensão na fonte de alimentação DC.
3. Ajuste a tensão de entrada para 8 V, 12 V e 14 V e repita as etapas acima para cada uma dessas tensões.
4. Desconecte a entrada de alimentação DC e ajuste sua saída para 10 V.

4. Teste do conversor de impulso para a relação de dever variável

1. Conecte a sonda diferencial através do portão à fonte do MOSFET inferior.
   1. Conecte a outra sonda através da carga. Certifique-se de que o conector do solo esteja conectado ao "COM".
   2. Conecte a fonte DC de entrada a "V2+" e "COM".
   3. Capture as formas de onda e meça a média de tensão de saída e o tempo de tensão do portão para fonte (também a razão de serviço).
   4. Regisso registro das leituras de corrente de entrada e tensão na fonte de alimentação DC.
2. Ajuste a relação de direitos para 20%, 40% e 60%. Repita as etapas acima para cada uma dessas três relações de serviço.
3. Redefinir a relação de direitos para 10%.
4. Desconecte a entrada de alimentação DC.

5. Teste do conversor de impulso para frequência de comutação variável

1. Conecte a sonda diferencial através do portão à fonte do MOSFET inferior.
2. Conecte a outra sonda através da carga com o conector do solo conectado ao "COM".
3. Conecte a fonte DC de entrada a "V2+" e "COM".
4. Ajuste a frequência de comutação para 70 kHz.
5. Capture as formas de onda e meça a média de tensão de saída e o tempo de tensão do portão para fonte (também a razão de serviço).
6. Regisso registro da corrente de entrada e leitura de tensão na fonte de alimentação DC.
7. Ajuste a frequência de comutação para 40 kHz, 20 kHz e 10 kHz (ou mínimo possível se 10 kHz não puderem ser alcançados).
8. Repita as etapas acima para cada uma dessas três frequências de comutação.
9. Desligue a entrada de alimentação DC e "S90", e desmonte o circuito.

A relação de tensão de saída-entrada do conversor de impulso é proporcional ao ciclo de tarefa no sentido de que d mais alto produzirá maiores tensões de saída para uma determinada tensão de entrada. Se a tensão de entrada estiver _{V dentro}e a tensão de saída for_{V out,} V_out/V_em= 1/(1-D), onde 0≤D≤ 100%. Portanto, para uma tensão de entrada de 10 V, V_fora≈ 12,5 V para D = 20%, V_fora≈ 16,67 V para D= 40%, e V_fora≈ 25 V para D = 60%.

No entanto, a tensão de saída será menor do que o esperado a partir da relação ideal, que é linear com a razão de serviço. A principal razão é que o modelo ideal de conversor a partir do qual o V_out/V_em relacionamento pode ser derivado não conta com não idealidades e quedas de tensão no conversor. Teoricamente, como D→100%, V_fora→∞; praticamente, um limite teórico na capacidade de impulso é em torno de 3-4x a tensão de entrada, e após um certo nível de D, a tensão de saída do conversor começa a cair em vez de ser aumentada devido a elementos parasitas e não ideais em um conversor real.

Os conversores boost são muito comuns em aplicações solares fotovoltaicas onde a tensão de entrada do painel solar varia com as condições climáticas e energia solar disponível, e um conversor de impulso pode sempre impulsionar a partir da tensão do painel FOTOVOLTAL. Correção do fator de potência para melhorar a qualidade da energia, como visto na rede elétrica com cargas eletrônicas de energia que podem exigir uma potência reativa significativa, por exemplo, motores, é outra grande aplicação de conversores de impulso.