Convertidor Buck DC/DC

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

Mientras que es simple paso hacia arriba o abajo AC voltajes y corrientes con transformadores, caminar hacia arriba o abajo DC voltajes y corrientes en forma eficiente y regulada requiere conmutación convertidores de potencia. El convertidor de DC/DC buck chuletas el voltaje de entrada DC usando un interruptor de entrada de la serie, y el voltaje de la picada se filtra a través del filtro de paso bajo de L C para extraer el voltaje de salida promedio. El diodo proporciona una trayectoria para el inductor corriente cuando el interruptor está apagado por parte del período de conmutación. La tensión de salida es menor o igual al voltaje de entrada.

El objetivo de este experimento es estudiar las diferentes características de un convertidor buck. Se observará la capacidad de descender 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.

Los reguladores lineares (serie y shunt) pueden proporcionar capacidad de descender, pero son altamente ineficientes cuando la relación de voltaje de salida a la entrada es muy baja. Divisores de voltaje también puede bajar voltaje de C.C., sin embargo, hay ninguna regulación con cargas variables. Convertidores Buck así actualmente eficientes y robustas DC voltaje descender las capacidades.

Con el fin de construir un convertidor buck, podemos comenzar con el circuito que se muestra a continuación en la figura 1. Cuando el interruptor está en la parte (D) el período de conmutación (T), el voltaje de salida (V_o) y el voltaje de entrada (V_en) son iguales. Cuando el interruptor está apagado por una parte (1-D) del período, el voltaje de salida es cero. Esto produce una tensión de salida de onda cuadrada cuyo promedio (muestra los soportes < >) es menor que del voltaje de entrada: < V_o> = V_oD + V_o(1-D) = V_enD + 0(1-D) = V_enD.

Para reducir al mínimo la ondulación de la ondulación corriente de salida y, por tanto, la tensión de salida con una carga resistiva, un inductor se agrega como se muestra en la figura 1. El problema con un inductor es que mantiene un flujo de corriente hasta que se libera toda su energía almacenada, por lo que si el interruptor se apaga, un gran dI/dt se producirá a través del interruptor puesto que corriente tiene que fluir. Por lo tanto, un diodo de rueda libre se agrega para proporcionar una trayectoria de la corriente de inductor, como se muestra en la figura 1. Sin embargo, la inductancia del inductor debe ser muy grande para poder tener la ondulación del voltaje de salida muy baja, y debe agregarse un condensador para reducir el tamaño del inductor y proporcionar una limpiarla tensión de salida en la carga como se muestra en la Fig. 1 d.

Figura 1. Pasos para la construcción de un convertidor buck

Como producto de este experimento, se mostrará que el voltaje de salida promedio aumentará a medida que el ciclo de trabajo, D, aumenta. 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.

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 mostrado aquí se aplica a cualquier circuito de convertidor buck simple que puede ser construido en proto boards, tablas de pan o placas de circuito impreso.

1. configuración de la tabla

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 corriente continua a 24 V. mantener desconectada de la salida de la Junta.
4. Antes de conectar la resistencia de carga, ajustar a 12 Ω.
5. Construya el circuito mostrado en la figura 2 utilizando el MOSFET superior, diodo inferior y tablero magnético de BB. Registre el valor de inductancia que se muestra en el tablero. Observe que el tablero magnético de BB tiene un inductor con dos terminales que se conecte a la Junta de DC-DC convertidor (poste de energía).
   1. Conectar "R_L"a través "V2 +" y "COM."
   2. Asegúrese de que la matriz de interruptor para la selección del MOSFET, PWM, y otras configuraciones son como se muestra en la figura 2.

Figura 2 . Circuito convertidor de Buck

2. ajustar la relación de trabajo y frecuencia de conmutación

1. Conecte la sonda diferencial a través de la puerta a la fuente del MOSFET superior.
2. Encienda "S90." Una señal de conexión debe aparecer en la pantalla del osciloscopio.
   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 10µs).
   3. Ajuste el potenciómetro de relación de trabajo para lograr una relación de deber del 50%.

3. Buck Converter pruebas de entrada Variable

1. Conecte la entrada fuente de alimentación, que ya está establecida en 24 V, "V1 +" y "COM."
2. Conecte la sonda diferencial a través de la puerta a la fuente del MOSFET superior.
   1. Conectar la otra sonda a través de la carga. Asegúrese de que el conector de tierra está conectado a "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).
   1. Apunte la corriente de entrada y las lecturas de voltaje en la fuente de alimentación.
4. Ajuste la tensión de entrada a 21 V, 18 V y 15 V y repita los pasos anteriores para cada uno de estos voltajes.
5. Desconecte la entrada DC de la fuente y ajustar su salida a 24 V.

4. Buck Converter para derecho Variable relación

1. Conecte la sonda diferencial a través de la puerta a la fuente del MOSFET superior.
   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 continua que se establece en 24 V entre "V1 +" 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).
   1. Apunte la corriente de entrada y las lecturas de voltaje en la fuente de alimentación.
   2. Ajustar la relación de servicio de tres pasos de su elección entre 30% y 70%. Repita los pasos anteriores para cada uno de estos cocientes de tres derechos.
4. Restablecer la relación de trabajo al 50%.
5. Desconecte la fuente de entrada.

5. Buck Converter para la Variable frecuencia de conmutación

1. Conecte la sonda diferencial a través de la puerta a la fuente del MOSFET superior.
2. Conectar la otra sonda a través de la carga. Asegúrese de que el conector de tierra está conectado a "COM."
3. Conecte la entrada fuente de DC "V1 +" y "COM."
4. 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).
   1. Registro la entrada de corriente y voltaje en la alimentación de CC de la fuente.
   2. Ajustar la frecuencia de conmutación de tres pasos de su elección entre 5 kHz y 40 kHz. Repita los pasos anteriores para cada uno de estos cocientes de tres derechos.
5. Apague la fuente de entrada y "S90" y luego desmontar el circuito.

Se espera la relación de voltaje de entrada de salida de un convertidor buck ideal para ser relacionado con el ciclo de trabajo o relación de deber D. Si el voltaje de entrada es V_en y la tensión de salida es V_a, V_{a /}V_en = D, donde 0≤D≤ 100%. Por lo tanto, para un voltaje de entrada de 24 V, ≈ V_a12 V para D = 50%, V_out≈ 7.2 V para D = 30% y V_a≈ 16,8 V d = 70%. Sin embargo, la tensión de salida será menor de lo esperado de la relación ideal, que es lineal con la relación de trabajo, y la razón principal es que el modelo del convertidor buck ideal no tiene en cuenta para no ideales y caídas de voltaje en el convertidor.

Convertidores Buck son muy comunes en los cargadores de dispositivo electrónico donde ofrecen regulación de voltaje excelentes para cargar la batería. Comúnmente se utilizan en fuentes de alimentación que ordenadores, circuitos integrados y las tarjetas electrónicas de alimentación, así como en aplicaciones de energías renovables y la batería alimenta sistemas.