Convertisseur abaisseur DC/DC

Source : Ali Bazzi, département de génie électrique, Université du Connecticut, Storrs, CT.

Bien qu’il soit simple d’étape vers le haut ou vers le bas des tensions et des courants à l’aide de transformateurs, pas à pas monter ou descendre les courants et les tensions continues d’une manière efficace et réglementée nécessite convertisseurs de puissance de commutation. Convertisseur DC/DC buck côtelettes de la tension d’entrée à l’aide d’un sélecteur d’entrée de la série, et la tension hachée est filtrée par le filtre passe-bas de L-C pour extraire la tension moyenne de sortie. La diode fournit un chemin pour l’inductance lorsque l’interrupteur est éteint pendant une partie de la période de commutation. La tension de sortie est inférieure ou égale à la tension d’entrée.

L’objectif de cette expérience est d’étudier les différentes caractéristiques d’un convertisseur buck. On observera la capacité abaisseur du convertisseur sous le mode de conduction continue (MPC) où l’inductance est différent de zéro. Opération de boucle ouverte avec un ratio de devoir manuellement-set sera utilisée. On observera une approximation de la relation entrée-sortie.

Régulateurs linéaires (série et shunt) peuvent fournir une fonction Step-Down, mais sont très inefficaces lorsque le rapport à-tension d’entrée sortie est très faible. Diviseurs de tension peut également démissionner de tension continue, cependant, il n’y a aucune réglementation impliqués avec des charges variables. Convertisseurs Buck présentent donc efficaces et robustes DC tension abaisseurs capacités.

Afin de construire un convertisseur buck, nous pouvons commencer avec le circuit illustré ci-dessous en figure 1 (a). Lorsque l’interrupteur est sur une partie (D) de la période de commutation (T), la tension de sortie (V_o) et de la tension d’entrée (V_de) sont égaux. Lorsque l’interrupteur est éteint pendant une partie (1D) de la période, la tension de sortie est nulle. Il produit une tension de sortie de l’onde carrée (illustrée par supports < >) dont la moyenne est inférieure à celle de la tension d’entrée : < V_o> = V_oV D +_o(1D) = V_enD + 0(1-D) = V_dansD.

Afin de réduire au minimum l’ondulation de courant de sortie et donc la tension de sortie en courant continu avec une charge résistive, un inducteur est ajouté comme indiqué dans la Fig. 1 (b). Le problème avec un inducteur, c’est qu’il maintient courant jusqu'à ce que toute son énergie stockée est sorti, donc si l’interrupteur s’éteint, un grand dI/dt se produira à travers le commutateur puisque courant doit couler. Par conséquent, une diode de roue libre est ajoutée pour fournir un passage de courant inducteur comme sur la Fig. 1 (c). Cependant, l’inductance de la bobine devra être très grand afin d’avoir l’ondulation de tension de sortie très faible, et un condensateur doit être ajouté pour réduire la taille de l’inducteur et fournir une tension propre à la charge de sortie comme sur la Fig. 1 (d).

La figure 1. Étapes pour construire un convertisseur buck

Comme le produit de cette expérience, il sera montré que la tension de sortie moyenne augmentera à mesure que le rapport cyclique, D, augmente. Avec plus haut fréquences de commutation, l’ondulation de tension à la sortie va diminuer depuis la tension de charge et décharge fois à condensateur deviennent beaucoup plus courts avec une fréquence de commutation une diminution.

Cette expérience utilisera la carte de convertisseur DC / DC offertes par les systèmes de HiRel. http://www.hirelsystems.com/Shop/Power-Pole-Board.html

Informations relatives au fonctionnement du Conseil d’administration peuvent être trouvées dans cette vidéo de collections « Introduction à la Commission HiRel. »

La procédure présentée ici s’applique à n’importe quel circuit de convertisseur buck simple qui peut être construit sur proto planches, planches à pain ou de circuits imprimés.

1. le programme d’installation Office

1. Branchez l’alimentation ±12 de signal au niveau du connecteur « DIN » mais garder « S90 » OFF.
2. Assurez-vous que le sélecteur de contrôle PWM est en position de boucle ouverte.
3. Prévoyez l’alimentation DC 24 V. garder la sortie débranchée de la carte.
4. Avant de raccorder la résistance de charge, ajusté à 12 Ω.
5. Construire le circuit représenté sur la figure 2 en utilisant les MOSFET supérieur et inférieur diode tableau magnétique de BB. Enregistrer la valeur de l’inductance affichée dans le jury. Notez que le tableau magnétique BB a une inductance avec deux terminaux qui se branchent au Conseil DC-DC converter (poteau-électricité).
   1. Connectez R «_L« à travers « V2 + » et « com ».
   2. Assurez-vous que le tableau de commutateur de sélection de MOSFET, sélection de PWM, et les autres paramètres sont tel qu’illustré à la Fig. 2.

Figure 2 . Buck circuit convertisseur

2. ajuster le taux de l’obligation et la fréquence de commutation

1. Connecter la sonde différentielle à travers la porte vers la source du MOSFET supérieur.
2. Tourner sur « S90. » Un signal de commutation doit apparaître sur l’écran de l’oscilloscope.
   1. Ajustez l’axe du temps signal pour voir deux ou trois périodes.
   2. Régler le potentiomètre de fréquence pour atteindre une fréquence de 100 kHz (période de 10µs).
   3. Régler le potentiomètre de ratio de devoir pour atteindre un ratio de 50 % duty.

3. Buck Converter tests d’entrée Variable

1. Connecter l’entrée alimentation CC, qui est déjà fixée à 24 V, pour les « V1 + » et « com ».
2. Connecter la sonde différentielle à travers la porte vers la source du MOSFET supérieur.
   1. Connectez l’autre sonde à travers la charge. Assurez-vous que le connecteur de terre est connecté à « COM. »
3. Capturer les formes d’onde et mesurer la moyenne tension de sortie et les délais de la tension de la porte-de-source (également le ratio de devoir).
   1. Enregistrer le courant d’entrée et des lectures de tension sur le bloc d’alimentation DC.
4. Régler la tension d’entrée à 21 V et 18 V à 15 V et répétez les étapes ci-dessus pour chacune de ces tensions.
5. Déconnecter l’entrée DC fournir et ajuster sa production à 24V.

4. Buck Converter stable pour les taux de droit Variable

1. Connecter la sonde différentielle à travers la porte vers la source du MOSFET supérieur.
   1. Connectez l’autre sonde à travers la charge. Assurez-vous que le connecteur de terre est connecté à « COM. »
2. Connecter l’entrée alimentation CC qui est réglée sur 24 V entre « V1 + » et « com ».
3. Capturer les formes d’onde et mesurer la moyenne tension de sortie et les délais de la tension de la porte-de-source (également le ratio de devoir).
   1. Enregistrer le courant d’entrée et des lectures de tension sur le bloc d’alimentation DC.
   2. Ajuster le ratio de devoir pour les trois étapes de votre choix entre 30 % et 70 %. Répétez les étapes ci-dessus pour chacun de ces ratios de trois fonctions.
4. Réinitialiser le rapport entre le droit à 50 %.
5. Couper l’alimentation d’entrée de DC.

5. Buck Converter essais à fréquence de découpage Variable

1. Connecter la sonde différentielle à travers la porte vers la source du MOSFET supérieur.
2. Connectez l’autre sonde à travers la charge. Assurez-vous que le connecteur de terre est connecté à « COM. »
3. Raccorder l’alimentation d’entrée DC « V1 + » et « com ».
4. Capturer les formes d’onde et mesurer la moyenne tension de sortie et les délais de la tension de la porte-de-source (également le ratio de devoir).
   1. Le courant d’entrée d’enregistrement et lecture sur le courant continu de tension d’alimentation.
   2. Régler la fréquence de commutation pour trois étapes de votre choix entre 5 et 40 kHz. Répétez les étapes ci-dessus pour chacun de ces ratios de trois fonctions.
5. Couper l’alimentation DC et « S90 » et puis démonter le circuit.

Il est prévu la relation tension d’entrée-sortie d’un convertisseur buck idéal pour être relié au rapport cyclique ou facteur d’obligation D. Si la tension d’entrée est V_dans et la tension de sortie est V_à, V_{à /}V_en = D, où 0≤D≤ 100 %. Par conséquent, pour une tension de 24 V, V_à≈ 12 V pour D = 50 %, V_out≈ 7.2 V pour D = 30 % et V_à≈ 16,8 V pour D = 70 %. Néanmoins, la tension de sortie sera plus faible que prévu de la relation idéale, qui est linéaire avec un rapport de droit, et la raison principale est que le modèle de convertisseur buck idéal ne tient pas compte de la non-idealities et tension descend dans le convertisseur.

Convertisseurs Buck sont très fréquents dans les chargeurs de périphérique électronique où ils fournissent la régulation de tension excellent requise pour charger les batteries. Ils sont couramment utilisés dans les blocs d’alimentation qui équipent les ordinateurs, les circuits intégrés et les cartes électroniques, ainsi que dans les applications de l’énergie renouvelable et batterie nourris des systèmes.