Convertitore buck (riduttore) DC-DC

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.

I regolatori lineari (serie e shunt) possono fornire capacità di step-down, ma sono altamente inefficienti quando il rapporto tensione uscita-ingresso è molto basso. I divisori di tensione possono anche ridurre la tensione CC, tuttavia, non vi è alcuna regolazione coinvolta con carichi variabili. I convertitori Buck presentano quindi capacità di step-down della tensione CC efficienti e robuste.

Per costruire un buck-converter, possiamo iniziare con il circuito mostrato di seguito in Fig. 1 (a). Quando l'interruttore è acceso per una porzione (D) del periodo di commutazione (T), la tensione di uscita (V_o) e la tensione di ingresso (V_in) sono uguali. Quando l'interruttore è spento per una porzione (1-D) del periodo, la tensione di uscita è zero. Questo produce una tensione di uscita a onda quadra la cui media (mostrata da parentesi < >) è inferiore a quella della tensione di ingresso: o>=V_oD+ V_o(1-D)= V_inD + 0(1-D)= V_inD.

Al fine di ridurre al minimo l'ondulazione della corrente di uscita, e quindi l'ondulazione della tensione di uscita con un carico resistivo, viene aggiunto un induttore come mostrato in Fig. 1 (b). Il problema con un induttore è che mantiene il flusso di corrente fino a quando tutta la sua energia immagazzinata non viene rilasciata, quindi se l'interruttore si spegne, si verificherà un grande dI / dt attraverso l'interruttore poiché la corrente deve fluire. Pertanto, viene aggiunto un diodo a ruota libera per fornire un percorso di corrente dell'induttore, come mostrato in Fig. 1 (c). Tuttavia, l'induttanza dell'induttore dovrà essere molto grande per avere un'ondulazione della tensione di uscita molto bassa e sarà necessario aggiungere un condensatore per ridurre le dimensioni dell'induttore e fornire un'uscita di tensione CC pulita al carico, come mostrato in Fig. 1 (d).

Figura 1. Passaggi per costruire un convertitore buck

Man mano che questo esperimento procede, verrà dimostrato che la tensione di uscita media aumenterà all'aumentare del ciclo di lavoro, D. Con frequenze di commutazione più elevate, l'ondulazione di tensione all'uscita diminuirà poiché i tempi di carica e scarica della tensione al condensatore diventano significativamente più brevi con una frequenza di commutazione ridotta.

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

1. Collegare l'alimentazione del segnale ±12 al connettore "DIN" ma mantenere "S90" OFF.
2. Assicurarsi che il selettore di controllo PWM si trova nella posizione a ciclo aperto.
3. Impostare l'alimentazione CC a 24 V. Tenere l'uscita scollegata dalla scheda.
4. Prima di collegare la resistenza di carico, regolarla a 12 Ω.
5. 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

1. Collegare la sonda differenziale attraverso il cancello alla sorgente del MOSFET superiore.
2. 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

1. Collegare l'alimentatore CC in ingresso, che è già impostato a 24 V, su "V1+" e "COM".
2. 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".
3. 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.
4. Regolare la tensione di ingresso a 21 V, 18 V e 15 V e ripetere i passaggi precedenti per ciascuna di queste tensioni.
5. Scollegare l'alimentazione CC in ingresso e regolarne l'uscita a 24 V.

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

1. 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".
2. Collegare l'alimentazione CC di ingresso impostata su 24 V tra "V1+" e "COM".
3. 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.
4. Reimpostare il rapporto di servizio al 50%.
5. Scollegare l'alimentazione CC in ingresso.

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

1. Collegare la sonda differenziale attraverso il cancello alla sorgente del MOSFET superiore.
2. Collegare l'altra sonda attraverso il carico. Assicurarsi che il connettore di terra sia collegato a "COM".
3. Collegare l'alimentazione CC di ingresso a "V1+" e "COM".
4. 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.
5. Spegnere l'alimentazione CC di ingresso e "S90", quindi smontare il circuito.

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_out≈ 7,2 V per D = 30% e V _{in uscita}≈ 16,8 V per D = 70%. Tuttavia, la tensione di uscita sarà inferiore al previsto dalla relazione ideale, che è lineare con il rapporto di servizio, e la ragione principale è che il modello di convertitore buck ideale non tiene conto delle non idealità e delle cadute di tensione nel convertitore.

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.