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Electrical Engineering

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JoVE Science Education Electrical Engineering

DC/DC Boost Converter

00:06Overview
00:58Principles of Boost Converters
05:01Board Setup
07:12Boost Converter Testing with Variable Input
08:38Boost Converter Testing with Variable Duty Ratio
09:53Results
11:02Applications
11:56Summary

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Convertisseur élévateur DC/DC

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Overview

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

Poussée convertisseurs fournissent une solution polyvalente pour intensifier les tensions continues dans de nombreuses applications où une tension continue doit être augmentée sans avoir besoin de le convertir en AC, à l’aide d’un transformateur et rectifier ensuite la sortie du transformateur. Convertisseurs de Poussée sont des convertisseurs de Step-up qui utilisent une inductance comme un périphérique de stockage de l’énergie qui prend en charge la sortie avec une énergie supplémentaire en plus de la source d’entrée DC. Cela provoque la tension de sortie à la Poussée.

L’objectif de cette expérience est d’étudier les différentes caractéristiques d’un convertisseur boost. La capacité du convertisseur de Step-Up sera célébrée 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.

Principles

Un convertisseur boost s’appuie sur l’énergie stockée dans l’inductance, L, en vue de fournir de l’énergie sur le côté de sortie où la charge est pris en charge, en plus d’une source DC étant la principale source d’énergie. Le concept principal derrière le fonctionnement du convertisseur boost est qu’une inductance renversera sa polarité de la tension pour maintenir le flux de courant. Comme indiqué dans la Fig. 1 (a) pour un circuit de convertisseur boost simple, lorsque l’interrupteur est sur pour un cycle D de la période de commutation T, tension d’inducteur V_L s’accumule. Lorsque l’interrupteur est éteint, l’inductance doit continuer à couler et donc polarité tension de l’inducteur renversera pour ajouter à la tension d’entrée V_en.

Toutefois, lorsque l’interrupteur est activé, la charge est court-circuitée et la tension de sortie est nulle, ce qui n’est pas souhaitée. Par conséquent, une diode de blocage est ajoutée sur le côté de sortie comme sur la Fig. 1 (b) pour empêcher le chargement d’être court-circuitée. Cette diode ne résout pas la question de la charge de ne voir aucune tension lorsque le commutateur est activé, donc un condensateur est ajouté comme indiqué dans la Fig. 1 (c) pour fournir la charge avec le courant nécessaire au cours de la période lorsque le commutateur est sur. Notez que le quand le commutateur est activé, la diode est éteinte (revers biaisé) et vice versa. La tension moyenne de sortie est donc liée à la tension d’entrée : < V_out> = V_dans/(1-D).

La figure 1. Étapes pour construire un convertisseur boost

Comme le produit de cette expérience, il sera montré que la tension moyenne de sortie augmente lorsque le facteur de marche, D, augmente. C’est vrai car la tension de sortie à relation tension d’entrée est inversement proportionnelle à –D, et ainsi la tension de sortie et D ont une corrélation positive.

Notez que l’équation présentée est pour un convertisseur élévateur idéal et qu’il peut sembler comme si D = 1 donnera la tension de sortie infinie, mais ce n’est pas vrai. En réalité, les éléments parasitaires et des résistances dans la cause de convertisseur boost D être limité aux alentours de 70 à 80 % après quels effets parasites commencent à dominer le fonctionnement en circuit et cause de chute de tension importante. À un tel point, la tension de sortie commence à décroître au fur D . 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.

Procedure

ATTENTION : Cette expérience est conçue pour limiter la tension de sortie est inférieure à 50 v DC. N’utilisez que les ratios de devoir, fréquences, tension d’entrée ou les charges qui sont donnés ici. 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 convertisseur boost simple qui peut être construit sur proto planches, planches à pain ou de circuits imprimés. 1. Configuration Conseil : Branchez l’alimentation ±12 de signal au niveau du connecteur « DIN » mais garder « S90 » OFF. Assurez-vous que le sélecteur de contrôle PWM est en position de boucle ouverte. Prévoyez l’alimentation DC à 10 V. Garder la sortie déconnectée de la Commission pour l’instant. Avant de raccorder la résistance de charge, réglez-le à 20 Ω. Construire le circuit représenté sur la figure 2 en utilisant les MOSFET inférieur et supérieur diode tableau magnétique BB. Notez la valeur de l’inductance montrée sur la carte. Connectez R «L« à travers « V1 + » et « com ». Notez que les connexions d’entrée et de sortie sont retournées par rapport à ceux de l’expérience du convertisseur buck. Ne jamais débrancher la charge pendant l’expérience comme le convertisseur boost peut devenir instable et causer des dommages au Conseil d’administration. Assurez-vous que le tableau de commutateur de sélection de MOSFET (MOSFET inférieur), sélection de PWM et d’autres paramètres sont corrects réaliser un circuit fonctionnel comme dans la Fig. 2. Figure 2 . Poussée circuit convertisseur 2. ajuster le taux de l’obligation et la fréquence de commutation Connecter la sonde différentielle à travers la porte à source du MOSFET inférieur. Tourner sur « S90. » Un signal de commutation doit apparaître sur l’écran du scope. Ajustez l’axe du temps signal pour voir deux ou trois périodes. Régler le potentiomètre de fréquence pour atteindre une fréquence de 100 kHz (période de 10 µs). Régler le potentiomètre de ratio de devoir pour atteindre un ratio de service de 10 % (allumage du 1 µs). 3. convertisseur élévateur tests d’entrée Variable Connecter l’entrée alimentation CC, qui est déjà fixée à 10 V, à « V2 + » et « com ». Connecter la sonde différentielle pour mesurer l’inductance à « CS5 ». Connectez l’autre sonde à travers la charge. Assurez-vous que le connecteur de terre est connecté à « COM. » Capturer les formes d’onde et mesurer la sortie tension moyenne, ondulation de courant inducteur et moyenne actuelle inducteur. Enregistrer le courant d’entrée et des lectures de tension sur le bloc d’alimentation DC. Régler la tension d’entrée à 8 V, 12 V et 14 V et répétez les étapes ci-dessus pour chacune de ces tensions. Déconnecter l’entrée DC fournir et ajuster sa production à 10 V. 4. convertisseur élévateur stable pour les taux de droit Variable Connecter la sonde différentielle à travers la porte vers la source du MOSFET inférieur. Connectez l’autre sonde à travers la charge. Assurez-vous que le connecteur de terre est connecté à « COM. » Connecter l’entrée alimentation CC à « V2 + » et « com ». 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). Enregistrer le courant d’entrée et des lectures de tension sur le bloc d’alimentation DC. Ajuster le ratio de service de 20 %, 40 % et 60 %. Répétez les étapes ci-dessus pour chacun de ces ratios de trois fonctions. Réinitialiser le rapport entre le droit à 10 %. Couper l’alimentation d’entrée de DC. 5. Poussée convertisseur essais à fréquence de découpage Variable Connecter la sonde différentielle à travers la porte vers la source du MOSFET inférieur. Connecter l’autre sonde dans l’ensemble de la charge avec le connecteur de terre relié à la « com ». Connecter l’entrée alimentation CC à « V2 + » et « com ». Régler la fréquence de commutation à 70 kHz. 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). Le courant d’entrée d’enregistrement et lecture sur le courant continu de tension d’alimentation. Régler la fréquence de commutation à 40 kHz, 20 kHz et 10kHz (ou minimale possible si 10kHz n’est pas joignable). Répétez les étapes ci-dessus pour chacun de ces trois fréquences de commutation. Couper l’alimentation DC et « S90 » et puis démonter le circuit.

Results

The boost converter output-input voltage relationship is proportional to the duty cycle in the sense that higher D will yield higher output voltages for a given input voltage. If the input voltage is V_inand the output voltage is V_out_,V_out/V_in= 1/(1-D), where 0≤D≤ 100%. Therefore, for an input voltage of 10 V, V_out≈ 12.5 V for D = 20%, V_out≈ 16.67 V for D= 40%, and V_out≈ 25 V for D = 60%.

Nevertheless, the output voltage will be lower than expected from the ideal relationship, which is linear with the duty ratio. The main reason is that the ideal converter model from which the V_out/V_in relationship can be derived does not account for non-idealities and voltage drops in the converter. Theoretically, as D→100%, V_out→∞; practically, a theoretical limit on the boosting capability is around 3-4x the input voltage, and after a certain level of D, the output voltage of the converter starts to drop rather than being boosted due to parasitic and non-ideal elements in a real converter.

Applications and Summary

Boost converters are very common in solar photovoltaic applications where the input voltage from the solar panel varies with weather conditions and available solar energy, and a boost converter can always boost from the PV panel voltage. Power factor correction to improve power quality as seen from the utility grid with power electronic loads which may require significant reactive power, e.g. motors, is another major application of boost converters.

Transcript

Boost converters are used in electronics to generate a DC output voltage that is greater than the DC input, therefore boosting up the supply voltage. Boost converters are often used in power supplies for white LEDs, battery packs for electric automobiles, and many other applications. A boost converter stores energy in an inductor’s magnetic field and transfers it to a load with a switching circuit. The transfer of energy from the inductor’s magnetic field enables the increase in DC output in a single stage. This video will illustrate the construction of a boost converter and investigate how changing the converter’s operating condition affects its output voltage.

This simple boost converter circuit consists of an input DC voltage source connected to an inductor and a switch. The switch may be a bipolar transistor, a MOSFET or, other similar electronic device that alternately connects and disconnects the inductor from the common line of the power supply. A blocking diode connects the inductor to a capacitor which filters the ripple in the output voltage. Increasing the capacitance decreases the ripple. For a sufficiently large capacitance the output becomes a steady DC voltage. A digital pulse train opens or closes the switch. The pulse has a duty ratio which is the ratio of the on time to the period. The duty ratio may vary from zero or increase up to one with more and more on time. When the pulse is on, the switch closes and the inductor is connected across the supply voltage. In this state, the inductor terminal connected to the output of the power supply has the higher potential and the terminal connected to the common has the lower potential. Now current flows through the inductor increasing linearly with time for sufficiently high switching frequencies. During this time the inductor voltage is defined to be positive because the slope of the current versus time is positive. The inductor stores energy proportional to the square of the current in its magnetic field. The longer the inductor is connected to the power supply, the more current increases and the more energy it stores. When the switch opens, current through the inductor must continue flowing in the same direction. This current also decreases because the inductor now gives up energy to the load. The inductor voltage becomes negative because the slope of current versus time is negative. As a result, the inductor’s polarity flips and now adds to input voltage “V in” producing a higher potential at the output. The circuit in this state, forward biases the diode and the inductor discharges current, some going to the load, and some going to the capacitor which then stores the charge. When the switch closes again the diode becomes reverse biased disconnecting the inductor from the output and preventing a short circuit of the load. During this time the inductor recharges and in its place the capacitor provides current to the load. This cycle of capacitor charging and discharging produces an average output voltage with some amount of ripple. At sufficiently high switching frequencies, the capacitor’s charge and discharge times are short and the output reaches a steady state voltage with relatively little ripple. This switching cycle repeats indefinitely and is the basis of boost converter operation. Ideally the average output voltage increases as the duty ratio increases and a duty ratio of one generates infinite voltage. However parasitic elements and resistances in the boost converter limit useful values of D to a maximum of about 0.7 or 0.8. If D is sufficiently large, parasitic effects dominate circuit operation and output voltage decreases even as D continues to increase. In the following experiments we will study how a boost converter steps up voltage in continuous conduction mode, also called CCM, a condition when the inductor operates at all times with non zero current.

The output voltage in this experiment is limited to 50 volts DC or less. Use only the specified duty cycles, frequencies, input voltages, and loads. These experiments utilize the HiRel Systems Power Pole Board which is designed for experimentation with different DC to DC converter circuit topologies. With signal supply switch S90 turned off, plug the +/- 12 volt signal supply into den connector J90. Set the PWM control selection jumpers J62 and J63 to the open loop position. Adjust the DC power supply to positive 10 volts but do not connect the power supply output to the board. Next build the circuit as shown with the lower MOSFET, the upper diode, and the BB magnetic board. Record the value of the inductor on the BB magnetic board. The load resistor is a power potentiometer. Use a multi meter to measure it’s resistance while adjusting it to 20 ohms. Then connect the potentiometer between terminals V1+ and COM. Set switch selector bank S30 as follows: PWM to bottom MOSFET, use onboard PWM, and switched load off. Connect the oscilloscope’s differential probe between terminal 16 which is the gate of the lower MOSFET and terminal 12 which is the source. Turn on switch S90. The pulse train that drives the MOSFET should appear on the scope’s screen. Select the scope’s time axis to display several periods of this wave form. Set frequency adjustment potentiometer RV60 to produce a switching frequency of 100 kilohertz. Set duty ratio potentiometer RV64 so the pulses have an on time of one microsecond which corresponds to a duty ratio of 0.1.

Connect the DC power supply to input terminals V2+ and COM. To measure the inductor current connect the differential scope probe between terminals CS5 and COM. To measure the voltage across load resistor RL, connect the other differential probe between terminals V1+ and COM. The output voltage should be a triangle wave. The upward ramps occur when the boost convertor switch is open and the inductor is transferring energy to the load. The downward ramps occur when the switch is closed, the inductor is disconnected from the output, and the capacitor is supplying energy to the load. The inductor current is a triangle wave which ramps up linearly during the on time of the pulse train, then ramps down linearly during the off time. The offset is the average current. Using the scope’s built in measurement functions, measure the mean value of the output voltage and the mean value of the inductor current. Repeat these steps with the input DC power supply set to eight, 12, and 14 volts. For a fixed duty ratio as the input voltage increases the output voltage of an ideal boost converter should increase proportionally.

This part of the experiment measures the duty ratio of the pulse train instead of the inductor current. Connect the scope probes between terminals 16 and 12 which are the gate and source of the lower MOSFET respectively. Connect the input DC power supply to terminals V2+ and COM. Like before, the output voltage is a triangle wave resulting from the inductor and capacitor alternately supplying current to the load. The gate source voltage of the MOSFET is a digital pulse train with a frequency of 100 kilohertz, a period of 10 microseconds, and an on time of one microsecond. Measure the mean value of the output voltage and the on time of the gate to source voltage along with the input current and voltage readings from the DC power supply. Repeat this test after adjusting duty ratio potentiometer RV64 so the pulse stream has an on time of two, four, and six microseconds, which correspond to duty ratios of 0.2, 0.4, and 0.6 respectively.

As duty ratio D increases, the output voltage of the boost converter also increases. Ideally if D has a value of 0.2 then an input of 10 volts generates an output of about 12.5 volts. If D is 0.4 then the output would be about 16.6 volts. If D is 0.6 then the output would be about 25 volts. In general, the output voltage is less than expected from the ideal relationship because parasitic elements create non ideal voltage drops and unaccounted energy loss. As the duty ratio approaches one, the theoretical output voltage becomes infinitely large. In reality, the output voltage is limited to about three or four times the input voltage and the influence of parasitic and non ideal components causes the output voltage to decrease after D becomes sufficiently high.

Boost converters generate an output voltage that is greater than the input voltage and many applications incorporate them to increase flexibility in the choice of power sources. The voltage from a solar panel changes with the position of the sun, weather conditions, and shade. Boost converters are commonly used to step up the variable output of a solar panel array to provide a consistent voltage to feed into an electrical grid. Battery powered systems are frequently used to power devices without the use of a power cord. In order to achieve the necessary higher output voltage, battery cells are often stacked. This can take up a lot of space if many cells are needed to reach the desired output. Instead, boost converters are used to step up the voltage while conserving space.

You have just watched Jove’s Introduction to Boost Converters. You should now understand how boost converters work and how adjusting input voltage, duty ratio, and frequency affects the output voltage. Thanks for watching.

Cite This

JoVE Science Education Database. JoVE Science Education. DC/DC Boost Converter. JoVE, Cambridge, MA, (2023).