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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

DC/DC 부스트 컨버터

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Overview

출처: 알리 바지, 코네티컷 대학교 전기 공학학과, 스토스, CT.

Boost 컨버터는 변형기를 사용하여 AC로 변환한 다음 변압기 출력을 수정할 필요 없이 DC 전압을 늘려야 하는 많은 응용 분야에서 DC 전압을 강화하는 다목적 솔루션을 제공합니다. 부스트 컨버터는 인덕터를 DC 입력 소스 이외에 추가 에너지로 출력을 지원하는 에너지 저장 장치로 사용하는 스텝업 컨버터입니다. 이로 인해 출력 전압이 향상됩니다.

이 실험의 목적은 부스트 컨버터의 다양한 특성을 연구하는 것입니다. 컨버터의 스텝업 기능은 인덕터 전류가 0이 아닌 연속 전도 모드(CCM)에서 관찰됩니다. 수동으로 설정된 듀티 비율을 가진 개방형 루프 작업이 사용됩니다. 입력 출력 관계의 근사치가 관찰될 것이다.

Principles

부스트 컨버터는 인덕터 L에저장된 에너지에 의존하여 부하가 지원되는 출력 측에 에너지를 공급하며 DC 소스는 주요 에너지원이 됩니다. 부스트 컨버터 작동의 주요 개념은 인덕터가 전류 흐름을 유지하기 위해 전압 극성을 뒤집을 것이라는 것입니다. 간단한 부스트 컨버터 회로에 대해 도 1(a)에 도시된 바와 같이, 스위칭 기간 T의듀티 사이클 D에 스위치가 켜지면 인덕터 전압 VL이 축적된다. 스위치가 꺼지면 인덕터 전류가 계속 흐르므로 인덕터의 전압 극성이 뒤집히면 입력 전압 V에추가됩니다.

그러나 스위치가 켜지면 하중이 단락되고 출력 전압이 0으로 되어 원하지 않습니다. 따라서, 블로킹 다이오드가 도 1(b)에 도시된 바와 같이 출력 측에 첨가되어 하중이 단락되는 것을 방지한다. 이 다이오드는 스위치가 켜질 때 전압이 없는 하중문제를 여전히 해결하지 않으므로 스위치가 켜진 기간 동안 필요한 전류를 제공하기 위해 도 1(c)에 도시된 대로 커패시터가 추가됩니다. 스위치가 켜지면 다이오드가 꺼져 있고(역편향됨) 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 따라서 평균 출력 전압은 입력 전압과 관련이 있습니다: <V출력>=V/(1-D).

Figure 1
그림 1. 부스트 컨버터 구축 단계

이 실험이 진행됨에 따라, 듀티 사이클, D가증가함에 따라 평균 출력 전압이 증가하는 것으로 나타났습니다. 이는 입력 전압 관계에 대한 출력 전압이 반대로 –D에비례하기 때문에 출력 전압과 D는 양수 상관 관계가 있기 때문에 사실입니다.

제시된 방정식은 이상적인 부스트 컨버터를 위한 것이며 D=1이 무한 출력 전압을 산출하는 것처럼 보일 수 있지만 이는 사실이 아닙니다. 실제로 부스트 컨버터의 기생 요소와 저항으로 인해 D는 약 70-80%로 제한되며, 그 후 기생 효과가 회로 작동을 지배하고 상당한 전압 강하를 야기합니다. 이러한 시점에서 D가 증가함에 따라 출력 전압이 감소하기 시작합니다. 스위칭 주파수가 높을수록 커패시터의 전압 충전 및 방전 시간이 감소하여 스위칭 주파수가 현저히 짧아지기 때문에 출력의 전압 잔물결이 감소합니다.

Procedure

주의: 이 실험은 출력 전압을 50V DC 미만으로 제한하도록 설계되었습니다. 여기에 주어진 듀티 비율, 주파수, 입력 전압 또는 하중만 사용합니다. 이 실험은 HiRel Systems에서 제공하는 DC-DC 컨버터 보드를 활용합니다. http://www.hirelsystems.com/shop/Power-Pole-Board.html 보드 운영에 대한 정보는 이 컬렉션 비디오 “HiRel 보드 소개”에서 찾을 수 있습니다. 여기에 표시된 절차는 프로토 보드, 빵 기판 또는 인쇄 회로 기판에 구축 할 수있는 간단한 부스트 컨버터 회로에 적용됩니다. 1. 보드 설정: “DIN” 커넥터에서 ±12 신호 공급을 연결하지만 “S90” OFF를 유지합니다. PWM 제어 선택기가 열린 루프 위치에 있는지 확인합니다. DC 전원 공급 장치를 10V로 설정합니다. 지금 동안 출력이 보드에서 분리된 상태로 유지합니다. 하중 저항기를 연결하기 전에 20 Ω 조정합니다. 하부 MOSFET, 상부 다이오드 및 BB 자기 보드를 사용하여 도 2에 도시된 회로를 구축한다. 칠판에 표시된 인덕트 값을 기록합니다. “RL”을”V1+”와 “COM”에 연결합니다. 입력 및 출력 연결이 벅 컨버터 실험의 연결에 비해 뒤집혀 있습니다. 부스트 컨버터가 불안정해지고 보드에 손상을 줄 수 있으므로 실험 중에 부하를 분리하지 마십시오. MOSFET 선택(하부 MOSFET), PWM 선택 및 기타 설정에 대한 스위치 어레이가 올바른지 확인하여 도 2에서와 같이 기능 회로를 달성하십시오. 그림 2. 부스트 컨버터 회로 2. 의무 비율 조정 및 스위칭 주파수 아래쪽 MOSFET의 게이트-소스를 가로질러 차동 프로브를 연결합니다. 켜기 “S90″을 켭니다. 스위칭 신호가 범위 화면에 나타납니다. 신호 시간 축을 조정하여 2~3개의 기간을 확인합니다. 주파수 전위도계를 조정하여 100kHz(10μs 의 주파수)를 달성합니다. 10%의 관세 비율(1μs의 정시)을 달성하기 위해 관세 비율을 조정합니다. 3. 가변 입력에 대한 변환기 테스트 향상 이미 10V로 설정된 입력 DC 전원 공급 장치를 “V2+” 및 “COM”에 연결합니다. 차동 프로브를 연결하여 “CS5″에서 인덕터 전류를 측정합니다. 다른 프로브를 부하에 연결합니다. 접지 커넥터가 “COM”에 연결되어 있는지 확인합니다. 파형을 캡처하고 출력 전압 평균, 인덕터 전류 리플 및 인덕터 전류 평균을 측정합니다. DC 전원 공급 장치에 입력 전류 및 전압 판독값을 기록합니다. 입력 전압을 8V, 12V 및 14V로 조정하고 이러한 각 전압에 대해 위의 단계를 반복합니다. 입력 DC 공급의 연결을 끊고 출력을 10 V로 조정합니다. 4. 가변 듀티 비율에 대한 부스트 컨버터 테스트 게이트를 가로질러 디포티얼 프로브를 아래쪽 MOSFET의 소스에 연결합니다. 다른 프로브를 부하에 연결합니다. 접지 커넥터가 “COM”에 연결되어 있는지 확인합니다. 입력 DC 공급 장치를 “V2+” 및 “COM”에 연결합니다. 파형을 캡처하고 게이트 대 소스 전압(또한 듀티 비율)의 출력 전압 평균 및 정시 측정합니다. DC 전원 공급 장치에 입력 전류 및 전압 판독값을 기록합니다. 관세비율을 20%, 40%, 60%로 조정합니다. 이 세 가지 의무 비율 각각에 대해 위의 단계를 반복합니다. 관세비율을 10%로 재설정합니다. 입력 DC 공급 의 연결을 끊습니다. 5. 가변 스위칭 주파수에 대한 부스트 컨버터 테스트 게이트를 가로질러 디포티얼 프로브를 아래쪽 MOSFET의 소스에 연결합니다. 다른 프로브를 “COM”에 연결된 접지 커넥터와 부하 를 가로 질러 연결합니다. 입력 DC 공급 장치를 “V2+” 및 “COM”에 연결합니다. 스위칭 주파수를 70kHz로 조정합니다. 파형을 캡처하고 게이트 대 소스 전압(또한 듀티 비율)의 출력 전압 평균 및 정시 측정합니다. DC 전원 공급 장치에 입력 전류 및 전압 판독값을 기록합니다. 스위칭 주파수를 40kHz, 20kHz 및 10kHz로 조정합니다(또는 10kHz에 도달할 수 없는 경우 최소 가능). 이 세 가지 스위칭 주파수 각각에 대해 위의 단계를 반복합니다. 입력 DC 공급 및 “S90″을 끄고 회로를 분해합니다.

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 Vinand the output voltage is Vout, Vout/Vin= 1/(1-D), where 0≤D≤ 100%. Therefore, for an input voltage of 10 V, Vout≈ 12.5 V for D = 20%, Vout 16.67 V for D= 40%, and Vout≈ 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 Vout/Vin relationship can be derived does not account for non-idealities and voltage drops in the converter. Theoretically, as D→100%, Vout→∞; 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.

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