このラボ チュートリアルでは、一般的なパワー エレクトロニクス ラボについて説明し、Moku:Go のオシロスコープ、波形ジェネレータ、および電源を同時に使用して降圧 (降圧) コンバータに電力を供給し、分析する方法を示します。
Moku:Go
Moku:Go は、14 つのアナログ入力、2 つのアナログ出力、2 個のデジタル I/O ピン、およびオプションの統合電源を備えた 16 台の高性能デバイスに XNUMX 台以上のラボ機器を組み合わせています。
概要
DC/DC パワー コンバータは、今日実装されている最も一般的な電子システムの 1 つであるため、コンバータの品質を迅速にデバッグして評価できることは、あらゆる種類のエンジニアにとって重要です。 Moku:Go は、さまざまな機器を 1 つの環境に統合し、迅速な回路開発、テスト、検証を可能にするため、パワー エレクトロニクスに最適なテストおよび測定デバイスです。
この最初のコンバータ ラボでは、Moku:Go に統合されたオシロスコープ、波形ジェネレータ、プログラマブル電源 (PPSU) を使用して、ブレッドボード上に構築された典型的な降圧コンバータの特性を簡単に評価する方法を示します。 Moku:Go は、オシロスコープに 2 つの入力チャンネルを許可しながら、このコンバータの入力電力、PWM デューティ サイクル、および PWM 周波数を制御します。これにより、設計変更を同じラップトップ インターフェイス内で迅速に実装および検証できるようになり、開発時間の短縮に役立ちます。
実験設定
実験装置のセットアップの比較
Traditional (左) vs. Moku:Go (右)
コンポーネント
- モク:ゴ [1x]
- R1 抵抗1kΩ[×1]
- R2 抵抗10kΩ[×1]
- R3 抵抗100Ω[×1]
- R4 抵抗100mΩ[×1]
- Cin コンデンサ 100nF [x1]
- Cout1 コンデンサ 100μF [×1]
- Cアウト2 コンデンサ 470μF [×1]
- L1 インダクタ 100μH×[1]
- Q1 MOSFET IRFZ44N [×1]
- Q2 トランジスタ S8050 [x1]
- D1 ダイオード 1N4007 [x1]
- ブレッドボード [x1]
図 1: 降圧コンバータ
このセットアップでは、16V PPSU と波形発生器 (WG) の両方を使用して MOSFET のゲートを駆動します。 WG は、デジタル PWM を使用して方形波を生成するように構成されており、MOFSET の駆動と降圧コンバータの特性評価がすべて単一のインターフェイスから行われるため、簡単になります。トランジスタ Q2 はゲート ドライバとして使用され、5V 方形波を 12V 方形波に変換して、FET が飽和領域で動作するようにします。ドライバ回路は PWM 信号のデューティ サイクルを反転しているため、WG インターフェイスのデューティ サイクルが増加すると、MOSFET のゲートでのデューティ サイクルが減少することに注意してください。
ラボの手順
1. 回路のセットアップ
「実験セットアップ」セクションのコンポーネントを使用して、図 1 の回路を構築します。
PPSU2 を 12V および 150mA に設定します。次に、統合された波形発生器が V の方形波出力を持つように設定します。PP = 5V、Vオフセット = 2.5V、 f= 500Hz、D = 50%。ソフトウェアのセットアップは、以下の図 2 のようになります。
図 2: Moku:Go ソフトウェアのセットアップ
2: テストゲートドライバー信号 (VGS)
スコーププローブをInput1からMOSFETのゲートに接続します。 Q1 そして、Input2 から MOSFET のソース (ピン 3) までの別のスコープ プローブです。それを念頭に置いて Moku:Go のすべての入力と出力には共通点がありますしたがって、使用する必要がある唯一のアース線は PPSU (黒色のバナナ プラグ ワイヤ) 用です。ここから、演算チャネルを有効にし、入力 2 (ChA) から入力 1 (ChB) を減算する減算演算子を選択します。これでVが得られますGS 波形。
デスクトップ アプリでデューティ サイクルを変更すると、波形は期待どおりに表示されますか?デスクトップ アプリでデューティ サイクルを変更すると、測定された V のデューティ サイクルはどのように変化しますかGS 波形？
図 3: VG 演算チャネルを使用した波形
V の代表的な観光スポットGS は、電圧オーバーシュートが FET のゲートを破壊しないようにするための PWM 信号の立ち上がりエッジと立ち下がりエッジです。右上の虫眼鏡ボタンを使用して 1 つのパルスの立ち上がりエッジを拡大するか、「R」を押してラバーバンド ズームを有効にします。マウスホイールのスクロールを使用して時間分割を変更したり、Ctrl+スクロールを使用して電圧分割を変更したりすることもできます。
対象の波形に焦点を当てたら、左下のカーソル ボタンからドラッグ可能なカーソルを使用して電圧オーバーシュートを測定できます。から上にドラッグします 
ボタンを押すと電圧カーソルが表示され、右にドラッグすると時間カーソルが表示されます。画面上には同時に最大 8 つのカーソルを表示でき、それぞれのカーソルには最大/最小の追跡や基準として設定などの追加機能が含まれています。スマート カーソル メニューにアクセスするには、オシロスコープ画面上の数字の丸印を右クリックします。灰色の時間軸カーソルは、一番左のカーソルを基準としてFETのターンオン時間を計測していることがわかります。これは、FET のターンオン時間が約 25.5µs であることを示しています。
画面右側の設定ドロワーにある「測定」タブで自動測定を使用することもできます。測定をクリックしてタイプ、チャネルを変更するか、差分チャネル測定を設定します。
FETがオンになったときのゲート端子の電圧オーバーシュートはいくらですか?また、それは最大Vを超えていますか?GS データシートの評価は？
[解決]
図 4: VGS オーバーシュートと振動の測定
オーバーシュート電圧のピークが約 10.48V であることがわかります。 IRFZ4NN データシートを見ると、FET のゲート (±20V) を損傷するほど大きくないことがわかります。
図 5: IRFZ4NN VGS 最大定格
3: コンバータの効率
あらゆるタイプの電力コンバータの最も一般的な性能指数は、その効率であり、 Pでる/Pinここで、 Pでる = Vでる*Iでる & Pin = Vin*Iin。 D = 50% におけるコンバータの効率はどれくらいですか?
[解決]
Moku:Go はコンバータの入力への電力供給と出力の監視の両方に使用されているため、PPSU の「実際の」測定値とオシロスコープの演算チャネルを使用して電力効率を測定するのは簡単です。負荷抵抗の両端の電圧の測定 R3 およびシャント抵抗の両端の電圧 R4を選択すると、数学チャネルを有効にしてその関数モードに設定できます。このようにして、チャンネル A を出力電圧として使用して電力方程式を直接入力し、チャンネル B の電圧をシャント抵抗で分圧することができます (この場合) R4 = 100mΩ)。このモードでは、演算チャンネルに対しても希望の単位を選択することができます。 「平均」測定値を測定値タブに追加すると、次のようになります。 Pでる。 取得するため Pin、PPSUウィンドウを開いて複数のVを開くだけです。実際の 私によって実際の。これにより、コンバータ効率は次のようになります。
図 6: P を取得するための PPSU 2 パワー モニターin
図 7: P を取得するためのオシロスコープのセットアップでる
4：Vでる リップル電圧
D = 0.3 に設定し、AC カップリングを有効にします。 Vの出力リップルを測定しますでる 越えて R3。きれいな測定を取得するのに問題がある場合は、「取得」設定タブで精度モードを有効にしてください。平均化を有効にすると、繰り返しの測定にも役立ちます。
V の RMS 値はいくらですか外 リップル電圧？
図 8: Vでる Cによるリップルout1 = 100μF
ピークツーピークのリップル電圧は約 93mV ですが、それほど大きくないことがわかります。次にCを変更しますでる コンデンサをCに接続out2 = 470μF。リップルは減りましたか？
[解決]
図 9: Vでる Cによるリップルout2 = 470μF
5: Vでる 高調波
演算チャネルを有効にし、FFT を使用して周波数成分の大きさを決定します。
図 10: Vでる FFT
6：VDS リップル電流
C付きin 切断されています。V 間にスコープ プローブを接続します。DS。スコーププローブの接地ピンを使用せず、代わりに演算チャネルを使用して V を取得することを忘れないでください。DS 波形。スイッチが閉じたときの発振周波数は何ですか?オーバーシュートは許容されますか?
図 11: VDS Cなしin
次にCを接続しますin リップル電流波形がどのように変化するかを確認してください。
図 12: VDS C付きin
C であることがわかります。in これは、MOSFET のターンオン時間中のリンギングの増大と引き換えに、ピーク オーバーシュート電圧の低減を実現します。
7: VL 不連続伝導 (DCC)
D = 10% に設定し、スコープ プローブを両端に接続します。 L1、これがあなたのVですL。寄生発振の周波数はどれくらいですか?
図 13: VL 振動
図 14: VL 振動
最後に、周波数がコンバータの DCC モードにどのような影響を与えるかを見てみましょう。 D = 80% に設定し、周波数設定ボックスを選択し、矢印キーを使用して周波数を上げることにより、統合 WG で周波数を徐々に上げます。カーソルの前にある有効数字が、矢印キーで変更される数字です。
図15： VL DCC @ 500Hz
これらの発振が V に存在しない場合、コンバータは DCC で動作しなくなっていることがわかります。L 波形。約 4.3kHz で、コンバータは連続導通モードに戻ります。このタイプのアクティブ ラーニング スタイルは、目的のデバイス操作にコンポーネントの選択が重要である理由を生徒に教えるのに最適です。
図 16: VL CC @ 4.3kHz
まとめ
このラボでは、Moku:Go の統合計測器環境を使用してコンバータを迅速に実行し、基本的なパフォーマンス解析を行う方法に焦点を当てながら、学部生向けの典型的な降圧コンバータ解析を実行します。統合されたオシロスコープ環境で特定の波形を表示しながらコンバータのデューティ サイクルとスイッチング周波数を変更できるため、学生はこれらのパラメータがコンバータの性能にどのような影響を与えるかを簡単に確認できます。また、同じインターフェイスから電源にもアクセスでき、スコープとコントロールがすでにコンピュータ上にあるため、コンバータのパフォーマンスのスクリーンショットをすぐに保存できるため、さまざまなコンポーネントに対するコンバータのパフォーマンスを素早く比較するのにも最適です。
Moku:Go の利点
教育者および研究助手向け
ラボのスペースと時間を効率的に利用
一貫した機器構成の容易さ
機器のセットアップではなく電子機器に焦点を当てる
研究室のティーチングアシスタントの時間を最大限に活用する
個別のラボ、個別の学習
スクリーンショットによる簡易評価と採点
学生のために
自分のペースで行う個々のラボにより、理解と定着率が向上します
持ち運びが可能で、自宅、キャンパス内の研究室、またはリモートでの共同作業など、研究室での作業のペース、場所、時間を選択できます。
使い慣れた Windows または macOS ラップトップ環境でありながら、プロ仕様の機器を備えています
Moku:Go デモモード
macOS および Windows 用の Moku:Go アプリは、Liquid Instruments の Web サイトからダウンロードできます。デモ モードはハードウェアを必要とせずに動作し、Moku:Go の使用方法の概要をわかりやすく示します。
ご質問等ございますか？印刷可能なバージョンが必要ですか？
当社までご連絡ください： support@liquidinstruments.com
