DC/DC 벅 컨버터 설계 및 측정

 

1. 소개

DC-DC 전력 변환기는 오늘날 구현되는 가장 일반적인 전자 시스템 중 하나입니다. 우리는 휴대폰 충전기부터 여객기의 전원 공급 장치에 이르기까지 모든 것에서 이러한 특성의 하위 시스템을 흔히 볼 수 있습니다. 다양한 전기 하위 시스템의 품질을 신속하게 디버그하고 평가할 수 있는 능력은 전기 엔지니어에게 매우 중요한 기술입니다. 미국 공군은 특히 전력 변환 응용 분야에 관심이 있습니다. 왜냐하면 많은 시스템이 전체적으로 다양한 전력 전자 하위 시스템을 사용하기 때문입니다.

A 벅 컨버터스위칭 강압 컨버터의 일종인 는 입력 소스(공급)의 전압을 출력(부하)에 적합한 수준으로 효율적으로 낮추기 위해 일반적으로 사용되는 서브 시스템입니다. 벅 컨버터는 트랜지스터가 스위치 역할을 하는 데 사용되고 회로의 공급측을 부하에 분리하거나 연결하는 일종의 스위칭 컨버터입니다. 벅 컨버터의 주요 장점은 전압 변환의 효율성입니다. 일반적으로 잘 설계된 벅 컨버터에서는 90% 이상의 효율성을 기대할 수 있습니다.

목표: 이 실습의 목표는 다음과 같습니다.

1. 벅 컨버터의 기본 이론 소개
2. 개별 구성 요소에 대한 크기 조정 고려 사항 식별
3. 실제 구현을 위한 분석 및 측정 기술 시연

이 글의 실험실 부분은 Liquid Instruments의 Moku:Go를 기반으로 합니다. 이 실험실에서는 다양한 오실로스코프, DC 전원 공급 장치 및 함수 발생기로 충분합니다. 이 실험실 실험에는 이 실험실에 필요한 모든 테스트 장비가 단일 장치에 포함되어 있는 Moku:Go가 선택되었습니다.

이러한 노력의 전반적인 목표는 독립 실행형 연습으로 수행되거나 심층 이론과 결합될 수 있는 일련의 포괄적인 실험실 실험을 개발하기 시작하는 것이었습니다. 목표는 학생들에게 다양한 핵심 개념을 소개하고 동시에 실제 적용을 탐구할 수 있도록 하는 것입니다. 실습은 이론과 필요한 계산에 대한 대략적인 소개를 제공하기 위한 것이지만 대부분의 전기 공학 교과서에서 흔히 볼 수 있는 모든 필수 파생물을 제공하지는 않습니다. 이 전략은 실험실이 증가된 이론적 토론과 쉽게 결합될 수 있다는 인식을 바탕으로 더 다양한 학생 수준의 전문 지식에 보다 접근하기 쉬운 실험실을 제공하기 위해 선택되었습니다.

 

2 재료

이 튜토리얼의 실습 부분을 완전히 실행하려면 다음 BOM이 필요합니다.

2.1 테스트 장비

• 1x 모쿠:고 또는
  • 1kHz PWM 신호를 생성할 수 있는 함수 발생기 50개
  • 1x 오실로스코프
  • 1V 및 12mA를 지원하는 전원 공급 장치 150개
• 아래 설명된 프로토보드 또는 모듈식 인쇄 회로 기판(PCB) 설계 1개

2.2 전자 부품

• 1x 470 µH 인덕터(652-2100LL-471-H-RC 또는 유사)
• 1x P채널 MOSFET(IRF9Z24NPBF 또는 유사)
• 1x N채널 트랜지스터(2N3903 또는 유사)
• 1x 1000 3와트 저항기(W3M1000J 또는 유사)
• 4x 1kΩ ¼와트 저항기
• 1x 330Ω ¼와트 저항기
• 2x 100 µF 커패시터(80-ESK107M050AG3AA 또는 유사)
• 1x 쇼트키 다이오드(MBR745G 또는 유사)

 

3 이론

스위칭 컨버터는 입력 DC 전압을 다른 출력 DC 전압으로 변환하는 데 사용되는 효율적인 회로 클래스입니다. 이 실습에서는 DC 입력 전압을 입력보다 낮은 출력 레벨로 떨어뜨리도록 이론적으로 설계된 벅 컨버터를 구체적으로 고려할 것입니다. 실제로 최대 출력은 다양한 전기 부품의 손실로 인해 입력 전압보다 약간 낮습니다. 향후 연구실에서는 부스트 컨버터 입력보다 더 큰 출력을 허용할 수 있습니다.

3.1 기본 스위칭 컨버터

그림 1의 기본 스위칭 컨버터는 펄스 폭 변조(PWM) 입력 신호를 사용하여 스위치 역할을 하는 트랜지스터를 구동합니다. 그러면 부하 양단의 전압이 V 사이에서 번갈아 나타납니다._s PWM 신호가 각각 높고 낮을 때 0V입니다. 이를 통해 부하 전체의 평균 전압이 PWM 입력 신호의 듀티 사이클을 늘리거나 줄이는 함수로 증가한다는 점을 매우 직관적으로 알 수 있습니다.

그림 1: 기본 스위칭 컨버터

 

이 회로에 듀티 사이클(D)이 있는 펄스 입력의 경우 그림 2에 표시된 펄스 출력이 생성됩니다. 이 이상적인 단순 회로 설계의 경우 펄스 출력 듀티 사이클은 입력 PWM 듀티 사이클과 정확히 일치합니다.

그림 2: 출력 전압(V₀) 전환된 입력 듀티 사이클의 함수로

 

그림 1과 2에서 부하 전체의 평균 전압은 다음과 같이 설명될 수 있음을 추론할 수 있습니다.

평균 출력은 듀티 사이클과 직접적인 상관 관계가 있습니다. 많은 애플리케이션에서는 순수 DC 출력이 바람직합니다.

3.2 이상적인 벅 컨버터

부하에서 순수 DC 출력을 생성하기 위해 그림 3과 같이 기본 스위칭 컨버터에 저역 통과 필터를 적용할 수 있습니다. 이상적인 저역 통과 필터를 생성할 수 있다면 V에 걸쳐 측정된 출력은 자연스럽게 다음과 같습니다. V_s (D) 위에 표시된 대로. 그러나 이상적인 저역 통과 필터를 만들 수 없다는 것을 알고 있으므로 다음 이론에서는 주로 부하 및 PWM 입력 주파수를 기반으로 인덕터 및 커패시터의 크기 고려 사항을 소개합니다.

그림 3: 기본 DC-DC 벅 컨버터

 

다음 분석에서는 그림 3의 다이오드가 항상 순방향 바이어스 상태를 유지한다고 가정합니다. 따라서 인덕터 전류가 양의 전류로 유지되도록 해야 합니다. 연속 전류 운영 지역. PWM 입력 신호의 각 기간 동안 인덕터 전류가 0으로 돌아가는 것이 허용되면 인덕터는 다음과 같은 방식으로 작동하게 됩니다. 불연속 전류 지역으로 분류되며 다음 분석이 세분화됩니다. 본질적으로 불연속 전류 지역에서는 더 이상 PWM 입력 사이의 밀접한 상관관계를 볼 수 없습니다. PW 부하에서의 출력 전압 V₀. 인덕터의 크기를 적절하게 조정하기 위해 다음 방정식을 사용할 수 있습니다.

어디에 f PWM 입력 주파수 P_쥐 는 변환기의 최대 정격 전력이고 k 설계하려는 최대 출력과 최소 출력 전력 출력의 비율입니다. 이 방정식은 인덕터 L의 최소값을 찾는 데 도움이 됩니다._분 우리가 보유하고 있다는 점을 고려하면 f 끊임없는. 많은 부하가 다양한 전력 소비를 가질 수 있다는 점을 고려하면 L_분 튜닝을 통해 크기를 조정해야 합니다. k 및 f. 우리는 일반적으로 다음과 같이 디자인합니다. k 3과 10 사이이며 많은 전력 전자 애플리케이션이 유지됩니다. f 약 50kHz 이하. 그러나 이 시점에서 100kHz 범위의 스위칭 주파수를 보는 것은 드문 일이 아닙니다. 다양한 애플리케이션에 단일 컨버터가 필요할 수 있는 경우 방정식 3에서 각 매개변수의 균형을 고려해야 합니다. 그림 3의 커패시터는 부하 전체의 리플 전압을 제어합니다. 리플 전압은 PWM 입력이 각각 켜지거나 꺼질 때 커패시터의 지속적인 충전 및 방전으로 인해 발생하는 부하 전반의 전압의 작은 변화입니다. 허용 가능한 리플 전압 수준은 벅 컨버터 설계 시 계획해야 하는 또 다른 설계 고려 사항입니다. 방정식 4를 사용하면 원하는 최대 리플 전압 레벨을 알고 있는 경우 최소 커패시턴스 레벨을 계산할 수 있습니다(ΔV_0-pp)

 

3.3 예시 구성

다음과 같은 구성이 있다고 가정해 보겠습니다.

• V_s = 12 V
• R_L = 100 옴
• 에프 = 50 kHz
• P_최대 = 1.44W
• P_분 = 0.36W
• 리플 전압 <= 3mV

연속 전류를 6V까지 유지할 ​​수 있다고 확신하려면 D를 50%로 가정할 수 있습니다. 실제로 D는 개별 구성 요소의 크기에 따라 약간 다를 수 있지만 50%가 좋은 시작점입니다.

필요한 인덕턴스를 더 줄이고 싶다면 트랜지스터의 최대 스위칭 주파수까지 PWM 주파수를 높일 수 있습니다. 예를 들어, 사용 가능한 470μH 인덕터가 있다는 것을 알고 있다면 이제 위의 시나리오를 작동시키는 데 필요한 스위칭 주파수를 찾을 수 있습니다. 이 후속 사례에서는 부하 전체의 전압을 53.191V로 낮추면서 연속 전류를 보장하기 위해 6kHz의 스위칭 주파수가 필요합니다.

이제 출력에서 ​​원하는 리플 전압을 고려하여 커패시터 크기를 조정할 수 있습니다.

 

3.4 스위치 설계

그림 3의 회로 왼쪽 절반은 현실을 지나치게 단순화한 것입니다. 입력의 다양한 전압 레벨과 PWM 입력과 소스 전압 간의 서로 다른 레벨을 적절하게 설명하려면 복잡성이 증가해야 합니다.

그림 4: 전체 DC-DC 벅 컨버터

 

그림 4에서 볼 수 있듯이 회로의 오른쪽 절반은 위의 그림 3과 동일합니다. 그러나 회로의 왼쪽에는 구성 요소에 손상을 주지 않고 외부 입력이 적절하게 스위칭을 활성화할 수 있도록 하는 데 필요한 로직이 통합되어 있습니다. 이 스위치 설계는 대부분의 스위칭 유형 DC-DC 변환기에 효과적입니다. 우리는 기본적으로 P-채널 MOSFET을 사용하여 하이사이드 스위치를 만들었습니다. 우리는 NPN 트랜지스터를 사용하여 MOSFET에 필요한 게이트 입력을 제공하고 PWM 입력으로 트랜지스터의 게이트를 구동합니다. 이 PWM 입력은 50kHz에 가까운 주파수를 지원하는 대부분의 함수 발생기에서 나올 수 있습니다. 다음 섹션에서는 설계를 평가하고 위에서 예측한 내용을 테스트해 보겠습니다.

 

4 시뮬레이션

위의 그림 4를 사용하여 이제 Multisim과 LT Spice를 모두 사용하여 위 설계의 효율성을 시뮬레이션하고 테스트하겠습니다. 궁극적으로 우리의 목표는 구현 전에 시뮬레이션 이론을 기반으로 예측을 테스트하는 것입니다. 추가적으로 우리는 이 설계의 예상 효율성을 조사할 것입니다. 스위칭 유형 컨버터 사용에 초점을 맞추면서 일반적인 목표는 설계 범위에서 거의 90% 이상의 효율성을 달성하는 것입니다. 그러나 부품 설계의 한계에 가까워질수록 시뮬레이션과 실제 모두에서 설계 효율성이 떨어질 것으로 예상됩니다. 또한 설계에 따르면 스위칭 주파수가 증가하면 효율성이 감소할 것으로 예상됩니다. 각 스위칭 사이클마다 P채널 MOSFET이 높은 전압과 전류를 모두 통과하는 기간이 있을 것입니다. 이 전환 기간은 빈도가 높아져도 변경되지 않습니다. 그러나 P-채널 MOSFET 내에서 이 전환 기간에 대한 총 시간 비율은 스위칭 주파수가 증가함에 따라 자연스럽게 증가합니다. 높은 스위칭 주파수를 사용하는 주된 이유는 필요한 인덕턴스 값 L1을 줄이기 위한 것임을 기억하십시오.

설계의 효율성을 평가하기 위해 우리는 단지 부하 전체의 전력을 측정하고 이를 소스에서 나오는 전력과 비교했습니다. MultiSim을 사용하여 회로의 두 지점을 매우 쉽게 조사할 수 있었습니다. 실제로 비교를 위해 각 지점에서 전류와 전압을 측정해야 합니다.

 

4.1 효율성

그림 5: 100% 듀티 사이클을 사용한 시뮬레이션

 

100%부터 10%까지 다양한 듀티 사이클 값을 제공하여 다음과 같은 결과를 얻었습니다. 주요 관찰 사항은 벅 컨버터 설계로 인해 아래와 같이 듀티 사이클이 감소함에 따라 효율성이 감소한다는 것입니다.

표 1: 시뮬레이션 결과

 

4.2 실험 설계 목표

이전 표에 설정된 기본 결과를 바탕으로 이러한 노력의 목표는 학생이 구성 요소 관계에 대한 기본 지식을 기반으로 다양한 가설을 테스트할 수 있도록 구성 가능한 인쇄 회로 기판(PCB)을 설계하는 것이었습니다. 예를 들어 테스트할 몇 가지 흥미로운 가설은 다음과 같습니다.

• 스위칭 주파수와 관찰된 효율 간의 관계
• 인덕턴스와 스위칭 주파수의 관계
• 용량과 리플 전압의 관계

위에 표시된 대로 빠른 탐색을 수용하기 위해 주요 구성 요소 L2, CXNUMX, CXNUMX 및 부하 값을 모두 쉽게 변경할 수 있는 구성 가능한 PCB가 필요합니다. 또한 우리는 피드백을 제공하고 듀티 사이클 또는 PWM 신호 소스를 제어하기 위한 다양한 기술을 허용하고 싶었습니다.

4.3 구성 가능한 DC-DC 벅 컨버터 PCB

명시된 설계 목표를 탐색할 수 있는 모듈형 회로를 달성하기 위해 그림 4의 회로를 다음 PCB에 설계했습니다. 주목할만한 목표는 상용 등급 DC-DC 벅 컨버터에 비해 간단한 실험실 지원을 실현하는 것이었습니다. 커패시터, 인덕터 또는 부하를 보드에 영구적으로 부착하는 대신 간단한 터미널 블록을 사용했습니다. 이 디자인은 기본 프로토타입 보드에서 쉽게 구축할 수 있지만, 우리는 학생이 프로토타입을 구축하는 데 소요되는 시간에 비해 핵심 개념을 보다 빠르게 조사할 수 있도록 구성 가능한 PCB를 설계하기로 결정했습니다. 프로토타입 제작 연습에는 가치가 있지만 이것이 이 실험실 실험의 목적은 아닙니다.

그림 6: 구성 가능한 벅 컨버터 PCB

 

그림 7의 원으로 표시된 영역은 그림 1의 C2, C1, L4 및 부하 값을 변경하는 데 사용할 수 있는 단자대를 강조 표시합니다.

그림 7: 구성 가능한 벅 컨버터 PCB – 맞춤형 구성 요소

 

그림 8의 원으로 표시된 영역은 PWM 신호가 컨트롤러에 제공될 수 있는 위치를 보여줍니다. 대부분의 상황에서 PWM 입력은 왼쪽 하단의 원으로 표시된 영역에 연결됩니다. 그러나 TL-5001 PWM 컨트롤러와 같은 칩을 사용하는 경우 중앙 원형 터미널 블록에 입력을 제공해야 합니다. 중앙 터미널 블록을 사용하면 NPN 트랜지스터를 바이패스하고 P 채널 MOSFET에 직접 신호를 제공합니다. 또한 중앙 터미널 블록을 사용하면 P 채널 MOSFET의 게이트와 NPN 트랜지스터의 컬렉터 사이에 추가 저항기를 연결할 수 있습니다.

그림 8: 완전히 구축된 구성 가능한 벅 컨버터

 

그림 9에서 원으로 표시된 터미널 블록은 부하와 병렬로 전압 분배기의 출력을 제공합니다. 이 전압 분배기는 부하 전반에 걸쳐 듀티 사이클과 출력 전압을 동적으로 제어할 수 있도록 피드백 루프를 통합하기 위해 다양한 전압 레벨을 제공하도록 맞춤 구성할 수 있습니다.

그림 9: 구성 가능한 벅 컨버터 PCB – 피드백 제어를 위한 전압 분배기

 

그림 10은 그림 4의 설계에 따라 완전히 구성된 DC-DC 벅 컨버터 PCB를 보여줍니다.

그림 10: 구성 가능한 벅 컨버터 PCB

 

5 실험 결과

5.1 시뮬레이션 효율성 비교

이 섹션에서는 벅 컨버터의 성능을 시뮬레이션 결과와 비교해 보겠습니다. 아래 표 2에서 볼 수 있듯이 시뮬레이션에서 예상한 대로 효율성이 감소했지만 전반적인 추세와 규모는 유사합니다. 또한 부하 전체의 전압은 시뮬레이션과 거의 일치했습니다(각 듀티 사이클에서 0.2V 이내). 분명히 실제 구성 요소에서 약간의 차이가 있을 것으로 예상할 수 있지만 아래 결과는 벅 컨버터가 의도한 대로 작동하고 있다는 어느 정도 기본적인 보증을 제공하며 심층 조사에 앞서 항상 훌륭한 첫 번째 단계입니다.

표 2: 시뮬레이션 결과

 

5.2 P채널 MOSFET의 게이트 소스 전압

이러한 기본 비교가 완료되면 이제 몇 가지 추가 측정을 수행하여 선택한 구성 요소의 기능 영역을 관찰할 수 있습니다. 흥미로운 측정 중 하나는 P-채널 MOSFET의 게이트-소스 전압을 테스트하여 부품 데이터 시트에 지정된 최대값 미만인지 확인하는 것입니다. 데이터 시트에 따르면 V_GS,맥스 = ±20V. 오실로스코프의 수학 채널과 두 개의 입력 채널을 사용하여 그림 11에서 볼 수 있듯이 게이트와 소스 모두에서 전압을 측정할 수 있습니다. 아래에서 볼 수 있듯이 오버슈트가 있어도 구성 요소의 한계에 결코 접근하지 않습니다. .

 

그림 11: 소스 입력이 12V인 VGS

 

그림 11에서는 채널 A의 P-채널 MOSFET 게이트 전압과 채널 B의 P-채널 MOSFET 소스 전압을 플롯합니다. 그런 다음 수학 채널을 사용하여 V를 찾습니다._GS. 초과하더라도 우리는 결코 부품의 한계에 접근하지 않습니다. 그러나 그림 16과 같이 벅 컨버터에 대한 입력 소스 전압을 13V로 높이면 오버슈트는 -18.62V에서 측정됩니다. 따라서 약 17V를 초과하면 FET 게이트가 손상될 위험이 있습니다.

그림 12: V_GS 16V 소스 입력

 

오실로스코프 입력 프로브를 움직이지 않고도 또 다른 흥미로운 측정을 수행할 수 있습니다. PWM 신호가 높아지는 시점부터 P채널 MOSFET의 게이트 전압이 1.5으로 안정화되는 시점까지의 시간을 측정할 수 있습니다. 가장 왼쪽 커서를 기준으로 설정하면 이 시간이 XNUMX µs라는 것을 알 수 있습니다. 이와 같은 측정은 선택한 구성 요소에 따라 스위칭 주파수의 상한을 지원할 수 있습니다.

그림 13: 전환 시간

 

5.3 추가 측정 및 실험/향후 실험

이전에 시연된 측정은 이 보드를 사용하여 수행할 수 있는 탐색 유형의 작은 하위 집합일 뿐입니다. 분명히 우리는 다양한 가설을 테스트하기 위해 구성 요소 값을 변경할 수 있습니다. 또한 피드백 루프를 생성하고 학생들에게 일정한 전압 출력을 유지하는 PID 컨트롤러를 설계하게 할 수도 있습니다.

6 요약

Moku:Go와 같은 올인원 계측 시스템은 목적에 맞게 설계된 실험실을 확장할 수 있는 유연한 솔루션을 제공하며 많은 경우 더 많은 반복과 빈도로 학생들에게 데모를 제공할 수 있는 향상된 유연성을 제공할 수 있습니다. 위에서 논의한 맞춤형 실험과 결합하면 현재 많은 학생들이 전기 및 컴퓨터 공학을 선택하는 것을 방해하는 특정 장벽을 무너뜨릴 수 있는 기회가 있을 수 있습니다.