Laboratory session 3 Power Electronics

Transcriptie

1 Laboratory session 3 Power Electronics Dorien Jannis & Christophe Mestdag November 29, Excercise PSpice: Buck convertor QUESTION 1: Study the schematic of the buck converter. What s the purpose of the circuit built around the 555 IC? What is the switching frequency and duty cycle range? Het doel van het circuit is om de capaciteit gecontroleerd op te laden. De spanning zal stijgen tot 2/3 van zijn maximum, en daarna terug ontladen tot 1/3. QUESTION 2: Why do we use a PMOS transistor and not an NMOS? Why a Schottky barrier diode? Bij een NMOS is de de V GS 10V voor stroom te laten vloeien. Bij een PMOS is een hogere spanning noodzakelijk (24V). De bronspanning bedraagt hier 12V, bij aanleggen van 0V: op transistor -12V: AAN. Bij aanleggen van 12V: op tranistor: 0V: UIT. QUESTION 3: For a duty cycle D = 0.5 and D = 0.7, what is the output voltage you expect? Bij zowel D=0.5 en D=0.7: 2.5V. Figure 1: Spanning schakelaar stroom secundair. QUESTION 4: For D = 0.5 and D= 0.7, measure and draw the graph of the output voltage Vout as function of the load current Iout. Determine the boundary between CCM (continuous conduction mode) and DCM (discontinuous conduction mode). Compare with the voltage you expected. 1

2 QUESTION 5: Measure the voltage at the MOSFET s drain. Why do the oscillations occur when the circuit is in discontinuous mode? How can we solve this? De oscillaties ontstaan op het moment dat er door de spoel geen stroom meer vloeit, dan zit het circuit daar in een zwevend punt. Dit valt op te lossen door de duty cycle te verhogen, zodat het circuit terug in continue mode komt, vervolgens kan men ook een weerstand in parallel zetten, of gebruik maken van een snubber (de weerstand zal wel zorgen voor extra verliezen). Het effect komt vanuit de parasitaire capaciteit van alle onderdelen, waarbij er geen spanning is tov de referentiespanning. QUESTION 6: For nominal output, determine the shape of the current through the MOSFET. Determine the peak current value. de piekwaarde bedraagt: 1.63 A QUESTION 7: For nominal output, determine the shape of the current through the inductor. Determine the peak current value. de piekwaarde bedraagt: 1.5 A Compare the conclusions of 6. and 7. with a boost converter, buckboost converter, Cuk converter. zie cursus QUESTION 8: Measure the output voltage ripple for nominal output current and voltage + for 1/10 nominal output current. Deze waarden zijn enkel afhankelijk van de frequentie. Opmeting: 1.2 DIV x 100mV/DIV = 500mV. QUESTION 9: What is the efficiency of this circuit at nominal output current and voltage? Berekening van de efficiëntie: η = uitgaand vermogen ingaand vermogen (1) = 6V 0.9A 12V 0.5A (2) = 0.90 (3) QUESTION 10: Perform a Fourier analysis with the scope on the output voltage. Which frequencies are present in the output voltage? QUESTION 11: Suppose that the wire between the 12V-power supply and the MOSFET has an inductance of 500 nh (rule of thumb: 1 nh/mm) and that the input capacitance of 470 uf is not present. How do you expect the voltage to be at the source of the MOSFET in that case. Why does the voltage have this behaviour? How can the extra capacitor of 470uF solve this problem? Perform a Fourier analysis with the scope on the supplied current and on the current through the MOSFET. What are your conclusions? 2

3 2 Excercise PSpice: Flyback convertor VRAAG 1: Leg werking van de flyback convertor uit aan de hand van aantal schetsen: - I prim eni sec (stroom door de primair en secundaire wikkeling van de transformator - V prim env sec (spanning over de primaire en secundaire wikkeling van de transformator in functie van de tijd. Doe dit zowel in continu als discontinu bedrijf van de schakeling. Verklaar wat er tijdens de verschillende fases gebeurt. VRAAG 2: Bestudeer het schama van de testschakeling en de datasheet van de LM2587. Wat is het bereik van de in- en uitgansspanning van de schakeling en de stroom door de schakelaar? Wat zijn D4 en D5? Wat is hun functie? Verklaar kort de werking avn het IC U1 (LM2587) Output voltage: 0V < V SW < 60V Supply voltage: 4V < V IN < 40V Switch current: I SW < 5A VRAAG 3: Verbind de schakeling met de spanningsbron en de belastingsweerstand. Stel de weerstand ongeveer halverwege in. Stel de spanningsbron in op 15V, stroombgenzing op 1A. Meet de spanning over de schakelaar, en de stroom I sec. Maak een schets van het scoopbeeld. Werkt de schakeling nu in continu of discontinu bedrijf? De schakeling werkt op dit moment in discontinu bedrijf. Zie figuur 2 en figuur 3. VRAAG 4: Verklein de belastingsweerstand (meer belastingsstroom) tot de oscillaties verdwijnen op het scoopbeeld. Verklaar wat er gebeurt op dat moment. Bij het dalen van belastingsweerstand, verhoogt de piek van de stroom (de driehoekspuls), waardoor de oscillaties volledig wegvallen. Gemiddeld gezien, wordt er meer stroom door de kring gestuurd. VRAAG 5: Bepaal de wikkelingsverhouding tussen de primaire en de secundarie (5V) wikkeling aan de hand van metingen. Verhouding: 35/10 = 3.5 VRAAG 6: Verwijder de belasting. Bekijk de primaire spoelspanning op grotere tijdschaal (1ms/DIV). Wat zie je? Verklaar. Cycle skipping: geen verliezen door de weerstand. Maar er komen toch kleine parasitaire verliezen = burst tot tegen 5V. Zie figuur 4. VRAAG 7: extra: Sluit de belasting terug aan. Regel naar continue mode. Meet de spanning over de schakelaar en de secundaire stroom. Verklaar de trapvorm in de spanning tijdens het uitschakelen van de schakelaar. 3

4 Figure 2: Spanning schakelaar stroom secundair. Figure 3: Spanning schakelaar stroom secundair in continu bedrijf. 4

5 Figure 4: Tijdsschaal 1ms 5