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Estratto del documento

CH1 + Constant voltage CV

VCH1 = 10V

ICH1 = 20mA

ICH = ICH1 + ICH2

Increasing ICH2 = 50μA, we measured ICH = 0.18A

Why we have some voltage difference? VCH1 = 10V, VCH2 = 9.98V

CH2 + Constant current CC

ICH2 = 1mA

VCH2 = 9.98V (tiny difference)

CH2 used as a voltmeter

ΔV

ΔV (due to resistance across wires)

This phenomenon is significant for critical values of current

VR = VCH1 - Rw·I

  • LAB ACTIVITY
  • 2 DC/DC converters
  • linear regulator
  • switching regulator

HEAV: ALL: CH1 in

ΔVCH1 = 10V

Therm 28.2.2024

  1. 90% 100W
  2. 95% 95W out

Ploss = PIN - POUT and γ = POUT / PIN (efficiency)

Half dissipated power!

RTH: Pdis, important term to consider!

Ploss = (PIN - POUT) ⋅ POUT

POUT = POUT (1/η - 1)

POUT = POUT (1-1/η)

depends on the cooling system:

ΔT = RTh ⋅ Pdis

POUT = PDIS (η/(1-η))

efficiency of the circuit

All currents and voltage will be periodic. So we have

ν(t) = ν(t+T0) since T0 = switching period

i(t) = i(t+T0) and fs = 1/T0 switching frequency

ν(t) = ν(t+T0) = a0 + ∑1n ai ⋅ sin(2πω/ T0 ⋅ t) + ∑1n bi ⋅ cos(2πω/ T0 ⋅ t)

ν̂ = harmonic component of the signal (AC)

average value of ν(t): a0 = 1/TA0TA ν(t) dt = V

DC component of the signal

ν(t) = V + ν̂(t)

ΔiL represents the peak-to-peak variation

ripple iL = ΔiL/IL = 50%

iMAX = 3A

iMIN = 1A

IL = 2A

ΔiL = 1A

ν̂L = îL - IL

figure of merit that shows how close we are to DC components

Iload > IRA → Iin ≡ Iout

Vout constant

Vin

So we have

η = Vout Iout/Vin Iin

 

50% efficiency

Plost of power: thermal dissipation

η ∝ 1/Vin

Switching regulator

η = Vout Iout/Vin Iin ≈ constant

in order tokeep the sameefficiency

As Vin increases, Iin decreases and

vice-versa; the goal is to keep the efficiency

as constant as possible.

Switching regulator can regulate the output voltage introducing a

small ripple waveform superimposed over a DC component.

Having a higher efficiency, the switching regulator can operate at lower

temperatures (at a given power) compared with the linear regulator.

The presence of switching mechanisms can introduce important noise

contributions. The linear regulator can be preferred for the absence of noise.

Also, it provides more stable output voltage, avoiding ripple.

R

V = V(L)

t

Vg

2nd order filter with

η = 100% (no dissipation!)

 

√(ripple

R + Cf) ≈

noise

approximation)

η = 100%

(theoretically!)

STEP-DOWN or BUCK

CONVERTER

DC/AC

Conversion performed by SPDT η = 100%, no power dissipation

ΔV/V = 1/16 * 1/LC * Td * D

ripple = 1/16 * 1/LC * fsw

Ripple equation obtained by small ripple approximation. If the ripple is high, the circuit needs to be analyzed in a different way.

D << 1

cannot be changed due to target output voltage

It's possible to act on these parameters.

↓ lower when L or C (or both) are increased.

↓ lower quadratically when the frequency switching is increased.

∅ from 2/3 and 2 for the same ripple.

The limitation of increasing fsw is the semiconductor device.

Boost Converter (Step-up)

VL = VG - D + (VG-V) * D'

| = VG - V' D' = ∅

Balance Equation

V = VG/D' = VG/1-D

The output V > VG (since 0 < D < 1)

For what concerns the current:

IL = IG

If η = 100% (true under our assumptions)

η = V * I / VG * IG = 1

since V/VG = 1/D'

then I/IG = D'

I = D' * IG = D' * IL

IL = I/D' = V/RD'

About ic, remember that depends by the converter.

ic = il2 - I

ic = -IL + ΔiL - I = -0.23 A at the beginning of switching period

ic = IL + ΔiL - I = 0.056 A at the end of switching period

The two triangles are similar. So, we can say

0.23tA =

ΔQ = 1/2 0.23 ∙ 2.91CtA = 0.39 nC

Δv = ΔQ/2C = 0.34/2∙10-5 = 17 mV

And finally

ripple = 17 ∙ 10-3/4 = 0.42%

Everything treated until now is correct considering an ideal SPDT. But now we will understand how the things will change considering real cases.

n-channel MOSFET

VGS > VTH ON

NORMALLY OFF TRANSISTORbetter behavior in case of error

Bidirectional switch

the charge of battery grows when the light is applied; when there is no light the battery will discharge. A new diode must be applied.

What happens when the current, in 2, turns negative?

VL = (Vg - V) D - D2 = 0

IC = IO => I = I (charge balance equation)

IC = 1/j   1/2   (D1 + D2) Ipeak   VL L

2) iL? Use the schematic!

iL peak = Vg / L. DTT = 5A

D2 T = iL peak | (-L / V) = 5   9.6 / 12 = 4μs

iL peak 5

3) iC?

iC = -iF - I

iF = {0 nos on ( t < DTT )

iL mos off ( DTT < t < TP )

I = -1A

iC = -iF - I

time length → 4 / 5 → tQ / 4 = 4 / 5

height → 5

ΔQ = 1/2   ta iL peak

= 1/2   3.2 × 10-6   4 = 6.4 nC

ΔV = ΔQ / 2C = 6.4 / 2 · 10 = 0.32 V

VQ = 0.32 / 12 = 2.6 %

1) For each inductor, extract the VL equation

2) For each capacitor, extract the IC equation

3) If ig fix, then extract the Ig equation

Which are the dependent and independent variables?

Independent variables: Vg, D, VCX, IX, Ron, RL, Von, R0

VCX = VC

Copper - losses boost converter

Ig = IL

VL = 1/D [(Vg - RLIL) + (Vg - RLIL - VC)D]

IC = 1/D [-(VC)/R D + (IL - VC/R)D]

VL = Vg - RLIL - VCD

IC = ID - VC/R

Voltage controlled generator

We're in periodic waveform operation. So, VL = 0 and IC = 0

Dettagli
Publisher
A.A. 2024-2025
75 pagine
SSD Ingegneria civile e Architettura ICAR/08 Scienza delle costruzioni

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher f.miky2001 di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Power electronics e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia o del prof Chini Alessandro.