background image

1

EE462L, Spring 2014

DC−DC Boost Converter

background image

2

V

in

 

V

out

– 

i

C

 

I

out

 

i

in

Buck 
converter 

 

i

L

 

L

+ v

L

 – 

Boost 
converter 

V

in

 

V

out

– 

i

C

 

I

out

 

i

in

 

i

L

 

L

+ v

L

 – 

background image

3

Boost converter 

This is a much more unforgiving circuit than the buck 

converter

V

in

 

V

out

– 

i

C

 

I

out

 

i

in

 

i

L

 

L

+ v

L

 – 

i

D

•If the MOSFET gate driver sticks in the “on” position, 

then there is a short circuit through the MOSFET – 

blow 

MOSFET!

•If the load is disconnected during operation, so that I

out

 

= 0, then L continues to push power to the right and 
very quickly charges C up to a high value (250V) – 

blow diode and MOSFET!

•Before applying power, make sure that your D is at the 

minimum, and that a load is solidly connected

!

background image

4

Boost converter 

V

in

 

V

out

– 

i

C

 

I

out

 

i

in

 

i

L

 

L

+ v

L

 – 

i

D

•Modify your MOSFET firing circuit for Boost 

Converter operation (see the MOSFET Firing Circuit 
document)

•Limit your output voltage to 120V

background image

5

Boost converter 

Using KVL and KCL in the average sense, the 

average values are 

+ 0 V –

I

out

V

in

 

V

out

– 

 

I

out

 

 

 

L

0 A

I

in

V

in

 

V

out

– 

i

C

 

I

out

 

i

in

 

i

L

 

L

+ v

L

 – 

i

D

Find the input/output equation by examining the 

voltage across the inductor 

background image

6

Switch closed for DT seconds 

Reverse biased, thus the 
diode is open

L

V

dt

di

in

L

for DT 

seconds

V

in

 

V

out

– 

 

I

out

 

i

in

 

i

L

 

L

I

out

 

Note – if the switch stays closed, the input is short circuited!

+ V

in

 −

background image

7

Switch open for (1 − D)T seconds

Diode closed.  Assume 
continuous conduction.

L

V

V

dt

di

out

in

L

V

in

 

V

out

– 

 

I

out

 

i

in

 

i

L

 

L

for (1−D)T seconds

(i

L

 – I

out

)

+ (V

in

 − V

out

 ) 

background image

8

Since the average voltage across L is 

zero

 

0

1

out

in

in

Lavg

V

V

D

V

D

V

in

in

in

out

V

D

V

D

V

D

V

)

1

(

D

V

V

in

out

1

The input/output equation 
becomes

A realistic upper limit on boost is 5 
times

!

background image

9

Examine the inductor current

Switch 
closed,

Switch open,

L

V

dt

di

V

v

in

L

in

L

 ,

L

V

V

dt

di

V

V

v

out

in

L

out

in

L

,

sec

/

 A

L

V

in

DT

(1 − D)T

T

I

max

I

min

I

avg

 = I

in

I

avg

 = I

in

 is half way  between

I

max

 and I

min

sec

/

 A

L

V

V

out

in

ΔI

i

L

background image

10

Inductor current rating

 

2

2

2

2

2

12

1

12

1

I

I

I

I

I

in

pp

avg

Lrms

2

2

2

2

3

4

2

12

1

in

in

in

Lrms

I

I

I

I

Max impact of ΔI on the rms current occurs at the boundary of 
continuous/discontinuous conduction, where ΔI =2I

in

in

Lrms

I

I

3

2

2I

in

0

I

avg

 = I

in

ΔI

i

L

Use max

background image

11

MOSFET and diode currents and current 

ratings

in

rms

I

I

3

2

Use max

2I

in

0

2I

in

0

Take worst case D for 
each

V

in

 

V

out

– 

i

C

 

I

out

 

i

in

 

i

L

 

L

+ v

L

 – 

i

D

background image

12

Capacitor current and current rating

2I

in 

−I

out

−I

out

0

Max rms current occurs at the boundary of 
continuous/discontinuous conduction, where ΔI =2I

out

out

Crms

I

I

Use 
max

i

C

 = (i

D

 –  I

out

)

V

in

 

V

out

– 

i

C

 

I

out

 

i

in

 

i

L

 

L

i

D

See the lab document for the 
derivation

background image

13

Worst-case load ripple voltage

Cf

I

C

T

I

C

Q

V

out

out

The worst case is where C provides I

out

 for most of the period.  

Then,

−I

out

0

i

C

 = (i

D

 –  I

out

)

background image

14

 

Voltage ratings

Diode sees V

out

MOSFET sees V

out

C sees V

out

• Diode and MOSFET, use 2V

out

• Capacitor, use 1.5V

out

V

in

 

V

out

– 

 

I

out

 

i

in

 

i

L

 

L

V

in

 

V

out

– 

 

I

out

 

i

in

 

i

L

 

L

background image

15

Continuous current in L

sec

/

 A

L

V

V

out

in

f

L

D

D

V

T

D

L

V

D

V

T

D

L

V

V

I

boundary

in

boundary

in

in

boundary

in

out

in

1

1

1

1

1

1

1

2

f

I

D

V

L

in

in

boundary

2

2I

in

0

I

avg

 = I

in

i

L

(1 − D)T

f

I

V

L

in

in

2

guarantees continuous 
conduction

Then, considering the worst case (i.e., D → 1),

use max

use min

2

f

L

D

V

I

boundary

in

in

background image

16

Impedance matching

out

out

load

I

V

R

equiv

R

load

out

out

out

out

in

in

equiv

R

D

I

V

D

D

I

V

D

I

V

R

2

2

1

1

1

1

DC−DC Boost 

Converter

+

V

in

+

I

in

+

V

in

I

in

Equivalent from 
source perspective

Source

D

V

V

in

out

1

in

out

I

D

I

 1

background image

17

Example of drawing maximum power 

from solar panel

I

sc

V

oc

P

max

 is approx. 

130W (occurs at 
29V, 4.5A)

44

.

6

5

.

4

29

A

V

R

load

For max power from 
panels, attach

I-V characteristic of 6.44Ω 
resistor

But as the sun 
conditions change, 
the “max power 
resistance” must also 
change

background image

18

Connect a 100Ω resistor directly, extract only 

14W

130W

6.4

4Ω

 

res

ist

or

100Ω 

resistor

14W

75

.

0

100

44

.

6

1

1

 ,

1

2

load

equiv

load

equiv

R

R

D

R

D

R

To extract maximum power (130W), connect a boost converter 
between the panel and the load resistor, and use D to modify the 
equivalent load resistance seen by the source so that maximum 
power is transferred

So, the boost 
converter reflects a 
high load resistance 
to a low resistance 
on the source side

background image

19

5A

10A

10A

120V

120V

Likely worst-case boost situation

5.66A

200V, 

250V

16A, 20A

Our components

9A

250V

MOSFET. 250V, 20A

L. 100µH, 
9A

C. 1500µF, 250V, 5.66A 
p-p

Diode. 200V, 16A

BOOST DESIGN

background image

20

5A

1500µF50kHz

0.067V

BOOST DESIGN

MOSFET. 250V, 20A

L. 100µH, 
9A

C. 1500µF, 250V, 5.66A 
p-p

Diode. 200V, 16A

background image

21

40V

2A

50kHz

200µH

BOOST DESIGN

MOSFET. 250V, 20A

L. 100µH, 
9A

C. 1500µF, 250V, 5.66A 
p-p

Diode. 200V, 16A


Document Outline