Q1) (30 marks) In a new project, you have an input voltage that varies from 80V to 120V DC, and you need to create a converter with an output 100V in to a 20Ω .  You will be designing the hardware and another imaginary team member will be doing the feedback.  They will supply you with a 50kHz PWM signal. You will need to tell them what range of duty cycles their controller will need to output.

Find a MOSFET and a diode that will work for this build and calculate the losses for your switching power pole (include the important variables from the datasheet and a link, also, if you use a fast-recovery diode/schottky diode, you can neglect the diode switching losses). Motivate your selections.

Q2)  (20  marks)  Below  is  the  switching  voltages  across  a  buck  converter’s  inductor (10mH).

Find the following:

1.  Vin

2.  Vout

3.  ∆IL

4. Assuming a switching frequency of 10kHz, what size load will make the converter enter discontinuous conduction mode?

5. What size capacitor would be required to have an output ripple of 1%?

Q3) (20 marks) There are three main converter types that can step-up and down volt- ages which are; Buck-boost, Cuk and SEPIC. Do a short literature review to find the topologies and the advantageous/disadvantageous of each.

Q4) (5 marks) Describe the difference between continuous and discontinuous conduction mode.

Q5) (30 marks)

In this question, you will be looking at using feedback to keep a constant DC voltage on the output of a DC/DC converter with a varying DC input. A good example of this is charging a phone (constant 5V) with a 12V battery as a supply (which has a voltage that varies from s 11V to 14V).

We will be using some control techniques which were covered in ECEN315, but as not everyone has done ECEN315, I will do my best to cover everything in a lecture (could also be a good refresher).

We will be controlling the buck converter from lab 3 (asynchronous buck converter), we will be using matlab/simulink to test our system, I have supplied you with the simulink model of the buck converter and you can add feedback and test the response.                We also need a couple of equations to help us design our proportional-integral  (PI) controller.  Equation 1 shows the transfer function for a CCM buck converter in the Laplace domain (covered in a lecture).

vo          Vin             1 + srC           

d  = LC s2 + s( + ) +

Where:

vo  is the output voltage

d is the duty cycle

Vin  is the input voltage

L is the inductor

C is the output capacitor

r is the series resistance of the output capacitor

R is the load

We will use the following values for the buck converter:

vo = 5V

Vin = 11V to 14V

L = 4mH

C = 10uF

r = 0.02Ω

R = 100Ω

fSW  = 30kHz

An op-amp implementation of a PI controller is shown in figure 1, you can see it looks suspiciously like an inverting amplifier  (mixed with an integrator circuit).   Hopefully some of you remember equation 2, the gain of an op-amp inverting amplifier circuit.

Zf(s)

AV(s) = _

Where:

(2)

Zf(s) = Rf + 

Zi(s) = Ri

By rearranging equation 1, we can see this controller adds a pole at the origin (integrator) and a zero at:

s = _

A proportional gain of:

Rf

Kp =

A integral gain of:

Ki =

Figure 1: Op-amp PI controller

You can use the matlab function tf([],[]) to create a transfer function for the buck con- verter and your controller. For the controller, it might look something like this:

...% compute the numerator parameter

Cont num = Rf*C

% compute the denominator parameter

Cont den = Ri*C

% create controller transfer function