Buck Converter — dimensionarea componentelor

Acest articol va oferi procedura de calcul și selectare a componentelor necesare pentru proiectarea secțiunii de putere a unui convertor DC descendente izolat galvanic, topologie de convertizor buck. Convertizoarele din această topologie sunt potrivite pentru tensiuni continue de scădere cu 50 de volți la intrare și la puteri de sarcină care nu depășesc 100 de wați.

Tot ceea ce privește selecția controlerului și circuitului driverului, precum și tipul de tranzistor cu efect de câmp, va fi lăsat în afara domeniului de aplicare al acestui articol, dar vom analiza în detaliu circuitul și caracteristicile modurilor de funcționare ale fiecăruia. a principalelor componente ale secțiunii de putere a convertoarelor de acest tip.

Începeți dezvoltarea convertor de impulsuri, luați în considerare următoarele date inițiale: valorile tensiunii de intrare și ieșire, curentul maxim de sarcină constantă, frecvența de comutare a tranzistorului de putere (frecvența de funcționare a convertorului), precum și unda de curent prin șoke De asemenea, pe baza aceste date, calculați inductanță de sufocare, care va furniza parametrii necesari, capacitatea condensatorului de ieșire, precum și caracteristicile diodei inverse.

• Tensiune de intrare - Uin, V

• Tensiune de ieșire - Uout, V

• Curentul maxim de sarcină - Iout, A

• Gama de curent de ondulare prin inductie - Idr, A

• Frecvența de comutare a tranzistoarelor - f, kHz

Convertorul funcționează după cum urmează. În prima parte a perioadei în care tranzistorul este închis, curentul este furnizat de la sursa de alimentare primară prin inductor către sarcină în timp ce condensatorul filtrului de ieșire se încarcă. Când tranzistorul este deschis, curentul de sarcină este menținut de sarcina condensatorului și curentul inductor, care nu poate fi întrerupt imediat, și este închis de dioda inversă, care este acum deschisă în a doua parte a perioadei.

De exemplu, să presupunem că trebuie să dezvoltăm o topologie a unui convertor buck alimentat cu o tensiune constantă de 24 de volți, iar la ieșire trebuie să obținem 12 volți cu un curent de sarcină nominal de 1 amperi și astfel încât tensiunea să se ondula la ieșirea nu depășește 50 mV. Fie ca frecvența de funcționare a convertorului să fie de 450 kHz, iar ondulația curentului prin inductor nu depășește 30% din curentul maxim de sarcină.

Date inițiale:

• Uin = 24 V

• Uout = 12V

• I out = 1 A.

• I dr = 0,3 * 1 A = 0,3 A

• f = 450 kHz

Întrucât vorbim despre un convertor de impulsuri, în timpul funcționării acestuia tensiunea nu va fi aplicată în mod constant la șoke, aceasta va fi aplicată exact prin impulsuri, durata părților pozitive a căror dT poate fi calculată pe baza frecvenței de funcționare a convertor și raportul dintre tensiunea de intrare și de ieșire conform următoarei formule:

dT = Uout / (Uin * f),

unde Uout / Uin = DC este ciclul de lucru al impulsului de control al tranzistorului.

În timpul părții pozitive a impulsului de comutare, sursa alimentează circuitul convertor, în timpul părții negative a impulsului, energia stocată de inductor este transferată la circuitul de ieșire.

Pentru exemplul nostru, rezultă: dT = 1,11 μs - timpul în care tensiunea de intrare acționează asupra inductorului cu condensatorul și sarcina conectată la acesta în timpul părții pozitive a impulsului.

Conform cu legea inducției electromagnetice, modificarea curentului Idr prin inductorul L (care este bobina) va fi proporțională cu tensiunea Udr aplicată la bornele bobinei și cu timpul aplicării acesteia dT (durata părții pozitive a impulsului):

Udr = L * Idr / dT

Tensiunea de șoc Udr - în acest caz, nimic mai mult decât diferența dintre tensiunile de intrare și de ieșire în acea parte a perioadei în care tranzistorul este în starea conducătoare:

Udr = Uin-Uout

Și, pentru exemplul nostru, rezultă: Udr = 24 — 12 = 12 V — amplitudinea tensiunii aplicate șocii în timpul părții pozitive a impulsului de funcționare.

regulator

Acum, știind magnitudinea tensiunii aplicate inductei Udr, setând timpul impulsului de funcționare dT pe șoke, precum și valoarea ondulației maxime admisibile de curent a șocului Idr, putem calcula inductanța necesară a șocului L :

L = Udr * dT / Idr

Pentru exemplul nostru, rezultă: L = 44,4 μH - inductanța minimă a șocului de lucru, cu care, pentru o durată dată a părții pozitive a impulsului de control dT, oscilația undei nu va depăși Idr.

Condensator

Când se determină valoarea inductanței bobinei, treceți la selectarea capacității condensatorului de ieșire al filtrului. Curentul de ondulare prin condensator este egal cu curentul de ondulare prin inductor. Prin urmare, neglijând rezistența conductorului inductiv și inductanța condensatorului, folosim următoarea formulă pentru a găsi capacitatea minimă necesară a condensatorului:

C = dT * Idr / dU,

unde dU este ondulația de tensiune pe condensator.

Luând valoarea undei de tensiune din condensator egală cu dU = 0,050 V, pentru exemplul nostru obținem C = 6,66 μF — capacitatea minimă a condensatorului de ieșire al filtrului.

Dioda

În cele din urmă, rămâne de determinat parametrii diodei de lucru. Curentul trece prin diodă atunci când tensiunea de intrare este deconectată de la inductor, adică în a doua parte a impulsului de funcționare:

Id = (1 -DC) * Iout — curent mediu prin diodă când este deschisă și conducătoare.

Pentru exemplul nostru Id = (1 -Uout / Uin) * Iout = 0,5 A — puteți alege o diodă Schottky pentru un curent de 1 A ​​cu o tensiune inversă maximă mai mare decât intrarea, adică aproximativ 30 de volți.