Buck Converter — wymiarowanie komponentów

W tym artykule przedstawiono procedurę obliczania i doboru elementów potrzebnych do zaprojektowania sekcji mocy galwanicznie izolowanej przetwornicy obniżającej napięcie DC w topologii przetwornicy buck. Przetwornice o tej topologii nadają się do obniżania napięć prądu stałego w zakresie 50 woltów na wejściu i przy mocach obciążenia nieprzekraczających 100 watów.

Wszystko, co dotyczy wyboru sterownika i obwodu sterownika, a także rodzaju tranzystora polowego, pozostanie poza zakresem tego artykułu, ale szczegółowo przeanalizujemy obwód i charakterystykę trybów pracy każdego głównych elementów sekcji mocy przekształtników tego typu.

Rozpocznij rozwój konwerter impulsównależy uwzględnić następujące dane początkowe: wartości napięć wejściowych i wyjściowych, maksymalny stały prąd obciążenia, częstotliwość przełączania tranzystora mocy (częstotliwość pracy przekształtnika) oraz przebieg prądu przez dławik. te dane, oblicz indukcyjność dławika, który zapewni niezbędne parametry, pojemność kondensatora wyjściowego, a także charakterystykę diody zwrotnej.

• Napięcie wejściowe — Uin, V

• Napięcie wyjściowe — Uout, V

• Maksymalny prąd obciążenia — Iout, A

• Zakres tętnienia prądu przez dławik — Idr, A

• Częstotliwość przełączania tranzystorów — f, kHz

Konwerter działa w następujący sposób. W pierwszej części okresu, w którym tranzystor jest zamknięty, prąd jest dostarczany z pierwotnego źródła zasilania przez cewkę indukcyjną do obciążenia, podczas ładowania kondensatora filtra wyjściowego. Gdy tranzystor jest otwarty, prąd obciążenia jest utrzymywany przez ładunek kondensatora i prąd cewki indukcyjnej, którego nie można natychmiast przerwać, i jest zamykany przez diodę rewersyjną, która jest teraz otwarta w drugiej części okresu.

Na przykład, powiedzmy, że musimy opracować topologię przetwornicy buck zasilanej stałym napięciem 24 woltów, a na wyjściu musimy uzyskać 12 woltów przy znamionowym prądzie obciążenia 1 amper, aby tętnienie napięcia przy wyjście nie przekracza 50 mV. Niech częstotliwość robocza przetwornicy wynosi 450 kHz, a tętnienie prądu przez cewkę indukcyjną nie przekracza 30% maksymalnego prądu obciążenia.

Wstępne dane:

• Uwe = 24 V

• Uwy = 12 V

• ja = 1 A.

• Ja dr = 0,3 * 1 A = 0,3 A

• f = 450 kHz

Ponieważ mówimy o przetwornicy impulsowej, podczas jej pracy napięcie nie będzie podawane na dławik w sposób ciągły, będzie ono podawane precyzyjnie impulsami, których czas trwania części dodatniej dT można obliczyć na podstawie częstotliwości pracy dławika przetwornicy i stosunek napięcia wejściowego do wyjściowego według wzoru:

dT = Uwyj / (Uwe * f),

gdzie Uout / Uin = DC to cykl pracy impulsu sterującego tranzystora.

Podczas dodatniej części impulsu przełączającego źródło zasila obwód przekształtnika, podczas ujemnej części impulsu energia zmagazynowana przez cewkę indukcyjną jest przekazywana do obwodu wyjściowego.

Dla naszego przykładu okazuje się, że: dT = 1,11 μs — czas, w którym napięcie wejściowe działa na cewkę z kondensatorem i podłączone do niego obciążenie podczas dodatniej części impulsu.

Według z prawem indukcji elektromagnetycznej, zmiana prądu Idr przez cewkę indukcyjną L (będącą dławikiem) będzie proporcjonalna do napięcia Udr przyłożonego do zacisków cewki i czasu jego przyłożenia dT (czasu trwania dodatniej części impulsu):

Udr = L * Idr / dT

Napięcie dławika Udr — w tym przypadku nic więcej niż różnica między napięciami wejściowymi i wyjściowymi w tej części okresu, w którym tranzystor znajduje się w stanie przewodzenia:

Udr = Uin-Uout

I dla naszego przykładu okazuje się: Udr = 24 — 12 = 12 V — amplituda napięcia przyłożonego do dławika podczas dodatniej części impulsu roboczego.

Przepustnica

Teraz, znając wielkość napięcia przyłożonego do dławika Udr, zadając czas impulsu roboczego dT na dławiku oraz wartość maksymalnego dopuszczalnego tętnienia prądu dławika Idr, możemy obliczyć wymaganą indukcyjność dławika L :

L = Udr * dT / Idr

Dla naszego przykładu okazuje się, że: L = 44,4 μH — minimalna indukcyjność dławika roboczego, przy której dla danego czasu trwania dodatniej części impulsu sterującego dT rozchylenie fali nie przekroczy Idr.

Skraplacz

Po określeniu wartości indukcyjności dławika należy przystąpić do doboru pojemności kondensatora wyjściowego filtra. Prąd tętnienia płynący przez kondensator jest równy prądowi tętnienia płynącemu przez cewkę indukcyjną. Dlatego pomijając rezystancję przewodnika indukcyjnego i indukcyjność kondensatora, używamy następującego wzoru, aby znaleźć minimalną wymaganą pojemność kondensatora:

C = dT * Idr / dU,

gdzie dU jest tętnieniem napięcia na kondensatorze.

Przyjmując wartość fali napięcia w kondensatorze równą dU = 0,050 V, dla naszego przykładu otrzymujemy C = 6,66 μF — minimalną pojemność kondensatora wyjściowego filtra.

Dioda

Na koniec pozostaje określić parametry diody roboczej. Prąd płynie przez diodę, gdy napięcie wejściowe jest odłączone od cewki indukcyjnej, czyli w drugiej części impulsu roboczego:

Id = (1 -DC) * Iout — średni prąd płynący przez diodę, gdy jest rozwarta i przewodzi.

Dla naszego przykładu Id = (1 -Uout / Uin) * Iout = 0,5 A — możesz wybrać diodę Schottky'ego dla prądu 1 A ​​z maksymalnym napięciem wstecznym większym niż wejście, czyli około 30 woltów.