Buck Converter — komponentstørrelse

Denne artikel vil give proceduren til at beregne og vælge de komponenter, der er nødvendige for at designe strømsektionen af ​​en galvanisk isoleret step-down DC-konverter, buck-konvertertopologi. Konvertere af denne topologi er velegnede til nedtrappede jævnspændinger inden for 50 volt ved indgangen og ved belastningseffekter, der ikke overstiger 100 watt.

Alt, hvad der vedrører valget af controlleren og driverkredsløbet, såvel som typen af ​​felteffekttransistor, vil blive efterladt uden for denne artikels omfang, men vi vil detaljeret analysere kredsløbet og egenskaberne for hver enkelt driftstilstand. af hovedkomponenterne i effektdelen af ​​omformere af denne type.

Start udvikling pulsomformer, tage hensyn til følgende indledende data: indgangs- og udgangsspændingsværdierne, den maksimale konstante belastningsstrøm, strømtransistorens omskiftningsfrekvens (omformerens driftsfrekvens) samt strømbølgen gennem choker Også baseret på disse data, beregne choker induktans, som vil give de nødvendige parametre, kapaciteten af ​​udgangskondensatoren samt egenskaberne for den omvendte diode.

• Indgangsspænding — Uin, V

• Udgangsspænding — Uout, V

• Maksimal belastningsstrøm — Iout, A

• Range af bølgestrøm gennem chokeren — Idr, A

• Omskiftningsfrekvens for transistorer — f, kHz

Konverteren fungerer som følger. I den første del af perioden, hvor transistoren er lukket, tilføres strøm fra den primære strømkilde gennem induktoren til belastningen, mens udgangsfilterkondensatoren oplades. Når transistoren er åben, opretholdes belastningsstrømmen af ​​kondensatorladningen og induktorstrømmen, som ikke umiddelbart kan afbrydes, og lukkes af omvendt diode, som nu er åben i anden del af perioden.

Lad os f.eks. sige, at vi skal udvikle en topologi af en buck-konverter, der drives af en konstant spænding på 24 volt, og ved udgangen skal vi have 12 volt med en mærkebelastningsstrøm på 1 amp og således at spændingen rippel kl. udgangen overstiger ikke 50 mV. Lad omformerens driftsfrekvens være 450 kHz, og strømbølgen gennem induktoren overstiger ikke 30 % af den maksimale belastningsstrøm.

Indledende data:

• Uin = 24 V

• Uout = 12V

• I ud = 1 A.

• I dr = 0,3 * 1 A = 0,3 A

• f = 450 kHz

Da vi taler om en impulskonverter, vil spændingen under dens drift ikke blive påført konstant på chokeren, den vil blive påført præcist af impulser, varigheden af ​​de positive dele, hvoraf dT kan beregnes baseret på driftsfrekvensen af konverter og forholdet mellem indgangs- og udgangsspændingen i henhold til følgende formel:

dT = Uout / (Uin * f),

hvor Uout / Uin = DC er duty cycle for transistorstyreimpulsen.

Under den positive del af koblingsimpulsen driver kilden konverterkredsløbet, under den negative del af pulsen overføres energien lagret af induktoren til udgangskredsløbet.

For vores eksempel viser det sig: dT = 1,11 μs - den tid, som indgangsspændingen virker på induktoren med kondensatoren og belastningen forbundet til den under den positive del af pulsen.

Ifølge med loven om elektromagnetisk induktion, vil ændringen i strømmen Idr gennem induktoren L (som er chokeren) være proportional med spændingen Udr påført til spolens terminaler og tidspunktet for dens påføring dT (varigheden af ​​den positive del af pulsen):

Udr = L * Idr / dT

Drosselspændingen Udr - i dette tilfælde ikke andet end forskellen mellem indgangs- og udgangsspændingerne i den del af perioden, hvor transistoren er i ledende tilstand:

Udr = Uin-Uout

Og for vores eksempel viser det sig: Udr = 24 — 12 = 12 V — amplituden af ​​den spænding, der påføres chokeren under den positive del af driftsimpulsen.

Gashåndtag

Nu ved at kende størrelsen af ​​spændingen, der påføres chokeren Udr, indstille tiden for driftsimpulsen dT på chokeren, såvel som værdien af ​​den maksimalt tilladte strømrippel af chokeren Idr, kan vi beregne den nødvendige chokerinduktans L :

L = Udr * dT / Idr

For vores eksempel viser det sig: L = 44,4 μH - den minimale induktans af arbejdschokeren, med hvilken bølgens svingning i en given varighed af den positive del af kontrolimpulsen dT ikke vil overstige Idr.

Kondensator

Når værdien af ​​chokerens induktans er bestemt, fortsæt til valget af kapacitansen for filterets udgangskondensator. Rippelstrømmen gennem kondensatoren er lig med bølgestrømmen gennem induktoren. Når vi ser bort fra modstanden af ​​den induktive leder og kondensatorens induktans, bruger vi følgende formel til at finde den mindst nødvendige kapacitans af kondensatoren:

C = dT * Idr / dU,

hvor dU er spændingsrippelen over kondensatoren.

Tager vi værdien af ​​spændingsbølgen i kondensatoren lig med dU = 0,050 V, for vores eksempel får vi C = 6,66 μF - minimumkapacitansen af ​​filterets udgangskondensator.

Diode

Endelig er det fortsat at bestemme parametrene for arbejdsdioden. Strømmen løber gennem dioden, når indgangsspændingen er afbrudt fra induktoren, det vil sige i den anden del af driftsimpulsen:

Id = (1 -DC) * Iout — gennemsnitlig strøm gennem dioden, når den er åben og ledende.

For vores eksempel Id = (1 -Uout / Uin) * Iout = 0,5 A — du kan vælge en Schottky-diode til en strøm på 1 A med en maksimal omvendt spænding større end inputtet, det vil sige omkring 30 volt.