Buck Converter — komponentstorlek

Den här artikeln kommer att ge proceduren för att beräkna och välja de komponenter som behövs för att designa effektdelen av en galvaniskt isolerad step-down DC-omvandlare, buck-omvandlartopologi. Omvandlare med denna topologi är lämpliga för nedtrappade DC-spänningar inom 50 volt vid ingången och vid lasteffekter som inte överstiger 100 watt.

Allt som rör valet av styrenhet och drivkrets, såväl som typen av fälteffekttransistor, kommer att lämnas utanför ramen för denna artikel, men vi kommer att analysera i detalj kretsen och egenskaperna för driftslägena för varje av huvudkomponenterna i kraftdelen av omvandlare av denna typ.

Starta utvecklingen pulsomvandlare, ta hänsyn till följande initiala data: ingångs- och utspänningsvärdena, den maximala konstanta belastningsströmmen, omkopplingsfrekvensen för effekttransistorn (omvandlarens arbetsfrekvens), såväl som strömvågen genom choke. dessa data, beräkna choke induktans, som kommer att tillhandahålla de nödvändiga parametrarna, kapaciteten hos utgångskondensatorn, såväl som egenskaperna hos den omvända dioden.

• Ingångsspänning — Uin, V

• Utspänning — Uout, V

• Maximal belastningsström — Iout, A

• Räckvidd för rippelström genom choken — Idr, A

• Omkopplingsfrekvens för transistorer — f, kHz

Omvandlaren fungerar enligt följande. Under den första delen av perioden när transistorn är stängd tillförs ström från den primära strömkällan genom induktorn till belastningen medan utgångsfilterkondensatorn laddas. När transistorn är öppen upprätthålls belastningsströmmen av kondensatorladdningen och induktorströmmen, som inte kan avbrytas omedelbart, och stängs av backdioden, som nu är öppen under andra delen av perioden.

Låt oss till exempel säga att vi behöver utveckla en topologi för en buck-omvandlare som drivs av en konstant spänning på 24 volt, och vid utgången behöver vi få 12 volt med en märklastström på 1 amp och så att spänningen rippel vid utgången överstiger inte 50 mV. Låt omvandlarens arbetsfrekvens vara 450 kHz, och strömrippeln genom induktorn inte överstiger 30 % av den maximala belastningsströmmen.

Initial data:

• Uin = 24 V

• Uout = 12V

• I ut = 1 A.

• I dr = 0,3 * 1 A = 0,3 A

• f = 450 kHz

Eftersom vi talar om en pulsomvandlare, under dess drift kommer spänningen inte att appliceras konstant på choken, den kommer att appliceras exakt av pulser, varaktigheten av de positiva delarna av vilka dT kan beräknas baserat på driftsfrekvensen för omvandlare och förhållandet mellan ingångs- och utspänningen enligt följande formel:

dT = Uout / (Uin * f),

där Uout / Uin = DC är arbetscykeln för transistorstyrpulsen.

Under den positiva delen av omkopplingspulsen driver källan omvandlarkretsen, under den negativa delen av pulsen överförs energin som lagras av induktorn till utgångskretsen.

För vårt exempel visar det sig: dT = 1,11 μs — tiden som inspänningen verkar på induktorn med kondensatorn och belastningen ansluten till den under den positiva delen av pulsen.

Enligt med lagen om elektromagnetisk induktion, ändringen i strömmen Idr genom induktorn L (som är choken) kommer att vara proportionell mot spänningen Udr som appliceras på spolens terminaler och tiden för dess applicering dT (varaktigheten av den positiva delen av pulsen):

Udr = L * Idr / dT

Drosselspänningen Udr — i detta fall inget annat än skillnaden mellan ingångs- och utgångsspänningarna under den del av perioden då transistorn är i ledande tillstånd:

Udr = Uin-Uout

Och för vårt exempel visar det sig: Udr = 24 — 12 = 12 V — amplituden för spänningen som appliceras på choken under den positiva delen av driftspulsen.

Strypa

När vi nu känner till storleken på spänningen som appliceras på choken Udr, ställer in tiden för driftpulsen dT på choken, såväl som värdet på den maximalt tillåtna strömrippeln för choken Idr, kan vi beräkna den nödvändiga chokeinduktansen L :

L = Udr * dT / Idr

För vårt exempel visar det sig: L = 44,4 μH - den minsta induktansen för arbetsdrosseln, med vilken vågens svängning under en given varaktighet av den positiva delen av kontrollpulsen dT inte kommer att överstiga Idr.

Kondensor

När värdet på chokens induktans har bestämts, fortsätt till valet av kapacitansen för filtrets utgångskondensator. Rippelströmmen genom kondensatorn är lika med rippelströmmen genom induktorn. Därför, om vi försummar motståndet hos den induktiva ledaren och kondensatorns induktans, använder vi följande formel för att hitta den minsta erforderliga kapacitansen för kondensatorn:

C = dT * Idr / dU,

där dU är spänningsrippeln över kondensatorn.

Om vi ​​tar värdet på spänningsvågen i kondensatorn lika med dU = 0,050 V, för vårt exempel får vi C = 6,66 μF - den minsta kapacitansen för filtrets utgångskondensator.

Diod

Slutligen återstår det att bestämma parametrarna för arbetsdioden. Strömmen flyter genom dioden när ingångsspänningen är bortkopplad från induktorn, det vill säga i den andra delen av driftpulsen:

Id = (1 -DC) * Iout — medelström genom dioden när den är öppen och ledande.

För vårt exempel Id = (1 -Uout / Uin) * Iout = 0,5 A — du kan välja en Schottky-diod för en ström på 1 A med en maximal backspänning större än ingången, det vill säga cirka 30 volt.