Buck Converter — dimenzioniranje komponent

Ta članek bo podal postopek za izračun in izbiro komponent, potrebnih za načrtovanje močnostnega dela galvansko izoliranega padajočega pretvornika enosmernega toka, topologije pretvornika zniževanja. Pretvorniki te topologije so primerni za padajoče enosmerne napetosti znotraj 50 voltov na vhodu in pri obremenitvenih močeh, ki ne presegajo 100 vatov.

Vse, kar se nanaša na izbiro vezja krmilnika in gonilnika ter vrste tranzistorja z učinkom polja, bo ostalo zunaj področja uporabe tega članka, vendar bomo podrobno analizirali vezje in značilnosti načinov delovanja vsakega glavnih komponent močnostnega dela pretvornikov te vrste.

Začetek razvoja impulzni pretvornik, upoštevajte naslednje začetne podatke: vrednosti vhodne in izhodne napetosti, največji konstantni tok obremenitve, preklopno frekvenco močnostnega tranzistorja (delovna frekvenca pretvornika), kot tudi tokovni val skozi dušilko. Tudi na podlagi te podatke izračunajte induktivnost dušilke, ki bo zagotovil potrebne parametre, kapaciteto izhodnega kondenzatorja in značilnosti povratne diode.

• Vhodna napetost - Uin, V

• Izhodna napetost — Uout, V

• Največji tok obremenitve — Iout, A

• Razpon valovanja toka skozi dušilko — Idr, A

• Preklopna frekvenca tranzistorjev - f, kHz

Pretvornik deluje na naslednji način. V prvem delu obdobja, ko je tranzistor zaprt, se tok dovaja iz primarnega vira energije skozi induktor do bremena, medtem ko se kondenzator izhodnega filtra polni. Ko je tranzistor odprt, bremenski tok vzdržujeta naboj kondenzatorja in induktorski tok, ki ju ni mogoče takoj prekiniti, in ga zapre povratna dioda, ki je zdaj odprta v drugem delu obdobja.

Na primer, recimo, da moramo razviti topologijo pretvornika za denar, ki ga napaja konstantna napetost 24 voltov, na izhodu pa moramo dobiti 12 voltov z nazivnim obremenitvenim tokom 1 ampera in tako, da napetost valuje pri izhod ne presega 50 mV. Naj bo delovna frekvenca pretvornika 450 kHz, valovanje toka skozi tuljavo pa ne presega 30% največjega bremenskega toka.

Začetni podatki:

• Uin = 24 V

• Uizhod = 12V

• I ven = 1 A.

• I dr = 0,3 * 1 A = 0,3 A

• f = 450 kHz

Ker govorimo o impulznem pretvorniku, med njegovim delovanjem napetost ne bo konstantno dovedena na dušilko, ampak se bo dovajala natančno z impulzi, katerih trajanje pozitivnih delov dT lahko izračunamo na podlagi delovne frekvence pretvornik in razmerje med vhodno in izhodno napetostjo po naslednji formuli:

dT = Uout / (Uin * f),

kjer je Uout / Uin = DC delovni cikel tranzistorskega krmilnega impulza.

Med pozitivnim delom preklopnega impulza vir napaja pretvorniško vezje, med negativnim delom impulza se energija, shranjena v induktorju, prenese v izhodno vezje.

Za naš primer se izkaže: dT = 1,11 μs - čas, v katerem vhodna napetost deluje na induktor s kondenzatorjem in obremenitvijo, ki je nanj povezana med pozitivnim delom impulza.

Po navedbah z zakonom elektromagnetne indukcije, bo sprememba toka Idr skozi induktor L (ki je dušilka) sorazmerna z napetostjo Udr, ki se uporablja na sponkah tuljave, in časom njegove uporabe dT (trajanje pozitivnega dela impulza):

Udr = L * Idr / dT

Napetost dušilke Udr - v tem primeru nič drugega kot razlika med vhodno in izhodno napetostjo v tistem delu obdobja, ko je tranzistor v prevodnem stanju:

Udr = Uin-Uout

In za naš primer se izkaže: Udr = 24 - 12 = 12 V - amplituda napetosti, ki se uporablja za dušilko med pozitivnim delom delovnega impulza.

Plin

Zdaj, ko poznamo velikost napetosti, ki se uporablja za dušilko Udr, nastavitev časa delovnega impulza dT na dušilki, kot tudi vrednost največjega dovoljenega tokovnega valovanja dušilke Idr, lahko izračunamo potrebno induktivnost dušilke L :

L = Udr * dT / Idr

Za naš primer se izkaže: L = 44,4 μH - najmanjša induktivnost delovne dušilke, s katero pri določenem trajanju pozitivnega dela krmilnega impulza dT nihanje vala ne bo preseglo Idr.

Kondenzator

Ko je vrednost induktivnosti dušilke določena, nadaljujte z izbiro kapacitivnosti izhodnega kondenzatorja filtra. Valovitost toka skozi kondenzator je enaka valovitosti toka skozi induktor. Zato zanemarimo upornost induktivnega prevodnika in induktivnost kondenzatorja in uporabimo naslednjo formulo za iskanje minimalne zahtevane kapacitivnosti kondenzatorja:

C = dT * Idr / dU,

kjer je dU valovanje napetosti na kondenzatorju.

Če vzamemo vrednost napetostnega vala v kondenzatorju, ki je enak dU = 0,050 V, za naš primer dobimo C = 6,66 μF - najmanjšo kapacitivnost izhodnega kondenzatorja filtra.

Dioda

Na koncu je še treba določiti parametre delovne diode. Tok teče skozi diodo, ko je vhodna napetost odklopljena od induktorja, to je v drugem delu delovnega impulza:

Id = (1 -DC) * Iout — povprečni tok skozi diodo, ko je odprta in prevodna.

Za naš primer Id = (1 -Uout / Uin) * Iout = 0,5 A - lahko izberete Schottky diodo za tok 1 A ​​z največjo povratno napetostjo, ki je večja od vhodne, to je približno 30 voltov.