Buck Converter – komponentų dydžio nustatymas

Šiame straipsnyje bus pateikta procedūra, kaip apskaičiuoti ir pasirinkti komponentus, reikalingus galvaniškai izoliuoto nuolatinės srovės keitiklio galios skyriui suprojektuoti, keitiklio topologija. Šios topologijos keitikliai tinka mažinti nuolatinės srovės įtampai neviršijant 50 voltų prie įėjimo ir kai apkrovos galia neviršija 100 vatų.

Viskas, kas susiję su valdiklio ir tvarkyklės grandinės parinkimu, taip pat lauko tranzistoriaus tipu, bus palikta už šio straipsnio ribų, tačiau mes išsamiai išanalizuosime kiekvieno iš jų grandinę ir veikimo režimų charakteristikas. šio tipo keitiklių galios skyriaus pagrindinių komponentų.

Pradėti plėtrą impulsų keitiklis, atsižvelkite į šiuos pradinius duomenis: įėjimo ir išėjimo įtampos vertes, didžiausią pastovią apkrovos srovę, galios tranzistoriaus perjungimo dažnį (keitiklio veikimo dažnį), taip pat srovės bangą per droselį Taip pat remiantis šiuos duomenis apskaičiuokite droselio induktyvumas, kuris suteiks reikiamus parametrus, išėjimo kondensatoriaus talpą, taip pat atvirkštinio diodo charakteristikas.

• Įėjimo įtampa – Uin, V

• Išėjimo įtampa – Uout, V

• Didžiausia apkrovos srovė – Iout, A

• Pulsacijos srovės diapazonas per droselį - Idr, A

• Tranzistorių perjungimo dažnis — f, kHz

Konverteris veikia taip. Per pirmąją laikotarpio dalį, kai tranzistorius yra uždarytas, iš pirminio maitinimo šaltinio per induktorių į apkrovą tiekiama srovė, kol kraunasi išėjimo filtro kondensatorius. Kai tranzistorius atidarytas, apkrovos srovę palaiko kondensatoriaus įkrova ir induktoriaus srovė, kurios negalima nedelsiant nutraukti, o uždaroma atvirkštinio diodo, kuris dabar yra atidarytas antroje laikotarpio dalyje.

Pavyzdžiui, tarkime, kad turime sukurti keitiklio, maitinamo pastovia 24 voltų įtampa, topologiją, o išėjime turime gauti 12 voltų įtampą, kai vardinė apkrovos srovė yra 1 amper ir kad įtampa pulsuotų išėjimas neviršija 50 mV. Tegul keitiklio veikimo dažnis yra 450 kHz, o srovės pulsavimas per induktorių neviršija 30% didžiausios apkrovos srovės.

Pradiniai duomenys:

• Uin = 24 V

• Uout = 12V

• I out = 1 A.

• I dr = 0,3 * 1 A = 0,3 A

• f = 450 kHz

Kadangi kalbame apie impulsų keitiklį, jo veikimo metu įtampa nebus nuolat tiekiama droseliui, ji bus tiekiama būtent impulsais, kurių teigiamų dalių trukmę dT galima apskaičiuoti pagal droselio veikimo dažnį. keitiklis ir įėjimo bei išėjimo įtampos santykis pagal šią formulę:

dT = Uout / (Uin * f),

kur Uout / Uin = DC yra tranzistoriaus valdymo impulso darbo ciklas.

Teigiamos perjungimo impulso dalies metu šaltinis maitina keitiklio grandinę, neigiamos impulso metu induktoriaus sukaupta energija perduodama į išėjimo grandinę.

Mūsų pavyzdyje paaiškėja: dT = 1,11 μs - laikas, per kurį įėjimo įtampa veikia induktorių su kondensatoriumi ir prie jo prijungta apkrova teigiamos impulso dalies metu.

Pagal su elektromagnetinės indukcijos dėsniu, srovės Idr pokytis per induktorių L (kuris yra droselis) bus proporcingas įtampai Udr, taikomai ritės gnybtams, ir jos taikymo laikui dT (teigiamos impulso dalies trukmei):

Udr = L * Idr / dT

Droselio įtampa Udr – šiuo atveju ne kas kita, kaip skirtumas tarp įėjimo ir išėjimo įtampų per tą laikotarpį, kai tranzistorius yra laidžioje būsenoje:

Udr = Uin-Uout

Ir mūsų pavyzdžiui pasirodo: Udr = 24 — 12 = 12 V — droseliui įjungtos įtampos amplitudė teigiamoje veikimo impulso dalyje.

Droselis

Dabar, žinant droseliui Udr taikomos įtampos dydį, droselio veikimo impulso dT laiką, taip pat droselio didžiausios leistinos srovės pulsacijos Idr reikšmę, galime apskaičiuoti reikiamą droselio induktyvumą L. :

L = Udr * dT / Idr

Mūsų pavyzdyje paaiškėja: L = 44,4 μH - mažiausias darbinio droselio induktyvumas, su kuriuo tam tikrą teigiamos valdymo impulso dalies dT trukmę bangos svyravimas neviršys Idr.

Kondensatorius

Kai nustatoma droselio induktyvumo vertė, pereikite prie filtro išėjimo kondensatoriaus talpos pasirinkimo. Pulsacijos srovė per kondensatorių yra lygi srovei per induktorių. Todėl, neatsižvelgdami į indukcinio laidininko varžą ir kondensatoriaus induktyvumą, mes naudojame šią formulę, kad surastume mažiausią reikalingą kondensatoriaus talpą:

C = dT * Idr / dU,

kur dU yra kondensatoriaus įtampos pulsacija.

Atsižvelgiant į įtampos bangos kondensatoriuje vertę, lygią dU = 0,050 V, mūsų pavyzdyje gauname C = 6,66 μF - mažiausią filtro išėjimo kondensatoriaus talpą.

Diodas

Galiausiai belieka nustatyti darbo diodo parametrus. Srovė teka per diodą, kai įvesties įtampa yra atjungta nuo induktoriaus, tai yra, antroje veikimo impulso dalyje:

Id = (1 -DC) * Iout - vidutinė srovė per diodą, kai jis yra atidarytas ir laidus.

Mūsų pavyzdyje Id = (1 -Uout / Uin) * Iout = 0,5 A - galite pasirinkti Schottky diodą 1 A srovei, kurios maksimali atvirkštinė įtampa yra didesnė už įvestį, tai yra, apie 30 voltų.