Buck Converter – alkatrészek méretezése

Ez a cikk bemutatja a galvanikusan leválasztott, lecsökkentett egyenáramú konverter teljesítményszakaszának tervezéséhez szükséges alkatrészek kiszámításának és kiválasztásának eljárását, a buck konverter topológiáját. Az ilyen topológiájú konverterek alkalmasak a bemeneti 50 V-on belüli DC feszültség csökkentésére és a 100 wattot meg nem haladó terhelési teljesítményre.

Minden, ami a vezérlő és a meghajtó áramkör kiválasztásával, valamint a térhatású tranzisztor típusával kapcsolatos, kívül marad ennek a cikknek a keretein, de részletesen elemezzük az áramkört és az egyes üzemmódok jellemzőit. az ilyen típusú konverterek teljesítményrészének fő összetevőiről.

Kezdje el a fejlesztést impulzus átalakító, vegye figyelembe a következő kezdeti adatokat: a bemeneti és a kimeneti feszültség értékeit, a maximális állandó terhelési áramot, a teljesítménytranzisztor kapcsolási frekvenciáját (az átalakító üzemi frekvenciáját), valamint a fojtótekercsen átmenő áramhullámot. ezeket az adatokat számold ki fojtó induktivitás, amely biztosítja a szükséges paramétereket, a kimeneti kondenzátor kapacitását, valamint a fordított dióda jellemzőit.

• Bemeneti feszültség – Uin, V

• Kimeneti feszültség – Uout, V

• Maximális terhelési áram – Iout, A

• A fojtószelepen áthaladó hullámos áram tartománya – Idr, A

• A tranzisztorok kapcsolási frekvenciája — f, kHz

Az átalakító a következőképpen működik. Az időszak első részében, amikor a tranzisztor zárva van, a kimeneti szűrőkondenzátor töltése közben a primer áramforrásból az induktoron keresztül áram folyik a terhelésbe. Nyitott tranzisztor esetén a terhelési áramot a kondenzátor töltése és az induktoráram tartja fenn, amelyet nem lehet azonnal megszakítani, és a fordított dióda zárja, amely a periódus második felében nyitva van.

Tegyük fel például, hogy ki kell fejlesztenünk egy állandó, 24 voltos feszültséggel táplált buck konverter topológiáját, és a kimeneten 12 voltot kell kapnunk 1 amper névleges terhelőárammal és úgy, hogy a feszültség hullámzása a kimenet nem haladja meg az 50 mV-ot. Legyen az átalakító üzemi frekvenciája 450 kHz, és az induktoron áthaladó áram nem haladja meg a maximális terhelőáram 30%-át.

Kiinduló adatok:

• Uin = 24 V

• Uout = 12V

• I ki = 1 A.

• I dr = 0,3 * 1 A = 0,3 A

• f = 450 kHz

Mivel impulzusátalakítóról beszélünk, ennek működése során a fojtószelepre nem kerül állandóan a feszültség, hanem pontosan impulzusokkal, amelyek pozitív részeinek időtartama dT számítható a fojtószelep működési frekvenciája alapján. konverter és a bemeneti és kimeneti feszültség aránya a következő képlet szerint:

dT = Uout / (Uin * f),

ahol Uout / Uin = DC a tranzisztor vezérlő impulzusának munkaciklusa.

A kapcsolóimpulzus pozitív része alatt a forrás táplálja az átalakító áramkört, az impulzus negatív része alatt az induktor által tárolt energia a kimeneti áramkörbe kerül.

Példánkban kiderül: dT = 1,11 μs - az az idő, ameddig a bemeneti feszültség az impulzus pozitív része alatt a kondenzátorral és a hozzá kapcsolt terheléssel együtt hat az induktorra.

Alapján az elektromágneses indukció törvényével, az L tekercsen (amely a fojtótekercsen) áthaladó Idr áram változása arányos lesz a tekercs kapcsaira adott Udr feszültséggel és a dT alkalmazási idejével (az impulzus pozitív részének időtartama):

Udr = L * Idr / dT

Az Udr fojtófeszültség - ebben az esetben nem más, mint a bemeneti és kimeneti feszültségek különbsége az időszak azon szakaszában, amikor a tranzisztor vezető állapotban van:

Udr = Uin-Uout

Példánkra pedig kiderül: Udr = 24 — 12 = 12 V — a fojtószelepre adott feszültség amplitúdója az üzemi impulzus pozitív része alatt.

Gázkar

Most, ismerve az Udr fojtótekercsre adott feszültség nagyságát, beállítva a dT üzemi impulzus idejét a fojtótekercsen, valamint a fojtó Idr maximálisan megengedett áramhullámának értékét, kiszámíthatjuk a szükséges L fojtóinduktivitást. :

L = Udr * dT / Idr

Példánkban kiderül: L = 44,4 μH - a munkafojtó minimális induktivitása, amellyel a vezérlőimpulzus dT pozitív részének adott időtartama alatt a hullám kilengése nem haladja meg az Idr értéket.

Kondenzátor

Amikor a fojtó induktivitásának értékét meghatároztuk, folytassa a szűrő kimeneti kondenzátorának kapacitásának kiválasztásával. A kondenzátoron áthaladó hullámos áram egyenlő az induktoron áthaladó hullámos árammal. Ezért az induktív vezető ellenállását és a kondenzátor induktivitását figyelmen kívül hagyva a következő képletet használjuk a kondenzátor minimális szükséges kapacitásának meghatározásához:

C = dT * Idr/dU,

ahol dU a kondenzátoron átívelő feszültség hullámzása.

A kondenzátorban lévő feszültséghullám dU = 0,050 V értékét figyelembe véve példánkban C = 6,66 μF - a szűrő kimeneti kondenzátorának minimális kapacitása.

Dióda

Végül meg kell határozni a munkadióda paramétereit. Az áram átfolyik a diódán, amikor a bemeneti feszültséget leválasztják az induktorról, vagyis az üzemi impulzus második részében:

Id = (1 -DC) * Iout – átlagos áram a diódán keresztül, amikor az nyitott és vezetőképes.

Példánkban Id = (1 -Uout / Uin) * Iout = 0,5 A - választhat egy Schottky-diódát 1 A-es áramhoz, amelynek maximális fordított feszültsége nagyobb, mint a bemenet, azaz körülbelül 30 volt.