Buck Converter — komponentstørrelse

Denne artikkelen vil gi fremgangsmåten for å beregne og velge komponentene som trengs for å designe kraftseksjonen til en galvanisk isolert step-down DC-omformer, buck-omformertopologi. Omformere med denne topologien er egnet for nedtrappede likespenninger innenfor 50 volt ved inngangen og ved belastningseffekter som ikke overstiger 100 watt.

Alt som angår valg av kontrolleren og driverkretsen, samt typen felteffekttransistor, vil bli stående utenfor rammen av denne artikkelen, men vi vil analysere i detalj kretsen og egenskapene til driftsmodusene til hver av hovedkomponentene i kraftdelen til omformere av denne typen.

Start utviklingen pulsomformer, ta hensyn til følgende startdata: inngangs- og utgangsspenningsverdiene, den maksimale konstante belastningsstrømmen, svitsjefrekvensen til krafttransistoren (omformerens driftsfrekvens), samt strømbølgen gjennom choke Også basert på disse dataene, beregne choke induktans, som vil gi de nødvendige parametrene, kapasiteten til utgangskondensatoren, samt egenskapene til den omvendte dioden.

• Inngangsspenning — Uin, V

• Utgangsspenning — Uout, V

• Maksimal belastningsstrøm — Iout, A

• Rekkevidde for krusningsstrøm gjennom choken – Idr, A

• Byttefrekvens for transistorer — f, kHz

Omformeren fungerer som følger. I løpet av den første delen av perioden når transistoren er lukket, tilføres strøm fra primærstrømkilden gjennom induktoren til lasten mens utgangsfilterkondensatoren lades. Når transistoren er åpen, opprettholdes belastningsstrømmen av kondensatorladningen og induktorstrømmen, som ikke kan avbrytes umiddelbart, og lukkes av reversdioden, som nå er åpen i andre del av perioden.

La oss for eksempel si at vi må utvikle en topologi til en buck-omformer drevet av en konstant spenning på 24 volt, og ved utgangen må vi få 12 volt med en merkelaststrøm på 1 amp og slik at spenningen kruser kl. utgangen overstiger ikke 50 mV. La driftsfrekvensen til omformeren være 450 kHz, og strømrippelen gjennom induktoren ikke overstiger 30 % av den maksimale belastningsstrømmen.

Opprinnelige data:

• Uin = 24 V

• Uut = 12V

• I ut = 1 A.

• I dr = 0,3 * 1 A = 0,3 A

• f = 450 kHz

Siden vi snakker om en pulsomformer, vil spenningen under driften ikke påføres konstant på choken, den vil bli påført nøyaktig av pulser, varigheten av de positive delene som dT kan beregnes basert på driftsfrekvensen til omformer og forholdet mellom inngangs- og utgangsspenningen i henhold til følgende formel:

dT = Uout / (Uin * f),

hvor Uout / Uin = DC er driftssyklusen til transistorens kontrollpuls.

Under den positive delen av svitsjepulsen driver kilden omformerkretsen, under den negative delen av pulsen overføres energien som er lagret av induktoren til utgangskretsen.

For vårt eksempel viser det seg: dT = 1,11 μs - tiden som inngangsspenningen virker på induktoren med kondensatoren og belastningen koblet til den under den positive delen av pulsen.

I følge med loven om elektromagnetisk induksjon, endringen i strømmen Idr gjennom induktoren L (som er choken) vil være proporsjonal med spenningen Udr påført til spolens terminaler og tidspunktet for påføringen dT (varigheten av den positive delen av pulsen):

Udr = L * Idr / dT

Drosselspenningen Udr - i dette tilfellet ikke mer enn forskjellen mellom inngangs- og utgangsspenningene i den delen av perioden når transistoren er i ledende tilstand:

Udr = Uin-Uout

Og for vårt eksempel viser det seg: Udr = 24 — 12 = 12 V — amplituden til spenningen som påføres choken under den positive delen av driftspulsen.

Gasspedal

Når vi nå kjenner størrelsen på spenningen som påføres choken Udr, innstiller tiden for driftspulsen dT på choken, samt verdien av den maksimalt tillatte strømrippelen til choken Idr, kan vi beregne den nødvendige choke-induktansen L :

L = Udr * dT / Idr

For vårt eksempel viser det seg: L = 44,4 μH - minimumsinduktansen til arbeidschoken, med hvilken svingningen av bølgen i en gitt varighet av den positive delen av kontrollpulsen dT ikke vil overstige Idr.

Kondensator

Når verdien av induktansen til choken er bestemt, fortsett til valg av kapasitansen til utgangskondensatoren til filteret. Rippelstrømmen gjennom kondensatoren er lik krusningsstrømmen gjennom induktoren. Derfor, og neglisjerer motstanden til den induktive lederen og induktansen til kondensatoren, bruker vi følgende formel for å finne den minste nødvendige kapasitansen til kondensatoren:

C = dT * Idr / dU,

hvor dU er spenningsrippelen over kondensatoren.

Ved å ta verdien av spenningsbølgen i kondensatoren lik dU = 0,050 V, for vårt eksempel får vi C = 6,66 μF - minimumskapasitansen til utgangskondensatoren til filteret.

Diode

Til slutt gjenstår det å bestemme parametrene til arbeidsdioden. Strømmen flyter gjennom dioden når inngangsspenningen er koblet fra induktoren, det vil si i den andre delen av driftspulsen:

Id = (1 -DC) * Iout — gjennomsnittlig strøm gjennom dioden når den er åpen og ledende.

For vårt eksempel Id = (1 -Uout / Uin) * Iout = 0,5 A — du kan velge en Schottky-diode for en strøm på 1 A med en maksimal reversspenning større enn inngangen, det vil si omtrent 30 volt.