Buck Converter — dimenzovanie komponentov

Tento článok poskytne postup výpočtu a výberu komponentov potrebných na návrh výkonovej časti galvanicky oddeleného znižovacieho DC meniča, topológie buck meniča. Prevodníky tejto topológie sú vhodné pre znižovanie jednosmerného napätia do 50 voltov na vstupe a pri výkonoch záťaže nepresahujúcich 100 wattov.

Všetko, čo sa týka výberu obvodu ovládača a ovládača, ako aj typu tranzistora s efektom poľa, zostane mimo rámec tohto článku, ale podrobne analyzujeme obvod a charakteristiky prevádzkových režimov každého z nich. hlavných komponentov výkonovej časti meničov tohto typu.

Začnite vývoj pulzný meničvezmite do úvahy nasledujúce počiatočné údaje: hodnoty vstupného a výstupného napätia, maximálny konštantný zaťažovací prúd, spínaciu frekvenciu výkonového tranzistora (pracovnú frekvenciu meniča), ako aj prúdovú vlnu cez tlmivku Tiež na základe tieto údaje vypočítajte indukčnosť tlmivky, ktorý poskytne potrebné parametre, kapacitu výstupného kondenzátora, ako aj charakteristiku reverznej diódy.

• Vstupné napätie — Uin, V

• Výstupné napätie — Uout, V

• Maximálny zaťažovací prúd — Iout, A

• Rozsah zvlneného prúdu cez tlmivku - Idr, A

• Spínacia frekvencia tranzistorov — f, kHz

Prevodník funguje nasledovne. Počas prvej časti periódy, kedy je tranzistor zatvorený, je prúd privádzaný z primárneho zdroja energie cez induktor do záťaže, zatiaľ čo sa výstupný filtračný kondenzátor nabíja. Keď je tranzistor otvorený, zaťažovací prúd je udržiavaný nabíjaním kondenzátora a prúdom induktora, ktorý nemožno okamžite prerušiť, a je uzavretý spätnou diódou, ktorá je teraz otvorená počas druhej časti periódy.

Povedzme napríklad, že potrebujeme vyvinúť topológiu buck prevodníka napájaného konštantným napätím 24 voltov a na výstupe potrebujeme dostať 12 voltov s menovitým zaťažovacím prúdom 1 ampér a tak, aby sa napätie zvlňovalo pri výstup nepresahuje 50 mV. Nech je pracovná frekvencia meniča 450 kHz a zvlnenie prúdu cez induktor nepresiahne 30% maximálneho zaťažovacieho prúdu.

Počiatočné údaje:

• Uin = 24 V

• Uout = 12V

• I out = 1 A.

• I dr = 0,3 * 1 A = 0,3 A

• f = 450 kHz

Keďže hovoríme o impulznom meniči, počas jeho prevádzky nebude napätie na tlmivku privádzané neustále, ale bude privádzané presne impulzmi, ktorých trvanie kladných častí dT možno vypočítať na základe pracovnej frekvencie tlmivky. prevodníka a pomeru vstupného a výstupného napätia podľa nasledujúceho vzorca:

dT = Uout / (Uin * f),

kde Uout / Uin = DC je pracovný cyklus riadiaceho impulzu tranzistora.

Počas kladnej časti spínacieho impulzu zdroj napája obvod meniča, počas zápornej časti impulzu sa energia uložená tlmivkou prenáša do výstupného obvodu.

Pre náš príklad to vychádza: dT = 1,11 μs — čas, počas ktorého vstupné napätie pôsobí na tlmivku s kondenzátorom a na ňu pripojenú záťaž počas kladnej časti impulzu.

Podľa so zákonom elektromagnetickej indukcie, zmena prúdu Idr cez tlmivku L (čo je tlmivka) bude úmerná napätiu Udr privedenému na svorky cievky a času jeho privedenia dT (trvanie kladnej časti impulzu):

Udr = L * Idr / dT

Napätie tlmivky Udr — v tomto prípade nič iné ako rozdiel medzi vstupným a výstupným napätím počas tej časti periódy, keď je tranzistor vo vodivom stave:

Udr = Uin-Uout

A pre náš príklad sa ukazuje: Udr = 24 — 12 = 12 V — amplitúda napätia aplikovaného na tlmivku počas kladnej časti pracovného impulzu.

Plyn

Teraz, keď poznáme veľkosť napätia aplikovaného na tlmivke Udr, nastavíme čas pracovného impulzu dT na tlmivke, ako aj hodnotu maximálneho dovoleného zvlnenia prúdu tlmivky Idr, môžeme vypočítať požadovanú indukčnosť tlmivky L. :

L = Udr * dT / Idr

Pre náš príklad to vychádza: L = 44,4 μH — minimálna indukčnosť pracovnej tlmivky, pri ktorej pri danom trvaní kladnej časti riadiaceho impulzu dT výkyv vlny nepresiahne Idr.

Kondenzátor

Po určení hodnoty indukčnosti tlmivky pristúpime k voľbe kapacity výstupného kondenzátora filtra. Zvlnený prúd cez kondenzátor sa rovná zvlnenému prúdu cez induktor. Preto pri zanedbaní odporu indukčného vodiča a indukčnosti kondenzátora používame na nájdenie minimálnej požadovanej kapacity kondenzátora nasledujúci vzorec:

C = dT * Idr / dU,

kde dU je zvlnenie napätia na kondenzátore.

Ak vezmeme hodnotu napäťovej vlny v kondenzátore rovnú dU = 0,050 V, pre náš príklad dostaneme C = 6,66 μF — minimálnu kapacitu výstupného kondenzátora filtra.

Dióda

Nakoniec zostáva určiť parametre pracovnej diódy. Prúd preteká diódou, keď je vstupné napätie odpojené od induktora, to znamená v druhej časti pracovného impulzu:

Id = (1 -DC) * Iout — priemerný prúd cez diódu, keď je otvorená a vodivá.

Pre náš príklad Id = (1 -Uout / Uin) * Iout = 0,5 A — môžete si vybrať Schottkyho diódu pre prúd 1 A ​​s maximálnym spätným napätím väčším ako vstup, to znamená asi 30 voltov.