Buck Converter — komponenttien mitoitus

Tässä artikkelissa annetaan menetelmä, jolla lasketaan ja valitaan komponentit, joita tarvitaan galvaanisesti eristetyn DC-muuntimen tehoosan suunnitteluun, buck-muuntimen topologia. Tämän topologian muuntimet soveltuvat 50 voltin tasajännitteiden alastuloon ja enintään 100 watin kuormateholle.

Kaikki, mikä koskee ohjaimen ja ohjainpiirin valintaa sekä kenttätransistorin tyyppiä, jätetään tämän artikkelin ulkopuolelle, mutta analysoimme yksityiskohtaisesti kunkin piirin ja toimintatilojen ominaisuudet. tämän tyyppisten muuntajien tehoosan pääkomponenteista.

Aloita kehitys pulssin muuntaja, ota huomioon seuraavat lähtötiedot: tulo- ja lähtöjännitearvot, suurin vakiokuormitusvirta, tehotransistorin kytkentätaajuus (muuntimen toimintataajuus) sekä kuristimen läpi kulkeva virran aalto Myös perustuen laske nämä tiedot kuristimen induktanssi, joka tarjoaa tarvittavat parametrit, lähtökondensaattorin kapasiteetin sekä käänteisen diodin ominaisuudet.

• Tulojännite - Uin, V

• Lähtöjännite - Uout, V

• Suurin kuormitusvirta — Iout, A

• Aaltoiluvirran alue kuristimen läpi - Idr, A

• Transistorien kytkentätaajuus — f, kHz

Muunnin toimii seuraavasti. Jakson ensimmäisen osan aikana, kun transistori on suljettuna, ensiövirtalähteestä syötetään virtaa induktorin kautta kuormaan, kun lähtösuodattimen kondensaattori latautuu. Kun transistori on auki, kuormitusvirtaa ylläpitävät kondensaattorin varaus ja induktorivirta, joita ei voida katkaista välittömästi, ja sen sulkee käänteisdiodi, joka on nyt auki jakson toisella puolella.

Oletetaan esimerkiksi, että meidän on kehitettävä 24 voltin vakiojännitteellä toimivan buck-muuntimen topologia, ja ulostulossa on saatava 12 volttia nimelliskuormitusvirralla 1 ampeeri ja niin, että jännite aaltoilee lähtö ei ylitä 50 mV. Olkoon muuntimen toimintataajuus 450 kHz, ja virran aaltoilu induktorin läpi ei ylitä 30 % maksimikuormitusvirrasta.

Alkutiedot:

• Uin = 24 V

• Uout = 12V

• I ulos = 1 A.

• I dr = 0,3 * 1 A = 0,3 A

• f = 450 kHz

Koska puhumme pulssimuuntimesta, sen toiminnan aikana jännitettä ei syötetä jatkuvasti kuristimeen, vaan se syötetään täsmälleen pulsseilla, joiden positiivisten osien kesto dT voidaan laskea käyttötaajuuden perusteella. muunnin ja tulo- ja lähtöjännitteen suhde seuraavan kaavan mukaan:

dT = Uout / (Uin * f),

missä Uout / Uin = DC on transistorin ohjauspulssin toimintajakso.

Kytkentäpulssin positiivisen osan aikana lähde antaa virtaa muuntajapiirille, pulssin negatiivisessa osassa induktorin varastoima energia siirtyy lähtöpiiriin.

Esimerkissämme käy ilmi: dT = 1,11 μs - aika, jonka tulojännite vaikuttaa kelaan kondensaattorin ja siihen kytketyn kuorman kanssa pulssin positiivisen osan aikana.

Mukaan sähkömagneettisen induktion lain mukaan, induktorin L (joka on kuristin) läpi kulkevan virran Idr muutos on verrannollinen käämin napoihin kohdistettuun jännitteeseen Udr ja sen käyttöaikaan dT (pulssin positiivisen osan kesto):

Udr = L * Idr / dT

Kuristusjännite Udr – tässä tapauksessa ei muuta kuin tulo- ja lähtöjännitteiden erotus sen osan aikana, jolloin transistori on johtavassa tilassa:

Udr = Uin-Uout

Ja meidän esimerkissämme käy ilmi: Udr = 24 — 12 = 12 V — kuristimeen kohdistuvan jännitteen amplitudi käyttöpulssin positiivisen osan aikana.

Kaasu

Nyt kun tiedetään kuristimeen Udr syötetyn jännitteen suuruus, asetetaan kuristimen toimintapulssin dT aika sekä kuristimen suurimman sallitun virran aaltoilun arvo Idr, voidaan laskea tarvittava kuristininduktanssi L. :

L = Udr * dT / Idr

Esimerkissämme käy ilmi: L = 44,4 μH - työkuristimen vähimmäisinduktanssi, jolla ohjauspulssin dT positiivisen osan tietyn ajan kuluessa aallon heilahdus ei ylitä Idr.

Lauhdutin

Kun kuristimen induktanssin arvo on määritetty, siirry suodattimen lähtökondensaattorin kapasitanssin valintaan. Kondensaattorin läpi kulkeva aaltoiluvirta on yhtä suuri kuin induktorin läpi kulkeva aaltovirta. Tästä syystä, jättäen huomioimatta induktiivisen johtimen resistanssin ja kondensaattorin induktanssin, käytämme seuraavaa kaavaa kondensaattorin vaaditun vähimmäiskapasitanssin löytämiseksi:

C = dT * Idr / dU,

missä dU on jännitteen aaltoilu kondensaattorin yli.

Ottaen kondensaattorin jänniteaallon arvoksi dU = 0,050 V, esimerkissämme saadaan C = 6,66 μF - suodattimen lähtökondensaattorin pienin kapasitanssi.

Diodi

Lopuksi on vielä määritettävä työdiodin parametrit. Virta kulkee diodin läpi, kun tulojännite katkaistaan ​​induktorista, eli käyttöpulssin toisessa osassa:

Id = (1 -DC) * Iout — keskimääräinen virta diodin läpi, kun se on auki ja johtaa.

Esimerkissämme Id = (1 -Uout / Uin) * Iout = 0,5 A - voit valita Schottky-diodin virralle 1 A, jonka suurin käänteinen jännite on suurempi kuin sisääntulo, eli noin 30 volttia.