Buck Converter — dimenzování komponent

Tento článek poskytne postup pro výpočet a výběr komponent potřebných pro návrh výkonové části galvanicky izolovaného snižovacího DC měniče, topologie buck měniče. Převodníky této topologie jsou vhodné pro snižující se stejnosměrná napětí do 50 voltů na vstupu a při zátěžových výkonech nepřesahujících 100 wattů.

Vše, co se týká výběru obvodu ovladače a ovladače, stejně jako typu tranzistoru s efektem pole, bude ponecháno mimo rámec tohoto článku, ale podrobně rozebereme obvod a charakteristiky provozních režimů každého z nich. hlavních součástí výkonové části měničů tohoto typu.

Začněte s vývojem pulzní měničvezměte v úvahu následující počáteční údaje: hodnoty vstupního a výstupního napětí, maximální konstantní zatěžovací proud, spínací frekvenci výkonového tranzistoru (pracovní frekvence měniče), jakož i proudovou vlnu přes tlumivku Také na základě tyto údaje vypočítejte indukčnost tlumivky, který poskytne potřebné parametry, kapacitu výstupního kondenzátoru a také charakteristiku reverzní diody.

• Vstupní napětí — Uin, V

• Výstupní napětí — Uout, V

• Maximální zatěžovací proud — Iout, A

• Rozsah zvlnění proudu přes tlumivku — Idr, A

• Spínací frekvence tranzistorů — f, kHz

Převodník funguje následovně. Během první části periody, kdy je tranzistor uzavřen, je proud přiváděn z primárního zdroje energie přes induktor do zátěže, zatímco se výstupní filtrační kondenzátor nabíjí. Když je tranzistor otevřený, zatěžovací proud je udržován nábojem kondenzátoru a proudem induktoru, který nelze okamžitě přerušit, a je uzavřen reverzní diodou, která je nyní otevřena během druhé části periody.

Řekněme například, že potřebujeme vyvinout topologii buck měniče napájeného konstantním napětím 24 voltů a na výstupu potřebujeme dostat 12 voltů se jmenovitým zatěžovacím proudem 1 ampér a tak, aby se napětí zvlnilo při výstup nepřesahuje 50 mV. Pracovní frekvence měniče nechť je 450 kHz a zvlnění proudu induktorem nepřekročí 30 % maximálního zatěžovacího proudu.

Počáteční údaje:

• Uin = 24 V

• Uout = 12V

• I out = 1 A.

• I dr = 0,3 * 1 A = 0,3 A

• f = 450 kHz

Vzhledem k tomu, že mluvíme o pulzním měniči, při jeho provozu nebude napětí na tlumivku přiváděno neustále, ale bude přiváděno přesně pulzy, jejichž trvání kladných částí dT lze vypočítat na základě pracovní frekvence tlumivky. převodníku a poměr vstupního a výstupního napětí podle následujícího vzorce:

dT = Uout / (Uin * f),

kde Uout / Uin = DC je pracovní cyklus řídicího impulsu tranzistoru.

Při kladné části spínacího impulsu zdroj napájí obvod měniče, při záporné části impulsu se energie nashromážděná induktorem přenáší do výstupního obvodu.

Pro náš příklad to vychází: dT = 1,11 μs — doba, po kterou vstupní napětí působí na induktor s kondenzátorem a k němu připojenou zátěž během kladné části impulsu.

Podle se zákonem elektromagnetické indukce, změna proudu Idr induktorem L (což je tlumivka) bude úměrná napětí Udr přivedenému na svorky cívky a době jeho přivedení dT (doba trvání kladné části impulsu):

Udr = L * Idr / dT

Napětí tlumivky Udr — v tomto případě nic jiného než rozdíl mezi vstupním a výstupním napětím během té části periody, kdy je tranzistor ve vodivém stavu:

Udr = Uin-Uout

A pro náš příklad to vychází: Udr = 24 — 12 = 12 V — amplituda napětí aplikovaného na tlumivku během kladné části provozního impulsu.

Plyn

Nyní, když známe velikost napětí přivedeného na tlumivku Udr, nastavení doby pracovního impulsu dT na tlumivce a také hodnotu maximálního přípustného zvlnění proudu tlumivky Idr, můžeme vypočítat požadovanou indukčnost tlumivky L. :

L = Udr * dT / Idr

Pro náš příklad to vychází: L = 44,4 μH — minimální indukčnost pracovní tlumivky, se kterou po danou dobu trvání kladné části řídicího impulsu dT nepřekročí rozkmit vlny Idr.

Kondenzátor

Po určení hodnoty indukčnosti tlumivky přistoupíme k volbě kapacity výstupního kondenzátoru filtru. Zvlnění proudu kondenzátorem se rovná zvlnění proudu induktorem. Proto, když zanedbáme odpor indukčního vodiče a indukčnost kondenzátoru, použijeme pro zjištění minimální požadované kapacity kondenzátoru následující vzorec:

C = dT * Idr / dU,

kde dU je zvlnění napětí na kondenzátoru.

Vezmeme-li hodnotu napěťové vlny na kondenzátoru rovnou dU = 0,050 V, pro náš příklad dostaneme C = 6,66 μF — minimální kapacita výstupního kondenzátoru filtru.

Dioda

Nakonec zbývá určit parametry pracovní diody. Proud protéká diodou, když je vstupní napětí odpojeno od induktoru, to znamená v druhé části pracovního impulsu:

Id = (1 -DC) * Iout — průměrný proud procházející diodou, když je otevřená a vodivá.

Pro náš příklad Id = (1 -Uout / Uin) * Iout = 0,5 A — můžete si vybrat Schottkyho diodu pro proud 1 A ​​s maximálním zpětným napětím větším než je vstup, to znamená asi 30 voltů.