Buck Converter — το μέγεθος των στοιχείων

Αυτό το άρθρο θα δώσει τη διαδικασία για τον υπολογισμό και την επιλογή των στοιχείων που απαιτούνται για τη σχεδίαση του τμήματος ισχύος ενός γαλβανικά απομονωμένου μετατροπέα DC, τοπολογία μετατροπέα buck. Οι μετατροπείς αυτής της τοπολογίας είναι κατάλληλοι για κατεβαίνουσες τάσεις συνεχούς ρεύματος εντός 50 βολτ στην είσοδο και σε ισχύ φορτίου που δεν υπερβαίνουν τα 100 Watt.

Όλα όσα αφορούν την επιλογή του κυκλώματος ελεγκτή και οδηγού, καθώς και τον τύπο του τρανζίστορ φαινομένου πεδίου, θα μείνουν εκτός του πεδίου εφαρμογής αυτού του άρθρου, αλλά θα αναλύσουμε λεπτομερώς το κύκλωμα και τα χαρακτηριστικά των τρόπων λειτουργίας του καθενός από τα κύρια εξαρτήματα του τμήματος ισχύος μετατροπέων αυτού του τύπου.

Ξεκινήστε την ανάπτυξη μετατροπέας παλμών, λάβετε υπόψη τα ακόλουθα αρχικά δεδομένα: τις τιμές της τάσης εισόδου και εξόδου, το μέγιστο σταθερό ρεύμα φορτίου, τη συχνότητα μεταγωγής του τρανζίστορ ισχύος (η συχνότητα λειτουργίας του μετατροπέα), καθώς και το κύμα ρεύματος μέσω τσοκ Επίσης, με βάση αυτά τα δεδομένα, υπολογίστε επαγωγή πνιγμού, το οποίο θα παρέχει τις απαραίτητες παραμέτρους, τη χωρητικότητα του πυκνωτή εξόδου, καθώς και τα χαρακτηριστικά της αντίστροφης διόδου.

• Τάση εισόδου — Uin, V

• Τάση εξόδου — Uout, V

• Μέγιστο ρεύμα φορτίου — Iout, A

• Εύρος κυματιστικού ρεύματος μέσω του τσοκ — Idr, A

• Συχνότητα μεταγωγής τρανζίστορ — f, kHz

Ο μετατροπέας λειτουργεί ως εξής. Κατά το πρώτο μέρος της περιόδου που το τρανζίστορ είναι κλειστό, τροφοδοτείται ρεύμα από την κύρια πηγή ισχύος μέσω του επαγωγέα στο φορτίο ενώ ο πυκνωτής του φίλτρου εξόδου φορτίζεται. Όταν το τρανζίστορ είναι ανοιχτό, το ρεύμα φορτίου διατηρείται από τη φόρτιση του πυκνωτή και το ρεύμα του επαγωγέα, το οποίο δεν μπορεί να διακοπεί αμέσως, και κλείνει από την αντίστροφη δίοδο, η οποία είναι τώρα ανοιχτή κατά το δεύτερο μέρος της περιόδου.

Για παράδειγμα, ας πούμε ότι πρέπει να αναπτύξουμε μια τοπολογία ενός μετατροπέα buck που τροφοδοτείται από σταθερή τάση 24 βολτ, και στην έξοδο πρέπει να πάρουμε 12 βολτ με ονομαστικό ρεύμα φορτίου 1 amp και έτσι ώστε η τάση να κυματίζεται στο η έξοδος δεν υπερβαίνει τα 50 mV. Αφήστε τη συχνότητα λειτουργίας του μετατροπέα να είναι 450 kHz και η κυματισμός του ρεύματος μέσω του επαγωγέα δεν υπερβαίνει το 30% του μέγιστου ρεύματος φορτίου.

Αρχικά δεδομένα:

• Uin = 24 V

• Uout = 12V

• I out = 1 A.

• I dr = 0,3 * 1 A = 0,3 A

• f = 450 kHz

Δεδομένου ότι μιλάμε για μετατροπέα παλμών, κατά τη λειτουργία του η τάση δεν θα εφαρμόζεται συνεχώς στο τσοκ, θα εφαρμόζεται ακριβώς με παλμούς, η διάρκεια των θετικών μερών του οποίου μπορεί να υπολογιστεί dT με βάση τη συχνότητα λειτουργίας του μετατροπέα και την αναλογία της τάσης εισόδου και εξόδου σύμφωνα με τον ακόλουθο τύπο:

dT = Uout / (Uin * f),

όπου Uout / Uin = DC είναι ο κύκλος λειτουργίας του παλμού ελέγχου τρανζίστορ.

Κατά το θετικό τμήμα του παλμού μεταγωγής, η πηγή τροφοδοτεί το κύκλωμα του μετατροπέα, κατά το αρνητικό μέρος του παλμού, η ενέργεια που αποθηκεύεται από τον επαγωγέα μεταφέρεται στο κύκλωμα εξόδου.

Για το παράδειγμά μας, αποδεικνύεται: dT = 1,11 μs — ο χρόνος που η τάση εισόδου δρα στον επαγωγέα με τον πυκνωτή και το φορτίο που είναι συνδεδεμένο σε αυτό κατά τη διάρκεια του θετικού μέρους του παλμού.

Σύμφωνα με με το νόμο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, η μεταβολή του ρεύματος Idr μέσω του επαγωγέα L (που είναι το τσοκ) θα είναι ανάλογη με την τάση Udr που εφαρμόζεται στους ακροδέκτες του πηνίου και τον χρόνο εφαρμογής του dT (διάρκεια του θετικού μέρους του παλμού):

Udr = L * Idr / dT

Η τάση τσοκ Udr — σε αυτήν την περίπτωση τίποτα περισσότερο από τη διαφορά μεταξύ των τάσεων εισόδου και εξόδου κατά τη διάρκεια αυτού του μέρους της περιόδου που το τρανζίστορ βρίσκεται σε αγώγιμη κατάσταση:

Udr = Uin-Uout

Και για το παράδειγμά μας αποδεικνύεται: Udr = 24 — 12 = 12 V — το πλάτος της τάσης που εφαρμόζεται στο τσοκ κατά τη διάρκεια του θετικού μέρους του παλμού λειτουργίας.

Γκάζι

Τώρα, γνωρίζοντας το μέγεθος της τάσης που εφαρμόζεται στο τσοκ Udr, ρυθμίζοντας το χρόνο του παλμού λειτουργίας dT στο τσοκ, καθώς και την τιμή του μέγιστου επιτρεπόμενου ρεύματος κυματισμού του τσοκ Idr, μπορούμε να υπολογίσουμε την απαιτούμενη αυτεπαγωγή στραγγαλισμού L :

L = Udr * dT / Idr

Για το παράδειγμά μας, αποδεικνύεται: L = 44,4 μH - η ελάχιστη αυτεπαγωγή του τσοκ εργασίας, με την οποία, για μια δεδομένη διάρκεια του θετικού μέρους του παλμού ελέγχου dT, η αιώρηση του κύματος δεν θα υπερβαίνει το Idr.

Συμπυκνωτής

Όταν προσδιοριστεί η τιμή της αυτεπαγωγής του τσοκ, προχωρήστε στην επιλογή της χωρητικότητας του πυκνωτή εξόδου του φίλτρου. Το ρεύμα κυματισμού μέσω του πυκνωτή είναι ίσο με το ρεύμα κυματισμού μέσω του επαγωγέα. Επομένως, παραβλέποντας την αντίσταση του επαγωγικού αγωγού και την επαγωγή του πυκνωτή, χρησιμοποιούμε τον ακόλουθο τύπο για να βρούμε την ελάχιστη απαιτούμενη χωρητικότητα του πυκνωτή:

C = dT * Idr / dU,

όπου dU είναι ο κυματισμός τάσης στον πυκνωτή.

Λαμβάνοντας την τιμή του κύματος τάσης στον πυκνωτή ίση με dU = 0,050 V, για το παράδειγμά μας παίρνουμε C = 6,66 μF — την ελάχιστη χωρητικότητα του πυκνωτή εξόδου του φίλτρου.

Δίοδος

Τέλος, απομένει να καθοριστούν οι παράμετροι της διόδου εργασίας. Το ρεύμα ρέει μέσω της διόδου όταν η τάση εισόδου αποσυνδέεται από τον επαγωγέα, δηλαδή στο δεύτερο μέρος του παλμού λειτουργίας:

Id = (1 -DC) * Iout — μέσο ρεύμα μέσω της διόδου όταν είναι ανοιχτή και αγώγιμη.

Για το παράδειγμά μας Id = (1 -Uout / Uin) * Iout = 0,5 A — μπορείτε να επιλέξετε μια δίοδο Schottky για ρεύμα 1 A με μέγιστη αντίστροφη τάση μεγαλύτερη από την είσοδο, δηλαδή περίπου 30 βολτ.