Buck Converter — komponentide suuruse määramine

Selles artiklis kirjeldatakse galvaaniliselt isoleeritud alalisvoolumuunduri võimsusosa projekteerimiseks vajalike komponentide arvutamise ja valimise toimingut. Selle topoloogiaga muundurid sobivad alalisvoolu alalispinge jaoks sisendis 50 V piires ja koormusvõimsusel, mis ei ületa 100 vatti.

Kõik, mis puudutab kontrolleri ja draiveri ahela valikut ning väljatransistori tüüpi, jäetakse sellest artiklist välja, kuid analüüsime üksikasjalikult iga ahelat ja töörežiimide omadusi. seda tüüpi muundurite võimsusosa põhikomponentidest.

Alusta arendust impulsi muundur, võta arvesse järgmisi lähteandmeid: sisend- ja väljundpinge väärtused, maksimaalne püsiv koormusvool, jõutransistori lülitussagedus (muunduri töösagedus), samuti drosselit läbiv voolulaine Samuti lähtub need andmed arvuta õhuklapi induktiivsus, mis annab vajalikud parameetrid, väljundkondensaatori võimsuse ja ka pöörddioodi omadused.

• Sisendpinge - Uin, V

• Väljundpinge - Uout, V

• Maksimaalne koormusvool — Iout, A

• Drosselit läbiva pulsatsioonivoolu ulatus — Idr, A

• Transistoride lülitussagedus — f, kHz

Konverter töötab järgmiselt. Perioodi esimesel poolel, mil transistor on suletud, antakse väljundfiltri kondensaatori laadimise ajal voolu esmasest toiteallikast läbi induktiivpooli koormusele. Kui transistor on avatud, hoiab koormusvoolu kondensaatori laengu ja induktiivpooli vool, mida ei saa kohe katkestada ning suletakse pöörddioodiga, mis on nüüd avatud perioodi teisel poolel.

Näiteks oletame, et peame välja töötama 24-voldise konstantse pingega töötava buck-muunduri topoloogia ja väljundis peame saama 12 volti nimikoormusvooluga 1 amprit ja nii, et pinge pulseerub väljund ei ületa 50 mV. Olgu muunduri töösagedus 450 kHz ja induktiivpooli läbiv voolu pulsatsioon ei ületa 30% maksimaalsest koormusvoolust.

Algandmed:

• Uin = 24 V

• Uout = 12V

• I välja = 1 A.

• I dr = 0,3 * 1 A = 0,3 A

• f = 450 kHz

Kuna me räägime impulssmuundurist, siis selle töötamise ajal ei rakendata drosselile pidevalt pinget, vaid seda rakendatakse täpselt impulsside abil, mille positiivsete osade kestuse dT saab arvutada õhuklapi töösageduse põhjal. muundur ning sisend- ja väljundpinge suhe vastavalt järgmisele valemile:

dT = Uout / (Uin * f),

kus Uout / Uin = DC on transistori juhtimpulsi töötsükkel.

Lülitusimpulsi positiivse osa ajal toidab allikas muunduri ahelat, impulsi negatiivse osa ajal kantakse induktiivpooli salvestatud energia väljundahelasse.

Meie näite puhul selgub: dT = 1,11 μs — aeg, mille jooksul sisendpinge mõjub impulsi positiivse osa ajal kondensaatori ja sellega ühendatud induktiivpoolile.

Vastavalt elektromagnetilise induktsiooni seadusega, on voolu Idr muutus läbi induktiivpooli L (mis on drossel) võrdeline pooli klemmidele rakendatud pingega Udr ja selle rakendamise ajaga dT (impulsi positiivse osa kestus):

Udr = L * Idr / dT

Drosselpinge Udr – antud juhul ei midagi muud kui sisend- ja väljundpinge erinevus selle perioodi jooksul, mil transistor on juhtivas olekus:

Udr = Uin-Uout

Ja meie näite puhul selgub: Udr = 24 — 12 = 12 V — drosselile rakendatava pinge amplituud tööimpulsi positiivse osa ajal.

Drosselklapp

Teades nüüd drosselile rakendatava pinge suurust Udr, määrates drosselil tööimpulsi dT aja, samuti õhuklapi maksimaalse lubatud voolu pulsatsiooni Idr väärtust, saame arvutada vajaliku õhuklapi induktiivsuse L. :

L = Udr * dT / Idr

Meie näite puhul selgub: L = 44,4 μH - töödrosseli minimaalne induktiivsus, millega kontrollimpulsi dT positiivse osa teatud aja jooksul ei ületa laine kõikumine Idr.

Kondensaator

Kui õhuklapi induktiivsuse väärtus on kindlaks määratud, jätkake filtri väljundkondensaatori mahtuvuse valimisega. Kondensaatorit läbiv pulsatsioonivool on võrdne induktiivpooli läbiva pulsatsioonivooluga. Seetõttu, jättes tähelepanuta induktiivjuhi takistuse ja kondensaatori induktiivsuse, kasutame kondensaatori minimaalse nõutava mahtuvuse leidmiseks järgmist valemit:

C = dT * Idr / dU,

kus dU on kondensaatori pinge pulsatsioon.

Võttes kondensaatori pingelaine väärtuseks dU = 0,050 V, saame meie näite jaoks C = 6,66 μF - filtri väljundkondensaatori minimaalne mahtuvus.

Diood

Lõpuks jääb veel kindlaks määrata töödioodi parameetrid. Vool voolab läbi dioodi, kui sisendpinge on induktiivpoolist lahti ühendatud, see tähendab tööimpulsi teises osas:

Id = (1 -DC) * Iout — keskmine vool läbi dioodi, kui see on avatud ja juhtiv.

Meie näite puhul Id = (1 -Uout / Uin) * Iout = 0,5 A - saate valida Schottky dioodi voolu jaoks 1 A, mille maksimaalne pöördpinge on suurem kui sisend, see tähendab umbes 30 volti.