Buck Converter — bileşen boyutlandırma

Bu makale, galvanik olarak izole edilmiş kademeli bir DC konvertör, buck konvertör topolojisinin güç bölümünü tasarlamak için gerekli bileşenleri hesaplama ve seçme prosedürünü verecektir. Bu topolojinin dönüştürücüleri, girişte 50 volt dahilinde ve 100 watt'ı aşmayan yük güçlerinde düşürme DC gerilimleri için uygundur.

Denetleyici ve sürücü devresinin seçimi ile alan etkili transistör tipi ile ilgili her şey bu makalenin kapsamı dışında bırakılacaktır, ancak devreyi ve her birinin çalışma modlarının özelliklerini ayrıntılı olarak analiz edeceğiz. bu tip dönüştürücülerin güç bölümünün ana bileşenlerinin.

Geliştirmeye başla darbe dönüştürücü, aşağıdaki ilk verileri dikkate alın: giriş ve çıkış voltajı değerleri, maksimum sabit yük akımı, güç transistörünün anahtarlama frekansı (dönüştürücünün çalışma frekansı) ve bobinden geçen akım dalgası Ayrıca, bu verileri hesapla boğma endüktansı, gerekli parametreleri, çıkış kapasitörünün kapasitesini ve ayrıca ters diyotun özelliklerini sağlayacak.

• Giriş voltajı — Uin, V

• Çıkış voltajı — Uout, V

• Maksimum yük akımı — Iout, A

• Bobinden geçen dalgalanma akımı aralığı — Idr, A

• Transistörlerin anahtarlama frekansı — f, kHz

Dönüştürücü aşağıdaki gibi çalışır. Transistörün kapalı olduğu dönemin ilk bölümünde, çıkış filtresi kondansatörü şarj olurken birincil güç kaynağından indüktör aracılığıyla yüke akım sağlanır. Transistör açıkken yük akımı, hemen kesilemeyen kondansatör şarjı ve indüktör akımı tarafından korunur ve periyodun ikinci bölümünde şimdi açık olan ters diyot tarafından kapatılır.

Örneğin, 24 volt sabit voltajla çalışan bir buck dönüştürücü topolojisi geliştirmemiz gerektiğini ve çıkışta 1 amper nominal yük akımıyla 12 volt almamız gerektiğini ve böylece voltajın dalgalanması gerektiğini varsayalım. çıkış 50 mV'u geçmez. Dönüştürücünün çalışma frekansı 450 kHz olsun ve indüktörden geçen akım dalgalanması maksimum yük akımının %30'unu geçmesin.

İlk veri:

• Uin = 24V

• Çıkış = 12V

• ben = 1 A.

• Ben dr = 0,3 * 1 A = 0,3 A

• f = 450kHz

Bir darbe dönüştürücüden bahsettiğimiz için, çalışması sırasında bobine sürekli olarak voltaj uygulanmayacak, tam olarak darbelerle uygulanacaktır, pozitif kısımların süresi dT'nin çalışma frekansına göre hesaplanabilmektedir. dönüştürücü ve aşağıdaki formüle göre giriş ve çıkış voltajının oranı:

dT = Uout / (Uin * f),

Uout / Uin = DC, transistör kontrol darbesinin görev döngüsüdür.

Anahtarlama darbesinin pozitif kısmı sırasında, kaynak dönüştürücü devresine güç sağlar, darbenin negatif kısmı sırasında indüktör tarafından depolanan enerji çıkış devresine aktarılır.

Örneğimiz için, ortaya çıkıyor: dT = 1,11 μs - giriş voltajının, darbenin pozitif kısmı sırasında kapasitör ve ona bağlı yük ile indüktöre etki ettiği süre.

Buna göre elektromanyetik indüksiyon yasası ile, L indüktörü (kısıcı olan) boyunca akım Idr'sindeki değişiklik, bobinin terminallerine uygulanan voltaj Udr ve uygulama süresi dT (nabzın pozitif kısmının süresi) ile orantılı olacaktır:

Udr = L * Idr / dT

Jikle gerilimi Udr — bu durumda, transistörün iletken durumda olduğu dönemin o kısmındaki giriş ve çıkış gerilimleri arasındaki farktan başka bir şey değildir:

Udr = Uin-Uout

Ve örneğimiz için şu çıkıyor: Udr = 24 — 12 = 12 V — çalışma darbesinin pozitif kısmı sırasında jikleye uygulanan voltajın genliği.

Kısma

Şimdi, jikle Udr'ye uygulanan voltajın büyüklüğünü bilerek, jikle üzerindeki dT çalışma darbesinin zamanını ve ayrıca jikle Idr'sinin izin verilen maksimum akım dalgalanmasının değerini ayarlayarak, gerekli jikle endüktansını L hesaplayabiliriz. :

L = Udr * dT / Idr

Örneğimiz için, şu ortaya çıkıyor: L = 44,4 μH - kontrol darbesinin pozitif kısmının belirli bir süresi boyunca, dalganın salınımının Idr'yi aşmayacağı çalışma bobininin minimum endüktansı.

kondansatör

Jiklenin endüktans değeri belirlendiğinde, filtrenin çıkış kondansatörünün kapasitansının seçimine geçin. Kondansatörden geçen dalgalanma akımı, indüktörden geçen dalgalanma akımına eşittir. Bu nedenle, endüktif iletkenin direncini ve kapasitörün endüktansını ihmal ederek, kapasitörün gerekli minimum kapasitansını bulmak için aşağıdaki formülü kullanırız:

C = dT * Idr / dU,

burada dU, kapasitör boyunca voltaj dalgalanmasıdır.

Kapasitördeki voltaj dalgasının değerini dU = 0,050 V'a eşit alarak, örneğimiz için C = 6,66 μF - filtrenin çıkış kapasitörünün minimum kapasitansı elde ederiz.

Diyot

Son olarak, çalışan diyotun parametrelerini belirlemeye devam ediyor. Giriş voltajı indüktörden ayrıldığında, yani çalışma darbesinin ikinci bölümünde akım diyottan akar:

Id = (1 -DC) * Iout — diyot açıkken ve iletkenken içinden geçen ortalama akım.

Örneğimiz için Id = (1 -Uout / Uin) * Iout = 0,5 A - maksimum ters voltajı girişten daha büyük, yani yaklaşık 30 volt olan 1 A ​​akım için bir Schottky diyot seçebilirsiniz.