Buck Converter — dimenzioniranje komponenti

Ovaj članak će dati postupak za proračun i odabir komponenti potrebnih za projektiranje energetskog dijela galvanski izoliranog silaznog istosmjernog pretvarača, topologije dovodnog pretvarača. Pretvarači ove topologije prikladni su za padajuće istosmjerne napone unutar 50 volti na ulazu i pri snagama opterećenja koje ne prelaze 100 vata.

Sve što se tiče odabira regulatora i pogonskog kruga, kao i vrste tranzistora s efektom polja, ostat će izvan opsega ovog članka, ali ćemo detaljno analizirati krug i karakteristike načina rada svakog od njih. glavnih komponenti energetskog dijela pretvarača ove vrste.

Započni razvoj pretvarač impulsa, uzmite u obzir sljedeće početne podatke: vrijednosti ulaznog i izlaznog napona, maksimalnu konstantnu struju opterećenja, frekvenciju prebacivanja energetskog tranzistora (radnu frekvenciju pretvarača), kao i strujni val kroz prigušnicu Također, na temelju ove podatke, izračunajte induktivitet prigušnice, koji će osigurati potrebne parametre, kapacitet izlaznog kondenzatora, kao i karakteristike obrnute diode.

• Ulazni napon - Uin, V

• Izlazni napon — Uout, V

• Maksimalna struja opterećenja — Iout, A

• Raspon valovitosti struje kroz prigušnicu — Idr, A

• Frekvencija prebacivanja tranzistora - f, kHz

Pretvarač radi na sljedeći način. Tijekom prvog dijela razdoblja kada je tranzistor zatvoren, struja se dovodi iz primarnog izvora napajanja kroz induktor do opterećenja dok se kondenzator izlaznog filtera puni. Kada je tranzistor otvoren, struju opterećenja održavaju naboj kondenzatora i struja induktora, koja se ne može odmah prekinuti, a zatvorena je reverznom diodom, koja je sada otvorena tijekom drugog dijela perioda.

Na primjer, recimo da trebamo razviti topologiju donjeg pretvarača koji se napaja konstantnim naponom od 24 volta, a na izlazu trebamo dobiti 12 volti s nazivnom strujom opterećenja od 1 ampera i tako da valovitost napona na izlaz ne prelazi 50 mV. Neka radna frekvencija pretvarača bude 450 kHz, a valovitost struje kroz induktor ne prelazi 30% maksimalne struje opterećenja.

Početni podaci:

• Uin = 24 V

• Uizlaz = 12V

• I van = 1 A.

• I dr = 0,3 * 1 A = 0,3 A

• f = 450 kHz

Budući da je riječ o impulsnom pretvaraču, tijekom njegovog rada napon se neće stalno dovoditi na prigušnicu, nego će se dovoditi upravo putem impulsa, čije se trajanje pozitivnih dijelova dT može izračunati na temelju radne frekvencije pretvarač i omjer ulaznog i izlaznog napona prema sljedećoj formuli:

dT = Uout / (Uin * f),

gdje je Uout / Uin = DC radni ciklus kontrolnog impulsa tranzistora.

Tijekom pozitivnog dijela sklopnog impulsa, izvor napaja krug pretvarača, tijekom negativnog dijela impulsa, energija pohranjena u induktoru prenosi se na izlazni krug.

Za naš primjer ispada: dT = 1,11 μs — vrijeme u kojem ulazni napon djeluje na induktor s kondenzatorom i opterećenjem spojenim na njega tijekom pozitivnog dijela impulsa.

Prema sa zakonom elektromagnetske indukcije, promjena struje Idr kroz induktor L (koji je prigušnica) bit će proporcionalna naponu Udr primijenjenom na stezaljke zavojnice i vremenu njegove primjene dT (trajanje pozitivnog dijela impulsa):

Udr = L * Idr / dT

Napon prigušnice Udr - u ovom slučaju ništa više od razlike između ulaznog i izlaznog napona tijekom onog dijela perioda kada je tranzistor u vodljivom stanju:

Udr = Uin-Uout

I za naš primjer ispada: Udr = 24 — 12 = 12 V — amplituda napona koji se primjenjuje na prigušnicu tijekom pozitivnog dijela radnog impulsa.

gas

Sada, znajući veličinu napona primijenjenog na prigušnicu Udr, postavljajući vrijeme radnog impulsa dT na prigušnicu, kao i vrijednost najveće dopuštene valovitosti struje prigušnice Idr, možemo izračunati potrebni induktivitet prigušnice L :

L = Udr * dT / Idr

Za naš primjer ispada: L = 44,4 μH - minimalni induktivitet radne prigušnice, s kojim, za određeno trajanje pozitivnog dijela upravljačkog impulsa dT, njihanje vala neće premašiti Idr.

Kondenzator

Kada se odredi vrijednost induktiviteta prigušnice, prijeđite na odabir kapaciteta izlaznog kondenzatora filtra. Valovitost struje kroz kondenzator jednaka je valovitosti struje kroz prigušnicu. Stoga, zanemarujući otpor induktivnog vodiča i induktivitet kondenzatora, koristimo se sljedećom formulom za pronalaženje minimalnog potrebnog kapaciteta kondenzatora:

C = dT * Idr / dU,

gdje je dU valovitost napona na kondenzatoru.

Uzimajući vrijednost naponskog vala u kondenzatoru jednaku dU = 0,050 V, za naš primjer dobivamo C = 6,66 μF - minimalni kapacitet izlaznog kondenzatora filtra.

Dioda

Konačno, ostaje odrediti parametre radne diode. Struja teče kroz diodu kada je ulazni napon isključen s induktora, odnosno u drugom dijelu radnog impulsa:

Id = (1 -DC) * Iout — prosječna struja kroz diodu kada je otvorena i provodi.

Za naš primjer Id = (1 -Uout / Uin) * Iout = 0,5 A - možete odabrati Schottky diodu za struju od 1 A s maksimalnim obrnutim naponom većim od ulaza, odnosno oko 30 volti.