Buck Converter - maatvoering van componenten

Dit artikel geeft de procedure voor het berekenen en selecteren van de componenten die nodig zijn om het vermogensgedeelte van een galvanisch geïsoleerde step-down DC-converter, buck-converter-topologie, te ontwerpen. Converters van deze topologie zijn geschikt voor step-down gelijkspanningen binnen 50 volt aan de ingang en bij belastingsvermogens van niet meer dan 100 watt.

Alles wat betrekking heeft op de selectie van het controller- en drivercircuit, evenals het type veldeffecttransistor, blijft buiten het bestek van dit artikel, maar we zullen in detail het circuit en de kenmerken van de bedrijfsmodi van elk analyseren van de hoofdcomponenten van het vermogensgedeelte van omvormers van dit type.

Begin met ontwikkelen pulsomvormer, houd rekening met de volgende begingegevens: de ingangs- en uitgangsspanningswaarden, de maximale constante belastingsstroom, de schakelfrequentie van de vermogenstransistor (de werkfrequentie van de omvormer), evenals de stroomgolf door de smoorspoel. Ook gebaseerd op deze gegevens, berekenen choke-inductantie, die de nodige parameters, de capaciteit van de uitgangscondensator en de kenmerken van de omgekeerde diode zal bieden.

• Ingangsspanning — Uin, V

• Uitgangsspanning — Uout, V

• Maximale belastingsstroom - Iout, A

• Bereik van rimpelstroom door de choke - Idr, A

• Schakelfrequentie van transistoren - f, kHz

De omvormer werkt als volgt. Gedurende het eerste deel van de periode waarin de transistor gesloten is, wordt stroom geleverd vanuit de primaire voedingsbron via de inductor aan de belasting terwijl de uitgangsfiltercondensator wordt opgeladen. Wanneer de transistor open is, wordt de belastingsstroom in stand gehouden door de condensatorlading en de inductorstroom, die niet onmiddellijk kunnen worden onderbroken, en wordt gesloten door de sperdiode, die nu open is gedurende het tweede deel van de periode.

Laten we bijvoorbeeld zeggen dat we een topologie moeten ontwikkelen van een buck-converter die wordt aangedreven door een constante spanning van 24 volt, en aan de uitgang moeten we 12 volt krijgen met een nominale belastingsstroom van 1 ampère en zodat de spanningsrimpel op de uitvoer is niet hoger dan 50 mV. Stel dat de werkfrequentie van de omzetter 450 kHz is en dat de stroomrimpel door de inductor niet groter is dan 30% van de maximale belastingsstroom.

Initiële data:

• Uin = 24 V

• Uuit = 12V

• ik uit = 1 A.

• I dr = 0,3 * 1 A = 0,3 A

• f = 450kHz

Aangezien we het hebben over een pulsomvormer, zal tijdens zijn werking de spanning niet constant op de choke worden aangelegd, maar precies door pulsen, waarvan de duur van de positieve delen dT kan worden berekend op basis van de werkfrequentie van de converter en de verhouding van de ingangs- en uitgangsspanning volgens de volgende formule:

dT = Uuit / (Uin * f),

waarbij Uout / Uin = DC de duty cycle is van de transistorstuurpuls.

Tijdens het positieve deel van de schakelpuls voedt de bron het convertorcircuit, tijdens het negatieve deel van de puls wordt de energie die is opgeslagen door de inductor overgebracht naar het uitgangscircuit.

Voor ons voorbeeld blijkt: dT = 1,11 μs — de tijd dat de ingangsspanning inwerkt op de inductor met de condensator en de belasting die erop is aangesloten tijdens het positieve deel van de puls.

Volgens met de wet van elektromagnetische inductie, zal de verandering in de stroom Idr door de inductor L (die de smoorspoel is) evenredig zijn met de spanning Udr die wordt toegepast op de klemmen van de spoel en de tijd van toepassing dT (duur van het positieve deel van de puls):

Udr = L * Idr / dT

De smoorspanning Udr — in dit geval niets meer dan het verschil tussen de ingangs- en uitgangsspanning gedurende dat deel van de periode dat de transistor in geleidende toestand is:

Udr = Uin-Uout

En voor ons voorbeeld blijkt: Udr = 24 — 12 = 12 V — de amplitude van de spanning die op de choke wordt gezet tijdens het positieve deel van de bedrijfspuls.

Gas geven

Nu we de grootte kennen van de spanning die wordt toegepast op de smoorspoel Udr, de tijd instellen van de werkpuls dT op de smoorspoel, evenals de waarde van de maximaal toelaatbare stroomrimpel van de smoorspoel Idr, kunnen we de vereiste smoorspoelinductantie L berekenen :

L = Udr * dT / Idr

Voor ons voorbeeld blijkt: L = 44,4 μH - de minimale inductantie van de werkende smoorspoel, waarmee, voor een bepaalde duur van het positieve deel van de stuurpuls dT, de zwaai van de golf Idr niet zal overschrijden.

Condensor

Wanneer de waarde van de inductantie van de smoorspoel is bepaald, gaat u verder met de selectie van de capaciteit van de uitgangscondensator van het filter. De rimpelstroom door de condensator is gelijk aan de rimpelstroom door de inductor. Daarom gebruiken we, zonder de weerstand van de inductieve geleider en de inductantie van de condensator te verwaarlozen, de volgende formule om de minimaal vereiste capaciteit van de condensator te vinden:

C = dT * Idr / dU,

waarbij dU de spanningsrimpel over de condensator is.

Als we de waarde van de spanningsgolf in de condensator gelijk aan dU = 0,050 V nemen, krijgen we voor ons voorbeeld C = 6,66 μF - de minimale capaciteit van de uitgangscondensator van het filter.

Diode

Ten slotte blijft het om de parameters van de werkende diode te bepalen. De stroom vloeit door de diode wanneer de ingangsspanning wordt losgekoppeld van de inductor, dat wil zeggen in het tweede deel van de bedrijfspuls:

Id = (1 -DC) * Iout — gemiddelde stroom door de diode wanneer deze open en geleidend is.

Voor ons voorbeeld Id = (1 -Uout / Uin) * Iout = 0,5 A — u kunt een Schottky-diode kiezen voor een stroom van 1 A met een maximale sperspanning groter dan de ingang, dat wil zeggen ongeveer 30 volt.