Buck Converter: mida dels components

Aquest article donarà el procediment per calcular i seleccionar els components necessaris per dissenyar la secció de potència d'un convertidor DC reductor aïllat galvànicament, una topologia de convertidor buck. Els convertidors d'aquesta topologia són adequats per a tensions de CC reduïdes dins de 50 volts a l'entrada i amb potències de càrrega que no superin els 100 watts.

Tot el que fa referència a la selecció del circuit controlador i controlador, així com al tipus de transistor d'efecte de camp, quedarà fora de l'àmbit d'aquest article, però analitzarem amb detall el circuit i les característiques dels modes de funcionament de cadascun. dels principals components de la secció de potència dels convertidors d'aquest tipus.

Comença el desenvolupament convertidor d'impulsos, tingueu en compte les següents dades inicials: els valors de la tensió d'entrada i sortida, el corrent de càrrega constant màxim, la freqüència de commutació del transistor de potència (la freqüència de funcionament del convertidor), així com l'ona de corrent a través de l'obturador. També, en funció de aquestes dades, calcula inductància d'asfixia, que proporcionarà els paràmetres necessaris, la capacitat del condensador de sortida, així com les característiques del díode invers.

• Tensió d'entrada - Uin, V

• Tensió de sortida: Uout, V

• Corrent de càrrega màxima: Iout, A

• Interval de corrent d'ondulació a través de l'obturador - Idr, A

• Freqüència de commutació dels transistors — f, kHz

El convertidor funciona de la següent manera. Durant la primera part del període en què el transistor està tancat, el corrent es subministra des de la font d'alimentació primària a través de l'inductor fins a la càrrega mentre el condensador del filtre de sortida es carrega. Quan el transistor està obert, el corrent de càrrega es manté per la càrrega del condensador i el corrent de l'inductor, que no es pot interrompre immediatament, i es tanca pel díode invers, que ara està obert durant la segona part del període.

Per exemple, suposem que hem de desenvolupar una topologia d'un convertidor buck alimentat per una tensió constant de 24 volts, i a la sortida hem d'obtenir 12 volts amb un corrent de càrrega nominal d'1 amp i de manera que la tensió ondula a la sortida no supera els 50 mV. Deixeu que la freqüència de funcionament del convertidor sigui de 450 kHz i la ondulació de corrent a través de l'inductor no superi el 30% del corrent de càrrega màxima.

Dades inicials:

• Uin = 24 V

• Uout = 12V

• Sortida = 1 A.

• I dr = 0,3 * 1 A = 0,3 A

• f = 450 kHz

Com que estem parlant d'un convertidor de polsos, durant el seu funcionament la tensió no s'aplicarà constantment a l'obturador, s'aplicarà precisament per polsos, la durada de les parts positives de les quals es pot calcular dT en funció de la freqüència de funcionament del convertidor i la relació de la tensió d'entrada i sortida segons la fórmula següent:

dT = Uout / (Uin * f),

on Uout / Uin = DC és el cicle de treball del pols de control del transistor.

Durant la part positiva del pols de commutació, la font alimenta el circuit convertidor, durant la part negativa del pols, l'energia emmagatzemada per l'inductor es transfereix al circuit de sortida.

Per al nostre exemple, resulta: dT = 1,11 μs: el temps que la tensió d'entrada actua sobre l'inductor amb el condensador i la càrrega connectada a ell durant la part positiva del pols.

D'acord amb amb la llei de la inducció electromagnètica, la variació de la intensitat Idr a través de l'inductor L (que és la bobina) serà proporcional a la tensió Udr aplicada als terminals de la bobina i al temps de la seva aplicació dT (durada de la part positiva del pols):

Udr = L * Idr / dT

La tensió d'obtenció Udr: en aquest cas, res més que la diferència entre les tensions d'entrada i de sortida durant aquella part del període en què el transistor està en estat conductor:

Udr = Uin-Uout

I pel nostre exemple resulta: Udr = 24 — 12 = 12 V — l'amplitud de la tensió aplicada a l'obturador durant la part positiva del pols de funcionament.

Acelerador

Ara, coneixent la magnitud de la tensió aplicada a l'estrangulador Udr, establint el temps del pols de funcionament dT a l'obturador, així com el valor de l'ondulació de corrent màxima admissible de l'obturador Idr, podem calcular la inductància de l'obturador requerida L :

L = Udr * dT / Idr

Per al nostre exemple, resulta: L = 44, 4 μH: la inductància mínima de l'estrangulador de treball, amb la qual, durant una durada determinada de la part positiva del pols de control dT, el swing de l'ona no superarà Idr.

Condensador

Quan es determina el valor de la inductància de l'obturador, procediu a la selecció de la capacitat del condensador de sortida del filtre. El corrent d'ondulació a través del condensador és igual al corrent d'ondulació a través de l'inductor. Per tant, deixant de banda la resistència del conductor inductiu i la inductància del condensador, utilitzem la fórmula següent per trobar la capacitat mínima necessària del condensador:

C = dT * Idr / dU,

on dU és la ondulació de tensió a través del condensador.

Prenent el valor de l'ona de tensió al condensador igual a dU = 0,050 V, per al nostre exemple obtenim C = 6,66 μF, la capacitat mínima del condensador de sortida del filtre.

Díode

Finalment, queda determinar els paràmetres del díode de treball. El corrent flueix pel díode quan la tensió d'entrada es desconnecta de l'inductor, és a dir, a la segona part del pols de funcionament:

Id = (1 -DC) * Iout: corrent mitjà a través del díode quan està obert i conductor.

Per al nostre exemple Id = (1 -Uout / Uin) * Iout = 0,5 A: podeu triar un díode Schottky per a un corrent d'1 A amb una tensió inversa màxima superior a l'entrada, és a dir, uns 30 volts.