Buck Converter — ukuran komponen

Artikel ini akan memberikan prosedur untuk menghitung dan memilih komponen yang diperlukan untuk merancang bagian daya konverter DC step-down yang terisolasi secara galvanis, topologi konverter buck. Konverter topologi ini cocok untuk tegangan DC step-down dalam 50 volt pada input dan pada daya beban tidak melebihi 100 watt.

Segala sesuatu yang menyangkut pemilihan rangkaian pengontrol dan driver, serta jenis transistor efek medan, akan ditinggalkan di luar cakupan artikel ini, tetapi kami akan menganalisis secara rinci rangkaian dan karakteristik mode operasi masing-masing. komponen utama bagian daya konverter jenis ini.

Mulai pengembangan konverter pulsa, pertimbangkan data awal berikut: nilai tegangan input dan output, arus beban konstan maksimum, frekuensi switching dari transistor daya (frekuensi operasi konverter), serta gelombang arus melalui choke Juga, berdasarkan data ini, menghitung induktansi tersedak, yang akan memberikan parameter yang diperlukan, kapasitas kapasitor keluaran, serta karakteristik dioda balik.

• Tegangan masukan — Uin, V

• Tegangan keluaran — Uout, V

• Arus beban maksimum — Iout, A

• Kisaran arus riak melalui choke — Idr, A

• Beralih frekuensi transistor — f, kHz

Konverter berfungsi sebagai berikut. Selama bagian pertama dari periode ketika transistor ditutup, arus disuplai dari sumber daya utama melalui induktor ke beban sementara kapasitor filter keluaran sedang diisi. Ketika transistor terbuka, arus beban dipertahankan oleh muatan kapasitor dan arus induktor, yang tidak dapat langsung diputus, dan ditutup oleh dioda balik, yang sekarang terbuka selama bagian kedua dari periode tersebut.

Sebagai contoh, katakanlah kita perlu mengembangkan topologi konverter buck yang ditenagai oleh tegangan konstan 24 volt, dan pada output kita perlu mendapatkan 12 volt dengan arus beban pengenal 1 amp dan agar riak tegangan pada output tidak melebihi 50 mV. Biarkan frekuensi operasi konverter menjadi 450 kHz, dan riak arus melalui induktor tidak melebihi 30% dari arus beban maksimum.

Data awal:

• Uin = 24 V

• Uout = 12V

• Saya keluar = 1 A

• I dr = 0,3 * 1 A = 0,3 A

• f = 450 kHz

Karena kita berbicara tentang konverter pulsa, selama operasinya tegangan tidak akan diterapkan terus-menerus ke choke, itu akan diterapkan secara tepat oleh pulsa, durasi bagian positif yang dT dapat dihitung berdasarkan frekuensi operasi dari konverter dan rasio tegangan input dan output sesuai dengan rumus berikut:

dT = Uout / (Uin * f),

dimana Uout / Uin = DC adalah duty cycle dari pulsa kontrol transistor.

Selama bagian positif dari pulsa switching, sumber memberi daya pada rangkaian konverter, selama bagian negatif dari pulsa, energi yang disimpan oleh induktor ditransfer ke rangkaian keluaran.

Sebagai contoh kita, ternyata: dT = 1,11 μs - waktu tegangan input bekerja pada induktor dengan kapasitor dan beban yang terhubung dengannya selama bagian positif dari pulsa.

Berdasarkan dengan hukum induksi elektromagnetik, perubahan arus Idr melalui induktor L (yang merupakan choke) akan sebanding dengan tegangan Udr yang diterapkan ke terminal koil dan waktu penerapannya dT (durasi bagian positif dari pulsa):

Udr = L * IDR / dT

Tegangan choke Udr - dalam hal ini tidak lebih dari perbedaan antara tegangan input dan output selama bagian periode ketika transistor dalam keadaan konduksi:

Udr = Uin-Uout

Dan untuk contoh kita ternyata: Udr = 24 — 12 = 12 V — amplitudo tegangan yang diterapkan ke choke selama bagian positif dari pulsa operasi.

Mencekik

Sekarang, mengetahui besarnya tegangan yang diterapkan pada choke Udr, mengatur waktu pulsa operasi dT pada choke, serta nilai riak arus maksimum yang diizinkan dari choke Idr, kita dapat menghitung induktansi choke yang diperlukan L :

L = Udr * dT / Rp

Sebagai contoh kita, ternyata: L = 44,4 μH - induktansi minimum dari choke yang bekerja, dengan durasi tertentu dari bagian positif dari pulsa kontrol dT, ayunan gelombang tidak akan melebihi Idr.

Kondensator

Ketika nilai induktansi choke ditentukan, lanjutkan ke pemilihan kapasitansi kapasitor keluaran filter. Arus riak melalui kapasitor sama dengan arus riak melalui induktor. Oleh karena itu, dengan mengabaikan resistansi konduktor induktif dan induktansi kapasitor, kami menggunakan rumus berikut untuk menemukan kapasitansi kapasitor minimum yang diperlukan:

C = dT * Idr / dU,

di mana dU adalah riak tegangan melintasi kapasitor.

Mengambil nilai gelombang tegangan dalam kapasitor sama dengan dU = 0,050 V, untuk contoh kita, kita mendapatkan C = 6,66 μF - kapasitansi minimum dari kapasitor keluaran filter.

Dioda

Terakhir, tinggal menentukan parameter dioda yang berfungsi. Arus mengalir melalui dioda ketika tegangan input terputus dari induktor, yaitu di bagian kedua dari pulsa operasi:

Id = (1 -DC) * Iout — arus rata-rata melalui dioda saat terbuka dan mengalir.

Sebagai contoh Id = (1 -Uout / Uin) * Iout = 0,5 A — Anda dapat memilih dioda Schottky untuk arus 1 A ​​dengan tegangan balik maksimum lebih besar dari input, yaitu sekitar 30 volt.