Buck Converter — laki ng bahagi

Ibibigay ng artikulong ito ang pamamaraan para sa pagkalkula at pagpili ng mga sangkap na kailangan upang idisenyo ang power section ng isang galvanically isolated step-down DC converter, buck converter topology. Ang mga converter ng topology na ito ay angkop para sa mga step-down na boltahe ng DC sa loob ng 50 volts sa input at sa mga kapangyarihan ng load na hindi hihigit sa 100 watts.

Ang lahat na may kinalaman sa pagpili ng controller at driver circuit, pati na rin ang uri ng field-effect transistor, ay iiwan sa labas ng saklaw ng artikulong ito, ngunit susuriin namin nang detalyado ang circuit at ang mga katangian ng operating mode ng bawat isa. ng mga pangunahing bahagi ng seksyon ng kapangyarihan ng mga converter ng ganitong uri.

Simulan ang pag-unlad pulse converter, isaalang-alang ang mga sumusunod na paunang data: ang mga halaga ng input at output boltahe, ang maximum na pare-pareho ang kasalukuyang pagkarga, ang dalas ng paglipat ng transistor ng kapangyarihan (ang dalas ng pagpapatakbo ng converter), pati na rin ang kasalukuyang alon sa pamamagitan ng mabulunan Gayundin, batay sa ang mga datos na ito, kalkulahin sumakal inductance, na magbibigay ng mga kinakailangang parameter, ang kapasidad ng output capacitor, pati na rin ang mga katangian ng reverse diode.

• Input na boltahe — Uin, V

• Boltahe ng output — Uout, V

• Pinakamataas na kasalukuyang pagkarga — Iout, A

• Saklaw ng ripple current sa pamamagitan ng choke — Idr, A

• Ang dalas ng paglipat ng mga transistor - f, kHz

Ang converter ay gumagana tulad ng sumusunod. Sa unang bahagi ng panahon kung kailan ang transistor ay sarado, ang kasalukuyang ay ibinibigay mula sa pangunahing pinagmumulan ng kapangyarihan sa pamamagitan ng inductor sa load habang ang output filter capacitor ay nagcha-charge. Kapag ang transistor ay bukas, ang load current ay pinananatili ng capacitor charge at ang inductor current, na hindi agad maabala, at isinara ng reverse diode, na ngayon ay bukas sa ikalawang bahagi ng panahon.

Halimbawa, sabihin natin na kailangan nating bumuo ng topology ng buck converter na pinapagana ng isang pare-parehong boltahe na 24 volts, at sa output kailangan nating makakuha ng 12 volts na may rated load current na 1 amp at upang ang boltahe ripple sa ang output ay hindi hihigit sa 50 mV. Hayaang ang operating frequency ng converter ay 450 kHz, at ang kasalukuyang ripple sa pamamagitan ng inductor ay hindi lalampas sa 30% ng maximum na kasalukuyang load.

Paunang data:

• Uin = 24 V

• Uout = 12V

• I out = 1 A.

• I dr = 0.3 * 1 A = 0.3 A

• f = 450 kHz

Dahil pinag-uusapan natin ang tungkol sa isang pulse converter, sa panahon ng operasyon nito, ang boltahe ay hindi ilalapat nang palagi sa choke, ito ay ilalapat nang tumpak sa pamamagitan ng mga pulso, ang tagal ng mga positibong bahagi kung saan ang dT ay maaaring kalkulahin batay sa dalas ng pagpapatakbo ng converter at ang ratio ng input at output boltahe ayon sa sumusunod na formula:

dT = Uout / (Uin * f),

kung saan ang Uout / Uin = DC ay ang duty cycle ng transistor control pulse.

Sa panahon ng positibong bahagi ng switching pulse, pinapagana ng source ang converter circuit, sa panahon ng negatibong bahagi ng pulse, ang enerhiya na nakaimbak ng inductor ay inililipat sa output circuit.

Para sa aming halimbawa, ito ay lumabas: dT = 1.11 μs - ang oras na ang input boltahe ay kumikilos sa inductor na may kapasitor at ang load na konektado dito sa panahon ng positibong bahagi ng pulso.

Ayon kay na may batas ng electromagnetic induction, ang pagbabago sa kasalukuyang Idr sa pamamagitan ng inductor L (na siyang choke) ay magiging proporsyonal sa boltahe na Udr na inilapat sa mga terminal ng coil at ang oras ng aplikasyon nito dT (tagal ng positibong bahagi ng pulso):

Udr = L * Idr / dT

Ang boltahe ng choke Udr — sa kasong ito ay wala nang higit pa sa pagkakaiba sa pagitan ng mga boltahe ng input at output sa bahaging iyon ng panahon kung kailan ang transistor ay nasa conducting state:

Udr = Uin-Uout

At para sa aming halimbawa ito ay lumabas: Udr = 24 — 12 = 12 V — ang amplitude ng boltahe na inilapat sa choke sa panahon ng positibong bahagi ng operating pulse.

Throttle

Ngayon, alam ang magnitude ng boltahe na inilapat sa choke Udr, ang pagtatakda ng oras ng operating pulse dT sa choke, pati na rin ang halaga ng maximum na pinahihintulutang kasalukuyang ripple ng choke Idr, maaari naming kalkulahin ang kinakailangang choke inductance L :

L = Udr * dT / Idr

Para sa aming halimbawa, lumalabas na: L = 44.4 μH - ang minimum na inductance ng working choke, kung saan, para sa isang naibigay na tagal ng positibong bahagi ng control pulse dT, ang swing ng wave ay hindi lalampas sa Idr.

Condenser

Kapag natukoy ang halaga ng inductance ng choke, magpatuloy sa pagpili ng kapasidad ng output capacitor ng filter. Ang ripple current sa pamamagitan ng capacitor ay katumbas ng ripple current sa pamamagitan ng inductor. Samakatuwid, ang pagpapabaya sa paglaban ng inductive conductor at inductance ng capacitor, ginagamit namin ang sumusunod na formula upang mahanap ang minimum na kinakailangang kapasidad ng capacitor:

C = dT * Idr / dU,

kung saan ang dU ay ang boltahe ripple sa buong kapasitor.

Ang pagkuha ng halaga ng boltahe na alon sa kapasitor na katumbas ng dU = 0.050 V, para sa aming halimbawa ay nakukuha namin ang C = 6.66 μF - ang pinakamababang kapasidad ng output capacitor ng filter.

Diode

Sa wakas, nananatili itong matukoy ang mga parameter ng working diode. Ang kasalukuyang dumadaloy sa diode kapag ang input boltahe ay naka-disconnect mula sa inductor, iyon ay, sa ikalawang bahagi ng operating pulse:

Id = (1 -DC) * Iout — average na kasalukuyang sa pamamagitan ng diode kapag ito ay bukas at nagsasagawa.

Para sa aming halimbawa Id = (1 -Uout / Uin) * Iout = 0.5 A — maaari kang pumili ng Schottky diode para sa kasalukuyang 1 A ​​na may maximum na reverse boltahe na mas malaki kaysa sa input, iyon ay, mga 30 volts.