Buck Converter – Komponentendimensionierung

In diesem Artikel wird das Verfahren zur Berechnung und Auswahl der Komponenten beschrieben, die zum Entwurf des Leistungsteils einer galvanisch getrennten DC-Abwärtswandler-/Abwärtswandler-Topologie erforderlich sind. Wandler dieser Topologie eignen sich für Abwärtsgleichspannungen innerhalb von 50 Volt am Eingang und bei Lastleistungen von nicht mehr als 100 Watt.

Alles, was die Auswahl des Controllers und der Treiberschaltung sowie den Typ des Feldeffekttransistors betrifft, wird nicht Gegenstand dieses Artikels sein, aber wir werden die Schaltung und die Eigenschaften der jeweiligen Betriebsarten im Detail analysieren der Hauptkomponenten des Leistungsteils derartiger Umrichter.

Beginnen Sie mit der Entwicklung Impulswandler, Berücksichtigen Sie die folgenden Ausgangsdaten: die Eingangs- und Ausgangsspannungswerte, den maximalen konstanten Laststrom, die Schaltfrequenz des Leistungstransistors (die Betriebsfrequenz des Wandlers) sowie die Stromwelle durch Drossel Auch basierend auf Berechnen Sie diese Daten Drosselinduktivität, das die notwendigen Parameter, die Kapazität des Ausgangskondensators sowie die Eigenschaften der Sperrdiode liefert.

• Eingangsspannung – Uin, V

• Ausgangsspannung – Uout, V

• Maximaler Laststrom – Iout, A

• Bereich des Welligkeitsstroms durch die Drossel – Idr, A

• Schaltfrequenz der Transistoren – f, kHz

Der Konverter funktioniert wie folgt. Während des ersten Teils der Periode, in der der Transistor geschlossen ist, wird der Last Strom von der primären Stromquelle über die Induktivität zugeführt, während der Ausgangsfilterkondensator aufgeladen wird. Wenn der Transistor geöffnet ist, wird der Laststrom durch die Kondensatorladung und den Induktorstrom aufrechterhalten, der nicht sofort unterbrochen werden kann, und durch die Sperrdiode geschlossen, die nun während des zweiten Teils der Periode geöffnet ist.

Nehmen wir zum Beispiel an, wir müssen eine Topologie eines Abwärtswandlers entwickeln, der mit einer konstanten Spannung von 24 Volt betrieben wird, und am Ausgang müssen wir 12 Volt mit einem Nennlaststrom von 1 Ampere erhalten, sodass die Spannungswelligkeit bei liegt Der Ausgang überschreitet nicht 50 mV. Die Betriebsfrequenz des Wandlers soll 450 kHz betragen und die Stromwelligkeit durch die Induktivität darf 30 % des maximalen Laststroms nicht überschreiten.

Ausgangsdaten:

• Uin = 24 V

• Uout = 12V

• I out = 1 A.

• I dr = 0,3 * 1 A = 0,3 A

• f = 450 kHz

Da es sich um einen Impulswandler handelt, wird die Spannung während seines Betriebs nicht ständig an die Drossel angelegt, sondern genau durch Impulse, deren Dauer der positiven Teile dT anhand der Betriebsfrequenz des berechnet werden kann Wandler und das Verhältnis von Eingangs- und Ausgangsspannung nach folgender Formel:

dT = Uout / (Uin * f),

wobei Uout / Uin = DC das Tastverhältnis des Transistorsteuerimpulses ist.

Während des positiven Teils des Schaltimpulses versorgt die Quelle die Wandlerschaltung mit Strom, während des negativen Teils des Impulses wird die von der Induktivität gespeicherte Energie an den Ausgangskreis übertragen.

Für unser Beispiel ergibt sich: dT = 1,11 μs – die Zeit, die die Eingangsspannung während des positiven Teils des Impulses auf die Induktivität mit dem Kondensator und der daran angeschlossenen Last einwirkt.

Entsprechend mit dem Gesetz der elektromagnetischen Induktion, die Änderung des Stroms Idr durch die Induktivität L (die die Drossel darstellt) ist proportional zur Spannung Udr, die an die Anschlüsse der Spule angelegt wird, und der Zeit ihrer Anwendung dT (Dauer des positiven Teils des Impulses):

Udr = L * Idr / dT

Die Drosselspannung Udr – in diesem Fall nichts anderes als die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung während des Teils der Periode, in der sich der Transistor im leitenden Zustand befindet:

Udr = Uin-Uout

Und für unser Beispiel ergibt sich: Udr = 24 — 12 = 12 V — die Amplitude der Spannung, die während des positiven Teils des Betriebsimpulses an die Drossel angelegt wird.

Gaspedal

Wenn wir nun die Größe der an der Drossel angelegten Spannung Udr kennen, die Zeit des Betriebsimpulses dT an der Drossel einstellen und auch den Wert der maximal zulässigen Stromwelligkeit der Drossel Idr kennen, können wir die erforderliche Drosselinduktivität L berechnen :

L = Udr * dT / Idr

Für unser Beispiel ergibt sich: L = 44,4 μH – die minimale Induktivität der Arbeitsdrossel, bei der für eine gegebene Dauer des positiven Teils des Steuerimpulses dT der Wellenhub Idr nicht überschreitet.

Kondensator

Wenn der Wert der Induktivität der Drossel bestimmt ist, fahren Sie mit der Auswahl der Kapazität des Ausgangskondensators des Filters fort. Der Welligkeitsstrom durch den Kondensator ist gleich dem Welligkeitsstrom durch die Induktivität. Daher verwenden wir unter Vernachlässigung des Widerstands des induktiven Leiters und der Induktivität des Kondensators die folgende Formel, um die minimal erforderliche Kapazität des Kondensators zu ermitteln:

C = dT * Idr / dU,

Dabei ist dU die Spannungswelligkeit am Kondensator.

Wenn wir den Wert der Spannungswelle im Kondensator von dU = 0,050 V nehmen, erhalten wir für unser Beispiel C = 6,66 μF – die minimale Kapazität des Ausgangskondensators des Filters.

Diode

Abschließend müssen noch die Parameter der Arbeitsdiode bestimmt werden. Der Strom fließt durch die Diode, wenn die Eingangsspannung von der Induktivität getrennt wird, also im zweiten Teil des Betriebsimpulses:

Id = (1 -DC) * Iout – durchschnittlicher Strom durch die Diode, wenn sie offen und leitend ist.

Für unser Beispiel Id = (1 -Uout / Uin) * Iout = 0,5 A – Sie können eine Schottky-Diode für einen Strom von 1 A mit einer maximalen Sperrspannung wählen, die größer als der Eingang ist, also etwa 30 Volt.