Buck Converter — kích thước thành phần

Bài báo này sẽ đưa ra quy trình tính toán và lựa chọn các linh kiện cần thiết để thiết kế phần công suất của bộ biến đổi một chiều hạ áp cách ly về điện, cấu trúc liên kết bộ biến đổi buck. Bộ chuyển đổi của cấu trúc liên kết này phù hợp với điện áp DC giảm dần trong phạm vi 50 vôn ở đầu vào và ở công suất tải không quá 100 watt.

Mọi thứ liên quan đến việc lựa chọn bộ điều khiển và mạch điều khiển, cũng như loại bóng bán dẫn hiệu ứng trường, sẽ nằm ngoài phạm vi của bài viết này, nhưng chúng tôi sẽ phân tích chi tiết mạch và đặc điểm của các chế độ hoạt động của từng loại. trong số các thành phần chính của phần nguồn của bộ chuyển đổi loại này.

Bắt đầu phát triển chuyển đổi xung, tính đến các dữ liệu ban đầu sau: giá trị điện áp đầu vào và đầu ra, dòng tải không đổi tối đa, tần số chuyển đổi của bóng bán dẫn điện (tần số hoạt động của bộ chuyển đổi), cũng như dòng điện qua cuộn cảm Ngoài ra, dựa trên những dữ liệu này, tính toán cuộn cảm, sẽ cung cấp các thông số cần thiết, công suất của tụ điện đầu ra, cũng như các đặc tính của diode ngược.

• Điện áp đầu vào — Uin, V

• Điện áp đầu ra — Uout, V

• Dòng tải tối đa — Iout, A

• Phạm vi dòng điện gợn qua cuộn cảm — Idr, A

• Tần số chuyển mạch của bóng bán dẫn — f, kHz

Bộ chuyển đổi hoạt động như sau. Trong phần đầu tiên của khoảng thời gian khi bóng bán dẫn đóng, dòng điện được cung cấp từ nguồn điện sơ cấp qua cuộn cảm đến tải trong khi tụ lọc đầu ra đang sạc. Khi bóng bán dẫn mở, dòng tải được duy trì bởi điện tích tụ điện và dòng điện dẫn, dòng điện này không thể bị ngắt ngay lập tức và được đóng lại bởi đi-ốt đảo ngược, hiện đang mở trong phần thứ hai của chu kỳ.

Ví dụ: giả sử rằng chúng ta cần phát triển cấu trúc liên kết của bộ biến đổi buck được cung cấp bởi điện áp không đổi 24 vôn và ở đầu ra, chúng ta cần có điện áp 12 vôn với dòng tải định mức là 1 ampe và sao cho điện áp gợn ở mức đầu ra không vượt quá 50 mV. Đặt tần số hoạt động của bộ chuyển đổi là 450 kHz và độ gợn dòng điện qua cuộn cảm không vượt quá 30% dòng tải tối đa.

Dữ liệu ban đầu:

• Uin = 24 V

• ra = 12V

• Tôi ra = 1 A .

• Tôi d = 0,3 * 1 A = 0,3 A

• f = 450 kHz

Vì chúng ta đang nói về một bộ chuyển đổi xung, nên trong quá trình hoạt động của nó, điện áp sẽ không được đặt liên tục vào cuộn cảm, nó sẽ được đặt chính xác bằng các xung, thời lượng của các phần dương mà dT có thể được tính dựa trên tần số hoạt động của bộ chuyển đổi và tỷ lệ giữa điện áp đầu vào và đầu ra theo công thức sau:

dT = Uout / (Uin * f),

trong đó Uout / Uin = DC là chu kỳ nhiệm vụ của xung điều khiển bóng bán dẫn.

Trong phần dương của xung chuyển đổi, nguồn cung cấp năng lượng cho mạch chuyển đổi, trong phần âm của xung, năng lượng được lưu trữ bởi cuộn cảm được chuyển đến mạch đầu ra.

Đối với ví dụ của chúng tôi, hóa ra: dT = 1,11 μs — thời gian mà điện áp đầu vào tác động lên cuộn cảm có tụ điện và tải được kết nối với nó trong phần dương của xung.

Dựa theo với định luật cảm ứng điện từ, sự thay đổi dòng điện Idr qua cuộn cảm L (là cuộn cảm) sẽ tỷ lệ thuận với điện áp Udr đặt vào các cực của cuộn dây và thời gian áp dụng dT (thời lượng của phần dương của xung):

Udr = L * Idr / dT

Điện áp cuộn cảm Udr - trong trường hợp này không gì khác hơn là sự khác biệt giữa điện áp đầu vào và đầu ra trong phần đó của khoảng thời gian khi bóng bán dẫn ở trạng thái dẫn điện:

Udr = Uin-Uout

Và đối với ví dụ của chúng tôi, hóa ra: Udr = 24 — 12 = 12 V — biên độ của điện áp đặt vào cuộn cảm trong phần dương của xung hoạt động.

ga

Bây giờ, khi biết cường độ của điện áp đặt vào cuộn cảm Udr, đặt thời gian của xung hoạt động dT trên cuộn cảm, cũng như giá trị của gợn dòng điện tối đa cho phép của cuộn cảm Idr, chúng ta có thể tính toán độ tự cảm cần thiết của cuộn cảm L :

L = Udr * dT / Idr

Đối với ví dụ của chúng tôi, hóa ra: L = 44,4 μH — độ tự cảm tối thiểu của cuộn cảm làm việc, trong đó, trong một khoảng thời gian nhất định của phần dương của xung điều khiển dT, dao động của sóng sẽ không vượt quá Idr.

Tụ điện

Khi giá trị của độ tự cảm của cuộn cảm được xác định, tiến hành lựa chọn điện dung của tụ điện đầu ra của bộ lọc. Cường độ dòng điện qua tụ điện bằng cường độ dòng điện qua cuộn cảm. Do đó, bỏ qua điện trở của dây dẫn cảm ứng và độ tự cảm của tụ điện, chúng tôi sử dụng công thức sau để tìm điện dung tối thiểu cần thiết của tụ điện:

C = dT * Idr / dU,

trong đó dU là gợn điện áp trên tụ điện.

Lấy giá trị của sóng điện áp trong tụ điện bằng dU = 0,050 V, ví dụ của chúng tôi, chúng tôi nhận được C = 6,66 μF - điện dung tối thiểu của tụ điện đầu ra của bộ lọc.

điốt

Cuối cùng, nó vẫn còn để xác định các tham số của diode làm việc. Dòng điện chạy qua diode khi điện áp đầu vào bị ngắt khỏi cuộn cảm, nghĩa là trong phần thứ hai của xung hoạt động:

Id = (1 -DC) * Iout — dòng điện trung bình qua diode khi nó mở và dẫn.

Đối với ví dụ của chúng tôi, Id = (1 -Uout / Uin) * Iout = 0,5 A — bạn có thể chọn diode Schottky cho dòng điện 1 A với điện áp ngược tối đa lớn hơn đầu vào, nghĩa là khoảng 30 volt.