Buck Converter — dimensionnement des composants

Cet article donnera la procédure de calcul et de sélection des composants nécessaires à la conception de la section de puissance d'un convertisseur DC abaisseur à isolation galvanique, topologie de convertisseur abaisseur. Les convertisseurs de cette topologie conviennent aux tensions continues abaisseuses inférieures à 50 volts à l'entrée et à des puissances de charge ne dépassant pas 100 watts.

Tout ce qui concerne le choix du circuit contrôleur et driver, ainsi que le type de transistor à effet de champ, sera laissé en dehors du cadre de cet article, mais nous analyserons en détail le circuit et les caractéristiques des modes de fonctionnement de chacun des principaux composants de la partie puissance des convertisseurs de ce type.

Démarrer le développement convertisseur d'impulsions, prenez en compte les données initiales suivantes : les valeurs de tension d'entrée et de sortie, le courant de charge constant maximal, la fréquence de commutation du transistor de puissance (la fréquence de fonctionnement du convertisseur), ainsi que l'onde de courant à travers l'inductance. Également, sur la base de ces données, calculez inductance de starter, qui fournira les paramètres nécessaires, la capacité du condensateur de sortie, ainsi que les caractéristiques de la diode inverse.

• Tension d'entrée — Uin, V

• Tension de sortie — Uout, V

• Courant de charge maximal — Iout, A

• Plage de courant d'ondulation à travers la self - Idr, A

• Fréquence de commutation des transistors — f, kHz

Le convertisseur fonctionne comme suit. Pendant la première partie de la période où le transistor est fermé, le courant est fourni à partir de la source d'alimentation primaire à travers l'inducteur à la charge pendant que le condensateur de filtre de sortie se charge. Lorsque le transistor est ouvert, le courant de charge est maintenu par la charge du condensateur et le courant de l'inductance, qui ne peuvent pas être interrompus immédiatement, et est fermé par la diode inverse, qui est maintenant ouverte pendant la deuxième partie de la période.

Par exemple, disons que nous devons développer une topologie d'un convertisseur abaisseur alimenté par une tension constante de 24 volts, et à la sortie nous devons obtenir 12 volts avec un courant de charge nominal de 1 ampère et pour que l'ondulation de tension à la sortie ne dépasse pas 50 mV. Laissez la fréquence de fonctionnement du convertisseur être de 450 kHz et l'ondulation du courant à travers l'inductance ne dépasse pas 30% du courant de charge maximal.

Donnée initiale:

• Uin = 24 V

• Uout = 12V

• I sortie = 1 A.

• Je dr = 0,3 * 1 A = 0,3 A

• f = 450 kHz

Puisque nous parlons d'un convertisseur d'impulsions, pendant son fonctionnement, la tension ne sera pas appliquée en permanence à la self, elle sera appliquée précisément par des impulsions, dont la durée des parties positives dT peut être calculée en fonction de la fréquence de fonctionnement du convertisseur et le rapport de la tension d'entrée et de sortie selon la formule suivante :

dT = Uout / (Uin * f),

où Uout / Uin = DC est le rapport cyclique de l'impulsion de commande du transistor.

Pendant la partie positive de l'impulsion de commutation, la source alimente le circuit convertisseur, pendant la partie négative de l'impulsion, l'énergie stockée par l'inductance est transférée au circuit de sortie.

Pour notre exemple, il s'avère : dT = 1,11 μs - le temps pendant lequel la tension d'entrée agit sur l'inductance avec le condensateur et la charge qui lui est connectée pendant la partie positive de l'impulsion.

Selon avec la loi de l'induction électromagnétique, la variation du courant Idr dans l'inductance L (qui est la self) sera proportionnelle à la tension Udr appliquée aux bornes de la bobine et au temps de son application dT (durée de la partie positive de l'impulsion) :

Udr = L * Idr / dT

La tension d'arrêt Udr - dans ce cas rien de plus que la différence entre les tensions d'entrée et de sortie pendant cette partie de la période où le transistor est à l'état conducteur :

Udr = Uin-Uout

Et pour notre exemple, il s'avère : Udr = 24 — 12 = 12 V — l'amplitude de la tension appliquée à la self pendant la partie positive de l'impulsion de fonctionnement.

Manette de Gaz

Maintenant, connaissant l'amplitude de la tension appliquée à la self Udr, réglant le temps de l'impulsion de fonctionnement dT sur la self, ainsi que la valeur de l'ondulation de courant maximale admissible de la self Idr, nous pouvons calculer l'inductance de self requise L :

L = Udr * dT / Idr

Pour notre exemple, il s'avère: L = 44,4 μH - l'inductance minimale de la self de travail, avec laquelle, pour une durée donnée de la partie positive de l'impulsion de commande dT, l'oscillation de l'onde ne dépassera pas Idr.

Condenseur

Lorsque la valeur de l'inductance de la self est déterminée, procéder à la sélection de la capacité du condensateur de sortie du filtre. Le courant d'ondulation à travers le condensateur est égal au courant d'ondulation à travers l'inductance. Par conséquent, en négligeant la résistance du conducteur inductif et l'inductance du condensateur, nous utilisons la formule suivante pour trouver la capacité minimale requise du condensateur :

C = dT * Idr / dU,

où dU est l'ondulation de tension aux bornes du condensateur.

En prenant la valeur de l'onde de tension dans le condensateur égale à dU = 0,050 V, pour notre exemple, nous obtenons C = 6,66 μF - la capacité minimale du condensateur de sortie du filtre.

Diode

Enfin, il reste à déterminer les paramètres de la diode de travail. Le courant traverse la diode lorsque la tension d'entrée est déconnectée de l'inductance, c'est-à-dire dans la deuxième partie de l'impulsion de fonctionnement :

Id = (1 -DC) * Iout — courant moyen à travers la diode lorsqu'elle est ouverte et conductrice.

Pour notre exemple Id = (1 -Uout / Uin) * Iout = 0,5 A — vous pouvez choisir une diode Schottky pour un courant de 1 A avec une tension inverse maximale supérieure à l'entrée, soit environ 30 volts.