Convertitore buck: dimensionamento dei componenti

Questo articolo fornirà la procedura per il calcolo e la selezione dei componenti necessari per progettare la sezione di potenza di un convertitore CC step-down isolato galvanicamente, topologia del convertitore buck. I convertitori di questa topologia sono adatti per tensioni CC step-down entro 50 volt all'ingresso e con potenze di carico non superiori a 100 watt.

Tutto ciò che riguarda la scelta del controller e del circuito di pilotaggio, nonché il tipo di transistor ad effetto di campo, verrà lasciato fuori dallo scopo di questo articolo, ma analizzeremo nel dettaglio il circuito e le caratteristiche delle modalità di funzionamento di ogni dei componenti principali della sezione di potenza dei convertitori di questo tipo.

Inizia lo sviluppo convertitore di impulsi, tenere conto dei seguenti dati iniziali: i valori della tensione di ingresso e di uscita, la corrente di carico costante massima, la frequenza di commutazione del transistor di potenza (la frequenza operativa del convertitore), nonché l'onda di corrente attraverso l'induttanza Inoltre, in base a questi dati, calcola induttanza di soffocamento, che fornirà i parametri necessari, la capacità del condensatore di uscita, nonché le caratteristiche del diodo inverso.

• Tensione di ingresso — Uin, V

• Tensione di uscita — Uout, V

• Corrente di carico massima — Iout, A

• Intervallo di corrente di ripple attraverso l'induttanza - Idr, A

• Frequenza di commutazione dei transistor — f, kHz

Il convertitore funziona come segue. Durante la prima parte del periodo in cui il transistor è chiuso, la corrente viene fornita dalla sorgente di alimentazione primaria attraverso l'induttore al carico mentre il condensatore del filtro di uscita si sta caricando. Quando il transistor è aperto, la corrente di carico è mantenuta dalla carica del condensatore e dalla corrente dell'induttore, che non può essere interrotta immediatamente, ed è chiusa dal diodo inverso, che ora è aperto durante la seconda parte del periodo.

Ad esempio, supponiamo di dover sviluppare una topologia di un convertitore buck alimentato da una tensione costante di 24 volt, e all'uscita dobbiamo ottenere 12 volt con una corrente di carico nominale di 1 ampere e in modo che la tensione ripple a l'uscita non supera i 50 mV. Lascia che la frequenza operativa del convertitore sia 450 kHz e l'ondulazione di corrente attraverso l'induttore non superi il 30% della corrente di carico massima.

Dati iniziali:

• Uin = 24 V

• Uout = 12V

• io fuori = 1 A.

• io dr = 0,3 * 1 A = 0,3 A

• f = 450 kHz

Trattandosi di un convertitore di impulsi, durante il suo funzionamento la tensione non verrà applicata costantemente all'induttanza, verrà applicata appunto da impulsi, la cui durata delle parti positive dT può essere calcolata in base alla frequenza operativa del convertitore e il rapporto tra la tensione di ingresso e di uscita secondo la seguente formula:

dT = Uout / (Uin * f),

dove Uout / Uin = DC è il duty cycle dell'impulso di controllo del transistor.

Durante la parte positiva dell'impulso di commutazione, la sorgente alimenta il circuito convertitore, durante la parte negativa dell'impulso, l'energia immagazzinata dall'induttore viene trasferita al circuito di uscita.

Per il nostro esempio, risulta: dT = 1,11 μs — il tempo in cui la tensione di ingresso agisce sull'induttore con il condensatore e il carico ad esso collegato durante la parte positiva dell'impulso.

Secondo con la legge dell'induzione elettromagnetica, la variazione della corrente Idr attraverso l'induttore L (che è l'induttanza) sarà proporzionale alla tensione Udr applicata ai terminali della bobina e al tempo della sua applicazione dT (durata della parte positiva dell'impulso):

Udr = L * Idr / dT

La tensione di induttanza Udr - in questo caso nient'altro che la differenza tra le tensioni di ingresso e di uscita durante quella parte del periodo in cui il transistor è nello stato di conduzione:

Udr = Uin-Uout

E per il nostro esempio risulta: Udr = 24 — 12 = 12 V — l'ampiezza della tensione applicata allo starter durante la parte positiva dell'impulso operativo.

Acceleratore

Ora, conoscendo l'entità della tensione applicata all'induttanza Udr, impostando il tempo dell'impulso operativo dT sull'induttanza, nonché il valore dell'ondulazione di corrente massima consentita dell'induttanza Idr, possiamo calcolare l'induttanza di induttanza richiesta L :

L = Udr * dT / Idr

Per il nostro esempio, risulta: L = 44,4 μH - l'induttanza minima della bobina di lavoro, con la quale, per una data durata della parte positiva dell'impulso di controllo dT, l'oscillazione dell'onda non supererà Idr.

Condensatore

Quando viene determinato il valore dell'induttanza dell'induttanza, procedere alla selezione della capacità del condensatore di uscita del filtro. La corrente di ripple attraverso il condensatore è uguale alla corrente di ripple attraverso l'induttore. Pertanto, trascurando la resistenza del conduttore induttivo e l'induttanza del condensatore, utilizziamo la seguente formula per trovare la capacità minima richiesta del condensatore:

C = dT * Idr / dU,

dove dU è l'ondulazione di tensione attraverso il condensatore.

Prendendo il valore dell'onda di tensione nel condensatore pari a dU = 0,050 V, per il nostro esempio otteniamo C = 6,66 μF — la capacità minima del condensatore di uscita del filtro.

Diodo

Infine, resta da determinare i parametri del diodo di lavoro. La corrente scorre attraverso il diodo quando la tensione di ingresso è disconnessa dall'induttore, cioè nella seconda parte dell'impulso operativo:

Id = (1 -DC) * Iout — corrente media attraverso il diodo quando è aperto e conduttivo.

Per il nostro esempio Id = (1 -Uout / Uin) * Iout = 0,5 A — puoi scegliere un diodo Schottky per una corrente di 1 A con una tensione inversa massima maggiore dell'ingresso, cioè circa 30 volt.