Buck Converter — dimensionamento de componentes

Este artigo fornecerá o procedimento para calcular e selecionar os componentes necessários para projetar a seção de potência de um conversor DC abaixador isolado galvanicamente, topologia de conversor buck. Os conversores desta topologia são adequados para tensões DC abaixadoras dentro de 50 volts na entrada e em potências de carga não superiores a 100 watts.

Tudo o que diz respeito à seleção do circuito controlador e driver, bem como o tipo de transistor de efeito de campo, ficará fora do escopo deste artigo, mas analisaremos detalhadamente o circuito e as características dos modos de operação de cada um. dos principais componentes da seção de potência de conversores deste tipo.

Iniciar desenvolvimento conversor de pulso, leve em consideração os seguintes dados iniciais: os valores de tensão de entrada e saída, a corrente de carga constante máxima, a frequência de comutação do transistor de potência (a frequência de operação do conversor), bem como a onda de corrente através da bobina Também, com base em esses dados, calcule indutância de estrangulamento, que fornecerá os parâmetros necessários, a capacidade do capacitor de saída, bem como as características do diodo reverso.

• Tensão de entrada — Uin, V

• Tensão de saída - Uout, V

• Corrente máxima de carga — Iout, A

• Faixa de corrente de ondulação através do indutor - Idr, A

• Frequência de comutação de transistores — f, kHz

O conversor funciona da seguinte maneira. Durante a primeira parte do período em que o transistor está fechado, a corrente é fornecida da fonte de alimentação primária através do indutor para a carga enquanto o capacitor do filtro de saída está carregando. Quando o transistor está aberto, a corrente de carga é mantida pela carga do capacitor e pela corrente do indutor, que não pode ser interrompida imediatamente, e é fechada pelo diodo reverso, que agora fica aberto durante a segunda parte do período.

Por exemplo, digamos que precisamos desenvolver uma topologia de um conversor buck alimentado por uma tensão constante de 24 volts, e na saída precisamos obter 12 volts com uma corrente de carga nominal de 1 ampère e para que a ondulação de tensão em a saída não exceda 50 mV. Suponha que a frequência de operação do conversor seja de 450 kHz e que a ondulação da corrente através do indutor não exceda 30% da corrente máxima de carga.

Dados iniciais:

• Uin = 24 V

• Uout = 12V

• I fora = 1 A.

• I dr = 0,3 * 1 A = 0,3 A

• f = 450 kHz

Como estamos falando de um conversor de pulso, durante sua operação a tensão não será aplicada constantemente ao indutor, será aplicada com precisão por pulsos, cuja duração das partes positivas dT pode ser calculada com base na frequência operacional do conversor e a relação entre a tensão de entrada e saída de acordo com a seguinte fórmula:

dT = Uout / (Uin * f),

onde Uout / Uin = DC é o ciclo de trabalho do pulso de controle do transistor.

Durante a parte positiva do pulso de comutação, a fonte alimenta o circuito conversor, durante a parte negativa do pulso, a energia armazenada pelo indutor é transferida para o circuito de saída.

Em nosso exemplo, verifica-se: dT = 1,11 μs - o tempo em que a tensão de entrada atua no indutor com o capacitor e a carga conectada a ele durante a parte positiva do pulso.

De acordo com com a lei da indução eletromagnética, a variação da corrente Idr através do indutor L (que é a bobina) será proporcional à tensão Udr aplicada aos terminais da bobina e ao tempo de sua aplicação dT (duração da parte positiva do pulso):

Udr = L * Idr / dT

A tensão de estrangulamento Udr - neste caso, nada mais do que a diferença entre as tensões de entrada e saída durante a parte do período em que o transistor está no estado de condução:

Udr = Uin-Uout

E para o nosso exemplo resulta: Udr = 24 — 12 = 12 V — a amplitude da tensão aplicada ao indutor durante a parte positiva do pulso operacional.

Acelerador

Agora, conhecendo a magnitude da tensão aplicada à bobina Udr, definindo o tempo do pulso de operação dT na bobina, bem como o valor da ondulação de corrente máxima permitida da bobina Idr, podemos calcular a indutância necessária da bobina L :

L = Udr * dT / Idr

Para o nosso exemplo, verifica-se: L = 44,4 μH - a indutância mínima da bobina de trabalho, com a qual, por uma determinada duração da parte positiva do pulso de controle dT, a oscilação da onda não excederá Idr.

Condensador

Uma vez determinado o valor da indutância da bobina, prossiga para a seleção da capacitância do capacitor de saída do filtro. A corrente de ondulação no capacitor é igual à corrente de ondulação no indutor. Portanto, desprezando a resistência do condutor indutivo e a indutância do capacitor, usamos a seguinte fórmula para encontrar a capacitância mínima necessária do capacitor:

C = dT * Idr / dU,

onde dU é a ondulação de tensão no capacitor.

Tomando o valor da onda de tensão no capacitor igual a dU = 0,050 V, para o nosso exemplo obtemos C = 6,66 μF - a capacitância mínima do capacitor de saída do filtro.

Diodo

Finalmente, resta determinar os parâmetros do diodo de trabalho. A corrente flui pelo diodo quando a tensão de entrada é desconectada do indutor, ou seja, na segunda parte do pulso de operação:

Id = (1 -DC) * Iout — corrente média através do diodo quando ele está aberto e conduzindo.

Para o nosso exemplo Id = (1 -Uout / Uin) * Iout = 0,5 A — você pode escolher um diodo Schottky para uma corrente de 1 A com uma tensão reversa máxima maior que a entrada, ou seja, cerca de 30 volts.