降圧コンバータ — コンポーネントのサイジング

この記事では、ガルバニック絶縁された降圧 DC コンバータ、降圧コンバータ トポロジの電源セクションを設計するために必要なコンポーネントを計算および選択する手順を説明します。このトポロジのコンバータは、入力で 50 ボルト以内の降圧 DC 電圧および 100 ワットを超えない負荷電力に適しています。

コントローラーとドライバー回路の選択、および電界効果トランジスタの種類に関することはすべてこの記事の範囲外となりますが、回路とそれぞれの動作モードの特性を詳細に分析します。このタイプのコンバータの電源部の主要コンポーネントの説明。

開発を開始する パルスコンバータ、次の初期データを考慮します: 入力および出力電圧値、最大定負荷電流、パワー トランジスタのスイッチング周波数 (コンバータの動作周波数)、およびチョークを通る電流波形これらのデータを計算して、 チョークインダクタンスこれにより、必要なパラメータ、出力コンデンサの容量、および逆方向ダイオードの特性が得られます。

• 入力電圧 — Uin、V

• 出力電圧 — Uout、V

• 最大負荷電流 — Iout、A

• チョークを通るリップル電流の範囲 — Idr、A

• トランジスタのスイッチング周波数 — f、kHz

コンバータは次のように動作します。トランジスタが閉じている期間の最初の部分では、出力フィルタ コンデンサが充電されている間、電流は一次電源からインダクタを介して負荷に供給されます。トランジスタが開いているとき、負荷電流はコンデンサの充電とインダクタ電流によって維持されますが、これらはすぐには遮断できず、逆ダイオードによって閉じられます。逆ダイオードは期間の後半で開いています。

たとえば、24 ボルトの定電圧で動作する降圧コンバータのトポロジを開発する必要があり、出力では 1 アンペアの定格負荷電流で 12 ボルトを得る必要があるため、電圧リップルが出力は 50 mV を超えません。コンバータの動作周波数が 450 kHz で、インダクタを流れる電流リップルが最大負荷電流の 30% を超えないとします。

初期データ:

• Uin = 24V

• Uout = 12V

• I アウト = 1A。

• I dr = 0.3 * 1 A = 0.3 A

• f = 450kHz

私たちはパルスコンバーターについて話しているので、その動作中、電圧はチョークに常に印加されるのではなく、パルスによって正確に印加されます。その正の部分の持続時間dTは、チョークの動作周波数に基づいて計算できます。コンバータと入力電圧と出力電圧の比率は次の式に従って決まります。

dT = Uout / (Uin * f)、

ここで、Uout / Uin = DC は、トランジスタ制御パルスのデューティ サイクルです。

スイッチング パルスの正の部分では、電源がコンバータ回路に電力を供給し、パルスの負の部分では、インダクタに蓄えられたエネルギーが出力回路に転送されます。

この例では、次のようになります。 dT = 1.11 μs — パルスの正の部分中に、入力電圧がコンデンサとそれに接続された負荷とともにインダクタに作用する時間。

によると 電磁誘導の法則でインダクタ L (チョーク) を流れる電流 Idr の変化は、コイルの端子に印加される電圧 Udr とその印加時間 dT (パルスの正の部分の継続時間) に比例します。

Udr = L * Idr / dT

チョーク電圧 Udr — この場合、トランジスタが導通状態にある期間のその部分における入力電圧と出力電圧の差にほかなりません。

Udr = Uin-Uout

そして、私たちの例では、次のことがわかります: Udr = 24 — 12 = 12 V — 動作パルスの正の部分中にチョークに印加される電圧の振幅。

スロットル

ここで、チョーク Udr に印加される電圧の大きさ、チョークの動作パルスの時間 dT の設定、およびチョークの最大許容電流リップル Idr の値がわかれば、必要なチョーク インダクタンス L を計算できます。 :

L = Udr * dT / Idr

この例では、次のようになります。 L = 44.4 μH — 動作チョークの最小インダクタンス。これにより、制御パルス dT の正の部分の所定の期間、波形の振れが Idr を超えなくなります。

コンデンサー

チョークのインダクタンスの値が決まったら、フィルタの出力コンデンサの容量の選択に進みます。コンデンサを流れるリップル電流は、インダクタを流れるリップル電流と等しくなります。したがって、誘導導体の抵抗とコンデンサのインダクタンスを無視して、次の式を使用してコンデンサの最小必要静電容量を求めます。

C = dT * Idr / dU、

ここで、dU はコンデンサの両端の電圧リップルです。

コンデンサの電圧波の値を dU = 0.050 V とすると、この例では C = 6.66 μF、つまりフィルタの出力コンデンサの最小容量が得られます。

ダイオード

最後に、動作するダイオードのパラメータを決定することが残っています。入力電圧がインダクタから切り離されると、つまり動作パルスの 2 番目の部分で、電流がダイオードを流れます。

Id = (1 -DC) * Iout — ダイオードが開いていて導通しているときに流れる平均電流。

この例では、Id = (1 -Uout / Uin) * Iout = 0.5 A — 入力よりも大きい最大逆電圧、つまり約 30 ボルトで、電流 1 A のショットキー ダイオードを選択できます。