Convertidor reductor: dimensionamiento de componentes

Este artículo proporcionará el procedimiento para calcular y seleccionar los componentes necesarios para diseñar la sección de potencia de un convertidor de CC reductor aislado galvánicamente, topología de convertidor reductor. Los convertidores de esta topología son adecuados para voltajes de CC reductores dentro de los 50 voltios en la entrada y con potencias de carga que no excedan los 100 vatios.

Todo lo que concierne a la selección del circuito controlador y driver, así como el tipo de transistor de efecto de campo, quedará fuera del alcance de este artículo, pero analizaremos en detalle el circuito y las características de los modos de funcionamiento de cada uno. de los componentes principales de la sección de potencia de convertidores de este tipo.

Iniciar desarrollo convertidor de pulso, tenga en cuenta los siguientes datos iniciales: los valores de voltaje de entrada y salida, la corriente de carga constante máxima, la frecuencia de conmutación del transistor de potencia (la frecuencia de operación del convertidor), así como la onda de corriente a través del estrangulador También, basado en estos datos, calcula inductancia de estrangulamiento, que proporcionará los parámetros necesarios, la capacidad del condensador de salida, así como las características del diodo inverso.

• Voltaje de entrada — Uin, V

• Voltaje de salida — Uout, V

• Corriente de carga máxima — Iout, A

• Rango de corriente de ondulación a través del estrangulador — Idr, A

• Frecuencia de conmutación de transistores — f, kHz

El convertidor funciona de la siguiente manera. Durante la primera parte del período en que el transistor está cerrado, se suministra corriente desde la fuente de alimentación primaria a través del inductor a la carga mientras se carga el condensador del filtro de salida. Cuando el transistor está abierto, la corriente de carga es mantenida por la carga del capacitor y la corriente del inductor, que no puede interrumpirse inmediatamente, y es cerrada por el diodo inverso, que ahora está abierto durante la segunda parte del período.

Por ejemplo, digamos que necesitamos desarrollar una topología de un convertidor reductor alimentado por un voltaje constante de 24 voltios, y en la salida necesitamos obtener 12 voltios con una corriente de carga nominal de 1 amperio y para que el voltaje fluctúe en la salida no supera los 50 mV. Deje que la frecuencia de operación del convertidor sea de 450 kHz y que la ondulación de corriente a través del inductor no exceda el 30% de la corriente de carga máxima.

Datos iniciales:

• Uen = 24 V

• Usalida = 12V

• yo fuera = 1 A.

• Yo dr = 0,3 * 1 A = 0,3 A

• f = 450kHz

Dado que estamos hablando de un convertidor de pulso, durante su funcionamiento, el voltaje no se aplicará constantemente al estrangulador, se aplicará precisamente por pulsos, cuya duración de las partes positivas dT se puede calcular en función de la frecuencia de funcionamiento del convertidor y la relación de la tensión de entrada y salida de acuerdo con la siguiente fórmula:

dT = Usalida / (Uentrada * f),

donde Uout / Uin = DC es el ciclo de trabajo del pulso de control del transistor.

Durante la parte positiva del pulso de conmutación, la fuente alimenta el circuito convertidor, durante la parte negativa del pulso, la energía almacenada por el inductor se transfiere al circuito de salida.

Para nuestro ejemplo, resulta: dT = 1.11 μs — el tiempo que el voltaje de entrada actúa sobre el inductor con el capacitor y la carga conectada a él durante la parte positiva del pulso.

De acuerdo a con la ley de la inducción electromagnética, el cambio en la corriente Idr a través del inductor L (que es el estrangulador) será proporcional al voltaje Udr aplicado a los terminales de la bobina y al tiempo de su aplicación dT (duración de la parte positiva del pulso):

Udr = L * Idr / dT

El voltaje de estrangulamiento Udr, en este caso nada más que la diferencia entre los voltajes de entrada y salida durante la parte del período en que el transistor está en el estado de conducción:

Udr = Uin-Uout

Y para nuestro ejemplo resulta: Udr = 24 — 12 = 12 V — la amplitud del voltaje aplicado al estrangulador durante la parte positiva del pulso operativo.

Acelerador

Ahora, conociendo la magnitud del voltaje aplicado al estrangulador Udr, configurando el tiempo del pulso de operación dT en el estrangulador, así como el valor de la ondulación de corriente máxima permitida del estrangulador Idr, podemos calcular la inductancia del estrangulador L requerida :

L = Udr * dT / Idr

Para nuestro ejemplo, resulta: L = 44,4 μH: la inductancia mínima del estrangulador de trabajo, con la cual, durante una duración dada de la parte positiva del pulso de control dT, la oscilación de la onda no excederá Idr.

Condensador

Cuando se determine el valor de la inductancia del estrangulador, proceda a la selección de la capacitancia del capacitor de salida del filtro. La corriente de ondulación a través del capacitor es igual a la corriente de ondulación a través del inductor. Por lo tanto, despreciando la resistencia del conductor inductivo y la inductancia del capacitor, usamos la siguiente fórmula para encontrar la capacitancia mínima requerida del capacitor:

C = dT * Idr / dU,

donde dU es la ondulación de voltaje a través del capacitor.

Tomando el valor de la onda de voltaje en el capacitor igual a dU = 0.050 V, para nuestro ejemplo obtenemos C = 6.66 μF — la capacitancia mínima del capacitor de salida del filtro.

Diodo

Finalmente, queda por determinar los parámetros del diodo de trabajo. La corriente fluye a través del diodo cuando el voltaje de entrada se desconecta del inductor, es decir, en la segunda parte del pulso de operación:

Id = (1 -DC) * Iout — corriente promedio a través del diodo cuando está abierto y conduciendo.

Para nuestro ejemplo Id = (1 -Uout / Uin) * Iout = 0,5 A — puede elegir un diodo Schottky para una corriente de 1 A con una tensión inversa máxima superior a la de entrada, es decir, unos 30 voltios.