降壓轉換器 - 組件尺寸

本文將介紹計算和選擇設計電隔離降壓直流轉換器、降壓轉換器拓撲的電源部分所需組件的過程。這種拓撲結構的轉換器適用於輸入端 50 伏以內的降壓直流電壓和不超過 100 瓦的負載功率。

與控制器和驅動電路的選擇以及場效應晶體管的類型有關的所有內容都不在本文的討論範圍內，但我們將詳細分析每個電路的電路和工作模式的特點此類轉換器功率部分的主要部件。

開始開發脈沖轉換器，考慮以下初始數據：輸入和輸出電壓值、最大恒定負載電流、功率晶體管的開關頻率（轉換器的工作頻率），以及通過扼流圈的電流波另外，基於這些數據，計算扼流圈電感，這將提供必要的參數，輸出電容的容量，以及反向二極管的特性。

轉換器的工作原理如下。在晶體管閉合期間的第一部分，電流從主電源通過電感器提供給負載，同時輸出濾波電容器正在充電。當晶體管打開時，負載電流由電容器電荷和電感器電流維持，不能立即中斷，並由反向二極管關閉，反向二極管現在在該週期的第二部分打開。

例如，假設我們需要開發一個由 24 伏恆定電壓供電的降壓轉換器的拓撲結構，並且在輸出端我們需要在額定負載電流為 1 安培的情況下獲得 12 伏電壓，以便電壓紋波在輸出不超過 50 mV。設轉換器的工作頻率為 450 kHz，通過電感的電流紋波不超過最大負載電流的 30%。

初始數據：

由於我們談論的是脈沖轉換器，在其工作期間，電壓不會持續施加到扼流圈，而是通過脈衝精確施加，其正部分的持續時間 dT 可以根據工作頻率計算轉換器和輸入輸出電壓的比值按以下公式計算：

dT = Uout / (Uin * f),

其中 Uout / Uin = DC 是晶體管控制脈衝的佔空比。

在開關脈衝的正向部分，電源為轉換器電路供電，在脈衝的負向部分，電感器存儲的能量被傳輸到輸出電路。

對於我們的示例，結果為： dT = 1.11 μs — 在脈衝的正向部分，輸入電壓作用在電感器和電容器以及連接到它的負載上的時間。

根據與電磁感應定律，通過電感器 L（扼流圈）的電流 Idr 的變化將與施加到線圈端子的電壓 Udr 及其施加時間 dT（脈沖正部分的持續時間）成正比：

Udr = L * Idr / dT

扼流圈電壓 Udr——在這種情況下，只不過是晶體管處於導通狀態期間那部分時間的輸入電壓和輸出電壓之間的差值：

Udr = Uin-Uout

對於我們的示例，結果是：Udr = 24 — 12 = 12 V — 在工作脈衝的正部分期間施加到扼流圈的電壓幅度。

風門

現在，知道施加在扼流圈上的電壓大小 Udr，設置扼流圈上的操作脈衝時間 dT，以及扼流圈的最大允許電流紋波值 Idr，我們就可以計算出所需的扼流圈電感 L :

L = Udr * dT / Idr

對於我們的示例，事實證明：L = 44.4 μH — 工作扼流圈的最小電感，對於控制脈衝 dT 的正部分的給定持續時間，波的擺動不會超過 Idr。

冷凝器

當扼流圈的電感值確定後，繼續選擇濾波器輸出電容器的電容。通過電容的紋波電流等於通過電感的紋波電流。因此，忽略電感導體的電阻和電容器的電感，我們使用以下公式來計算電容器所需的最小電容值：

C = dT * Idr / dU,

其中 dU 是電容器兩端的電壓紋波。

取電容器中的電壓波值等於 dU = 0.050 V，對於我們的示例，我們得到 C = 6.66 μF — 濾波器輸出電容器的最小電容。

二極管

最後，仍然需要確定工作二極管的參數。當輸入電壓與電感斷開時，即在工作脈衝的第二部分，電流流過二極管：

Id = (1 -DC) * Iout — 二極管開路和導通時流過二極管的平均電流。

對於我們的示例 Id = (1 -Uout / Uin) * Iout = 0.5 A — 您可以選擇肖特基二極管，電流為 1 A，最大反向電壓大於輸入，即大約 30 伏。