降压转换器 - 组件尺寸

本文将介绍计算和选择设计电隔离降压直流转换器、降压转换器拓扑的电源部分所需组件的过程。这种拓扑结构的转换器适用于输入端 50 伏以内的降压直流电压和不超过 100 瓦的负载功率。

与控制器和驱动电路的选择以及场效应晶体管的类型有关的所有内容都不在本文的讨论范围内，但我们将详细分析每个电路的电路和工作模式的特点此类转换器功率部分的主要部件。

开始开发脉冲转换器，考虑以下初始数据：输入和输出电压值、最大恒定负载电流、功率晶体管的开关频率（转换器的工作频率），以及通过扼流圈的电流波另外，基于这些数据，计算扼流圈电感，这将提供必要的参数，输出电容器的容量，以及反向二极管的特性。

转换器的工作方式如下。在晶体管闭合期间的第一部分，电流从主电源通过电感器提供给负载，同时输出滤波电容器正在充电。当晶体管打开时，负载电流由电容器电荷和电感器电流维持，不能立即中断，并由反向二极管关闭，反向二极管现在在该周期的第二部分打开。

例如，假设我们需要开发一个由 24 伏恒定电压供电的降压转换器的拓扑结构，并且在输出端我们需要在额定负载电流为 1 安培的情况下获得 12 伏电压，以便电压纹波在输出不超过 50 mV。设转换器的工作频率为 450 kHz，通过电感的电流纹波不超过最大负载电流的 30%。

初始数据：

由于我们谈论的是脉冲转换器，在其工作期间，电压不会持续施加到扼流圈，而是通过脉冲精确施加，其正部分的持续时间 dT 可以根据工作频率计算转换器和输入输出电压的比值按以下公式计算：

dT = Uout / (Uin * f),

其中 Uout / Uin = DC 是晶体管控制脉冲的占空比。

在开关脉冲的正向部分，电源为转换器电路供电，在脉冲的负向部分，电感器存储的能量被传输到输出电路。

对于我们的示例，结果是： dT = 1.11 μs — 在脉冲的正向部分，输入电压作用在电感器和电容器以及连接到它的负载上的时间。

根据与电磁感应定律，通过电感器 L（扼流圈）的电流 Idr 的变化将与施加到线圈端子的电压 Udr 及其施加时间 dT（脉冲正部分的持续时间）成正比：

Udr = L * Idr / dT

扼流圈电压 Udr——在这种情况下，只不过是晶体管处于导通状态期间那部分时间的输入电压和输出电压之间的差值：

Udr = Uin-Uout

对于我们的示例，结果是：Udr = 24 — 12 = 12 V — 在工作脉冲的正部分期间施加到扼流圈的电压幅度。

风门

现在，知道施加在扼流圈上的电压大小 Udr，设置扼流圈上工作脉冲的时间 dT，以及扼流圈的最大允许电流纹波值 Idr，我们就可以计算出所需的扼流圈电感 L :

L = Udr * dT / Idr

对于我们的示例，事实证明：L = 44.4 μH — 工作扼流圈的最小电感，对于控制脉冲 dT 的正部分的给定持续时间，波的摆动不会超过 Idr。

冷凝器

当扼流圈的电感值确定后，继续选择滤波器输出电容器的电容。通过电容的纹波电流等于通过电感的纹波电流。因此，忽略电感导体的电阻和电容器的电感，我们使用以下公式来计算电容器所需的最小电容值：

C = dT * Idr / dU,

其中 dU 是电容器两端的电压纹波。

取电容器中的电压波值等于 dU = 0.050 V，对于我们的示例，我们得到 C = 6.66 μF — 滤波器输出电容器的最小电容。

二极管

最后，仍然需要确定工作二极管的参数。当输入电压与电感断开时，即在工作脉冲的第二部分，电流流过二极管：

Id = (1 -DC) * Iout — 二极管开路和导通时流过二极管的平均电流。

对于我们的示例 Id = (1 -Uout / Uin) * Iout = 0.5 A — 您可以选择肖特基二极管，电流为 1 A，最大反向电压大于输入，即大约 30 伏。