Acasă / Atelier / Putere / Convertoare DC-DC / Convertorul coborâtor (buck converter) – calculator online

Convertorul coborâtor (buck converter) – calculator online

buck_convertorPCB2

Pentru că într-un articol precedent am vorbit despre convertorul ridicător (boost), în acesta am decis sa scriu câte ceva și despre convertorul coborâtor (buck). Convertorul buck, cunoscut ca și convertor coborâtor (step-down), este un convertor care prezintă o structură asemănătoare cu cea a convertorului boost, dar acesta produce o tensiune stabilizată mai mică decât tensiunea de la sursa de intrare. Convertorul buck ideal este compus din 5 componente de bază: comutatorul semiconductor de putere, o diodă, un inductor, o capacitate și un controller PWM. Circuitul este prezentat mai jos:

convertorul_coborator_buck_convertor

Modul de funcționare al convertorului buck este datorat relației dintre curent și tensiune dată de inductor. În poziția inițială comutatorul este în poziția deschis iar curentul în circuit este 0. Când comutatorul este închis (pasul 1) curentul pe inductor începe să crească, iar tensiune tinde să scadă. Această cădere de tensiune de pe inductor este înseriată cu căderea de tensiune de pe sarcină realizând o limitare a tensiunii pe sarcină. În tot acest timp inductorul acumulează o cantitate de energie pe care, ulterior (pasul 2), o eliberează în circuit prin intermediul diodei (D1).

Buck_convertor

 

Comanda acestui convertor se poate face în două moduri:
1.Comanda în frecvenţă constantă, sau controlul prin modularea impulsurilor în durată (PWM)
2.Comanda în frecvenţă variabilă, sau controlul prin modularea în frecvenţă.

La prima metodă, reglarea tensiunii de ieşire este făcuta prin modificarea intr–o direcţie sau alta, a factorului de umplere a tensiunii de comandă a comutatorului, cu păstrarea constantă a frecvenţei. Factorul de umplere se referă la raportul dintre durata cât comutatorul este închis şi perioada semnalului de comandă. Acest mod de control este adeseori preferabil.

Formarea semnalului de comandă pentru această metodă se face prin compararea unei tensiuni de referință cu o formă de undă dinți de ferăstrău. Prin modificarea tensiunii de referinta se modifică si factorul de umplere al semnalului PWM.

 formare_PWM

conv_buck1
conv_buck2
conv_buck3

Pentru dimensionarea componentelor am realizat un program de calcul. Inductanța și capacitatea este calculată mai jos. Dioda este una de tip Schottkey, dar trebuie avut grijă ca aceasta să fie aleasă în funcție de curentul și frecvența dorită. Dispozitivul semiconductor de comutație trebuie sa fie dimensionat la o valoare superioară celei rezultate, pentru a suporta o tensiune și un curent superior celui necesar (pentru siguranță). Această aplicație este proiectată pentru un curent de ieșire constant.

f =
[Hz]
Frecvența convertorului boost.
Vin =
[V]
Tensiunea pe alimentare.
Vout =
[V]
Tensiunea pe ieșire.
VD1 =
[V]
Căderea de tensiune pe diodă.
RDSon =
[Ω]
Rezistența pe MOSFET în stare de conducție.
Iout =
[A]
Curentul de ieșire.

Puterea de ieșire Pout = Iout * Vout
[W]
Curentul de ieșire minim (10% din curentul de ieșire). Iout_min = Iout * 0.1
[A]
Riplu maxim de tensiune vârf la vârf (1% din tensiunea de ieșire). VPP_ripple = Vout * 0.01 
[V]
Caderea de tensiune pe MOSFET VDSon  = RDSon  * Iout
[V]
Pierderea de putere în conducție PCOND  = RDSon  * IRMS2
[W]
Factor de umplere D = (Vout + VD1) / (Vin– VDSon)
[%]
Timpul de comutatie T = 1/f
[μs]
Timpul de comutatie ON TON = D * T
[μs]

Inductorul este utilizat cu rol de filtru pentru a reduce riplul de curent. Această reducere este datorată faptului că curentul prin inductor nu poate fi schimbat instantaneu. Când curentul prin inductor tinde să scadă, inductorul tinde să-l menţină, având rolul de sursă de energie. Inductoarele utilizate în aceste convertoare sunt înfăşurate de obicei pe miezuri toroidale, din ferită sau fier aşchiat, cu pierderi reduse la frecvenţe înalte. Valoarea minimă a inductorului este calculată considerând un curent minim de ieșire de 10% din curentul nominal. Inductorul este dimensionat astfel încât prin convertor va circula un curent nominal în tot acest interval.

Valoarea minimă a inductorului Lmin = ((Vin – Vout – VMOS) * TON) / (2 * Iout_min)
[µH]
Energie acumulată de inductor
E = (Lmin * (Iout +Iout_min )2 / 2 )
[µJ]

Curentul rezultat are forma unei rampe. Centrul rampei este considerată ca valoarea efectivă a curentului de ieșire.

Riplul de curent vârf la vârf IPKripple = Iout_min * 2
[A]
Curent maxim în comutație
IPEAK = Iout +Iout_min 
[A]
Valoarea efectivă a curentului
IRMS = sqrt((Vout + VD1)/(Vin – VON_MOS) * (IPEAK2  – (IPEAK *IPKrippe) + (IPKrippe2 / 3)))
[A]

Dioda folosita este de circulaţie libera (free-wheeling). Aceasta nu are rol de redresor, ci are funcţia de a direcţiona corect calea de curent prin inductanţă. Este important ca dioda să comute in starea de blocat foarte rapid, de aceea se vor folosi diode rapide de recuperare sau diode schottky, care sunt cele mai indicate. Este de preferat utilizarea unei diode Schottky, datorită unei căderi de tensiune redusă, VD1, dar și pentru caracteristicile sale excelente de blocare. Prin înlocuirea aceastei diode cu un FET și folosirea unei  comenzi adecvate pentru acesta, vom obține o eficiență sporită. Acestă diodă trebuie să îndeplinească următoarele criterii:

Tensiune de blocare VR = Vin
[V]
Curent mediu al diodei
Iaver = Iout * (1 – D)
[A]

Controlul cu modulaţia impulsurilor în durată, de obicei un circuit integrat, este necesar pentru reglarea tensiunii de ieşire. Tranzistorul comutator este inima convertorului şi controlează puterea transmisa sarcinii. Tranzistoarele MOS sunt mai convenabile decât cele bipolare la puteri de ieşire mai mari de 50W. Acestea trebuie alese cu timpi de comutaţie cât mai mici şi să reziste la pulsurile de tensiune provocate de inductor.

Valoarea minimă a tensiunii semiconductorului VDS = (Vin + VD1) + 5
[V]

Capacitatea este utilizată cu rol de filtru pentru a reduce riplul de tensiune. Aceasta trebuie aleasă cu pierderi minime. Pierderile din capacitate sunt datorate rezistentei serie şi inductanţei proprii. Tipul capacităţii este ales după rezistenta serie efectiva(ESR). Cele mai indicate capacităţi sunt cele din tantal. Uneori, pentru creşterea performanţei regulatorului, se leagă in paralel câteva capacităţi de valoare mai mica pentru a micşora rezistenta serie efectivă.

Riplu de curent efectiv (RMS) al condesatorului IRMScap = IPKripple / sqrt(12)
[A]
Capacitate minimă a condesatorului
Cout = (IPKripple * T)/(8 * VPP_ripple)
[µF]
Capacitatea grupului de condesatori ales
Cout_ales =
[µF]
Valoarea maximă a rezistenței serie efectiva (ESR)
ESRmax = sqrt((-(IPKripple ^2)*(T^2))+ (64*(Vpp_riple^2)*(Cout_ales^2)))/ (8*Cout_ales*IPKripple )
[Ω]
Valoarea efectivă ESR a condesatorului folosit ESR = 
[Ω]

Valoarea riplului de tensiune vârf la vârf pe condesatoarele de ieșire
VPPcap = (IPKripple * T)/(8 * Cout_ales)
[V]
Valoarea riplului de tensiune vârf la vârf pe ESR VPPesr = (ESR * IPKripple )
[V]
Valoarea totala a riplului de tensiune vârf la vârf VPPtotal = sqrt(Vppcap * Vppesr)
[V]

Pentru a realiza o filtrare pe partea de intrare în convertor, putem realiza un model de calcut, considerând o valoare maximă admisibilă a ondulației tensiunii de 5%.

Riplu de curent efectiv (RMS) al condesatorului de intrare IRMS = sqrt((Vout+Vd1)/(Vin-Vdson)*(Ipeak^2-(ipeak*iripple)+(Iripple^2/3)))

[A]
Riplu de tensiune acceptat pe intrare VIN_ripple = Vin*0,05
[V]
Capacitate minimă a condesatorului de intrare
Cin = (IPEAK * T)/(8 * VIN_ripple)
[µF]
Capacitatea grupului de condesatori ales
Cin_ales =
[µF]
Valoarea maximă a rezistenței serie efectiva (ESR)
ESRinmax = sqrt((-(IPEAK ^2)*(T^2))+ (64*(Vin_ripple^2)*(Cin_ales^2)))/ (8*Cin_ales*IPEAK )
[Ω]
Valoarea efectivă ESR a condesatorului folosit ESRin =
[Ω]

Valoarea riplului de tensiune vârf la vârf pe condesatoarele de intrare
VPPcapin = (IPEAK * T)/(8 * CIN_ales)
[V]
Valoarea riplului de tensiune vârf la vârf pe ESR VPPesrin = (ESRin * IPEAK )
[V]
Valoarea totala a riplului de tensiune vârf la vârf VPPtotalin = sqrt(Vppcapin * Vppesrin)
[V]

Despre Ciprian

Am dezvoltat o pasiune pentru acest domeniu de cand eram foarte mic, cred ca aveam 6-7 ani, din cate imi amintesc, am invatat sa citesc din revistele Tehnium, cam astea erau preferatele mele la varsta respectiva. In plus, aveam o atractie pentru informatica fapt ce a dus la inscrierea mea la un liceu de informatica, iar pentru a continua cu pasiunea mea m-am inscris apoi la facultatea de electrotehnica...

2 Comentarii

  1. Un articol foarte bun, felicitari!

  2. Am un motor de 24V\17A,,cu frînă electromagnetică și vreau să : 1)- schemă de regulator turație de 12V-50V\200A. 2)-cu schimbare sensul de mers a motorului 3)-indicator voltaj baterie cu ledeuri s-au display 3)-,termometru ptr motor.4)-schema să fie cît mai simplă să nu necesite program ptr calculator ,ptt că eu sînt electronist mediu.Vă mulțumesc și aștept răspuns.P.s.-acest regulator de turație vil cer ptr alimentare pe bateri cu Pb s-au din cele mai speciale,v-am dat plaja de voltaj 12-50V ptr că;1)-sînt motoare de c.c. cu colector cu peri cărbune s-au fără,de diferite tensiuni(12,24,36,48V) așa și cu amperaj baterie ;12…..150A,s-au P(W)motor ;10……1000W.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *

*