Πώς λειτουργούν οι μετατροπείς Buck

Το παρακάτω άρθρο παρουσιάζει μια ολοκληρωμένη τεχνογνωσία σχετικά με τον τρόπο λειτουργίας των μετατροπέων buck.

Όπως υποδηλώνει το όνομα, ένας μετατροπέας buck έχει σχεδιαστεί για να αντιτίθεται ή να περιορίζει ένα ρεύμα εισόδου προκαλώντας μια έξοδο που μπορεί να είναι πολύ χαμηλότερη από την παρεχόμενη είσοδο.

Με άλλα λόγια μπορεί να θεωρηθεί μετατροπέας βήμα προς τα κάτω ο οποίος θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την απόκτηση υπολογισμένων τάσεων ή ρευμάτων χαμηλότερων από την τάση εισόδου.

Ας μάθουμε περισσότερα σχετικά με τη λειτουργία του μετατροπείς buck σε ηλεκτρονικά κυκλώματα μέσω της ακόλουθης συζήτησης:

Ο Μετατροπέας Buck

Συνήθως μπορεί να βρείτε έναν μετατροπέα buck που χρησιμοποιείται σε κυκλώματα SMPS και MPPT, τα οποία απαιτούν συγκεκριμένα τη μείωση της τάσης εξόδου από την ισχύ πηγής εισόδου, χωρίς να επηρεάζεται ή να τροποποιείται η έξοδος ισχύος, δηλαδή η τιμή V x I.

Η πηγή τροφοδοσίας σε μετατροπέα buck μπορεί να προέρχεται από πρίζα AC ή από τροφοδοτικό DC.

Ένας μετατροπέας buck χρησιμοποιείται μόνο για εκείνες τις εφαρμογές όπου μια ηλεκτρική απομόνωση μπορεί να μην είναι κρίσιμη σε όλη την πηγή ισχύος εισόδου και το φορτίο, ωστόσο για εφαρμογές όπου η είσοδος μπορεί να είναι σε επίπεδα δικτύου, τότε συνήθως χρησιμοποιείται τοπολογία flyback μέσω ενός μετασχηματιστή απομόνωσης.

Η κύρια συσκευή που χρησιμοποιείται ως παράγοντας εναλλαγής σε μετατροπέα buck θα μπορούσε να έχει τη μορφή mosfet ή ισχύος BJT (όπως ένα 2N3055), το οποίο έχει ρυθμιστεί να αλλάζει ή να ταλαντεύεται με γρήγορο ρυθμό μέσω ενός ολοκληρωμένου σταδίου ταλαντωτών με τη βάση ή την πύλη του.

Το δεύτερο σημαντικό στοιχείο σε έναν μετατροπέα buck είναι ο επαγωγέας L, ο οποίος αποθηκεύει την ηλεκτρική ενέργεια από το τρανζίστορ κατά τις περιόδους ON και την απελευθερώνει κατά τη διάρκεια των περιόδων OFF, διατηρώντας μια συνεχή παροχή στο φορτίο στο καθορισμένο επίπεδο.

Αυτό το στάδιο αναφέρεται επίσης ως 'Τροχός κανονίζων την ταχύτητα' στάδιο δεδομένου ότι η λειτουργία του μοιάζει με μηχανικό σφόνδυλο που είναι σε θέση να διατηρεί μια συνεχή και σταθερή περιστροφή με τη βοήθεια τακτικών ωθήσεων από μια εξωτερική πηγή.

Εισαγωγή AC ή DC;

Ο μετατροπέας buck είναι βασικά ένα κύκλωμα μετατροπέα DC σε DC που έχει σχεδιαστεί για να λαμβάνει τροφοδοσία από μια πηγή DC, η οποία μπορεί να είναι μια μπαταρία ή ένα ηλιακό πάνελ. Αυτό θα μπορούσε επίσης να είναι από έξοδο προσαρμογέα AC σε DC που επιτυγχάνεται μέσω ανορθωτή γέφυρας και πυκνωτή φίλτρου.

Ανεξάρτητα από το ποια μπορεί να είναι η πηγή DC εισαγωγής στον μετατροπέα buck, μετατρέπεται πάντα σε υψηλή συχνότητα χρησιμοποιώντας ένα κύκλωμα ταλαντωτή ελικόπτερο μαζί με ένα στάδιο PWM.

Αυτή η συχνότητα τροφοδοτείται στη συνέχεια στη συσκευή εναλλαγής για τις απαιτούμενες ενέργειες μετατροπέα buck.

Λειτουργία μετατροπέα Buck

Όπως συζητήθηκε στην παραπάνω ενότητα σχετικά με τον τρόπο λειτουργίας ενός μετατροπέα buck, και όπως φαίνεται στο ακόλουθο διάγραμμα, το κύκλωμα μετατροπέα buck περιλαμβάνει ένα τρανζίστορ μεταγωγής και ένα σχετικό κύκλωμα σφονδύλου που περιλαμβάνει τη δίοδο D1, τον επαγωγέα L1 και τον πυκνωτή C1.

Κατά τη διάρκεια των περιόδων όταν το τρανζίστορ είναι ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΜΕΝΟ, η ισχύς περνά πρώτα μέσω του τρανζίστορ και μετά μέσω του επαγωγέα L1 και τέλος στο φορτίο. Στη διαδικασία, ο επαγωγέας λόγω της έμφυτης ιδιότητάς του προσπαθεί να αντιταχθεί στην ξαφνική εισαγωγή ρεύματος αποθηκεύοντας την ενέργεια σε αυτό.

Αυτή η αντίθεση από το L1 αναστέλλει το ρεύμα από την εφαρμοσμένη είσοδο για να φθάσει στο φορτίο και να φτάσει στην μέγιστη τιμή για τις αρχικές στιγμές μεταγωγής.

Ωστόσο, εν τω μεταξύ, το τρανζίστορ εισέρχεται στη φάση διακόπτη OFF, διακόπτοντας την παροχή εισόδου στον επαγωγέα.

Με το τροφοδοτικό απενεργοποιημένο, το L1 αντιμετωπίζει και πάλι μια ξαφνική αλλαγή στο ρεύμα και για να αντισταθμίσει την αλλαγή, ξεπλένει την αποθηκευμένη ενέργεια στο συνδεδεμένο φορτίο

Περίοδος ενεργοποίησης τρανζίστορ

Αναφερόμενος στο παραπάνω σχήμα, ενώ το τρανζίστορ βρίσκεται στη φάση ενεργοποίησης, επιτρέπει στο ρεύμα να φθάσει στο φορτίο, αλλά κατά τη διάρκεια των αρχικών στιγμών του διακόπτη ON το ρεύμα είναι πολύ περιορισμένο λόγω των αντιδραστηρίων αντίθεση στην ξαφνική εφαρμογή του ρεύμα μέσα από αυτό.

Ωστόσο, στη διαδικασία, ο επαγωγέας αποκρίνεται και αντισταθμίζει τη συμπεριφορά αποθηκεύοντας το ρεύμα σε αυτό, και στην πορεία ένα τμήμα της τροφοδοσίας επιτρέπεται να φτάσει το φορτίο και επίσης στον πυκνωτή C1, ο οποίος αποθηκεύει επίσης το επιτρεπόμενο τμήμα της παροχής σε αυτό .

Θα πρέπει επίσης να ληφθεί υπόψη ότι, ενώ συμβαίνει το παραπάνω, η κάθοδος D1 αντιμετωπίζει ένα πλήρες θετικό δυναμικό που την κρατά αντίστροφη μεροληψία, καθιστώντας αδύνατη για την αποθηκευμένη ενέργεια του L1 να πάρει μια διαδρομή επιστροφής κατά μήκος του φορτίου μέσω του φορτίου. Αυτή η κατάσταση επιτρέπει στον επαγωγέα να συνεχίσει να αποθηκεύει την ενέργεια σε αυτό χωρίς διαρροές.

Περίοδος «απενεργοποίησης» τρανζίστορ

Τώρα αναφερόμενος στο παραπάνω σχήμα, όταν το τρανζίστορ επαναφέρει τη δράση αλλαγής του, δηλαδή μόλις απενεργοποιηθεί, το L1 εισάγεται και πάλι με ένα ξαφνικό κενό ρεύματος, στο οποίο αποκρίνεται απελευθερώνοντας την αποθηκευμένη ενέργεια προς το φορτίο τη μορφή ισοδύναμης δυνητικής διαφοράς.

Τώρα, δεδομένου ότι το T1 είναι απενεργοποιημένο, η κάθοδος του D1 απαλλάσσεται από το θετικό δυναμικό και είναι ενεργοποιημένη με μια συνθήκη βασισμένη προς τα εμπρός.

Λόγω της προς τα εμπρός μεροληπτικής κατάστασης του D1, η απελευθερωμένη ενέργεια L1 ή το πίσω EMF που κλωτσάται από το L1 επιτρέπεται να ολοκληρώσει τον κύκλο μέσω του φορτίου, D1 και πίσω στο L1.

Ενώ η διαδικασία ολοκληρώνεται, η ενέργεια L1 περνάει εκθετική πτώση λόγω της κατανάλωσης του φορτίου. Το C1 έρχεται τώρα στη διάσωση και βοηθά ή βοηθά το L1 EMF προσθέτοντας το δικό του αποθηκευμένο ρεύμα στο φορτίο, διασφαλίζοντας έτσι μια αρκετά σταθερή στιγμιαία τάση στο φορτίο ... έως ότου το τρανζίστορ ανάψει ξανά για να ανανεώσει τον κύκλο πίσω.

Η όλη διαδικασία επιτρέπει την εκτέλεση της επιθυμητής εφαρμογής μετατροπέα buck όπου μόνο ένα υπολογισμένο τμήμα της τάσης τροφοδοσίας και του ρεύματος επιτρέπεται για το φορτίο, αντί της σχετικά μεγαλύτερης τάσης αιχμής από την πηγή εισόδου.

Αυτό μπορεί να φανεί με τη μορφή μιας μικρότερης κυματομορφής κυματισμού αντί των τεράστιων τετραγωνικών κυμάτων από την πηγή εισόδου.

Στην παραπάνω ενότητα μάθαμε ακριβώς πώς λειτουργούν οι μετατροπείς buck, στην επόμενη συζήτηση θα διερευνήσουμε βαθύτερα και θα μάθουμε τον σχετικό τύπο προσδιορισμού των διαφόρων παραμέτρων που σχετίζονται με τους μετατροπείς buck.

Τύπος για τον υπολογισμό της τάσης Buck σε κύκλωμα μετατροπέα Buck

Από την παραπάνω απόφαση μπορούμε να συμπεράνουμε ότι το μέγιστο αποθηκευμένο ρεύμα μέσα στο L1 εξαρτάται από τον χρόνο ON του τρανζίστορ, ή το πίσω EMF του L1 μπορεί να διαστασιολογηθεί με κατάλληλη διάσταση του χρόνου ON και OFF του L, συνεπάγεται επίσης ότι η έξοδος Η τάση σε έναν μετατροπέα buck μπορεί να προκαθοριστεί με τον υπολογισμό του χρόνου ON του T1.

Ο τύπος για την έκφραση της παραγωγής μετατροπέα buck μπορεί να παρατηρηθεί στην παρακάτω δεδομένη σχέση:

V (out) = {V (in) x t (ON)} / Τ

όπου V (in) είναι η τάση πηγής, t (ON) είναι ο χρόνος ON του τρανζίστορ,

και T είναι ο «περιοδικός χρόνος» ή η περίοδος ενός πλήρους κύκλου του PWM, δηλαδή ο χρόνος που απαιτείται για την ολοκλήρωση ενός πλήρους χρόνου ON + ενός πλήρους χρόνου OFF.

Λύθηκε Παράδειγμα:

Ας προσπαθήσουμε να κατανοήσουμε τον παραπάνω τύπο με ένα λυμένο παράδειγμα:

Ας υποθέσουμε ότι λειτουργεί ένας μετατροπέας buck με V (in) = 24V

T = 2ms + 2ms (χρόνος ON + χρόνος OFF)

t (ON) = 1ms

Αντικαθιστώντας αυτά στον παραπάνω τύπο παίρνουμε:

V (έξω) = 24 x 0,001 / 0,004 = 6V

Επομένως V (out) = 6V

Τώρα ας αυξήσουμε τον χρόνο τρανζίστορ κάνοντας t (ON) = 1.5ms

Επομένως, V (έξω) = 24 x 0,0015 / 0,004 = 9V

Από τα παραπάνω παραδείγματα γίνεται πολύ σαφές ότι σε έναν μετατροπέα buck ο χρόνος εναλλαγής t (ON) του τρανζίστορ διέπει την τάση εξόδου ή την απαιτούμενη τάση Buck, επομένως οποιαδήποτε τιμή μεταξύ 0 και V (in) θα μπορούσε να επιτευχθεί απλά με κατάλληλη διάσταση του ON ON του μεταγωγέα τρανζίστορ.

Μετατροπέας Buck για αρνητικά αναλώσιμα

Το κύκλωμα μετατροπέα buck που συζητήσαμε μέχρι στιγμής έχει σχεδιαστεί για να ταιριάζει σε θετικές εφαρμογές τροφοδοσίας, καθώς η έξοδος μπορεί να παράγει θετικό δυναμικό σε σχέση με τη γείωση εισόδου.

Ωστόσο, για εφαρμογές που ενδέχεται να απαιτούν αρνητική τροφοδοσία, ο σχεδιασμός θα μπορούσε να τροποποιηθεί ελαφρώς και να γίνει συμβατός με τέτοιες εφαρμογές.

Το παραπάνω σχήμα δείχνει ότι με την απλή εναλλαγή των θέσεων του επαγωγέα και της διόδου, η έξοδος από τον μετατροπέα buck μπορεί να αντιστραφεί ή να γίνει αρνητική σε σχέση με τη διαθέσιμη κοινή είσοδο γείωσης.