Cách hoạt động của trình chuyển đổi Buck

Bài viết dưới đây trình bày một kiến ​​thức toàn diện về cách hoạt động của bộ chuyển đổi buck.

Như tên cho thấy, một bộ chuyển đổi buck được thiết kế để chống lại hoặc hạn chế dòng điện đầu vào gây ra đầu ra có thể thấp hơn nhiều so với đầu vào được cung cấp.

Nói cách khác, nó có thể được coi là một bộ chuyển đổi bước xuống có thể được sử dụng để thu được điện áp hoặc dòng điện tính toán thấp hơn điện áp đầu vào.

Hãy cùng tìm hiểu thêm về hoạt động của bộ chuyển đổi buck trong mạch điện tử thông qua cuộc thảo luận sau:

Công cụ chuyển đổi Buck

Thông thường, bạn có thể thấy một bộ chuyển đổi buck đang được sử dụng trong các mạch SMPS và MPPT, đặc biệt yêu cầu điện áp đầu ra giảm đáng kể so với công suất nguồn đầu vào, mà không ảnh hưởng hoặc thay đổi công suất đầu ra, đó là giá trị V x I.

Nguồn cung cấp cho bộ chuyển đổi buck có thể từ ổ cắm AC hoặc từ nguồn điện một chiều.

Một bộ chuyển đổi buck chỉ được sử dụng cho những ứng dụng nơi có thể không cần cách ly điện nghiêm trọng trên nguồn điện đầu vào và tải, tuy nhiên đối với các ứng dụng mà đầu vào có thể ở mức chính thì cấu trúc liên kết bay thường được sử dụng thông qua một máy biến áp cách ly.

Thiết bị chính được sử dụng làm tác nhân chuyển mạch trong bộ chuyển đổi buck có thể ở dạng MOSFET hoặc BJT công suất (chẳng hạn như 2N3055), được cấu hình để chuyển đổi hoặc dao động với tốc độ nhanh thông qua một giai đoạn dao động tích hợp với cơ sở hoặc cổng của nó.

Phần tử quan trọng thứ hai trong bộ chuyển đổi buck là cuộn cảm L, cuộn cảm này lưu trữ điện từ bóng bán dẫn trong thời gian BẬT của nó và giải phóng nó trong thời gian TẮT để duy trì nguồn cung cấp liên tục cho tải ở mức xác định.

Giai đoạn này cũng được gọi là 'Bánh đà' vì chức năng của nó giống như một bánh đà cơ học có thể duy trì một vòng quay liên tục và ổn định với sự trợ giúp của các lực đẩy thường xuyên từ một nguồn bên ngoài.

Đầu vào AC hoặc DC?

Bộ chuyển đổi buck về cơ bản là một mạch chuyển đổi DC sang DC được thiết kế để lấy nguồn cung cấp từ nguồn DC, có thể là pin hoặc bảng điều khiển năng lượng mặt trời. Điều này cũng có thể là từ đầu ra bộ chuyển đổi AC sang DC đạt được thông qua một bộ chỉnh lưu cầu và một tụ lọc.

Không có vấn đề gì có thể là nguồn của DC đầu vào cho bộ chuyển đổi buck, nó luôn được chuyển đổi thành tần số cao bằng cách sử dụng mạch dao động chopper cùng với giai đoạn PWM.

Sau đó, tần số này được đưa đến thiết bị chuyển mạch để thực hiện các hành động của bộ chuyển đổi buck cần thiết.

Hoạt động chuyển đổi Buck

Như đã thảo luận trong phần trên về cách hoạt động của bộ chuyển đổi buck và như có thể thấy trong sơ đồ sau, mạch bộ chuyển đổi buck bao gồm một bóng bán dẫn chuyển mạch và một mạch Bánh đà liên quan bao gồm điốt D1, cuộn cảm L1 và tụ điện C1.

Trong các giai đoạn khi bóng bán dẫn BẬT, công suất đầu tiên đi qua bóng bán dẫn, sau đó qua cuộn cảm L1 và cuối cùng đến tải. Trong quá trình này, cuộn cảm do thuộc tính vốn có của nó cố gắng chống lại sự đưa vào đột ngột của dòng điện bằng cách tích trữ năng lượng trong nó.

Sự đối lập này của L1 ức chế dòng điện từ đầu vào được áp dụng để tiếp cận tải và đạt giá trị đỉnh cho các trường hợp chuyển mạch ban đầu.

Tuy nhiên trong thời gian chờ đợi, bóng bán dẫn đi vào pha TẮT của công tắc, cắt nguồn cung cấp đầu vào cho cuộn cảm.

Với nguồn điện được TẮT L1 một lần nữa phải đối mặt với sự thay đổi đột ngột trong dòng điện và để bù lại sự thay đổi đó, nó sẽ xả ra năng lượng tích trữ trên tải được kết nối

Thời gian 'bật' của công tắc bóng bán dẫn

Đề cập đến hình trên, trong khi bóng bán dẫn ở trong công tắc bật pha, nó cho phép dòng điện đạt đến tải, nhưng trong các trường hợp ban đầu của công tắc BẬT, dòng điện bị hạn chế rất nhiều do các cuộn cảm chống lại ứng dụng đột ngột của dòng điện qua nó.

Tuy nhiên, trong quá trình này, cuộn cảm đáp ứng và bù lại hành vi bằng cách lưu trữ dòng điện trong nó, và trong tất nhiên, một số phần nguồn cung cấp được phép đạt đến tải và cả tụ điện C1, cũng lưu trữ phần nguồn cung cấp được phép trong đó .

Cũng cần lưu ý rằng trong khi điều trên xảy ra, cathode D1 trải qua một điện thế dương hoàn toàn khiến nó phân cực ngược, làm cho năng lượng dự trữ của L1 không thể có được đường hồi lưu qua tải qua tải. Tình huống này cho phép cuộn cảm tiếp tục lưu trữ năng lượng vào nó mà không bị rò rỉ.

Thời gian 'tắt' của công tắc bóng bán dẫn

Bây giờ đề cập đến hình trên, khi bóng bán dẫn hoàn nguyên hành động chuyển đổi của nó, tức là ngay sau khi nó TẮT, L1 lại được đưa vào với dòng điện trống đột ngột, mà nó phản ứng bằng cách giải phóng năng lượng tích trữ đối với tải trong dạng của một sự khác biệt tiềm năng tương đương.

Bây giờ, kể từ khi T1 được TẮT, cực âm của D1 được giải phóng khỏi điện thế dương và nó được kích hoạt với điều kiện dựa trên phía trước.

Do điều kiện phân cực thuận của D1, năng lượng L1 được giải phóng hoặc EMF phía sau được khởi động bởi L1 được phép hoàn thành chu trình thông qua tải, D1 và quay trở lại L1.

Trong khi quá trình đang được hoàn thành, năng lượng L1 sẽ giảm theo cấp số nhân do mức tiêu thụ của tải. C1 bây giờ đến giải cứu và hỗ trợ hoặc hỗ trợ L1 EMF bằng cách thêm dòng điện lưu trữ của chính nó vào tải, do đó đảm bảo điện áp tức thời ổn định hợp lý cho tải ... cho đến khi bóng bán dẫn BẬT trở lại để làm mới chu kỳ trở lại.

Toàn bộ quy trình cho phép thực hiện ứng dụng bộ chuyển đổi buck mong muốn trong đó chỉ cho phép một phần được tính toán của điện áp nguồn và dòng điện cung cấp cho tải, thay vì điện áp đỉnh tương đối lớn hơn từ nguồn đầu vào.

Điều này có thể được nhìn thấy dưới dạng một dạng sóng gợn nhỏ hơn thay vì các sóng vuông khổng lồ từ nguồn đầu vào.

Trong phần trên, chúng ta đã tìm hiểu chính xác cách hoạt động của bộ chuyển đổi buck, trong phần thảo luận sau, chúng ta sẽ đi sâu hơn và tìm hiểu công thức xác định các tham số khác nhau liên quan đến bộ chuyển đổi buck.

Công thức tính điện áp Buck trong mạch chuyển đổi Buck

Từ quyết định trên, chúng ta có thể kết luận rằng dòng điện lưu trữ tối đa bên trong L1 phụ thuộc vào thời gian BẬT của bóng bán dẫn, hoặc EMF phía sau của L1 có thể được đo kích thước bằng cách xác định kích thước thích hợp thời gian BẬT và TẮT của L, điều đó cũng ngụ ý rằng đầu ra Điện áp trong bộ biến đổi buck có thể được xác định trước bằng cách tính thời gian BẬT của T1.

Công thức thể hiện đầu ra của bộ chuyển đổi buck có thể được chứng kiến ​​trong mối quan hệ nhất định dưới đây:

V (out) = {V (in) x t (ON)} / T

trong đó V (in) là điện áp nguồn, t (ON) là thời gian BẬT của bóng bán dẫn,

và T là 'thời gian định kỳ' hoặc khoảng thời gian của một chu kỳ đầy đủ của PWM, đó là thời gian cần thiết để hoàn thành một lần BẬT hoàn toàn + một lần TẮT hoàn toàn.

Ví dụ đã giải quyết:

Hãy cố gắng hiểu công thức trên với một ví dụ đã giải quyết:

Giả sử một tình huống trong đó một bộ chuyển đổi buck được hoạt động với V (in) = 24V

T = 2ms + 2ms (thời gian BẬT + thời gian TẮT)

t (BẬT) = 1ms

Thay chúng vào công thức trên, chúng ta nhận được:

V (ra) = 24 x 0,001 / 0,004 = 6V

Do đó V (ra) = 6V

Bây giờ chúng ta hãy tăng thời gian bóng bán dẫn bằng cách làm cho t (ON) = 1,5ms

Do đó, V (ra) = 24 x 0,0015 / 0,004 = 9V

Từ các ví dụ trên, chúng ta thấy khá rõ ràng rằng trong một bộ chuyển đổi buck thời gian chuyển đổi t (BẬT) của bóng bán dẫn điều chỉnh điện áp đầu ra hoặc điện áp Buck yêu cầu, do đó bất kỳ giá trị nào giữa 0 và V (in) có thể đạt được đơn giản bằng cách xác định kích thước thích hợp Thời gian ON của bóng bán dẫn chuyển mạch.

Công cụ chuyển đổi Buck cho nguồn cung cấp tiêu cực

Mạch chuyển đổi buck mà chúng ta đã thảo luận cho đến nay được thiết kế để phù hợp với các ứng dụng nguồn cung cấp tích cực, vì đầu ra có thể tạo ra một điện thế dương có tham chiếu đến đất đầu vào.

Tuy nhiên, đối với các ứng dụng có thể yêu cầu nguồn cung cấp âm, thiết kế có thể được sửa đổi một chút và tương thích với các ứng dụng đó.

Hình trên cho thấy rằng chỉ cần hoán đổi vị trí của cuộn cảm và diode, đầu ra từ bộ chuyển đổi buck có thể bị đảo ngược hoặc bị âm đối với đầu vào chung có sẵn.