Studiul convertorului c.c. – c.c. step-down

(Buck)

1. Scopul lucrării este de a studia principiului de funcţionare a unui convertor c.c. – c.c. step-down atât în regim de curent continuu cât şi în regim de curent întrerupt. Acest studiu se face la diferite valori ale frecvenţei de lucru a convertorului, diferite valori ale inductanţei bobinei L, precum şi la diferite valori ale curentului de sarcină.

2. Consideraţii teoretice

2.1. Convertorul step down

Schema de principiu a unui convertor step-down (Buck) este prezentată în figura 2.1. Comutatorul K este de regulă un tranzistor bipolar de putere sau MOSFET. Acesta funcţionează de regulă după principiul PWM (modularea impulsurilor în durată). Modificarea tensiunii de la ieşirea convertorului Uo se face odată cu modificarea factorului de umplere (duty cycle) al semnalului de comandă .

(2.1)

Fig. 2.1 Convertorul step-down

Vom considera comutatorul K un întrerupător ideal, iar valoarea medie a tensiunii de ieşire U0 se calculează astfel:

(2.2)

www.referat.ro

unde tON este durata de timp cât conduce comutatorul şi TS este perioada semnalului de comandă.

a) b)

Fig. 2.2 Schemele echivalente ale convertorului pentru K=ON şi K=OFF

Deci se disting două cazuri pentru comutatorul K când conduce respectiv când este blocat. Schemele echivalente pentru cele două cazuri sunt prezentate în figura 2.1.a, respectiv 2.1.b.

2.2. Funcţionarea convertorului step-down în regim de curent continuu

Pentru a analiza funcţionarea convertorului vom considera că bobina utilizată este ideală. Astfel energia înmagazinată în circuitul magnetic al bobinei, pe durata cât K = ON, este egală cu energia cedată sarcinii, pe durata cât K = OFF.

(2.3)

Fig. 2.3 Diagramele de timp pentru regimul de curent continuu

Vom considera curentul prin bobină constant pe toata durata de funcţionare (IL = constant), din ecuaţia de mai sus se poate obţine relaţia de legătură între tensiunea de intrare şi cea de ieşire.

(2.4)

Se pune problema determinării valorii minime ale curentului mediu prin bobină (IL)lim pentru care se menţine funcţionarea în regim de curent continuu a convertorului.

(2.5)

Iar curentul maxim prin bobină (IL)lim max se determină plecând de la tensiunea pe bobină pe durata tON, astfel :

(2.6)

Deci valoarea medie a curentului prin bobină la limita dintre regimul de curent continuu şi regimul de curent întrerupt este:

(2.7)

2.3. Funcţionarea convertorului step-down în regim de curent întrerupt

Trebuie remarcat faptul că în timp ce curentul de ieşire este un curent neîntrerupt (figura 2.3), curentul absorbit de la intrare este un curent pulsatoriu. Dacă inductanţa de filtrare nu are valoare mare, în momentul când dioda D este deschisă (cât timp K = OFF), se poate întâmpla ca iL să se anuleze înainte de a se da o nouă comandă de închidere a comutatorului K (figura 2.4).

Fig. 2.4 Diagramele de timp pentru regimul de curent întrerupt

În regim de curent întrerupt convertorul poate funcţiona în două condiţii diferite: la Ui = constant şi Uo = variabil (este cazul convertoarelor ce alimentează o

sarcină cu tensiune reglabilă);

la Ui = variabil şi Uo = constant (este cazul convertoarelor ce funcţionează ca stabilizatoare de tensiune, de exemplu sursa de alimentare a unui monitor Ui = 100 250 V).

În figura 2.5 se prezintă caracteristicile convertorului pentru Ui = constant (figura 2.5.a) şi Uo = constant (figura 2.5.b), precum şi curba / dreapta ce delimitează regimul de curent întrerupt (RCI) de regimul de curent continuu (RCC).

a) b)

Fig. 2.5 Caracteristicile convertorului step-down

2.4. Pulsaţiile tensiunii de la ieşire

Până acum s-a considerat că tensiunea de la ieşire este constantă, uo(t) = Uo (deci

condensatorul utilizat avea o capacitate foarte mare). Vom calcula pulsaţiile tensiunii date

de circuitul de filtrare pentru regimul de curent neîntrerupt, în condiţiile în care

componentele alternative ale curentului se închid doar prin condensator.

Fig. 2.6 Pulsaţiile de tensiune pe condensator

Pulsaţia vârf la vârf a tensiunii pe condensator se obţine cu relaţia:

(2.7)

Dar cum pe intervalul tOFF este valabilă relaţia

(2.7)

(2.7)