Warum steigt und fällt der Strom in einem DC-DC-Wandler linear?

Die meisten echten Schaltnetzteile haben einen Kondensator parallel zur Last:

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Es ist dieser Kondensator, der die der Last zugeführte Spannung selbst beim Schalten annähernd konstant macht. In den Perioden, in denen der Schalter geschlossen ist und der Induktor keinen Strom an die Last liefert, zieht die Last Strom, indem sie C1 entlädt.

Denken Sie auch daran, dass normalerweise etwas das Tastverhältnis des Schalters reguliert, um die Ausgangsspannung und damit die Spannung an C1 auf einem bestimmten Ziel zu halten.

Das Diagramm in Ihrer Frage zeigt Strom und Spannung für die Induktivität, nicht für die Last. Wenn der Schalter geschlossen ist, ist die Spannung über der Induktivität V1. Wenn der Schalter geöffnet ist, ist die Spannung über der Induktivität die Ausgangsspannung, plus ein wenig mehr zur Vorwärtsspannung von D1, minus V1.

In jedem Fall liegt in beiden Zuständen eine konstante Spannung über der Induktivität an. Eine konstante Spannung an einer Induktivität führt gemäß der Definition der Induktivität zu einem sich linear ändernden Strom:

Die dreieckige Wellenform ist eigentlich eine Annäherung. Sie wird Small-Ripple-Approximation genannt und beruht auf den folgenden Annahmen:

1. Die Ausgangsspannung ist konstant und die Restwelligkeit ist gering.
2. Die Eingangsspannung ist konstant und die Restwelligkeit ist gering.
3. Die Diode und der Schalter können als lineare Elemente mit einem Strom modelliert werden, der gleich dem durchschnittlichen Induktorstrom ist.
4. Der Drosselstrom ist immer größer als Null. Dies wird als Continuous Conduction Mode (CCM) bezeichnet.

Wenn alle diese Annahmen erfüllt sind, ist die Induktorspannung in jedem Teil des Zyklus konstant, was dazu führt, dass sich der Strom mit einer konstanten Rate ändert ($\frac{di}{dt} = \frac{V}{L}$). Die einfachsten Modi verwenden eine ideale Diode und einen Schalter. In diesem Fall entspricht Ihre Induktorspannung der Versorgungsspannung (wenn der Schalter eingeschaltet ist) oder der Versorgungsspannung minus der Lastspannung (wenn der Schalter ausgeschaltet ist). Letztere Spannung ist negativ, wodurch der Induktorstrom abnimmt.

Annahmen 1 und 2 bedeuten, dass sich der Umrichter in einem stationären Zustand befindet. Unter normalen Umständen behalten die Eingangs- und Ausgangskondensatoren diesen Zustand bei. Annahme 3 ermöglicht einfache analytische Lösungen der Schaltungsgleichungen.

Wenn Annahme 4 verletzt wird, funktioniert der Wandler immer noch, aber der Induktorstrom ist nicht mehr dreieckig. Stattdessen gibt es für einen Teil des Zyklus überhaupt keinen Induktorstrom! Dieser Zustand wird als diskontinuierlicher Leitungsmodus (DCM) bezeichnet und tritt auf, wenn der Laststrom klein ist.

Bei einem Synchronregler wird die Diode durch einen zweiten Schalter (Transistor) ersetzt. In diesem Fall hört der Induktorstrom nicht bei Null auf, er wird negativ! Die Wellenform ist dreieckig, genau wie CCM. Dieser Zustand wird als Forced Continuous Conduction Mode (FCCM) bezeichnet. Ein großer Vorteil davon ist die reduzierte EMI.