Чем отличается понижающий преобразователь от повышающего? Часть 2

Часть 1

Силовые полупроводниковые приборы

Выбор используемых в схеме полупроводниковых приборов – транзисторов VT1 и диодов VD1 – осуществляется на основе максимальных значений токов в проводящем состоянии и максимальных значений напряжений в непроводящем.

Те, кто уже знаком с особенностями работы импульсных преобразователей, знают, что токи этих полупроводниковых приборов определяются током дросселя. Выше уже было доказано, что максимальное значение этого параметра для обеих схем одинаково, следовательно, и максимальное значение тока для всех полупроводниковых приборов также будет одинаково и равно 2 А.

Не составит труда, используя, например, второй закон Кирхгофа, доказать что максимальное значение напряжения на всех силовых элементах в непроводящем состоянии также будет одинаково и равно максимальному значению из набора напряжений U_ВХ и U_ВЫХ, в данном случае 30 В.

Таким образом, в повышающем и понижающем преобразователе можно использовать одни и те же транзисторы и диоды.

Конденсаторы

Для сравнения параметров конденсаторов в разных схемах преобразователей зададимся одинаковыми значениями коэффициентов пульсаций напряжений КП. Пусть в режиме преобразования максимальной мощности (Р_ИР = 6.7 Вт) и на входе, и на выходе уровень пульсаций будет одинаковым и равным, например, КП = 1%. В этом случае размах пульсаций на конденсаторах понижающего преобразователя будет равен:

(20)

а повышающего:

(21)

Как и все остальные параметры преобразователя, размах пульсаций напряжения на конденсаторах можно выразить через параметры тока дросселя. При работе в граничном режиме, если конденсатор подключен к дросселю на обоих этапах преобразования, эту величину можно определить по формуле:

(22)

а если только на одном из этапов (только на первом или только на втором), тогда следует использовать формулу:

(23)

где  – /t относительная длительность того, этапа, на котором конденсатор подключается к дросселю.

В понижающей схеме входной конденсатор С1 подключается к дросселю только на первом этапе преобразования, поэтому для определения его емкости следует использовать формулу (23), при этом /t = t₁/T = D (Рисунок 3). В повышающей схеме конденсатор С1 соединен с дросселем на обоих этапах преобразования, поэтому для определения его емкости необходимо использовать формулу (22). Если преобразователи работают на одной частоте, тогда отношение емкостей конденсаторов С1 для повышающего и понижающего преобразователей можно определить по формуле:

(24)

То есть, для понижающего преобразователя емкость входного конденсатора С1 должна быть приблизительно в 3 раза меньше.

Рисунок 3.	Токи конденсаторов при преобразовании максимальной мощности.

Аналогичным образом можно сравнить величины емкостей выходных конденсаторов С2. Только в этом случае, для понижающей схемы следует использовать формулу (22), а для повышающей – формулу (23), при этом относительная длительность второго этапа преобразования равна /t = t₂/T = 1 – D (Рисунок 3). В этом случае:

(25)

Как видите, и в этом случае ситуация вновь симметрична – при одинаковых коэффициентах пульсаций для понижающей схемы емкость выходного конденсатора С2 должна быть в три раза больше, чем для повышающей.

Но рассматривать только электрическую емкость конденсаторов будет не совсем корректно, поскольку параметры конденсаторов, в первую очередь, их габариты и цена, определяются энергетической емкостью W_C:

(26)

В этом случае для входных конденсаторов:

(27)

А это означает, что габариты и цена входного конденсатора C1 для понижающего преобразователя будут почти в три раза больше, чем для повышающего. И это вполне логично, поскольку коэффициент пульсаций входного тока для понижающей схемы намного больше, чем для повышающей.

Естественно предположить, что для выходных конденсаторов C2 также должна наблюдаться симметрия. И действительно, если бы выходное напряжение понижающего преобразователя равнялось 10 В, тогда:

(28)

Это означает, что выходной конденсатор C2 повышающего преобразователя должен быть в почти в три раза больше и дороже, чем для повышающего. При этом суммарная энергетическая емкость конденсаторов С1 и С2 для обеих схем одинакова, и конденсатор С1 понижающего преобразователя можно использовать в качестве конденсатора C2 повышающего (и наоборот).

Однако формула (28) справедлива для полностью симметричного случая, когда выходное напряжение понижающего преобразователя не превышает 10 B. Но в нашем случае напряжение на выходе и понижающей, и повышающей схем достигает величины 30 В. Это означает, что конденсатор С2 понижающего преобразователя, имеющий из-за повышенного уровня пульсаций тока нагрузки при U_ВЫХ = 10 B в три раза большую емкость, должен выбираться еще и на более высокое напряжение, поэтому:

(29)

А из этого следует, что комплект конденсаторов для понижающего преобразователя будет больше и дороже, чем для повышающего.

Заключение

Я уверен, внимательный читатель уже заметил, что электрические процессы в повышающей схеме и количественно, и качественно являются зеркальным отображением процессов в понижающей. И силовую часть преобразователя 10 В → 30 В можно собрать на тех же компонентах, что и преобразователя 30 В → 10 В, как, впрочем, и при любых других соотношениях входных и выходных напряжений.

Конечно, может быть разница в схеме управления. Так, например, транзистором верхнего плеча в понижающем преобразователе сложнее управлять, чем транзистором нижнего плеча в повышающем. Однако в синхронных преобразователях, в которых, как и в преобразователях переменного напряжения [7], вместо неуправляемого диода используются транзисторы, необходимы драйверы для силовых ключей обоих плеч, и эта разница снова исчезает.

Однако есть один момент, который может стать решающим. К сожалению, импульсные преобразователи иногда выходят из строя, и очень часто причиной этому становятся именно полупроводниковые компоненты – транзисторы и диоды. Если произойдет авария в повышающей схеме, то в нагрузку будет подано или низкое напряжение, равное напряжению питания, или произойдет короткое замыкание на первичной стороне, приводящее к срабатыванию защиты от перегрузки по току. В большинстве случаев это полностью безопасно для всех узлов прибора. А вот при коротком замыкании транзистора верхнего плеча понижающего преобразователя в нагрузку поступит высокое напряжение источника питания, которое может за считанные секунды вывести ее из строя.

Такая ситуация не раз происходила в упомянутых в начале статьи мониторах. При выходе из строя повышающего преобразователя в цепи питания строчной развертки в большинстве случаев ремонт монитора не занимал много времени. Но вот при пробое транзистора понижающего преобразователя последствия чаще всего были катастрофическими. Повышенное напряжение питания приводило к последующему пробою одних из самых дорогих элементов – транзистора выходного каскада строчной развертки и ТДКС, не считая элементов «обвязки», и ремонт чаще всего становился экономически невыгодным.

Таким образом, при прочих равных условиях за счет более высокой «выживаемости» оборудования в случае пробоя силовых полупроводниковых приборов, повышающая схема может оказаться предпочтительней понижающей, и этот фактор может стать решающим при проектировании систем с высоким уровнем надежности, а также гарантийного и послегарантийного сервиса.

Список источников