Чем отличается понижающий преобразователь от повышающего? Часть 2

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 UВХ и UВЫХ, 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 (РИР = 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.

Токи конденсаторов при преобразовании максимальной мощности.
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 WC:

  (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 UВЫХ = 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

  1. NEC Color Monitors MultiSync V720, MultiSync V721, Diamand Scan 71 (Model No. N0701 Series) Service Manual.
  2. Русу А.П. «Почему обмотки дросселя обратноходового преобразователя могут иметь разное число витков».
  3. Русу А.П. «Откуда появились базовые схемы преобразователей».
  4. Русу А.П. «Как определить размеры магнитопровода дросселя импульсного преобразователя».
  5. Русу А.П. «В каком режиме должен работать магнитопровод дросселя импульсного преобразователя?»
  6. Кадацкий А.Ф., Русу А.П. Анализ электрических процессов в импульсных преобразователях постоянного напряжения с широтно-импульсным регулированием // Электричество. – 2005. – №9. – С. 43–54.
  7. Русу А.П. «Импульсное преобразование переменного тока».

Добавить свое объявление

* заполните обязательные данные

Статистика eFaster:

посетило сегодня 439
сейчас смотрят 11
представлено поставщиков 387
загружено
позиций
25 067 862