6. Оцінка втрат у імпульсних регуляторах напруги[2]

Вище було встановлено, що інвертуючий перетворювач (схема 3) суттєво поступається як понижуючому перетворювачу (схема 1), так і підвищуючому (схема 2), вимагаючи ключі та діоди з більшими допустимими напругами та струмами, встановлення дроселів та конденсаторів більших розмірів. Але все це не означає, що схема 3 безнадійно погана схема. Її аналог – перетворювач з гальванічним розділення входу та виходу – знаходить широке використання, маючи багато переваг у порівнянні з іншими рішеннями.

Розглянемо у першому наближенні втрати в елементах двох регуляторів (схема 1 та схема 2). Визначення втрат надасть можливості оцінити ККД кожної схеми. Тепер ми знімемо зроблене нами раніше обмеження, яке стосується відсутності втрат у елементах схем. При подальшому розгляданні ми не будемо враховувати всі втрати – кінцеві результати стали б занадто складними й втратили б наочність. Нам важливіше сконцентруватися на найбільш вагомих втратах і показати відмінність втрат у одній схемі регулятора від іншої.

Приймемо статичну вольт-амперну характеристику (ВАХ) ключа, який використовується в регуляторах, такою, як показано на Рис.  6 .23,а. З рисунку видно, що в закритому стані (OFF)через ключ проходить струм, який дорівнює нулю, а у відкритому стані(ON)ключ має опір між силовими виводами –r_S. Від цього опору залежить нахил характеристики, яка намагається зайняти положення вертикальної осі приr_S→0. Статична ВАХ діоду показана на Рис.  6 .23,б. Порогова напруга (U_пор) визначає напругу, починаючи з якої з’являється струм через діод. У провідному стані опір діодаr_VD, а в закритому – струм через діод дорівнює нулю. Діод приймаємо неінерційним прибором. Струм ключа при його включенні та виключенні вважаємо таким, що змінюється лінійно. В дроселі враховуємо втрати в міді обмотки (опір обмоткиr_др), не враховуємо втрати в конденсаторі, зокрема викликані послідовним еквівалентним опором електролітичного конденсатора.

а) б)

Рис. 6.23. Вольт-амперна характеристика ключа (а) та діоду (б) для розрахунку втрат

Приймемо ще одне припущення під час розрахунку втрат, яке майже не впливає на кількісні результати, але дозволяє спростити співвідношення, у тому числі й кінцеві. Зневажимо нахилом струму в ключі та діоді за час їх відкритого стану. Це означає, що індуктивність дроселя приймається нескінченно великою. З урахуванням сказаного проаналізуємо дві схеми регуляторів.

1. Втрати та ккд понижуючого регулятора (схема 1)

Через обмотку дроселя проходить тільки постійна складова струму, тобто І_d. Втрати у відкритому стані електронних приборів та втрати в дроселі дорівнюють:

(6.60)

Прийнявши опір ключа та діода за час провідного стану рівними (r_S=r_VD=r), запишемо втратиP_вкл простіше:

.

(6.61)

Як вже було сказано, під час розрахунку втрат на переключення діод вважається неінерційним прибором на відміну від транзистора (ключа). Таке припущення знижує розрахункові втрати по відношенню до втрат у реальній схемі, не показує вплив наскрізного струму в ключі та діоді в реальних пристроях під час переключення, але дозволяє достатньо просто показати якісну картину динамічних втрат у регуляторі. Процеси під час включення ключа та його виключення у схемі 1 з урахуванням вказаного допущення показані на Рис.  6 .24,а,б.

а) б)

Рис. 6.24.Процеси включення (а) та виключення (б) ключа в схемі 1

Втрати на переключення дорівнюють середній потужності, яка розсіюється в ключі за час його включення та виключення:

(6.62)

Приймаючи час включення рівним часу виключення й враховуючи регулювальну характеристику розглядуваного регулятора, отримаємо:

.

(6.63)

Останнє співвідношення показує, що зі зменшенням коефіцієнту заповнення, тобто з ростом вхідної напруги, втрати на переключення зростають.

Визначимо ККД схеми 1, використовуючи ( 6 .61) та ( 6 .63):

(6.64)

Співвідношення ( 6 .64) показує, що енергетично вигідно використовувати понижуючу схему 1 для значень близьких до одиниці.