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