Способы уменьшения размеров дросселя
Итак, поскольку дроссель в большинстве случаев является самым габаритным элементом преобразователя, нужно пытаться каким-то образом его уменьшить. Первый путь очевиден – увеличение частоты преобразования fПР. В этом случае энергия будет преобразовываться более часто, но меньшими порциями, и для преобразователя потребуется дроссель меньших размеров. Но из-за неидеальности реальных компонентов с ростом частоты увеличиваются и потери преобразования, поэтому до бесконечности увеличивать fПР нельзя.
А можно ли преобразовывать не всю энергию, потребляемую нагрузкой, а только ее часть? Оказывается можно, но для того чтобы понять этот механизм, нужно ввести дополнительные определения. Для начала нам необходимо как-то назвать узел, который будет «преобразовывать энергию в преобразователе». Назовем его «импульсный регулятор» (ИР), подразумевая, что этот узел не только преобразует энергию импульсами, но еще и может регулировать скорость ее передачи. Также потребуется ввести понятие «преобразуемая мощность» – это количество энергии, проходящее через магнитное поле дросселя за единицу времени. Преобразуемая мощность соответствует мощности импульсного регулятора РИР, поэтому формула (6) в окончательном виде примет вид:
 |
(7) |
Изобразим схему Рисунка 2 с учетом новых определений (Рисунок 5). На первый взгляд, кроме усложнения схемы ничего не произошло. Но схема Рисунка 5 показывает, что вход и выход виртуального импульсного регулятора в реальном обратноходовом преобразователе непосредственно подключены, соответственно, к его входу и выходу. При таком включении вся энергия от источника питания в нагрузку проходит через ИР, поэтому:
 |
(8) |
и возможности уменьшить ее количество, а значит и габариты дросселя, для этой схемы нет.
 |
||
| Рисунок 5. | Обратноходовой преобразователь. | |
Если обратноходовой преобразователь не должен обеспечивать гальваническую развязку, а напряжения питания UП и нагрузки UН имеют противоположные знаки, то схему Рисунка 5 можно упростить. Для этого необходимо одну из входных клемм ИР соединить с выходной так, как показано на Рисунке 6. Если количество витков обмоток W1 и W2 одинаково, то двухобмоточный дроссель можно заменить однообмоточным, и в результате получить классическую схему инвертирующего преобразователя. В инвертирующей схеме, как и в обратноходовой, вся энергия проходит через дроссель (РИР = РН) без какой-либо возможности уменьшения ее количества.
 |
||
| Рисунок 6. | Инвертирующий преобразователь. | |
Если при той же полярности выходное напряжение преобразователя должно быть больше напряжения источника питания, и гальваническая развязка не требуется, то выход ИР можно включить по схеме вольтдобавки (Рисунок 7). При таком включении выходное напряжение импульсного регулятора UВЫХ, согласно второму закону Кирхгофа, является разностью напряжений нагрузки и источника питания:
 |
(9) |
Поскольку выходной ток ИР равен току нагрузки, его мощность, а, следовательно, и количество преобразованной энергии, будет меньше, чем мощность нагрузки:
 |
(10) |
Для повышающего преобразователя всегда должно выполняться условие UН/UП ≥ 1, так как в противном случае, исходя из (9), выходное напряжение ИР UВЫХ будет иметь отрицательную полярность. Это приведет к постоянному увеличению количества энергии в дросселе, поскольку нет условий для ее отбора, и, в конечном итоге, к выходу из строя силовой части преобразователя.
 |
||
| Рисунок 7. | Повышающий преобразователь. | |
В повышающем преобразователе мощность ИР всегда будет меньше мощности нагрузки. Если UН = UП, то ИР не нужен (РИР = 0), но с ростом разницы между напряжениями UН и UП все большее количество энергии необходимо преобразовывать, поэтому мощность ИР, а, следовательно, и габариты дросселя L1, будут возрастать. Таким образом, повышающий преобразователь при небольшой разнице напряжений UН и UП может иметь меньшие габариты, чем обратноходовая или инвертирующая схема той же мощности.
Понижающий преобразователь, аналогично повышающему, также преобразует всего лишь часть энергии. Это достигается путем включения входа его импульсного регулятора в разрыв между источником питания и нагрузкой (Рисунок 8). При таком включении входное напряжение импульсного регулятора будет составлять:
 |
(11) |
Поскольку входной ток ИР равен потребляемому току IП, а напряжение UВХ на его входе меньше напряжения питания UП, при отсутствии потерь мощность ИР составит:
 |
(12) |
Аналогично повышающему преобразователю, для понижающей схемы всегда должно выполняться условие UН/UП ≤ 1, поскольку в противном случае, исходя из (11), входное напряжение ИР UВХ будет отрицательным, и преобразователь работать не сможет.
 |
||
| Рисунок 8. | Понижающий преобразователь. | |
В понижающем преобразователе мощность ИР также всегда будет меньше мощности нагрузки. Если UН = UП, то, аналогично повышающей схеме, ИР не нужен (РИР = 0), но с ростом разницы между напряжениями UН и UП необходимо преобразовывать все большее количество энергии, поэтому мощность ИР, а, следовательно, и габариты дросселя L1, будут возрастать. Следовательно, понижающий преобразователь при небольшой разнице напряжений UН и UП также может иметь меньшие габариты, чем обратноходовая или инвертирующая схема той же мощности.
Таким образом, понижающая и повышающая схемы позволяют создавать более компактные преобразователи по сравнению с обратноходовой и инвертирующей. Зависимость относительной преобразуемой мощности (отношения мощности ИР к мощности нагрузки РИР/РН) от соотношения напряжений питания и нагрузки (UН/UП) показана на Рисунке 9, из которого видно, что наиболее эффективно габариты дросселя можно уменьшить, когда соотношение UН/UП находится в диапазоне 0.1 < UН/UП < 10. Так, например, если напряжение нагрузки в 2 раза больше (UН/UП = 2) или меньше (UН/UП = 0.5) напряжения питания, то для повышающей и понижающей схем необходим дроссель с объемом магнитопровода в 2 раза меньшим, чем для инвертирующей или обратноходовой схемы. Это и обусловило область применения повышающего и понижающего преобразователей: повышение или понижение напряжения не более чем в 10 раз в приложениях без гальванической развязки.
 |
||
| Рисунок 9. | Зависимость относительной мощности ИР от соотношения напряжений на входе и выходе преобразователя. |
|
Проверка
Сравним мощность понижающего, повышающего и инвертирующего преобразователей, использующих одинаковые дроссели с индуктивностью L = 240 мкГн и максимальным током IMAX = 0.25 А. Пусть дроссели всех преобразователей работают в граничном режиме с 50% ШИМ и частотой преобразования fПР = 100 кГц, при котором максимальный ток достигает значения IMAX (Рисунок 10).
 |
||
| Рисунок 10. | Сравнение мощностей преобразователей, использующих одинаковые дроссели. |
|
При 50% ШИМ и граничном режиме коэффициент передачи преобразователей кПЕР составит:
где к1 = 0.5 – относительная длительность открытого состояния транзистора VT1 при 50% ШИМ.
Пусть повышающий и инвертирующий преобразователи работают от источника питания напряжением UП = 12 В. При таком напряжении размах пульсаций тока в обмотке дросселя IM составит:
Для того чтобы дроссель понижающего преобразователя работал в таком же режиме, необходимо, чтобы разница напряжений источника питания и нагрузки также составляла 12 В. Поскольку коэффициент передачи понижающего преобразователя составляет кПЕР = 0.5, это возможно только в случае, когда напряжение питания составит UП = 24 В, а напряжение нагрузки UН = 12 В. При этом размах пульсаций тока дросселя понижающего преобразователя будет равен:
В повышающем и инвертирующем преобразователях ток в конденсатор С2 поступает только тогда, когда транзистор VT1 разомкнут, поэтому среднее значение тока нагрузки IН для этих схем составит:
В понижающем преобразователе ток в нагрузку поступает на обоих этапах преобразования, поэтому ток нагрузки будет равен:
Определим выходное напряжение всех преобразователей:
И теперь осталось определить только мощность нагрузки:
Как видно из расчетов, при использовании одного и того же дросселя, понижающий и повышающий преобразователи имеют в 2 раза большую мощность, чем инвертирующий (и обратноходовой). Или, другими словами, при одной и той же мощности нагрузки дроссель понижающего и повышающего преобразователя может быть в 2 раза меньше. Это достигается за счет того, что преобразуется не вся энергия, поступающая из источника питания в нагрузку, а только ее часть, ведь преобразуемая мощность для всех трех схем одинакова:
Почему существуют только три базовых схемы
Если отвлечься от внутреннего устройства импульсного регулятора, то функциональные схемы рассматриваемых преобразователей будут иметь вид, показанный на Рисунке 11, из которого видно, что вход импульсного регулятора может подключаться к входу преобразователя как непосредственно, так и последовательно с выходом. Аналогично, выход импульсного регулятора может подключаться к выходу преобразователя как непосредственно, так и последовательно с входом.
 |
||
| Рисунок 11. | Возможные варианты построения преобразователей. | |
Способ подключения входа и выхода импульсного регулятора можно обозначить с помощью дискретных «коэффициентов топологии схемы» F1 и F2. Если вход (выход) импульсного регулятора подключен непосредственно к входу (выходу) преобразователя, то соответствующий коэффициент принимает значение 0, а если последовательно с входом и выходом, тогда 1.
Значения F1 и F2 для рассматриваемых схем показаны на Рисунке 11. С помощью коэффициентов топологии схемы можно получить обобщенную формулу для расчета мощности импульсного регулятора, объединив формулы (8), (10) и (12):
 |
(13) |
Поскольку у нас есть два коэффициента топологии, каждый из которых может принимать два возможных значения, всего существует четыре комбинации этих коэффициентов, то есть, теоретически, четыре базовых схемы преобразователя. Однако если мы попробуем синтезировать преобразователь с набором коэффициентов F1 = 1 и F2 = 1, для которого и вход и выход импульсного регулятора должны быть соединены последовательно с входом и выходом преобразователя, то получим совершенно нерабочую схему, у которой вход импульсного регулятора напрямую соединен в его выходом (Рисунок 11). Поэтому из четырех возможных существуют только три работоспособных варианта построения преобразователей, с успехом применяемых на практике.
Заключение
Все «базовые» преобразователи на самом деле оказались модификацией обратноходовой схемы – единственной, претендующей на право называться «базовой» в конвертерах с одним индуктивным накопителем энергии. Обратноходовая схема и есть «импульсный регулятор» – виртуальный преобразователь, который пришлось придумать для пояснения вещей, долгое время считавшихся «фундаментальными» в импульсном преобразовании. С помощью обратноходовой схемы можно пояснить работу не только рассматриваемых в статье схем, но еще и множество их модификаций, в том числе и многоканальных, количество которых на самом деле огромно. Сегодня понижающая, повышающая и инвертирующая схемы потеряли свою «фундаментальность». Однако это не уменьшает преимуществ их простоты, надежности и компактности и никоим образом не ограничивает сферу их применения.
Список источников
- Кадацкий А.Ф., Русу А.П. Анализ принципов построения и режимов работы импульсных преобразователей электрической энергии // Практическая силовая электроника. – 2016. – №2(62). – с.10-24.
- Кадацкий А.Ф., Русу А.П. Анализ электрических и магнитных процессов в дросселях импульсных преобразователей электрической энергии // Технология и конструирование в электронной аппаратуре (ТКЭА) – 2016. – №6. – с.17-29.
