7.5. Потери мощности в преобразователе напряжения

Современные преобразователи напряжения имеют малые потери и собственно высокий КПД. Поэтому они получили широкое распространение в современных источниках питания радиоаппаратуры. Однако малые потери в преобразователе получаются не сами по себе, а благодаря проведению комплекса мероприятий, направленных на их снижение. Наиболее важными из них являются выбор схемы преобразователя, выбор радиодеталей и других компонентов преобразователя, оптимизация параметров преобразователя и режима работы его элементов. Влияние режима работы на потери в преобразователе проследим на примере определения потерь мощности в транзисторах инвертора, входящего в преобразователь. Потери мощности в транзисторе складываются из потерь в режимах насыщения и отсечки, а также из потерь на переключение или коммутационных потерь. Последние ещё называют динамическими потерями.

Потери мощности, соответствующие режимам насыщения и отсечки транзистора, были определены ранее. Приведенные там выражения для вычисления коммутационных потерь остаются справедливыми и для силового транзистора преобразователя. Воспользуемся этим и вычислим коммутационные потери в одном из силовых транзисторов усилителя мощности, работающего на двухфазный выпрямитель, нагрузка которого начинается с ёмкости (Рис 7.13,а). Эти потери мощности связаны со сквозными токами, возникающими при переключении транзисторов.

Транзистор усилителя мощности проводит ток в течение интервала времени, большего, чем полупериод генерируемого в преобразователе переменного напряжения, этот интервал превышает полупериод на величину, равную сумме времен рассасывания неосновных носителей в транзисторе инвертора и диоде выпрямителя. Запирающийся силовой транзистор в течение времени Т_рт находится в состоянии насыщения. В течение времени Т_р.д напряжение между коллектором и эмиттером силового транзистора преобразователя мало отличается от напряжения насыщения, разряжаясь через ещё не запертые диоды выпрямителя, поддерживает на всех обмотках трансформатора напряжения, близкие к тем, которые были при насыщении силового транзистора. По этим причинам коммутационные потери, возникающие при запирании силового транзистора, относительно невелики.

Отпирающийся транзистор в противоположность запирающемуся находится в течении времени Т_р.т + Т_р.д под большим напряжением, если его ток успевает нарасти до значительной величины. Поэтому коммутационные потери в нём относительно велики. К запертому силовому транзистору инвертора прикладывается напряжение Е_а, равное в двухтактной схеме 2Е_п, так как оно складывается из напряжения первичного источника и напряжения на неработающей в данный момент первичной полуобмотке силового трансформатора. В мостовой схеме инвертора напряжение Е_а в два раза меньше и равно Е_п. На открывающемся транзисторе напряжение между коллектором и эмиттером остаётся равным Е_з.

Потери мощности, возникающие в транзисторе при его отпирании. Ток отпирающегося транзистора определяется выражением:

(7.21)

Энергия, выделяющаяся в отпирающемся силовом транзисторе за время Т_р.т + Т_р.д

(7.22)

Средняя за период мощность, соответствующая этой энергии, даёт коммутационные потери, сопутствующие отпиранию транзистора:

(7.23)

Вычисление коммутационных потерь, сопутствующих запиранию силового транзистора, производится аналогично. Результат интегрирования произведения i_к1u_кэ1 представляется сложным многочленом, но после ряда упрощений ему можно придать следующий вид:

(7.24)

Как и следовало ожидать, из-за малости произведения r_нI_кн в сравнении с Е₃ результат, даваемый формулой для Р_2комм, заметно меньше получаемого по формуле для Р_1комм. Поэтому часто коммутационные потери, получающиеся при запирании транзистора, не учитывают, а учитывают мощность, рассеиваемую транзистором, равной сумме мощностей в насыщенном и запертом состояниях, а также коммутационных потерь при отпирании. При выбросе установочной мощности транзистора вводят некоторый запас, который перекрывает неучтенные потери мощности.

Похожие результаты получаются и при подсчёте мощности, выделяемой в силовых транзисторах других схем преобразователей и инверторов. Для сравнения схем по мощности, выделяющейся в транзисторе силовой цепи, выражению для Р_1комм можно придать следующий вид:

(7.25)

где коэффициент учитывает особенности схем в отношении коммутационных потерь мощности в транзисторе для рассмотренной схемы усилителя мощности, работающего на выпрямитель с нагрузкой, начинающейся с ёмкости,

(7.26)

Для других схем преобразователей и инверторов, упоминаемых в данном разделе, значения коэффициентов приведены в таблице 7.1.

Таблица 1

Схема	Ккомм
Инвертор с насыщающимся трансформатором	≈0.6
Инвертор с насыщающимся трансформатором и доп. резисторами	≈0.3
Инвертор с переключающим трансформатором
Усилитель мощности
Инвертор с насыщающимся трансформатором в преобразователе	≈0.5
Инвертор с насыщающимся трансформатором и дополнительным конденсатором в преобразователе
Усилитель мощности в преобразователе
Усилитель мощности в преобразователе без конденсатора в фильтре

Сравнение схем инверторов по коммутационным потерям мощности в силовых элементах показывает заметное их уменьшение при включении элементов, ускоряющих коммутацию, например R_б и С на рисунке7.14.

Рис. 7.14. Схема инвертора с малыми коммутационными потерями

В инверторах, стоящих в преобразователе, коммутационные потери в силовых транзисторах оказываются несколько меньшими при нагрузке, начинающейся с ёмкости, чем при нагрузке, начинающейся с индуктивности.

К.П.Д. силовых трансформаторов преобразователей и инверторов достигают величины 85-90% при мощности порядка 10 Вт и 95% при мощности порядка 100 Вт. Потери в силовом трансформаторе можно снизить повышением частоты переключения инвертора. При этом удельные потери в сердечнике возрастают, но они растут гораздо медленнее, чем вес сердечника. Поэтому К.П.Д. трансформатора повышается. Однако коммутационные потери в транзисторах инвертора и диодах выпрямителя с ростом частоты повышаются. Таким образом, для каждого преобразователя существует оптимальная частота коммутации, при которой К.П.Д становится максимальным. Значение этой частоты зависит от параметров элементов, входящих в преобразователь.

При проектировании преобразователей после выбора элементов схемы всегда следует определять и частоту переключений. К.П.Д. преобразователя в целом подсчитывают как произведение трёх частных К.П.Д.: инвертора – η_и, трансформатора - η_т, выпрямителя - η_в:

η=η_иη_тη_в (7.27)

Частные коэффициенты полезного действия звеньев преобразователя в соответствии с их определениями равны для инвертора:

(7.28)

для трансформатора:

(7.29)

для выпрямителя:

(7.30)

В этих формулах обозначено: Рн – мощность, выделяющаяся в нагрузке преобразователя; Рд – мощность потерь в диодах выпрямителя; Рс – мощность потерь в сердечнике трансформатора; Рм – мощность потерь в обмотках трансформатора; Р’тр – мощность потерь во всех транзисторах инвертора; Рвс – мощность потерь во вспомогательных цепях преобразователя, таких, как цепи возбуждения, цепи смещения и т.д.

Правильный выбор элементов схемы преобразователя, режимов их работы позволяет достичь довольно высоких значений к.п.д. У современных преобразователей он получается от 80 до 98%