Понижуючий перетворювач напруги

Режим безперервного протікання струму в дроселі

Коли транзистор відкритий, до дроселя L прикладена напруга, яка дорівнює різниці напруг Е - Uн. Під дією цієї напруги струм у дроселі і зростає (див. рис. «Режим безперервного протікання струму в дроселі») причому:

${\displaystyle U_{L}(t)={Ldi_{L}}/{dt}=U_{d}-U_{H}}$

Очевидно, що цей струм буде зростати лінійно:

${\displaystyle i_{L}(t)=i_{L}(0)+{(U_{d}-U_{H})t}/{L}}$,

де ${\displaystyle i_{L}(0)}$ - початковий струм в дроселі в момент замикання ключа.

При розмиканні ключа відкривається діод VD і струм дроселя протікає через нього. При цьому до дроселя прикладена напруга Uн в протилежному напрямку. Струм дроселя спадає і визначається з рівняння:

${\displaystyle U_{L}(t)={Ldi_{L}}/dt=-U_{H}}$,

Очевидно, що цей струм спадає також за лінійним законом:

${\displaystyle i_{L}(t)=i_{L}(ti)-{U_{H}t}/{L}}$,

де ${\displaystyle i_{L}(ti)}$ - струм дроселя в момент розмикання ключа.

Таким чином, струм в дроселі пульсує щодо свого середнього значення Iн, яке дорівнює середньому значенню струму в навантаженні ${\displaystyle I_{H}=U_{H}/R_{H}}$ (див. рис. «Режим безперервного протікання струму в дроселі»). Очевидно, що коли амплітуда пульсацій струму в дроселі ${\displaystyle deli/2}$ буде більшою, ніж середнє значення струму ${\displaystyle I_{H}}$, в дроселі буде мати місце режим переривчастого струму. Враховуючи, що ${\displaystyle deli=(U_{d}-U_{H})ti/L}$, можна визначити мінімальну індуктивність дроселя, при якій ще забезпечується режим безперервного протікання струму (критична індуктивність):

${\displaystyle L_{\text{кр}}={R_{H}t_{n}}/{2}}$

Вважається за доцільне виконання такого умови:   ${\displaystyle deli=(0,5...1...1,5)I_{H}}$.

Режим перервного протікання струму в дроселі

Розглянемо роботу перетворювача в режимі перервного струму. В інтервалі 0...tі транзистор відкритий (ключ закритий) і струм в дроселі зростає. В інтервалі tі ... Т ключ розімкнутий і струм дроселя зменшується, протікаючи через діод VD, який в цей час відкритий. Напруга на вході фільтра U_VD=0. У момент часу t' струм дроселя спадає до нуля і діод VD закривається. До моменту наступного замикання ключа t=Т струм дроселя, а також і напруга на ньому дорівнюють нулю. До диоду VD прикладена напруга Uн. Оскільки середнє значення напруги на індуктивності U_L = 0, середнє значення напруги на навантаженні Uн дорівнює середньому значенню напруги на діоді U_VD . З рис.« Режим перервного протікання струму в дроселі» видно , що Uн буде більшою, ніж Ud, на величину площі заштрихованої ділянки інтервалу t'...Т. Згідно критичній індуктивністі при збільшенні опору навантаження Rн тривалість інтервалу t'...Т зростатиме. Отже, середнє значення вихідної напруги Uн зростатиме по відношенню до середнього значення напруги в режимі безперервного протікання струму Ud.

У режимі перервного протікання струму дроселя середнє і діюче значення струму в елементах регулятора значно відрізняються, тому втрати потужності в елементах регулятора будуть більшими, ніж в режимі безперервного струму дроселя. Таким чином, гірші енергетичні показники, а також залежність вихідної напруги від опору навантаження є головними недоліками режиму перервного струму дроселя в імпульсних регуляторах на ідеальних ключах. Якщо враховувати, що реальні силові напівпровідникові прилади, зокрема діод VD, не є ідеальними ключами, режим перервного струму дроселя може мати певні переваги. Відомо, що коли через діод протікав струм, а потім до нього раптово прикласти зворотню напругу, протягом певного часу tвик, поки діод відновлює свій зворотній опір, через нього буде протікати струм у зворотньому напрямку. Оскільки діод не може закритися миттєво, на інтервалі відновлення його вентильних властивостей опір елементів VT і VD дуже малий і по ланцюгу ( + Ud ) -VT- VD- ( - Ud ) короткочасно протікає струм значної величини (комутаційний струм). Цей струм значно збільшує втрати потужності в транзисторі і діод в момент комутації часто є причиною їх руйнування. На рис. «Режим безперервного протікання струму дроселя» комутаційний струм діода і транзистора показаний штриховою лінією. Для зменшення комутаційного струму треба застосувати високочастотні діоди з малим часом відновлення вентильних властивостей, або додаткові схемні рішення. Якщо ж регулятор працює в режимі перервного струму дроселя, то в момент відкривання транзистора VT і діод VD вже закритий і комутаційний струм не виникає.

Ми все ще вважаємо , що перетворювач працює в стаціонарному режимі. Таким чином, енергія в індукторі є однаковою, як на початку так і в кінці циклу (в разі переривчастого режиму, він дорівнює нулю). Це означає , що середнє значення індуктивної напруги (U_L ) дорівнює нулю; 

${\displaystyle \left(U_{i}-U_{o}\right)DT-U_{o}\delta T=0}$

Таким чином δ дорівнює:

${\displaystyle \delta ={\frac {U_{i}-U_{o}}{U_{o}}}D}$

${\displaystyle I_{o}={\frac {\left(U_{i}-U_{o}\right)DT\left(D+{\frac {U_{i}-U_{o}}{U_{o}}}D\right)}{2L}}}$

${\displaystyle U_{o}=U_{i}{\frac {1}{{\frac {2LI_{o}}{D^{2}U_{i}T}}+1}}}$

Можна побачити, що форма вихідної напруги понижувального перетворювача, що працює в переривчастому режимі, є набагато складнішою, ніж її аналог в безперервному режимі. Крім того, вихідна напруга тепер залежить не тільки від вхідної напруги (Ui) і робочого циклу D, але й від індуктивності котушки (L), періоду комутації (Т) і вихідного струму (Io).

Перетворювальна техніка : підручник / В. С. Руденко, В. Я. Ромашко, В. Г. Морозов. — К. : ІСДО, 1996. — Частина 1. — 262 с.