Учет потерь в импульсных источниках DC-DC

По сравнению с линейными источниками, учет потерь импульсных источников DC-DC имеет свои особенности. В линейном источнике потери на постоянном токе можно легко рассчитать, т.к. наибольшая часть мощности рассеивается на проходном регулирующем транзисторе. Импульсный источник, в отличие от линейного, имеет не только потери на постоянном токе, но и потери, вызванные протеканием переменных токов в электронных ключах и в компонентах для хранения энергии. Например, полные потери мощности на ключе импульсного источника состоят не только из потерь на его включение, но и из потерь на его переход из включенного состояния в выключенное (коммутационные потери).

В случае использования трансформатора, к общим потерям добавляются еще и потери переменного тока в сердечнике и обмотке, а также потери постоянного тока в его обмотке. Потери в сердечнике трансформатора являются следствием взаимодействия между магнитным потоком и материалом сердечника (гистерезисные потери и потери на вихревые токи, называемые еще токами Фуко). Потери в обмотках зависят от материала обмотки трансформатора (омические потери и скин-эффект). Также потери растут по мере повышения температуры в трансформаторе.

Импульсные источники имеют высокий КПД, поскольку силовой ключ включен только в течение короткого промежутка времени относительно всего цикла переключения. Потерями в магнитных, индуктивных и емкостных компонентах можно управлять и свести их к минимуму путем тщательного проектирования за счет правильного выбора компонентов. Неизолированные преобразователи, как правило, более эффективны, чем их изолированные аналоги, т.к. у них в преобразовании энергии участвует меньше деталей и отсутствуют потери трансформатора.

Одной из основных причин снижения КПД являются выходные диоды преобразователя. Если его выходной ток составляет 1 А, а прямое падение напряжения на диоде при этом токе равно 0,6 В, то на одиночном диоде будет потеряно 600 мВ мощности. Чтобы избежать потерь при выпрямлении переменного напряжения, в DC-DC преобразователях с высокими выходными токами часто используют полевые транзисторы с синхронным переключением, так называемые схемы синхронного выпрямления.

Преобразователи малой мощности обычно имеют более низкую эффективность, чем мощные преобразователи, особенно учитывая их более высокие потери, связанные с высокими выходными токами. Также для преобразователей малой мощности большое значение имеет величина потерь, связанная с собственным потреблением элементов. Например, если собственное потребление элементов преобразователя составляет 1 Вт, то преобразователь с выходной мощностью в 10 Вт не может иметь КПД более 90%. А у преобразователя мощностью 100 Вт, при тех-же потерях, максимально возможный КПД может быть до 99%.

Следует обратить внимание на то, что в режиме холостого хода DC-DC преобразователи потребляют энергию на питание собственных элементов, но не обеспечивают выходной мощности. Преобразователи, работая на холостом ходу, по-прежнему будут переключать полевые транзисторы и генерировать тепло, работая без нагрузки.