Раздел №8 - Инврторы напряжения
Принцип инвертирования напряжения
Для построения схемы инвертора напряжения воспользуемся принципом дуальности.
Инвертор является устройством, противоположным выпрямителю, т.к. он преобразует
напряжение постоянного тока в разнополярное напряжение прямоугольной или синусоидальной
формы. Поменяем местами источник с нагрузкой в схеме выпрямителя и получим
схему инвертора напряжения:
Для формирования двухполярного напряжения необходимо определенным образом
управлять ключевыми элементами. Обеспечить стабилизацию (регулирование)
напряжения на выходе инвертора можно изменением длительности импульсов
управления ключами в зависимости от дестабилизирующих факторов.
На рисунке представлена принципиальная схема транзисторного инвертора напряжения с насыщающимся трансформатором, где R1, R2 – создают смещение на базе транзисторов VT1 и VT2, работающих в ключевом режиме, конденсатор C – обеспечивает прохождение переменной составляющей напряжения обратной связи, обмотки WOC1, WOC2 – образуют цепь положительной обратной связи (ПОС) по напряжению для этого они включены согласно по отношению к обмоткам силового контура W11, W12.
Запуск схемы обеспечивается за счет асимметрии плеч инвертора (транзисторы VT1, VT2 имеют различные ВАХ). Иногда приходится
делать принудительный запуск схемы в момент включения, если асимметрия недостаточна
для первоначального пуска.
При преобладании коллекторного тока в полуобмотке W11 за счет разностного тока формируется ЭДС с полярностью, указанной красным цветом на рисунке. На выходе инвертора напряжения имеет место положительный сигнал прямоугольной формы. За счет обмотки ПОС происходит приоткрывание VT1 и призакрывание VT2. Нарастание коллекторного тока IК1 имеет лавинообразный характер, которое прекращается при заходе в область насыщения транзистора или трансформатора. Скорость изменения потока (Ф0) снижается и происходит смена полярности ЭДС во всех обмотках трансформатора T, приоткрывается транзистор VT2 и процессы повторяются. Частота преобразования инвертора определяется выражением:
.
С увеличением тока нагрузки происходит уменьшение частоты
преобразования за счет увеличения потерь на транзисторных ключах. Если рассматривать
реальные процессы, то к концу полупериода работы инвертора напряжения
происходит “спад” вершины импульса U2 за счет влияния цепи намагничивания на величину
коллекторного тока, что приводит к значительным потерям на силовых ключах. В
моменты коммутации ключей возникает переходной процесс, обусловленный индуктивностью
рассеяния и емкостью коллекторного перехода транзистора. В начале импульса U2 имеет место “дребезг”
сигнала.
При работе инвертора напряжения на выпрямитель в момент прохождения U2 через ноль появляется коммутационная задержка, обусловленная влиянием выпрямителя. Для ее ослабления источник напряжения U1 шунтируется полупроводниковыми диодами по отношению к нагрузке, т.к. в момент переключения диодов (tвыкл>tвкл) все диоды моста включены.
Силовой трансформатор T2 работает в линейном режиме, за счет этого повышается КПД устройства, трансформатор T1 является коммутирующим и работает с насыщением. Транзисторы VT1, VT2 работают в ключевом режиме.
Преобладание тока IK1, за счет ПОС приводит к лавинному нарастанию этого тока и увеличивается падение напряжения на RОС, что влечет уменьшение ЭДС в первичной цепи трансформатора T1. При заходе трансформатора в область насыщения происходит переключение транзисторов. Достоинством данной схемы является высокий КПД, к недостаткам относится сильная зависимость частоты преобразования от тока нагрузки (увеличение Iн приводит к росту частоты из-за возрастания скорости переключения транзисторных ключей).
Мостовая схема инвертора напряжения
применяется на больших мощностях при повышенном уровне напряжения источника
питания. Сигналы управления X1…X4 поступают таким образом,
что в каждом полупериоде два транзистора включены, а два других выключены.
Существует два
алгоритма управления ключевыми элементами инвертора напряжения: симметричный и
несимметричный. На рисунке приведены временные зависимости токов и напряжений для этих двух алгоритмов.
Рассмотрим принцип действия инвертора при симметричном алгоритме управления.
При подачи управляющих импульсов X1, X4 на транзисторы VT1, VT4 на интервале времени [t3 ;t4] ток протекает
по контуру: “+” U1
; коллектор- эмиттер VT1;
обмотка трансформатора (T)
в первичной цепи; коллектор- эмиттер VT4; “-“ U1.
На этом же интервале накапливается реактивная энергия в цепи намагничивания
трансформатора T,
происходит плавное нарастание тока в первичной цепи по экспоненциальному
закону.
На интервале [t4; t5] осуществляется рекуперация энергии в источник U1 через обратные диоды по контуру: “+” ЭДС (E1); VD3; противоположное направление по отношению к U1; VD2; “–“ E1. Тока источника спадает до нуля.
В плече моста инвертора напряжения достаточно
управлять одним ключом для осуществления стабилизации напряжения на выходе инвертора
(U2), другой
ключ можно удерживать в открытом состоянии, что исключает воздействие инвертора
на входной источник. Рассмотрим принцип действия инвертора при несимметричном
алгоритме управления.
На интервале времени [t0; t2 ] за период работы второго и третьего ключей в цепи намагничивания трансформатора T накопилась реактивная энергия. На интервале [t2; t3] происходит рекуперация энергии в нагрузку по контуру: “+” ЭДС (E1); VD1; коллектор- эммитер VT3; “-” E1. Если на данном интервале ток I1 не снизился до нуля (т.е. ток не поменял свой знак), то на интервале [t3; t4] энергия передается в источник по контуру: “+” ЭДС (E1); VD1; противоположное направление по отношению к U1; VD4; “–“ E1, при этом образуется “полочка” в форме напряжения U2.
Транзисторный инвертор с емкостным делителем напряжения
(полумостовой инвертор)
Принцип работы схемы заключается в поочередном подключении
транзисторами VT1, VT2 первичной обмотки трансформатора
к конденсаторам С1, С2. На интервале времени [t2; t3] происходит заряд кондесатора
С1 по цепи: “+”; U1; С1; обмотка трансформатора первичной цепи W1; коллектор- эмиттер VT2; “-” U1. На этом же интервале
происходит разряд конденсатора С2 по
цепи: “+” С2; обмотка трансформатора
первичной цепи W1; коллектор-
эмиттер VT2; “-” U1.
К достоинствам схемы инвертора можно отнести: малые потери в силовой цепи за счет коммутации одного ключа на каждом такте работы схемы. За счет кондесаторов поддерживается баланс токов в схеме за период работы, что исключает возникновение асимметричного режима намагничивания трансформатора. Кроме того, в этой схеме малый уровень обратного напряжения на ключах, поэтому схема может использоваться при высоких входных напряжениях.
При подаче управляющего сигнала (UУПР) на базу транзистора VT1 в первичной цепи трансформатора появляется
ток. Контур его протекания: “+” Uвх ;
обмотка трансформатора в первичной цепи; коллектор- эмиттер VT1;
”–“ U1. На интервале импульса происходит передача энергии в нагрузку через выпрямительный диод VD1 и накопление реактивной энергии в дросселе сглаживающего фильтра L . На интервале паузы (1-KЗ)T осуществляется рекуперация энергии дросселя L через обратный диод VD2 в нагрузку, конденсатор С дополнительно сглаживает пульсации.
К достоинствам схемы относятся: простота силовой цепи и системы управления, дешевизна конструкции. отсутствие режима сквозных токов.
Недостатки: ограничения на максимальное значение коэффициента заполнения импульсов KЗ, большие габариты сглаживающего фильтра, одностороннее намагничивание сердечника трансформатора.
Транзисторный инвертор с передачей энергии на обратном ходе
При подаче управляющего сигнала на базу транзистора VT1 происходит накопление реактивной
энергии E в цепи
намагничивания трансформатора T1.
Ток в цепи намагничивания трасформатора протекает по контуру:
“+” Uвх ; обмотка трансформатора первичной цепи; коллектор- эмиттер VT1;
”–“ U1. При этом выпрямительный диод VD1 закрыт, конденсатор фильтра разряжается в нагрузку. На интервале паузы происходит передача энергии намагничивания в нагрузку через выпрямительный диод VD1.
К достоинствам схемы относятся: простота силовой цепи и системы управления, дешевизна конструкции, отсутствие режима сквозных токов.
Недостатки: ограничения на максимальное значение коэффициента заполнения импульсов KЗ, большие габариты сглаживающего фильтра, одностороннее намагничивание сердечника трансформатора.