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.

Транзисторный двухтактный инвертор напряжения с самовозбуждением

Транзисторный инвертор с насыщающимся трансформатором

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 W_OC1, W_OC2 - 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 I_К1 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 (t_выкл>t_вкл) все диоды моста включены.

Транзисторный инвертор с самовозбуждением с коммутирующим трансформатором

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 I_K1, за счет ПОС приводит к лавинному нарастанию этого тока и увеличивается падение напряжения на R_ОС, 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 I_н приводит к росту частоты из-за возрастания скорости переключения транзисторных ключей).

Транзисторные инверторы напряжения с внешним управлением

Двухтактные транзисторные инверторы напряжения

Мостовая схема инвертора напряжения

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.

Однотактный транзисторный инвертор напряжения с передачей энергии на прямом ходе

При подаче управляющего сигнала (U_УПР) 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-K_З)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 K_З, 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:

"+" U_вх ; 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 K_З, большие габариты сглаживающего фильтра, одностороннее намагничивание сердечника трансформатора.