5. Инверторы напряжения с внешним управлением

5. Общие сведения

Под инвертированием в преобразовательной технике понимается преобразование электрической энергии постоянного тока в энергию переменного тока, а устройства называются инверторами (DC/AC).

Инвертор, дополненный выпрямителем и сглаживающим фильтром, называется преобразователем постоянного напряжения в постоянное или конвертором (DC/DC). Преобразователь это обобщённое название. Выпрямитель тоже преобразователь – АС/DC. Инверторы классифицируют по многим признакам. По форме выходного напряжения инверторы различают так: с прямоугольной формой нерегулируемые, с прямоугольной формой регулируемые, с гармоническим напряжением и с квазигармоническим. По наличию или отсутствию трансформатора инверторы делят на трансформаторные и бестрансформаторные. По количеству импульсов тока, потребляемых от сети за период работы, различают инверторы одно и двухтактные.

В системах электропитания устройств телекоммуникаций и радиоэлектронной аппаратуры в основном применяются однотактные и двухтактные трансформаторные преобразователи напряжения (с гальванической развязкой источника энергии и нагрузки).

Из однотактных преобразователей используются следующие типы:

• однотактный преобразователь с прямым включением выпрямительного диода, в котором энергия в нагрузку передается на интервале замкнутого (открытого) состояния регулирующего транзистора;

• однотактный преобразователь с обратным включением диода, в котором энергия в нагрузку передается во время разомкнутого (закрытого) состояния регулирующего транзистора;

• однотактный преобразователь с разделительными конденсаторами (так называемый преобразователь Кука);

• двухтактный полумостовой преобразователь.

На рисунке 5.1а изображена схема однотактного преобразователя с прямым включением выпрямительного диода, а на рисунке 5.1.б эпюры, поясняющие её работу. При открытом транзисторе VT1 напряжение U_вх оказывается приложенным к первичной обмотке трансформатора W₁. Диод VD1 – открыт и энергия источника питания передается в нагрузку. На интервале закрытого состояния транзистора ток нагрузки поддерживается энергией, запасённой дросселем и конденсатором фильтра, а энергия, накопленная в магнитопроводе, с помощью обмотки W_p через диод рекуперации VD_p возвращается в источник питания. Поскольку в установившемся режиме энергия, запасенная трансформатором на интервале открытого состояния транзистора, должна быть полностью возвращена в источник питания, то максимальное значение относительной длительности открытого состояния транзистора (где – период работы и длительность открытого состояния транзистора) зависит от соотношения витков W₁ и W_р .

Рисунок 5.1 – Схема однотактного преобразователя с прямым включением выпрямительного диода

Чем шире пределы регулирования, тем больше значение K_{з макс} и тем меньше должно быть число витков размагничивающей обмотки W_p. Уменьшение числа витков размагничивающей обмотки приводит к увеличению напряжения на закрытом транзисторе преобразователя: .

Так, при K_{з макс} = 0,5 напряжение на закрытом транзисторе идеального преобразователя превышает входное напряжение в два раза, а при K_{з макс} = 0,9 – в десять раз. Регулировочная характеристика идеального преобразователя имеет линейный характер:

, (5.1)

где n₂₁=W₁ /W₂ – коэффициент трансформации.

Выражение (5.1) справедливо при условии непрерывности тока дросселя, которое имеет место, если индуктивность дросселя фильтра выше некоторой критической величины L > L_КР.

При заданной мощности в нагрузке Р_вых импульсные токи через ключ VT1 и диоды преобразователя в режиме прерывистых токов больше, чем в режиме непрерывных токов. Поэтому в маломощных источниках (до 400 Вт) режим непрерывных токов предпочтительнее.

При высоких уровнях входного напряжения U_вх ≥ 250 В может применяться полумостовая схема прямоходового однотактного преобразователя, представленная на рисунке 5.2.

Рисунок 5.2 – Схема однотактного прямоходового преобразователя