6.6. Инверторные схемы

6.6.1. Общие сведения

Рассмотренные в разделах 6.2...6.4 однокаскадные (несоставные) преобра­зователи постоянного напряжения имеют ряд ограничений при практическом использовании. В частности, наличие в них гальванической связи между вхо­дом и выходом не позволяет применять такие преобразователи в тех случаях, когда такая связь не допускается. Другим ограничением является то, что при за­данном диапазоне изменения входного напряжения питания возможный диа­пазон изменения выходного напряжения имеет вполне определенные пределы. То есть нецелесообразно пытаться получить с помощью рассмотренных выше схем напряжения в сотни вольт из напряжений в единицы вольт, и наоборот. Указанные недостатки преобразователей постоянного напряжения можно уст­ранить, если дополнить их неким устройством, играющим роль трансформато­ра постоянного напряжения (ТПН).

Идеальный ТПН должен обеспечивать передачу постоянного напряжения с постоянным коэффициентом трансформации, высокую степень изоляции ме­жду первичной и вторичной цепями, передачу энергии в любом из двух направ­лений и, наконец, возможность построения системы преобразования энергии с несколькими входами или выходами. Очевидно, что все перечисленные свойст­ва идеального ТПН в реальном ТПН реализованы быть не могут, но этого и не требуется для практических целей.

На Рис. 6.25 представлена функциональная схема наибо­лее широко применяемого ТПН.

Функции отдельных звень­ев ТПН вполне очевидны. Ин­вертор преобразует входное постоянное напряжение в переменное напряжение прямоугольной формы высокой частоты. Трансформатор Тр обеспечивает повышение или понижение переменного напряжения и гальваническое разделение первичной и вторичной цепей. Выпрямитель вновь преобразует переменное напряжение в постоянное. Отметим, во-первых, что при необходимости инвертор может быть использо­ван для регулирования средневыпрямленного значения выходного напряже­ния, а во-вторых, что при использовании в данном ТПН неуправляемого вы­прямителя на диодах обратная передача энергии от вторичной цепи к первичной невозможна. Как правило, между выпрямителем и нагрузкой вклю­чается LC-фильтр, который обеспечивает не только сглаживание пульсаций, но и ограничение скорости нарастания тока через силовые ключи инвертора.

Самым сложным узлом ТПН, во многом определяющим его свойства, явля­ется инвертор, изучением которого мы сейчас и займемся.

Инверторами называют преобразователи постоянного тока в переменный. Вообще семейство инверторов довольно обширно и включает устройства раз­личного назначения, рассчитанные на передачу мощности от долей ватта до многих мегаватт (точнее, мегавольтампер). Далее будет рассмотрено несколько простых схем высокочастотных инверторов малой мощности на основе различ­ного типа транзисторов, наиболее широко применяемых в составе источников питания для электронной аппаратуры.

6.6.2. Нерегулируемые инверторы

Нерегулируемый инвертор представляет собой наиболее простой тип ин­вертора. Это устройство преобразует постоянное напряжение в колебания пря­моугольной формы. Чаще используются так называемые двухтактные инверто­ры, формирующие симметричные колебания, в идеале с нулевым средним значением. Эти инверторы состоят из двух симметричных частей. Их достоин­ством является наиболее полное использование выходного трансформатора за счет симметричного намагничивания его сердечника. В преобразователях ма­лой мощности находят применение также однотактные инверторы. Они проще устроены, но эффективность использования выходного трансформатора в них значительно ниже.

Нерегулируемые инверторы подразделяются по способу возбуждения коле­баний нa две группы: инверторы с независимым (внешним) возбуждением и инверторы с самовозбуждением. Инверторы с самовозбуждением (генераторы Роера и Енсена) прежде довольно широко применялись для построения им­пульсных источников питания мощностью до десятков ватт. Однако для этих схем характерны сложности с обеспечением устойчивости самовозбуждения и низкий КПД. Их достоинство — схемотехническая простота — с развитием ин­тегральной схемотехники потеряло свое значение для разработчиков, поэтому в настоящее время в новых разработках применяются почти исключительно ин­верторы с внешним возбуждением.

Прежде чем начать изучение ИМС контроллеров нерегулируемых двухтакт­ных инверторов, рассмотрим схемы их силовых частей. На Рис. 6.26 приведены основные схемы силовых частей инверторов.

Наименьшее количество элементов содержит так называемая нулевая схема, в которой один из выводов входного источника питания соединен с отводом от средней — нулевой — точки первичной обмотки трансформатора (Рис. 6.26а). Ключи S1 и S₂ поочередно замыкаются и размыкаются. При этом к соответст­вующим первичным полуобмоткам трансформатора прикладывается входное напряжение. Намагничивающие силы полуобмоток направлены в магнитопроводе в противоположные стороны, поэтому постоянное подмагничивание в идеале отсутствует. Трансформатор объединяет полуволны одного цикла ком­мутации и повышает или понижает их амплитуду в соответствии со своим ко­эффициентом трансформации. Недостатком этой схемы является повышенное напряжение на закрытом ключе. Действительно, за счет включения полуобмо­ток с отводом от средней точки к закрытому ключу прикладывается напряже­ние, равное 2V_IN. Поэтому такую схему, как правило, применяют для преобра­зования относительно низких напряжений. Другой недостаток — менее эффективное, чем у двух других схем, использование трансформатора.

Полумостовая схема (Рис. 6.266) широко применяется для построения сетевых источников питания небольшой мощности (до сотен ватт). Входное напряжение делится пополам с помощью конденсаторов. Ключи также переключаются пооче­редно. При замыкании одного из ключей к первичной обмотке трансформатора прикладывается напряжение, равное V_1N/2, поэтому для передачи той же мощно­сти, что и в предыдущей схеме, через ключи должен протекать вдвое больший ток. Напряжение на закрытых ключах не превышает входное напряжение.

Мостовая схема (Рис. 6.26в) применяется для источников мощностью от сотен ватт и выше. Ключи циклически меняют состояние: S1, S₄ — замкнуты, S2, S₃ — разомкнуты, и наоборот. К первичной обмотке трансформатора всегда прикладывается полное входное напряжение. Напряжение на закрытых ключах также не превышает входное напряжение.

Примером ИМС нерегулируемого нулевого инвертора может служить МАХ845. Эта микросхема содержит задающий генератор, счетный триггер и два n-канальных МОП-транзистора (Рис. 6.27).

Генератор в зависимости от состояния входа выбора частоты FS вырабаты­вает счетные импульсы частотой 400 или 700 кГц.

Счетный триггер ТТделит эту частоту пополам и распределяет импульсы по затворам МОП-транзисторов. Допустимое напряжение сток—исток транзисто­ров всего 12 В, поэтому номинальное напряжение питания составляет 5 В. Вы­ходная мощность микросхемы не более 0.75 Вт. Ток собственного потребления не превышает 5 мА. Микросхема изготавливается в миниатюрных корпусах SO-8 и MMAX размером 3x5 мм.

Другой пример — отечественная ИМС контроллера электронных пускоре-гулирующих аппаратов компактных люминесцентных ламп 1211ЕУ1 [6.7]. Помимо своего основного назначения, микросхема может использоваться в качестве нестабилизированного источника постоянного напряжения, гальва­нически не связанного с источником входного напряжения.

Эта ИМС выполнена по КМОП-технологии и содержит высокочастотный генератор тактовых импульсов, управляемый делитель частоты, формирователь импульсов, необходимых для управления, два выходных драйвера и вспомога­тельную логику (Рис. 6.28).

Частота генератора устанавливается выбором параметров цепи R_sCs- Дели­тель частоты в зависимости от уровня управляющего сигнала делит частоту сиг­нала генератора на 14 или 18, что необходимо для управления режимом при пуске люминесцентной лампы. Формирователь вырабатывает импульсы, управляющие выходными драйверами, причем в отличие от схемы МАХ845 здесь формируется нулевая пауза («мертвое» время) между началом запирания предыдущего ключа и отпиранием следующего. Это позволяет устранить сквоз­ные токи и уменьшить динамические потери.

Выходные драйверы представляют собой симметричные комплементарные каскады усиления мощности. Такое построение позволяет быстро зарядить или разрядить входные емкости МОП-ключей, что необходимо для уменьшения динамических потерь. Это же дает возможность подключать первичную обмот­ку трансформатора непосредственно к выходам драйверов (Рис. 6.29).

При этом выходные транзисторы ИМС образуют мостовую схему. Преобра­зователь без внешних транзисторов может питать нагрузку мощностью до 1.5 Вт. Собственный ток потребления (без учета тока нагрузки) зависит от час­тоты. Например, приf_§= 10 кГц он составляет всего 30 мкА, а при fs = 1 МГц — 2.5 мА.