12.3 Инверторные схемы

Рассмотренные ранее 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 требуется гальваническая развязка. Другим ограничением является то, что при заданном диапазоне изменения входного напряжения питания возможный диапазон изменения выходного напряжения имеет вполне определённые пределы. То есть, нецелесообразно пытаться получать с помощью рассмотренных ранее схем напряжения в сотни вольт из напряжений в единицы вольт, и наоборот. Эти недостатки 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 и возможность построения системы преобразования энергии с несколькими входами или выходами.

На рис.12.16 представлена функциональная схема наиболее широко применяемого ТПН.

Рис.12.16. Функциональная схема 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 гальваническую разделение первичной и вторияной цепей. Выпрямитель вновь преобразует переменное напряжение в постоянное.

Самым сложным узлом ТПН, во многом определяющим его свойства, является инвертор. Инверторами называются преобразователи постоянного тока в переменный. Семейство инверторов довольно обширно и включает устройства различного назначения, рассчитанные на передачу мощности от долей ватта до многих мегаватт.

Силовая часть инверторов может быть построена различным образом. На рис.12.17 приведены основные схемы силовых частей.

Рис.12.17. Основные схемы силовых частей инверторов: а) нулевая,

б) полумостовая, в) мостовая

Наименьшее количество элементов содержит нулевая схема, в которой один из выводов входного источника питания соединён с отводом от средней – нулевой – точки первичной обмотки трансформатора ( рис.12.17а). Ключи S₁ и S₂ поочерёдно 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. Поэтому такую схему применяют для преобразования относительно низких напряжений. Другой недостаток – менее эффективное, чем у двух других схем, использование трансформатора.

Полумостовая схема (рис.12.17б) широко применяется для построения сетевых источников питания небольшой мощности ( до сотен ватт). Входное напряжение делится пополам с помощью конденсаторов. Ключи также переключаются поочерёдно. При замыкании одного из ключей к первичной обмотке трансформатора прикладывается напряжение, равное V_IN/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.12.17в) 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 превышают входное напряжение.

Примером нерегулируемого нулевого инвертора может служить MAX845. Эта микросхема содержит задающий генератор, счётный триггер и два n-канальных МОП-транзистора (рис.12.18).

Рис.12.18. Схема включения интегрального нерегулируемого инвертора MAX845

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

Счётный триггер TT делит эту частоту пополам и распределяет эти импульсы по затворам МОП-транзисторов. Допустимое напряжение сток-исток транзисторов всего 12 В, поэтому номинальное напряжение питания составляет 5В. Выходная мощность микросхемы не более 0,75 Вт. Ток собственного потребления не превышает 5 мА. Микросхема изготавливается в миниатюрных корпусах SO-8 и μMAX размером 3х5 мм.

Регулирование выходного напряжения инверторов, применяемых в схемах преобразователей постоянного напряжения, осуществляется, в основном, путём модуляции ширины выходных импульсов при постоянной частоте коммутации. В качестве примера регулируемого инвертора можно привести микросхему TL494 производства фирмы Texas Instruments. Функциональная схема TL494 приведена на рис.12.19, а типовая схема включения в качестве контроллера регулируемого двухтактного инвертора – на рис.12.20.

Рис.12.19. Функциональная схема TL494

Для стабилизации используются отрицательные обратные связи по напряжению и току.

Рис.12.20. Типовая схема включения TL494

Для уменьшения размеров, веса и стоимости магнитных элементов и фильтровых конденсаторов необходимо повышать частоту переключения. Однако реальные потери в ключевых регулирующих элементах пренебрежимо малы лишь на относительно низких частотах переключения в пределах 20…40 кГц.

Потери на переключение вызваны тем, что переход от включённого состояния транзистора к выключенному и обратно происходит не мгновенно, а в течении определённого, пусть даже и малого времени. Во время переключения рабочая точка транзистора находится в активной области выходных характеристик (рис.12.21).

В идеале переключение транзистора следовало бы проводить по траектории 1. Например, для перевода транзистора из выключенного состояния (точка В) во включённое (точка А), следует сначала при нулевом токе уменьшить напряжение сток-исток V_DS транзистора до нуля ( точка 0), а затем увеличить ток до установившегося значения. Практически же, если не приняты специальные меры, из-за наличия паразитных ёмкостей и индуктивностей переключение будет проходить по траектории 2. При этом на транзисторе выделяется значительная электрическая мощность, преобразующаяся в тепло.

Рис.12.21. Траектория переключения МОП-транзистора

Таким образом, для уменьшения потерь на переключение следует открывать транзистор, когда напряжение на нём равно нулю, а звкрывать при нулевом токе. Эти условия можно обеспечить за счёт использования резонансных колебаний в цепях с ключевыми элементами.

Упрощённая схема резонансного преобразователя, работающего при нулевом токе переключения ( так называемый ПНТ-преобразователь), показана на рис.12.22.

Рис.12.22. Схема резонансного переключателя, работающего при нулевом токе переключения

В этой схеме простой ключ заменён резонансным ключом, состоящим из компонентов VT, L_R, C_R . В принципе, в качестве резонансной индуктивности может использоваться индуктивность рассеяния трансформатора.

Пусть первоначально транзистор закрыт. Выходной ток течёт за счёт энергии, запасённой в дросселе выходного фильтра L_F , через диод VD₃ в нагрузку. В некоторый момент времени, определяемый схемой управления, ключ VT открывается. Колебательный контур, образованный катушкой L_R и конденсатором С_R , начинает получать энергию. Заряд конденсатора C_R и последующий его разряд будут происходить по закону, близкому к синусоидальному, с частотой, равной резонансной частоте контура L_RC_R. Одновременно ток в катушке L_R также будет изменяться по синусоидальному закону – вначале увеличиваться, затем уменьшаться. Когда этот ток уменьшится до нуля, нужно закрыть ключ. При этом диод VD₁ предотвращает обратный ток через паразитный диод МОП-транзистора, который мог бы быть вызван продолжающимся резонансным процессом.

Когда ток в катушке L_R становится равным нулю, выходной ток течёт через дроссель L_F, диод VD₂ и конденсатор C_R, который быстро разряжается.Как только он разрядится до нуля, открывается диод VD₃. На этом один резонансный цикл заканчивается, и с открывания транзистора VT начинается следующий цикл. Так как транзистор открывается и закрывается при нулевом токе, потери на переключение будут минимальны. В связи стем, что переход тока с диода VD₂ к диоду VD₃ и обратно замедлен присутствием индуктивности L_F и ёмкости C_R, потери энергии будут снижены и в диодах. Уменьшаются также скорости нарастания токов и напряжений, что способствует снижению уровней электромагнитных помех и перенапряжений на элементах схемы.

В рассмотренной схеме переключение силового транзистора происходит при нулевом токе через него. Существуют также схемы, в которых транзистор переключается при нулевом напряжении (ПНН-преобразователи). Схемы ПНТ лучше подходят для сетевых источников питания с повышенным питающим напряжением; схемы ПНН – для преобразователей постоянного тока с более низким напряжением питания.

В общем случае можно сформулировать следующие достоинства и недостатки резонансных преобразователей по сравнению с обычными импульсными преобразователями на ту же мощность и работающими с той же частотой переключений.

Преимущества резонансных преобразователей:

• значительно меньшие потери на переключение, в частности в режиме ПНН потери, связанные с разрядом выходной ёмкости транзистора через его открытый канал при отпирании;

• примерно пятикратное снижение уровня электромагнитных помех;

• более низкие требования к элементам, особенно в отношении максимально-допустимых скоростей нарастания напряжений и токов;

• для организации резонансных процессов переключения могут использоваться паразитные реактивности схемы.

Недостатки резонансных преобразователей:

• более сложная схема силовой части;

• узкий диапазон регулирования;

• в общем случае переменная частота переключения;

• более сложные схемы управления.