Розділ 3. Розробка принципової схеми
3.1 Інвертор
3.1.1 Вхідний фільтр
Вхідний фільтр необхідний для запобігання поширенню в джерело живлення високочастотних завад, утворених внаслідок імпульсної модуляції, а також для зниження ударних навантажень на джерело при різкому короткочасному збільшенні вихідного струму. Оскільки акумулятори, які повинні використовуватись як джерело живлення, зазвичай допускають імпульсні перевантаження, від фільтра вимагається не усунення, а зменшення цих навантажень для збільшення терміну роботи акумуляторів. Цю функцію може виконувати потужний конденсатор високої ємності, встановлений паралельно джерелу живлення якнайближче до силових ключів. Зазвичай використовують паралельне з’єднання електролітичного конденсатора, що накопичує основну частину енергії, і високочастотного неполярного конденсатора, що знижує ударні струми в електролітичному на фронтах імпульсів.
3.1.2 Датчики вхідної напруги і струму
Система керування має спільний нульовий вхід живлення з силовою частиною, тому датчиком вхідної напруги є простий дільник напруги на резисторах, вихід якого підключається до АЦП системи керування. Опори дільника розраховуються з умови узгодження вимірюваної напруги з допустимим діапазоном вхідних напруг АЦП.
Як датчик постійного струму часто використовують резистор з низьким опором, підключений послідовно в силове коло, однак при потужності близько 5 кВт і напрузі 24 В таке рішення є неприйнятним через значні втрати потужності на резисторах. Тому для вимірювання силового струму доцільно використовувати датчик на основі ефекту Хола.
Крім того, для максимально швидкого відключення пристрою при аварійній ситуації вхідний струм буде обмежуватись електромагнітним автоматом струмового захисту.
3.1.2 Силова частина
3.1.2.1 Схема з’єднання силових ключів
Силова частина повинна формувати імпульси напруги заданої тривалості і полярності з однаковою амплітудою для реалізації ШІМ. Вона має бути розрахована на комутацію сильних струмів при низькій напрузі.
Основні схеми з’єднання силових ключів, що використовуються в подібних випадках, зображені на рис. 3.1. Кожна з них має певні переваги і недоліки.
Рис. 3.1 Основні схеми з’єднання силових ключів у двотактних перетворювачах
У схемі з відводом від середньої точки первинної обмотки трансформатора (рис. 3.1, а) силові ключі почергово відкриваються, підключаючи до живлення половини первинної обмотки з різною полярністю включення і створюючи в трансформаторі магнітний потік змінного напрямку, таким чином формуються різнополярні прямокутні імпульси вихідної напруги.
Ця схема має найпростішу систему керування, оскільки керуюча напруга на обидва ключі повинна подаватися відносно спільного нульового входу живлення. Однак напруга на закритому ключі є сумою напруги живлення і напруги, наведеної в відключеній ним половині первинної обмотки струмом іншої половини, і таким чином приблизно в 2 рази перевищує напругу живлення. Іншим недоліком є більша габаритна потужність трансформатора порівняно з іншими схемами, оскільки на кожному півперіоді використовується лише половина первинної обмотки. Ці проблеми можуть виявитися критичними при високій потужності і значно збільшити вартість силових ключів і трансформатора.
У мостовій схемі (рис. 3.1, б) пари ключів S1, S4 i S2, S3 почергово знаходяться у відкритому стані, підключаючи первинну обмотку трансформатора до до джерела живлення з різною полярністю. Основною перевагою схеми є найнижчі вимоги до силових ключів: напруга на закритому ключі рівна вхідній напрузі, а струм відкритих ключів рівний струму первинної обмотки. При індуктивному характері навантаження є можливість замикання його струму не на джерело живлення, а накоротко з використанням спеціального алгоритму керування. Тому така схема найчастіше використовується в інверторах високої потужності. Основним недоліком є найскладніша система керування: при використанні ідентичних силових ключів з’являється проблема гальванічної розв’язки кіл керування ключів S1 i S3 з силовим колом, оскільки керуюча напруга на ці ключі повинна подаватися відносно точок підключення навантаження, а не відносно нульового входу живлення, як для ключів S2, S4. Крім того, керування ускладнюється найбільшою кількістю ключів, кожен з яких потребує окремого підсилювача керуючих сигналів.
Напівмостова схема (рис. 3.1, в) подібна до мостової, але пара ключів замінена ємнісним дільником напруги. Почерговим відкриванням ключів S1, S2 один вивід первинної обмотки трансформатора підключається до позитивного чи нульового входу живлення, в той час як другий вивід підключений до середньої точки дільника. Таким чином на обмотці формуються двополярні близькі до прямокутних імпульси з амплітудою, рівною половині напруги живлення. Зміну форми напруги спричиняє заряд і розряд ємностей дільника, що обмежує максимальну тривалість імпульсів і мінімальну частоту. Як і в мостовій схемі, в напівмостовій є необхідність гальванічної розв’язки кола керування ключа S з силовим колом.
Перевагами напівмостової схеми є менша кількість ключів порівняно з мостовою і менша кількість витків первинної обмотки трансформатора через вдвічі меншу напругу на ній. Однак струм відкритого ключа при цьому рівний подвоєному струму первинної обмотки. Така схема часто застосовується у вторинних джерелах живлення з безтрансформаторним входом при потужності до сотень Вт, однак для низької вхідної напруги і високого струму вимоги до максимального струму ключа можуть стати критичними.
Для всіх трьох описаних схем система керування повинна запобігати протіканню наскрізних струмів, яке можливе при одночасному перебуванні у відкритому стані протифазних силових ключів. Внаслідок неідеальності ключів вони не можуть закриватися миттєво, тому між сигналом закривання одного ключа (пари ключів) і сигналом відкривання другого потрібно забезпечити паузу, достатню для повного закривання ключа.
Високий вхідний струм і низька напруга зумовлюють необхідність вибору схеми в першу чергу за вимогами до ключів, а також до трансформатора. З урахуванням приведених переваг і недоліків кожного варіанту оптимальним рішенням буде використання мостової схеми, що має найнижчі вимоги до ключів.