11.3. Инверторы с параллельно-последовательным резонансным контуром

Параллельно-последовательный резонансный инвертор является комбинированным устройством, в котором использованы достоинства схем инверторов напряжения с последовательными и параллельными резонансными контурами. Топология комбинированных схем определяется включением дополнительного конденсатора или реактора в резонансное звено. Изменяя место подключения добавочных элементов и их значения, можно получить разнообразные схемы, различающиеся топологией и рабочими характеристиками. Одним из распространенных вариантов является схема, образованная выделением части конденсаторов последовательного контура с емкостью, равной примерно одной трети общей емкости, и параллельным подключением к ней нагрузки инвертора. Эквивалентная схема такого инвертора представлена на рис. 11.9.

a

Рис. 11.9. Параллельно-последовательный резонансный инвертор:

а — схема; б — эквивалентная схема замещения

Анализ зависимости выходного напряжения от частоты коммутации ключей показывает, что схема нормально работает при малых значениях нагрузки, включая холостой ход. Токи короткого замыкания на выходе инвертора ограничиваются за счет последовательной цепи до значений, определяемых рабочей частотой напряжения

Из принципа действия схемы следует, что, изменяя соотношения емкостей конденсаторов С1 и С2, можно обеспечить наиболее благоприятный режим работы инвертора для заданных технических характеристик.

11.4. Преобразователи класса е

Инвертор класса Е (рис. 11.10) питается от источника постоянного тока через реактор, индуктивность которого обеспечивает свойства источника тока на входе инвертора. Особенностью инвертора класса Е является формирование одним транзистором импульсов тока повышенной частоты, поступающих на последовательный резонансный -контур высокой добротности (Qs > 7), соединенный с нагрузкой R. Частота коммутации ключа инвертора ^ω₀ немного превышает резонансную частоту последовательного контура ^ω₀. Схема инвертора, обеспечивая «мягкую» коммутацию, обладает высоким КПД. Такая схема используется для создания инверторов мощностью менее 100 Вт с изменяющимся выходным напряжением и практически неизменной нагрузкой.

в

Рис. 11.10. Инвертор класса Е:

а — схема; б — эквивалентные схемы замещения; в — диаграммы тока и напряжения

Инвертор (рис. 11.10, а) работает в двух основных режимах: оптимальном и близком к оптимальному. В оптимальном режиме коммутация транзистора происходит при прохождении напряжения u VT и тока через нуль. В этом случае обратный диод VD не подключается (на рис. 11.10, а показано штриховой линией). При оптимальном режиме работы нагрузка R неизменна. В инверторе обеспечиваются минимальные потери и максимальный КПД.

На рис. 11.10, б приведены эквивалентные схемы инвертора для разных состояний транзистора при работе в оптимальном режиме. Схема для интервала I соответствует включенному состоянию транзистора, а интервала II — выключенному.

На рис. 11.10, в показаны диаграммы изменения тока и напряжения в элементах схемы в установившемся режиме работы инвертора. На интервале I транзистор VT включен. В момент времени t = t₀ в транзисторе протекает ток . Ток равен току входного реактора Ld, значение которого в установившемся режиме можно приближенно считать постоянным и равным среднему значению тока Id, так как конденсатор Cs последовательного колебательного контура в установившемся режиме блокирует постоянную составляющую тока, равную Id. Другая составляющая тока i_R соответствует току контура, включающего в себя нагрузку. Как видно из диаграммы на рис. 11.10, в, ток транзистора начинается с нуля, так как начальное условие включения транзистора VT в оптимальном режиме работы определяется равенством . Это соотношение определяется источником тока Id, создаваемого входным напряжением Е и индуктивностью Ld, и током последовательного LsCsR-контура. Иначе говоря, напряжение в конденсаторе Cd в конце предыдущего интервала и, следовательно, в начале рассматриваемого при t = t₀ было равно нулю, т.е. конденсатор Cd полностью был разряжен к моменту времени t = t_0.

Следует отметить, что средние значения Е, так как на других элементах схемы постоянная составляющая напряжения в установившемся режиме работы равна нулю. В момент времени t =t₁ транзистор VT выключается и процессы в инверторе соответствуют эквивалентной схеме для интервала II (рис. 11.10, б). В конденсатор Cd поступает ток но так как напряжение на емкости является интегральной функцией от протекающего в ней тока, то его значение плавно увеличивается от нулевого значения. Следовательно, выключение транзистора VT происходит практически без потерь мощности. Пока ток , напряжение увеличивается, достигая максимального значения в момент прохождения тока ic через нуль. В момент времени t =t₀ + T в опти-

мальном режиме работы, т.е. в конце периода коммутации транзистора, напряжение спадает до нуля. Далее процессы периодически повторяются. Таким образом, в оптимальном режиме работы выключение транзистора происходит при нулевом значении напряжения на нем, а включение — при нулевом значении тока, т. е. практически при отсутствии коммутационных потерь. Следует учитывать, что оптимальный и близкие к нему режимы обеспечиваются строго определенными соотношениями параметров элементов схемы. Устранение коммутационных потерь в схеме связано с повышением максимальных значений напряжения на транзисторе ( 3Е) и тока (= 3Id).

Увеличение нагрузки инвертора, т. е. снижение сопротивления R ниже оптимального значения, или изменение других параметров элементов, нарушающих оптимальный режим, вызывает изменение процессов в схеме и повышение коммутационных потерь. В этом режиме, отличном от оптимального, напряжение меняет знак раньше, чем ток i_cd становится равным нулю. Для исключения обратного напряжения на транзисторе VT к нему необходимо подключать обратный диод VD. Изменение полярности напряжения приводит к переходу тока i_cd в диод и увеличению коммутационных потерь. Наилучшим образом достоинства схемы проявляются в оптимальном режиме или при несущественных отклонениях от него. В этом режиме возможно также регулирование выходного напряжения посредством незначительного изменения частоты коммутации транзистора.

Разновидностью схем преобразования постоянного напряжеия в постоянный является выпрямитель класса Е. Структурная схема преобразователя постоянного тока в постоянный состоит из инвертора и выпрямителя. Инвертор нагружен на контур настроенный в резонанс с частотой инвертора. Поэтому повышение КПД преобразователя связано с уменьшением потерь в обоих звеньях преобразователя.

Принцип коммутации в нуле напряжения в преобразователе постоянного тока в постоянный может быть использован также в инверторе, работающем на индуктивную нагрузку. В этом случае алгоритм управления с одним плечом, включающим в себя параллельные конденсаторы, соответствует формированию переменного напряжения. В зависимости от числа плеч инвертор может быть полумостовым или, например, трехфазным.