3.2. Схема мостового инвертора напряжения

Рассмотренная ранее схема двухтактного инвертора со средней точкой в первичной обмотке трансформатора не явля­ется единственной. Находят применение мостовая и полумостовая схемы (рис. 3.6).

Рис.3.6. Схема мостового инвертора

По сравнению с двухтактной схемой мостовая содержит в два раза больше транзисторов и диодов, но в ней более простой силовой транс­форматор (одна первичная и одна вторичная обмотки). Транзисторы комму­тируются попарно. В течение одного полупериода в состоянии отсечки нахо­дятся транзисторы VT1 и VT4, а в состоянии насыщения – транзисторы VT2 и VT3. В течение другого полупериода открыты тран­зисторы VT1 и VT4, а заперты транзисторы VT2 и VТ3.

Такое переключение обеспечивает смену полярности напряжения на первичной обмотке трансформатора каждые пол­периода. На базы транзисто­ров VT1 и VT4 (VT2 и VT3) возбуждающее напряжение должно подаваться в противофазе с отдельных, гальвани­чески развязанных обмоток трансформа­тора, что усложняет схему возбуждения.

3.3. Линейные процессы в силовой цепи преобразователя напряжения

В состав преобразователя (рис. 3.5, а) входят двухтактный инвертор, выпол­ненный по схеме со средней точкой в первичной обмотке трансформатора и выпрямитель с нагрузкой, начинающейся с индуктивного элемента. Включенный в схему выпрямителя дополнительный диод VD7 разгружает диоды от токов разрядки дросселя L.

Примененная ранее схема устранения сквозных токов будет эффектив­ной, если τ_в = Т/2. Однако в данном случае работа этой схемы имеет некото­рые особенности, связанные с переключением диодов входящего в преобра­зователь выпрямителя. Чтобы не останавливаться на них и отделить линей­ные процессы от коммутационных, будем считать, что транзисторы включа­ются и выключаются мгновенно, но их выключение происходит с задержкой T_рт, равной времени рассасывания заряда неосновных носителей в базе.

Если длительность возбуждающих импульсов τ_в (рис. 3.5, б, в) выбрана такой, что в сумме (со временем рассасывания заряда неосновных носителей в базах транзисторов) она остается меньше длительности полупериода T/2 возбуждающего напряжения, то на вторичной обмотке трансформатора создается переменное напряжение u₂ прямоугольной формы с нулевыми паузами (рис. 3.5, г). По графику (см. рис. 3.5, г) находят интервалы времени зарядки и разрядки дросселя L и определяют форму тока, проходящего по его обмотке. Тогда

(3.1)

где r – сопротивление зарядной цепи, состоящее из пересчитанных во вто­ричную обмотку Т₁ сопротивлений насыщенного транзистора и обмоток трансформатора, сопротивления открытых выпрямительных диодов и актив­ные сопротивления обмотки дросселя L. Иногда падения напряжений на тран­зисторах силовой цепи и диодах выпрямителя учитывают, вводя напря­жение на насыщенном транзисторе U_кн и прямое напряжение на открытом диоде и_кн. В этом случае соотношение (3.6) примет вид

(3.2)

Так как в трансформаторах, работающих на высокой частоте, и в об­мот­ке дросселя L относительно мало число витков, то можно пренебречь по­следним членом в (3.7) и вычислить выходное напряжение по простой прибли­женной формуле (3.6).

Если бы была применена схема выпрямления со средней точкой во вторичной обмотке трансформа­тора, то из трансформированной ЭДС вычи­талось падение на­пряжения на одном, а не на двух диодах.

Магнитная индукция в магнитопроводе силового трансформатора T₁ из­меняется согласно линейно ло­маной зависимости (имеет трапе­цеидальную форму во времени, рис. 3.5, е). При открытом силовом транзисторе индукция либо нарас­тает, либо спадает линейно и ос­тается постоянной и равной В_т в течение паузы

Так как за интервал Т магнитная индукция изменяется на удвоенную амплитуду, то

(3.3)

где W₁ – число витков в первичной полуобмотке трансформатора; S – пло­щадь сечения магнитопровода.

В высокочастотных преобразователях широ­кое применение находят трансформаторы с ферритовым магнитопроводом. Магнитная проницаемость термостабильного феррита не так уж велика, и часто оказывается, что ток намагничивания трансформатора заметен в сравнении с рабочим током пер­вичной обмотки и его следует учитывать. Ток намагничивания имеет форму, совпадающую с формой магнитной ин­дукции ( рис. 3.5, е).

Рис. 3.5. Схема двухтактного преобразователя напряжения (а), эпюры напряжений (б-и)

Ток коллектора первого транзистора i_к1 состоит из, трансформировав­шегося в первичную полуобмотку выпрямленного, но не сглаженного тока i₀, т. е. тока дросселя, и тока намагничивания i_μ (рис. 3.5, ж). Поэтому мож­но записать

(3.4)

Ток i_к2 имеет форму, аналогичную форме тока i_к1, но сдвинут по фазе на половину периода.

Чтобы силовые транзисторы не выходили из состояния насыщения, не­обхо­димо выполнить условие

. (3.5) Токи диодов состоят из трапецеи­дальных импульсов, соответствующих току дросселя i₀ и ступенек, являю­щихся трансформированными во вторич­ную обмотку частями тока на­магничивания (рис. 3.5, з). На интервале 0 ÷ τ транзистор VT₁ открыт, и в его коллекторной цепи проходит ток i_к1=ni₀+i_μ. Когда силовой транзистор запира­ется, составляющие тока i_к1, вызван­ные на­личием дросселя, во вторичной и в пер­вичной обмотках пропадают, так как от­крывается диод VD7 (рис. 3.5, и) и ток дросселя замыкается ми­нуя вентили и обмотку трансформатора выпрями­теля. Вместе с тем при запирании силового транзистора цепь, по ко торой проходил ранее ток на­магничивания, разрыва­ется и последний переходит во вторичную обмотку, где создается послеимпульс, запирающий ранее откры­тые и отпи­рающий ранее закрытые выпрямитель­ные диоды. Таким образом, в течение нулевой паузы по вторичной обмотке проходит ток I_μ/п намагничи­вания через диоды, которые должны открыться в следующем полупериоде. Сопротивления открытых вентилей и диода VD7 малы, и возникший режим близок к короткому замыканию во вторичной обмотке. Следовательно, ток намагничивания магнитопровода трансформа­тора Т₁ в течение паузы прак­тически не изменяется.

Определим габаритную мощность силового трансформатора T₁. Обычно

ее вычисляют, пренебрегая пульсациями тока дросселя и потерями напряжения. Для рассматриваемой схемы

Если бы выпрямитель был собран по схеме со средней точкой во вто­рич­ной обмотке, то габаритная мощность трансформатора получилась бы равной 1,4·I₀U₀, потому что ток по каждой из вторичных обмоток проходил бы в разные половины периода и его действующее значение стало бы равным

.

Если для регулировки выходного напряжения преобразователя исполь­зуют не широтно-импульсную модуляцию, а какой-либо другой способ, то выбирают напряжение возбуждения длительностью τ_в = T/2, выпрями­тель с нагрузкой, начинающейся с емкостного элемента, и применяют описанную ранее схему устранения сквозных токов. При этом

(3.7)

Более точные соотношения будут приведены при рассмотрении ком­мута­ционных процессов в таком преобразователе.