Полумостовая схема однофазного инвертора

Схема однофазного полумостового инвертора приведена на рис. 2. Схема содержит два транзистора и два конденсатора, соединенных последовательно и подключенных параллельно транзисторам, Нагрузка подключена между общей точкой соединения конденсаторов и общей точкой соединения транзисторов. Параллельно каждому из транзисторов подключен диод обратного тока. Для работы этой схемы не требуется двухполярный источник постоянного тока, как схеме, приведенной на рис. 1. Это выгодно отличает полумостовую схему от одноплечевой схемы. Однако необходимость включения в схему двух конденсаторов вносит свои особенности в работу инвертора.

Временные диаграммы, поясняющие работу этого инвертора, приведены на рис. 5. Когда транзистор VT1 открыт на интервале времени 0 < t < t_и, а транзистор VT2 заткрыт, происходит передача энергии от конденсатора С₁ в нагрузку. Одновременно происходит подзаряд конденсатора С₂. После открытия транзистора VT2 накопленная конденсатором С₂ энергия будет передаваться в нагрузку, а конденсатор С₁ будет подзаряжаться.

Приведем основные расчетные соотношения этой схемы.

Коэффициент скважности γ определяется для двухтактных преобразователей отношением длительности импульса (t_и) к длительности полупериода выходного напряжения, т.е.:

γ= t_и /Т^',

где Т'^'=T/2– длительность полупериода выходного напряжения.

Номинальное значение коэффициента скважности γ_N для полумостовой схемы определяется из соотношения, по которому можно рассчитать номинальное значение напряжения нагрузки:

(11)

(12)

Определим загрузку транзисторов и диодов по току и напряжению.

Максимальное значение тока транзистора I_{к max} (для случая активного характера нагрузки) определяется из соотношения:

I_{к max}=2P_нг/(U_dη γ²_min), (13)

Выбор транзистора следует производить с учетом коэффициента запаса по току и напряжению:

– номинальное значение тока коллектора I_{к N}>2 I_{к max},

– номинальное значение напряжение коллектор- эмиттер U_{кэ N}>2U_{вх max}.

Отметим, что для полномостовой схемы ток I_{к max} меньше в 2 раза по сравнению с полумостовой схемой. Благодаря этому полномостовые схемы находят применение для преобразователей большой мощности.

Среднее значение тока диода выпрямителя I_в.ср=0,5I_нг.N.

Максимальное обратное напряжение на закрытом диоде в полумостовой схеме равно 2U_{вх max}.

При выборе диодов принимаем коэффициенты запаса по току k_з.т=2 и напряжению k_з.н=2.

Емкость конденсатора входного делителя для полумостовой схемы необходимо рассчитывать исходя из допустимой амплитуды (размаха) пульсаций U_{m п} выбранного типа конденсатора по формуле:

С₁=Р_нг/(4ηf_пU_{m п}U_вх.min), (14)

где f_п– частота пульсаций напряжения на входе инвертора, f_п=2f_р;

U_{вх min}– минимальное значение входного напряжения;

η – коэффициент полезного действия инвертора;

f_р– частота выходного напряжения инвертора.

Обратим внимание на то, что допустимая амплитуда пульсаций напряжения конденсаторов C₁ и C₂ определяется по справочным данным на выбранный тип конденсаторов, например, по справочным данным, приведенным в каталогах конденсаторов [9].Значение U_{m п} можно определить, перемножив допустимое значение амплитуды переменной составляющей тока конденсатора I_{пер max} и полное сопротивление конденсатора на частоте, равной f_п, т.е.:

(15)

где х_с=1/(2πСf_п)- емкостное сопротивление конденсатора;

r_c – внутреннее активное сопротивление конденсатора. Часто в технической литературе это сопротивление называют ESR.

Отметим очевидный недостаток полумостовой схемы инвертора напряжения. Транзисторы инвертора загружены не только током нагрузки, но и током заряда конденсаторов. Это требует применения транзисторов на большие токи, что удорожает стоимость инвертора.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ 1. Поясните принцип работы однофазного полумостового инвертора напряжения. 2. Укажите достоинства и недостатки однофазного полумостового инвертора напряжения. 3. Укажите наиболее предпочтительную область применения полумостовой схемы инвертора напряжения. 4. Как рассчитать загрузку транзисторов по току и напряжению для полумостового инвертора напряжения?