3.2 Выбор и расчет схемы силового инвертора

В данной работе был выбран полумостовой инвертор напряжения.В качестве ключей в автономных инверторах служат транзисторы.

Рисунок 3.2.1 — Инвертор напряжения

Для инвертора напряжения рис. 3.2.1 в качестве источника питания необходим источник напряжения (выпрямитель с конденсаторным выходом для шунтирования источника питания по переменному току либо аккумуляторная батарея). Для возврата реактивной энергии нагрузки в источник питания параллельно ключам устанавливаются обратные диоды. Выходное напряжение инвертора имеет прямоугольную форму.

В транзисторном варианте инвертора тока для защиты транзисторов от обратного напряжения последовательно с транзисторами включают диоды(рисунок 3.2.1).

Рисунок 3.2.2 – Схема электрическая принципиальная двухтактного полумостового преобразователя постоянного напряжения

Схема двухтактного полумостового преобразователя постоянного напряжения изображена на рисунке 3.2.2.

Преобразователь состоит из инвертора, образованного элементами С1, С2, VT1, VT2, TV1, мостового выпрямителя (VD1 – VD4), Г-образного сглаживающего фильтра (L1, C3), а также устройства управления транзисторами VT1, VT2 (УУ). Трансформатор Т1 выполняет также гальваническую развязку входных и выходных цепей.

Подобная схема используется при напряжении питания U_х= U_питболее чем 100 В и мощностях преобразования 100 – 500 Вт. Так, например, на базе данной схемы построены источники питания персональных компьютеров формата АТ и АТХ. Напряжение питания в них составляет 310 В, выходные напряжения5В,12 В, мощность преобразования 150 – 350 Вт, устройство управления выполнено на базе специализированной микросхемы TL494.

Рассмотрим работу данной схемы. Напряжение питания подается на конденсаторы С1,С2, которые имеют довольно большую емкость и образовывают емкостной делитель напряжения. ТранзисторыVT1,VT2, управляемые устройством управления УУ, поочередно подключают верхний по схеме вывод первичной обмоткиW1трансформатораТ1к разным полюсам источника питания. Второй вывод первичной обмотки подключен к точке соединения конденсаторовС1,С2. Таким образом, к первичной обмоткеW1трансформатораТ1подводится переменное напряжение прямоугольной формы с амплитудой, равной половине напряжения питанияU_пит. Это дает возможность использовать в преобразователе транзисторыVT1,VT2с меньшим значением максимального напряжения между коллектором и эмиттером (U_{кэ max}), сравнительно с другими схемами двухтактных преобразователей (схема с выводом средней точки трансформатора, мостовая схема). Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером транзисторовVT1,VT2равняется напряжению питаниеU_пит.(для сравнения, в схемах с выводом средней точки трансформатора аналогичный параметр достигает значения 2U_пит.).

Форма напряжения на вторичной обмотке W2трансформатораТ1повторяет форму напряжения на первичной, но отличается амплитудой, которая изменяется в соответствии с коэффициентом трансформации к_тр. Переменное напряжение вторичной обмотки трансформатора выпрямляется диодамиVD1–VD4. Пульсации выпрямленного напряжения сглаживаются фильтром, образованным элементамиL1,C3.

Среднее значение выпрямленного напряжения можно регулировать с помощью устройства управления, изменяя коэффициент заполнения импульсов управления к_з. Коэффициент заполнения – это относительная продолжительность открытого состояния ключейVT1(t_VT1) иVT2(t_VT2) по отношению к периоду преобразования.

Формы токов коллекторных цепей транзисторов VT1,VT2, обмоток трансформатораW1,W2, диодов выпрямителяVD1–VD4, а также тока, потребляемого от источника питания зависят от режима работы дросселя сглаживающего фильтраL1. При этом выделяют три режима работы дросселя: безразрывный, критический и разрывный. Режим работы дросселя определяется многими параметрами, к которых относятся значения коэффициента заполнения к_зи сопротивления нагрузки.

К наиболее важным моментам расчета следует отнести определение параметров и выбор типа силового транзистора. Необходимыми параметрами для выбора транзистора являются ток транзистора в открытом состоянии и напряжение, прикладываемое к транзистору в закрытом состоянии.

Частота переключения транзисторов инвертора (частота преобразования) составляет f_п=20кГц

Максимальный ток, протекающий через транзистор, определяется выражением:

где =2 В — падение напряжения на транзисторах инвертора

С учетом коэффициента загрузки, не превышающего 70 % по каждому параметру, выбираем транзисторы КП709А с параметрами [8]: U_кэ= 600 В; I_к= 10 А;Rси = 2;ΔU_КЭ=2,5B,P=35Вт,Сзи=650пФ t_вкл= 1 мкс.

Рассчитываем параметры обратных диодов VD9,VD10, необходимых для возврата реактивной энергии в случае работы инвертора на активно-индуктивную нагрузку.

Максимальное значение тока, протекающего по ним не превышает тока транзистора. Максимальное обратное напряжение, прикладываемое к диодам, определяется напряжением источника питания U=340В.

Выбираем диоды 2Д215Б, имеющие следующие характеристики [7]:

U_{VD.обр.max}=600;I_П=1А;f_max=10кГц;U_пр=1,2В

Для обеспечения нормального теплового режима работы ключей необходимо определить мощность потерь в ключах (транзисторах и обратных диодах).

Статические потери на ключах инвертора, выполненного на полевых транзисторах, складываются из мощности потерь при открытом и закрытом состояниях транзистора и определяются по выражению [7]:

где = 0,5 В — прямое падение напряжения на транзисторе 2Т812А по вольтамперной характеристике;

в = 0,46 — коэффициент, зависящий от глубины модуляции и угла сдвига между напряжением и током;

= 1 — глубина модуляции;

= 30— угол сдвига между напряжением и током;

= 0,4 Ом — дифференциальное сопротивление транзистора 2Т812А по вольтамперной характеристике.

Потери в транзисторе, находящемся в закрытом состоянии, много меньше и ими можно пренебречь.

Мощность динамических потерь в транзисторе без учета формирования пауз на переключение достигает значительных величин, и при линейной аппроксимации траектории переключения определяется выражением [8]:

Где

— наибольшее рабочее напряжение на входе инвертора;

T_i= 5*10 ^–5c — период частоты преобразования.

Статические потери в обратных диодах инвертора, работающего на активно-индуктивную нагрузку, определяются аналогично потерям в транзисторах [8]:

где= 1В — прямое падение напряжения на диоде (с учетом вольтамперной характеристики);

а = 0,19 — коэффициент, зависящий от глубины модуляции и угла сдвига между напряжением и током;

= 1 — глубина модуляции;

= 30°— угол сдвига между напряжением и током;

= 0,3Ом — дифференциальное сопротивление диода (с учетом вольтамперной характеристики).

Динамические потери в диоде [7]:

где — заряд восстановления диода, примем равным 10^–6 Кл (ТУ диодов 2Д2990А).