Приложение A. Элементарное введение в инверторы
---------------------------------------------
Везде, если не оговорено специально, мы будем под словом «инвертор» понимать «инвертор напряжения».
Инвертор – это устройство, преобразующее постоянное напряжение в переменное. Один из простейших инверторов мы легко можем собрать при помощи сдвоенного переключающего тумблера по схеме, изображенной вот на этом рисунке.
Здесь S1 и S2 – тумблер, E – источник постоянного напряжения, Zн – нагрузка. Необходимо подчеркнуть, что здесь понятие нагрузки трактуется довольно широко. Это может быть и обычный повышающий трансформатор с диодным мостом и фильтром для простейшего высоковольтного источника. Нагрузкой может быть согласующий трансформатор с конденсаторной батарее и индуктором для индукционного нагрева или плавки. В то же время, нагрузкой может быть и сложная нелинейная электромеханическая, электроакустическая или электрооптическая система. Тем не менее, для инвертора любая нагрузка – это все равно некий двухполюсник со своим импедансом Zн (возможно, очень сложным, нелинейным и т.д.).
Нагрузка может иметь ощутимую индуктивность. А если по индуктивности течет ток, то прервать (изменить) его моментально невозможно (точно так же, как невозможно мгновенно изменить напряжение на конденсаторе). Поэтому, если мы не хотим, чтобы из нашего тумблера при переключении сыпались искры, мы должны предпринять некоторые меры. Первая мера, которая необходима в любом случае (независимо от того, насколько «правильно» мы переключаем наш тумблер) – поставить так называемые возвратные диоды (flyback diode, freewheel diode), которые на рисунке изображены серым цветом. В моменты переключения, когда контакты тумблера разомкнуты, ток нагрузки будет замыкаться через те или другие возвратные диоды, в зависимости от текущего состояния системы.
Данный инвертор работает очень просто – переключая тумблер, мы по-разному подключаем нагрузку к источнику питания. Если, например, в данный момент нагрузка была подключена верхним выводом к плюсу источника питания, а нижним к минусу, то после переключения тумблера будет все наоборот – верхний вывод нагрузки будет подключен к минусу, а нижний – к плюсу.
Если бы наша батарейка была бы идеальным источником напряжения (с нулевым внутренним сопротивлением), то при усердной работе с тумблером мы получили бы приблизительно такой график напряжение на нагрузке, как на рисунке (полагаем, что время переключения нашего тумблера много меньше длительности импульсов и все другие компоненты и цепи идеальны).
На этой осциллограмме для нас важно лишь то, что в таком инверторе размах напряжения на нагрузке равен удвоенному напряжению питания.
Понятно, что с практической точки зрения такая простая конструкция инвертора малополезна. Вряд ли кто-нибудь сможет переключать тумблер так быстро и усердно, чтобы расплавить металл или закалить лезвие кинжала. Такая простая модель инвертора нам понадобилась лишь для того, чтобы подчеркнуть, что любой инвертор, по сути, является лишь переключателем, позволяющим по-разному подключать нагрузку к источнику напряжения. Так, чтобы на нагрузке получалось переменное напряжение.
Что же выполняет роль тумблера в настоящем современном инверторе? Эту функцию выполняют полупроводниковые ключи, которые в настоящее время по своим параметрам уже достаточно близки к идеальным выключателям. Наиболее популярны из них полевые или биполярные транзисторы с изолированным затвором. Первые называются MOSFET, а вторые – IGBT. Литературы, посвященной описанию этих полупроводниковых приборов, огромное количество. Ссылки на пару хороших, обстоятельных книг приведены в списке литературы [8, 9]. Физические явления, происходящие во время работы полупроводниковых ключей, довольно сложны, но для понимания основных процессов, происходящих в самом инверторе, вполне достаточно представлять эти транзисторы, просто как ключевые элементы, имеющие, в зависимости от напряжения на затворе, два состояния: открытое (ключ замкнут) или закрытое (ключ разомкнут). В таблице, представленной ниже, приведены значения сопротивления открытого и закрытого состояний нескольких транзисторов фирмы International Rectifier (IR).
Кстати отметим, что все перечисленные в таблице транзисторы имеют встроенные сверхбыстрые сильноточные обратные диоды. Это избавляет от необходимости устанавливать какие-либо дополнительные возвратные диоды.
Итак, из таблицы легко видеть, что открытый ключ имеет сопротивление порядка десятых долей Ома, а закрытый – порядка десятком МОм. Этот факт дает возможность рассматривать полупроводниковый ключ действительно как идеальный выключатель, зашунтированный возвратным диодом:
Такая модель вполне адекватна при описании многих процессов в инверторе.
Идем дальше. Поскольку полупроводниковые ключи могут иметь только два состояния (открыт/закрыт), то каждую переключающую группу контактов тумблера можно реализовать лишь с помощью пары полупроводниковых ключей. В результате схема нашего инвертора трансформируется так, как показано на рисунке слева, или, в более традиционном представлении – справа.
Такая конфигурация (или, как говорят – топология) инвертора называется мостом. Таковым она и является и по сути - к одной диагонали моста подключено питание, а к другой – нагрузка. Каждое плечо моста содержит по одному ключу. Ключи противоположных плеч моста включаются/выключаются синхронно. Таким образом, мост имеет три состояния:
- Все ключи закрыты. При таких условиях ток нагрузки замыкается через возвратные диоды.
- Ключи S1.1 и S2.2 открыты, а S1.2 и S2.1 закрыты. В такой ситуации нагрузка подключена левым выводом к плюсу источника питания, а правым – к минусу (см. обозначения на рисунке справа сверху).
- Ключи S1.1 и S2.2 закрыты, а S1.2 и S2.1 открыты. В этом случае наоборот – левый вывод нагрузки подключен к минусу источника питания, а правый – к плюсу.
Из достоинств мостовой схемы следует отметить то, что размах напряжение на нагрузке равен удвоенному напряжению питания, что позволяет получать в два раза большую мощность, чем при использовании других топологий (при использовании одинаковых ключей). К недостаткам можно отнести относительно большое количество используемых ключей (четыре) и необходимость применения развязывающих устройств при подключении заземленной нагрузки.
В следующем сообщении мы рассмотрим топологию инвертора, содержащую меньшее количество ключей и позволяющую, в частности, работать с заземленными нагрузками.
---------------------------------------------
Оглавление