Инвертори DC/AC

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 5, 2008

Инвертори DC/AC

Принцип на работа, параметри, модули, транзистори и интегрални схеми

Стефан Куцаров

Не са редки случаите, когато се налага устройства с мрежово захранване да се използват при наличие само на постоянно напрежение (от акумулатор, от слънчеви батерии). От друга страна електрическата мрежа не е напълно сигурен източник на напрежение. Многобройни са причините за краткотрайни или продължителни прекъсвания на електрозахранването, които могат да имат сериозни последици – загуба на текуща информация, отпадане на охранителни функции, нарушаване на технологичен процес и дори фатален изход при животоподдържащи медицински апаратури. Избягването на това се постига чрез аварийно захранване, чиито корени са в началото на миналия век. Някои от неговите принципи са запазени и до днес, но реализацията им се осъществява с най-модерните средства на електрониката.

В статията се разглежда принципът на действие на инверторите DC/AC (DC/AC Inverter, DC/AC Converter), които реално представляват преобразуватели на постоянно в променливо напрежение, техните параметри, транзисторите и интегралните схеми за реализацията им, както и серийно произвеждани модули, устройства и системи. Дадени са и характерни приложения.

Принцип на действие

Основната функция на инверторите е да преобразуват постоянно напрежение в променливо, като последното обикновено е по-високо от постоянното. Към нея обикновено се прибавя стабилизацията на променливото напрежение и различни защити. Съществуват два принципа за преобразуването. При първия постоянното напрежение веднага се преобразува в променливо и след това чрез трансформатор (обикновено повишаващ) се получава желаната стойност на променливото напрежение. Предимство е сравнително простата и евтина схема на инвертора, а недостатък - значителните размери на трансформатора (той е за 50 Hz), които нарастват с изходната мощност. Вторият принцип се състои в първоначално повишаване на постоянното напрежение чрез схеми, подобни на повишаващите ключови стабилизатори, след което се извършва преобразуването в променливо напрежение. Тук се избягва поставянето на трансформатор в изхода на инвертора, но схемата е по-сложна и скъпа. За да има галванично разделяне между изхода и входа, в тези инвертори е необходимо повишаващият стабилизатор също да съдържа трансформатор (той е малък заради работната честота от няколко десетки kHz).

Основната схема на често използваните полумостови инвертори е дадена на фиг. 1а и тя работи според първия принцип, като формата на изходното й напрежение е на фиг. 1б. Последната се различава от синусоидата и е характерна за първия и най-масово използван тип псевдосинусоидални инвертори DC/AC (Modified Sinewave DC/AC Inverter). Постоянното напрежение UIN захранва блока O+D, който съдържа генератор на правоъгълни импулси и драйвери за управление на MOS транзисторите. Честотата на импулсите е и тази на изходното напрежение, която обикновено е мрежовата честота. За осигуряване на достатъчна нейна стабилност блокът съдържа кварцов генератор и делител на честота. При отпушване на Тр1 практически цялото напрежение UIN се прилага на горната половина на първичната намотка на трансформатора, през която протича ток и се индуцира напрежение във вторичната намотка (импулсът Т1 на фиг. 1б). По време на отпушването на транзистора Тр2 напрежението UIN е върху долната половина на първичната намотка, токът през която обуславя напрежение във вторичната намотка с обратна полярност. Продължителността на импулсите ti се подбира така, че средноквадратичната стойност на изходното напрежение да е равна на nUIN/Ц2 (както при синусоидално напрежение). За осигуряване на стабилно изходно напрежение се използва блокът REG. При промяна на UIN и/или на изходния ток Io блокът изменя в необходимата посока продължителността ti на импулсите, което е известната широчинноимпулсна модулация (PWM). Например при увеличаване на Io изходното напрежение се "опитва" да намалее и блокът REG компенсира това чрез по-дълги импулси. В това е основният недостатък на инверторите с тази схема, тъй като при товари с много голям пусков ток (например електродвигател за задвижване на помпи и компресори) те автоматично се изключват. Съществуват схеми с плавен старт (Soft Start), при които вместо изключване чрез блока се установява максималният изходен на инвертора и при пускане на електродвигателя изходното напрежение намалява.

При превключване на товари с голямо индуктивно съпротивление (мощни електродвигатели, някои луминесцентни лампи) получените отскоци на напрежението във вторичната намотка на трансформатора се прехвърлят в първичната. При отпушен един от транзисторите това е безопасно, тъй като той ги дава накъсо. Между импулсите и двата транзистора са запушени и отскоците могат да ги повредят. Това се избягва чрез отпушване на един от стабилитроните D2 и D3 в зависимост от полярността на отскока. Независимо от обезопасяването на инвертора, захранването на товари с голямо индуктивно съпротивление не е възможно, тъй като за включването им към инвертора във времето между два импулса е необходима по-голяма енергия от натрупаната в трансформатора. Когато за подобряване на cosj има кондензатор той консумира голям ток от инвертора и също може да го претовари. Изходното напрежение на фиг. 1а може да се регулира чрез промяна от блока O+D на продължителността ti на импулсите (по-къси импулси – по-малко напрежение).

Блокът ON/OFF се поставя само в някои инвертори, за да ги изключва (прекратяват се импулсите от O+D) при липса на товар и да се избягва излишната консумация от източника на UIN.

От фиг. 1а се вижда, че липсва познатият от устройствата с батерийно захранване последователен диод, който предпазва инвертора от UIN с обратна полярност. Това е направено поради загубата на енергия в диода и намаляване на к.п.д. на инвертора. За същата цел тук се използват диодът D1 и предпазителят F, като при правилна полярност D1 е запушен. При отрицателно UIN той се отпушва и предпазителят изгаря. Това е не само неудобно, но и крие опасност диодът да изгори преди предпазителя и инверторът да остане незащитен, поради което в много случаи не се поставя никаква защита. Всичко това налага повишено внимание при свързване на инвертора към UIN.

Съществуват много разновидности на фиг. 1а, например блокът O+D може да бъде реализиран с цифрови или със специализирани ИС, да се използват няколко успоредно свързани MOS транзистора във всяко рамо, вместо тях да има мощни биполярни транзистори, включително съставни за улесняване на управлението им.

Друг масово използван вид са мостовите инвертори (H-Bridge Inverter), основната схема на които (с MOS транзистори с индуциран канал) е дадена на фиг. 2. Тя също работи според първия принцип, като тук O+D осигурява на изходите си G1 и G2 различни логически нива. При високо ниво от G1 (напрежение UIN) се отпушва NMOS транзисторът TN1 и същевременно ниското логическо ниво от G2 (приблизително 0 V) отпушва PMOS транзистора ТР2. Резултатът е протичане на ток по веригата UIN-ТР2-точка b-точка а-TN1-маса и индуциране на напрежение с определена полярност във вторичната намотка на трансформатора. При смяна на логическите нива на двата изхода на O+D се отпушват ТР1 и TN2 и токът през първичната намотка е от точка а към точка b, т.е. във вторичната се получава променливо напрежение u~ със същата или подобна форма на дадената на фиг. 1б.

Използването на MOS и биполярни транзистори е ограничено до инверторите с неголеми мощности. За увеличаване на мощността вместо тях се използват биполярни транзистори с изолиран гейт (IGBT) и тиристори с изключване от гейта (GTO).

Съществуват и трифазни инвертори, реално представляващи три еднофазни инвертора с подходящо управление за осигуряване на необходимата фазова разлика от 120° между изходните напрежения. Обикновено те са за голяма мощност, а една от схемите е дадена на фиг. 3. Тя се захранва от батерия с достатъчно голямо постоянно напрежение Vs и всяка от фазите й е мостов инвертор с IGBT. Напрежението Vs се разделя на две от кондензаторите Cu и Cl, а диодите Dcu и Dcl осигуряват верига за тока през товара в интервалите от време, когато четирите транзистора на фазата са запушени. Според времедиаграмата долу вляво всяка двойка транзистори е отпушена през по-малко от 1/2 от периода на изходното напрежение, но има инвертори без разстояние между положителните и отрицателните импулси.

Смяната на състоянието на транзисторите в разгледаните схеми се извършва при наличие на напрежение върху тях, което скъсява експлоатационния им срок. За превключване при приблизително нулево напрежение се използват резонансни инвертори, които изискват включване между изхода и товара им на последователен трептящ кръг, намиращ се в резонанс с тяхната честота.

Предимствата на разгледаните дотук псевдосинусоидални инвертори са съпроводени с недостатъка от наличието на много хармонични в изходното напрежение. Съществуват товари, например звуковъзпроизвеждащи системи, медицински апаратури, димери и др., за които тези големи хармоници са недопустими. Това е причината за съществуването на синусоидални инвертори (Pure Sine DC/AC Inverter), чието изходно напрежение като правило е с нелинейни изкривявания THD до 2-5%.Обикновено те се реализират като в изхода на псевдосинусоидален инвертор се постави нискочестотен LC филтър, но това означава усложняване и оскъпяване на схемата. Структурата на подобен инвертор е дадена на фиг. 4. Тя е аналогична на фиг. 2, но са използвани IGBT, а диодите D1-D4 ги предпазват от обратни напрежения при индуктивни товари. В схемата бобините L1 и L2 заедно с кондензатора С образуват споменатия филтър, блокът O+D е означен като control+PWM и връзката му с транзисторите е чрез оптрони. Резисторът R1 връща към блока напрежение, пропорционално на изходния ток, което се използва за защита от претоварване.

Специфични параметри

Те се разделят на две основни групи. Първата се отнася до входа на инвертора и включва постоянното входно напрежение (DC Input Voltage) VIN с типична стойност (в зависимост от предназначението) между 3 и 220 V. Дават се и допустимите граници или толерансът на напрежението. Вместо VIN може да се задава максималният входен ток (Maximum Input Amps) IIN и максималната входна мощност (Maximum Input Watts) PIN.

Втората група са параметрите, свързани с изхода. Тук е максималната изходна мощност (Output Power) Pnom, давана във W или VА (мощността във W е с около 20% по-малка от тази във VА) и имаща твърде широки граници – от няколко VА до няколко десетки kVA. Допустимото й надхвърляне (Overload Capacity) OLC е свързано с неговата продължителност, например 125% за 10 min и 150% за 1 min. В част от инверторите се налага изключването им за определено време след претоварване с цел охлаждане – това време се дава в каталога. Вместо мощността нерядко като параметър се използва максималният изходен ток (Output Current) Irms. Стойността на изходното напрежение (AC Output Voltage) Vrms не е задължително 220 V – има инвертори и с други стойности, например между няколкостотин волта и 2 kV при използваните за продсветка на LCD. Както при всеки захранващ блок (например токоизправителите и постояннотоковите стабилизатори) изходното напрежение намалява с увеличаване на изходния ток, което в каталога може да бъде дадено като графика или изяснено с текст. Затова често като параметър се предпочита напрежението на празен ход.

Подобно на електрическата мрежа в някои инвертори се задава стабилността на изходното напрежение (Output Regulation), например ±10%. Честотата на изходното напрежение (Output Frequency) fOUT зависи от предназначението на инвертора - тя е 50 Hz за осигуряващите мрежово напрежение и няколко десетки kHz за предназначените за LCD. Нейната стабилност (Frequency Stability, Output Frequency Regulation) също е параметър и представлява най-голямата относителна промяна 100Df0/f0 със стойности между стотни от % до десетина %. Тъй като честотата зависи от VIN, в някои каталози се дава съответната графика.

Важно значение за нормалната работа на голяма част от инверторите имат допустимите стойности на cosj на техния товар (Load Power Factor). Максималната положителна стойност (Lag) при капацитивен товар и максималната отрицателна стойност (Lead) могат и да бъдат различни. Максимално допустимият коефициент на фoрмата (Crest Factor) на изходното напрежение се отнася за свързване на индуктивен товар и обикновено е около 3:1.

Коефициентът на полезно действие (Efficiency) h e не по-малък от 80%, но може да е и над 90%. Като параметър в някои каталози се дава и типичното средно време до първия отказ (MTFB), което характеризира надеждността на инвертора и е в границите от 50 000 до 250 000 h (последното означава непрекъсната работа в продължение на 28 години).

Транзистори и ИС

Към транзисторите, използвани в инверторите DC/AC, няма специфични изисквания и подборът им се прави в зависимост от параметрите на инвертора по същия начин, както в други електронни устройства. Независимо от това много производители отбелязват в раздела приложения на каталога на транзистора, че той може да се използва и за инвертори DC/AC. Характерен пример са високоволтовите биполярни транзистори 2SD1187 и 2SC5458 на Toshiba и ZTX652, ZTX851 и ZTX869 на Zetex, като последните са особено подходящи за захранване на луминесцентни лампи в аварийно осветление.

Не така стои въпроса с ИС, които може да са специализирани и предназначени само за определен тип инвертори или да са универсални. Пример за последните е таймерът тип 555, чрез който може да се реализира генераторът (например с честота 50 Hz) в блока O+D на фиг. 1а и фиг. 2. Специализираните ИС са основно за захранване на електролуминесцентни лампи и на флуоресцентни лампи със студен катод (CCFL) и се означават като EL Lamp Driver или CCFL Driver. Използват се за подсветка на LCD, клавиатури и други подобни случаи. Като пример на фиг. 5 е дадена структурата на ИС SP4425 заедно с външните елементи. Честотата fBOOST на вградения генератор на правоъгълни импулси OSС се задава чрез кондензатора между извод 1 и маса и при дадения капацитет е 25,6 kHz. Напрежението на генератора постъпва на повишаващ преобразувател DC/DC, образуван от вградения биполярен транзисторен ключ и външните бобина, диод и кондензатор CINT. Мостът от двата тиристора и двата биполярни транзистора преобразува това постоянно напрежение в променливо с честота fCOIL/64, осигурена от делителя FF1-FF6 и типична амплитуда 190 V между изводи 5 и 6. Основните параметри на ИС са в табл. 1. Със същото предназначение е МАХ4990 на Maxim, но тя има допълнителен извод за регулиране на изходното напрежение и съответно на силата на светлината на лампата чрез постоянно напрежение или правоъгълни импулси с PWM.

На фиг. 6 е показан резонансен инвертор за CCFL с ИС UCC3976 на Texas Instruments, някои данни за която има в табл. 1. Последователният трептящ кръг е образуван от бобината LRES и капацитета на пиезокерамичния трансформатор PIEZOXFMRfOUT и честотата на изходното напрежение се задава чрез външните елементи ROSC, COSC и RANGE, а за подържането на амплитудата му е въведена обратна връзка чрез RFB. Подобни са UCC3975 и UCC3977, но те са предназначени за други свързвания на външните MOS транзистори. Друга ИС със същото предназначение е UCC3973 с параметри в табл. 1. Чрез тази ИС се реализират резонансни инвертори с възможност за автоматично изключване при липса на товар.

За управление на полумостова и мостова схема с MOS транзистори може да се използва драйверът HIP4082 на Intersil. Той работи със захранващо напрежение между +8,5 и + 15 V и консумира 2,6 mA. Изключването на транзистор се прави преди включването на предния, като типичното време на закъснение е 4,7 ms. Драйверът може да се използва за управление на електродвигатели и в непрекъсваеми захранвания (UPS).

Модули

Представляват печатни платки или малки блокове за вграждане. Голяма част от тях са предназначени за осигуряване на необходимото високо напрежение на CCFL в подсветката на LCD в компютри, телевизионни приемници, индустриални системи за управление и медицински апаратури. Нерядко изходното напрежение може да се регулира за получаване на желана сила на светлината, което и тук се нарича димиране (Dimming). Действието на този тип модули се изяснява чрез опростената схема на инвертора LXMG61617A-05-61 на Microsemi, дадена на фиг. 7. Свързването на трансформатора и неговия драйвер е аналогично на фиг. 1а. Чрез веригата OCsense се следи токът във вторичната намотка да не надхвърли максимално допустимия (при по-голям сърцевината на трансформатора ще се насити). Чрез аналогичната верига Isense се следи токът на CCFL и така тя се предпазва от повреда, а OVsense е за подържане на неизменно изходно напрежение на модула. Генераторът на линейно изменящо се напрежение RampGen и компараторът са класическа схема за получаване на правоъгълни импулси с PWM. Техният коефициент на запълване и пропорционалното му изходно напрежение на модула се регулират чрез постоянно напрежение (както е показано на фиг. 7) или PWM импулси на входа VBRITE или чрез свързване на потенциометър между него и маса. Чрез оставяне на изводи SET1 и SET2 свободни или свързването им към маса се задават максимални стойности на изходния ток на модула 5, 6, 7 и 8 mA. Основните параметри на този модул заедно с тези на други модули са дадени в табл. 2, а на фиг. 8 е външният вид на PIA04RB-03x-x на Phihong. Този тип инвертори са с MTBF = 50 000 часа. Трябва да се има предвид, че съществуват модули (например серия LXMG181X на Microsemi), към чийто вход за димиране може да свърже сензор за светлина, при което силата на подсветката автоматично се регулира в зависимост от околната осветеност. В табл. 2 са намерили място и инвертори за захранване на флуоресцентни дисплеи, използвани например в касови апарати. Спецификата на тези дисплеи налага инверторът да осигурява променливото отоплително напрежение Ef със съответния ток If и постоянното анодно напрежение Ua, като в част от дисплеите то е отрицателно.

Прибори

Оформени са в самостоятелна кутия или шкаф с габарити право пропорционални на POUT и са псевдосинусоидални и синусоидални. Тези с POUT над около 500 W обикновено са снабдени с допълнителни схеми за гарантиране на сигурната им работа – аларма и/или автоматично изключване при UIN под определена стойност, изключване при надхвърляне на друга стойност или превишаване на температурата във вътрешността на прибора. Често приборите се предлагат като серии с различно UIN (например 12, 24 и 48 V) и приблизително еднакви останали параметри. Допустимите граници на околната температура са твърде различни, а значителното нагряване при POUT над около 1 kW налага вграждането на вентилатор. Част от моделите с UIN = 12 V са предназначени за използване в автомобили, поради което имат жак за свързване към гнездото за запалка. По-голямата част от останалите модели са с класическото оформление за хоризонтален монтаж, но има и такива за монтиране на стена.

Многобройните приложения за захранване на компютри или свързани с тях прибори са причината някои инвертори да имат и USB порт. За улесняване на ползването има модели с дистанционно управление, което обикновено дава и индикация за състоянието на инвертора (включен или не). Примери са PM-1800L-48 в табл. 4. Съществуват модели с възможност за установяване на UOUT на произволна стойност или на няколко фиксирани стойности в определени граници. Произвеждат се, макар и сравнително малко, инвертори с възможност за задаване на честотата fOUT, една от стойностите на която е 400 Hz (СТР6000 в табл. 5).

В табл. 3 са дадени основните параметри на псевдосинусоидални еднофазни инвертори, в табл. 4 – на синусоидални еднофазни и в табл. 5 – на трифазни инвертори.

Електропреносни системи

Бързо развиваща се и перспективна област са високоволтовите постояннотокови преносни мрежи (High Voltage Direct Current) HVDC, изграждани от компании като Siemens, ABB и др. В края на всяка мрежа има подстанция с инвертори DC/AC и изход към класическа електрическа мрежа. Големите мощности се осигуряват както чрез използването на IGBT и GTO, така и на мощни електронни лампи. Разработват се и нови мощни полупроводникови прибори и нови принципи за реализация на инверторите като тези с превключваеми кондензатори (Capacitor Commutated Converter).




ЕКСКЛУЗИВНО

Top