Транзисторные инверторы: характеристики, структурные схемы, рекомендации по применению

Определение и назначение

Преобразователем электрической энергии является устройство, которое связывает две (или более) электрические системы с отличающимися друг от друга параметрами и позволяет по заданному закону изменять эти параметры, обеспечивая обмен электрической энергией между связуемыми системами [1].

Полупроводниковые преобразователи (электронные трансформаторы), связывающие системы переменного и постоянного тока и преобразующие постоянное напряжение в переменное, называются инверторами.

Широкое применение транзисторов в изделиях силовой преобразовательной техники, где традиционно использовались тиристоры, привело к разработке новых схем силового контура преобразователей. В транзисторных инверторах существуют большие возможности для варьирования спектральным составом формируемого напряжения или частотной характеристикой фильтра с целью получения максимальной удельной мощности инвертора, хотя в силу специфики принципа действия инверторов их удельные мощностные характеристики в 2-4 раза меньше аналогичных показателей преобразователей с постоянными выходными напряжениями. Это объясняется следующими причинами: выполнены они могут быть исключительно по мостовым схемам, что удваивает статические потери; почти во всех случаях в инверторе необходим силовой трансформатор на частоте выходного напряжения; силовые транзисторы инвертора на полную величину тока используются только кратковременно [2].

Разработанные в последние годы и непрерывно совершенствующиеся силовые МДП-транзисторы могут управляться непосредственно от логических микросхем с низким уровнем выходного тока и напряжения без каких-либо промежуточных усилителей и трансформаторов, что резко упрощает задачи построения блоков управления. Интенсивное развитие микроэлектронной схемотехники позволяет реализовать управление преобразователем на основе интегральных микросхем с большой и сверхбольшой степенями интеграции вплоть до однокристальной микроЭВМ [3].

Транзисторные инверторы необходимы для обеспечения функционирования электронных систем автоматики и вычислительной техники, телекоммуникационных систем, устройств управления электродвигателями переменного напряжения, включая применение в качестве аварийных источников питания при наличии первичной сети переменного тока.

Первые транзисторные преобразователи были разработаны более 50 лет назад. За прошедший период вопросы построения транзисторных преобразователей и входящих в их состав элементов проработаны достаточно глубоко.

В данной статье рассмотрены транзисторные преобразователи фирм XP Electronics (прежнее название — Zicon Electronics, в настоящее время — подразделение фирмы XP) и Magnetek, наиболее полно отражающие передовые решения для этого типа изделий. Представлены их основные параметры, функциональные особенности, структурные схемы, даны рекомендации по применению данных преобразователей в энергетических системах.

Инверторы DC/AC серии DA фирмы XP Electronics

Такие изделия энергетической электроники фирмы XP Electronics (Великобритания), как преобразователи AC/DC и DC/DC, регуляторы процессов заряда-разряда аккумуляторных батарей, регуляторы напряжения, уже известны российским специалистам [4]. В 2003 году фирма начала производство инверторов-преобразователей серии DA в разных конструктивных исполнениях: шасси с кожухом, 19" сменные блоки формата 6U (Евромодули). 

Внешний вид DC/AC-преобразователей показан на рис. 1 и 2, основные технические характеристики инверторов-преобразователей серии DA приведены в табл. 1.

Функциональная схема инвертора серии DA, преобразующего нестабильное напряжение постоянного тока в стабилизированное (в том числе, и по частоте) однофазное напряжение переменного тока, приведена на рис. 3. 

Условные обозначения: 1 — Входной предохранитель. Защита от пускового тока (для моделей с входными напряжениями 35 В и выше). Входной фильтр. 2 — Двухтактный преобразователь (50 кГц). 3 — Схема вспомогательного источника напряжения, обеспечивающего напряжениями питания (11 В) узлы схем управления, защиты и индикации. 4 — Светодиодный индикатор состояния входного напряжения (INPUT OK). Схема защиты от перегрева и уменьшения/увеличения входного напряжения за пределы допуска. 5 — Схема запуска и управления двухтактного преобразователя, обеспечивающая затяжной пуск, бестоковую паузу («мёртвое» время), синхронизацию, защиту от перегрузки по току. 6 — Входы дистанционного включения/выключения (по заказу). 7 — Стабилизированный источник вспомогательного напряжения с номиналом 12 В (формируется при работе конвертора). Источник напряжения, управляющего скоростью вращения охлаждающего вентилятора. 8 — Схема отключения при перенапряжении и светодиодный индикатор состояния выходного напряжения. Реле аварийного состояния выходного напряжения (по заказу). 9 — Быстродействующий/усредняющий детектор для блокирующего реле (высокий и низкий пороги). 10 — Удвоитель напряжения и выпрямитель 260-380 В постоянного тока (или 160-230 В для выходного напряжения 115 В переменного тока). 11 — Импульсный повышающий преобразователь вспомогательного напряжения (20 В). 12 — Стабилизированный источник вторичного напряжения (номинальное значение 11,5 В). 13 — Схема измерения выходного напряжения для обеспечения защиты от перенапряжения и сигнализации о статусе выходного напряжения (OUTPUT OK). 14 — Схема измерения выходного напряжения или напряжения блокировки для статического переключателя (по заказу). 15 — Импульсный повышающий преобразователь 440 В постоянного тока для моделей с выходным напряжением 230 В переменного тока или 250 В постоянного тока для моделей с выходным напряжением 115 В переменного тока (80 кГц). 16 — Схема запуска и управления повышающего преобразователя с защитой от перегрузки по току и перенапряжения. 17 — Выходной мостовой каскад (20 кГц). 18 — Схема запуска мостового каскада с ограничением сквозных токов. 19 — Схема управления мостовым каскадом (формирование задержек, ШИМ, генератор тактовых импульсов). 20 — Схема измерения и контроля выходного тока. 21 — Преобразователь вспомогательного напряжения отрицательной полярности (–10 В, 20 кГц). 22 — Выходной предохранитель. Двухзвенный выходной фильтр и схема подавления электромагнитных помех. 23 — Усилитель сигнала ошибки по выходу. 24 — Генератор эталонного синусоидального напряжения. 25 — Предохранитель по входу блокировки и защитное реле обратной связи (по заказу).

На входе силового двухзвенного фильтра мостовой каскад формирует многоимпульсные последовательности. Силовой трансформатор входит в состав преобразователя постоянного напряжения, питающего мостовой каскад. При таком варианте построения инвертора достигаются высокие энергетические и массогабаритные характеристики.

Двухтактный мостовой каскад выполнен на полевых транзисторах с изолированным затвором — MOSFET. Мостовой каскад и силовой фильтр охвачены отрицательной обратной связью, которая обеспечивает высокие энергетические характеристики инвертора. Для достижения требуемой формы синусоидального выходного напряжения используется двухзвенный LC-фильтр переменного тока (дроссель выполнен на кольцевом сердечнике из МО-пермаллоя).

Вспомогательные напряжения формируются схемами на основе стабилизаторов напряжения LM317T с функцией регулирования выходного напряжения.

Схема импульсного повышающего преобразователя, имеющего рабочую частоту 80 кГц, тоже построена на основе MOSFET.

Двухтактный преобразователь входного напряжения выполнен по полумостовой схеме с рабочей частотой 50 кГц. В инверторах с большими выходными мощностями применяется преобразователь, построенный по мостовой схеме.

Входной LC-фильтр, защищающий источник питания от кондуктивных помех, состоит из дросселя, выполненного на Ш-образном ферритовом сердечнике, и четырёх конденсаторов 2,2 мкФ/400 В. Для ограничения тока зарядки входных электролитических конденсаторов применяется термистор, сопротивление которого уменьшается при увеличении температуры (Negative Temperature Coefficient). Входные цепи защищены двумя параллельно соединёнными предохранителями, которые установлены в положительной цепи и не подлежат замене при выходе из строя.

Инверторы серии DA по степени защиты от поражения электрическим током относятся к оборудованию класса I. В соответствии с этим защита от поражения электрическим током достигается применением основной изоляции и наличием средств подключения к защитному заземлению в проводке здания для тех токопроводящих частей, на которых может появиться опасное напряжение в случае пробоя основной изоляции. Для выполнения требования ГОСТ Р 50377-92 (MЭК 60950-86) по защите от поражения электрическим током шасси инвертора-преобразователя должно быть подключено к защитному заземлению, а один из полюсов входной или выходной цепей должен быть соединён с шасси (контакт PL1).

К достоинствам инверторов серии DA можно отнести следующее:

• стабилизация выходного напряжения с суммарной нестабильностью ±5% при изменении входного напряжения во всём допустимом диапазоне и изменении тока нагрузки в заданных пределах;

• коэффициент гармоник выходного напряжения менее 3% при нормальном режиме работы;

• индикация аварийных режимов (светодиод зелёного свечения INPUT OK, светодиод жёлтого свечения OUTPUT OK);

• пиковая мощность — до двух значений номинальной мощности (<1 с);

• относительно небольшие габаритные размеры (рис. 4 и рис. 5).
  
  
  
  

К достоинствам следует отнести и эксплуатационные характеристики этих инверторов:

• диапазон рабочих температур составляет от 0 до +45°С (снижение выходной мощности в два раза при +70°С);

• диапазон температур хранения лежит в пределах от –20 до +70°С;

• в рабочем состоянии допускаются виброперемещения до 0,05 мм (двойная амплитуда) в диапазоне частот 5…50 Гц и до 0,025 мм в диапазоне частот 50…100 Гц;

• в нерабочем состоянии лицевой поверхностью шасси выдерживается ударное воздействие, эквивалентное удару при падении с высоты 100 мм.

Для применения в условиях расширенного диапазона температур и конденсации влаги можно заказать такой вариант исполнения изделия, который имеет диапазон рабочих температур –20…+70°С (вариант «E»). Возможен заказ изделий с повышенной устойчивостью к воздействию механических факторов (вариант «M»): пиковое ударное воздействие 10g, виброускорение 3g (среднеквадратическое значение) в диапазоне частот 5…500 Гц.

Инверторы-преобразователи серии SLI фирмы Magnetek

Серия SLI (Slim Line Inverters – серия компактных инверторов) представляет собой новое поколение инверторов, предназначенных для применения в информационных системах, средствах автоматизации и телекоммуникаций. Благодаря новаторским техническим решениям, подобным запатентованной технологии исполнения силового трансформатора («Сompact Сoil»), которая определяет массу и объём инвертора, удалось «упаковать» выходную мощность 1500 В·А в лёгком (5,6 кг) и компактном (высота 1U) корпусе для 19" конструктива. На рис. 6 и 7 показан внешний вид инвертора серии SLI.

Серия SLI включает в себя четыре модели (табл. 2) для работы от источников постоянного напряжения 24 и 48 В с номиналами выходного напряжения 115 и 230 В переменного тока.

Интегрированный контроллер вместе со встроенным (по заказу) переключающим устройством (Static Transfer Switch – STS) обеспечивает гибкость и возможность модульного расширения для систем, которые действительно соответствуют принципу «включай и работай», без необходимости применения внешних компонентов – надо просто установить инверторы в количестве, обеспечивающем требуемую системе мощность. Кроме того, серия SLI имеет модели, пригодные для реализации режима «горячей» замены.

Инверторы серии SLI характеризуются высокими энергетическими показателями: значение кпд достигает 93% (макс.), а запатентованный алгоритм управления ограничивает уровни гармонических составляющих входного тока без применения громоздких дорогостоящих фильтров. Инвертор включает в свой состав микроконтроллер общего назначения, а также мощный внутренний цифровой сигнальный процессор фирмы Texas Instruments TMS320C2xx, которые делают возможными программирование основных параметров, легко реализуемое с помощью установленных на передней панели ЖК-дисплея и небольшой клавиатуры.

Таким образом, инверторы серии SLI являются интеллектуальными устройствами; их связь с внешними контроллерами обеспечивается коммуникационными интерфейсами RS-485 и СAN (по заказу).

Основные технические характеристики DC/AC-преобразователей серии SLI представлены в табл. 3.

Характерными особенностями компактных инверторов с выходной мощностью 1500 В·А являются следующие:

• новая компактная конструкция для монтажа в 19" конструктив (высота 1U, глубина 14,94", ширина 19");

• высокое значение кпд (до 93%);

• высокое качество выходного напряжения (синусоидальная форма выходного напряжения с коэффициентом гармоник менее 2%);

• возможность параллельного включения инверторов, равномерное распределение тока нагрузки и синхронизация многочисленных (до 99 штук) параллельно включённых инверторов;

• ЖК-дисплей на передней панели для контроля и установки основных параметров;

• возможность последовательного соединения в сети RS-485 и по заказу подключения к шине CAN;

• возможность реализации режима «горячей» замены (по заказу);

• наличие внутреннего автоматического переключающего (питание от сети или через инвертор) устройства   (по заказу).

Cиловой трансформатор, обеспечивающий гальваническую изоляцию и согласование номиналов входного и выходного напряжений, в большой мере определяет массу и объём инвертора. Он выполнен по запатентованной фирмой Magnetek технологии Compact Coil Transformer и характеризуется низкой индуктивностью рассеяния обмоток, хорошим потокосцеплением, а также высокой прочностью изоляции. Трансформатор Compact Coil Transformer соответствует жёстким требованиям по обеспечению ЭМС, диапазон его рабочих температур лежит в границах от –25 до +120°С. На рис. 8 представлен внешний вид силового трансформатора Compact Coil Transformer, а на рис. 9 — его сборочный чертёж.

Далее приведены основные характеристики силовых трансформаторов Compact Coil Transformer.

• Компактная конструкция, размеры 56×41×18 мм.

• Масса 60 г.

• КПД 98…99%.

• Рекомендованный диапазон частот: 20 кГц…1 МГц.

• Типовые применения в структурах:

• однотактная прямоходовая,

• однотактная обратноходовая,

• мостовая двухтактная,

• полумостовая,

• двухтактная.

• Варианты монтажа:

• горизонтальный,

• вертикальный,

• SMТ.

• Электрическая прочность изоляции до 3000 В (действующее значение), испытан в соответствии с требованиями ГОСТ Р 50377-92 (МЭК 60950-86).

• Тепловое контактное сопротивление системы «корпус-радиатор»: 1,3°C/Вт (односторонний теплоотвод), 1°C/Вт (двусторонний теплоотвод).

Полевые транзисторы с изолированным затвором MOSFET импульсного повышающего преобразователя управляются интегральными микросхемами IR2110S, которые характеризуются высоким значением импульсного выходного тока, что обеспечивает зарядку ёмкости «затвор-исток» силовых ключей за короткое время, а также возможностью формирования фиксированной паузы в управляющих сигналах для устранения сквозных токов в мостовом силовом каскаде. Выходной мостовой каскад выполнен на IGBT-транзисторах.

Для обеспечения нормального теплового режима работа инвертора применяется принудительный обдув четырьмя вентиляторами, установленными на задней стенке корпуса инвертора. Эти бесщёточные вентиляторы запитываются от внутреннего напряжения 12 В постоянного тока, ток потребления составляет 0,195 A. Для создания вентиляторами воздушного потока, требуемого для поддержания нормального теплового режима, необходимого обеспечить зазор, как минимум, 254 мм между задней стенкой инвертора и стенкой монтажного корпуса. Это связано с тем, что воздух всасывается через вентиляционные отверстия на передней панели и выдувается через отверстия в задней стенке корпуса инвертора.

На рис. 10 представлен пример применения инверторов серии SLI в системе электроснабжения телекоммуникационной аппаратуры. Упрощённая функциональная схема системы электроснабжения (рис. 10) показывает принцип организации бесперебойного питания напряжением переменного тока при помощи инвертора. Это решение интересно и тем, что оно обеспечивает очень низкий коэффициент гармоник выходного синусоидального напряжения, используемого для питания аппаратуры. Более подробная информация об особенностях применения инверторов серии SLI изложена в [5] и [6].

Заключение

Преобразователи постоянного напряжения в напряжение переменное синусоидальное (инверторы) фирм XP Electronics и Magnetek выполнены с использованием современных схемотехнических решений для силовых контуров. Применяемые в них схемы управления построены на базе интегральных микросхем с большой и сверхбольшой степенью интеграции. Эти инверторы характеризуются хорошими массогабаритными параметрами, качественным выходным напряжением, высокими показателями надёжности. Они способны функционировать от источников входной электроэнергии широкого спектра номиналов, что позволяет применять их в системах автоматики и вычислительной техники, в телекоммуникационных системах и др. ●

Литература

1. Полупроводниковые преобразователи электрической энергии/ А. Крогерис, К. Рашевиц, Л. Рутманис и др.; Под ред. А. Крогериса. — Рига: Зинатне, 1969.

2. Микроэлектронные электросистемы. Применения в радиоэлектронике/ Ю.И. Конев, Г.Н. Гулякович, К.Н. Полянин и др.; Под ред. Ю.И. Конева. — М.: Радио и связь, 1987.

3. Моин В.С. Стабилизированные транзисторные преобразователи. — М.: Энергоатомиздат, 1986.

4. Жданкин В.К. Устройства силовой электроники фирмы Zicon Electronics// Современные технологии автоматизации. — 2000. — № 1. — С. 6-25.

5. SLI Telecom Inverter — Installation Manual Rev. A. Italy: Magnetek S.p.A, 2003 Nov.

6. SLI 1.5Kw Telecom Inverter User’s Guide Rev. A. Italy: Magnetek S.p.A, 2003 Nov.

 

В.К.Жданкин — сотрудник фирмы ПРОСОФТ
119313 Мо ск ва, а/я 81
Телефон: (095) 234-0636
Факс: (095) 234-0640
E-mail: victor@prosoft.ru