Инверторы на транзисторах широко применяются в промышленности и быту для преобразования постоянного тока в переменный. В этой статье мы подробно разберем устройство и принцип работы таких инверторов, рассмотрим различные типы транзисторов, применяемых в инверторах, и методы расчета основных параметров.
Назначение и принцип работы инвертора на транзисторе
Инвертор на транзисторе предназначен для преобразования постоянного напряжения в переменное. Основными областями применения таких инверторов являются:
- Сварочные аппараты
- Источники бесперебойного питания
- Системы solar-инверторов для фотоэлектрических станций
- Регуляторы скорости вращения электродвигателей
- Источники питания для радиоэлектронной аппаратуры
Принцип работы инвертора основан на использовании полупроводниковых приборов, в качестве которых чаще всего применяются транзисторы. Путем периодического открытия и закрытия транзисторов происходит преобразование постоянного напряжения в переменное. Наиболее распространены два типа схем инверторов:
- Мостовая схема, в которой используются четыре транзистора, соединенные по мостовой схеме.
- Полумостовая схема, в которой используются два транзистора.
При работе инвертора транзисторы поочередно открываются и закрываются, пропуская ток через нагрузку то в одном, то в другом направлении. Таким образом формируется переменное напряжение на нагрузке с заданными параметрами.
Требования к транзисторам в инверторах
Транзисторы в схеме инвертора работают в режиме ключа, периодически открываясь и закрываясь. К ним предъявляются следующие основные требования:
- Высокая частота переключения, до десятков кГц
- Большие импульсные токи и напряжения
- Минимальные потери при переключении
- Высокая теплопроводность
- Высокая надежность и стабильность параметров
Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют следующие типы транзисторов, применяемые в современных инверторах:
- Биполярные транзисторы (BJT)
- Полевые транзисторы (MOSFET)
- IGBT транзисторы
Далее мы подробнее рассмотрим особенности и применение каждого из этих типов транзисторов в инверторах.
Bipolar junction transistor (BJT) в инверторах
Биполярные транзисторы (BJT) долгое время были основным типом транзисторов, применявшихся в инверторах. Они обладают рядом преимуществ:
- Низкая стоимость
- Высокие рабочие частоты
- Хорошая линейность
Однако у BJT есть и существенные недостатки для применения в инверторах:
- Большое падение напряжения в открытом состоянии (до 1-1.5 В)
- Медленное выключение из-за накопления заряда в базе
- Низкая теплопроводность
- Подверженность эффекту вторичной проводимости
Поэтому в настоящее время биполярные транзисторы в чистом виде реже используются в инверторах, а чаще применяются в гибридных схемах совместно с MOSFET или IGBT транзисторами.
MOSFET транзисторы в инверторах
MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) - полевые транзисторы с изолированным затвором. Этот тип транзисторов обладает рядом преимуществ для использования в инверторах:
- Очень низкое сопротивление в открытом состоянии (доли Ом)
- Высокая скорость переключения (до 10 нс)
- Лучшая теплопроводность по сравнению с BJT
- Отсутствие эффекта вторичной проводимости
Однако MOSFET имеют ограничение по максимальному напряжению (до 1 кВ) и току (сотни А). Поэтому для мощных инверторов (>10 кВт) обычно применяются IGBT транзисторы.
MOSFET часто используются в компактных низкомощных инверторах, а также в гибридных схемах совместно с IGBT транзисторами.
IGBT транзисторы в инверторах
IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor) - биполярный транзистор с изолированным затвором. Это гибридная структура, совмещающая достоинства MOSFET и BJT:
- Высокое входное сопротивление и низкие потери при переключении как у MOSFET
- Низкое насыщенное падение напряжения и высокий уровень тока как у BJT
Благодаря этому IGBT транзисторы способны коммутировать большие токи и напряжения с высокой частотой, что делает их идеальными для использования в мощных инверторах.
Основные преимущества IGBT:
- Рабочие напряжения до 6,5 кВ
- Токи до нескольких сотен А
- Минимальные потери при переключении
- Высокая надежность и стабильность
IGBT транзисторы применяются практически во всех современных мощных инверторах мощностью от десятков киловатт и выше.
Тиристоры и другие полупроводниковые приборы в инверторах
Помимо транзисторов, в инверторах иногда применяются тиристоры и некоторые другие полупроводниковые приборы.
Тиристоры обладают очень низким сопротивлением в открытом состоянии, что позволяет им пропускать большие токи. Однако у них есть существенный недостаток - невозможность принудительного выключения. Поэтому тиристоры используются довольно редко, в основном в низкочастотных высоковольтных инверторах.
Иногда в инверторах применяются диоды Шоттки. Они обладают очень быстрым временем восстановления обратного сопротивления и минимальным падением напряжения в прямом направлении. Это позволяет уменьшить потери и повысить КПД инвертора.
Схемы инверторов на транзисторах
Рассмотрим основные схемы инверторов на транзисторах:
- Полумостовая схема инвертора состоит из двух транзисторов, конденсатора в цепи питания и нагрузки. Она обеспечивает преобразование постоянного напряжения в переменное, но амплитуда выходного напряжения вдвое меньше входного.
- Мостовая схема инвертора содержит четыре транзистора, соединенных по мостовой схеме. Такая схема позволяет получить на нагрузке переменное напряжение с амплитудой, равной входному постоянному напряжению.
- Параллельные схемы инверторов используют параллельно включенные транзисторы в каждом плече для увеличения мощности. Число параллельных транзисторов может достигать десятков.
- Каскадные схемы применяются в инверторах очень большой мощности. В них используется несколько инверторных каскадов, соединенных последовательно или параллельно.
Расчет параметров инвертора на транзисторе
При проектировании инвертора на транзисторах необходимо произвести расчет его основных параметров:
- Мощность инвертора
- Токи и напряжения в цепях инвертора
- Необходимое число транзисторов и их параметры
- Параметры реактивных элементов схемы
- Параметры системы управления и защиты
Расчет параметров инвертора производится на основании требований к нагрузке с учетом коэффициентов пульсаций, надежности, КПД и других факторов. Рассмотрим методику расчета на конкретном примере.
Практический пример расчета инвертора на IGBT транзисторах
Рассчитаем параметры мостового инвертора на IGBT транзисторах по заданным требованиям:
- Мощность нагрузки - 10 кВт
- Входное напряжение - 300 В постоянного тока
- Выходное напряжение - 220 В переменного тока
- Частота - 50 Гц
По формулам рассчитываем токи, напряжения, мощности транзисторов, значения реактивных элементов. Подбираем подходящие IGBT модули и радиаторы для отвода тепла. Рассчитываем систему управления на основе силовых драйверов и микроконтроллера.
В результате получаем полные параметры всех элементов схемы, позволяющие собрать работоспособный инвертор заданной мощности.
Проверка и тестирование транзисторов инвертора
При эксплуатации инвертора важно периодически проверять исправность его транзисторов.
Для биполярных транзисторов можно измерить статические параметры (коэффициенты передачи тока и напряжения) в режимах отсечки, насыщения и активной области. Значительное отклонение параметров будет свидетельствовать о неисправности транзистора.
Для MOSFET и IGBT транзисторов измеряют сопротивление открытого канала, статические потери, пробивные напряжения. Можно также осциллографировать форму токов и напряжений при переключении транзистора и оценить скорость нарастания тока и напряжения.
Проверка транзисторов позволяет своевременно обнаружить деградацию или выход из строя транзисторов в инверторе и предотвратить серьезные неисправности.
Рекомендации по выбору транзисторов для инвертора
При выборе транзисторов для инвертора необходимо учитывать следующие рекомендации:
- Для маломощных инверторов оптимальным вариантом являются MOSFET транзисторы.
- В мощных инверторах предпочтительны IGBT транзисторы.
- Напряжение и ток транзисторов должны с запасом превышать рабочие значения в схеме инвертора.
- Следует выбирать транзисторы с минимальными потерями при переключении.
- Важный параметр - допустимая частота переключения транзисторов.
Правильный выбор транзисторов в значительной степени определяет эффективность, надежность и стоимость инвертора.
Особенности эксплуатации инверторов на транзисторах
При эксплуатации транзисторных инверторов необходимо соблюдать следующие правила:
- Обеспечить надежное крепление транзисторов к радиатору и хороший теплоотвод.
- Следить за исправностью системы охлаждения.
- Не допускать превышения максимально допустимых тока и напряжения транзисторов.
- Периодически проверять исправность транзисторов.
- Соблюдать полярность и допустимые значения входного напряжения.
Правильная эксплуатация позволит обеспечить длительную безаварийную работу инвертора и избежать выхода из строя дорогостоящих транзисторов.
Тенденции и перспективы развития транзисторных инверторов
Основные тенденции в развитии транзисторных инверторов:
- Повышение рабочей частоты за счет новых техпроцессов изготовления транзисторов.
- Увеличение мощности и напряжения инверторов на основе новых структур IGBT.
- Гибридные схемы на SiC и GaN транзисторах для повышения КПД.
- Интеллектуальные системы управления на основе DSP и микроконтроллеров.
- Улучшение теплоотвода с помощью новых радиаторных систем.
Дальнейшее развитие транзисторных инверторов позволит расширить области их применения в промышленности, энергетике и других областях.
Примеры применения инверторов на транзисторах
Рассмотрим несколько примеров использования транзисторных инверторов.
В сварочном оборудовании инверторы применяются для получения переменного тока высокой частоты, необходимого для большинства способов сварки. Используются мощные IGBT инверторы.
В системах бесперебойного питания инверторы преобразуют напряжение от аккумуляторов в переменное сетевое напряжение. Применяются инверторы на MOSFET или IGBT транзисторах мощностью до 10 кВт.
В солнечной энергетике инверторы применяются в составе контроллеров заряда для преобразования постоянного напряжения от солнечных батарей в переменное. Используются инверторы на IGBT или MOSFET до 5 кВт.
