Інвертуючий широтно імпульсний перетворювач

Інвертуючий широтно-імпульсний перетворювач рис. 2а, б — це перетворювач, дросель фільтра якого включений паралельно, а потужний транзистор — послідовно по відношенню до навантаження.

Рис1. Принципова схема інвертуючого ШІП

Принцип роботи

Рис.2 Інвертуючий широтно імпульсний перетворювач

При відкритому стані силового транзистора ${\displaystyle VT}$ діод ${\displaystyle V_{D}}$, закритий під дією сум напруг джерела живлення і навантаження, доданих до неї в зворотному напрямку, внаслідок чого навантаження від джерела електроенергії відключена рис. 2,в. При цьому паралельно джерелу підключений дросель ${\displaystyle L_{f}}$, в якому відбувається накопичення енергії. У момент закривання транзистора ${\displaystyle VT}$ енергія, накопичена в дроселі, надходить в конденсатор ${\displaystyle C_{f}}$ і навантаження, через що відкривається діод рис. 2,г, а полярність вихідної напруги перетворювача буде протилежною полярності напруги живлення. Для режиму безперервного струму враховуємо, що при відкритому стані транзистора до дроселя докладено напруга живлення ${\displaystyle V_{d}}$ , а при закритому — ${\displaystyle V_{n}}$  рис. 3.

Максимальне і мінімальне значення струму дроселя, транзистора і діода

Для режиму безперервного струму враховуємо, що при відкритому стані транзистора до дроселя прикладена напруга живлення ${\displaystyle V_{d}}$ , а при закритому — ${\displaystyle V_{n}}$ .^[1]

Максимальне і мінімальне значення струму дроселя, транзистора і діода:

${\displaystyle I_{L}max=\left({\frac {Ud}{Re}}\right)-\left({\frac {Ud+Un}{Re}}\right)\times \left({\frac {b^{-1}-a}{1-a}}\right)}$

${\displaystyle I_{L}min=\left({\frac {Ud}{Re}}\right)-\left({\frac {Ud+Un}{Re}}\right)\times \left({\frac {1-ab}{1-a}}\right)}$, де

${\displaystyle a=e^{\left({\frac {-T}{T_{n}}}\right)}}$; ${\displaystyle b=e^{\left({\frac {t_{i}}{T_{n}}}\right)}}$; ${\displaystyle T_{n}=\left({\frac {L}{R_{n}}}\right)}$;

${\displaystyle R_{e1}=R_{BH}+R_{VT}+R_{L}}$;

${\displaystyle R_{e2}=R_{VD}+R_{L}}$- сумарний опір контуру струму дроселя на першому і другому інтервалі

Часові діаграми перетворювача в режимах безперервного і переривистого струмів

Рис.3.Часові діаграми струмів та напруг інвертуючого перетворювача в режимі безперервного струму

Амплітуда пульсацій:

${\displaystyle \Delta (I_{L})=\left({\frac {Ud+Un}{Re}}\right)\times \left({\frac {\left(b^{-1}-a\right)\times 1-ab}{1-a}})\right)}$

Залежність вихідної напруги від коефіцієнту заповнення:

${\displaystyle U_{n}^{*}=\left({\frac {U_{n}}{U_{d}}}\right)=\left({\frac {t_{i}^{*}}{1-t_{i}^{*}}}\right)=\left({\frac {\gamma ,}{1-\gamma ,}}\right)}$

де ${\displaystyle t_{i}}$ – тривалість відкритого стану транзистора ${\displaystyle VT}$ ;

${\displaystyle t_{i}^{*}=\left({\frac {t_{i}}{T}}\right)}$ — відносна тривалість відкритого стану транзистора ${\displaystyle VT}$, або коефіцієнт заповнення імпульсів ${\displaystyle \gamma ,}$  .

Середнє значення струму навантаження:

${\displaystyle I_{n}=\left({\frac {Ud+Un}{Re}}\right)\times \left({\frac {\left(b^{-1}-a\right)\times 1-ab}{1-a}})\right)\times \left({\frac {T_{e}}{T}}\right)-\left({\frac {Un}{Rn}}\right)\times \left(1-\gamma ,\right)}$

При збільшенні опору струм I_L зменшиться швидше і може наступити режим переривних струмів дроселя L_Ф рис. 4

Рис.4 Часові діаграми струмів та напруг інвертуючого перетворювача в режимі при перервному струмі

Межа між режимами безперервного і перервного струмів може бути визначена нерівністю:

${\displaystyle \left({\frac {2L_{f}}{R_{n}T}}\right)\geq (1-\gamma _{VT})^{2}}$

де ${\displaystyle \gamma _{VT}}$  відносна тривалість відкритого стану транзистора ${\displaystyle VT}$.

При виконанні зазначеної нерівності має місце режим безперервного струму. У режимі безперервної струму пристрій працює стійкіше і надійніше. Виняток — випадки, коли потрібна дуже велика потужність або низький рівень завад. Для режиму безперервних струмів характерні менші пульсації вихідної напруги, більш рівномірне навантаження на силовий ключ і менші високочастотні електромагнітні перешкоди.

Переваги, недоліки, застосування

Інвертуючий ШІП, як і підвищуючий перетворювач, дозволяє отримувати вихідну напругу вище напруги джерела живлення. У вітчизняній літературі зустрічаються й інші назви, наприклад «ШІП з послідовним включенням ключа і паралельним включенням дроселя». Необхідно відзначити, що підвищуючі та інвертуючі перетворювачі характеризуються:

• гіршим використанням елементів фільтра,
• значно більшими габаритами і масою,
• великим внутрішнім опором,
• гіршим використанням по струму регулюючого транзистора і діода в порівнянні із понижуючим перетворювачем.

Втрати енергії в інвертуючому перетворювачі, також як і в понижуючому, і в підвищуючому, пропорційні відношенню вхідної і вихідної напруг. Тому інвертуючі перетворювачі застосовуються, якщо модуль вхідної напруги не більше ніж в 4 рази відрізняється від модуля вихідної. В такому перетворювачі не застосовується вихідний трансформатор, отже немає паразитної індуктивності розсіювання між обмотками — головної причиною, що обмежує потужність імпульсних перетворювачів. З іншого боку, нема можливості розв'язати вхід та вихід перетворювача.^[2]