Типы высокочастотных преобразователей, наиболее часто применяемых для построения сварочных инверторов

Наиболее часто при построении сварочных инверторов применяют три основных типа высокочастотных преобразователей: полумост, ассиметричный мост (или "косой мост") и полный мост. Под видом полумоста и полного моста, являются резонансные преобразователи. В зависимости от системы управления выходными параметрами, преобразователи бывают с ШИМ (широтно-импульсная), с ЧИМ (частотная регулировка), с фазовой регулировкой, и комбинациями из этих трёх. Все эти типы преобразователей имеют свои достоинства и свои недостатки. Начнем с полумоста с ШИМ. Блок схема такого преобразователя показана на Рис.3.

Это самый простой преобразователь из семейства двухтактников, но от этого не менее надёжный. Недостатком этой схемы является то, что "раскачка" напряжения на первичной обмотке силового трансформатора, равна половине напряжения питания. Но с другой стороны, этот факт является плюсом, можно применить сердечник меньшего размера, без опасения захода в режим насыщения.

Для инверторов небольшой мощности (2-ЗкВт), такой преобразователь весьма перспективен. Но ШИМ управление требует особой тщательности при монтаже силовых цепей, для управления силовыми транзисторами необходимо ставить драйверы. Транзисторы такого полумоста работают в режиме жёсткого переключения, поэтому к управляющим сигналам предъявляются повышенные требования.

Обязательно наличие "мёртвого времени" между двумя противофазными импульсами, отсутствие паузы, или недостаточная её длительность, всегда приводит к возникновению сквозного тока через силовые транзисторы.

Последствия легко предсказуемы - выход транзисторов из строя. Весьма перспективным видом полумостового преобразователя, является резонансный полумост. Блок схема такого полумоста приведена на Рис.4.

Как видно из блок схемы, резонансный полумост гораздо проще, чем полумост с ШИМ. Простота построения преобразователя по такой схеме обусловлена тем, что комутация ключей происходит в нуле тока или в нуле напряжения. Паразитные индуктивности монтажа автоматически учитываются, максимальный ток через транзисторы ограничен последовательным резонансным контуром. Др. рез.-срез.

Ток протекающий через силовые цепи имеет форму синусоиды, а это снимает нагрузку с фильтрующих конденсаторов.

При таком построении силовые ключи не нуждаются в драйверах! Достаточно обыкновенного импульсного трансформатора, чтобы переключить силовые транзисторы. Качество управляющих импульсов не столь существенно, как в схеме с ШИМ, хотя пауза ("мёртвое время") должна быть.

Ещё один плюс, эта схема позволяет обойтись без токовой защиты и форма ВАХ (вольт - амперная характеристика) имеет сразу падающий вид и не нуждается в параметрическом формировании.

Выходной ток ограничен только индуктивностью намагничивания трансформатора и может достигать значительных величин при КЗ, это необходимо учитывать при выборе выходных диодов, но это свойство положительно влияет на поджиг и горение дуги!

Обычно выходные параметры регулируются изменением частоты, однако применение фазовой регулировки дает гораздо больше плюсов и является наиболее перспективной для сварочного инвертора, так как позволяет обойти такое неприятное явление, как совпадение резонанса с режимом КЗ, да и диапазон регулировки выходных параметров намного шире. Фазовая регулировка позволяет менять выходной ток практически от 0 до Imax.

Следующая схема - ассиметричный мост, или "косой мост". Блок схема такого преобразователя показана на Рис.5.

Ассиметричный мост - однотактный, прямоходовой преобразователь.

Преобразователь такой конфигурации очень популярен, как у производителей сварочных инверторов, так и у радиолюбителей. Первые сварочные инверторы были построены именно, как "косой мост". Простота и надёжность, широкие возможности для регулировки выходного тока, помехозащищённость - всё это привлекает разработчиков сварочных инверторов до сих пор.

И хотя недостатки такого преобразователя довольно существенны, это большие токи через транзисторы, высокие требования к форме управляющих импульсов, что подразумевает использование мощных драйверов для управления силовыми ключами, высокие требования к монтажу силовых цепей, большие импульсные токи предъявляют высокие требования к конденсаторам входного фильтра, электролитические конденсаторы очень не любят большие импульсные токи. Для удержания транзисторов в ОДЗ (области допустимых значений) требуются RCD цепочки (снабберы).

Но, несмотря на все эти недостатки и малый КПД, "косой мост" до наших дней применяется в сварочных инверторах. Транзисторы Т1 и Т2 работают синфазно, вместе открываются и вместе закрываются. Энергия накапливается не в трансформаторе, а в выходной катушке индуктивности дросселя. Рабочий цикл не превышает 50%, именно поэтому для получения одинаковой мощности с мостовым преобразователем, требуется двойной ток через транзисторы. Более детально работа такого преобразователя будет рассмотрена на примере реального сварочного инвертора.

Следующий  тип   преобразователя  -  полный   мост  с  ШИМ.   Классический двухтактный преобразователь! Блок схема полного моста приведена на Рис.6.

Мостовая схема даёт возможность получить мощность в 2 раза больше, чем полумост, и в 2 раза больше чем "косой мост", при тех же величинах токов и потерь на переключение. Это объясняется тем, что "раскачка" напряжения первичной обмотки силового трансформатора, равна напряжению питания.

Соответственно для получения одинаковой мощности, например с полумостом (в котором напряжение раскачки равно 0,5U пит.), потребуется ток через транзисторы в 2 раза меньше! Транзисторы полного моста работают по диагонали, когда Т1 - ТЗ открыты, Т2 - Т4 закрыты, и наоборот. Трансформатор тока отслеживает амплитудное значение тока, протекающего через включенную диагональ. Регулировать выходной ток такого преобразователя можно двумя способами:

1)   изменять длительность управляющего импульса, оставляя  неизменным напряжение отсечки;

2)     изменять    уровень    напряжения    отсечки    приходящего    с    токового трансформатора, оставляя неизменным длительность управляющих импульсов.

Оба этих способа позволяют изменять выходной ток в достаточно широких пределах. Недостатки и требования у полного моста с ШИМ, точно такие, как и у полумоста с ШИМ. (См. выше). И наконец, рассмотрим наиболее перспективную схему ВЧ преобразователя, для сварочного инвертора - резонансный мост. Блок схема представлена на Рис.7.

Как может показаться на первый взгляд, схема резонансного моста не сильно отличается от моста с ШИМ, и это действительно так. Практически дополнительно введена только LC резонансная цепочка, включенная последовательно с силовым трансформатором. Однако введение этой цепочки полностью меняет процессы перекачки мощности. Уменьшаются потери, увеличивается КПД, на порядки снижается уровень электромагнитных помех, понижается нагрузка на входные электролиты. Как видите можно полностью убрать защиту по току, драйверы силовых транзисторов могут понадобиться лишь в том случае, если применяются MOSFET транзисторы с ёмкостью затвора больше 5000pF. Для IGBT транзисторов достаточно одного импульсного трансформатора.

Управлять выходным током резонансного преобразователя можно двумя способами, это частотным и фазовым. Оба они упоминались раньше, в описании резонансного полумоста. И последний тип ВЧ преобразователя - полный мост с дросселем рассеяния. Его схема практически ничем не отличается от схемы резонансного моста (полумоста), точно так включена LC цепочка последовательно с трансформатором, только она не является резонансной. С =22мкфх63В работает как симметрирующий конденсатор, a L дросселя, как реактивное сопротивление, величина которого линейно зависит от частоты. Управление такого преобразователя - частотное. С увеличением частоты - сопротивление L, увеличивается. Ток через силовой трансформатор уменьшается. Просто и надёжно. Большинство промышленных инверторов построены на таком принципе регулировки и ограничения выходного тока.

Источник: Назаров В.И. и др. "Сварочный инвентор. Теория и практика". Рыбинск, 2008