Τι είναι ο μετατροπέας Half Bridge: Διάγραμμα κυκλώματος και η λειτουργία του

Ο μετατροπέας είναι ένας ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος που μετατρέπει την άμεση ισχύ σε εναλλασσόμενη ισχύ. Χρησιμοποιώντας αυτήν τη συσκευή μετατροπέα, μπορούμε να μετατρέψουμε σταθερό dc σε μεταβλητή ισχύ AC η οποία ως μεταβλητή συχνότητα και τάση. Δεύτερον από αυτόν τον μετατροπέα, μπορούμε να αλλάξουμε τη συχνότητα, δηλαδή θα μπορούμε να παράγουμε τις συχνότητες 40HZ, 50HZ, 60HZ ανάλογα με τις απαιτήσεις μας. Εάν η είσοδος dc είναι πηγή τάσης, ο μετατροπέας είναι γνωστός ως VSI (Voltage Source Inverter). Οι μετατροπείς χρειάζονται τέσσερις συσκευές μεταγωγής, ενώ ο μετατροπέας μισής γέφυρας χρειάζεται δύο συσκευές μεταγωγής. Οι μετατροπείς γεφυρών είναι δύο τύπων που είναι μισογέφυρες αντιστροφέας και μετατροπέα πλήρους γέφυρας. Αυτό το άρθρο ασχολείται με το μετατροπέα μισής γέφυρας.

Τι είναι ο μετατροπέας Half-Bridge;

Ο μετατροπέας είναι μια συσκευή που μετατρέπει μια τάση dc σε τάση εναλλασσόμενου ρεύματος και αποτελείται από τέσσερις διακόπτες, ενώ ο μετατροπέας μισής γέφυρας απαιτεί δύο διόδους και δύο διακόπτες που είναι συνδεδεμένοι κατά παράλληλο. Οι δύο διακόπτες είναι συμπληρωματικοί διακόπτες που σημαίνει ότι όταν ο πρώτος διακόπτης είναι ON ο δεύτερος διακόπτης θα είναι OFF. Ομοίως, όταν ο δεύτερος διακόπτης είναι ON ο πρώτος διακόπτης θα είναι OFF.

Μονοφασικός μετατροπέας μισής γέφυρας με ανθεκτικό φορτίο

Το διάγραμμα κυκλώματος ενός μονοφασικού μετατροπέα μισής γέφυρας με αντίσταση φορτίου φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

Μετατροπέας μισής γέφυρας

Όπου το RL είναι το φορτίο αντίστασης, V_μικρό/ 2 είναι η πηγή τάσης, S₁και S_δύοείναι οι δύο διακόπτες, i₀είναι το τρέχον. Όπου κάθε διακόπτης συνδέεται με διόδους D₁και Δ_δύοπαράλληλα. Στην παραπάνω εικόνα, οι διακόπτες S₁και S_δύοείναι οι αυτόματοι διακόπτες. Ο διακόπτης S₁θα διεξαχθεί όταν η τάση είναι θετική και το ρεύμα είναι αρνητικό, διακόπτης S_δύοθα διεξαχθεί όταν η τάση είναι αρνητική και το ρεύμα είναι αρνητικό. ο δίοδος ρε₁θα διεξαχθεί όταν η τάση είναι θετική και το ρεύμα είναι αρνητικό, δίοδος D_δύοθα διεξαχθεί όταν η τάση είναι αρνητική και το ρεύμα είναι θετικό.

Περίπτωση 1 (όταν ο διακόπτης S₁είναι ON και S_δύοείναι κλειστό): Όταν ο διακόπτης S₁είναι ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΜΕΝΗ από μια χρονική περίοδο από 0 έως T / 2, η δίοδος D₁και Δ_δύοείναι σε κατάσταση αντίστροφης μεροληψίας και S_δύοΟ διακόπτης είναι OFF.

Εφαρμογή του KVL (Νόμος περί τάσης του Kirchhoff)

Β_μικρό/ 2-V₀= 0

Όπου τάση εξόδου V₀= V_μικρό/δύο

Όπου ρεύμα εξόδου i₀= V₀/ R = V_μικρό/ 2r

Σε περίπτωση παροχής ρεύματος ή εναλλαγής ρεύματος, το ρεύμα i_S1= i0 = Vs / 2R, i_S2= 0 και το ρεύμα διόδου i_Δ1= θ_Δ2= 0.

Περίπτωση 2 (όταν ο διακόπτης S_δύοείναι ON και S₁είναι κλειστό) : Όταν ο διακόπτης S_δύοείναι ενεργοποιημένο από μια χρονική περίοδο T / 2 έως T, η δίοδος D₁και Δ_δύοείναι σε κατάσταση αντίστροφης μεροληψίας και S₁Ο διακόπτης είναι OFF.

Εφαρμογή του KVL (Νόμος περί τάσης του Kirchhoff)

Β_μικρό/ 2 + V.₀= 0

Όπου τάση εξόδου V₀= -V_μικρό/δύο

Όπου ρεύμα εξόδου i₀= V₀/ R = -V_μικρό/ 2r

Σε περίπτωση παροχής ρεύματος ή εναλλαγής ρεύματος, το ρεύμα i_S1= 0, i_S2= θ₀= -V_μικρό/ 2R και το ρεύμα διόδου i_Δ1= θ_Δ2= 0.

Η μονοφασική κυματομορφή τάσης εξόδου αντιστροφέα μισής γέφυρας φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

Κυματομορφή τάσης εξόδου μετατροπέα μισής γέφυρας

Η μέση τιμή της τάσης εξόδου είναι

Έτσι, η κυματομορφή τάσης εξόδου από τη μετατροπή του άξονα χρόνου «T» σε «ωt» φαίνεται στο παρακάτω σχήμα

Μετατροπή άξονα χρόνου της κυματομορφής τάσης εξόδου

Όταν πολλαπλασιάζεται με μηδέν, θα είναι μηδέν Όταν πολλαπλασιάζεται με T / 2, θα είναι T / 2 = π Όταν πολλαπλασιάζεται με T, θα είναι T = 2π Όταν πολλαπλασιάζεται με 3T / 2, θα είναι T / 2 = 3π και ούτω καθεξής. Με αυτόν τον τρόπο, μπορούμε να μετατρέψουμε αυτόν τον άξονα χρόνου στον άξονα «ωt».

Η μέση τιμή της τάσης εξόδου και του ρεύματος εξόδου είναι

Β_{0 (μέσος όρος)}= 0

Εγώ_{0 (μέσος όρος)}= 0

Η τιμή RMS της τάσης εξόδου και του ρεύματος εξόδου είναι

Β_{0 (RMS)}= V_μικρό/δύο

Εγώ_{0 (RMS)}= V_{0 (RMS)}/ R = V_μικρό/ 2r

Η τάση εξόδου που λαμβάνουμε σε έναν μετατροπέα δεν είναι καθαρό κύμα, δηλαδή τετράγωνο κύμα. Η τάση εξόδου με το θεμελιώδες συστατικό φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

Κυματομορφή τάσης εξόδου με βασικό συστατικό

Χρησιμοποιώντας τη σειρά Fourier

Όπου Γ_ν, προς την_νκαι β_νείναι

σι_ν= V_μικρό/ nᴨ (1-cosnᴨ)

Το β_ν= 0 κατά την αντικατάσταση ζυγών αριθμών (n = 2,4,6… ..) και b_ν= 2Vs / nπ κατά την αντικατάσταση περιττών αριθμών (n = 1,3,5 ……). Αναπληρωτής β_ν= 2Vs / nπ και a_ν= 0 σε C_νθα πάρει C_ν= 2Vs / nπ.

ϕ_ν= έτσι^-1(προς την_ν/ β_ν) = 0

Β_{01 ( ωt)} = 2 Β_μικρό/ ᴨ * (Χωρίς ωt )

Υποκατάστατο V_{0 (μέσος όρος)}= 0 in θα πάρει

Η εξίσωση (1) μπορεί επίσης να γραφτεί ως

Β_{0 ( ωt)} = 2 Β_μικρό/ ᴨ * (Χωρίς ωt ) + δύο Β_μικρό/ 3ᴨ * (Sin3 ωt ) + δύο Β_μικρό/5ᴨ * (Sin5 ωt ) + …… .. + ∞

Β_{0 ( ωt)} = Β_{01 ( ωt)} + Β_{03 ( ωt)} + Β_{05 ( ωt)}

Η παραπάνω έκφραση είναι η τάση εξόδου που αποτελείται από θεμελιώδη τάση και περίεργες αρμονικές. Υπάρχουν δύο μέθοδοι για την αφαίρεση αυτών των αρμονικών συστατικών: είναι να χρησιμοποιήσετε το κύκλωμα φίλτρου και να χρησιμοποιήσετε την τεχνική διαμόρφωσης πλάτους παλμού.

Η θεμελιώδης τάση μπορεί να γραφτεί ως

Β_{01 ( ωt)} = 2V_μικρό/ ᴨ * (Χωρίς ωt )

Η μέγιστη τιμή της θεμελιώδους τάσης

Β_{01 (μέγ.)}= 2V_μικρό/ᴨ

Η τιμή RMS της βασικής τάσης είναι

Β_{01 (RMS)}= 2V_μικρό/ √2ᴨ = √2V_μικρό/ᴨ

Το βασικό συστατικό του ρεύματος εξόδου RMS είναι

Εγώ_{01 (RMS)}= V_{01 (RMS)}/ Ρ

Πρέπει να λάβουμε τον παράγοντα παραμόρφωσης, ο παράγοντας παραμόρφωσης δηλώνεται με g.

g = Β_{01 (RMS)}/ V._{0 (RMS)} = τιμή rms της θεμελιώδους τάσης / συνολική τιμή RMS της τάσης εξόδου

Αντικαθιστώντας το Β_{01 (RMS)} και Β_{0 (RMS)} οι τιμές σε g θα πάρουν

g = 2√2 / ᴨ

Η συνολική αρμονική παραμόρφωση εκφράζεται ως

Στην τάση εξόδου η συνολική αρμονική παραμόρφωση THD = 48,43%, αλλά σύμφωνα με το IEEE, η συνολική αρμονική παραμόρφωση πρέπει να είναι 5%.

Η βασική έξοδος ισχύος του μονοφασικού μετατροπέα γέφυρας είναι

Π₀₁= (V_{01 (rms)})^δύο/ R = Ι^δύο_{01 (rms)}Ρ

Χρησιμοποιώντας τον παραπάνω τύπο μπορούμε να υπολογίσουμε τη θεμελιώδη έξοδο ισχύος.

Με αυτόν τον τρόπο, μπορούμε να υπολογίσουμε τις διάφορες παραμέτρους του μονοφασικού μετατροπέα μισής γέφυρας.

Μονοφασικός μετατροπέας μισής γέφυρας με φορτίο R-L

Το διάγραμμα κυκλώματος του φορτίου R-L φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

Μονοφασικός μετατροπέας μισής γέφυρας με φορτίο R-L

Το διάγραμμα κυκλώματος του μονοφασικού μετατροπέα μισής γέφυρας με φορτίο R-L αποτελείται από δύο διακόπτες, δύο διόδους και παροχή τάσης. Το φορτίο R-L συνδέεται μεταξύ του σημείου Α και του σημείου Ο, το σημείο Α θεωρείται πάντα θετικό και το σημείο Ο θεωρείται αρνητικό. Εάν η τρέχουσα ροή από το σημείο Α στο Ο τότε το ρεύμα θα θεωρείται θετικό, ομοίως εάν η ροή ρεύματος από το σημείο στο Α, τότε το ρεύμα θα θεωρείται αρνητικό.

Στην περίπτωση φορτίου R-L, το ρεύμα εξόδου θα είναι εκθετική συνάρτηση στο χρόνο και υστερεί στην τάση εξόδου κατά γωνία.

ϕ= Έτσι^-1( ω Λ / Ρ)

Λειτουργία μονοφασικού μετατροπέα μισής γέφυρας με φορτίο R

Η λειτουργία εργασίας βασίζεται στα ακόλουθα χρονικά διαστήματα

(i) Διάστημα I (0 Σε αυτήν τη διάρκεια, και οι δύο διακόπτες είναι OFF και η δίοδος D2 είναι σε κατάσταση αντίστροφης πόλωσης. Σε αυτό το διάστημα, ο επαγωγέας απελευθερώνει την ενέργειά του μέσω της διόδου D1 και το ρεύμα εξόδου μειώνεται εκθετικά από την αρνητική μέγιστη τιμή του (-Imax) στο μηδέν.

Με την εφαρμογή KVL σε αυτό το χρονικό διάστημα θα πάρει

Η τάση εξόδου V₀> 0 Το ρεύμα εξόδου ρέει προς την αντίστροφη κατεύθυνση, επομένως, i₀<0 switch current i_S1= 0 και ρεύμα διόδου i_Δ1= -i0

(ii) Διάστημα II (t1 Σε αυτήν τη διάρκεια, ο διακόπτης S₁και S_δύοείναι κλειστά και το S2 είναι απενεργοποιημένο και οι δύο δίοδοι είναι σε κατάσταση αντίστροφης πόλωσης. Σε αυτό το διάστημα, ο επαγωγέας αρχίζει να αποθηκεύει την ενέργεια και το ρεύμα εξόδου αυξάνεται από το μηδέν στη θετική μέγιστη τιμή του (Imax).

Η εφαρμογή του KVL θα γίνει

Η τάση εξόδου V₀> 0 Το ρεύμα εξόδου ρέει προς τα εμπρός, επομένως, i₀> 0 διακόπτης ρεύματος i_S1= θ₀και ρεύμα διόδου i_Δ1= 0

(iii) Διάστημα III (T / 2 Σε αυτή τη διάρκεια, και οι δύο διακόπτες S₁και S_δύοείναι OFF και η δίοδος D₁είναι σε αντίστροφη προκατάληψη και D_δύοείναι προς τα εμπρός προκατάληψη είναι σε κατάσταση αντίστροφης πόλωσης. Σε αυτό το διάστημα, ο επαγωγέας απελευθερώνει την ενέργειά του μέσω της δίοδος D_δύο. Το ρεύμα εξόδου μειώνεται εκθετικά από τη θετική μέγιστη τιμή του (I_{Μέγιστη}) στο μηδέν.

Η εφαρμογή του KVL θα γίνει

Η τάση εξόδου V₀<0 The output current flows in the forward direction, therefore, i₀> 0 διακόπτης ρεύματος i_S1= 0 και ρεύμα διόδου i_Δ1= 0

(iv) Διάστημα IV (t2 Σε αυτήν τη διάρκεια, ο διακόπτης S₁είναι OFF και S_δύοείναι κλειστά και οι δίοδοι D₁και Δ_δύοέχουν αντίστροφη προκατάληψη. Σε αυτό το διάστημα, ο επαγωγέας χρεώνεται στην αρνητική μέγιστη τιμή (-I_{Μέγιστη}) στο μηδέν.

Η εφαρμογή του KVL θα γίνει

Η τάση εξόδου V₀<0 The output current flows in the opposite/reverse direction therefore i₀<0 switch current i_S1= 0 και ρεύμα διόδου i_Δ1= 0

Τρόποι λειτουργίας του μετατροπέα Half Bridge

Η σύνοψη των χρονικών διαστημάτων εμφανίζεται στον παρακάτω πίνακα

Ν.Ν.	Χρονικό διάστημα	Συμπεριφορά συσκευής	Τάση εξόδου (V0 )	Παραγωγή Ρεύμα ( Εγώ0 )	Διακόπτης ρεύματος (iS1 )	Διακόπτης δίοδος (iΔ1 )
1	01	ρε1	Β0> 0	Εγώ0<0	0	- ΕΓΩ0
δύο	τ1	μικρό1	Β0> 0	Εγώ0> 0	Εγώ0	0
3	Τ / 2δύο	ρεδύο	Β0<0	Εγώ0> 0	0	0
4	τδύο	μικρόδύο	Β0<0	Εγώ0<0	0	0

Η κυματομορφή τάσης εξόδου ενός μονοφασικού μετατροπέα μισής γέφυρας με φορτίο RL φαίνεται στην παρακάτω εικόνα.

Κυματομορφή τάσης εξόδου μονοφασικού μετατροπέα μισής γέφυρας με φορτίο R-L

Μετατροπέας Half Bridge Vs Full Bridge Inverter

Η διαφορά μεταξύ μετατροπέα μισής γέφυρας και μετατροπέα πλήρους γέφυρας φαίνεται στον παρακάτω πίνακα.

Ν.Ν.	Μετατροπέας μισής γέφυρας “μετρητής χρησιμοποιώντας jk flip flop ”	Πλήρης μετατροπέας Bridge
1	Η απόδοση είναι υψηλή σε μετατροπέα μισής γέφυρας	Σε μετατροπέα πλήρους γέφυραςεπίσης,η απόδοση είναι υψηλή
δύο	Σε μετατροπέα μισής γέφυρας, οι κυματομορφές τάσης εξόδου είναι τετράγωνες, οιονεί τετράγωνες ή PWM	Σε μετατροπέα πλήρους γέφυρας, οι κυματομορφές τάσης εξόδου είναι τετράγωνες, οιονεί τετράγωνες ή PWM
3	Η μέγιστη τάση στον μετατροπέα μισής γέφυρας είναι η μισή από την τάση τροφοδοσίας DC	Η μέγιστη τάση στον μετατροπέα πλήρους γέφυρας είναι η ίδια με την τάση τροφοδοσίας DC
4	Ο μετατροπέας μισής γέφυρας περιέχει δύο διακόπτες	Ο μετατροπέας πλήρους γέφυρας περιέχει τέσσερις διακόπτες
5	Η τάση εξόδου είναι Ε0= ΕDC/δύο	Η τάση εξόδου είναι Ε0= ΕDC
6	Η βασική τάση εξόδου είναι Ε1= 0,45 ΕDC	Η βασική τάση εξόδου είναι Ε1= 0,9 ΕDC
7	Αυτός ο τύπος μετατροπέα παράγει διπολικές τάσεις	Αυτός ο τύπος μετατροπέα παράγει μονοπολικές τάσεις

Πλεονεκτήματα

Τα πλεονεκτήματα του μονοφασικού μετατροπέα μισής γέφυρας είναι

• Το κύκλωμα είναι απλό
• Το κόστος είναι χαμηλό

Μειονεκτήματα

Τα μειονεκτήματα του μονοφασικού μετατροπέα μισής γέφυρας είναι

• Το TUF (Transformer Utilization Factor) είναι χαμηλό
• Η απόδοση είναι χαμηλή

Επομένως, αυτό είναι όλο μια επισκόπηση του μετατροπέα μισής γέφυρας , συζητείται η διαφορά μεταξύ μετατροπέα μισής γέφυρας και μετατροπέα πλήρους γέφυρας, πλεονεκτήματα, μειονεκτήματα, μονοφασικός μετατροπέας μισής γέφυρας με αντίσταση φορτίου. Εδώ είναι μια ερώτηση για εσάς, ποιες είναι οι εφαρμογές του μετατροπέα μισής γέφυρας;