Half Bridge Inverter คืออะไร: แผนภาพวงจรและการทำงาน

อินเวอร์เตอร์เป็นตัวแปลงไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ที่แปลงพลังงานโดยตรงเป็นไฟฟ้ากระแสสลับ ด้วยการใช้อุปกรณ์อินเวอร์เตอร์นี้เราสามารถแปลง dc คงที่เป็นกำลังไฟฟ้ากระแสสลับซึ่งเป็นความถี่ตัวแปรและแรงดันไฟฟ้า ประการที่สองจากอินเวอร์เตอร์นี้เราสามารถเปลี่ยนความถี่ได้เช่นเราจะสามารถสร้างความถี่ 40HZ, 50HZ, 60HZ ได้ตามความต้องการของเรา หากอินพุต dc เป็นแหล่งจ่ายแรงดันอินเวอร์เตอร์จะเรียกว่า VSI (อินเวอร์เตอร์แหล่งแรงดันไฟฟ้า) อินเวอร์เตอร์ต้องการอุปกรณ์สวิตชิ่งสี่ตัวในขณะที่อินเวอร์เตอร์แบบครึ่งสะพานต้องการอุปกรณ์สวิตชิ่งสองเครื่อง อินเวอร์เตอร์แบบบริดจ์มีสองประเภทคือแบบครึ่งสะพาน อินเวอร์เตอร์ และอินเวอร์เตอร์แบบเต็มสะพาน บทความนี้กล่าวถึงอินเวอร์เตอร์แบบครึ่งสะพาน

Half-Bridge Inverter คืออะไร?

อินเวอร์เตอร์เป็นอุปกรณ์ที่แปลงแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงเป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับและประกอบด้วยสวิตช์สี่ตัวในขณะที่อินเวอร์เตอร์แบบครึ่งสะพานต้องใช้ไดโอดสองตัวและสวิตช์สองตัวซึ่งเชื่อมต่อแบบต่อต้านขนาน สวิตช์สองตัวเป็นสวิตช์เสริมซึ่งหมายความว่าเมื่อสวิตช์แรกเปิดอยู่สวิตช์ที่สองจะปิดในทำนองเดียวกันเมื่อสวิตช์ตัวที่สองเปิดสวิตช์แรกจะปิด

เฟสเดียวฮาล์ฟบริดจ์อินเวอร์เตอร์พร้อมโหลดตัวต้านทาน

แผนภาพวงจรของอินเวอร์เตอร์ครึ่งสะพานเฟสเดียวที่มีโหลดตัวต้านทานแสดงอยู่ในรูปด้านล่าง

อินเวอร์เตอร์ Half Bridge

โดยที่ RL คือโหลดตัวต้านทาน V_เอส/ 2 คือแหล่งจ่ายแรงดัน S₁และ S_สองคือสวิตช์สองตัว i₀คือปัจจุบัน โดยที่สวิตช์แต่ละตัวเชื่อมต่อกับไดโอด D₁และ D_สองขนานกัน. ในรูปด้านบนสวิตช์ S₁และ S_สองคือสวิตช์สับเปลี่ยนตัวเอง สวิตช์ S₁จะดำเนินการเมื่อแรงดันไฟฟ้าเป็นบวกและกระแสเป็นลบให้สลับ S_สองจะดำเนินการเมื่อแรงดันไฟฟ้าเป็นลบและกระแสเป็นลบ ไดโอด ง₁จะดำเนินการเมื่อแรงดันไฟฟ้าเป็นบวกและกระแสเป็นลบไดโอด D_สองจะดำเนินการเมื่อแรงดันไฟฟ้าเป็นลบและกระแสไฟฟ้าเป็นบวก

กรณีที่ 1 (เมื่อสวิตช์ S₁เปิดอยู่และ S_สองปิด): เมื่อเปลี่ยน S₁เปิดอยู่จากช่วงเวลา 0 ถึง T / 2 ไดโอด D₁และ D_สองอยู่ในสภาพอคติย้อนกลับและ S_สองสวิตช์ปิดอยู่

การใช้ KVL (กฎหมายแรงดันไฟฟ้าของ Kirchhoff)

V_เอส/ 2-V₀= 0

ที่แรงดันเอาต์พุต V₀= V_เอส/สอง

ที่กระแสเอาต์พุต i₀= V₀/ R = V_เอส/ 2r

ในกรณีของการจ่ายกระแสไฟฟ้าหรือกระแสสวิตช์กระแส i_S1= i0 = Vs / 2R, i_S2= 0 และกระแสไดโอด i_D1= i_D2= 0.

กรณีที่ 2 (เมื่อสวิตช์ S_สองเปิดอยู่และ S₁ปิด) : เมื่อกดสวิตช์ S_สองเปิดอยู่จากช่วงเวลา T / 2 ถึง T ไดโอด D₁และ D_สองอยู่ในสภาพอคติย้อนกลับและ S₁สวิตช์ปิดอยู่

การใช้ KVL (กฎหมายแรงดันไฟฟ้าของ Kirchhoff)

V_เอส/ 2 + V.₀= 0

ที่แรงดันเอาต์พุต V₀= -V_เอส/สอง

ที่กระแสเอาต์พุต i₀= V₀/ R = -V_เอส/ 2r

ในกรณีของการจ่ายกระแสไฟฟ้าหรือกระแสสวิตช์กระแส i_S1= 0, ผม_S2= i₀= -V_เอส/ 2R และกระแสไดโอด i_D1= i_D2= 0.

รูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าขาออกของอินเวอร์เตอร์ครึ่งสะพานเฟสเดียวแสดงในรูปด้านล่าง

รูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าขาออกของอินเวอร์เตอร์ Half Bridge

ค่าเฉลี่ยของแรงดันขาออกคือ

ดังนั้นรูปคลื่นแรงดันเอาต์พุตจากการแปลงเวลา ‘T’ เป็นแกน ‘ωt’ จะแสดงในรูปด้านล่าง

การแปลงแกนเวลาของรูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าขาออก

คูณด้วยศูนย์เมื่อไหร่มันจะเป็นศูนย์เมื่อคูณด้วย T / 2 มันจะเป็น T / 2 = πคูณด้วย T เมื่อไหร่มันจะเป็น T = 2πเมื่อคูณด้วย 3T / 2 ก็จะเป็น T / 2 = 3πและอื่น ๆ ด้วยวิธีนี้เราสามารถแปลงแกนเวลานี้เป็นแกน 'ωt' ได้

ค่าเฉลี่ยของแรงดันขาออกและกระแสไฟขาออกคือ

V_{0 (เฉลี่ย)}= 0

ผม_{0 (เฉลี่ย)}= 0

ค่า RMS ของแรงดันขาออกและกระแสไฟขาออกคือ

V_{0 (RMS)}= V_ส/สอง

ผม_{0 (RMS)}= V_{0 (RMS)}/ R = V_ส/ 2r

แรงดันไฟฟ้าขาออกที่เราได้รับในอินเวอร์เตอร์ไม่ใช่คลื่นไซน์บริสุทธิ์เช่นคลื่นสี่เหลี่ยม แรงดันไฟฟ้าขาออกพร้อมส่วนประกอบพื้นฐานแสดงไว้ในรูปด้านล่าง

รูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าขาออกพร้อมส่วนประกอบพื้นฐาน

ใช้อนุกรมฟูเรียร์

โดยที่ C_n, ถึง_nและ b_nคือ

ข_n= V_ส/ nᴨ (1-cosnᴨ)

ข_n= 0 เมื่อแทนเลขคู่ (n = 2,4,6 … .. ) และ b_n= 2Vs / nπเมื่อแทนเลขคี่ (n = 1,3,5 ……) แทน b_n= 2Vs / nπและ a_n= 0 ใน C_nจะได้รับ C_n= 2Vs / nπ

ϕ_n= ดังนั้น^-1(ถึง_n/ ข_n) = 0

V_{01 ( ωt)} = 2 V_ส/ ᴨ * (ไม่มี ωt )

แทน V_{0 (เฉลี่ย)}= 0 นิ้วจะได้

สมการ (1) สามารถเขียนเป็น

V_{0 ( ωt)} = 2 V_ส/ ᴨ * (ไม่มี ωt ) + สอง V_ส/ 3ᴨ * (Sin3 ωt ) + สอง V_ส/ 5ᴨ * (Sin5 ωt ) + …… .. + ∞

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

นิพจน์ข้างต้นคือแรงดันไฟฟ้าขาออกซึ่งประกอบด้วยแรงดันไฟฟ้าพื้นฐานและฮาร์มอนิกคี่ มีสองวิธีในการลบส่วนประกอบฮาร์มอนิกเหล่านี้: ใช้วงจรกรองและใช้เทคนิคการมอดูเลตความกว้างพัลส์

แรงดันไฟฟ้าพื้นฐานสามารถเขียนเป็น

V_{01 ( ωt)} = 2V_ส/ ᴨ * (ไม่มี ωt )

ค่าสูงสุดของแรงดันไฟฟ้าพื้นฐาน

V_{01 (สูงสุด)}= 2V_ส/ ᴨ

ค่า RMS ของแรงดันไฟฟ้าพื้นฐานคือ

V_{01 (RMS)}= 2V_ส/ √2ᴨ = √2V_ส/ ᴨ

องค์ประกอบพื้นฐานของกระแสเอาต์พุต RMS คือ

ผม_{01 (RMS)}= V_{01 (RMS)}/ ร

เราต้องได้รับปัจจัยการบิดเบือนปัจจัยการบิดเบือนแสดงด้วย g

g = V_{01 (RMS)}/ V_{0 (RMS)} = ค่า rms ของแรงดันพื้นฐาน / ค่า RMS ทั้งหมดของแรงดันขาออก

โดยแทนที่ไฟล์ V_{01 (RMS)} และ V_{0 (RMS)} ค่าใน g จะได้รับ

g = 2√2 / ᴨ

ผลรวม การบิดเบือนฮาร์มอนิก แสดงเป็น

ในแรงดันไฟฟ้าขาออกความผิดเพี้ยนของฮาร์มอนิกทั้งหมด THD = 48.43% แต่ตาม IEEE ความผิดเพี้ยนของฮาร์มอนิกทั้งหมดควรเป็น 5%

เอาต์พุตกำลังพื้นฐานของอินเวอร์เตอร์บริดจ์เฟสเดียวคือ

ป₀₁= (V_{01 (rms)})^สอง/ R = ฉัน^สอง_{01 (rms)}ร

ด้วยการใช้สูตรข้างต้นเราสามารถคำนวณกำลังไฟฟ้าพื้นฐานได้

ด้วยวิธีนี้เราสามารถคำนวณค่าพารามิเตอร์ต่างๆของอินเวอร์เตอร์แบบครึ่งสะพานเฟสเดียว

เฟสเดียวฮาล์ฟบริดจ์อินเวอร์เตอร์พร้อมโหลด R-L

แผนภาพวงจรของโหลด R-L แสดงในรูปด้านล่าง

เฟสเดียวฮาล์ฟบริดจ์อินเวอร์เตอร์พร้อมโหลด R-L

แผนภาพวงจรของอินเวอร์เตอร์ครึ่งสะพานเฟสเดียวที่มีโหลด R-L ประกอบด้วยสวิตช์สองตัวไดโอดสองตัวและแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้า โหลด R-L เชื่อมต่อระหว่างจุด A และจุด O จุด A ถือว่าเป็นบวกเสมอและจุด O ถือว่าเป็นลบ ถ้าการไหลของกระแสจากจุด A ถึง O กระแสจะถือว่าเป็นบวกในทำนองเดียวกันถ้าการไหลของกระแสจากจุดไป A กระแสจะถือว่าเป็นลบ

ในกรณีของโหลด R-L กระแสเอาต์พุตจะเป็นฟังก์ชันเอกซ์โพเนนเชียลต่อเวลาและลดแรงดันไฟฟ้าขาออกตามมุม

ϕ = ดังนั้น^-1( ω L / R)

การทำงานของ Single Phase Half Bridge Inverter พร้อม R-Load

การทำงานจะขึ้นอยู่กับช่วงเวลาต่อไปนี้

(i) ช่วงเวลา I (0 ในช่วงเวลานี้สวิตช์ทั้งสองจะปิดและไดโอด D2 อยู่ในสภาพไบแอสย้อนกลับ ในช่วงเวลานี้ตัวเหนี่ยวนำจะปล่อยพลังงานผ่านไดโอด D1 และกระแสเอาต์พุตจะลดลงแบบทวีคูณจากค่าสูงสุดที่เป็นลบ (-Imax) เป็นศูนย์

โดยใช้ KVL กับช่วงเวลานี้จะได้รับ

แรงดันไฟฟ้าขาออก V₀> 0 กระแสเอาท์พุตไหลในทิศทางย้อนกลับดังนั้น i₀<0 switch current i_S1= 0 และกระแสไดโอด i_D1= -i0

(ii) ช่วงเวลา II (t1 ในช่วงเวลานี้สวิตช์ S₁และ S_สองถูกปิดและ S2 ปิดอยู่และไดโอดทั้งสองอยู่ในสภาพไบแอสย้อนกลับ ในช่วงเวลานี้ตัวเหนี่ยวนำจะเริ่มเก็บพลังงานและกระแสเอาต์พุตจะเพิ่มขึ้นจากศูนย์เป็นค่าสูงสุดที่เป็นบวก (Imax)

การใช้ KVL จะได้รับ

แรงดันไฟฟ้าขาออก V₀> 0 กระแสเอาต์พุตไหลไปในทิศทางไปข้างหน้า i₀> 0 เปลี่ยนกระแส i_S1= i₀และไดโอดปัจจุบัน i_D1= 0

(iii) ช่วงเวลา III (T / 2 ในช่วงเวลานี้ทั้งสวิตช์ S₁และ S_สองปิดอยู่และไดโอด D₁อยู่ในอคติย้อนกลับและ D_สองอยู่ในการส่งต่ออคติอยู่ในสภาพอคติย้อนกลับ ในช่วงเวลานี้ตัวเหนี่ยวนำจะปล่อยพลังงานผ่านไดโอด D_สอง. กระแสเอาต์พุตจะลดลงแบบทวีคูณจากค่าสูงสุดที่เป็นบวก (I_{สูงสุด}) เป็นศูนย์

การใช้ KVL จะได้รับ

แรงดันไฟฟ้าขาออก V₀<0 The output current flows in the forward direction, therefore, i₀> 0 เปลี่ยนกระแส i_S1= 0 และกระแสไดโอด i_D1= 0

(iv) ช่วงเวลา IV (t2 ในช่วงเวลานี้สวิตช์ S₁ปิดอยู่และ S_สองถูกปิดและไดโอด D₁และ D_สองมีอคติย้อนกลับ ในช่วงเวลานี้ตัวเหนี่ยวนำจะเรียกเก็บค่าสูงสุดเป็นลบ (-I_{สูงสุด}) เป็นศูนย์

การใช้ KVL จะได้รับ

แรงดันไฟฟ้าขาออก V₀<0 The output current flows in the opposite/reverse direction therefore i₀<0 switch current i_S1= 0 และกระแสไดโอด i_D1= 0

โหมดการทำงานของ Half Bridge Inverter

การสรุปช่วงเวลาแสดงในตารางด้านล่าง

ส. อบจ	ช่วงเวลา	การดำเนินการของอุปกรณ์	แรงดันขาออก (V0 )	เอาต์พุต ปัจจุบัน ( ผม0 )	สลับกระแส (iS1 )	สวิตช์ไดโอด (iD1 )
1	01	ง1	V0> 0	ผม0<0	0	- ผม0
สอง	t1	ส1	V0> 0	ผม0> 0	ผม0	0
3	T / 2สอง	งสอง	V0<0	ผม0> 0	0	0
4	tสอง	สสอง	V0<0	ผม0<0	0	0

รูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าขาออกของอินเวอร์เตอร์ครึ่งสะพานเฟสเดียวที่มีโหลด RL แสดงอยู่ในรูปด้านล่าง

รูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าขาออกของอินเวอร์เตอร์ Half Bridge เฟสเดียวพร้อมโหลด R-L

อินเวอร์เตอร์ Half Bridge Vs Full Bridge Inverter

ความแตกต่างระหว่างอินเวอร์เตอร์แบบครึ่งสะพานและอินเวอร์เตอร์ฟูลบริดจ์แสดงไว้ในตารางด้านล่าง

ส. อบจ	อินเวอร์เตอร์ Half Bridge “หน่วยของสนามไฟฟ้าคืออะไร ”	อินเวอร์เตอร์แบบ Full Bridge
1	ประสิทธิภาพสูงในอินเวอร์เตอร์แบบ half-bridge	ในอินเวอร์เตอร์แบบเต็มสะพานเช่นกันประสิทธิภาพสูง
สอง	ในอินเวอร์เตอร์แบบ half-bridge รูปคลื่นของแรงดันไฟฟ้าขาออกจะเป็นรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัสควาสแควร์หรือ PWM	ในอินเวอร์เตอร์แบบเต็มสะพานรูปคลื่นของแรงดันไฟฟ้าขาออกเป็นรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัสกึ่งสี่เหลี่ยมจัตุรัสหรือ PWM
3	แรงดันไฟฟ้าสูงสุดในอินเวอร์เตอร์ครึ่งสะพานคือครึ่งหนึ่งของแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง	แรงดันไฟฟ้าสูงสุดในอินเวอร์เตอร์แบบฟูลบริดจ์จะเหมือนกับแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง
4	อินเวอร์เตอร์แบบ half-bridge ประกอบด้วยสวิตช์สองตัว	อินเวอร์เตอร์แบบฟูลบริดจ์ประกอบด้วยสวิตช์สี่ตัว
5	แรงดันขาออกคือ E0= จกระแสตรง/สอง	แรงดันขาออกคือ E0= จกระแสตรง
6	แรงดันไฟฟ้าขาออกพื้นฐานคือ E1= 0.45 จกระแสตรง	แรงดันไฟฟ้าขาออกพื้นฐานคือ E1= 0.9 จกระแสตรง
7	อินเวอร์เตอร์ประเภทนี้สร้างแรงดันไฟฟ้าสองขั้ว	อินเวอร์เตอร์ประเภทนี้สร้างแรงดันไฟฟ้าแบบโมโนโพลาร์

ข้อดี

ข้อดีของอินเวอร์เตอร์ครึ่งสะพานเฟสเดียวคือ

• วงจรเป็นเรื่องง่าย
• ต้นทุนต่ำ

ข้อเสีย

ข้อเสียของอินเวอร์เตอร์ครึ่งสะพานเฟสเดียวคือ

• TUF (Transformer Utilization Factor) อยู่ในระดับต่ำ
• ประสิทธิภาพต่ำ

ดังนั้นทั้งหมดนี้เป็นข้อมูลเกี่ยวกับ ภาพรวมของอินเวอร์เตอร์ครึ่งสะพาน , ความแตกต่างระหว่างอินเวอร์เตอร์ครึ่งสะพานและอินเวอร์เตอร์ฟูลบริดจ์ข้อดีข้อเสียอินเวอร์เตอร์ครึ่งสะพานเฟสเดียวที่มีโหลดตัวต้านทานจะกล่าวถึง นี่คือคำถามสำหรับคุณว่าอินเวอร์เตอร์แบบ half-bridge มีการใช้งานอะไรบ้าง?