Wie führt eine Erhöhung der Betriebsfrequenz zu einer Verringerung der Größe eines Wechselrichterschaltkreises?

Ich habe in einem Lehrbuch über Wechselrichter gelesen, in dem der Autor das sagt

Die Größe und die Kosten der Schaltung können bis zu einem gewissen Grad reduziert werden, wenn die Betriebsfrequenz erhöht wird. Dann müssen jedoch Thyristoren mit Wechselrichtertyp verwendet werden, die teuer sind.

Wie wirkt sich eine Frequenzerhöhung auf die Größe des Wechselrichterkreises aus (oder wirkt sich dies auch auf den Rest des Stromkreises aus?). Gibt es eine physikalische Ursache, die dies verursacht?

Der größte Einzelfaktor ist normalerweise die Induktorgröße. Wenn Sie z. B. eine doppelte Frequenz verwenden, können Sie die Induktivität im Allgemeinen halbieren (da die Impedanz eines reinen Induktors proportional zur Frequenz ist). In der Praxis gelten eine Reihe von Faktoren, so dass es sich nicht um eine direkt lineare Beziehung handelt, sondern gut genug.

Wenn Sie einen Spitzenstrom von beispielsweise 1A benötigen, hängt die Zeit, die zum Hochfahren von 0 auf 1A benötigt wird, hauptsächlich von der Induktivität und der angelegten Spannung ab. Wenn der Induktor etwa 10x kleiner ist, steigt der Strom mit ~ 10x der Rate an. In ähnlicher Weise wird auch die Entladezeit beschleunigt und der Gesamtzyklus ist schneller, so dass die Betriebsfrequenz höher ist. Sie können dies als den kleineren Induktor betrachten, der einen Betrieb mit höherer Frequenz verursacht, oder als den höheren Induktor, der kleinere Induktoren ermöglicht.

Wenn der Text in diesem Zusammenhang Thyristoren erwähnt, handelt es sich wahrscheinlich entweder um einen alten oder um extrem hohe Leistungsstufen. Heutzutage verwenden Wechselrichter für die meisten Zwecke normalerweise entweder MOSFETs oder IGBTs. Die größten Wechselrichter verwenden möglicherweise noch Thyratron-Ventile - wie die vielen MegaWatt-Einheiten, die für die Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom für Gleichstrom-U-Boot-Kabel verwendet werden.

In typischen tragbaren modernen Anwendungen kann ein Wechselrichter, der vor mehr als 10 Jahren mit 100 kHz oder weniger betrieben wurde, jetzt mit 500 kHz bis 2 MHz betrieben werden, und einige arbeiten wieder mit höheren Werten. Bei 1 MHz + und Leistungspegeln von beispielsweise einigen Watt kann die Induktorgröße 10% bis 20% der Größe bei 100 kHz betragen, und der Induktor kann immer noch die Gesamtgröße dominieren.

Beachten Sie, dass die Stromtragfähigkeit ~ proportional zur Drahtfläche ist, die Induktivität jedoch proportional zu den quadratischen Windungen. Dies bedeutet jedoch nicht, dass sich die Kerngröße nur mit der Häufigkeit ändert, da Sie Probleme mit dem Kernquerschnitt, der Kernpfadlänge, der Größe des Wicklungsfensters und mehr haben, um den Spaß zu steigern.

Die Verwendung einer höheren Frequenz erfordert kleinere Kondensatoren, physikalisch kleinere Induktivitäten / Transformatoren und deren Kerne und verringert daher die Gesamtgröße eines Entwurfs.

• $X_C = \dfrac{1}{2\pi fC}$fC .
• $X_L = 2 \pi fL$fL

Andererseits ist ein Hochfrequenz-Wechselrichter je nach Verwendungszweck möglicherweise nicht für den Zweck geeignet: Bei Haushalts-Wechselrichtern ist für die meisten Geräte eine Leistung erforderlich, die mindestens annähernd der Netzfrequenz entspricht.

Einige Sinus-Wechselrichter adressieren dies, indem sie mit einer weitaus höheren Frequenz von Kilohertz bis Megahertz arbeiten und die Sinuswellenform über PWM erzeugen. Somit erfolgt der Großteil der Leistungsübertragung bei der höheren Frequenz mit einem Tiefpassfilter der Endstufe, um die höheren Harmonischen aus dem PWM-Signal zu entfernen und eine glatte Sinuswelle bei den gewünschten 50/60 Hz zu hinterlassen.

Ich hatte das gleiche Problem und hier ist, was ich gefunden habe:

XL = 2πfL
Z = (R2 + XL) 1/2
I = V / Z.

Wenn f zunimmt, nimmt XL zu.
Wenn XL zunimmt, nimmt Z zu.
I ist daher umgekehrt proportional zu Z, wenn Z zunimmt, nimmt I ab.
Daher führt eine Erhöhung der Frequenz zu einer Verringerung des Stroms.