Как увеличение рабочей частоты приводит к уменьшению размера схемы инвертора?

Я читал об инверторах в учебнике, где автор говорит, что

Размер и стоимость схемы могут быть в некоторой степени уменьшены, если рабочая частота увеличена, но тогда необходимо использовать тиристоры инверторного класса, которые являются дорогостоящими.

Как увеличение частоты влияет на размер схемы инвертора (или это также влияет на остальную часть цепи?). Есть ли какая-то физика, которая вызывает это?

Самым большим фактором обычно является размер индуктора. Если вы, например, удвоили частоту, вы можете, как правило, вдвое уменьшить индуктивность (поскольку полное сопротивление чистого индуктора пропорционально частоте). На практике применяется ряд факторов, так что это не прямолинейные отношения, но достаточно хорошие.

Если вам нужен пиковый ток, скажем, 1А, то время, необходимое для увеличения от 0 до 1А, связано, главным образом, с индуктивностью и приложенным напряжением. Если индуктор, скажем, в 10 раз меньше, то ток возрастает со скоростью ~ 10 раз. Время разряда также ускоряется, и весь цикл быстрее, поэтому рабочая частота выше. Вы можете рассматривать это как меньшую катушку индуктивности, вызывающую работу на более высокой частоте или более высокую частоту, допускающую индуктивность меньшего размера.

Если в тексте упоминаются тиристоры в этом контексте, то, вероятно, он либо старый, либо имеет дело с чрезвычайно высокими уровнями мощности. В настоящее время для большинства целей инверторы обычно используют либо MOSFET, либо IGBT. Самые большие инверторы могут по-прежнему использовать клапаны Thyratron - например, многие блоки MegaWatt, используемые для преобразования энергии постоянного тока в переменный ток для подводных кабелей постоянного тока.

В типичных портативных современных приложениях инвертор, который мог работать на частоте 100 кГц или менее 10+ лет назад, теперь может работать на частотах от 500 кГц до 2 МГц, а некоторые снова работают на более высоких частотах. При частоте 1 МГц + и, скажем, уровнях мощности в несколько ватт размер индуктора может составлять 10-20% от размера при 100 кГц, и индуктор все еще может доминировать над общим размером.

Обратите внимание, что токоподъемность ~ пропорциональна площади провода, но индуктивность пропорциональна квадратам витков. Это не означает, что размер ядра изменяется только в зависимости от частоты, так как у вас есть проблемы с поперечным сечением ядра, длиной пути ядра, размером окна обмотки и многим другим, чтобы добавить к веселью.

Использование более высокой частоты требует меньших конденсаторов, физически меньших индукторов / трансформаторов и их сердечников, и, следовательно, уменьшает общий размер конструкции.

• Емкостное сопротивление $X_C = \dfrac{1}{2\pi fC}$Таким образом, для любого требуемого реактивного сопротивления (фильтрация и т. д.) более высокая частота fпозволяет снизить емкость C.
• Индуктивное сопротивление $X_L = 2 \pi fL$Итак, еще раз, для любого данного реактивного сопротивления, более высокая частота fучитывает меньшую индуктивность L.

С другой стороны, в зависимости от предназначения, высокочастотный преобразователь может не подходить для этой цели: для бытовых преобразователей мощности выходной сигнал, по крайней мере, приблизительно близкий к частоте сети, требуется для большинства устройств.

Некоторые синусоидальные преобразователи решают эту проблему, работая на гораздо более высокой частоте, от килогерц до мегагерц, и генерируя синусоидальную форму с помощью ШИМ. Таким образом, большая часть передачи энергии происходит на более высокой частоте, с фильтром нижних частот конечной ступени, чтобы избавиться от высших гармоник от сигнала ШИМ и оставить позади гладкую синусоидальную волну с желаемыми 50/60 Гц.

У меня была та же проблема, и вот что я нашел:

XL = 2πfL
Z = (R2 + XL) 1/2
I = V / Z

Когда f увеличивается, XL увеличивается.
Когда XL увеличивается, Z увеличивается.
I обратно пропорционально Z, поэтому, когда Z увеличивается, I уменьшается.
Поэтому увеличение частоты приводит к снижению тока.