ДВУХТАКТНЫЙ ИНВЕРТОР Российский патент 1994 года по МПК H02M7/538 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах вторичного электропитания и автоматики.

Известен преобразователь, содержащий в каждом плече инвертора с выходным трансформатором силовой транзистор, база-эмиттерный переход которого через базовый резистор, зашунтированный вспомогательной обмоткой выходного трансформатора с диодом, подсоединен к управляющей обмотке.

Однако в известном преобразователе процесс запирания происходит пассивно, что снижает КПД из-за динамических потерь мощности.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности является преобразователь, принятый за прототип. Известный преобразователь выполнен по двухтактной транзисторной схеме с нулевой точкой. Выходной трансформатор имеет две вспомогательные обмотки, каждая из которых подключена через цепочку из резистора и двух согласно-последовательно включенных диодов к базовому резистору соответствующего плеча, а между точкой соединения между собой диодов и противоположным выводом вспомогательной обмотки включен конденсатор. Блок управления вырабатывает однополярные импульсы управляющих напряжений, длительность которых автоматически регулируется в зависимости от входного напряжения и тока нагрузки и имеет максимальное значение (соответствующее минимальной паузе между импульсами блока управления) при максимальном выходном токе нагрузки и минимальном входном напряжении. В известном техническом решении осуществляется форсированное запирание силовых транзисторов несмотря на отсутствие реверса полярности выходных напряжений блока управления путем автоматического подключения ранее заряженного конденсатора к базовому резистору, что исключает сквозные токи при максимальных значениях выходного тока и минимальном входном напряжении.

Однако в известном широтно-регулируемом преобразователе блок управления во всех случаях, в том числе в указанном случае минимального входного напряжения и максимальной нагрузки, вырабатывает паузу между импульсами управления. При использовании известного преобразователя в составе нерегулируемого источника без паузы между импульсами напряжения управления, в преобразователе создаются условия для протекания сквозных токов из-за инерционности запирания силовых транзисторов.

Целью изобретения является повышение КПД нерегулируемого инвертора путем уменьшения динамических потерь мощности, улучшения условий переключения силовых ключей, уменьшения потерь в цепи управления транзисторными ключами и исключения сквозных токов.

Это достигается тем, что в двухтактный инвертор с нулевой точкой, содержащий силовые транзисторы, коллекторы которых подключены к крайним выводам первичной обмотки выходного трансформатора, средняя точка которой подключена к первому входному выводу, эмиттеры объединены и подключены к второму входному выводу, дополнительные обмотки подключены через цепочки из попарно-последовательно включенных диодов к базовым резисторам в цепях парафазных выходов источника однополярных управляющих импульсов напряжения введены два дополнительных транзистора, эмиттер каждого из которых подключен к базе соответствующего силового транзистора каждого плеча, коллекторы дополнительных транзисторов подключены через резисторы к отводам первичной обмотки выходного трансформатора, базо-эмиттерные переходы каждого силового транзистора и дополнительного зашунтированы введенными цепочками из параллельно включенных резисторов и обратно включенных диодов, базы дополнительных транзисторов подключены к базовым резисторам в цепях парафазных выходов источника управляющих импульсов напряжения, зашунтированным соответствующим конденсаторами, при этом точки соединения попарно-последовательно включенных диодов в цепочках соединены друг с другом, а сами цепочки включены между базами дополнительных транзисторов и соответствующими выводами дополнительных обмоток выходного трансформатора.

Существенным отличием является уменьшение динамических потерь мощности путем автоматического блокирования отпирания одного составного силового транзисторного ключа на время запирания другого в сочетании с уменьшением потерь в цепи управления составными транзисторными ключами, форсированным запиранием составных транзисторных ключей. В известном техническом решении - прототипе при отсутствии паузы между импульсами источника однополярных управляющих импульсов напряжения создаются условия для протекания сквозных токов, что снижает КПД и надежность преобразователя.

Положительный эффект достигается увеличением КПД за счет уменьшения потерь на элементах источника управляющих импульсов напряжения и на резисторах в цепях парафазных выходов этого источника, а также исключением сквозных токов через транзисторные ключи.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема двухтактного инвертора; на фиг. 2 - временные характеристики.

Двухтактный инвертор состоит из силовых транзисторов 1 и 2, эмиттеры которых объединены и подключены к одному из входных выводов, коллекторы подключены к крайним выводам первичной обмотки 3 выходного трансформатора 4, базы подключены к эмиттерам дополнительных транзисторов 5 и 6, коллекторы которых через резисторы 7 и 8 подключены к отводам первичной обмотки 3 выходного трансформатора 4. Базы дополнительных транзисторов 5 и 6 подключены через резисторы 9 и 10, зашунтированные конденсаторами 11 и 12 к парафазным выходам источника управляющих импульсов напряжения 13, общий вывод которого подключен к упомянутому входному выводу. Дополнительные обмотки 14 и 15 выходного трансформатора 4 подключены через цепочки из согласно последовательно включенных диодов 16 и 17, 18 и 19 к цепочкам из резисторов 9 и 10, зашунтированных конденсаторами 11 и 12 каждого плеча соответственно. Точки соединения между собой диодных цепочек 16 и 17, 18 и 19 объединены. База-эмиттерные переходы силовых транзисторов 1 и 2 зашунтированы цепочками из параллельно включенных резисторов 20 и 21 и диодов 22 и 23. Базо-эмиттерные переходы дополнительных транзисторов 5 и 6 также зашунтированы цепочками из параллельно включенных резисторов 24 и 25 к диодам 26 и 27. Ко вторичной обмотке 28 выходного трансформатора 4 подключена нагрузка 29. Эпюры 30 и 31 соответствуют напряжениям на парафазных выходах источника однополярных импульсов 13, эпюры 32 и 33 соответствуют напряжениям на базах транзисторов 5 и 6, эпюра 34 - напряжению на нагрузке 29.

Двухтактный инвертор работает следующим образом.

Однополярные импульсы 30 и 31 напряжения с парафазных выходов источника однополярных импульсов 13 поступают через базовые резисторы 9 и 10, зашунтированные емкостями 11 и 12 на базы транзисторов 5 и 6, эмиттеры которых подключены к базам силовых транзисторов 1 и 2, поочередно открывая их. Предположим, полярность напряжений на выходе источника 13 управляющих напряжений такова, что на верхнем выходе существует положительное напряжение. Транзисторы 5 и 1 открыты и на их коллекторах существует низкий потенциал относительно эмиттеров, причем малые значения этих потенциалов совместно с малой избыточностью насыщения при разных токах нагрузки обеспечиваются подключением коллектора транзистора 5 через резистор 7 к отводу первичной обмотки 3. Полярность наведенных напряжений на обмотках трансформатора изображена без скобок. Числа витков дополнительных обмоток 14и 15 выбраны такими, что падение напряжения на резисторе 9 превышает напряжение вспомогательной обмотки 14 трансформатора 4, поэтому диоды 14 и 16 находятся в непроводящем состоянии. Диоды 18 и 19 также находятся в непроводящем состоянии вследствие запирающей полярности напряжения обмотки 15. В следующий полупериод напряжение на верхнем выходе источника управляющих напряжений 13 становится равным нулю, а на нижнем выходе появляется положительное напряжение. Транзистор 1 вследствие своей инерционности в течение промежутка времени t₁-t_o остается в открытом состоянии, благодаря чему в течение этого промежутка сохраняются прежними также полярности напряжений на обмотках трансформатора 4. Диоды 17, 16 и 18 переходят в проводящее состояние и подключают обмотку 14 трансформатора 4 к базе транзистора 5, а также через проводящий диод 26 к базе транзистора 1. Проводящий диод 18 препятствует подаче отпирающего напряжения на базу транзистора 6 и исключает таким образом протекание сквозных токов через транзисторы 1 и 2. Напряжение обмотки 14 трансформатора 4 препятствует полному разряду емкости 11, заряженной в предыдущий полупериод. Происходит быстрый разряд активных областей баз транзисторов 1 и 5 и, следовательно, спад их коллекторных токов, приводящий к перемене полярности на обмотках выходного трансформатора 4. Таким образом разрывается цепь отрицательной обратной связи обмотки 14. Транзисторы 6 и 2 отпираются в момент времени t₁. Несмотря на отключение обмотки 14, запирающее напряжение на базах транзисторов 1 и 5 поддерживается за счет разряда заряженной емкости конденсатора 11. Величина заряда не емкости 11.

Q₁₁ = Ц₁₁ ˙С₁₁, где U₁₁ = U₁₄ - U₁₇ - U₁₆ - напряжение на емкости конденсатора 11
U₁₄, U₁₇, U₁₆ - напряжения на обмотке 14, на проводящем диоде 17 и 16 соответственно.

С₁₁ - емкость конденсатора 11. Суммарный заряд Q_5,1 пассивных областей базы транзисторов 5 и 1 Q_5,1 = I_δ1˙τ₁¹+I_δ5˙τ₅¹-Q_Q05-Q_Q01 где I_δ1, I_δ5 - токи баз транзисторов 1 и 5;
τ₁¹= τ_Q1+τ_Qn1; τ₅¹= τ_Q5-τ_Qn5 - средние величины времен жизни неосновных носителей, равные суммам времен жизни в активной области τ_Q и пассивной области τ_Qn
Q_Q05, Q_Q01 - заряды активных областей баз транзисторов 5 и 1 (рассеиваемые в течение промежутка времени действия отрицательной обратной связи обмотки 14 трансформатора 4). При выборе емкости конденсатора 11, удовлетворяющего условию
Q₁₁ > Q_5,1, происходит полное рассасывание неосновных носителей в базах транзисторов 5 и 1, соответствующее отсутствию импульса коллекторного тока самооткрывания транзисторов 5 и 1, наличие которого возможно при неполном рассасывании неосновных носителей в области базы (при наличии остаточных носителей в пассивных областях базы). В следующий полупериод процессы протекают аналогично: напряжение на нижнем выходе источника управляющих напряжений становится равным нулю, диоды 19, 18 и 16, 27 переходят в проводящее состояние, вызывая форсированное запирание транзисторов 6 и 2 одновременно с задержкой (блокированием) отпирания транзисторов 5 и 1. Разряд емкости 12, заряженной до напряжения обмотки 15 и имеющей инверсный знак напряжения, исключает появление паразитного отпирания транзисторов 1 и 2. Диоды 22 и 23 предохраняет от пробоя эмиттерные переходы транзисторов 1 и 2.

Для сравнения эффективности предлагаемого технического решения по сравнению с устройством-прототипом, на фиг. 2 изображено явление "самооткрывания" (момент времени t₄), когда после спада коллекторного тока при запирании силового транзистора при повышенной температуре и при отсутствии емкостей 11 и 12 создаются условия перекрытия импульса самооткрывания запираемого транзистора 1 и тока транзистора 2, т. е. условия протекания сквозных токов через транзисторы 1 и 2.

Таким образом, введение дополнительных транзисторов совместно с шунтированием конденсаторами резисторов в цепи парафазных выходов источника однополярных управляющих импульсов напряжения уменьшает мощность возбуждения и исключает сквозные токи в широком диапазоне изменения температуры что, в совокупности повышает КПД двухтактного инвертора. (56) Патент Японии 55-13515, кл. Н 02 М 7, 1980.

Авторское свидетельство СССР N 171061, кл. Н 02 М 7/536, 1990.

Использование: в системах вторичного электропитания и автоматики. Сущность изобретения: двухтактный инвертор выполнен со средней точкой в выходном трансформаторе (4) и содержит основные (1, 2) и дополнительные (6, 7) транзисторы. Дополнительные (6, 7) транзисторы включены по схеме эмиттерного повторителя. Базы дополнительных (6, 7) транзисторов подключены к парафазным выходам источника (13) однополярных управляющих импульсов напряжения через резисторы (9, 10). Для исключения паразитного повторного отпирания запираемого транзистора (1, 2) и исключения сквозных токов резисторы (9, 10) зашунтированы конденсаторами (11, 12). 2 ил.

ДВУХТАКТНЫЙ ИНВЕРТОР, содержащий силовые транзисторы, коллекторы которых подключены к крайним выводам первичной обмотки выходного трансформатора, средняя точка которой подключена к первому входному выводу, эмиттеры объединены и подключены к второму входному выводу, дополнительные обмотки подключены через цепочки из попарно-последовательно включенных диодов к базовым резисторам в цепях парафазных выходов источника однополярных управляющих импульсов напряжения, конденсаторы, отличающийся тем, что введены два дополнительных транзистора, эмиттер каждого из которых подключен к базе соответствующего силового транзистора каждого плеча, коллекторы дополнительных транзисторов подключены через резисторы к отводам первичной обмотки выходного трансформатора, базо-эмиттерные переходы каждого силового и дополнительного транзисторов зашунтированы введенными цепочками из параллельно включенных резисторов и обратно включенных диодов, базы дополнительных транзисторов подключены к базовым резисторам в цепях парафазных выходов источника управляющих импульсов напряжения, зашунтированным соответствующими конденсаторами, при этом точки соединения попарно-последовательно включенных диодов в цепочках соединены одна с другой, а сами цепочки включены между базами дополнительных транзисторов и соответствующими выводами обмоток выходного трансформатора.