ОДНОТАКТНЫЙ ИНВЕРТОР Российский патент 1995 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для преобразования одного уровня напряжения в другой с гальванической развязкой источника и приемника электрической энергии.

Известно устройство, состоящее из транзистора, трансформатора с тремя обмотками, двух резисторов, диода и конденсатора [1] Недостатками этого устройства являются большим коммутационные потери и значительная зависимость этих потерь от коэффициента усиления базового тока β. Коммутационные потери велики из-за низкого быстродействия положительной обратной связи, возникающей при запирании транзистора в контуре: коллектор первого транзистора, первичная обмотка трансформатора, обмотка обратной связи трансформатора, база транзистора. Быстродействие обратной связи ограничивается индуктивностями рассеяния трансформатора [2] Существование этих индуктивностей приводит к тому, что ток обмотки обратной связи, равный току базы I_б транзистора, не может изменить своего направления одновременно с изменением полярности напряжения в первичной обмотке. Ток изолятора I_к транзистора, равный току первичной обмотки, нарастает линейно до тех пор, пока не достигает величины I_км β I_б. Дальнейший рост тока I_к невозможен, поэтому напряжение на первичной обмотке уменьшается до 0, а на транзисторе увеличивается до напряжения питания U_п. Это приводит не к прекращению тока обмотки обратной связи и тока I_б, а из-за инерционности индуктивностей рассеяния лишь к некоторому его уменьшению. Вместе с базовым уменьшится и коллекторный ток I_к, а напряжение на коллекторе увеличится до значения U_п + U_вых n₁/n₂, где U_вых напряжение на выходе инвертора; n₁, n₂ соответственно числа витков первичной и вторичной обмоток трансформатора. Коллекторный ток транзистора прекратится лишь после того, как ток в обмотке обратной связи, изменив знак, превысит ток смещения I_см U_п/R_см, протекающий через резистор R_см. Таким образом, в устройстве существует такой режим транзистора, когда на коллекторе напряжение U_п + U_вых n₁/n₂, а ток коллектора близок к I_км. Причем длительность этого режима составляет несколько сотен наносекунд. Это обуславливает значительные коммутационные потери в устройстве, приводящие к перегреву транзистора, и как следствие к снижению надежности устройства и уменьшению его КПД.

Зависимость коммутационных потерь от коэффициента усиления базового тока β обусловлена следующим. Базовый ток I_б транзистора в этом устройстве не зависит от коэффициента β. Транзистор закроется после того, как ток коллектора превысит величину I_км β I_б. Поэтому ток, при котором транзистор закрывается, а, следовательно и коммутационные потери пропорциональны коэффициенту β. Поскольку разброс коэффициентов β транзисторов одного типа обычно составляет 200-300% то коммутационные потери у транзисторов с максимальным коэффициентом β будут втрое больше, чем у транзисторов с минимальным β. Большие коммутационные потери ведут к перегреву транзистора, особенно с большим коэффициентом β и, следовательно, к снижению надежности и КПД устройства.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности и достигаемому результату является устройство [3] состоящее из двух транзисторов, трансформатора с тремя обмотками, трех резисторов, диода и конденсатора. В этом устройстве запирание первого транзистора происходит в тот момент, когда ток его эмиттера достигает определенной величины I_эм, определяемой напряжением отпирания второго транзистора U_б и резистором R₂ в эмиттерной цепи первого транзистора I_эм U_б/R₂. Разброс напряжений U_o не превышает 10% у транзисторов одного типа, поэтому запирание первого транзистора происходит практически при одинаковом токе независимо от β. Здесь исключается перегрев транзисторов с большим β по сравнению с транзисторами с малыми β. Надежность и КПД устройства выше, чем у ранее рассмотренного, но остаются на низком уровне из-за значительных коммутационных потерь. Эти потери обусловлены также, как и в предыдущем устройстве, низким быстродействием положительной обратной связи, возникающей при запирании первого транзистора.

Для повышения надежности и увеличения КПД в однотактном инверторе, содержащем первый и второй транзисторы, первый, второй и третий резисторы, трансформатор с обмотками первичной, вторичной и обратной связи, диод, конденсатор, один вывод первого резистора соединен с базой первого транзистора, другой вывод с началом первичной обмотки транзистора, второй резистор подсоединен между базой первого транзистора и началом обмотки обратной связи, третий резистор подсоединен между эмиттерами транзисторов, конец первичной обмотки соединен с коллектором первого транзистора, конец обмотки обратной связи соединен с эмиттером второго транзистора, коллектор второго транзистора соединен с базой первого транзистора, цепь из последовательно соединенных диода и конденсатора подсоединена к выводам вторичной обмотки, анодом диода соединяясь с концом вторичной обмотки, дополнительно введен индуктивный элемент между базой второго и эмиттером первого транзисторов.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием нового элемента индуктивного элемента между базой второго и эмиттером первого транзистора. Это соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявленного решения с другими техническими решениями в данной и смежной областях техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа. Это соответствует критерию "существенные отличия".

Совокупность заявленных признаков в однотактном инверторе позволяет получить положительный эффект, заключающийся в повышении надежности его работы и КПД. Это достигается тем, что вновь введенный индуктивный элемент, подсоединенный между базой второго транзистора и эмиттером первого транзистора, задерживает базовый ток второго транзистора. Поэтому запирание первого транзистора осуществляется шунтированием его базо-эмиттерного перехода вторым транзистором, а не действием положительной обратной связи, обладающей значительной инерционностью. В результате этого снижаются коммутационные потери, повышаются КПД и надежность устройства.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема однотактного инвертора; на фиг.2 временная диаграмма, поясняющая его принцип действия.

Однотактный инвертор состоит из транзисторов первого VT1 и второго VT2, из резисторов первого R1, второго R2, третьего R3, трансформатора Тр с обмотками первичной W1, вторичной W2, и обратной связи W3, имеющие соответственно n₁, n₂, n₃ витков, диода VD, конденсатора С, индуктивного элемента L. Один вывод резистора R1 соединен с базой транзистора VT1, другой вывод с началом обмотки W1, второй резистор R2 подсоединен между базой транзистора VT1 и началом обмотки W3, резистор R3 подсоединен между эмиттерами транзисторов, конец обмотки W1 соединен с коллектором VT1, конец обмотки W3 соединен с эмиттером VT2, коллектор транзистора VT2 соединен с базой транзистора VT1, индуктивный элемент L подсоединен между базой транзистора VT2 и эмиттером транзистора VT1, цепь из последовательно соединенных диодов VD и конденсатора С подсоединена к выводам обмотки W2, анодом диода, соединяясь с концом обмотки W2.

Устройство работает следующим образом. В момент t_o на схему подается напряжение питания U_п, транзистор VT2 закрыт, транзистор VT1 открывается током смещения I_см (Uп U_эб1)/R1 U_бэ1/R2, где Uбэ1 напряжение на переходе база-эмиттер транзистора VT1, поступающим в базу этого транзистора через резистор R1. К обмотке W1 прикладывается напряжение питания, с момента t_o начинается этап накопления энергии в сердечнике трансформатора Тр. Поскольку к диоду VD приложено запирающее напряжение и ток в обмотке W2 отсутствует, то ток в обмотке W1, равный току I_к1 коллектора транзистора VT1, растет линейно I_к1 Uп/L1^.t, где L1 индуктивность обмотки W1. Ток в резисторе R2 начинает увеличиваться и в момент t₂ достигает величину IR2 (U_п^.n3/n1 UR3 U_бэ1)/R2. Длительность интервала (t_o, t₁) определяется индуктивностями рассеяния трансформатора. Ток IR2 до момента t₂ до тех пор, пока закрыт транзистор VT2, замыкается через базо-эмиттерный переход VT1 и резистор R3. До этого момента он равен базовому току I_бэ транзистора VT1, если пренебречь весьма малой величиной тока I_см. Ток эмиттера I_э1 транзистора VT1 складывается из токов I_к1 и I_б1. Напряжение UR3 на резисторе R3 до момента t2 пропорционально току I_э1^. U_R3 [Uп/L1^.t + (Uп^.n3/n1 UR3 U_бэ1)/R2]R3. Длительность интервала (t₁, t₂) можно определить из условия UR3 U_o, где U_o величина, по достижении которой напряжением UR3 начинается отпирание транзистора VT2. Начиная с момента t₂, когда напряжение UR3 превышает Uo, часть эмиттерного тока I_э1 начнет поступать в базу VT2 через индуктивный элемент L. Появление базового тока I_б2 приводит к отпиранию Vt2. Его коллекторный ток начнет нарастать. При этом начнет уменьшаться ток I_б1, он даже изменит знак во время рассасывания избыточных носителей в базе VT1. К концу процесса рассасывания момент t₃ ток I_к1 достигнет значения I_км. Длительность интервала (t₂, t₃) определяется степенью насыщения транзистора VT1, коэффициентом усиления базового тока транзистора VT2, величиной индуктивного элемента L. По окончании процесса рассасывания в момент t₃ напряжение на коллекторе транзистора VT1 станет равным U_кэ1 U_п + U_выхх хn₂/n₁ + U_L1, где U_L1 выброс напряжения, обусловленный индуктивностью рассеяния обмотки W1. Одновременно ток I_к1 уменьшится до 0 транзистор VT1 закроется. Режим когда напряжение на коллекторе равно U_п + U_вых n₂/n₁, а ток близок к I_км здесь исключен благодаря тому, что шунтирующее действие транзистора VT2 на базо-эмитерный переход VT1 сохраняется и при снижении напряжения U_R3 до величины меньшей, чем U_o. Шунтирующее действие VT2 сохраняется на протяжении интервала (t₃, t₄) до тех пор, пока не появится запирающий ток в обмотке W3. Шунтирующее действие VT2 достигается тем, что при уменьшении I_э1 и снижении U_R3 до 0, транзистор VT2 остается открытым потому, что в это время и в течение всего интервала (t₃, t₄) в базу VT2 продолжает поступать отпирающий ток I_б2, поддерживаемый индуктивным элементом L (методика расчета индуктивности L в приложении). При этом ток I_б2 несколько уменьшится по величине, а после того, как ток I_R2 изменит знак, в момент t₄ базоколлекторный переход транзистора VT2 сместится в прямом направлении, ток I_б2 увеличится и станет равным I_к2 и I_R2, так как ток обмотки W3 будет протекать по цепи: резистор R2, базоколлекторный переход транзистора VT2, резистор R3. Длительность интервала (t₃, t₅) определяется индуктивностями рассеяния трансформатора Тр. В момент t₃ момент запирания транзистора VT1 ток в обмотке W1 прекратится. В этот же момент появится ток в обмотке W2 и в диоде VD величиной I_VDM I_KM хn₁/n₂. Начинается этап расхода энергии, накопленной сердечником трансформатора. Ток в обмотке W2 и диоде VD будет спадать по линейному закону I_VD I_VDM (U_вых + +U_VDO)/L₂^.t, где U_VDO напряжение на открытом диоде VD, L2 индуктивность вторичной обмотки W2. Длительность импульса тока I_V2 интервал (t₃, t₅) определяется из условия I_VD 0. В момент t₅, когда ток I_VD прекратится, напряжение на обмотках трансформатора, ток I_R2 начнут уменьшаться. К моменту t₇ они станут равными нулю. Длительность интервала (t₅, t₆) зависит от емкости базоколлекторного перехода транзистора VT1 от времени обратного восстановления диода VD, от индуктивностей обмоток. В момент t₇ завершается этап расхода энергии, накопленной сердечником трансформатора. С момента t₇ описанный цикл работы инвертора повторится. Конденсатор С, подключенный к выводам вторичной обмотки, служит для сглаживания пульсаций выходного напряжения U_вых.

Таким образом, введенный индуктивный элемент L поддерживает базовый ток транзистора VT2 даже после снижения напряжения UR3 до 0. В результате этого открытый транзистор VT2 шунтирует базо-эмиттерный переход транзистора VТ1 в то время, когда ток обмотки обратной связи еще не успел изменить своего направления на запирающее. Поэтому в заявляемом инверторе отсутствует режим, когда напряжение и ток в транзисторе VT1 одновременно близки к своим максимальным значениям. Это ведет к снижению коммутационных потерь и, следовательно, к повышению КПД, повышению надежности.

Использование: при проектировании вторичных источников питания. Сущность изобретения: устройство содержит первый транзистор VT1 через первичную обмотку трансформатора Тр и резистивный датчик тока в виде резистора R3 присоединенный к входным выводам. Вход транзистора VT1 шунтирован силовой цепью транзистора VT2, в цепь базы которого включен индуктивный элемент L, который поддерживает базовый ток транзистора VT2 после снижения напряжения на резисторе R3. Транзистор VT2, поддерживает транзистор VT1 в открытом состоянии, в то время, когда ток в обмотке обратной связи еще не успел изменить своего направления, это позволяет исключить перегрузки по току и напряжению в транзисторе VT1. 2 ил.

ОДНОТАКТНЫЙ ИНВЕРТОР, содержащий первый и второй транзисторы, первый, второй и третий резисторы, трансформатор с обмотками первичной, вторичной и обратной связи, диод, конденсатор, один вывод первого резистора соединен с базой первого транзистора, другой вывод с началом первичной обмотки трансформатора, соединенным с первым входом выводом, второй резистор подсоединен между базой первого транзистора и началом обмотки обратной связи, третий резистор подсоединен между эмиттерами транзисторов, конец первичной обмотки соединен с коллектором первого транзистора, конец обмотки обратной связи соединен с вторым входным выводом и с эмиттером второго транзистора, коллектор которого соединен с базой первого транзистора, цепь из последовательно соединенных диода и конденсатора, подключенного к выходным выводам, подсоединена к выводам вторичной обмотки, анодом диода соединяясь с концом вторичной обмотки, отличающийся тем, что между базой второго и эмиттером первого транзисторов включен введенный индуктивный элемент.