ИНВЕРТОР Российский патент 2002 года по МПК H02M7/5383 

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано для индукционного нагрева металлов.

Известен инвертор с мостовым диодным выпрямителем на входе, содержащий два транзистора, которые соединены между собой коллектором и эмиттером, а свободными выводами подключены к входу инвертора. Параллельно транзисторам подключены входной конденсатор и цепь из двух последовательно соединенных конденсаторов. Нагрузка инвертора подключена между общей точкой транзисторов и общей точкой соединенных в цепь конденсаторов (Журнал "Xian Mechanikal & Electric Institute", КНР).

Для создания мощных высокочастотных генераторов в последнее время широкое применение находят полевые MOS FET транзисторы. Однако их предельные параметры по напряжению и току связаны с частотными характеристиками и, как правило, уровень допустимого напряжения для высокочастотных транзисторов не превышает 600 В. При питании инвертора от мостового выпрямителя, связанного с трехфазной промышленной сетью 380 В, уровень постоянного напряжения на входе инвертора составляет примерно 530 В.

В известном инверторе транзисторы работают в ключевом режиме. В рабочем состоянии в инверторе к закрытому транзистору прикладывается напряжение, равное входному, при этом к нагрузке прикладывается напряжение, равное половине напряжения питания инвертора.

Недостаток известного инвертора заключается в том, что в нем процессе работы к закрытым транзисторам прикладывается напряжение, равное напряжению питания. Это снижает надежность работы устройства, так как максимально допустимое напряжение, прикладываемое к закрытому транзистору, работающему в ключевом режиме, имеет вполне определенный предел, определяемый его техническими характеристиками. Причем, чем выше рабочая частота транзистора, тем оно ниже. В известной схеме инвертора напряжение, прикладываемое к закрытому транзистору, может достигать 530-600 В, а с учетом коммутационных перенапряжений - и более. В результате в известном инверторе сужается номенклатура транзисторов, допустимых к применению, а следовательно сужаются и границы диапазона рабочих частот, обеспечиваемых схемой инвертора. Применение входного питающего трансформатора позволяет снизить входное напряжение инвертора и несколько расширить номенклатуру возможных к применению относительно низковольтных высокочастотных транзисторов. Однако такое решение экономически не целесообразно, так как стоимость трансформатора, работающего на промышленной частоте соизмерима, а иногда и превышает стоимость преобразовательного устройства. Кроме того, введение дополнительного относительно сложного устройства снижает надежность работы инвертора.

Наиболее близким к предлагаемому является мостовой инвертор на биполярных транзисторах, в диагональ которого включены последовательный колебательный контур и первичная обмотка силового трансформатора. Работа транзисторов осуществляется под действием внешнего устройства управления (Высокочастотные транзисторные преобразователи / Э.М. Ромаш, Ю.И. Драбович и др. М.: Радио и связь, 1988, с.233-234, рис.6.26).

Выполнение известного инвертора по мостовой схеме включения транзисторов позволяет получить на нагрузке напряжение, равное входному. При этом к закрытым транзисторам, работающим в ключевом режиме, так же как и в предыдущем случае, прикладывается напряжение, равное напряжению питания инвертора. Как уже было показано выше, допустимое напряжение, прикладываемое к закрытому транзистору, работающему в ключевом режиме, имеет вполне определенный предел, который понижается с повышением рабочей частоты транзистора. Это снижает надежность работы инвертора, сужает номенклатуру транзисторов, в том числе высокочастотных, допустимых к применению по отношению к напряжению питания инвертора, а следовательно сужает и границы диапазона рабочих частот, обеспечиваемых схемой инвертора.

Кроме того, поскольку в известном инверторе транзисторы соединены по мостовой схеме, то одна пара транзисторов из разных диагоналей моста работает по схеме с общим эмиттером, а другая - по схеме с общим коллектором. Различное подключение в схему инвертора транзисторов, работающих в одной диагонали моста, усложняет синхронное управление режимом работы по базам транзисторов в диагонали моста и повышает вероятность их несинхронного переключения. Неодновременность коммутации транзисторов приводит к неравномерности перераспределения напряжения на транзисторах в момент коммутации, что может привести к превышению допустимого напряжения, прикладываемого к закрытому транзистору и снижает надежность работы инвертора. Несинхронность в работе и возможность нарушения режима работы транзисторов, как следствие, приводит к снижению стабильности параметров преобразования выходного сигнала.

Таким образом, выявленные в результате патентного поиска инверторы, аналог и наиболее близкий к заявленному, при осуществлении не обеспечивают достижение технического результата, заключающегося в возможности расширения границ диапазона рабочих частот преобразователя, в повышении стабильности параметров выходного сигнала преобразователя и в повышении надежности.

Предлагаемое изобретение решает задачу создания инвертора, который при осуществлении позволяет обеспечить достижение технического результата, заключающегося в возможности расширения границ диапазона рабочих частот инвертора, в повышении стабильности параметров выходного сигнала инвертора и в повышении его надежности.

Суть изобретения заключается в том, что в инвертор, содержащий транзисторы с первого по четвертый, первый входной конденсатор, индуктор нагрузки, первый конденсатор нагрузки, при этом коллектор первого и эмиттер четвертого транзисторов подключены соответственно к первой и второй входным клеммам источника питания инвертора, эмиттер первого транзистора подключен к коллектору второго транзистора, а коллектор четвертого транзистора соединен с эмиттером третьего, при этом первый конденсатор нагрузки первым выводом подключен к первой входной клемме источника питания инвертора, а индуктор нагрузки последовательно соединен с первым конденсатором нагрузки, дополнительно введены идентичные первым вторые конденсаторы входной и нагрузки, при этом второй входной конденсатор последовательно соединен с первым и вторым выводом подключен ко второй клемме источника питания инвертора, а второй конденсатор нагрузки подключен ко второму выводу индуктора нагрузки, кроме того, первый и второй конденсаторы нагрузки вторыми выводами подключены соответственно к коллектору и эмиттеру второго и третьего транзисторов, которые соответственно эмиттером и коллектором подключены к общей точке первого и второго входных конденсаторов, при этом выводы баз первого и четвертого транзисторов и второго и третьего транзисторов соединены попарно соответственно и являются первым и вторым входами управления инвертора.

Технический результат достигается следующим образом.

Благодаря тому, что в схему инвертора дополнительно введен идентичный первому второй входной конденсатор (т. е. их емкости равны), соединенный последовательно с первым, а цепь из входных конденсаторов подключена параллельно источнику питания инвертора, образуется емкостной делитель напряжения, который делит входное напряжение инвертора на две равные части. В результате к каждой паре транзисторов (первый и второй, третий и четвертый) подключается параллельно соответствующий входной конденсатор, заряженный до половины напряжения питания инвертора. Это обеспечивается благодаря тому, что коллектор первого и эмиттер четвертого транзисторов подключены соответственно к первой и второй входным клеммам источника питания инвертора, эмиттер первого транзистора подключен к коллектору второго транзистора, а коллектор четвертого транзистора соединен с эмиттером третьего, при этом второй и третий транзисторы соответственно эмиттером и коллектором подключены к общей точке первого и второго входных конденсаторов. Таким образом, в предлагаемой схеме инвертора, в отличие от прототипа, для транзисторов, работающих в паре, сформирован свой автономный источник питания с величиной напряжения, равной половине напряжения источника питания инвертора. Наличие двух управляющих входов преобразователя, к которым подключены соответственно выводы баз первого, четвертого транзисторов и второго, третьего транзисторов, обеспечивает возможность управления работой преобразователя от внешнего устройства управления. Это позволяет разнести во времени подачу сигналов управляющего напряжения на базы транзисторов таким образом, что время работы транзисторов равно времени их нахождения в закрытом состоянии, а также обеспечить возможность осуществления алгоритма управления, при котором транзисторы попарно работают в ключевом режиме: первый и четвертый транзисторы открыты, второй и третий - закрыты и наоборот. В результате к закрытому транзистору прикладывается напряжение соответствующего входного конденсатора.

Последовательное соединение конденсаторов нагрузки с индуктором образует последовательный колебательный LC-контур. Благодаря тому, что первый и второй конденсаторы нагрузки вторыми выводами подключены соответственно к коллектору и эмиттеру второго и третьего транзисторов, к последовательному колебательному LC-контуру в процессе работы устройства периодически прикладывается напряжение противоположной полярности, равное полному напряжению источника питания инвертора.

В результате предлагаемая схема инвертора, по сравнению с прототипом, позволяет снизить напряжение питания на закрытых транзисторах в два раза, сохранив напряжение на контуре равным напряжению источника питания. Возможность снижения напряжения на закрытом транзисторе в два раза, позволяет повысить рабочую частоту транзисторов инвертора, а следовательно позволяет расширить границы верхнего диапазона рабочих частот инвертора. При этом расширяется и номенклатура транзисторов, допустимых к использованию в схеме заявленного инвертора (мощные - низкочастотные, маломощные высокочастотные), а благодаря снижению напряжения на закрытом транзисторе, предлагаемая схема позволяет использовать транзисторы в облегченном режиме, что повышает надежность работы схемы, а также расширяет границы нижнего диапазона рабочих частот инвертора. При этом не требуется дополнительного устройства для снижения входного напряжения, что упрощает инвертор и повышает его надежность.

Включение индуктора нагрузки между первым и вторым конденсаторами нагрузки позволяет исключить аварийное нарастание тока при пробое изоляции индуктора нагрузки на землю, исключает выход из строя транзисторов в подобных аварийных ситуациях и повышает надежность работы инвертора.

Кроме того, в заявленном инверторе, по сравнению с прототипом, отсутствует соединение транзисторов по схемам с общем эмиттером и с общим коллектором. Это упрощает управление транзисторов по базам, поскольку позволяет соединить их попарно: импульс одинаковой длительности подают поочередно на каждую пару транзисторов (первый, четвертый и второй, третий). Поскольку в качестве источника питания для каждой пары транзисторов служит конденсатор, заряженный до половины напряжения питания инвертора, это снижает требования к идентичности параметров транзисторов, что повышает стабильность выходных параметров инвертора и надежность работы. Это объясняется тем, что в инверторе к каждому закрытому транзистору приложено напряжение соответствующего входного конденсатора, которое, поскольку входные конденсаторы всегда заряжены до половины напряжения питания инвертора, имеет вполне определенную величину. Поэтому при несинхронном переключении транзисторов перераспределения напряжения питания между закрытыми транзисторами работающей пары не происходит. Последнее также повышает надежность работы устройства, так как снижает вероятность превышения допустимого напряжения, прикладываемого к закрытому транзистору.

Кроме того, благодаря тому, что в схеме заявленного инвертора обеспечивается возможность соединения баз транзисторов, работающих в паре на закрывание (открывание), момент закрывания (открывания) транзисторов практически одинаков, так как они управляются одним и тем же импульсом. Синхронность работы транзисторов обеспечивает повышение стабильности выходных параметров инвертора.

Таким образом, из вышеизложенного следует, что заявленный инвертор, при осуществлении обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в возможности расширения границ диапазона рабочих частот инвертора, в повышении стабильности параметров выходного сигнала инвертора и в повышении его надежности.

На фиг. 1 изображена схема электрическая принципиальная инвертора; на фиг.2 - эпюры напряжений, поясняющие работу инвертора.

Инвертор содержит транзисторы с первого по четвертый 1, 2, 3, 4, входные конденсаторы первый 5 и второй 6, конденсаторы нагрузки первый 7 и второй 8, индуктор нагрузки 9. Первый 5 и второй 6 входные конденсаторы соединены последовательно и подключены параллельно источнику питания инвертора. Коллектор первого 1 и эмиттер четвертого 4 транзисторов подключены соответственно к первой 10 и второй 11 входным клеммам источника питания инвертора. Эмиттер первого 1 транзистора подключен к коллектору второго 2 транзистора, а коллектор четвертого 4 транзистора соединен с эмиттером третьего 3. Второй 2 и третий 3 транзисторы соответственно эмиттером и коллектором подключены к общей точке первого 5 и второго 6 входных конденсаторов. Первый конденсатор 7 нагрузки, индуктор 9 нагрузки и второй 8 конденсатор нагрузки соединены последовательно и образуют последовательный колебательный LC-контур. Свободными выводами конденсаторы 7, 8 нагрузки подключены к коллектору и эмиттеру второго 2 и третьего 3 транзисторов. Первый управляющий вход 12 инвертора подключен к базам первого 1 и четвертого 4 транзисторов, а второй управляющий вход 13 подключен к базам второго 2 и третьего 3 транзисторов.

Обычно управление работой транзисторов в инверторах с внешним возбуждением осуществляется от внешнего задающего генератора (Высокочастотные транзисторные преобразователи / Э.М. Ромаш, Ю.И. Драбович и др. М.: Радио и связь, 1988, с.91). Применительно к нашему в простейшем случае это может быть генератор прямоугольных импульсов в виде меандра с прямым и инверсным выходами. При этом, например, первый управляющий вход инвертора подключен к прямому выходу генератора, а второй - к инверсному выходу. В результате обеспечивается синхронность работы транзисторов, а также выполняется равенство времени нахождения транзистора в закрытом и открытом состоянии.

Инвертор работает следующим образом (рассмотрим для упрощения только установившийся режим работы). Управляющие импульсы с управляющих входов 12, 13 поступают на базы транзисторов соответственно первого 1, четвертого 4 и второго 2, третьего 3 в момент времени 0 (фиг.2а, б), открывают транзисторы 1, 4 (фиг. 2в), а транзисторы 2, 3 закрывают (фиг.2г). При этом к закрытым транзисторам 2, 3 прикладывается напряжение, равное напряжению на конденсаторах 5, 6 и, следовательно, половине напряжения источника питания инвертора. К последовательному колебательному LC-контуру (первый конденсатор нагрузки 7, индуктор нагрузки 9 и второй конденсатор нагрузки 8) прикладывается полное напряжение источника питания инвертора. Под действием этого напряжения в последовательном колебательном LC-контуре наводится ток синусоидальной формы положительной полярности, с параметрами, определяемыми параметрами колебательного контура (фиг.2е). Для оптимальной работы инвертора длительность импульса, управляющего работой транзисторов 1-4, должна быть несколько больше половины периода синусоиды тока в индуктивности колебательного контура, с учетом переходных процессов. В этом случае при каждом переключении транзисторов в колебательном контуре успевает формироваться полуволна, синусоидального тока, положительная или отрицательная (фиг.2д).

В момент перехода тока в колебательном последовательном LC-контуре через ноль (фиг. 2, момент времени t₁) управляющие импульсы открывают транзисторы 2, 3 и закрывают транзисторы 1, 4. В этом случае напряжение, равное половине напряжения источника питания инвертора, приложено к закрытым транзисторам 1 и 4, а к колебательному LC-контуру приложено полное напряжение источника питания, но противоположной полярности. В колебательном контуре формируется отрицательная полуволна синусоидального тока (фиг.2д). Далее процесс повторяется.

Таким образом, предлагаемая схема инвертора позволяет ограничить напряжение на закрытых транзисторах, работающих в ключевом режиме, на уровне половины питающего напряжения инвертора. Это дает возможность использовать общепромышленные полевые (MOSFET) транзисторы и сверхбыстрые IGBT, расширить границы рабочего диапазона частот инвертора, повысить стабильность выходных параметров и надежность, как в рабочих режимах работы, так и в аварийных ситуациях.

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано для индукционного нагрева металлов. Сущность изобретения: инвертор содержит транзисторы с первого по четвертый, входные конденсаторы первый и второй, конденсаторы нагрузки первый и второй, индуктор нагрузки. Параллельно к источнику питания инвертора подключены первый и второй входные конденсаторы, соединенные последовательно. Кроме того, первый и второй конденсаторы подключены соответственно к соединенным попарно транзисторам первому, второму и третьему, четвертому. Первый конденсатор нагрузки, индуктор нагрузки и второй конденсатор нагрузки соединены последовательно и образуют последовательный колебательный LC-контур. Нагрузка инвертора подключена к точкам соединения транзисторов и первого, второго и третьего, четвертого. Транзисторы поочередно работают в ключевом режиме. К закрытому транзистору прикладывается напряжение соответствующего конденсатора, т.е. половина напряжения питания инвертора. Достигаемый технический результат: расширение границ диапазона рабочих частот инвертора, повышение стабильности параметров выходного сигнала инвертора, повышение надежности. 2 ил.

Инвертор, содержащий транзисторы с первого по четвертый, первый входной конденсатор, индуктор нагрузки, первый конденсатор нагрузки, при этом коллектор первого и эмиттер четвертого транзисторов подключены соответственно к первой и второй входным клеммам, эмиттер первого транзистора подключен к коллектору второго транзистора, а коллектор четвертого транзистора соединен с эмиттером третьего, отличающийся тем, что введены второй конденсатор нагрузки и второй входной конденсатор, первый конденсатор нагрузки, индуктор нагрузки и второй конденсатор нагрузки соединены последовательно и образуют последовательный колебательный LC-контур, свободные выводы первого и второго конденсаторов нагрузки подключены к коллектору второго и эмиттеру третьего транзисторов, соответственно, первый и второй входные конденсаторы соединены последовательно, первый входной конденсатор первым выводом подключен к первой входной клемме, второй вывод второго входного конденсатора подключен ко второй входной клемме, а эмиттер второго и коллектор третьего транзисторов подключены к общей точке входных конденсаторов, при этом выводы баз первого и четвертого транзисторов и второго и третьего транзисторов соединены попарно, соответственно, и являются первым и вторым входами управления инвертора.