ОДНОФАЗНЫЙ ПОЛУМОСТОВОЙ ИНВЕРТОР Российский патент 2007 года по МПК H02M7/538 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к однофазным полумостовым инверторам, преимущественно с трансформаторной нагрузкой.

Однофазные полумостовые инверторы нашли широкое применение в различных вторичных источниках питания, в частности, их применяют в некоторых модификациях сварочных трансформаторов инверторного типа [1-3].

Известные схемы таких инверторов [4] содержат в силовой части (фиг.1) полумост в виде двух последовательно соединенных транзисторов 1, 2 и двух обратных диодов 3, 4. Вторая половина моста образована двумя последовательно соединенными конденсаторами 5, 6, а в диагональ переменного тока моста 1, 2, 5, 6 включена нагрузка 7.

Диагональ постоянного тока моста подключена к источнику питания U_п через дроссель 8, включенный последовательно между одним из полюсов, например плюсовым, источника питания U_п и одноименным выводом диагонали постоянного тока моста 1, 2, 5, 6. Дроссель 8 шунтирован обратным диодом 9, а параллельно выходу источника питания U_п включен сглаживающий конденсатор 10. Управление инвертором осуществляется от типовой системы управления 11 (см. рис.33-10 и 33-12) [4]. Достоинством полумостового инвертора является простота схемы, а также отсутствие постоянной составляющей в диагонали нагрузки, что и позволяет эффективно использовать полумостовой инвертор для трансформаторной нагрузки. Дроссель 8 с обратным диодом 9 является типовым узлом известных инверторов и обеспечивает уменьшение крутизны нарастания тока транзисторов 1, 2, что особенно важно при сквозных коротких замыканиях инвертора, то есть при одновременном отпирании транзисторов 1 и 2.

Данное устройство является наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков и принимается за прототип. К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании прототипа, является то, что дроссель 8 (фиг.1), уменьшая крутизну нарастания тока, одновременно уменьшает и полосу пропускания частот инвертора, и потому его индуктивность должна быть небольшой, что, в свою очередь, снижает надежность защиты инвертора при сквозных коротких замыканиях.

Технический результат - повышение надежности защиты и увеличение диапазона использования по напряжению и частоте однофазного полумостового инвертора.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве, содержащем однофазный полумостовой инвертор, имеющий в силовой части полумост в виде двух последовательно соединенных транзисторов и двух обратных диодов и вторую половину моста, образованную двумя последовательно соединенными конденсаторами, нагрузку, включенную в диагональ переменного тока моста, источник питания, подключенный к диагонали постоянного тока упомянутого моста и шунтированный сглаживающим конденсатором, а также типовую систему управления, в силовую схему введен дополнительно четырехобмоточный трансформатор с тремя одинаковыми первичными обмотками и одной вторичной обмоткой, соединенной с одним из входов упомянутой типовой системы управления, причем одна первичная обмотка упомянутого трансформатора включена между одним из полюсов источника питания и одноименным полюсом диагонали постоянного тока моста, а две другие первичные обмотки соединены между собой согласно и встречно по отношению к первой обмотке, их общая точка образует один из выводов диагонали переменного тока моста и объединена с нагрузкой, а свободные концы соединены с эмиттером одного и коллектором второго транзистора, образуя вместе с этими транзисторами и обратными диодами полумост инвертора.

Это позволило ограничить ток сквозного короткого замыкания, расширить полосу пропускания частот инвертора и использование его по напряжению, а также увеличить в целом надежность инвертора.

Сущность изобретения поясняется на фиг.2, на которой представлена схема однофазного полумостового транзисторного инвертора.

Устройство (фиг.2) содержит в силовой части полумост в составе двух последовательно соединенных транзисторов 1, 2, двух обратных диодов 3, 4. Между эмиттером транзистора 1 и коллектором транзистора 2 включены согласно друг с другом две одинаковые обмотки трансформатора 5: обмотка 6 и обмотка 7, а общая точка этих обмоток образует один из выводов диагонали переменного тока моста, второй полумост которого образован конденсаторами 8 и 9, общая точка которых является вторым выводом диагонали упомянутого моста. Свободные выводы конденсаторов 8, 9 как свободные выводы транзисторов 1, 2 подключены к диагонали постоянного тока моста. К диагонали переменного тока подключена нагрузка 10, а источник питания U_п через последовательно включенную в один из его полюсов (на фиг.2 это положительный полюс) третью обмотку 11 трансформатора 5 соединен с одноименными полюсами диагонали постоянного тока моста. Причем обмотка 11 включена встречно по отношению к обмоткам 6 и 7. Вторичная обмотка 12 трансформатора 5 связана с одним из входов типовой системы управления 13 полумостовым инвертором, два выхода которой подключены к управляющим входам транзисторов 1 и 2. Непосредственно к выходу источника питания подключен сглаживающий конденсатор 14.

Устройство функционирует следующим образом.

Как в известных полумостовых однофазных инверторах, выход системы управления 13 представляет собой обычный широтно-импульсный модулятор, который подает на транзисторы 1 и 2 противофазные импульсы. Скважность этих импульсов определяется сигналами задания (тока, напряжения), а частота в современных инверторах, питающих, например, сварочные трансформаторы, достигает 100 кГц.

Пусть включен источник питания U_п, и конденсаторы 8, 9 заряжены каждый до напряжения примерно 0,5 U_п. Тогда первым импульсом с выхода системы управления 13, поступившим, например, на транзистор 1, транзистор 1 отпирается, и конденсатор 8 разряжается на нагрузку 10. При этом через обмотку 11 и обмотку 6 трансформатора 5 протекает одинаковый ток. Так как обмотки имеют одинаковое число витков и включены встречно, они образуют бифилляр и не вносят реактивное сопротивление в контур нагрузки. Конденсатор 9 в это время заряжается. Если нагрузка достаточна для полного разряда конденсатора 8, то конденсатор 9 к концу полупериода работы инвертора зарядится до напряжения U_п. При отпирании транзистора 2 бифилляр образуют обмотки 11 и 7 трансформатора 5.

Таким образом, в рабочем режиме инвертора трансформатор 5 не вносит реактанс в контур нагрузки, и максимальная частота инвертора ограничена лишь параметрами транзисторов 1, 2. Поскольку магнитный поток трансформатора 5 равен в рабочем режиме инвертора нулю, напряжение на обмотке 12 тоже нулевое.

При одновременном открытии транзисторов 1 и 2 из-за неисправности в системе управления или, например, из-за увеличения времени восстановления запирающих свойств при разогреве транзистора или по каким-либо иным причинам происходит сквозное короткое замыкание, и ток проходит, минуя нагрузку (полностью или частично), через все три первичные обмотки 6, 7, 11 трансформатора 5. Возникает нескомпенсированный магнитный поток, появляется напряжение на обмотке 12 трансформатора 5. При этом сквозной ток, пока трансформатор 5 не насыщен, равен току намагничивания, т.е. ничтожно мал и не опасен для транзисторов.

Таким образом, защита от сквозных коротких замыканий действует превентивно, т.е. не дает возрасти току на время насыщения трансформатора 5 до опасных величин. Это время может быть выбрано при расчете трансформатора большим, чем время срабатывания защиты на отключение сигналом с обмотки 12. Более того, отпадает необходимость завышать запас по времени восстановления запирающих свойств транзисторов, так как при кратковременном «перекрытии» сквозной ток ничтожен, а кратковременные импульсы на выходе обмотки 12 можно блокировать селектором длительности, не отключая инвертор. Относительную установленную мощность трансформатора 5 по отношению к силовому трансформатору, т.е. к нагрузке, можно приближенно оценить из следующих соображений: время выключения и восстановления запирающих свойств у современных силовых транзисторов, например, типа IGBT серии IRG4 не превышает 0,5-0,6 мкс. Примем время насыщения трансформатора 5 с двойным запасом t₁=1, 2 мкс. В рабочем режиме инвертора потери в железе трансформатора 5 вообще отсутствуют, поэтому его сердечник может быть выполнен на магнитомягком железе с индукцией в (3-5) раз больше, чем индукция сердечника силового трансформатора, выполняемого обычно на феррите. Тогда для частоты 50 кГц

где Р₁* - относительная установленная мощность трансформатора 5, Р₂ - мощность силового трансформатора, В₁ - индукция сердечника силового трансформатора, t₂ - полупериод при частоте 50 кГц, t₁ - время насыщения сердечника трансформатора 5, В₂ - индукция в сердечнике трансформатора 5.

Из расчета по (1) Р₁*/Р₂=0,024-0,032. Масса силового трансформатора при частоте (50÷100) кГц (0,5÷0,7) кг/кВт, откуда очевидно, что массогабаритные показатели дополнительно введенного в устройство трансформатора 5 ничтожно малы, масса не превышает 0,07 кг. Заметим, что масса исключенных из устройства дросселя и обратного диода значительно больше.

Таким образом, указанный выше технический результат достигается простыми средствами.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. «Castolin G-mbH - Германия, «Kraftzwerg», 1994-1996 г.г.

2. «DC200 AL - Технотрон» - Россия (каталог), 1997 г.

3. «Invertec V-130 - S-Linkoln - США (каталог), 1998 г.

4. В.А.Прянишников - «Электроника», СПб., «Корона принт», 400 с., 1998 г.

Предложен однофазный полумостовой инвертор, содержащий полумост в виде двух последовательно соединенных в проводящем направлении транзисторов и двух обратных диодов. Второй полумост образован двумя последовательно соединенными конденсаторами. В диагональ переменного тока включена нагрузка преимущественно трансформаторного типа, а диагональ постоянного тока связана с соответствующими полюсами источника питания, шунтированного сглаживающим конденсатором. Особенность состоит в том, что в схему дополнительно введен четырехобмоточный трансформатор с тремя одинаковыми первичными обмотками и одной вторичной обмоткой, подключенной к системе управления. Первичные обмотки образуют бифилляр в контуре нагрузки, а в случае сквозного короткого замыкания превентивно ограничивают ток короткого замыкания на уровне тока намагничивания трансформатора. Технический результат - повышение надежности защиты. 2 ил.

Однофазный полумостовой инвертор, имеющий в силовой части полумост в виде двух последовательно соединенных транзисторов и двух обратных диодов и вторую половину моста, образованную двумя последовательно соединенными конденсаторами, нагрузку, включенную в диагональ переменного тока моста, источник питания, подключенный к диагонали постоянного тока упомянутого моста и шунтированный сглаживающим конденсатором, а также типовую систему управления, отличающийся тем, что в силовую схему устройства введен дополнительно четырехобмоточный трансформатор с тремя одинаковыми первичными обмотками и одной вторичной обмоткой, соединенной с одним из входов упомянутой типовой системы управления, причем одна первичная обмотка упомянутого трансформатора включена между одним из полюсов источника питания и одноименным полюсом диагонали постоянного тока моста, а две другие первичные обмотки соединены между собой согласно и встречно по отношению к первой обмотке, их общая точка образует один из выводов диагонали переменного тока моста и объединена с нагрузкой, а свободные концы соединены с эмиттером одного и коллектором второго транзисторов, образуя вместе с этими транзисторами и обратными диодами полумост инвертора.