ПОЛУМОСТОВОЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙ ИНВЕРТОР Российский патент 2008 года по МПК H02M7/538 

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники, а именно к полумостовым транзисторным инверторам преимущественно с трансформаторной нагрузкой. Транзисторные инверторы широко применяются в различных радио- и электроустановках [1, 2]. В тех случаях, когда нагрузкой инвертора является трансформатор, применение двухтактных инверторов с мостовой схемой или схемой со средней точкой в первичной обмотке трансформатора («нулевая схемам) неэффективно, так как в диагонали переменного тока инвертора неизбежно появление постоянной составляющей, что приводит к ухудшению использования трансформатора, необходимости воздушного зазора в сердечнике. Постоянная составляющая отсутствует в полумостовых инверторах, представляющих собой полумост из двух транзисторов, шунтированных двумя обратными диодами, и двух последовательно соединенных конденсаторов, образующих в совокупности с транзисторами мост, диагональ постоянного тока которого подключена к источнику питания, а в диагональ переменного тока включена первичная обмотка согласующего трансформатора [2, 3, 4]. Вторичная обмотка согласующего трансформатора обычно через диодный мост подключается к нагрузке постоянного тока активно-индуктивного характера, последовательно с которой включены сглаживающий дроссель и датчик тока, а параллельно - датчик средневыпрямленного напряжения.

Управление, т.е. регулирование выходных параметров (тока, напряжения) в известных инверторах такого типа, осуществляется методом широтно-импульсной модуляции от типовых систем управления, обычно замкнутых по току и напряжению нагрузки, представляющих собой микроконтроллер и содержащих на входе генератор импульсов заданной частоты [5, рис.33.11, 33.12].

Описанный полумостовой транзисторный инвертор с типовой системой управления по методу широтно-импульсной модуляции является наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков и принимается за прототип.

Упрощенная схема прототипа приведена на фиг.1 и содержит в силовой части два транзистора 1, 2, шунтированных двумя обратными диодами 3, 4, два конденсатора 5, 6, образующих в совокупности с транзисторами 1, 2 мост, подключенный диагональю постоянного тока к источнику питания Uп. В диагональ переменного тока включена первичная обмотка 7 согласующего трансформатора, а его вторичная обмотка 8 через диодный мост 9 подключена к нагрузке 10, последовательно с которой включены дроссель 11 и датчик тока 12. Параллельно нагрузке включен датчик средневыпрямленного напряжения 13. Система управления 14 замкнута по току и напряжению нагрузки сигналами с датчика тока 12 и датчика средневыпрямленного напряжения 13, подключенными своими выходами к соответствующим входам системы. Выходы системы управления 14 связаны с соответствующими входами транзисторов 1, 2. В состав системы управления 14 входит задающий генератор 15, частота выходных импульсов которого и соответственно частота инвертора определяются параметрами резистора 16 и конденсатора 17, соединенных последовательно и подключенных к соответствующим зажимам генератора импульсов 15. Естественная внешняя характеристика (1), т.е. зависимость напряжения на нагрузке от тока нагрузки при максимальной скважности управляющих импульсов на входах транзисторов 1, 2 представлена на фиг.2. Эта характеристика при токе нагрузки I_d больше, чем I_кр, где I_кр - ток, при котором конденсаторы 5, 6 (фиг.1) успевают полностью разряжаться за интервал между импульсами с выхода широтно-импульсного модулятора, имеет вид гиперболы [3]. Такая характеристика идеальна, например, если нагрузкой устройства является электрическая дуга при сварке в воздухе [3, 4]. Однако во многих электроустановках, например, при электросварке в среде углекислого газа (СО₂) или в аргоне требуется линейная и достаточно жесткая внешняя характеристика.

Рассмотрение семейства внешних характеристик 2, 3, 4 (фиг.2) при различных скважностях управляющих импульсов показывает, что для получения линейной жесткой характеристики в замкнутой по напряжению системе управления (в диапазоне 0 - I_dном) необходимо либо иметь примерно трехкратный запас по напряжению, либо увеличить емкость конденсаторов 5, 6 (фиг.1) до такой величины, чтобы во всем рабочем диапазоне нагрузок от нуля до I_dmax (см. фиг.2) «рабочая» точка А находилась на линейном участке внешней характеристики. В обоих случаях увеличиваются габариты и установленная мощность устройства, также увеличиваются коммутационные потери в транзисторах 1, 2 (фиг.1), так как минимальные потери в транзисторах соответствуют гиперболическому участку внешней характеристики, т.е. бестоковой коммутации (3, 4, фиг.2).

Из приведенного анализа вытекают следующие недостатки прототипа, препятствующие достижению указанного ниже технического результата: линеаризация внешних характеристик полумостового транзисторного инвертора с широтно-импульсным регулированием требует либо увеличения запаса по напряжению инвертора, либо увеличения емкости конденсаторов, причем в обоих случаях увеличивается установленная мощность устройства и коммутационные потери в транзисторах.

Технический результат - обеспечение линейных внешних характеристик полумостового транзисторного инвертора без увеличения его установленной мощности и коммутационных потерь в транзисторах.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве, представляющем собой полумостовой транзисторный инвертор, содержащий в силовой части полумост из двух транзисторов, шунтированных двумя обратными диодами и двух конденсаторов, образующих в совокупности с транзисторами мост, подключенный диагональю постоянного тока к источнику питания, а диагональю переменного тока нагруженный на первичную обмотку согласующего трансформатора, вторичная обмотка которого через диодный мост подключена к нагрузке постоянного тока активно-индуктивного характера, последовательно с которой включены сглаживающий дроссель и датчик тока, а параллельно которой включен датчик средневыпрямленного напряжения, а также содержащий типовую систему управления по методу широтно-импульсной модуляции, замкнутую по току и напряжению нагрузки сигналами с упомянутых датчиков тока и средневыпрямленного напряжения и имеющую на входе задающий генератор импульсов, частота которых определяется параметрами RC-цепочки из последовательно соединенных резистора и конденсатора, подключенных свободными концами к соответствующим зажимам генератора импульсов, РЕЗИСТОР В УПОМЯНУТОЙ RC-ЦЕПОЧКЕ ЗАМЕНЕН двумя последовательно соединенными резисторами, параллельно одному из этих резисторов подключен выводами переменного тока диодный мост, диагональ постоянного тока которого шунтирована транзистором в проводящем ток направлении, управляющий вход транзистора через последовательно включенный логический ключ соединен с выходом элемента сравнения, на первый вход которого подключено эталонное напряжение, пропорциональное заданному напряжению нагрузки, а на второй вход подключено по принципу отрицательной обратной связи напряжение с выхода упомянутого датчика средневыпрямленного напряжения, пропорциональное фактическому напряжению на нагрузке, а управляющий вход упомянутого ключа связан с выходом компаратора, на первый вход которого подключен сигнал эталонного тока, пропорциональный критическому току перехода на нелинейную часть внешней характеристики полумостового транзисторного инвертора, а на второй вход с выхода упомянутого датчика тока подан по принципу отрицательной обратной связи сигнал, пропорциональный фактическому току нагрузки.

Это позволило обеспечить линейность и необходимую жесткость внешних характеристик полумостового транзисторного инвертора без увеличения запаса по напряжению, либо увеличения емкости конденсаторов, а также уменьшить коммутационные потери в транзисторах, т.е. достичь нужного технического результата.

Сущность изобретения поясняется фиг.3, на которой представлена схема полумостового транзисторного инвертора.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения, заключаются в следующем.

Схема устройства, представленная на фиг.3, идентична в силовой части схеме прототипа (фиг.1) и содержит полумост из транзисторов 1, 2, шунтированных двумя обратными диодами 3, 4, два конденсатора 5, 6, образующих в совокупности с транзисторами 1, 2 мост, подключенный диагональю постоянного тока к источнику питания U_п. В диагональ переменного тока включена первичная обмотка 7 согласующего трансформатора, а его вторичная обмотка 8 через диодный мост 9 подключена к нагрузке 10 постоянного тока активно-индуктивного характера. Последовательно с нагрузкой 10 включены сглаживающий дроссель 11 и датчик тока 12, а параллельно - датчик средневыпрямленного напряжения 13 на нагрузке. Система управления 14 связана своими выходами с управляющими входами транзисторов 1 и 2 и замкнута по току и напряжению нагрузки выходными сигналами соответственно с датчика тока 12 и датчика средневыпрямленного напряжения 13. К соответствующим зажимам генератора импульсов 15, являющегося составной частью системы управления 14, подключена RC-цепочка, состоящая из последовательно соединенных конденсатора 16 и двух резисторов 17 и 18. Параллельно резистору 18 подключен диагональю переменного тока диодный мост 19, а его диагональ постоянного тока шунтирована в проводящем ток направлении транзистором 20. К управляющему входу транзистора 20 через логический ключ 21 подключен выход элемента сравнения 22, на первый вход которого подключено эталонное напряжение U_1э, пропорциональное заданному выпрямленному напряжению нагрузки, а на второй вход подключено по принципу отрицательной обратной связи напряжение с выхода датчика средневыпрямленного напряжения 13, пропорциональное фактическому напряжению на нагрузке, управляющий вход логического ключа 21 связан с выходом компаратора 23, на первый вход которого подключен сигнал эталонного тока U_2э, пропорциональный критическому току перехода на нелинейную часть внешней характеристики полумостового транзисторного инвертора, а на второй вход с выхода датчика тока 12 подан по принципу отрицательной обратной связи сигнал, пропорциональный фактическому току нагрузки.

Устройство функционирует следующим образом. Пусть включен источник питания U_п, установлены соответствующие значения эталонных напряжений U_1э и U_2э, т.е. задан режим работы устройства, например, с максимальным напряжением на нагрузке и током нагрузки в пределах 0<I_d<I_max. Допустим также, что из-за наличия индуктивности в нагрузке 10 ток I_d за межкоммутационный интервал не меняется, а согласующий трансформатор имеет «идеальную» прямоугольную петлю гистерезиса. Тогда напряжение U₇ на первичной обмотке 7 согласующего трансформатора будет иметь вид, представленный на фиг.4, диаграмме 1а, б, где t_в - время паузы, необходимое для восстановления запирающих свойств при выключении транзисторов 1, 2 (фиг.3). В этом режиме при I_d≤I_кр сигнал на выходе датчика тока 12 меньше или равен сигналу U_2э, поэтому разрешающий сигнал на выходе компаратора 23 отсутствует и логический ключ 21 заперт. Соответственно, заперт транзистор 20, период Т₁ (диаграмма 1 на фиг.4) постоянен и определяется постоянной времени цепочки RC:

т.е. генератор импульсов 15 работает с постоянной частотой, а регулирование тока и напряжения нагрузки осуществляется широтно-импульсным методом как и в прототипе (фиг.1). Напряжение на нагрузке

так как t_в<<Т₁. При I_d=I_кр напряжение еще равно приблизительно U_п/2 (фиг.4, диаграмма 1, б). Внешняя характеристика (без учета действия широтно-импульсного модулятора и при отсутствии запаса по напряжению) линейная и жесткая.

При I_d>I_кр сигнал с датчика тока 12 становится больше U_2э (фиг.3), ключ 21 отпирается и пропускает сигнал с выхода элемента сравнения 22. При I_d>I_кр, в соответствии с диаграммой 2, а, б на фиг 4, конденсаторы 5, 6 (фиг.3) разряжаются за меньшее время (t₃<t₂<₁) и при уменьшении сигнала с датчика средневыпрямленного напряжения 13 на входе транзистора 20 появляется отпирающее напряжение. Поскольку транзистор 20 в совокупности с диодным мостом 19 шунтирует резистор 18, сопротивление RC-цепочки уменьшается, уменьшается постоянная времени τ=R·С, и частота генератора импульсов 15 возрастает. При этом t_в=const, так как время запирания транзисторов задается постоянным. Внешняя характеристика (при отсутствии запаса по напряжению) несколько увеличивает свой наклон (диаграмма 3, кривая 1 на фиг.4), так как относительное значение t_в/t₂, t_в/t₃ возрастает, однако остается близкой к линейной и достаточно жесткой, поэтому (10-15)% запаса по напряжению источника питания U_п вполне достаточно для получения абсолютно жесткой внешней характеристики (пунктирная линия 2 на диаграмме 3), тогда как в прототипе требуется около 300% запаса.

Источники информации

1. Источники вторичного электропитания. Под ред. Ю.И.Конева. М.: Радио и связь, 1983 г.

2. «Invertec» - V - 130 - S - Lincoln, США, (каталог) 1998-2000 гг.

3. Однофазные источники питания инверторного типа с конденсаторами в силовой цепи. Электромеханика. Изв. вузов №6, 2003 г. с.21-24, г.Новочеркасск.

4. Вторичные источники питания. Пат.№2131640. Авторы Г.Г.Магазинник, В.П.Шингаров, Л.Т.Магазинник. Опубл. в БИ №16 10.06.99.

5. В.А.Прянишников. Электроника. Санкт-Петербург, 1998.

Полумостовой транзисторный инвертор, содержащий полумост из двух транзисторов, шунтированных двумя обратными диодами, и двух конденсаторов, образующих в совокупности с транзисторами мост, подключенный диагональю постоянного тока к источнику питания, а диагональю переменного тока, нагруженный на первичную обмотку согласующего трансформатора, вторичная обмотка которого подключена через диодный мост к нагрузке постоянного тока активно-индуктивного характера. Инвертор управляется от типовой системы широтно-импульсного регулирования, замкнутой по току и средневыпрямленному напряжению нагрузки. Отличительная особенность заключается в том, что для линеаризации внешних характеристик RC-цепочка, определяющая частоту генератора импульсов и соответственно частоту инвертора, выполнена в виде конденсатора и двух последовательно соединенных резисторов, один из которых шунтирован диагональю переменного тока диодного моста, диагональ постоянного тока которого подключена к транзистору. Транзистор в совокупности с обратными связями по току и напряжению нагрузки и простой логической схемой представляет аналог регулируемого резистора и позволяет осуществить автоматический переход из режима широтно-импульсной модуляции с фиксированной частотой в режим широтно и частотно-импульсной модуляции с увеличением частоты пропорционально току нагрузки. Технический результат - обеспечение линейности внешних характеристик. 4 ил.

Полумостовой транзисторный инвертор, содержащий в силовой части полумост из двух транзисторов, шунтированных двумя обратными диодами, и двух конденсаторов, образующих в совокупности с транзисторами мост, подключенный диагональю постоянного тока к источнику питания, а диагональю переменного тока нагруженный на первичную обмотку согласующего трансформатора, вторичная обмотка которого через диодный мост подключена к нагрузке постоянного тока активно-индуктивного характера, последовательно с которой включены сглаживающий дроссель и датчик тока, а параллельно которой включен датчик средневыпрямленного напряжения на нагрузке, а также содержащий типовую систему управления по методу широтно-импульсной модуляции, замкнутую по току и напряжению нагрузки сигналами с упомянутых датчиков тока и средневыпрямленного напряжения и имеющую на входе задающий генератор импульсов, частота которого определяется параметрами RC-цепочки из последовательно соединенных резистора и конденсатора, подключенных свободными концами к соответствующим зажимам генератора импульсов, отличающийся тем, что резистор в упомянутой RC-цепочке заменен двумя последовательно соединенными резисторами, параллельно одному из этих резисторов подключен выводами переменного тока диодный мост, диагональ постоянного тока которого шунтирована транзистором в проводящем ток направлении, управляющий вход транзистора через последовательно включенный логический ключ соединен с выходом элемента сравнения, на первый вход которого подключено эталонное напряжение, пропорциональное заданному напряжению нагрузки, а на второй вход подключено по принципу отрицательной обратной связи напряжение с выхода упомянутого датчика средневыпрямленного напряжения, пропорциональное фактическому напряжению на нагрузке, а управляющий вход упомянутого ключа связан с выходом компаратора, на первый вход которого подключен сигнал эталонного тока, пропорциональный критическому току перехода на нелинейную часть внешней характеристики полумостового транзисторного инвертора, а на второй вход с выхода упомянутого датчика тока подан по принципу отрицательной обратной связи сигнал, пропорциональный фактическому току нагрузки.