ПОЛУМОСТОВОЙ АВТОГЕНЕРАТОРНЫЙ ИНВЕРТОР Российский патент 2016 года по МПК H02M7/53 H02M7/537 H02M7/53846 

Описание патента на изобретение RU2573647C1

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для питания аппаратуры различного назначения.

Полумостовые схемы инверторов широко применяются в диапазоне мощностей от десятков Вт до единиц кВт. Это связано с их преимуществом перед однотактными схемами - по энергетической эффективности; перед мостовыми - по стоимости и отсутствию проблем, связанных с насыщением силового трансформатора; перед схемами со средней точкой силового трансформатора - по меньшему установленному напряжению ключевых элементов и гарантированному отсутствию перенапряжений на них.

Основные проблемы при разработке полумостовых инверторов связаны с управлением верхним ключом полумоста.

Известны несколько основных видов полумостовых инверторов.

Автогенераторы с насыщающимися силовым или дополнительным коммутирующим трансформаторами [1, 2]. Эти простые и дешевые устройства имеют низкий кпд, зависимость рабочей частоты от величины питающего напряжения, отсутствие возможности регулировки выходных параметров. Полумостовые инверторы могут быть с передачей сигналов управления ключами от внешней схемы управления через импульсный трансформатор на двух n-канальных [3] или на n- и р-канальных MOSFET [4]. Основным недостатком таких устройств выступает неоптимальное управление ключами. Существуют полумостовые инверторы с гальванически изолированными драйверами полумоста. Это драйверы с оптронной развязкой, выпускаемые компаниями Agilent Technologies, IXYS, драйверы с трансформаторной развязкой компании Analog Devices и драйверы с радиочастотной развязкой через изолирующий барьер, производимые компанией Silicon Labs. Драйверы с оптронной и радиочастотной развязкой требуют дополнительного «плавающего» источника питания. Драйверы Analog Devices, содержащие трансформаторы развязки внутри микросхемы, имеют ограничение по мощности управляющего сигнала. Все такие известные устройства не практичны в применении вследствие дороговизны и дефицитности самих перечисленных драйверов. Наибольшее распространение получили полумостовые инверторы, управляемые драйверами полумоста с бутстрепным питанием и высоковольтным импульсным каскадом сдвига уровня сигнала управления верхним ключом. Такие драйверы выпускает большинство ведущих производителей комплектующих для силовой электроники [5, 6]. Эти известные простые и недорогие устройства также имеют ряд нижеперечисленных недостатков:

- ограниченный диапазон рабочих частот, что связано с конечной длительностью импульсов сдвига уровня [3];

- ограничение по мощности управления верхним ключом;

- низкая помехоустойчивость, обусловленная способом передачи сигнала управления верхнему ключу посредством коротких импульсов;

- критичность к топологии монтажа в части сопряжения выхода драйвера с входами ключей, особенно при больших уровнях мощности. Это связано с тем, что сигналы управления затворами транзисторов являются однополярными [3]. Два последних пункта означают низкую надежность полумостовых инверторов.

Перечисленные известные виды полумостовых инверторов имеют еще один общий существенный недостаток - в них отсутствует механизм симметрирования, т.е. автоматического выравнивания напряжений на конденсаторах делителя. Причинами асимметрии даже при идеальной работе драйверов могут быть различия в параметрах силовых ключей, определяемые технологическим разбросом выпускных параметров в процессе изготовления этих элементов. В полумостовых инверторах асимметрия хотя и не приводит к одностороннему намагничиванию сердечника силового трансформатора, но несомненно является причиной повышенного уровня пульсаций выходного напряжения на рабочей частоте, а также к неодинаковой загрузке ключей по мощности, что отрицательно сказывается на надежности работы известного устройства.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению (прототипом) является устройство, представленное в источнике [7], рис. 17, которое представляет собой полумостовой инвертор с управлением от драйвера IR215X компании International Rectifiert в типовом включении, дополненное схемой питания драйвера от обмотки трансформатора. Драйвер IR215X - автоколебательного типа с бутстрепным питанием и высоковольтным импульсным каскадом сдвига уровня сигнала управления верхним ключом.

Известное устройство содержит емкостный делитель входного питающего напряжения Uвх на конденсаторах С4, С5; два последовательно соединенных ключа, выполненных на полевых транзисторах с изолированным затвором и каналом n-типа (n-MOSFET) VT1, VT2, затворы которых через токоограничивающие резисторы R3, R4 подключены к управляющей микросхеме D1, трансформатор Τ с первичной обмоткой W1, обмоткой нагрузки Wн и обмоткой питания схемы управления Waux; выпрямитель VD2-VD5 с фильтром С1 для питания схемы управления; цепь запуска R2; частотозадающую цепь R1C2 и цепь бутстрепного питания верхнего ключа VD1 С3. Таким образом, известное устройство обременено наличием дополнительной цепи бутстрепного питания, сложным драйвером на соответствующей микросхеме и отсутствием схемы симметрирования. В совокупности все это задает высокие требования к разводке, монтажу и наладке его элементов, а также к защитным экранам корпуса в особенности при использовании устройства в агрессивных средах, в частности с высоким уровнем электромагнитного и радиационного излучения. В итоге, основными недостатками известного устройства являются ограниченные функциональные возможности, низкая надежность, сложность изготовления, определяющая невысокую его технологичность.

Целью заявляемого изобретения является устранение указанных недостатков, а именно - расширение функциональных возможностей за счет расширения диапазона рабочих частот и мощностей, а также повышение надежности путем улучшения устойчивости к внешним воздействиям, в частности к электромагнитному и радиационному излучению, снижения требований к конструктивному исполнению, что повышает технологичность монтажа устройства.

Поставленная цель достигается тем, что полумостовой автогенераторный инвертор, содержащий делитель входного питающего напряжения на двух последовательно соединенных конденсаторах, два последовательно соединенных полевых транзистора, трансформатор, первым выводом первичной обмотки подключенный к точке соединения транзисторов, а вторым выводом - к точке соединения конденсаторов, содержащий также обмотку нагрузки и обмотку питания схемы управления, управляющий элемент, выход которого через токоограничивающие резисторы подключен к затворам транзисторов, частотозадающую цепь, цепь запуска и выпрямитель с фильтрующим конденсатором для питания схемы управления, при этом в качестве управляющего элемента применен компаратор напряжения, к входам которого дополнительно подключена цепь симметрирования; полевые транзисторы применены с разной проводимостью, так что один из них - n-типа, а второй - р-типа, сток второго транзистора соединен с минусовой шиной, исток - с истоком первого транзистора, а соединенные вместе затворы транзисторов через токоограничивающий резистор подключены к выходу схемы управления; причем трансформа горная обмотка питания схемы управления выполнена с отводом от средней точка и совместно с выпрямителем и двумя фильтрующими конденсаторами обеспечивает двуполярное, относительно точки соединения истоков транзисторов, питание компаратора.

На схеме представлен полумостовой автогенераторный инвертор, где цифрами обозначено:

1. Компаратор.

2. Выпрямитель.

3. Трансформатор.

4. Отвод от средней точки обмотки выпрямителя.

На чертеже представлена принципиальная схема полумостового автогенераторного инвертора, состоящего из: емкостного делителя напряжения на двух последовательно соединенных конденсаторах С4 и С5, двух последовательно включенных полевых транзисторов VT1 и VT2, трансформатора с тремя обмотками 3, токоограничивающего резистора R6, частотозадающей цепи R1C1, цепи запуска R4, R5, выпрямителя 2, выполненного с отводом от средней точки обмотки 4, с фильтрующим конденсатором С2, С3, компаратора 1, цепи симметрирования R2, R3.

Представленный на схеме полумостовой автогенераторный инвертор работает следующим образом.

При подаче напряжения Uвx фильтрующие конденсаторы С2, С3 через резисторы цепи запуска R4, R5 заряжаются до суммарного напряжения, достаточного для перехода управляющего компаратора, например TLC3702, в рабочий режим. Использование компаратора с цепью симметрирования, в данном варианте технического решения инвертора, позволяет уйти от использования драйвера с бутстрепным питанием, при этом инвертор обладает высокой помехозащищенностью, высоким коэффициентом заполнения, не требует сложного монтажа, защитного корпуса и т.д.. На выходе компаратора появляется напряжение, принимаемое за положительное. Транзистор VT1 (n-MOSFET), например FQD4N50, отпирается, a VT2 (p-MOSFET), например FQD3P50, для которого положительное напряжение на затворе является запирающим, соответственно запирается. Такая схема управления транзисторами полумоста, при отсутствии цепей бутстрепного питания, обуславливает отсутствие принципиальных ограничений мощности управляющих импульсов, расширяется диапазон рабочих частот и мощностей устройства. При этом истоки верхнего и нижнего транзисторов объединены и образуют выход полумостового инвертора, к которому подключена первичная обмотка трансформатора 3, сток транзистора VT2 р-типа подключен к минусовой шине, а соединенные вместе затворы через токоограничивающий резистор R6 подключены к выходу схемы управления. Обмотка питания схемы управления выполнена с отводом от средней точки и совместно о выпрямителем, например диодная сборка BAV99S, обеспечивает двуполярное относительно точки соединения истоков питания компаратора, что, в свою очередь, повышает надежность работы заявляемой схемы. На инвертирующем входе компаратора через делитель R3R1 устанавливается отрицательный относительно истоков потенциал, а на выходе выпрямителя 2 появляется полноценное двуполярное питание компаратора 1. На подключенном к неинвертирующему входу компаратора конденсаторе С1 линейно нарастает отрицательное относительно истоков напряжение от протекающего через R2 тока. При равенстве потенциалов на входах компаратора он меняет свое состояние, закрывая VT1 и отпирая VT2. На инвертирующем входе устанавливается положительный пороговый потенциал, а на С1 начинается рост положительного напряжения. При равенстве потенциалов на входах компаратор 1 возвращается к предыдущему состоянию, закрывая VT2 и отпирая VT1. Далее процесс повторяется. К управляющим переходам транзисторов приложено одно и то же напряжение-меандр без всяких защитных пауз, но благодаря особенностям входных характеристик MOSFET их переключение происходит без сквозных токов. Таким образом, заявляемое устройство приобретает два новых качества: точная симметрия режима работы и увеличение надежности за счет принципиального отсутствия паразитных сквозных токов.

При R2=R3=R рабочая частота определяется выражением F=1/4R1C1 и не зависит от Uвх по меньшей мере при двукратном его изменении. При условии Uвx/R>> lвх.κοмп., что для современных компараторов легко выполняется, в устройстве автоматически обеспечивается симметричный режим, причем компенсируются как собственные задержки компаратора, так и задержки переключения транзисторов. Механизм симметрирования связан с тем, что в каждый из полупериодов к частотозадающей цепи прикладывается напряжение одного из конденсаторов делителя, в результате схема контролирует разность этих напряжений и стремится сделать ее равной нулю за период.

Применение в качестве управляющего элемента компаратора, двуполярное управление, отсутствие дифференцирующих звеньев в цепи управления позволяют добиться заявляемого технического результата, а именно расширение функциональных возможностей за счет расширения диапазона рабочих частот и мощностей, a также повышение надежности путем улучшения устойчивости к внешним воздействиям, в частности к электромагнитному и радиационному излучению, снижения требований к конструктивному исполнению, что повышает технологичность монтажа устройства.

Промышленная применимость

Заявляемый полумостовой автогенераторный инвертор может с успехом найти применение при работе в агрессивных средах, например атомных электростанциях пли в космосе, а доступная элементная база и легкость монтажа позволяют создавать заявляемый инвертор на предприятиях с обычным набором стандартного оборудования, деталей и материалов.

Источники информации

1. Сенкезич А.К., Алешин А.Ф. Автогенераторный полумостовой инвертор. Патент RU 2007830.

2. Гладышев О.М. Полумостовой автогенератор. Патент RU 2176847.

3. Laszio Balogh, перевод Д. Макашова. Разработка и применение высокоскоростных схем управления силовыми полевыми транзисторами. Материалы конференции SEM-1400 UNITRODE, 2001 г.

4. Abdus Sattar. IXYS P-cannel Power MOSFET and Applications. Kyong-Wook Seok, IXAN0064.

5. Козенков Д. Драйверы MOSFET и IGBT. Современная электроника, №6, 2005 г.

6. Колпаков А. Характеристики и особенности применения драйверов MOSFET/IGBT. Компоненты и технологии. №3, 2003 г.

7. Волович Г. Драйверы силовых ключей. Современная электроника, №8, 2007 г.

Похожие патенты RU2573647C1

название год авторы номер документа
Устройство для управления транзисторами двухтактного преобразователя 1986
  • Козляев Юрий Дмитриевич
  • Ловчиков Сергей Павлович
SU1334310A1
Устройство управления силовым транзистором 2023
  • Вторушин Юрий Александрович
  • Струговец Андрей Григорьевич
  • Хлыстунов Михаил Евгеньевич
RU2809191C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ, ДИАГНОСТИКИ И НАСТРОЙКИ ДВУХПОЗИЦИОННЫХ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ 2023
  • Яшкин Алексей Денисович
  • Пьянков Евгений Сергеевич
  • Черкашин Александр Александрович
  • Синельников Дмитрий Леонидович
  • Алтухов Роман Вячеславович
RU2818696C1
Схема управления силовым ключом на основе БТИЗ или МДП-транзисторов 2022
  • Шевцов Даниил Андреевич
  • Машуков Евгений Владимирович
  • Шишов Дмитрий Михайлович
  • Егошкина Людмила Александровна
  • Подгузова Мария Андреевна
  • Кован Юрий Игоревич
RU2785321C1
СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ ИСТОЧНИКОМ ПИТАНИЯ СО СВЕРХНИЗКОЙ МОЩНОСТЬЮ ПОТРЕБЛЕНИЯ 2021
  • Ануфриев Владимир Николаевич
RU2810265C2
УСТРОЙСТВО ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА 2008
  • Игольников Юрий Соломонович
  • Буерин Игорь Николаевич
RU2380862C1
Устройство для управления транзисторным полумостовым инвертором 1989
  • Безгачин Николай Иванович
  • Никитин Виктор Борисович
  • Панчин Сергей Александрович
SU1676033A1
СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ СИЛОВЫМ КЛЮЧОМ НА ОСНОВЕ БТИЗ ИЛИ МДП-ТРАНЗИСТОРОВ 2023
  • Шевцов Даниил Андреевич
  • Шишов Дмитрий Михайлович
  • Лукошин Илья Владимирович
  • Кован Юрий Игоревич
  • Егошкина Людмила Александровна
  • Подгузова Мария Андреевна
RU2806902C1
ПОЛУМОСТОВОЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙ ИНВЕРТОР 2011
  • Куприянов Евгений Владимирович
  • Маслов Сергей Николаевич
RU2457607C1
ПУСКОРЕГУЛИРУЮЩИЙ АППАРАТ ДЛЯ ЗАЖИГАНИЯ И ПИТАНИЯ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ЛАМПЫ 2001
  • Шевченко И.П.
RU2197794C1

Реферат патента 2016 года ПОЛУМОСТОВОЙ АВТОГЕНЕРАТОРНЫЙ ИНВЕРТОР

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для питания аппаратуры различного назначения при работе в агрессивных средах, например атомных электростанциях или в космосе. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей, повышение надежности и технологичности монтажа устройства. Полумостовой автогенераторный инвертор содержит делитель входного питающего напряжения на двух последовательно соединенных конденсаторах, два последовательно соединенных полевых транзистора, трансформатор, обмотку нагрузки и обмотку питания схемы управления, управляющий элемент, токоограничивающие резисторы, частотозадающую цепь, цепь запуска и выпрямитель с фильтрующим конденсатором для питания схемы управления. В качестве управляющего элемента использован компаратор напряжения, к входам которого дополнительно подключена цепь симметрирования. Полевые транзисторы выполнены с разной проводимостью: n-типа и р-типа. Упомянутые элементы соединены между собой так, как указано в материалах заявки. 1 ил.

Формула изобретения RU 2 573 647 C1

Полумостовой автогенераторный инвертор, содержащий делитель входного питающего напряжения на двух последовательно соединенных конденсаторах, два последовательно соединенных полевых транзистора, трансформатор, первым выводом первичной обмотки подключенный к точке соединения транзисторов, а вторым выводом - к точке соединения конденсаторов, содержащий также обмотку нагрузки и обмотку питания схемы управления, управляющий элемент, выход которого через токоограничивающие резисторы подключен к затворам транзисторов, частотозадающую цепь, цепь запуска и выпрямитель с фильтрующим конденсатором для питания схемы управления, отличающийся тем, что в качестве управляющего элемента применен компаратор напряжения, к входам которого дополнительно подключена цепь симметрирования; полевые транзисторы применены с разной проводимостью, так что один из них - n-типа, а второй - p-типа, сток второго транзистора соединен с минусовой шиной, исток - с истоком первого транзистора, а соединенные вместе затворы транзисторов через токоограничивающий резистор подключены к выходу схемы управления; причем трансформаторная обмотка питания схемы управления выполнена с отводом от средней точки и совместно с выпрямителем и двумя фильтрующими конденсаторами обеспечивает двуполярное, относительно точки соединения истоков транзисторов, питание компаратора.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2016 года RU2573647C1

МОДИФИКАТОР ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ВИСКОЗНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ НИТЕЙ И ВЫСОКОМОДУЛЬНОГО ВИСКОЗНОГО ВОЛОКНА 1992
  • Бондарев А.Н.
  • Токарева Л.Г.
  • Алексеева Л.Н.
  • Бедина Ж.А.
RU2005830C1
ПОЛУМОСТОВОЙ АВТОГЕНЕРАТОР 2000
  • Гладышев О.М.
RU2176847C1
УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙ ГЕНЕРАТОР 1995
  • Педдер В.В.
  • Новиков А.А.
RU2086070C1
Статический самовозбуждающийся преобразователь постоянного напряжения в переменное 1980
  • Гусев Александр Владимирович
  • Керцман Соломон Аронович
  • Пельтек Илья Федорович
SU886173A1
РАЗЛИВОЧНАЯ ГОЛОВКА ДЛЯ МАШИНЫ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ НАПИТКОВ С ОДНОРАЗОВЫМИ КАПСУЛАМИ И МАШИНА, СОДЕРЖАЩАЯ ТАКУЮ РАЗЛИВОЧНУЮ ГОЛОВКУ 2007
  • Тури Мариано
RU2428914C2
JP 8055689 A, 27.02.1996
US 7372216 B2, 13.05.2008
US 6281636 A1, 28.08.2001
Шпиндельная бабка 1991
  • Чубунов Вячеслав Васильевич
  • Заусалин Дмитрий Викторович
  • Татаринов Александр Александрович
SU1816537A1
WO 2007126737 A3, 16.10.2008.

RU 2 573 647 C1

Авторы

Ловчиков Сергей Павлович

Даты

2016-01-27Публикация

2014-11-14Подача