Двухтактный инвертор Советский патент 1983 года по МПК H02M7/537 

Изобретение относится к преобразоватейьной технике и может быть испопьзо- йзно в системах электропитания и автоматики для преобразования постоянного напряжения в переменное.. Известен двухтактовый инвертор, содержащий источник питания, два полевых транзистора, выходной трансформатор с пе|рвичной, вторичной обмотками и обмот кой обратной связи, стоки полевых трешаиЬторов соединены с концами первичной обыотки, отвод от средней точки которой сорцинен с одним из полюсов Источника Питания, другой полюс которого соедш1ен с обоими затворами полевых транзистоpofe и со средней точкой обмотки ной связи, концы которой соединены с истоками полевых транзисторов С1 3 i Однако данный инвертор имеет низ кйй КПД, обусловленный потерями мощнсюти внутри канала полевого транзистора, так как падение напряжения на откры том полевом транзисторе является линейной функцией протекающего через него тока. При увеличении мощности преобразования потери возрастают, что не no.iволяет создавать мощных инверторов на полевых транзисторах с высоким КПД. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является двухтактный инвертор, содержащий выходной трансформатор со средней точкой первичной обмотки,- подключенной к входному выводу, крайние выводы первичной обмотки которого подключены к коллекторам двух биполярных транзисторов, при этом эмиттйры последних объединены и подключены к общему входному выводу и через резисторы к базам, а также два полевых транзистора, затворы которых образуют управляющие входы инвертора и соедкснены с крайними выводами первичной.о( 4oтки, причем истоки полевых транзисторов соединены со средней точкой ,1©рвичрюй обмотки, а каждый из стоков соединен с базой соответствующего биполярного транзистора L2 3 Недостатком известного инвертора является низкий КПД при переменной в течение полупериода нагрузке, так как для насыщения биполярных транаисто{юв приходится задавать в течение всего полу периода ток базы в расчете на максимальную нагрузку. Кроме того, управляю щий ток базы транзистора, задаваемьхй о йсточншга питания через полевой транзис тор, не проходит по первичной обмотке трансформатора, следовательно, мощности цепи управления не является полезной. При переключении биполярных транзисторов из режима насьпцения в режим отсечки в процессе рассасьшания неосновных носителей заряда в первичной обмотке трансформатора возникают сквозные токи, приводящие к дополнительным потерям энергии. Наибольшая мощность, которая может быть преобразована инвертором, ограничивается максимально допустимым значением коллекторного тока и напряжения для данного типа биполярного транзистора. Цель изобретения - повьпление КПД при переменной в течение полупериода нагрузке. Поставленная цель постигается тем, что в двухтактный инвертор, содержащий выходной трансформатор со средней точкой первичной обмотки, подключенной к входному выводу, крайние выводы первичной обмотки которых подключены к коллекторам двух биполярных транзисторов, при этом эмиттеры последних объединены и подключены к общему входному выводу и через резисторы - к базам, а также два полевых транзистора, затворы которых образуют управляющие входы инвертора, введены два Д -диода, катод каждого из которых подключен к базе соответствую- щего биполярного транзистора, а анод - к его коллектору и стоку полевого транзистора, причем истоки полевых транзисторов соединены с общим входным вывоНа ф1Йг. 1 представлена принципиальная схема транзисторного двухтактного инвертора) на фиг. 2 - временные диаграммы работы преобразователя; -ct - последовательность входных импульсов на затворе полевого транзистора; - последовательность импульсов на переходе исток-сток, полевого транзистора; в коллекторный ток биполярного транзис. ixjpaj т. - последовательность импупьсов на вторичной обмотке трансформатора; Э - последовательность импульсоё на одном плече первичной обмотки; е - изменение сопротивления нагрузки; - последовательность импульсов на электродах Д -диода. Двухтактный инвертор содержит два биполярных транзистора 1 и 2, два полевых транзистора 3 и 4, выходной трансформатор 5 с первичной обмоткой 6 и вторшной обмоткой 7, источник 8 питания, динамическую нагрузку 9, резисторы 1О и 11, которые шунтируют эмиттерно-базовые переходы биполярных транзисторов, сдаа Л -диода 12 и 13 и управЯянмцие входы 14 и 15. Один конец первичной обмотки 6 соединен с коллектором биполярного транзистора 2 и со сто ком полевого транзистора 4. Отвод от средней точки первичной обмотки 6, разцеляющий ее на два плеча, соединен с по ложительной шиной источника питания и входной вывод инвертора. Концы вторичной обмотки 7 соединены с динамической нагрузкой 9, прецставлякк шей собой, например, паратранс или ва- ристор. Резисторы 1О и 11 шунтируют эмиттерно-базовые переходы Соответствен но биполярных транзисторов 1 и 2, а параллельно коплекторио-бааовым переходам биполярных транзисторов 1 и 2 включены диоды 12 и 13. Катод каждого из диодов 12 и 13 соединен.с базой соответствующего биполярного транзистора 1 и 2. Параметры каждого из Л -диодов 12 и 13 выбираются такими, чтобы рабочая точка лежала на левом скате характеристики диода, причем напряжение рабочей точки Л-диодов 12 и 13 должно быть бсхпьше остаточного напряжения на открытых полевых транзисторах 3 и 4 при максимальном сопротивлении нагрузки ( nicfx минимальный ток нагрузки) и меньше остаточного .напряжения насьшенных биполярных тран зисторов 1 и 2 при минимальном сопротивлении нагрузки (, фиг. 2, максимальный ток нагрузки). Ток рабочей точки 71 -диодов 12 и 13 должш быть достаточен для насыщения биполярных транзисторов 1 и 2. Эмиттеры биполярных транзисторов и стоки волевых транзисторов 3 и 4 соединены с обшей отрицательной шиной источника 8 питания, образукидей общий входной вывод. Затворы полевых транзисторов 3 а 4 соединены соответственно с управляющими входами инвертора 14 и 15. Инвертор работает следующим образом На управляющие входы 14 и 15 (за-гворы полевых транзисторов 3 и 4) поступают с задающего генератора (не показан) двухполярные прямоугольные импульсы меандр (фиг. 2,а). На затворах полевых транзисторов 3 и 4 полярности напряжения поступающих в течение полупериода импульсов противоположны. Момент времени to соответствует началу полупериода, а момент времени -Ь, - концу полупериода. В интервал времени первого полупериода t-j-t Ha затвор полевого транзистора 3 действует, например, положительный импульс напряжения, а на затворе полевого транзистора 4 отри- цательный импульс напряжения. Полевой транзистор 3 открыт (фиг. 2,5), полевой транзистор 4 закрыт. Напряжение исток- CTOK открытого полевого транзистора 3 полностью приложено к Л -диоду 12. При этом падение напряжения на открытом полевом транзисторе 3 (фиг. 2,5), обусловленное внутренним сопротивлением канала полевого транзистора, меньще нижнего предела отпирания Л -диода 12, следовательно, биполярный транзистор 1 закрыт, коллекторный ток биполярного транзистора 1 равен нулю (фиг. 2,В). К переходу исток-сток закрытого полевого транзистора 4 и переходу коллектор-эмиттер, закрытого биполярного транзистора 2 приложено напряжение, равное сумме напряжений источника 8 питания (, ) и неработающего плеча первичной обмотки 6 трансформатора 5. При этом на Л -диоде 13 действует напряжение, больщее верхнего предела отпирания. Диод 13 также закрыт. Выходное напряжение вторичной обмотки 7 трансформатора 5 (фиг. 2,3), повторякяцеа форму напряжения на одном из плеч первичной обмотки 6 трансформатора 5 (фиг. 2.,д} поступает на паратранс 9. Паратранс имеет собственное сопротивление, которое изменяется в течение прлупериода (фиг. 2,е). Уменьщение сопротивления паратранса 9 вызывает увеличение тока вторичной обмотки 7, что приводит к увеличению тока работающего плеча обмотки 6 и тока полевого транзистора 3. Увеличение тока полевого транзисто;ра 3 вызывает увеличение напряжения исток-сток, которое является линейной функцией протекающего через полевой транзистор 3 тока. При достижении в момент времени t-, напряжением на переходе исток-сток полевого транзистора 3 нижнего порога отпирания Л -диод 12 открьшается (фиг. 2,ж), что приводит к открыванию биполярного транзистора 1. Открытый переход коллектор-эмиттер биполярного транзистора 1 шунтирует открытый переход исток-сток полевого транзистора 3. Ток работающего плеча обмотки 6 будет равен сумме коллекторного тока биполярного транзистора 1 и тока исток-сток полевого транзистора 3. Поскольку .переход коллектор-эмиттер транзистора 1 имеет меныиее внутреннее сопротивление, чем внутреннее сопротивление затвора полевого транзистора 3, то потери мощности на этих транзисторах снижаются. В течение времени y-t, когда Л -диод 12 и биполярный транзиоtop 1 откраыты, схема яахоаится в пи наМическом равновесии. Дальнейшее увеличение тока нагрузки ведет к увеличени тока рабочего плеча первичной обмотки 6 а также к увеличению падения налр$1жения на переходе коллектор-эмиттер бипо ярного транзистора 1, которое приложено к последовательно соединенным Л «-диоду 12 и резистору 1О. Увеличение тока -аиоаа 12 приводит к увеличению базы биполярного транзистора 1 и, схюдовательно, уменьшению напряжения,кЫшектор-эмиттвр этого транзистора. Т4ким образом, в течение интервала време|ни напряжение коллектор-эмиттер бЦюлярного транзистора 1 стабилизирова|но. В дальнейшем сопротивление паратр са 9 возрастает, снижается ток нагру ки и ток рабочего плеча первичной о&мфгки 6. Уменьшается падение напр$ш:еnvia на участке коллекто{ миттер транзистора 1, что приводит к снижению напряжения на Л -аиоде 12. В момент вр|емени i.2 напряжение на Л -диоде 12 становится меньше нижнего порога ерабатывания Л -диод 12 и биполярный тр|анаистор 1 закрываются. В jaHTepBajie в(1эмени tj-tjb открытом состоянии остается только полевой транзистор 3 (фиг. 2,). В момент времени t2 происходит смена полярности управляющих напряжений на затворах полевых транзисторов 3 и 4 (фиг. 2,с(). Состояние полевых транзисторов 3 и 4 изменяется на противоположное. Полевой транзисTcip 4 открывается, а полевой транзио тор 3 аахрь1вается. Поскольку схема инвертора симметрична, работа во втором полупериоде происходит аналогично.

Введение двух Л -диодов и включение каждого из них между базой биполярного транзистора и стоком полевого транзистора, а также подключение перехода истоксток полевого транзистора параллельно переходу эмиттеру-коллектор биполярног транзистора обеспечивают включение биполярных транзисторов только при опре- деленньгх значениях напряжения на пер вичной обмотке трансформатора, появляющихся при изменении сопротивления нагрузки в течение полупериода. При этом управляющий ток базы биполярного транзистора, обеспечивающий его насыщение, протекает только в течение части времени полупериода, что снижает потери в цепи управления биполярным транзистором. Кроме того, управляющий ток базы протекает через рабочее плечо первичной обмотки, следовательно, мощность, затраченная в цепи управления биполярным транзистором, увеличивает полезную мощность инвертора.

При смене полярности управляющего напряжения крутизна фронтов импульсов напряжения первичной обмотки трансформатора определяется только временем переключения полевых транзисторов, которое мало по сравнению с переключения биполярного транзистора, следовательно, уменыиаются дополнителы ные потери мшшости, обусловленные сквозными токами. Таким образом, снижение потерь мощности на транзисторах обеспечивает увеличение КПД инве{ тора.

iffittf 3

Фие.г

ДВУХТАКТНЫЙ ИНВЕРТОР, содержапвй выходной трансформатор со с редней точкой первичной обмотки, поцключенной к входному вьтоду, крайние вьшоцы первичной обмотки которого подключены к коллекторам двух биполярных транзисторов, при этом эмиттеры последних объединены и подключены к общему входному выводу и через резисторы - к базам, а также два полевых транзистора, затворы которых образуют управляющие входы инвертора, отличаюшийс я тем, что, с целью повьппения КПД при переменной в течении полупериода нагрузке, введены два Л -диода, катод каждого из которых подключен к базе соответствующего биполярного транзистора, а анод - к его коллектору и стоку полевого транзистора, причем истоки полевых транзисторов соединены с общим (Л входным выводом. СО Ю ел