Инвертор Советский патент 1985 года по МПК H02M7/537 

111389

Изобретение относится к электро- , технике и мржет быть использовано в устройствах вычислительной техники, радиотехники и автоматики.

Известны инверторы, содержащие вы- 5 ходной трансформатор, первичная обмотка которого соединена с силовыми транзисторами через коллекторные обмотки переключающего трансформатора тока, базовые обмотки которого сое- JO динены с управляющими перекодами силовых транзисторов, а также транзисторы управления, подключенные к базам силовых трансформаторов lj и 2.

- Недостатками устройств являются is низкие КПД и надежность из-за глубокого насыщения переключающих, транзисторов, особенно в режиме малых токов нагрузки.

Наиболее близким к изобретению по 20 технической сущности является инвертор, содержащий выходной трансформатор, первичная обмотка которого соединена с силовыми транзисторами через коллекторные обмотки переключающего 25 трансформатора тока, базовые обмотки которого подключены крайними вьшодами к коллекторам транзисторов управления, к эмиттерам которых подключе ны первые выводы шунтирующих резисто- д ров, а к управляющим переходам через резисторы - дополнительные обмотки 3J.

Недостатком известного устройства является низкая надежность вследст- ; вие перегрузки транзисторов при коротком замыкании в нагрузке.

. Цель изобретения -повышение надежности устройства путем устранения перегрузок при коротком замыкании в нагрузке, . .

Поставленная цель достигается тем, что в инверторе, содержащем выходной трансформатор, первичная обмотка которого соединена с силовыми транзисторами через коллекторные об- 5 мотки переключающего трансформатора тока, базовые обмотки 1фторого подключены крайними выводами к кодлекторам транзисторов управления, к эмиттерам которых подключены пер- 50 вые выводы шунтирующих резисторов, а к управляющим переходам через резисторы - дополнительные обмотки, другие крайние выводы базовьк обмоток трансформатора тока подсоединены 55 к базам, силовых транзисторов, управляющие переходы которых шунтированы введенными обратными диодами, а

12

к эмиттерам подключены эмиттеры транзисторов управления, тип проводимости которых противоположен типу проводимости силовых транзисторов, причем вторые .выводы шунтирующих резисторов подсоединены к отводам базовых обмоток переключающего трансформатора TOKa,i а дополнительные обмотки расположены на выходном трансформаторе.

На чертеже изображена схема предлагаемого инвертора.

Инвертор содержит выходной трансформатор 1 с первичными, вторичными и дополнительными обмотками 2 и 3, которые через резисторы 4 и 5 подключены к управляющим переходам транзисторов 6 и 7 управления, коллекторы которых подключены к крайним выводам базовых обмоток 8 и 9 переключающего трансформатора 10 тока, другие крайние выводы базовьЬс обмоток 8 и 9 которого подключены к базам силовых транзисторов 11 и 12, управляющие переходы которых шунтированы обратными диодами 13 и 14, а также шунтирующие резисторы 15 и 16.

Благодаря предложенному включению элементов функциональная структура инвертора .содержит несколько цепей обратных связей, которые замыкаются следующим образом.

Положительная обратная связь по напряжению, обеспечивающая самовозбуждение инвертора, замыкается посредством трансформатора 10 тока - напряжение на его дополнительных обмотках 2 и 3 поддерживает открытое состояние силового транзистора в том плече инвертора, по которому протекает ток, и закрытое - в другом плече. Кроме того, по этой же еи замыкается отрицательная обратая связь по току силовой цепи (преимущественно по току нагрузки, так как его величина является преобладающей), что обеспечивается режимом трансформации тока.

В связи с этим при уменьшении тока нагрузки и, соответственно, мощности инвертора пропорционально снижается ток в базо-эмиттерных цепях силовых транзисторов, обеспечивая сохранение постоянства их коэффициентов насыщения, а также постоянства КПД инвертора при уменьшении тока нагрузки. Отрицательная

31

обратная связь, контролирующая состояние нагрузки, замыкается посредством транзисторов 6 и 7 управления. При коротком замыкании нагрузки напряжение на вторичных обмотках выходного трансформатора резко уменьшается, приближаясь к нулю, в связи с чем транзистор управления открытого плеча выключается, обеспечивая перевод силового транзистора из кпючевого в усилительный режим, благодаря чему в схеме сохраняются процесс автогенерации колебаний и возможност отдачи мощности в нагрузку при анулировании короткого замыкания.

Процессы, определяющие работу инвертора, являющегося релаксационным генератором с одним индуктивным накопителем энергии, распределяются на два этапа, а их особенности определяются функциональной структурой устройства.

На медленном этапе работы один из силовых транзисторов, например транзистор 11, открыт, а другой (соответственно транзистор 12) закрыт и находится в режиме отсечки, при этом транзистор 6 управления также открыт а транзистор 7 закрыт по цепи обратной связи напряжениями с базовьк обмоток выходного трансформатора 1. Основным процессом на этом этапе яв«яется перемагничивание сердечника трансформатора 10 тока под действием , разности ампервитков токов - намагни I чивающего (коллекторного тока силовр го транзистора 11) и размагничивающего (тока базовой цепи того же транзистора) . Последний, развиваемый в базовой обмотке 8, протекает через базо-эмиттерный переход транзистора 11 и открытый транзистор 6, при этом напряжение на обмотке 8 ограничивается на уровне суммарного напряжения насыщения указанных переходов. В соответствии с этим напряжение на обмотке 9 в закрытом плече инвертора также ограничено указанной величиной, поэтому развиваемое на части обмотки 9 - между отводом и верхним по схеме выводом - напряжение ниже уровня отсечки диода 14 и ток в этом контуре пр 1ктически отсутствует. В связи с этим для трансформатора 10 при нормальном состоянии нагрузки обеспечивар-тся режим трансформатора тока. При этом выбором отношения витков базовых обмоток

11 -4 .

трансформатора 10 к коллекторным, равного минимальному значению коэффициента усиления силовых транзисторов, обеспечивается ключевой режим работы последних. В указанном отношении снижается также и напряжение на коллекторных обмотках трансформатора 10 по сравнению с напряжением на базовых, благодаря чему затраты мощности силовой цепи на поддержание открытого состояния силового транзистора оказываются минимальными.

При насыщении переключающе о трансформатора 10 тока резко снижается базовый ток транзистора 11с этого момента начинается быстрый этап работы инвертора, этап переключения плеч. С уменьшением коллекторного тока транзистора 11 в соответствии с общим принципом работы релаксационных генераторов с индуктивным накопителем энергия магнитного поля накопленная в индуктивности намагничивания трансформатора 10, приводит к индуцированию на вторичных обмотках напряжений противоположной полярности, в результате чего открывается транзистор 12 (второе плечо инвертора), а транзистор 11 закрывается обратным напряжением.На быстром этапе закрывание транзистора 11 происходит путем уменьшения тока в его базовую цепь (из-за увеличения тока намагничивания магнитопровода трансформатора 10 при переходе его к насьш ению) при неизменном его коллекторном токе. В связи с этим переход транзистора в выключенное состояние происходит через этап предварительного вывода его из насьш;енного состояния в линейный ..режим. Однако в первый же момент начала этого режима когда начинает уменьшаться коллекторный ток, происходит изменение полярностей напряжений на обмотках вькодного трансформатора 1, это вызывает закрывание транзистора 6 управления и открывание транзистора 7 последний создает условия для протекания полного управляющего (открывакщего) тока в базовой цепи транзистора 12, а транзистор 6 разрьшает аналогичный контур в левом плече, форсируя процесс переключения В результате происходит лавинообразный процесс переключения плеч иивертора, существенной особенностью stoго процесса является предварнтель,ный вывод силового транзистора 11 из насыщенного состояния в линейный режим, что в итоге нсключавт режим сквозных токов 13 схеме при переклкгчении силовых транзисторов в связи с исключением их одновременно открытого состояния. Переключением плеч инвертора завершается быстрый этап процессов в схеме, после чего вновь начинается медленный этап, отличающийся от предыдущего лишь изменением полярности на всех обмотках трансформаторов и напЕ)аш1ения перемагничивания их магнитопроводов. При коротком замыкании цепи нагрузки основное отличие процессов и вертора от описанных заключается в том, что происходящее при этом шунтирование одной из вторичных обмото сугубо низким, сопротивлением нагруз ки резко снижает напряжение на всех вторичных обмотках выходного трансформатора 1, в том числе и на его дополнительных об,мотках 2 и 3, в св зи с чем транзисторы 6 и 7 управления остаются закрытыми. При этом контур тока базовой цепи сопловых транзисторов, например транзистора оказывается замкнутым с отвода вторичной обмотки через шунтирующий ре зистор 15 на эмиттерный вывод транзистора (общий провод схемы), одновременно с этим протекает также ток в контуре обмотки 9 -с отвода обмо ки через резистор 16 и диод 14. В этом случае трансформатор 10 работает в режиме трансформатора напряжения, а велгетины coпpoтивлeнIiй резисторов 15 и 16 выбираются из условия обеспечения близкого к линейн му режима силовых транзисторов 11 и 12 с мощностью ниже предельно допус тимой для данного режима. Условие, обеспечивающее стабильность данного режима, выполняется наличием внутре ней нагрузки (в виде контура 16 и 1 для левого плеча и контура 15 и 13 для правого плеча) для вновь организовавшейся структуры инвертора по классической схеме, содержащей сило вые транзисторы 11 и 12, трансформа тор 10 в режиме трансформатора напряжения с первичными обмотками, включенными в коллекторные цепи переключаю1чих транзисторов, и вторичными обмотками, образованными часть обмоток 8 и 9 и подключенными черед токоограничительные резисторы 15 и 16 к входам переключающих транзисторов. Указанный контур внутренней нагрузки является буфером, сглаживающим технологический разброс и изменения от условий окружающей среды параметров трансформатора 10 и силовых транзисторов в линейном режиме. При снятии короткого замыкания нагрузки, развиваемые на вторичньк обмотках 2 и 3.выходного трансформатора напряжения, открьшают соответствующий транзистор управления, благодаря чему -инвертор переводится в режим отдачи мощности в нагрузку. Причем перевод инвертора из одного режима в другой (и наоборот) может происходить в любой фазе происходящих в нем процессов без нарушения устойчивости работы. Перевод инвертора из дежурного режима (т.е. режима короткого замыкания) в режим отдачи мощности в нагрузку обеспечивается с момента снятия короткого замыкания при условии, что в держурном режиме уровень мощности усилительного режима силовых транзисторов является достаточным для того, чтобы развиваемое на обмотках 2 и 3 трансформатора 1 напряжение превышало пороговое значение входа транзисторов управления. Перевод инвертора в дежурный режим происходит при скачкообразном возрастании тока в момент появления короткого замыкания нагрузки благодаря тому, что импульсное падение напряжения на индуктивностях рассеяния первичных обмоток трансформаторов :резко снижаетг напряжение на индуктивности перемагничивания трансформатора 1, в результате чего напряжение на его обмотках 2 и 3 снижается ниже порогового уровня входной характеристики транзисторов управления, последние выключаются и переводят силовые транзисторы в усилительный режим. Соотношение витков в базовых обмотках трансформатора тока Тр2 - (между частями обмотки, разделенными выводом) определяется следующими соображениями. Напряжение на обмотке 8 ограничивается на уровне суммы напряжений насьш1ения базо-эмиттерного перехода транзистора 11 иЦк цд транзистора 6. Последнее, как правило, ниже напряжения насьш1ения базо-эмиттерного перехода, поэтому половина суммарного напряжения заведомо не превышает напряжения отсечки полупроводниковых диодов, шунтирующих силовые транзисторы, в частности диода 14.В связи с этим при выборе отвода не более, чем от половины витков базовой обмотки (считая от верхнего вывода), обеспечено отсутствие тока во зторичной (базовой) обмотке трансформатора 10, подключенной к закрытому плечу инвертора. Этим обеспечивается дпя трансформатора 10 режим трансформатора тока, необходимый дпя нормального функционирования инвертора. При использовании полупроводниковых приборов из различных материалов, когда соотношение напр$р:ений на откр тых переходах отлично от рассмотренного, выбор необходимого коэффициента включения отвода (коэффициёнта автотрансформации-Kg) можно определить из выражения у- - Цш4; . riJsW 3.oc,, .- число витков верхней половиI ны базовой обмотки (от верх-него по схеме вьшода до отвода) ; 8 полное число витков базовой обмотки. . Вьйор сопротивления резисторов 15 и 16 производится из соотношения между составляющими токов инвертора в режиме КЗ. В этом случае образуется структура инвертора по классиче кой схеме и ток в базу силового тран зистораЦ,- определяется напряжением развивающимся на верхней половине базовой обмотки Ngg, и сопротивлением в koHType этого тока (сопротивлением резисторов 15 или 16). . %t где Е - напряжение питания{ к- число витков коллекторных об моток трансформатора 10j сопротивление резисторов 15 и 16. Нагрузкой инвертора в этом режиме является контур тока в базовой цепи закрытого плеча (внутренняя нагрузка) - благодаря,шунтирующему диоду 13 ,(14), подключенному в обратной по лярности к управляющему переходу силового транзистора 11 (12). Таким образом, полный ток базовых обмоток, приведенных к коллекторной 11 18 . . обмотке трансформатора 10, определяет основную составляющую коллекторного тока (составляющая коллекторного Тока, определяемая коэрцитивным током насьш1аю1цегося сердечника трансформатора 10, практически всегда существенно ниже указанной составляющей) в виде удвоенного значения базового ,тока отдельного силового транзистора .b 2Е %.1 , Производим переход от числа витков верхней половины базовой обмотки ,: к полному числу ее витков 2t 2 Т - I -,-,-l-..L-u I K n ат y,v - - , is.-ib Из полученного выражения, учитьшая, что Ng 2W3., nWg .сопротивленне резисторов где В - минимально возможный, коэффициент усиления транзисторов 11 и 12. Из последнего выражения следует, что в. рассматриваемом режиме благодаря реальным значениям коэ фициентов усиления транзисторов, превышающим Вд , силовые транзисторы работают также в ключевом режиме с коэффициентом насыщения, равным отношению реального значения В,, к В, (из-за наличия составляющей коллекторного тока, вызываемой коэрцитивным значением сердечника трансформатора 10, коэффициент насьщетшя несколько ниже). Учитывая это. для исключения в момент переключеш я возникновения имкульскьйс токов силовых транзисторов -выше предельно допустимого (.Ij,,i,j,) необходимо ограничить выбираемую величину , К-АОП в С учетом этого окончательное выражение для.определения сопротивления R,5,i6 имеет вид (6,16 Таким образом, предлагаемый инвертор по сравнешло с известными

имеет бол еевысокое значение КПД за счет исключения потерь мощности на токоограничительных элементах базовых цепей силовых транзисторов, сохраняет высокое значение КПД при уменьшении тока нагрузки. Кроме того, в инверторе отсутствует режим

сквозных токов и, соответственно, токовой перегрузки силовых транзисторов при их переключении, что значительно повышает надежность и КПД, а при коротком замыкании в цепи нагрузки резко снижается потребляемая инвертором мощность.

ИНВЕРТОР, содержащий выход « йой трансформатор, первичная обмотка которого соединена с силовыми транзисторами через коллекторные обмотки переключающего трансформатора то-, ка, базовые; обмотки которого подключены крайними выводами к коллекторам транзисторов управления, к эмиттерам которых подключены первые выводы шунтирующих резисторов, а к управлякяцим переходам через резисторы - дополнительные обмотки, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности путем устранения перегрузок при коротком замыкании в нагрузке, другие крайние выводы базовых обмоток трансформатора тока подсоединены к.базам силовых транзисторов, управляющие переходы которых шунтированы введенными.обратными диодами, а к эмиттерам подключены зьгаттеры транзисторов управления, тип проводимости которых противоположен типу проводимости силовых транзисторов, причем вторые вывода шунтируюШ щих грезисторов подсоединены к отводам базовых обмоток перехслючающего трансформатора тока, а дополнительные обмотки расположены на выходном трансS с форматоре.