Полумостовой инвертор Советский патент 1992 года по МПК H02M7/5387 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к области преобразования параметров электрической энергии, и может быть использовано при разработке источников вторичного электропитания, преимущственно в случае предъявления к ним повышенных требованиях к КПД, например, на объектах автономного использования с ограниченными энергоресурсами.

Известен преобразователь постоянного напряжения в переменное с использованием полумостового инвертора, приводимого в действие от генератора прямоугольного напряжения, имеющего два взаимоинверсных выхода, связанных с базоэмиттерными переходами транзисторов полумостового инвертора, которые включаются поочередно.

Недостатком устройства является то, что в нем затруднено управление транзисторами инвертора. Эти транзисторы одинаковые. Эмиттер одного из них соединен с коллектором другого и с одним из выводов для подключения первичной обмотки выходного трансформатора (нагрузки). Отт носительно этой точки подается от формирователя управляющее воздействие на базу транзистора, эмиттер которого подключен к упомянутой точке. Это неудобно, потому что данный эмиттер не имеет постоянной связи с одной из шин первичного питания.

Известен преобразователь постоянного напряжения в переменное, в котором ис- пользуются силовые транзисторы инвертора различного типа проводимости. Их эмиттеры соединены с противоположны ми шинами первичного питания, а к базоэ- миттерным переходам подключены переходы коллектор - эмиттер блокирующих транзисторов. Прямоугольное напряжение от задающего генератора через резисторы и согласующие транзисторы подается с эмиттеров этих транзисторов к базам силовых транзисторов. На базы блокирующих транзисторов поступают управляющие сигналы от широтно-импульсного модулятора. Эти сигналы и сигналы управления силовыми транзисторами формируются раздельно. При их временном наложении сигналы, подводимые к базам силовых транзисторов, блокируются за счет шунтирования их базоэмиттерных переходов. Это снижает КПД так как растут энергетические затраты на управление инвертором.

Наиболее близким к предлагаемому является полумостовой инвертор, содержащий два силовых транзистора разного типа проводимости, соединенных между собой

коллекторами, образующими первый выходной вывод инвертора, и шунтируемых по входу блокирующими транзисторами, тип проводимости которых совпадает с типом проводимости шунтируемого силового транзистора, и два ключа, через каждый из которых база силового транзистора одного плеча связана с базой блокирующего транзистора другого плеча, и генератор управля0 ющего сигнала, противофазные выходы которого соединены с управляющими входами ключей. Для приведения в действие генератора управляющего сигнала (схемы модуляции) к нему подключен источник пе5 реключающего сигнала (задающий генератор).

Поочередно появляющиеся выходные сигналы управляющего генератора посредством ключей одновременно открывают си0 ловой транзистор одного плеча и блокирующий транзистор другого плеча.

Недостаток прототипа заключается в том, что сигналы для управления ключами формируется с помощью двух узлов - источ5 ника переключающего сигнала и схемы модуляции, и в том, что цепи питания обоих названных узлов самостоятельно потребляют для своей работы ток, дополнительно к току, расходуемому для получения управля0 ющих сигналов на ключи, в силу чего снижается КПД. .

Цель изобретения - упрощение и повышение КПД.

Поставленная цель достигается за счет

5 того, что в полумостовом инверторе, содержащем два силовых транзистора разного типа проводимости, соединенных между собой коллекторами, образующими первый выходной вывод инвертор, и шунтируемых

0 по входу блокирующими транзисторами, тип проводимости которых совпадает с типом проводимости шунтируемого силового транзистора, и два ключа, через каждый из которых база силового транзистора одного

5 плеча связана с базой блокирующего транзистора другого плеча, и генератор управляющего сигнала, противофазные выходы которого соедиенны с управляющими входами ключей, в качестве указанных ключей

0 и генератора управляющего сигнала использован операционный усилитель, каждый питающий вывод которого подключен к базе соответствующего силового транзистора, выходной вывод подключен через

5 первый и второй резисторы к базе блокирующего транзистора соответственно одного и другого плеч и через третий и четвертый резисторы соответственно к неинвертирующему и инвертирующему входным выводам операционного усилителя, а второй выходной инвертор соединен через пятый резистор и хронирующий конденсатор соответственно с неинвертирующим .и инвертирующим входными выводами операционного усилителя.

Кроме того, в каждое плечо инвертора введены первый и второй дополнительные транзисторы, тип проводимости которых совпадает с силовым транзистором, в цепь питания операционного усилителя включен последовательно базоэмиттерный переход первого дополнительного транзистора, в цепь первого и второго резисторов включен последовательно базоэмиттерный переход второго дополнительного транзистора, при- чем эмиттеры первого и второго дополнительных транзисторов соединены с базами соответственно силового и блокирующего транзисторов, коллектор второго дополнительного транзистора соединен с базой первого дополнительного транзистора данного плеча инвертора, а коллектор первого дополнительного транзистора через дополнительную обмотку введенного выходного трансформатора соединен с вторым выход- ным выводом инвертора. Второй выходной вывод инвертора образован общей точкой двух силовых конденсаторов, противоположные выводы которых соединены с эмиттерами силовых транзисторов.

На фиг.1 представлена схема предложенного полумостового инвертора; на фиг.2

-вариант схемы с повышенной выходной мощностью.

Полумостовой инвертор (фиг.1) содер- жит силовые транзисторы 1 и 2 типов проводимости соответственно p-n-р и п-р-пи, блокирующие транзисторы 3 и 4 таких же типов проводимости, что и транзисторы 1 и 2, операционный усилитель 5, состоящий из генератора 6 управляющих сигналов, первого 7 и второго 8 ключей, первый 9, второй 10, третий 11, четвертый 12 и пятый 13 резисторы, хронирующий конденсатор 14, силовые конденсаторы 15 и 16 и выходной трансформатор 17с первичной обмоткой 18 и вторичной обмоткой 19, являющейся выходом инвертора.

Входная шина питания положительной полярности подключена к соединенным между собой эмиттерам транзисторов 1 и 3, а входная шина отрицательной полярности

- к эмиттерам транзисторов 2 и 4. К базе транзистора 1 подключены коллектор транзистора 3, вывод питания положительной полярности генератора 6 управляющего сигнала, а через ключ 7 и резистор 10 - база транзистора 4. К базе транзистора 2 подключены коллектор транзистора 4, вывод питания отрицательной полярности генератора 6 управляющего сигнала, а через ключ 8 и резистор 9 - база транзистора 3. При этом входы ключей подключены к противофазным выходам генератора 6 управляющего сигнала, общая точка обоих ключей 7 и 8 образует выход операционного усилителя 5, соединенный также через резисторы 11 и 12 соответственно с неинвертирующим и инвертирующим входами операционного усилителя 5.

Коллекторы транзисторов 1 и 2 соединены между собой и образуют первый выходной вывод инвертора, второй его выходной вывод образуется общей точкой силовых конденсаторов 15 и 16, включенных между эмиттерами транзисторов 1 и 2. С вторым выходным выводом инвертора соединена общая точка резистора 13 и конденсатора 14, подключенных между неинвертирующим и инвертирующим входами операцион- ного усилителя 5. К этим выводам подключена первичная обмотка 18 выходного трансформатора.

В варианте повышенной выходной мощности (фиг.2) в трансформатор 17 введена дополнительная обмотка 20. В оба плеча инвертора дополнительно к транзисторам 1-4 включены транзисторы 21-24 тех же типов проводимости. Эмиттеры транзисторов 21 и 23 соединены с базами транзисторов 1 и 3 соответственно, а эмиттеры транзисторов 22 и 24 - с базами транзисторов 2 и 4. В цепь питания операционного усилителя 5 включены последовательно ба- зоэмиттерные переходы транзисторов 21 и 22. В цепь резисторов 9 и 10 включены ба- зоэмиттерные переходы транзисторов 23 и 24 соответственно. Коллекторы транзисторов 23 и 24 соединены с базами транзисторов 21 и 22. Коллекторы транзисторов 21 и 22 соединены между собой и через обмотку 20 трансформатора 17 подключены к общей точке конденсаторов 15 и 16.

Инвертор работает следующим образом.

Генератор 6 управляющих сигналов получает ток питания от входных шин инвертора через базоэмиттерные переходы силовых транзисторов 1 и 2, обусловливая их базовые токи в промежутки времени, когда они не блокируются транзисторами 3 и 4. Каждый из ключей 7 и 8 в своем проводящем состоянии создает базовый ток относящегося к нему силового транзистора и одновременно ток базы блокирующего транзистора противоположного плеча, запрещая таким образом работу силового транзистора этого плеча: ток базы транзистора 1, проходя через ключ 7 и резистор 10, является базовым током транзистора 4, и наоборот, ток базы

транзистора 2 через ключ 8 и резистор 9 выступает током базы транзистора 3.

Так как операционный усилитель 5, резисторы 11-13 и конденсатор 14 представляют собой функционально задающий генератор прямоугольных колебаний, а ключи 7 и 8 - его выходные элементы, то получается, что весь этот генератор питается через плечи полумостового инвертора, а именно через базоэмиттерный переход силового транзистора одного плеча и переход коллектор - эмиттер блокирующего транзистора другого плеча, причем управление блокирующими транзисторами производится с выхода задающего генератора (общая точка ключей 7 и 8). Если на выходе задающего генератора будет положительный полупериод, то откроется транзистор 4 и, следова- тельно, окажется зашунтированным базоэмиттерный переход транзистора 2, а во время отрицательного полупериода задающего генератора открытым будет транзистор 3, который будет шунтировать в течение полупериода базоэмиттерный переход транзистора 1.

Таким образом, ток, потребляемый задающим генератором,проходит через базо- эмиттерные переходы транзисторов 1 и 2 попеременно благодаря поочередному (при смене полупериодов задающего генератора) шунтированию их переходами коллектор - эмиттер транзисторов 3 и 4 соответственно, между тем как ток по цепи питания задающего генератора идет непрерывно.

Напряжение на коллекторах транзисторов 1 и 2 прямоугольное с амплитудой, близкой к величине напряжения питания. Оно имеет ту же фазу, что и на выходе задающего генератора. Конденсаторы 15 и 16 образуют емкостной делитель напряжения первичного питания на два, и поэтому напряжение на коллекторах транзисторов 1 и 2 (первый выход инвертора) относительно средней точки емкостного делителя (второй выход инвертора) получается знакопеременным. Такое же, но с заданным коэффициентом трансформации, снимается прямоугольное напряжение с обмотки 19 трансформатора 17, который может быть подключен к выходам инвертора.

В варианте устройства с повышенной выходной мощностью (фиг. 1) ток цепи питания задающего генератора проходит последовательно через переходы база - эмиттер транзисторов 1 и 21 (от шины питания положительной полярности) и далее по базоэ- миттерным переходам транзисторов 22 и 2 на шину питания отрицательной полярности. Пары транзисторов 1, 21 и 2, 22 имеют типовое составное включение с дополнительным смещением на коллекторы согласующих транзисторов в силу того, что коэффициент трансформации из обмотки 18 в обмотку 20 меньше единицы. Это позволяет

обеспечить насыщенный режим составных транзисторов. Шунтирование базоэмиттер- ных переходов каждой пары составных транзисторов производится другой парой составных транзисторов такого же типа про0 водимости: к транзисторам 1 и 21 относится пара шунтирующих транзисторов 3 и 23, а к транзисторам 2 и 22 - пара транзисторов 4 и 24.

Для обеспечения ключевого режима ра5 боты транзисторов 3 и 4 имеет значение остаточное напряжение попеременно действующих ключей 7 и 8. Если оно больше, чем напряжение перехода база - эмиттер транзисторов 3 и 4, нужное для их открыва0 ния, то эти переходы следует шунтировать резисторами (показаны пунктиром на фиг.1 и аналогично на фиг.2, где эти резисторы шунтируют - каждый отдельно - базоэмит- терные переходы пар транзисторов: 3, 23 и

5 4, 24). Тогда образуются этими резисторами и резисторами 9 и 10 делители, сводящие остаточное напряжение на базах выключаемых транзисторов 3 и 4 (и дополнительных транзисторов 23 и 24) к приемлемой величи0 не.

Для создания базового тока силовых транзисторов инвертора транзисторов 1 и 2 на фиг.1 и дополнительно к ним транзисторов 21 и 22 на фиг.2) не требуются ка5 кие-либо специальные цепи тока и ограничивающие резисторы, в которых неизбежно имели бы место потери мощности: естественный ток потребления задающего генератора одновременно является и базо0 вым током силовых транзисторов инвертора при прямых и простейших связях между задающим генератором и силовыми транзисторами.

Ток баз транзисторов 1 и 2 экономится

5 - он тот же самый, что и ток, потребляемый задающим генератором. Управление инвертором по первому и второму входам для попеременного шунтирования переходов база - эмиттеров транзисторов 1 и 2 (и соот0 ветственно управление ими с помощью транзисторов 3 и 4) со стороны задающего генератора обходится меньшей мощностью, потому что токи баз транзисторов 3 и 4 (а в варианте большей выходной мощности еще

5 и транзисторов 23 и 24) существенно меньше (практически на два порядка), чем токи баз транзисторов 1 и 2 (во втором варианте транзисторов 21 и 22).

Достигнуто и упрощение инвертора за счет того, что операционный усилитель 5 с

предложенными его подключениями выполняет одновременно роль источника сигнала переключения (он работает в режиме автогенератора) и схемы модуляции и ключей прототипа.

Формула изобретения 1. Полумостовой инвертор, содержащий деа силовых транзистора разного типа проводимости, соединенных между собой коллекторами, образующими первый выходной вывод инвертора, и шунтируемых по входу блокирующими транзисторами, тип проводимости которых совпадает с типом проводимости шунтируемого силового транзистора, два ключа, через каждый из которых база силового транзистора одного плеча связана с базой блокирующего транзистора другого плеча, и генератор управляющего сигнала, противофазные выходы которого соединены с управляющими входами ключей, отличающийся тем, что, с целью упрощения и повышения КПД, в качестве ключей и генератора управляющего сигнала использован операционный усилитель, каждый питающий вывод которого подключен к базе соответствующего силового транзистора, выходной вывод подключен через первый и второй резисторы к базе блокирующего транзистора соответственно одного и другого плечей и через третий и четвертый резисторы соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входным выводам операционного усилителя, а

й

второй выходной вывод инвертора соединен через пятый резистор и хронирующий конденсатор соответственно с неинвертирующим и инвертирующим входными выводами операционного усилителя.

2.Инвертор по п.1, отличающийся тем, что в каждое плечо инвертора введены первый и второй дополнительные транзисторы, тип проводимости которых совпада10 ет с силовым транзистором, в цепь питания операционного усилителя включен последовательно базоэмиттерный переход первого дополнительного транзистора, в цепь первого и второго резисторов включен последо15 вательно базоэмиттерный переход второго дополнительного транзистора, причем эмиттеры первого и второго дополнительных транзисторов соединены с базами соответственно силового и блокирующего

20 транзисторов, коллектор второго дополнительного транзистора соединен с базой первого дополнительного транзистора данного плеча инвертора, а коллектор второго дополнительного транзистора через дополни25 тельную обмотку введенного выходного трансформатора соединен с вторым выходным выводом инвертора.

3.Инвертор по п.1, от л и ч а ю щ и и с я тем, что второй выходной вывод инвертора

30 образован общей точкой двух силовых конденсаторов, противоположные выводы которых соединены с эмиттерами силовых транзисторов.

Фиг. г

Использование: преобразование постоянного напряжения в переменное для сис+Вход тем вторичного электропитания. Сущность изобретения: силовые транзисторы 1 и 2 разного типа проводимости открываются с помощью операционного усилителя 5 при отпирании его выходных транзисторов 7 или 8 соответственно. При этом ток базы силовых транзисторов 1 и 2 является одновременно током цепи питания операционного усилителя 5. Блокировочные транзисторы 3 и 4 обеспечивают активное запирание силового транзистора 1(2) одного плеча при открытом силовом транзисторе 2(1) другого плеча и защиту от сквозных токов при переключении силовых транзисторов 1 и 2. 2 з.п. ф-лы, 2 ил..