Преобразователь постоянного напряжения в переменное Советский патент 1992 года по МПК H02M7/5387 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к технике преобразования параметров электрической энергии, и предназначено для использования в маломощных экономичных источниках вторичного электропитания электронной аппаратуры при напряжении первичной сети 18-36 В.

Известно устройство преобразования постоянного напряжения в переменное с использованием полумостового инвертора, приводимого в действие от генератора прямоугольного напряжения, имеющего два взаимоинверсных выхода, связанных с ба- за-эмиттерными переходами транзисторов полумостового инвертора, которые включаются поочередно.

Недостатком устройства является то, что в нем затруднено управление транзисторами инвертора. Эти транзисторы выбирают одинаковыми и поэтому эмиттер одного из них соединяют с коллектором другого и с одним из выводов для подключения первичной обмотки выходного трансформатора (нагрузки). Относительно этой точки следует формировать 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 также преобразователь постоянного напряжения в переменное с независимым возбуждением, в котором силовые транзисторы инвертора имеют противоположный тип проводимости. Параллельно переходам база - эмиттер силовых транзисторов подключены переходы коллектор - эмиттер блокирующих транзисторов такого же типа проводимости. Эмиттеры каждой пары силового и блокирующего транзисторов соединены с противоположными шинами первичного питания. Источником сигналов управления силовыми транзисторами является задающий генератор прямоугольных колебаний, выход которого через резисторы и согласующие транзисторы подключены к базам силовых транзисторов (эмиттеры согласующих транзисторов) и к входу источника опорного напряжения (соединенные между собой коллекторы согласующих транзисторов).

Широтно-импульсная модуляция исключает появление сквозных токов транзисторов преобразователя, так как формируемый полупериод выходного напряжения меньше длины полупериода задающего генератора. Однако при предельно низких напряжениях первичного питания (но находящихся в рабочем диапазоне) выходное напряжение преобразователя (инвертора) принимает форму Меандр и появляются сквозные токи. Они же будут иметь место постоянно, если регулирование

выходного напряжения не производится, т.е., если нужно только преобразовывать первичное напряжение в переменное или в постоянное иной величины относительно исходного. Тогда КПД оказывается сниженным, что ограничивает применение устройства.

Наиболее близким к предлагаемому является преобразователь постоянного напряжения в переменное, содержащий

задающий генератор, узел управления и полумостовой инвертор, выполненный на двух силовых транзисторах 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, вход узла управления соединен с выходом задающего генератора, а противофазные выходы узла

управления соединены с управляющими входами ключей.

Попеременно от узла управления открываются ключи и, следовательно, транзисторы полумостового инвертора, к базам

которых они подключены. Противоположные силовые транзисторы при этом закрываются, так как базовый ток блокирующего транзистора одного плеча одновременно является базовым током силового транзистора другого плеча. При наличии открывающих сигналов на входах обоих ключей работают одновременно оба блокирующие транзисторы и не работают - оба силовые. Этим устраняются сквозные токи силовых

транзисторов, однако временная уставка запаздывания выключения каждого из ключей может быть только постоянной, не зави- сящей от фактического времени выключения силовых транзисторов. Это является причиной ухудшения КПД потому, что: во-первых, в прототипе не гарантируется включение очередного силового транзистора сразу же после естественного выключения ранее работавшего транзистора инвертора, а, во-вторых, для обслуживания база-эмиттерных цепей силовых транзисторов и схемы, осуществляющей задержку, применяют отдельные цепи питания, каждая из которых потребляет свою

часть электроэнергии от первичного источника.

Цель изобретения - повышение КПД.

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь постоянного напряжения в переменное, содержащий задающий генератор, узел управления и полумостовой инвертор, выполненный на двух силовых транзисторах 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, вход узла управления соединен с выходом задающего генератора, а противофазные выходы узла управления соединены с управляющими входами ключей, в качестве указанных ключей и узла управления использован операционный усилитель, каждый питающий вывод которого подключен к базе соответствующего силового транзистора, выходной вывод операционного усилителя подключен через первый и второй резисторы к базам блокирующих транзисторов соответствующих плеч инвертора, соединенных также через третий и четвертый резисторы с выходом задающего генератора, в цепь соединения выхода задающего генератора с инвертирующим входом операционного усилителя, являющимся входом узла управления, последовательно включен пятый резистор, а через шестой резистор и дополнительную обмотку, расположенную на выходном трансформаторе, неинвертирующий вход операционного усилителя подключен к второму выходному выводу инвертора, с которым соединен инвертирующий вход операционного усилителя. Кроме того, выходной трансформатор включен между выходными выводами инвертора и выходными выводами преобразователя. С целью повышения мощности введен по меньшей мере один усилитель мощности, вход каждого из которых соединен с выходом инвертора, а на выходе каждого из усилителей мощности включен выходной трансформатор, причем дополнительная обмотка каждого из них через шестой резистор подключена к неинвертирующему входу операционного усилителя. Второй выходной вывод инвертора образован общей точкой двух силовых конденсаторов, противоположные выводы которых соединены с эмиттерами силовых транзисторов.

На фиг.1 представлена схема преобразователя постоянного напряжения в переменное ; на фиг.2 - тот же преобразователь с повышенной выходной мощностью .

Преобразователь содержит (фиг. 1) зада- ющий генератор 1, операционный усилитель 2, состоящий из узла 3 управления и ключей 4, 5, полумостовой инвертор 6 с си0 левыми транзисторами 7,8 типа проводимости p-n-р и n-p-п соответственно, блокирующими 9 (типа p-n-р) и 10 (типа п-р- п) транзисторами и силовыми конденсаторами 11 и 12, первый 13, второй 14, третий

5 15, четвертый 16, пятый 17 и шестой 18 резисторы, а также выходной трансформатор 19, имеющий первичную 20, вторичную 21 и дополнительную 22 обмотки. Эмиттеры соединенных между собой транзисторов 7 и 9

0 подключены к входному выводу питания положительной полярности, а эмиттеры транзисторов 8, 10 - к входному выводу отрицательной полярности. База транзистора 7, с которой соединен коллектор транзи5 стора 9, подключена к выводу питания положительной полярности узла 3 управления и через ключ 4 и резистор 14 - к базе транзистора 10. База транзистора 8, с которой соединен и коллектор транзистора 10,

0 подключена к выводу питания отрицательной полярности узла 3 управления и через ключ 5 и резистор 13 - к базе транзистора 9. При этом общая точка ключей 4 и 5 является выходом операционного усилителя 2.

5 Цепи питания задающего генератора в данном конкретном примере выполнения подключены непосредственно к входным выводам преобразователя. К базам соотве- ственно первого 9 и второго 10 блокирую0 щих транзисторов через резисторы 15 и 16 подключен также выход задающего генератора 1. К этому выходу через резистор 17 подключен вход узла 3 управления (неинвертирующий вход операционного усилите5 ля 2). В операционном усилителе 2 противофазные выходы узла 3 управления соединены с управляющими входами ключей 4, 5. Коллекторы транзисторов 7 и 8 соединены между собой и образуют первый

0 выход полумостового инвертора 6. Его вторым выходом может быть (в примере конкретного выполнения) общая точка силовых транзисторов 11, 12, противоположные выводы которых подключены к эмиттерам

5 транзисторов 7 и 8.

К обоим выходным выводам полумостового инвертора 6 подключена первичная обмотка 20 выходного трансформатора 19, вторичная обмотка 21 которого является выходом преобразователя. Дополнительная

обмотка 22 трансформатора одним выводом через резистор 18 подключена к неинвертирующему входу операционного усилителя 2, а другим - к второму выходному выводу полумостового инвертора и инвертирующему входу операционного усилителя 2.

В преобразователе с повышенной мощностью (фиг.2) имеется также один или несколько усилителей мощности. На фиг.2 их два - 23.1, 23.2, имеющих собственные выходные трансформаторы 24.1,24.2 с первичными обмотками 25.1, 25.2 и вторичными обмотками 26.1, 26.2, образующими выход преобразователя. У трансформатора 19 две (по числу усилителей мощности) одинаковые вторичные обмотки 21.1, 21.2, подключенные к входам усилителей мощности. Дополнительные обмотки 22.1,22.2 размещены на трансформаторах 24.1, 24.2. Они соединены с неинвертирующим входом операционного усилителя 2 через резисторы 18.1, 18.2.

Устройство работает следующим образом.

Узел 3 управления получает ток питания через база-эмиттерные переходы силовых транзисторов 7 и 8, обуславливая их базовый ток в промежутки времени, когда они не блокируются транзисторами 9, 10. Каждый из ключей 4, 5 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 7, проходя через ключ 4 и резистор 14, является базовым током транзистора 10 и, наоборот, ток базы транзистора 8 через ключ 5 и резистор 13 является током базы транзистора 9.

Так как операционный усилитель 2 состоит из узла 3 управления и ключей 4, 5, то получается, что весь операционный усилитель питается через плечи полумостового инвертора, а именно через база-эмиттер- ный переход силового транзистора одного плеча и переход коллектор - эмиттер блокирующего транзистора другого плеча, причем управление блокирующими транзисторами производится с выхода задающего генератора 1 (через резисторы 15, 16) и с выхода операционного усилителя 2 (общая точка ключей 4 и 5).

Фаза сигналов на выходах задающего генератора 1 и операционного усилителя 2 в первый момент возникновения колебаний совпадает, потому что резисторы 17, 18 совместно с обмоткой 22 трансформатора 19 могут рассматриваться на этом этапе работы тоже как делитель.

С появлением напряжения на обмотке 22, индуцированного с первичной обмотки 20, оно начинает определять фазу выходного напряжения операционного усилителя 2 (относительно прямоугольного напряжения, снимаемого с задающего генератора 1). Положительный полупериод, возникнув на выходе задающего генератора, будет повторен на выходе операционного усили0 теля 2. Задающий генератор 1 и операционный усилитель 2 откроют транзистор 10, запретив работу транзистора 8 и не препятствуя работе транзистора 7. На коллекторах транзисторов 7, 8 будет та же полярность

5 прямоугольного напряжения, что и на выходе задающего генератора. После окончания полупериода колебаний задающего генератора и смены его на отрицательный транзистор 7 может оставаться открытым

0 вследствие рассасывания неосновных носителей через транзистор 9, открывающийся в результате смены полупериода задающего генератора. На весь период рассасывания транзистора 7 ток обмотки 20 будет оста5 ваться неизменным по величине и направлению, а индуцированное в обмотку 22 напряжение, повторяющее фазу напряжения на обмотке 20, будет поддерживать через резистор 18 операционный усилитель 2

0 в состоянии, соответствующем положительному полупериоду задающего генератора, несмотря на состоявшееся его окончание. Переключение управления операционным усилителем 2 от задающего генератора на

5 обмотку 22 происходит благодаря выбору величины резистора 18, существенно меньшей чем резистора 17 при близости (или равенстве) напряжений обмоток 20 и 22. Отрицательный полупериод задающего

0 генератора прекратит работу транзистора 7 - по крайней мере после его естественного выключения, а продлившийся положительный полупериод прямоугольного напряжения на выходе операционного усилителя 2

5 будет поддерживать в открытом состоянии транзистор 10 и, следовательно, в закрытом состоянии транзистор 8. Начавшийся полупериод задающего генератора отрицательной полярности не может ничего изменить.

0 Транзистор 10 открывается от положительного сигнала, поступающего либо от задающего генератора 1, либо от операционного усилителя 2, либо от обоих одновременно (по принципу ИЛИ). По этому же алгоритму

5 осуществляется управление транзистором 9. Для его открывания достаточно, чтобы на выходе задающего генератора 1 или операционного усилителя 2 был отрицательный полупериод, а наличие положительного полупериода на выходе хотя бы одного из них

несущественно для транзистора 9 (не вызывает открывание транзистора 10).

После выключения транзистора 7 напряжение на обмотке 22 исчезнет и опера- ционный усилитель 2 перейдет на управление от выхода задающего генератора, напряжение которого к этому времени уже имеет отрицательную полярность. Вследствие этого на выходе операционного усилителя 2 установится полупериод отри- цательного напряжения, а напряжение обмотки 22, ставшее теперь отрицательным, будет тоже, как и задающий генератор, обуславливать продолжение отрицательного полупериода на выходе операционного усилителя 2. Это приведет к запиранию транзистора 10 и безусловному отпиранию транзистора 8, в базу которого втекает ток, потребляемый схемой операционного усилителя 2. Начинается формирование нового полупериода выходного напряжения, входе которого все процессы будут протекать аналогично.

Транзистор 8, находясь в насыщении в рабочем для него полупериоде, не сразу за- кроется после очередной смены полупериода задающего генератора, когда он снова станет положительным, хотя переход база - эмиттер этого транзистора окажется зашун- тированным транзистором 10. Поэтому не- обходимо задержать открывание транзистора 7, чтобы избежать сквозного тока от положительной шины питания на отрицательную через транзисторы 7 и 8. Такая задержка получается за счет того, что управление операционным усилителем 2 от обмотки 22 доминирует над управлением от выхода задающего генератора и до тех пор, пока напряжение этой обмотки имеет еще отрицательную полярность, будет открыт транзистор 9 и, следовательно, закрыт транзистор 7. Ток потребления операционного усилителя 2 будет идти не через переход база - эмиттер транзистора 7, а через переход коллектор-эммитер транзистора 9. В таком состоянии схема будет находиться до момента естественного закрывания транзистора 8, после чего устройство будет готово формировать очередной полупериод выходного напряжения, исключив появление сквозного тока через силовые транзисторы 7 и 8 при их новом переключении, вследствие задержки переключения полярности напряжения на выходе операционного усилителя 2 до окончания текущего полупериода выходного напряжения.

Для обеспечения ключевого режима работы транзисторов 9, 10 имеет значение остаточное напряжение попеременно действующих ключей 4, 5. Если оно больше, чем напряжение перехода база - эмиттер

транзисторов 9,10, способное их открывать, то эти переходы следует шунтировать резисторами (показаны пунктиром). Тогда образуются этими резисторами и резисторами 13, 14 делители, сводящие остаточное напряжение на базах выключаемых транзисторов 9, 10 до приемлемой величины.

Если мощность, получаемая непосредственно от инвертора, недостаточна для конкретного потребления, прибегают к следующей ступени усиления по мощности. Тогда сквозные токи могут возникать в следующем (оконечном) усилителе мощности, потому что время выключения мощных транзисторов (в пределах одного класса по быстродействию) больше у транзисторов, работающих на больших токах.

В случае, если требуемая мощность недостижима при имеющемся уровне развития элементной базы, усилителей мощности устанавливают несколько (два и более), обычно однотипных (фиг.2). Время выключения транзисторов в таких усилителях оказывается сравнимым и становится невозможным отдать предпочтение какому- либо из них, чтобы разместить обмотку, свя- занную с неинвертирующим входом операционного усилителя 2, на сердечнике его выходного трансформатора. Становится целесообразным снабдить такой обмоткой (22.1, 22.2 на фиг,2) каждый из трансформаторов 19 всех усилителей мощности (на фиг.2 их два: 23.1 и 23.2). К операционному усилителю они подключаются через резисторы 18.1 и 18.2, Поэтому по полярности доминирующим напряжением управления операционным усилителем 2 определяется то из всех возможных, поступающих на неинвертирующий вход, которое устанавливается в начале формируемого всеми усилителями мощности прямоугольного напряжения, а по длительности - то из них, которое будет существовать дольше, чем другие (первым исчезает напряжение задающего генератора). Задержка переключения операционного усилителя 2, таким образом осуществляется до выключения наиболее инерционного транзистора (независимо от того, в каком усилителе мощности он находится), работавшего в оканчивающемся полупериоде.

Только после переключения операционного усилителя 2 инвертор 6 выдает с обмоток 21.1, 21.2 своего трансформатора 19 управляющее напряжение с измененной полярностью на все подключенные к инвертору усилители мощности (23.1, 23.2). Так. достигается предупреждение возникновения сквозных токов во всех усилителях мощности, подключенных к инвертору. Если

количество усилителей мощности при различных условиях работы преобразователя меняется, то операционный усилитель 2 реагирует только на те из них, которые фактически действуют (по крайней мере, в течение текущего полупериода).

Предложенное устройство выгодно отличается от прототипа тем, что в нем устра- нены сквозные токи транзисторов полумостового инвертора или иного двухтактного инвертора при последующем усилении по мощности, используя для выполнения этой операции ток, требуемый для обслуживания база-эмиттерных переходов силовых транзисторов полумостового инвертора. Наряду с достигаемым при этом повышении КПД обеспечивается и упрощение схемы устройства.

Возможность использования устройства на случай нескольких усилителей мощности позволяет использовать способ без каких-либо органичений на мощность потребителя.

Формула изобретения

1. Преобразователь постоянного напряжения в переменное, содержащий задающий генератор, узел управления и ми/.умостовой инвертор, выполненный на двух силовых транзисторах разного типа пооводимости, соединенных между собой , )ллекторами, образующими первый вы- чодной вывод инвертора, и шунтируемых по входу блокирующими транзисторами, тип проводимости которых совпадает с типом роводимости шунтируемого силового ,)«чзистора, и два ключа, через каждый из которых база силового транзистора одного плеча связана с базой блокирующего транзистора другого плеча, вход узла управления соединен с выходом задающего генератора, а противофазные выходы узла управления соединены с управляющими входами ключей, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД, в качестве

указанных ключей и узла управления использован операционный усилитель, каждый питающий вывод которого подключен к базе соответствующего силового транзистора, выходной вывод операционного усилителя подключен через первый и второй резисторы к базам блокирующих транзисторов соответствующих плеч инвертора, соединенных также через третий и четвертый

резисторы с выходом задающего генератора, в цепь соединения выхода задающего генератора с неинвертирующим входом операционного усилителя, являющимся входом узла управления, последовательно

включен пятый резистор, а через шестой резистор и дополнительную обмотку, расположенную на выходном трансформаторе, неинвертирующий вход операционного усилителя подключен к второму выходному выводу инвертора, с которым соединен инвертирующий вход операционного усилителя.

2.Преобразователь по п. 1,отличаю щ и и с я тем, что выходной трансформатор

включен между выходными выводами инвертора и выходными выводами преобразователя.

3.Преобразователь по п. 1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что, с целью повышения

мощности, введен по меньшей мере один усилитель мощности, вход каждого из которых соединен с выходом инвертора, а на выходе каждого из усилителей мощности включен выходной трансформатор, причем

дополнительная обмотка каждого из них через шестой резистор подключена к неинвер- тирующему входу операционного усилителя.

4.Преобразователь по п. 1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что второй выходной вывод

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

Использование: преобразование постоянного напряжения в переменное для сис+8roff фиг.1 тем вторичного электропитания. Силовые транзисторы 7 и 8 имеют разный тип проводимости и включены по схеме полумоста с объединенными коллекторами. Ток базы силовых транзисторов 7 и 8 является одновременно током цепи питания операционного усилителя 2, с выхода которого подается ток в цепи баз блокирующих транзисторов 9 и 10. Исключение сквозных токов при переключении силовых транзисторов 7 и 8 обеспечивается с помощью дополнительной обмотки 22 выходного трансформатора 19, напряжение на которой воздействует на входную цепь операционного усилителя 2, задерживая отпирание соответствующего силового транзистора 7 или 8. 3 з.п. ф-лы, 2 ил. Ё VJ CJ vl 00

Фиг. 2