Транзисторный инвертор Советский патент 1992 года по МПК H02M7/5387 

сл

С

Использование: преобразование пост, напряжения в перем. напряжение для систем вторичного электропитания. Сущность изобретения: силовые транзисторы 1 и 2 коммутируются путем разрыва цепи эмиттера с помощью дополнительных транзисторов 3 и 4. Запирание силового транзистора 1 (2) происходит по коллекторно-базовому переходу через открытый вспомогательный транзистор 18 (19) и диод 22 (23). Обмотки 29,30 вспомогательного трансформатора 28

vi со чэ о со

совместно с обмотками 9 и 10 управляющего трансформатора 11 обеспечивают защиту от сквозных токов при переключении силовых транзисторов 1 и 2 путем блокировки отпираИзобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах вторичного электропитания и автоматики.

Известен преобразователь напряжения, содержащий в каждом плече основной транзистор, управляющий переход которого соединен через базовый резистор с управляющей обмоткой блока управления и подключен к силовой цепи вспомогательного транзистора, связанного с дополнительной ЯСД-цепью. Для устранения токовых выбросов в данном преобразователе его силовые транзисторы должны управляться двухполярными импульсами с паузой на нуле, длительность которой должна превышать время восстановления избыточного заряда в области базы закрывающего транзистора.

Однако в известном техническом решении существуют условия возникновения вторичного пробоя при запирании силовых транзисторов, снижающие надежность преобразователя.

Известны также преобразователи с эмиттерной коммутацией, в которых для обеспечения функционирования на повышенных частотах коммутации в цепи эмиттера каждого силового транзистора включен дополнительный транзистор, а в цепи базы силового транзистора включен ограничительный диод с накоплением заряда. В известном техническом решении силовые транзисторы поочередно находятся в граничном режиме благодаря ограничению базового напряжения с помощью диодов с накоплением заряда, что, в сочетании с эмиттерным управлением, уменьшает время выключения силового транзистора.

Однако в известном инверторе существуют условия для протекания сквозных токов через силовые транзисторы вследствие отсутствия задержки отпирания ранее запертого транзистора на время, необходимое для полного запирания ранее отпертого транзистора, при котором отсутствует ток в цепи его коллектора. Наличие сквозных токов при большом коэффициенте заполнения напряжения управляющих импульсов вследствие конечного времени рассасывания избыточного заряда в ограничительных диодах с накоплением заряда, времени перезаряда емкостей коллекторных перехония дополнительных транзисторов 3 и 4 через диоды 31, 32 на этапе рассасывания неосновных носителей в базе силовых транзисторов противоположного плеча. 1 ил.

дов силовых транзисторов и емкостей диодов с накоплением заряда, увеличивает динамические потери и снижает надежность. Наиболее близким по технической

сущности к предлагаемому является транзисторный инвертор, содержащий управляющие трансформаторы, связанные со входами двухтактного усилителя мощности, вспомогательные трансформаторы, обмотки каждого из которых связаны с одной из пар смежно-последовательно включенных трансформаторного моста и вентильного элемента, причем каждый вспомогательный трансформатор снабжен дополнительной

обмоткой, коллектор каждого из указанных транзисторов соединен с эмиттером через обратно включенный вентильный элемент и последовательно соединенную с ним одну обмотку вспомогательного трансформатора, а управляющий переход шунтирован по- следовательно соединенными другой обмоткой вспомогательного трансформатора и вентильным элементом, включенным в прямом направлении, а последовательно с

вентильным элементом и другой обмоткой вспомогательного трансформатора, шунтирующим эмиттерный переход, подключена дополнительная обмотка блока управления. Недостатком известного инвертора является то, что при запирании силовых транзисторов существуют условия для образования локальных перегрузок в области базы. Эти перегрузки способствуют развитию вторичного пробоя, что снижает

надежность инвертора.

Цель изобретения - повышение надежности путем исключения локальных перегрузок области базы при запирании ранее открытого силового транзистора при одновременном обеспечении исключения сквозных токов через силовые транзисторы путем автоматической задержки отпирания одного из них на время, необходимое для запирания другого, что расширяет область

безопасной работы при выключении силовых транзисторов.

Указанная цель достигается тем, что в транзисторный инвертор, содержащий два конденсатора и два управляемых ключа,

соединенных по полумостовой схеме, управляющий трансформатор с двумя вторичными обмотками, каждая из которых имеет

промежуточный отвод и вспомогательный трансформатор с двумя первичными и двумя вторичными обмотками, причем к первому выводу каждой вторичной обмотки управляющего трансформатора подключен первым выводом первый резистор, второй вывод которого через последовательно соединенные первый диод и соответствующую первичную обмотку вспомогательного трансформатора соединен с вторым выводом вторичной обмотки управляющего трансформатора, а каждая вторичная обмотка вспомогательного трансформатора соединена последовательно с вторым диодом, образуя блокирующую цепочку, введены в цепь эмиттера каждого силового транзистора дополнительный транзистор, база которого через второй резистор соединена с вторым выводом первого резистора и через согласно-последовательно соединенные третий и четвертый диоды с эмиттером дополнительного транзистора, соединенным с отводом вторичной обмотки управляющего трансформатора, база силового транзистора соединена через последовательно соединенные пятый диод и третий транзистор с первым выводом первого резистора, встречно-параллельно пятому диоду включен база-эмиттерный переход введенного вспомогательного транзистора, коллектор которого через шестой диод соединен с эмиттером дополнительного транзистора, а параллельно шестому диоду включена блокирующая цепочка.

Новым в предлагаемом инверторе является введение дополнительных транзисторов, силовыми электродами включенных в цепи эмиттеров силовых транзисторов, а базами через цепочку из последовательно соединенных резисторов подключенных к одному из выводов обмоток трансформатора управления, подключенных также через резисторы к базам вспомогательных транзисторов, эмиттеры которых подключены к базам силовых транзисторов, а коллекторы - через первые диоды к эмиттерам дополнительных транзисторов, а через вторые диоды - к одним выводам первых обмоток введенного вспомогательного трансформатора, другие выводы которых подключены к эмиттерам дополнительных транзисторов, причем база-эмиттерные переходы вспомогательных транзисторов зашунтированы диодами, а база-эмиттерные переходы дополнительных транзисторов зашунтированы цепочками из двух диодов каждая. Точка соединения двух резисторов в цепи базы каждого дополнительного транзистора соединена через диоды с первыми выводами

вторых обмоток вспомогательного трансформатора, вторые выводы которых подключены к другим крайним выводам обмоток трансформатора управления, отводы от которых подключены к эмиттерам дополнительных транзисторов.

Кроме того, обеспечивается запирание силовых транзисторов через открытые вспомогательные транзисторы при одновремен0 ном разрыве цепей эмиттеров силовых транзисторов, при котором обеспечивается более безопасный режим работы силовых транзисторов без перегрузок цепей их баз, что повышает надежность схемы, Причем на

5 время запирания одного силового транзистора обеспечивается блокирование отпирания другого транзистора, что исключает сквозные токи через силовые транзисторы. При этом затянуто время выключение тран0 зисторов и процесс запирания сопровождается перегрузками в базовых областях, что снижает его надежность.

На чертеже изображена электрическая схема транзисторного инвертора.

5 Транзисторный инвертор содержит силовые транзисторы 1 и 2, эмиттеры которых соединены с коллекторами транзисторов 3 и 4, причем коллектор транзистора 1 соединен с первым входным выводом, а эмиттер

0 транзистора 4 - с вторым входным выводом, эмиттер транзистора 3 соединен с коллектором транзистора 2 и первым выводом обмотки 5 выходного трансформатора 6, второй вывод которой подключен к сред5 ней точке цепочки из последовательно соединенных конденсаторов 7 и 8, крайние выводы которых подключены к первому и второму входному выводу соответственно. Обмотки 9 и 10 трансформатора 11 управ0 ления одними из своих крайних выводов подключены через цепочки из попарно-последовательно соединенных резисторов 12 и 13, 14 и 15 к базам дополнительных транзисторов 3 и 4 соответственно, а также

5 через резисторы 16 и 17 к базам вспомогательных транзисторов 18 и 19, эмиттеры которых подключены соответственно к базам силовых транзисторов 1 и 2. Отводы обмоток 9 и 10 трансформатора 11 подключены к

0 эмиттерам транзисторов 3 и 4 соответственно. База-эмиттерные переходы транзисторов 18 и 19 зашунтированы диодами 20 и 21 в прямом направлении. Коллекторы транзисторов 18 и 19 подключены через диоды 22

5 и 23 к эмиттерам транзисторов 3 и 4 соответственно и через диоды 24 и 25 к одним из выводов обмоток 26 и 27 вспомогательного трансформатора 28, другие выводы которых подключены соответственно к эмиттерам транзисторов 3 и 4. Другие крайние выводы

обмоток 9 и 10 трансформатора 11 управления подключены к одним из выводов обмоток 29 и 30 трансформатора 28, другие выводы которых подключены через диоды 31 и 32 к точкам соединения резисторов 12 13 и 14, 15 соответственно. База-эмиттер- ные переходы транзисторов 3 и 4 зашунти- рованы обратно включенными диодами 33, 34 и 35, 36 соответственно, Ко вторичной обмотке 37 выходного трансформатора 6 подключена нагрузка 38.

Транзисторный инвертор работает следующим образом.

На базы транзисторов 1, 3 и 2, 4 поступает напряжение трансформатора 11 управления, поочередно открывая транзисторы 1 и 3 и закрывая 2 и 4 и наоборот. Предположим, в установившиеся моменты времени на обмотках трансформатора 11 существует напряжение, полярность которого указана без скобок. Транзисторы верхнего плеча 1 и 3 полумостовой схемы находятся в открытом состоянии: транзистор 1 открыт через резистор 16 и диод 20, находящийся в проводящем состоянии, а транзистор 3 открыт через цепочку из последовательно включенных резисторов 12 и 13. Транзистор 18 заперт напряжением, падающим на проводящем диоде 20, приложенном в обратном направлении, и влияния не оказывает, Диоды 33 и 34 также находятся в непроводящем состоянии. Ток через диод 31 имеет очень малую величину, определяемую током намагничивания обмотки 29 трансформатора 28 и практически не оказывает влияния на ток базы транзистора 3. Транзисторы 2 и 4 нижнего плеча полумостовой схемы в установившемся режиме за- крыты: транзистор 4 закрыт через резисторы 14 и 15 отрицательным напряжением через резистор 17 и прямосмещенный переход база - эмиттер транзистора 19. Диод 23 также находится в непроводящем состоянии, как и диод 25. Непроводящее состояние диода 25 обуславливается тем, что соотношение числа витков обмоток 29 и 30 относительно числа витков обмоток 26 и 27 выбирается таким, чтобы ЭДС наводимая на обмотках 27 и 26, не превышала по абсолютной величине ЭДС между отводами и верхними выводами обмоток 9 и 10 трансформатора 11

lUg-il lUio-il U26 (

R13

R12 + Ri3

-) + 0,8

W26 W2g

U27

(Ulo-2 + Uio-i

R15 HQ81 W27

Ri4-bRi5 J W3o

где Ug-1, Uio-i - напряжения между верхними выводами и отводами обмоток 9 и 10 трансформатора 11;

Ug-2, U10-2 - напряжения между отводами и нижними выводами обмоток 9 и 10 трансформатора 11;

Л/2б - Л/зо - числа витков обмоток 26 - 30 трансформатора 28;

Ri2 Ris - сопротивления резисторов

12-15;

U26, U27 - напряжения на обмотках 26 и 27 трансформатора 28.

Кроме того, числа витков обмоток 29 и 30 выбираются такими, чтобы сердечник

трансформатора 28 при всех условиях пере-, магничивался в линейном режиме по частному циклу без захода в область насыщения, т.е. рабочая индукция в сердечнике должна быть меньше индукции насыщения, несмотря на несимметричный режим перемагничи- вания, что может достигаться, например, при использовании воздушного зазора или при использовании сердечника с высоким значением индукции насыщения (например

из молибденового пермаллоя). Диод 32 находится в непроводящем состоянии, потому что отрицательное напряжение на его аноде Ua32 превышает по абсолютной величине отрицательное напряжение на катоде UK32 (относительно эмиттера транзистора 4).

R15

--Ua32 (U10-1 Rl5

U35 +

35

+ U36) l i -UK32| I-(U30-U10-2) 1

HU30-U9-2) l h U9-2+Ug-l

R13

--f

Ri2 +Ri3

+ Us63-Ug-2 I 1 -Ug-1

Ris

Ri2 +Ris

иэбз

0,8;

так как Узз + U34 1,4 Убэз

Ri2 Rn; Ris Ris,

где Узз - Use - падения напряжений на про- водящих диодах 33 - 36;

USD напряжение на обмотке 30 трансформатора 28;

ибэз - падение напряжения на эмиттер- ном переходе открытого транзистора 3, (все применяемые диоды кремниевые, с падением напряжения в проводящем состоянии около 0,7 В).

В следующий такт происходит перемена полярностей напряжений на обмотках трансформатора 11 на противоположные (полярности в скобках). Транзистор 3, имеющий больше быстродействие, закрывается раньше транзистора 1 через резисторы 12 и 13 и разрывает цепь эмиттера транзистора 1. Диоды 33 и 34 переходят в проводящее состояние и ограничивают величину обратного напряжения, прикладываемого к эмиттерному переходу транзистора 3. Диод 20 запирается, а транзистор 18 открывается отрицательным относительно своего эмиттера напряжением, и база транзистора 1 оказывается подключенной через силовые электроды открытого транзистора 18 и диод 22 к средней точке последовательно соеди- ненных транзисторов полумостовой схемы. Транзистор 1 форсированно запирается через свой база-коллекторный переход и проводящий транзистор 18, причем благодаря разорванной цепи эмиттера транзистора 1 процесс запирания происходит в безопасном режиме, исключающем вторичный пробой. К транзистору 2 через резистор 17 и проводящий диод 21 прикладывается отпирающее напряжение, однако он остается в запертом состоянии до полного запирания транзистора 1, так как к транзистору 4 прикладывается запирающее напряжение относительно эмиттера с нижней относительно отвода части обмотки 10 трансфер- матора 11 и проводящий диод 32, При этом падение напряжения на обмотке 30 трансформатора 28 оказывается незначительным, потому что обмотка 26 этого трансформатора шунтируется через прово- дящий диод 24, открытый транзистор 18 и проводящий диод 22. После окончания переходного процесса запирания транзистора 1 запираются диоды 24 и 22, тем самым снимая шунтирование обмотки 26 транс- форматора 28, падение напряжения на обмотке 30 этого трансформатора увеличивается, ток через обмотку определяется только величиной тока намагничивания, т.е. значительно уменьшается по величине, поэтому диод 32 перестает оказывать шунтирующее воздействие, транзистор 4 открывается через резисторы 14 и 15, а вместе с ним открывается силовой транзистор 2. В следующий полупериод процессы протекают аналогично: закрывается транзистор 4, а на время форсированного запирания по цепи коллекторного перехода транзистора 2 оказывается зашунтирован- ной обмотка 27 трансформатора 28, поэтому происходит блокирование цепи базы транзистора 3 запирающим напряжением нижней части обмотки 9 через диод 31, что препятствует протеканию сквозных токов через силовые транзисторы. При выборе в качестве диодов 22 и 23 диодов с малым падением напряжения в проводящем состоянии (например, диоды с барьером Шоттки) блокирование отпирания ранее запертого силового транзистора 1 или 2 происходит раньше запирания транзисторов 3 или 4, что исключает протекание сквозных токов.

Таким образом, обеспечение форсированного запирания в безопасном, режиме транзисторов 1 и 2 путем разрыва цепей их эмиттеров с одновременым исключением протекания сквозных токов на время их запирания позволяет повысить надежность транзисторного инвертора.

Формула изобретения Транзисторный инвертор, содержащий два конденсатора и два управляемых ключа, соединенных по полумостовой схеме, управляющий трансформатор с двумя вторичными обмотками, каждая из которых имеет промежуточный отвод и вспомогательный трансформатор с двумя первичными и двумя вторичными обмотками, причем к первому выводу каждой вторичной обмотки управляющего трансформатора подключен первым выводом первый резистор, второй вывод которого через последовательно соединенные первый диод и соответствующую первичную обмотку вспомогательного трансформатора соединен с вторым выводом вторичной обмотки управляющего трансформатора, а каждая вторичная обмотка вспомогательного трансформатора соединена последовательно с вторым диодом, образуя блокирующую цепочку, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности путем расширения области безопасной работы при выключении силовых транзисторов, каждый управляемый ключ выполнен в виде согласно последовательно соединенных силового транзистора и дополнительного транзистора , база которого через второй резистор соединена с вторым выводом первого резистора и через согласно последовательно соединенный третий и четвертый диоды с эмиттером дополнительного транзистора, соединенным с отводом вторичной обмотки управляющего трансформатора, база силового транзистора через последовательно соединенные пятый диод и третий транзистор соединена с первым выводом первого резистора, встречно параллельно пятому диоду включен база- эмиттерный переход вспомогательного транзистора, коллектор которого через шестой диод соединен с эмиттером дополнительного транзистора, а параллельно шестому диоду включена блокирующая цепочка.