Двухтактный инвертор Советский патент 1992 года по МПК H02M7/538 

1

J

Д А#

Использование: преобразование напряжения в переменное. Сущность изобретения: коммутационные конд-ры 14. 15, перезаряжаясь в последовательном соединении через диод 16 (17) и база-эмиттерный переход одного из дополнительных транзисторов 21 (20), обеспечивают задержку нарастания напряжения на закрывающемся силовом транзисторе 3 (4). При этом открытый дополнительный транзистор 21 (20) шунтирует база-эмиттерный переход силового транзистора 4 (3) другого плеча. Вследствие этого уменьшаются динамические потери мощности при выключении силового транзистора 3 (4) и исключается перекрытие процессов при их переключении. 3 з.п.ф-лы, 4 ил Г // сл

Фиг /

N о

ел о

ю

fe:

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры, преобразователях индукционных нагревательных установок.

Известен инвертор, содержащий трансформатор, первичная обмотка которого средней точкой соединена с первым входным выводом, а крайними точками к коллекторам силовых транзисторов, шунти- рованных обратными диодами и эмиттерами, подключенных к второму входному выводу, а обмотка обратной связи через то- коограничивающий резистор включена между базовыми выводами силовых транзи- сторов. Между крайними выводами первичной обмотки трансформатора включен конденсатор, к обмоткам которого подсоединены два противолежащих вывода диод- но-конденсаторного моста. Каждый из двух других противолежащих выводов моста связан с базовыми выводами силовых транзисторов через запирающие диодные цепи.

В устройстве при коммутации силовых транзисторов часть тока намагничивания трансформатора, протекает через запирающие цепи, удерживает силовые транзисторы в закрытом состоянии во время перезаряда конденсатора, подключенного к крайним выводам первичной обмотки, что снижает скорость изменения напряжения на обмотках трансформатора и транзисторах и устраняет коммутационные перенапряжения. Для нормальной работы устройства необходимо, чтобы часть тока намагничивания, протекающая через запирающие цепи, по величине превышала базовый ток открывающегося транзистора Для выполнения этого требования необходимо увеличивать ток намагничивания трансфер- матора или ограничивать базовый ток силовых транзисторов, а следовательно и диапазон нагрузки, что сужает область применения инвертора.

Известен также высоковольтный высо- кочастотный преобразователь напряжения, выполненный по схеме двухтактного инвертора со средней точкой трансформатора, содержащий силовые транзисторы, трансформатор, формирователь импульсов, логические элементы И, компараторы, дрос- сель,диоды, делитель напряжения.

В преобразователе с помощью компа- рат,оров измеряется напряжение на силовых транзисторах, и при коммутации открытие силовых транзисторов осуществляется при снижении напряжения на них ниже порогового. Наиболее эффективно применение устройства в высоковольтных преобразователях, трансформаторы которых характеризуются большой величиной емкости вторичной обмотки. При коэффициенте трансформации выходного трансформатора, близком к единице, и понижающих трансформаторах скорость изменения напряжения на транзисторах высокая, что обуславливает коммутационные перенапряжения и высокий уровень электромагнитных помех.

Наиболее близким техническим решением является транзисторный преобразователь постоянного напряжения, содержащий выходной трансформатор, имеющий первичную, выходную и базовые обмотки; силовые транзисторы, у которых коллекторы подключены к крайним выводам первичной обмотки, а эмиттеры подсоединены к минусовой клемме источника питания, дополнительный выпрямитель, включенный между базовыми обмотками и одним из входов узла запрета, второй вход которого подключен к генератору тактовых импульсов; усилитель, управляющим входом подключенный к выходу узла запрета и одним выводом к плюсовой шине питания; две RCD-цепочки, включенные между вторым выводом усилителя и базовыми выводами силовых транзисторов, два согласующих транзистора, зашунтированные встречными диодами, при этом базы транзисторов подключены к выходам генератора, а коллекторы - к точкам соединения резисторов и конденсаторов RCD-цепочек, два дополнительных транзистора, у которых коллекторы подсоединены к базам, а эмиттеры - к общей точек соединения эмиттеров силовых транзисторов и базы подключены к катодам пороговых элементов RCD-цепочек, RC-фильтр, один вывод которого подсоединен к минусовой клемме питания, а второй вывод через вспомогательный выпрямитель подключен к базовым обмоткам выходного трансформатора, коммутирующий конденсатор, подключенный к крайним выводам первичной обмотки выходного трансформатора; два развязывающих диода, анодами подключенные к точке соединения резистора и по- рогового элемента RD-цепочек, а катодами - к коллекторам силовых транзисторов; выходной выпрямитель с емкостным фильтром.

В устройстве при коммутации база- эмиттерные переходы силовых транзисторов шунтируются дополнительными транзисторами на время перезаряда конденсатора, подключенного к крайним выво- дам первичной обмотки выходного трансформатора Закрытие дополнительных транзисторов происходит при снижении напряжения на силовых транзисторах.

При этом необходимо, чтобы момент запирания дополнительного транзистора совпадал с окончанием перезаряда коммутирующего конденсатора, когда напряжение на силовом транзисторе снижается до нуля. В противном случае происходит доза- ряд коммутирующего конденсатора через открывающийся силовой транзистор, что вызывает увеличение его загрузки по току. Для исключения этого явления требуется тщательный индивидуальный подбор резисторов и пороговых элементов. Однако вследствие изменения параметров элементов в зависимости от изменения рабочей температуры и временного старения, происходит смещение рабочей точки из области первоначальной настройки преобразователя и, следовательно, увеличение динамических потерь при включении силовых транзисторов.

Цель изобретения - повышение КПД и надежности путем уменьшения динамических потерь мощности в силовых транзисторах при их включении.

Цель достигается тем, что в двухтактный инвертор, содержащий выходной трансформатор, первичная обмотка которого отводом от средней точки соединена с первым выходным выводом инвертора, а крайними выводами подключена к коллекторам силовых транзисторов, эмиттеры которых объединены и соединены с вторым входным выводом инвертора, первый коммутационный конденсатор, подключенный первым выводом к коллектору первого силового транзистора, два дополнительных транзистора, каждый из которых коллектором подключен к базе соответствующего силового транзистора и шунтирован по цепи база- эмиттер первым резистором, и блок управления, парафазные выходы которого соединены с базами силовых транзисторов, введен второй коммутационный конденсатор, подключенный первым выводом к коллектору второго силового транзистора, второй вывод каждого коммутационного конденсатора соединен с эмиттером соответствующего дополнительного транзистора и через соответствующий введенный диод- с эмиттерами силовых транзисторов, с которыми связаны базы дополнительных транзисторов.

Кроме того, указанная связь баз дополнительных транзисторов с эмиттерами силовых транзисторов выполнена непосредственно.

Кроме того, указанная связь баз каждого из дополнительных транзисторов с эмиттерами силовых транзисторов выполнена через введенный второй резистор, а параллельно каждому диоду включен введенный пороговый элемент.

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого двухтактного инвертора; на фиг. 2 временные диаграммы, поясняющие его работу; на фиг. 3 и 4.- схемы инвертора.

Двухтактный инвертор (фиг. 1) содержит выходной трансформатор 1, первичная обмотка 2 которого крайними выводами под0 соединена к коллекторам силовых транзисторов 3 и 4, эмиттерами через датчик 5 тока подключенных к минусовой клемме источника 6 питания. Средняя точка первичной обмотки 2 через узел 7 коммута5 ции и дроссель 8, шунтированный диодом 9, соединена с плюсовой клеммой 6 питания. К вторичной обмотке 10 выходного трансформатора 1 подключена активно-индуктивная нагрузка 11.

0 Параллельно силовым транзисторам 3 и 4 подсоединены встречные диоды 12 и 13 и конденсаторы 14 и 15 через диоды 16 и 17. Параллельно диодам 16 и 17 подключены резисторы 18 и 19 и база-эмиттерные пере5 ходы дополнительных транзисторов 20 и 21, коллекторные выводы которых соединены с базовыми выводами силовых транзисторов 3 и 4.

Выходы узла 22 управления, питание

0 которого осуществляется от источника 6, подключены к управляющему входу узла 7 коммутации и через токоограничительные резисторы 23 и 24 к базовым выводам силовых транзисторов 3 и 4.

5В двухтактном инверторе (фиг. 3) параллельно диода 16 и 17 подсоединены пороговые элементы 26 и 27, а база-эмиттерные переходы транзисторов 20 и 21, шунтированные резисторами 18 и 19, включены па0 раллельно диодам 16 и 17 через резисторы 28 и 29.

В инверторе (фиг. 4) параллельно первичной обмотке 2 выходного трансформатора 1 подсоединен дроссель 25.

5 Двухтактный инвертор работает следующим образом.

При подключении источника 6 питания подается напряжение на узел 22 управления, который запускается и после выхода на

0 режим вырабатывает импульс управления узлом 7 коммутации, подключающим питание к средней точке первичной обмотки 2 выходного трансформатора 1. Ток заряда одного из конденсаторов 14 или 15, под5 ключенного параллельно закрытому в этот момент силовому транзистору, ограничивается дросселем 8.

Временные диаграммы переключения силовых транзисторов инвертора приведены на фиг. 2. Узел 22 управления вырабатывает импульсы управления силовыми транзисторами 3 и 4 УупрЗ и Uynp4 (фиг, 2а, б), сдвинутые между собой на 180 эл.град. с задержкой ti-t2, t4-ts, равной времени выключения силовых транзисторов.

Предположим, что в исходном состоянии, до момента времени tt, открыт силовой транзистор 4 (фиг. 2з). К секции 2.2 первичной обмотки 2 выходного трансформатора 1 приложено напряжение питания (полярность напряжения на фиг. 1 показана без скобок). Конденсатор 14 заряжен до двойного напряжения питания (фиг. 2д), а конденсатор 15 разряжен {фиг. 2е). Транзисторы 20 и 21 закрыты, так как их база-эмиттерные переходы шунтированы резисторами 18 и 19. .

В момент времени ti снимается открывающий сигнал с управляющего входа транзистора 4(фиг. 26). Транзистор 4 закрывается, и ток в нем на интервале времени выключения транзистора спадает до нуля (время рассасывания не учитывается). Ток первичной обмотки 2 трансформатора 1, равный сумме приведенного тока нагрузки (фиг. 2ж) и тока намагничивания (фиг. 2м), замыкается по следующей цепи: конец секции 2.2 - конденсатор 15 - диод 17 - база- эмиттерный переход транзистора 20 - конденсатор 14 - начало секции 2.1. При этом конденсатор 15 заряжается (фиг. 2е), а конденсатор 14 заряжается (фиг. 2д), напряжение на обмотках трансформатора 1 изме- няется в соответствии с изменением напряжения на конденсаторах 14 и 15. Так как ток разряда конденсатора 14 протекает через база-эмиттерный переход транзистора 20 (фиг. 2к), последний открывается и шунтирует база-эмиттерный переход транзистора силового транзистора 3 (фиг. 2в). Таким образом силовой транзистор 3 остается закрытым до конца перезаряда конденсаторов 14 и 15 (интервал времени t2-ts).

Напряжение на транзисторе 4 (фиг. 2з) возрастает в соответствии с напряжением на конденсаторе 15 (фиг. 2е). Выбором соответствующей емкости конденсатора 14 и 15 обеспечивается безопасная траектория выключения силовых транзисторов.

К моменту времени t3-конденсатор 15 заряжается до двойного напряжения питания (фиг. 2е, полярность в скобках), а конденсатор 14 разряжается до нуля (фиг. 2д). Ток чере.з база-эмиттерный переход транзистора 20 прекращается, последний закрывается, а силовой транзистор 3 открывается (фиг. 2в, и). При этом открытие транзистора происходит при нулевом напряжении на нем, чем обеспечивается безопасная траектория включения силовых транзисторов В

интервале времени силовой транзистор 3 открыт, к секции 2.1 первичной обмотки трансформатора 1 приложено напряжение питания (полярность в скобках).

В момент времени t4 снимается открывающий сигнал с управляющего входа силового транзистора 3 (фиг. 2а). Транзистор 3 закрывается, и ток в нем в интервале времени спадает до нуля (фиг. 2и). Ток первичной обмотки 2 трансформатора 1 замыкается по цепи: начало секции 2.1 - конденсатор 14 - диод 16 - база-эмиттерный переход транзистора 21 - конденсатор

15-конец секции 2.2. При этом конденсатор 15 разряжается (фиг. 2е), а конденсатор 14 заряжается (фиг. 2д).

Так как ток разряда конденсатора 15 протекает через база-эмиттерный переход

транзистора 21 (фиг. 2л), последний открывается и шунтирует управляющий переход силового транзистора 4 (фиг. 2г). Таким образом транзистор 4 остается в закрытом состоянии на время перезаряда конденсаторов 14 и 15 в интервале времени .

В момент времени te транзистор 4 открывается (фиг. 2г, з), к секции 2.2 первичной обмотки трансформатора 1 прикладывается напряжение питания (полярность без скобок).,

В момент времени t -снимается открывающий сигнал с управляющего входа транзистора 4, и процессы в устройстве повторяются.

При нагрузке узел 22 управления по сигналу с датчика 5 тока снимает открывающие сигналы с управляющих входов транзисторов 3 и 4 и размыкает ключевой элемент 7.

Дроссель 7 ограничивает нарастание тока на время срабатывания защиты.

В инверторе (фиг. 1) в интервалах времени ti-ta, t4-te (фиг. 2) приведенный к первичной обмотке 2 ток протекает через

база-эмиттерные переходы транзисторов 20 и 21. В низковольтных мощных преобразователях значение этого тока может быть больше максимального допустимого тока базы.

В инверторе (фиг. 3) в цепи разряда конденсаторов 14 и 15 включены пороговые элементы 26 и 27, состоящие, например, из последовательно соединенных диодов. Падение напряжения на элементах 26 и 28 в

интервалах времени , t4-te через резисторы 28 и 29 прикладывается к база-эмит- терным переходам транзисторов 20 и 21, Выбором напряжения пороговых элементов 26 и 27 и резисторов 28 и 29 обеспечиваются номинальные режимы транзисторов 20 и 21

При отключенной нагрузке инвертора перезаряд конденсаторов 14 и 15 осуществляется током намагничивания трансформатора 1 (фиг. 2м). Если используется серийный трансформатор с током намагничивания, недостаточным для перезаряда конденсаторов 14 и 15, параллельно первичной обмотке трансформатора 1 подсоединяется дроссель 25 (фиг. 4).

В предлагаемом двухтактном инверторе закрытие дополнительных транзисторов, шунтирующих база-эмиттерные переходы силовых транзисторов, происходит в момент прекращения тока перезаряда коммутационных конденсаторов, соответствующий моменту окончания их перезаряда и снижению до нуля напряжения на открывающемся транзисторе. При этом отсутствуют цепи, измеряющие напряжение на коллектор-эмиттерных переходах силовых транзисторов и требующие тщательного подбора элементов, что по сравнению с известным, повышает КПД и надежность устройства.

Формула изобретения

и блок управления, парафазные выходы которого соединены с базами силовых транзисторов, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД и надежности путем уменьшения динамических потерь мощности в силовых транзисторах при их включении, введен второй коммутационный конденсатор, подключенный первым выводом к коллектору второго силового транзистора, второй вывод каждого коммутационного

конденсатора соединен с эмиттером соответствующего дополнительного транзистора и через соответствующий введенный диод - с эмиттерами силовых транзисторов, с которыми связаны базы дополнительных

транзисторов.

введенный второй резистор, а параллельно каждому диоду включен введенный пороговый элемент.

t, 4 /з

М) I/гЧ

Фиг. 2

0

I