Транзисторный инвертор Советский патент 1992 года по МПК H02M7/5383 

Изобретение относится к технике преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока и может быть использовано для создания источников вторичного электропитания с бестрансформа- торным входом.

Известные преимущества двухтактных преобразователей, симметрия схемы, улучшенные габаритно-массовые характеристики и высокий КПД, трудно реализуются из-за сквозных токов и замагничивания сердечника трансформатора, поэтому однотак- тные преобразователи успешно конкурируют с двухтактными, особенно для повышенных входных напряжений. Имеют- ся различные технические решения, направленные на устранение этих недостатков классического двухтактного преобразователя.

Известен преобразователь, содержа- щий конденсатор, который соединяет базы управляющих транзисторов, коллекторы которых соединены с базами силовых транзисторов. Базы управляющих транзисторов через резистор подключены к дополнитель- ной обмотке обратной связи с такой полярностью, что получается отрицательная обратная связь. По мере перезаряда конденсатора происходит переключение силовых транзисторов, время переключения выбирается таким, чтобы переключения происходили без насыщения сердечника. Недостатком этой схемы является сквозной ток во время открытого состояния обоих силовых транзисторов, несмотря на принуди- тельное переключение до достижения насыщения сердечника, сквозной ток действует на время выключения силового и управ- ляющего транзисторов. Это вынуждает использовать в преобразователе транзисто- ры с значительным запасом по максимально допустимому току.

В преобразователе, в котором в базовые цепи силовых транзисторов, включены обмотки дополнительного насыщающегося трансформатора, включение силового транзистора не происходит, пока другой силовой транзистор не включится и насыщающийся трансформатор не перейдет в насыщенное состояние. При правильном подборе режи- ма насыщающегося трансформатора эта схема работает без сквозных токов, однако насыщению сердечника трансформатора она не может препятствовать. При работе на повышенных частотах и мощностях по- стоянная составляющая индукции сердечника при приближении к насыщению все более накапливается до выхода силовых транзисторов из строя. Это заставляет делать трансформатор с большим запасом по

габаритам и работать далеко от состояния насыщения.

Наиболее близким к предлагаемому является инвертор, который содержит трансформатор, два силовых транзистора, коллекторы которых соединены с выводами первичной обмотки трансформатора, имеющий среднюю точку, подключенную к первому входному выводу, а эмиттеры объединены и через последовательно соединенные коммутирующий транзистор и ре- зисторный шунт с вторым входным выводом, база каждого силового транзистора через соответствующий резистор соединена с выводом обмотки обратной связи и через соответствующий диод к шине питания управляющей схемы, выводы обмотки обратной связи через соответствующие диоды соединены сточкой соединения коммутирующего транзистора и резистивного шунта и с выводами Общий дополнительного двухгтолярного источника напряжения, выход + которого соединен с шиной питания управляющей схемы. Эта схема содержит последовательно соединенные пороговый одновибратор,.диод. RC-фильтр, компаратор и усилитель мощности, выход которого соединен с базой коммутирующего транзистора. За с«ет форсированного запирания коммутирующего транзистора при превышении током порогового уровня этот инвертор имеет повышенную надежность и уменьшенные потери при переключении.

Однако при наличии индуктивности рассеяния первичной обмотки силового трансформатора на силовых транзисторах при переключении появляются выбросы напряжения, намного превышающие преобразуемое напряжение и выводящие транзисторы из строя, традиционные методы демпфирования,снижают КПД. Выбросы другой полярности на коллектор силового транзистора переводят его в инверсное включение, следствием чего является дополнительный разогрев. Существенным недостатком является наличие вспомогательного двухполярного источника питания: его формирование при больших преобразуемых напряжений сложно и приводит к снижению КПД.

Цель изобретения - повышение КПД и упрощение.

В инвертор, содержащий два силовых транзистора, коллекторы которых соединены с выводами первичной обмотки трансформатора, имеющей среднюю точку, подключенную к шине питания, эмиттеры - с коллектором коммутирующего транзистора, а базы - через базовые резисторы с соответствующими выводами обмотки обратной связи эти выводы через диоды цепи управления соединены с эмиттером коммутирующего транзистора, базы силовых транзисторов через запирающие диоды соединены с шиной питания схемы управления, которая соединена с входом питания усилителя мощности, выход которого соединен с базой коммутирующего транзистора, эмиттер которого через резистивный шунт подключен к другой шине питания, RC- фильтр, конденсатор шины питания схемы управления, введены два блокирующих диода, соединяющих коллекторы силовых транзисторов с соответствующими выводами первичной обмотки трансформатора, которые соединены двумя встречно-последовательно соединенными возвратными диодами, два блокирующих конденсатора, соединяющих базу одного силового транзистора с коллектором другого, два гасящих резистора, подключенных параллельно блокирующим конденсаторам, транзисторный каскад рабочего тока, выполненный по схеме ОЭ, транзисторный каскад возвратного тока, выполненный по схеме с ОБ, токовый инвертор, четыре логических элемента 21/1- НЕ, логический инвертор, D -триггер и задающий генератор.- Входы питания задающего генератора и всех логических элементов подключены к шине питания схе мы управления, которая осуществляет управление коммутирующим транзистором в зависимости от состояния рабочего и возвратного токов.

Предлагаемый инвертор имеет преимущество в меньших потерях при повышенных входных напряжениях и пониженной нагрузке, а также в отсутствии вспомогательных источников питания В отношении инверторов с задержкой включения преимущество состоит в надежности и большом допустимом входном напряжении. В отношении двухтактного инвертора с ключами, выполненными по каскадной схеме, с внешним управлением, преимущество состоит в простоте силовой части и более высоком КПД.

На фиг,1 представлена электрическая схема инвертора; на фиг.2 - электрическая схема усилителя мощности и токового инвертора; на фиг.З - временные диаграммы коммутации.

Транзисторный инвертор (фиг.1) содержит силовые транзисторы 1 и 2, трансформатор 3, имеющий первичную обмотку 4, обмотку 5 обратной связи и выходную обмотку 6, базовые резисторы 7 и 7, первые диоды 9 и 10 цепи управления, вторые запирающие диоды 11 и 12, коммутирующий транзистор 13, резистивный датчик 14 тока.

блокирующие третьи диоды 15 и 16, возвратные четвертые диоды 17 и 18, демпфирующие конденсаторы 19 и 20, гасящие резисторы 21 и 22, транзистор 23 управления, ограничительный регистр 24, измерительные резисторы 25-27, возвратный транзистор 28, RC-фильтр 29, конденсатор 30 цепи питания, задающий генератор 31, логический элемент НЕ 32, логические эле0 менты 21/1-НЕ 33-36, D-трипгер 37, усилитель 38 мощности, выполненный по схеме ТТЛ (фиг 2), токовый инвертирующий элемент 39 (токовое зеркало, фиг.2). нагрузку 40, первый вывод 41 цепи питания узла уп5 равления, шины 42 и 43, первый и второй входные выводы инвертора.

Транзисторы 1 и 2 и трансформатор 3 соединены по двухтактной схеме с нулевым выводом, базы транзисторов 1 и 2 соедине0 ны через резистор 7, обмотку 5 обратной связи м резистор 8, коллекторы через третьи диоды 15 и 16 - с соответствующими выводами обмотки 4, а эмиттеры подключены к выходу усилителя 38, эмиттер транзистора

5 13 через резистивный датчик 14 тока - к общей шине 42 и базе управляющего транзистора 23, эмиттер которого подключен к шине 42, а коллектор через ограничительный резистор 24 - к первому входному вы0 воду инвертора 41. Возвратный транзистор 28 включен по схеме с общей базой, в коллекторной цепи - два последовательно соединенных резистора 25 и 26, в эмиттерной - рези5 стор 27, эмиттер возвратного транзистора 28 подключен к точке соединения анодов четвертых диодов 17 и 18, катоды которых подключены к соответствующим выводам обмотки 4, инвертор снабжен цепями поло0 жительной обратной связи коллектор силового транзистора 1 через демпфирующий конденсатор 19 и гасящий резистор 21 соединен с базой транзистора 2, его коллектор через конденсатор 20 и гасящий резистор 22

5 соединен с базой транзистора 1.

Базы транзисторов 1 и 2 соединены также через вторые диоды 11,12 с шиной 41 питания, выводы обмотки 5 через первые диоды 9 и 10 - с эмиттером транзистора 13

0 К шинам 41 и 42 питания подключены конденсатор 30, задающий генератор 31 и все логические элементы 32-39, выход задающего генератора 31 соединен с входом элемента 33 и через последовательно

5 соединенные элемент 32 и RC-фильтр 29 с другим входом элемента 33, выход которого соединен с входом элемента 34, другой вход которого подключен к коллектору управляющего транзистора 23, выход которого подключен к шине 41 питания, С-вход - к точке

соединения резисторов 25 и 26. а выход соединен с входом элемента 35, другой вход которого подключен к выходу элемента 33, а выход соединен с входом элемента 36, другой вход которого подключен к коллектору управляющего транзистора 23, а выход соединен с входом усилителя 38, другой выход которого соединен с входом токового инвертора 39, выход которого соединен с эмиттером транзистора 13.

Инвертор работает следующим образом.

При подяие первичного питания на шины 42 и 43 независимо от скорости нарастания питающего напряжения происходит заряд конденсатора 30 от шины 43 через обмотку 4, диоды 15 и 16, резисторы 21 и 22, диоды 11 и 12, при этом при малой величине напряжения потребление тока логическими элементами (при использовании элементов КМОП) очень мало. При достижении достаточного потенциала на шине 41 питания начинает работать задающий генератор 31, который выдает на выходе импульсную последовательность, которая, поступая на один вход элемента 33 без задержки, а на другой вход с задержкой, образует на выходе этого элемента короткие импульсы (диаграмма 45).

Пройдя через элемент 34, эти импульсы инвертируются и обнуляют триггер 37, который своим инверсным выходом снимает сигнал с элемента 35, переводя его в режим инвертирования сигнала элемента 33, который, проходя еще через два инвертирующих элемента 36 и 38, включает транзистор 13. Таким образом подается питание на силовую двухтактную схему с нулевым выходом, снабженную двумя положительными обратными связями: через обмотку 5 и резисторы 7 и 8, а также через конденсаторы и резисторы 19-22.

В результате схема переходит в одно из двух устойчивых состояний, когда один из транзисторов 1 и 2 открыт, а другой закрыт, это состояние продолжается во время действия включающего импульса на базе транзистора 13, в это время происходит увеличение тока через одну из половин обмотки 4 с соответствующим накоплением энергии в трансформаторе 3. После окончания импульса на базе транзистора 13 цепь питания двухтактной силовой схемы разрывается, ток через обмотку 4 резко уменьшается и полярность напряжения на всех обмотках трансформатора меняется на противоположную, в результате этого в управляющем контуре, состоящем из перехода Э-Б транзистора 1, резистора 7, обмотки 5, резистора 8 и перехода Э-Б транзистора 2

возникает ток с противоположным направлением току, который протекая до выключения транзистора 13.

Этот ток включает ранее выключенный

транзистор 1 или 2 и выключает ранее включенный, при очередном включении транзистора 13 процесс повторяется с включением другой половины обмотки 4. Одновременно с этим переключением напряжение на од0 ном из коллекторов транзисторов 1 и 2 увеличивается, на другом уменьшается, При увеличении напряжения на коллекторе транзистора через конденсатор 19 или 20 протекает ток на базу другого транзистора

5 и через диод 11 или 12 на шину 41 питания, таким образом осуществляется усиление положительной обратной связи и утилизация энергии демпфирования.

Работа инвертора происходит г. боль0 шой скважностью, равной отношению периода генератора 31 к времени RC-цепи, демпфируемая энергия в этом случае мала. При уменьшении напряжения на коллекторе транзистора через один из диодов 15 и 16

5 и один из конденсаторов 19 и 20 на базу другого транзистора протекает дополнительный к управляющему запирающий ток. после закрывания диода 15 и 16 потенциал вывода обмотки 4 еще уменьшается и начи0 нает протекать ток через диод 17 или 18. Этот возвратный ток протекает от шины 42 через переход Э-Б транзистора 28, диод 17 или 18, половину обмотки 4 на шину 43 и возвращает накопленную энергию транс5 форматора 3 в первичный источник питания. При малой скважности работы возвратный ток также мал.

Пусть при очередном переключении (момент to на фиг.З) элемент 33 выключает0 ся, его сигнал через элементы 35,36 и 38 поступает на базу транзистора 13, он выключается через время, равное сумме задержек распространения сигнала элементов 35,36,38 и 13 (момент ti). В этот

5 момент происходит переключение и возникает возвратный ток по диаграмме 46 (сплошная линия), который прекращается в момент t2, когда энергия, запасенная в трансформаторе, полностью перейдет в

0 первичный источник, при этрм транзистор 28 закрывается, на входе стробирования триггера 37 устанавливается высокий уровень, и триггер перебрасывается в состояние с низким уровнем на выходе,

5 включающем через элементы 36,35 и 38 транзистор 13.

Таким образом, в интервале ti -12 транзистор 13 выключен, в интервале от t2 до ti следующего цикла включен, диаграмма 47 (сплошная линия) показывает сигнал на базе транзистора 13, управляющий переключениями схемы, Эти переключения вызывают изменения напряжения на обмотках трансформатора, диаграмма 48 показывает напряжение на одном из выводов обмотки 4, напряжение на другом выводе получается сдвигом на половину периода.

При включении транзистора 13 через шуит 14 протекает ток, равный току через обмотку 4, так как базовый ток транзисторов 1 и 2 компенсируется подсоединением диодов 9 и 10 к эмиттеру транзистора 13,его базовый ток отводится на общую шину через инвертор 39 тока, который выполнен функцию задания величины тока на нулевом уровне потенциала гго величине Дру- гом уровне. При превышении величины тока через резистивный датчик 14 тока транзистор 23 открывается, сигнал о превышении рабочего тока поступает на вход элемента 34 и аналогично сигналу с элемента 33 выключает транзистор 13.

Сигнал о превышении тока заведен так- же на вход элемента 36, во время прохождения сигнала через элементы 34,37 и 35 с запоминанием превышения в триггере включение транзистора 13 происходит по укороченному пуги - через элементы 36 и 38. Превышение рабочего тока может произойти либо при малом сопротивлении нагрузки 40, либо из-за насыщения сердечника трансформатора, например, при несимметрии схемы или воздействии электромагнитного импульса на схему.

В первом случае после включения транзистора 13 в момент t3 превышение тока происходит практически сразу и через небольшое время задержки элементов 23,36 и 38 транзистор 13 выключается (диаграмма 49 показывает в этом случае сигнал на базе транзистора 13), при этом возвратный ток определяется индуктивностью рассеивания обмотки 4 и мал по величине, сопротивление резистора 27 выбирается таким, чтобы возвратный ток не приводил к включению транзистора 28.

Во втором случае превышение тока происходит в конце интервала времени с включенным состоянием транзистора 13 (на диаграммах 46 и 47 пунктирная линия), в результате намагничивание сердечника трансформатора в направлении, близком к насыщению, укорачивается по времени, а- намагничивэние в противоположном направлении удлиняется, таким образом, осуществляется регулирование намагничивания.

Введение токового инвертора и блокирующих конденсаторов позволяет устранить из схемы вспомогательные источники

питания, что упрощает инвертор и повышает надежность. Наличие задающего генератора и работа на постоянной частоте дают возможность максимально использовать ча- 5 стотные свойства силовых транзисторов, т.е. улучшить габаритно-массовые характеристики. При подключении нагрузки 40 при достаточно большом токе нагрузки ток запирания через диоды 1 f и 12 пропорционален

0 току нагрузки, этим достигается пропорциональное токовое управление транзистором 13. Схема утилизации возвратного тока в первичную сеть питания и управление этой схемой.дает возможность работать в широ5 ком диапазоне нагрузок с большим КПД, а в сочетании с остальным введенными элементами регулировать намагничивание сердечника трансформатора и исключить превышение максимально допустимых ре0 жимов силовых элементов.

Пргимущества предлагаемого инвертора особенно проявляются при высоком входной напряжений. Макетирование инвертора мощностью 200 Вт при входном на5 тфяженш 300 В на частоте 150 кГц на транзисторах КТ 859, диодах КД 212 позволяет достичь объема 0,1 дм3 и массы 0,3 кг при КПД преобразования 0,85, что не может быть получено известными схемами.

0

Ф о р м у л а и з о б р ете н и я

Транзисторный инвертор, содержащий силовой трансформатор, первичная обмот5 ка которого отводом от средней точки соединена с первым входным выводом инвертора, а крайними выводами связана с коллекторами силовых транзистороб, обмотка обратной связи каждым выводом со0 единена через базовый резистор с базой соответствующего силового транзистора и через первый диод - с первым выводом ре- зистивного датчика тока, ёторой выводкото- рого соединен с вторым входным выводом

5 инвертора коммутирующий транзистор, соединенный эмиттером с первым выводом резистивного датчика тока, а коллектором - с объединенными эмиттерами силовых транзисторов, база каждого из которых че0 рез соответствующий второй диод соединена с первым выводом цепи питания узла управления, причем второй вывод этой цепи объединен с вторым входным выводом инвертора, и RC-фильтр, отличающийся

5 тем, что, с целью повышения КПД и упрощения, связь каждого крайнего вывода первичной обмотки силового трансформатора с коллектором соответствующего силового транзистора выполнена через согласно-по- следовате/ ьно включенный введенный третий диод, между коллектором каждого силового транзистора одного плеча инвертора и базой силового транзистора другого плеча инвертора включен введенный демпфирующий конденсатор, шунтированный введен- ным гасящим резистором, введен узел возвратного тока, состоящий из двух четвертых диодов, соединенных первыми выводами с крайними выводами первичной обмотки силового трансформатора, а вторы- ми выводами с эмиттером возвратного транзистора, коллектор которого через последовательно соединенные первый и второй измерительные резисторы подключен к первому выводу цепи питания узла управления, а база подключена к второму входному выводу инвертора, при этом узел управления состоит из задающего гейерато- ра, D-триггера, логического элемента НЕ, первого, второго. третьего и четвертого ло- гического элемента 2И-НЕ, усилителя мощности, токового инвертирующего элемента и управляющего транзистора, причем выход задающего генератора соединен с входом логического элемента НЕ и первым входом первого логического элемента 2И-НЕ, второй вход которого соединен с выходом RC- фильтра, подключенного входом к выходу

логического элемента НЕ, выход первого логического элемента 2И-НЕ соединен с первыми входами второго и третьего логических элементов 2И-НЕ, второй вход третьего логического элемента 2И-НЕ подключен к выходу D-триггера, вход стробиро- вания которого подключен к точке соединения первого и второго измерительных резисторов, вход данных - к первому выводу цепи питания узла управления, а вход обнуления - к выходу второго логического элемента 2И-НЕ, второй вход которого подключен к коллектору управляющего транзистора и первому входу четвертого логического элемента 2И-НЕ, второй вход которого подключен к выходу третьего логического элемента 2И-НЁ, а выход соединен с входом усилителя мощности, первый выход которого соединен с базой коммутирующего транзистора, а второй выход через токовый инвертирующий элемент соединен с эмиттером коммутирующего транзистора и базой управляющего транзистора, соединенного эмиттером с вторым входным выводом инвертора, а коллектором.через ограничительный резистор - с первым выводом цепи питания узла управления.

Фиг. 2

49

&аг.:3

и

1

Jl