Двухтактный стабилизированный инвертор Советский патент 1980 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может бьпь использовано во вторичных источниках электропитания для преобразования постоянного напряжения в переме ное или в постоянное напряжение дру гого уровня. Известны двухтактные стабилизиро ные инверторы, содержащие выходной трансформатор, силовые управляемые ключи, выходкой выпрямитель с емкос ным фильтром и дроссель фильтра, включенный последовательно в цепь питания инвертора 1. Недостаток данного инвертора сос ит в увеличенных габаритах конденсатора и дросселя фильтра, так как энергия в нагрузку поступает прерывисто, а сердечник дросселя подмагн чивается постоянным потребляющим током инвертора. Известен также двухтактный стаби лизированный инвертор, в котором г дроссель фильтра включен в цепь переменного тока последовательно с первичной обмоткой выходного трансформатора. Благодаря этому энергия в нагрузку поступает непрерывно, отсутствует подмагничивание сердечника дросселя и габариты фильтра уменьшены. Для управления силовыми ключами в этом инверторе использован компаратор, а измерительный орган выполнен в виде преобразователя выходного напряжения в частоту 12. Недостатком данного инвертора является отсутствие ограничения тока силовых ключей, что приводит к снижению КПД при переменной нагрузке инвертора. Цель изобретения - повышение КПД, надежности путем ограничения тока , силовых ключей на, заданном уровне и улучшение качества стабилизации. Это достигается тем, что в двухтактном стабилизированном инверторе, содержащем выходной трансформатор, первичная обмотка которого через дроссель фильтра подключена к входным питакадим выводам с помощью силовых управляемых ключей, шунтированных возвратными диодами, а вторичная обмотка подключена через выпрямитель к выходным выводам инвертора, шунтированным конденсатором фильтра, и блок управления с компаратором, один вход которого соединен с источником опорного управляющего напряжения, а другой вход соединен с выходом измерительного органа, измерительный орган снабжен датчиком тока, включенным в питающую цепь инв тора. Блок управления может быть выполнен с независимым управлением силовыми ключами через триггер и логические схемы И, а также с самовозбуждением силовых ключей и синхронизацией через запирающие транзисторы-, соединенные по цепи управления с выходом компаратора. При этом самовозбуждение обеспечивается либо дополнительными обмотками на дросселе и трансформаторе, либо с помощью перекрестных резистивных связей. На фиг. 1 показан вариант предложенной,схемы с независимым возбуждением; на фиг, 2 и 3 - варианты с самовозбуждением. В инверторе (см. фиг. I) между питающими выводами 1 и 2 через датчи тока 3 включены параллельно две цепи, каждая из которых содержит соединенные последовательно первичную обмотку 4(5) выходного трансформатора б, обмотку 7(8) дросселя 9 и силовой клич 10(11), шунтированный диодом 12(13). Управляющий электрод силового клю ча 10(11) через согласующий каскад 14(15) соединен с выходом логической схемы И 16(17) . Первые входы схемы 16 и 17 соединены а выходами триггера 18, а их вторые входы соединены со счетным входом триггера. Счетный вход триггера 18 через со ласующий каскад 19 подключен к выход компаратора 20, один вход которого соединен с выходом датчика тока 3, а другой BXOJT - с ВЕЛходом источника 21 опорного сигнала. На вторичной стороне трансформато ра 6 нагрузки 22 шунтирована конденсатором 23 и подключена ко вторичной обмотке 24 через выпрямитель 25. Двухтактный стабилизированный инвертор работает следующим образом. В установившемся режиме работы конденсатор 23 фильтра заряжен, и поэтому напряжения на обмотках транс форматора 6 имеют прямоугольную форму. Пусть сигналом с выхода О триггера 18 открыт силовой ключ 10. К первой обмотке дросселя 9 (обмотке7) пр этом приложено постоянное напряжение, равное разности между напряжением питания и неизменным во времени напряжением на первичной обмотке 4 трансформатора 6, При постоянст ве напряжения на обмотке 7 дросселя 9 ток, потребляемый от источника питания и передаваемый через трансформатор в нагрузку, нарастает .по линей ному закону. В тот момент, когда на выходе дат чика тока 3 сигнал, пропорциональный току, достигнет рначения, задаваемог на второй вход компаратора 20 источНИКОМ 21 опорного сигнала, на выходе компаратора появится сигнал которым триггер 1& перебросится в состояние, противоположное начальному. Переброс триггера 18 вызывает исчезновение сигнала, поддерживающего ключ 10 в открытом состоянии, и через время, определяемое инерционностью ключа, прекратится протекание тока через него. Пока происходит запирание силового ключа 10, на выходе компаратора, а следовательно, и на счетном выходе триггера присутствует сигнал. Если, например, переброс триггера осуществляется сигналом на счетном входе, то сигнал отпирания на силовой ключ 11 с выхода Q триггера 18 не проходит через схему 17 и согласующий каскад 15. Благодаря этому предотвращается одновременность работы в открытом состоянии силовых ключей 10 и 11. После запирания ключа 10 происходит передача энергии, накопленной в дросселе 9 в нагрузку, что вызывает протекание тока через диод 13, обмотку 8 дросселя 9 и обмотку 5 трансформатора б. При этом ток, передаваемый в нагрузку, спадает по линейному закону. Направление тока через датчик 3 во время передачи энергии из дросселя в нагрузку изменяется яа противоположное, что вызывает исчезновение сигнала с выхода компа ратора, а значит и исчезновение на входе триггера 18, т, е. на его счетном входе появляется сигнал . С этого момента времени разрешается прохождение отпирающего сигнала через схему 17 и согласующий каскад 15 на управляющий электрод силового ключа 11. В тот момент, когда ток обмотки 8 дросселя 9 спо1детдо нуля, т. е. из дросселя полностью выводится энергия, происходит изменение полярности напряжения на обмотках трансформатора б, и от источника питания снова начинает потребляться ток, который протекает через соединенные последовательного обмотку 5 трансформатора б, обмотку 8 и ключ 11 и нарастает по линейному ;закону. Далее процессы происходят аналогично первому такту. В инверторе (см, фиг, 2) трансформатор б содержи дополнительную обмотку 26, а дроссель 9 - дополнительную обмотку 27, Обмотки 26 и 27 трансформатор б дросселя 9 соединены последовательно, причем свободный вывод обмотки 27 через токоограничивающий резистор 28 связан с управляющим электродом первого силового ключа 10, а свободный вывод обмотки 26 через токоограничиваюиий резистор 29 связан с управпяющим электродом второго силового ключа 11.

Входные цепи силовых ключей 10 и И шунтированы диодами 30 и 31.

Управляющий электрод первого силовогр ключа 10 через ключ цепи запирания, образованный соединенными последовательно диодом 32, коллекторно-эмиттерной цепью транзистора 33 и токоограничивакхцим резистором 34, подключен к шине 35, потенциал которо является запирающим по отношению к электродам управления силовых ключей .10 и 11. Управляющий электрод второго силового ключа. 11 подключен к шине 35 через ключ цепи , образованный соединенными последовательно диодом 36, коллекторно-эмиттерной цепью транзистора 33- и токоограничивающим резистором 34.

Шина 35 запирающего смещения связана с выходами цепи, образованной соединенными последовательно обмотками 26 и 27, через диоды 37 и 38, Между шиной 35 и общей шиной 2 включен конденсатор 39,

Элект зод управления ключа цепи запирания через согласующий каскад 19 подключен к выходу компаратора 20, один вход которого соединен с выходом датчика тока 3, а второй вход - с выходом источника 21.

В инверторе (см, фиг. 3) в качестве шины запирающего смещения использован входной вывод 2, нулевой потенциал которого является запираквдим по отношению к электродам управления силовых ключей 10 и 11. В качестве ключа цепи запирания первого силового ключа 10 использована коллекторнозмиттерная цепь транзистора 40, а в качестве ключа цепи запирания второго силового ключа 11 и коллекторнозмиттерная цепь транзистора 41.

Управляющие электроды ключей цепей запирания силовых к.пючей 10 и 11 через резисторы 42 и 43 и согласующий каскад 19 подключены к выходу компаратора 20.

Цепь коммутации силовых ключей 10 и 11 содержит соединенные последовательно обмотки трансформатора и дросселя, причем цепь из соединенных последовательно обмоток образо.вана силовой обмоткой 7 дросселя 9, первичной обмоткой 4 трансформатора б, первичной обмоткой 5 трансформатора 6 и силовой обмоткой 8 дросселя 9. Выводы зтой цепи из последовательно соединенных указанных обмоток, соединенные непосредственно с злектродами силовых ключей.10 и 11, подключены ко входам несикметричного переключателя тока 44, у которого первый выход через резистор 45 связан с электродом управления первого силового ключа 10 и связан через резистор 46 с электродом управления ключа цепи запирания второго .силов.ого ключа 11. Второй выход несимметрич- , ного переключателя 44 через резистор

47 связан с злектродом управления второго силового ключа 11 и связан через резистор 48 с злектродом управления ключа (40) цепи запирания силового ключа 10.

Принцип действия инверторов, показанных на фиг. 2 и 3 одинаков и соответствует изложенному принципу действия инвертора, показанного на фиг . 1 со следующими особенностями.

Силовой ключ 10 (см. фиг. 2) поддерживается в открытом состоянии током соединенных последовательно дополнительных обмоток 27 и 26 соответственно дросселя 9 и трансформатора 6, а ток ограничен токоограничива щими резисторами 28- и 29.

Ток обмоток 26 и 27 одновременно с поддержанием открытого состояния силового ключа 10 обеспечивает напряжение запирающего смещения на управляющем электроде силового ключа 11 за счет протекания токаiобмоток.чере диод 21.

В инверторе (см. фиг. 3) переключатель 44 установлен в такое .состояние, при котором ток задает.ся в точку соединения резисторов 45 и 46, поддерживая в открытом состоянии силовой ключ 10 и в запертом состоянии силовой ключ 11(при этом открыт транзистор 41).

В тот момент когда на выходе датчика тока 3 сигнал, пропорциональный линейно-нарастающему току, достигнет значения, задаваемого на второй вход компаратора 20 источником опорного сигнала 21, на выходе комтаратора появится сигнал.

В схеме на фиг. 2 этим сигналом отпирается транзистор 33, и коллекторный ток этого, транзистора через диод 32 поступает в базовую цепь открытого транзистора 10, обеспечивая отрицательный ток управления. Диод 36 при этом находится в запертом состоянии, так как потенциал на аноде этого диода ниже, чем потенциал на аноде диода 32. Отрицательным током базы силовой транзистор 10 выводится из состояния:нась щения. Пока силовой ключ не заперся, т. е. находится во включенном состоянии ток продолжает нарастать и на выходе компаратора 20 присутствует сигнал.

В схеме на фиг. 3 сигналом с выхода компаратора 20 отпираются одновременно транзисторы 40 и 41, и это вызывает снижение до нуля тока, поддерживающего силовой ключ 10 в открытом состоянии.

Во время вывода энергии из дросселя напряжение на его обмотках неизменно и, следовательно спад тока через дроссель, равно как и его нарастание во время накопления энерги происходит по линейному закону. В следующем такте, когда открыт ключ .11 и процессы протекают полностью аналогично, нарастание тока через обмотки дросселя и трансформатора сменяет спад токов непрерывно, т. е. без какой-либо задержки. Следовательно, построение схемы управления инвертором, как это пред ложено в изобретении, обеспечивает непрерывность передачи тока в нагрузки на вторичной стороне транс форматора, причем ток имеет треугол ную форму. Тогда среднее значение тока, передаваемого в нагрузку, свя зано с амплитудным, потребляемым от источника питания, коэффициентом пропорциональности, равным 1/2. Поэ тому осуществляемая в схеме фиксация амплитуды тока источника питания, достигаемая принудительным запиранием силового ключа, как толь ко ток через него достигнет порогов го значения, означает стабилизацию среднего значения тока, передаваемо го в нагрузку, причем это происходи независимо от напряжения питания. Преимущество предлагаемого технического решения заключается еще и в том, что обеспечивается автомат ческая защита инвертора от перегрузок по току, что повышает надежност инвертора без необходимости введения каких-либо дополнительных цепей защиты. Качество стабилизации может быть дополнительно повышено, если в каче ве источника 21 опорного сигнала использовать усилитель обратной свя зи (рассогласования) с ограниченной аииплитудой выходного сигнала. Огран ченность сигнала на выходе такого усилителя означает также ограниченность тока, который может быть передан в нагрузки на вторичной сторо не, т.е. повышение качества стабилизации не достигается ценой снижения надежности. Плавный характер нарастания тока через силовые управляемые ключи 10 и 11 и отсутствие сколь-нибудь значительного напряжения на них при отпирании способствует в предлагаемом устройстве дополнительному сокргидению потерь (коммутационных) и повышению КПД. Показанное на фиг. 2 подключение шины 35 запираквдего смещения к выводам цепи из соединенных последовател но обмоток 26 и 27 через диоды 37 и 38 позволяет обойтись для создания такого смещения без каких-либо допол нительных источников питания,.в част ности без введения еще дополнительных обмоток трансформатора и дросселя. Данный принцип построения схемы инвертора применим и для мостового варианта силовой цепи, когда первичная обмотка трачсформатора и силовая обмотка дросселя, соединенные по ледовательно, односекционные, а количество силовых ключей, шунтированных диодами, равно четырем. Формула изобретения 1.Двухтактный стабилизированный инвертор, содержащий выходной трансформатор, первичная обмотка которого через дроссель фильтра подключена к входным питающим выводам инвертора с помощью силовых управляемых ключей, шунтированных силовыми возвратными диодами, а вторичная обмотка подключена через выпрямитель к выходным выводам инвертора, шунтированным конденсатором фильтра, и блок управле- . ния с компаратором, один вход которого связан с источником управляющего напряжения, а другой вход соединен с выходом измерительного органа, отличающийс я тем, что, с целью повышения КПД и надежности путем ограничения тока силовых ключей на заданном уровне, улучшения качества стабилизации, измерительный орган снабжен датчиком тока, включенным в питающую цепь инвертора, выход которого подключе-н к одному входу компаратора, а к другому входу последнего подключен источник управляющего напряжения. 2.Инвертор по п. 1, отличающийс я тем, что указанный блок управления содержит триггер, счетный вход которого соединен с выходом указанного компаратора и две логические схемы типа И, выход каждой из которых соединен с цепью управляющего электрода соответствующего силового ключа инвертора, первый вход соединен с выходом триггера, а второй вход с выходом компаратора. 3.Инвертор по п. 1, отличающийс я тем, что указанный блок управления содержит цепочку из последовательно соединенных дополнительных обмоток выходного трансфор-; матора и дросселя, подключенную между управляющими электродами силовых ключей, входы которых шунтированы диодами, и дополнительный запирающий ключ, связывающий через диоды источник запирающего смещения с управляющими электродами силовых ключей и соединенный по цепи управления с выходом компаратора. 4.Инвертор по п. 1, отличающийся тем, что в указанный блок управления введен переключатель тока и запирающие транзисторы, шунтирующие входы силовых ключей, входы переключателя тока связаны с выходными цепями силовых ключей, а каждый из выходов через резисторы - CD входом силового ключа данного плеча и с базой запирающего транзистора противоположного плеta, причем последняя через резистор подключена к выходу компаратора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

/5

/J

Т

1.Патент США 3015771, кл. 321/15, 1962.

2.Патен ФРГ ( 2501527,

кл. Н 02 рИ 13/22, 1976 (прототип)

1 I

Il.r

1П

гИ: л .

IS

Фиг.1

/4