Транзисторный инвертор Советский патент 1980 года по МПК H02M7/537 

(54) ТРАНЗИСТОРНЫЙ ИНВЕРТОР

1

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в устройствах электропитания систем автоматики и вычислительной техники.

Известны транзисторные инверторы, в которых в качестве времязадающего элемента используется коммутирующий дроссель (дроссель насыщения) с сердечником из материала с прямоугольной петлей гистерезиса.

В инверторе, содержащем выходной трансформатор с обмотками положительной обратной связи и переключающие транзисторы, коммутирующий дроссель включен между базами транзисторов через другую обмотку отрицательной обратной связи, расположенную на выходном трансформаторе 1.

Недостатком этого инвертора являются большие динамические потери в транзисторах, особенно при повышении частоты преобразования.

Это объясняется тем, что после насыщения коммутирующего дросселя одновременно с запиранием одного транзистора происходит отпирание другого, что приводит к развитию сквозных токов, во много раз превышающих величину рабочего тока, вызывающих большие потери в транзисторах, причем с ростом частоты эти потери возрастают.

Известен инвертор, в котором обмотки обратной связи через ограничительные резисторы и диоды подключены к базам транзисторов; между базами этих транзисторов включен коммутирующий дроссель 2.

При работе такого инвертора на повышенных частотах, когда требование к симметрии приложенного к коммутируюшему дросселю напряжения особенно велики, приходится дополнительно увеличивать напряжение на обмотках обратной связи, чтобы уменьшить влияние разброса характеристик диодов и база-эмиттерных переходов транзисторов на симметрию напряжения. При

15 этом напряжение на обмотках обратной связи может достигать величины 5-10 В, что превышает допустимое значение для высокочастотных транзисторов. Защита эмиттерных переходов транзисторов от пробоя с помощью диодов в этом инверторе невозможна, так как нарушает его работоспособность.

При использовании в таком известном инверторе сплавных транзисторов, допускающих большое обратное напряжение эмиттерного перехода, но имеющих низкую граничную частоту, нельзя повысить частоту преобразования свыше 3-5 кГц из-за больших потерь в транзисторах. Это ограничивает область применения- известного инвертоpa. Наиболее близким к предлагаемому по технической суш,ности является транзисторный инвертор, содержаший выходной трансформатор и переключающие транзисторы, между базами которых включена через два последовательно соединенных резистора обмотка положительной обратной связи. Параллельно цепи из обмотки обратной связи и одного из указанных резисторов включен однообмоточный коммутирующий дроссель. Входные цепи транзисторов зашунтированы встречно включенными диодами. Устройство снабжено также вспомогательным выпрямителем с фильтром, подключенным к отдельной обмотке выходного трансформатора. Выход этого вь прямителя через резисторы подключей к базам транзисторов 3. Недостатком такого инветора является ограниченный частотный диапазон, так как после насыщения сердечника коммутирующего дросселя управляющее напряжение уменьшается до нуля и ранее открытый транзистор запирается током, протекающим от вспомогательного выпрямителя, величина которого выбирается в два-три раза большей, чем обратный ток коллектора транзистора. При такой малой величине запирающего тока транзистор запирается практически пассивно, что увеличивает время рассасывания заряда в базе и ограничивает рабочую частоту. Для быстрого рассасывания заряда величина запирающего тока должна быть одного порядка с током базы открытого транзистора. Однако увеличение запирающего то ка требует соответствующего увеличения и открывающего тока, так как запирающий ток втекает и в базу открытого транзистора, что приводит к увеличению потерь в цепях управления в два-четыре раза. Цель изобретения - повышение частоты преобразования инвертора. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем выходной трансформатор, переключающие транзисторы, пере.ходы база- эмиттер которых зашунтированы диодами, включенными в непроводяшем направлении, между базами которых включены через ограничительный резистор обмотка положительной обратной связи и через другой ограничительный резистор и коммутирующий дроссель обмотка отрицательной обратной связи, выходной трансформатор снабжен дополнительной обмоткой отрицательной обратной связи, крайние выходы которой через другие диоды соединены с базами транзисторов, а ее средний вывод через третий ограничительный резистор соединен с эмиттерами обоих транзисторов. На чертеже изображена принципиальная электрическая схема инвертора. Инвертор содержит выходной трансформатор 1 с коллекторными полуобмотками 2, 3, переключающие транзисторы 4, 5, между базами которых включены через ограничительный резистор б обмотка положительной обратной связи 7 и через другой ограничительный резистор 8 и коммутирующий дроссель 9 обмотка отрицательной обратной связи 10, а базо-эмиттерные переходы зашунтированы диодами 11, 12, причем крайние выводы дополнительной обмотки 13 через диоды 14, 15 соединены с базами транзисторов, а средний вывод через ограничительный резистор 16 - с эмиттерами обоих транзисторов. Инвертор работает следующим образом. После подачи питания, вследствие наличия глубокой положительной обратной связи, один из транзисторов окажется насыщенным, а другой - запертым. При насыщенном транзисторе 4 все напряжение источника питания оказывается приложенным к коллекторной полуобмотке 2 трансформатора 1, а на всех остальных обмотках этого трансформатора наводится напряжение, полярность которого указана на чертеже. Под действием напряжения на обмотке 7 транзистор 4 поддерживается в насыщенном состоянии за счет тока, протекающего по цепи-обмотка 7, база-эмиттерный переход транзистора 4, диод 12, резистор 6, обмотка 7. Величина этого тока устанавливается выбором величины сопротивления резистора 6 из условия обеспечения надежного насыщения транзистора 4 при максимальном токе нагрузки интвертора. Под действием напряжения на обмотке 10 по цепи-обмотка 10, диод 12, база-эмиттерный переход транзистора 4, резистор 8, коммутирующий дроссель 9 протекает ток. Направление этого тока - через диод 12, база-эмиттерный переход транзистора 4 встречно направлению тока от обмотки 7. Однако величина этого тока очень мала вследствие наличия в цепи дросселя 9, выполненного на сердечнике из материала с прямоугольной петлей гистерезиса, и поэтому на результирующую величину и направление тока через диод 12 и база-эмкттерный переход транзистора 4 практически не влияет. Под действием напряжения левой (по схеме) половины обмотки 13 по цепи - обмотка 13, резистор 16, диод 12, диод 14 - протекает ток. Направление этого тока через диод 12 совпадает с направлением тока через эtoт диод от обмотки 7. Прямое падение напряжения на диоде 12 от протекающего .через него тока приложено в запирающем направлении к базаэмиттерному переходу транзистора 5 и поэтому поддерживает его в запертом состоянии. Диод 15 при этом заперт напряжением правой (по схеме) половины обмотки 13 и ток через него не протекает. Через время, определяемое напряжением обмотки 10 и параметрами коммутирующего дросселя 9, последний переходит в насыщенное состояние и вследствие этого ток через обмотку 10 скачком возрастает до величины, ограниченной, в основном, значением сопротивления резистора 8. Величина этого тока выбирается больщей, чем ток обмотки 7. Поэтому результирующее направление тока через база- эмиттерный переход транзистора 4 изменяется на противоположное. Транзистор 4 при этом продолжаеч оставаться в насыщенном состоянии на время рассасывания заряда в его базе. Выбором величины тока обмотки 10 ток, рассасывающий заряд в базе транзистора 4, Можно сделать достаточно больщим, что обеспечивает форсированное запирание этого транзистора. Так как возросший по величине ток обмотки 10 протекает и через диод 12 встречно токам обмотки 7 и 13, то результирующее направление тока через этот диод может измениться на противоположное. При этом диод 12 запрется, а транзистор 5 откроется, и через него, а также через транзистор 4, будут протекать «сквозные токи, вызывающие больщие динамические потери в транзисторах. Чтобы этого не произошло, величину тока обмотки 13 необходимо выбирать больщей, чем разность токов обмоток 10 и 7. При этом направление тока через диод 12 после насыщения коммутирующего дросселя 9 не изменится, и транзистор 5 останется запертым на все время рассасывания заряда в базе транзистора 4. После рассасывания избыточных носителей в базе транзистора 4 он переходит в активный режим работы и быстро запирается. Напряжение, приложенное к коллекторной полуобмотке 2 трансформатора 1, при этом быстро исчезает, что приводит к пропаданию напряжения и на всех других обмотках, Однако вслед за этим, за счет реактивной энергии, Нако пленной в трансформаторе, на обмотках появляется напряжение противоположной полярности. При этом сердечник коммутирующего дросселя 9 выходит из режима насыщения и начинает перемагничиваться в обратном направлении, индуктивное сопротивление дросселя 9 резко возрастает, а ток через него уменьшается до малого по величине тока намагничивания. В цепи обмотка 7, резистор б, база- эмиттерный переход транзистора 5, диод 11, обмотка 7 возникает ток, вызывающий открывание транзистора 5, поэтому напряжение питания прикладывается к другой коллекторной полуобмотке 3 трансформатора 1, и все процессы в устройстве повторяются. При этом транзистор 4 оказывается запертым, а токи обмотки 10 и правой (по схеме) половины обмотки 13 протекают через диод 11. Введение дополнительной обмотки, крайние выводы которой через другие диоды соединены с базами транзисторов, а ее средний вывод через резистор соединен с эмиттерами обоих транзисторов, форсирует запирание транзисторов и тем самым повышает рабочую частоту. Распределение функций обеспечивания величины отпирающего тока и напряжения перемагничивания коммутирующего дросселя между различными обмотками позволяет выбирать напряжение положительной обратной связи достаточно низким, исходя только из стабильности величины базового тока открытого транзистора, а напряжение обмотки отрицательной обратной связи, через которую протекает на этапе перемагничивания коммутирующего дросселя малый по величине ток намагничивания, - высоким, обеспечивающим заданную симметрию напряжения на коммутирующем дросселе. Это позволяет, учитывая малое напряжение дополнительной обмотки, уменьщить потери в базовых цепях инвертора. Отпирание ранее запертого транзистора в предложенном устройстве происходит только после полного рассасывания носителей в базе ранее открытого транзистора, при этом отсутствуют «сквозные токи, что обеспечивает малые динамические потери в транзисторах интвертора и высокую его экономичность при высоких частотах преобразования. Формула изобретения Транзисторный инвертор, содержащий выходной трансформатор с обмотками положительной и отрицательной обратной связи, которые -подсоединены между базами силовых транзисторов, соответственно через первый ограничительный резистор и через второй ограничительный резистор и коммутирующий дроссель, а их базо-эмиттерные переходы защунтированы диодами, включенными в обратном направлении, отличающийся тем, что, с целью повыщения частоты преобразования, выходной трансформатор снабжен дополнительной обмоткой, крайние выводы которой через дополнительные диоды подсоединены к базам силовых транзисторов а средний вывод через дополнительный ограничительный резистор, - к их эм:-;ттера.м. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. «Proceeding of NEC, 1958, v. 14, Putcovich R. P., Corry T. M. Appiicalions of saturable cores in transistor power convectors.

3. Гальс Б. К. Ультразвуковой преобразователь постоянного напряжения с облегченной коммутацией. М., «Радиотехника, т. 31, № 7, рис. 3.