Двухтактный транзисторный инвертор Советский патент 1980 года по МПК H02M7/537 H02M3/335 

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования во вторичных источниках электропитания, в частности в стабилизаторах напряжения с бестрансформаторным входом. Известны преобразователи постоянного напряжения с внешним возбуждением, содержащие выходную цепь, силовые транзисторы и задающий генератор 1. Если коммутация элементов осуществляется с повышенной частотой, то при отсутствии в схеме элементов для устранения сквозных токов невозможно получить высокий КПД и обеспечить надежность преобразователя. Для повышенных частот коммутации наиболее эффективны схемы с блокировкой включения силовых транзисторов. Примером моЛет быть схема 2, где в качестве датчиков, следящих за состоянием силовых транзисторов, используются трансформаторы тока, выходные обмотки которых управляют дополнительными транзисторами, определяющими момент включения очередного силового транзистора. Однако в указанном преобразователе отсутствует форсированное запирание силовых транзисторов, что затягивает время выключения и увеличивает коммутационные потери. Кро.ме того, не ограничено обратное напряжение на эмиттерах переходных транзисторов. Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является двухтактный инвертор 3. Данный инвертор с внешним возбуждением содержит связанный с выходной цепью трансформатор, четное число силовых транзисторов, базо-эмиттерный переход каждого из которых соединен с выходом задающего генератора через последовательную резистивно-емкостную цепь. К недостаткам данного инвертора относятся невысокий КПД и ненадежная работа при сравнительно большом диапазоне изменения входного напряжения. Это объясняется тем, что напряжение на трансформаторе, которое используется для блокировки включения силовых транзисторов, зависит от напряжения питания инвертора. Для исключения сквозных токов необходимо, чтобы запирающий ток, получаемый от этого трансс|)орматора, был больше по абсолютной величине отпирающего тока синхроимпульса задающего генератора. В то же время для быстрого включения транзисторов и устойчивой синхронизации необходимо подать на эмиттериый переход силового транзистора мощный запирающий импульс тока от задающего генератора, причем этот импульс тока по абсолютной.величине должен превосходить отпирающий ток, поступающий от трансформатора. Удовлетворить эти противоречивые требования можно только при маломеняющемся напряжении питания. Кроме того, в схеме не предусмотрено ограничение обратного напряжения на эмитТерах переходных силовых транзисторов. Цель изобретения - повысить КПД и надежность преобразования в щироком диапазоне изменения входного напряжения. Эта цель достигается тем, что в двухтактном транзисторе инвертора с внещним возбуждением, содержащем связанный с выходной цепью трансформатор и силовые транзисторы, базо-эмиттерный переход каждого из которых соединен с выходом задающего генератора через последовательную резистивно-емкостную цепь, параллельно базо-эмиттерному переходу каждого из силовых транзисторов подключен введенный в схему вспомогательный транзистор, базо-эмиттерный переход которого шунтирован в обратном направлении диодом и подключен к обмотке упомянутого трансформатора. На фиг. 1 приведена электрическая схема инвертора, силовая часть которого выполнена по мостовой схеме; на фиг. 2 - диаграммы, характеризующие напряжения на элементах; на фиг. 3 - электрическая схема инвертора, силовая часть которого выполнена по схеме со средней точкой выходного трансформатора. Инвертор (фиг. 1) содержит выходную цепь 1, связанные с ней трансформаторы 2 и 3, силовые транзисторы 4-7, последовательные резистивно-емкостные цепи из резисторов 8 и конденсаторов 9, выходы задающего генератора (условно показаны в виде обмоток 10 трансформатора задающего генератора), вспомогательные транзисторы 11 -14, диоды 15. Выходная цепь может содержать силовой трансформатор 16 и резонансный контур из индуктивности 17 и конденсатора 18. Конденсаторы 9 могут быть защунтированы диодами 19. Вход преобразователя шунтирован конденсаторами 20. Напряжение питания (постоянного тока) подается на входные выводы 21. Входное напряжение снимается с выводов 22. Принцип работы инвертора (фиг. 1) состоит в следующем. Пусть до момента времени t I (см. фиг. 2) силовые транзисторы 4 и 7 находятся в насыщенном состоянии, а транзисторы 5 и 6 - в состоянии отсечки. Тогда к первичным обмоткам трансформаторов 2 и 3 приложено напряжение, равное напряжению на конденсаторах 20, которое примерно составляет половину от напряжеНИИ питания. Вспомогательные транзисторы 11 и 14 заперты, а транзисторы 12 и 13 насыщены. Полярность напряжений на различных элементах схемы показана на чертеже. Выходная цепь 1 подключена к источнику питания через транзисторы 4 и 7 и через первичную обмотку силового трансформатора 16 протекает ток J |(фиг.2). В момент времени t , происходит смена полярности напряжения на выходе задающего генератора (на обмотках 10). При этом начинает протекать мощный запирающий импульс тока через эмиттерный переходы силовых транзисторов 4, 7, образованный суммой напряжений на обмотках 10 и заряженных конденсаторах 9. Коллекторно-базовые переходы вспомогательных транзисторов 11 и 15 смещаются в прямом направлении, что ограничивает обратное напряжение на базо-эмиттерных переходах транзисторов 4 и 7 до величины, равной сумме напряжений на прямосмещенном коллекторно-базовом переходе транзистора 11(14) и диода 15. Напряжение на базо-эмиттерных переходах транзисторов 11 и 14 ограничено диодами 15. Поскольку вспомогательные транзисторы 12 и 13 остаются в насыщенном состоянии, то силовые транзисторы 5 и 6 остаются в выключенном состоянии, так как ток от обмоток 10 задающего генератора, минуя базо-эмиттерные переходы силовых транзисторов, протекает по цепи: резистор 8, транзистор 12(13), конденсатор 9. В момент времени 12 заканчивается рассасывание избыточных носителей в базе транзисторе 4, последний запирается, что вызывает смену полярности напряжений на обмотках трансформатора 2 (диагграмма и 5, фиг. 2), в результате чего транзистор 12 запирается, а транзистор 5 открывается. В момент времени ta (диаграмма U j, фиг. 2) заканчивается рассасывание носителей в транзисторе 7, последний запирается, происходит смена полярности напряжений на обмотках трансформатора 3, транзистор 13 запирается, а транзистор 6 отпирается, С этого момента времени возобновляется ток через выходную цепь от источника питания, но уже протекающий через транзисторы 5, 6 и имеющий противоположную полярность (диаграмма Ji - сплошная линия). На диаграмме выходного напряжения U i в промежутках времени 12-t 3 будет наблюдаться ступенька, вызванная неодновременным переключением транзисторов 4 и 7. Изложенное показывает, что во всем интервале t I-t 3 исключено одновременное открытое состояние транзисторов 4 и 5, 6 и 7, что гарантирует полное устранение сквозных токов. В момент времени t вновь изменяется полярность выходного напряжения задающего генератора. В силу полной симметрии схемы процессы повторяются. В момент времени ts выключается транзистор 5 и включается транзистор 4. В момент времени t в выключается транзистор 6 и включается транзистор 7. Схема возвращается в исходное состояние. В промежутке времени t s-t g на диаграмме выходного напряжения вновь образуется ступенька.

В данном инверторе выходная цепь может содержать параллельный индуктивноемкостной контур, состоящий из индуктивности 17 и конденсатора 18 и включенный последовательно с первичной обмоткой выходного трансформатора. Резонансная частота этого контура выбирается равной частоте коммутации силовых транзисторов. При этом через выходную цепь и силовые транзисторы будет протекать ток, по форме приближающийся к синусоидальному (см. диаграмму J 1, пунктир), а силовые транзисторы преобразователя будут переключаться при минимальном токе. Следовательно, коммутационные потери в силовых транзисторах будут минимальны. В случае если конденсаторы 9 щунтированы диодами 19, при смене полярности напряжения на выходе задающего генератора амплитуда импульса тока, отпирающего тока. При уменьшении амплитуды отпирающего тока уменьшаются потери во вспомогательных транзисторах 11 -14. В то же время амплитуда запирающего импульса будет достаточной для форсированного рассасывания носителей и выключения силовых транзисторов. При повышенном напряжении питания (100-300 В) и небольшой мощности нагрузки силовал часть предложенного инвертора может выполняться по полумостовой схеме. Последняя получается из схемы (на фиг. 1, если рассматривать только ее левую половину, ограниченную конденсаторами 20 (с учетом последних). В этом случае трансформатор 2 должен рассматриваться как элемент выходной цепи. Принцип работы этого варианта идентичен рассмотренному, но выходное напряжение будет характеризоваться диаграммой Uj (фиг. 2).

При низких значениях напряжения питания силовая часть предложенного инвертора может быть выполнена по схеме преобразователя со средней точкой выходного трансформатора (см. фиг. 3). В приведенной схеме конденсаторы 20 отсутствуют, а трансформатор 2 имеет отвод от середины первичной обмотки и так же, как и в полумостовом варианте, должен рассматриваться как элемент выходной цепи, выполняя роль выходного трансформатора. Принцип работы

этого варианта предложенного инвертора аналогичен рассмотренным ранее.

По сравнению с прототипом данный инвертор может работать при больщих изменениях входного напряжения, обладает большим КПД и надежностью. Объясняется это тем, что величина напряжения питания становится малокригичной к режиму работы силовых транзисторов, полностью устраняются сквозные токи в широком диапазоне изменения напряжения питания, обеспечены условия форсированного переключения силовых транзисторов, ограничено обратное направление на базо-эмиттерных переходах транзисторов.

Формула изобретения

Двухтактный транзисторный инвертор с внешним возбуждением, содержащий связанный с выходной цепью трансформатор и силовые транзисторы, базо-эмиттерный переход каждого из которых соединен с выходом задающего генератора через последовательную резисторно-емкостную цепь, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД и надежности в широком диапазоне изменения входного напряжения, параллельно базо-эмиттерному пере.ходу каждого из сил-овых транзисторов подключен введенный в схему вспомогательный транзистор, базоэмиттерный переход которого щунтирован в обратном направлении диодом и подключен к обмотке указанного трансформатора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Патент США № 3758840, кл. 321-2, 1970.

2.Авторское свидетельство СССР № 521642, кл. Н 02 М 7/537, 19741

3.Моин В. С. и Лаптев Н. Н. Стабилизированные транзисторные преобразователи. «Энергия, 1972, с. 360, рис. 9-23Г (прототип).