Двухтактный инвертор Советский патент 1983 года по МПК H02M3/335 

. (54) ДВУХТАКТНЫЙ ИНВЕРТОР

1

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для питания радиоэлектронной аппаратуры.

Известны преоброватели напряжения, содержащие силовые ключи, трансформатор, выпрямитель и сглаживающий фильтр 1.

Недостаток данных преобразователей состоит в наличии скачкообразных изменений токов в силовых цепях, следствием чего являются значительные коммутационные потери, низкая надежность работы силовых ключей, высокий уровень создаваемых электромагнитных помех.

Наиболее близким к предлагаемому является двухтактный инвертор, содержащий первый и второй силовые ключи, шунтированные возвратными диодами, блок управления, связанный с управляющими электродами силовых ключей, трансформатор, первичная обмотка которого, обмотка дросселя и основной конденсатор соединены последовательно, к вторичной обмотке трансформатора подключен выпрямитель с емкостным фильтром 2.

В известном инверторе коммутационные процессы имеют плавный характер. Однако

последовательное соединение силовых ключей усложняет схему управления, так как требуется гальваническая развязка, при этом потери на управление увеличиваются. Кроме того, в моменты коммутации возможны

5 сквозные токи через силовые ключи, что увеличивает динамические потери и снижает эксплуатационную надежность.

Цель изобретения - упрощение устройства, повышение его КПД и надежности

to путем обеспечения режима пропорционально-токового управления без гальванических развязки и исключения одновременного отпирания силовых ключей.

Поставленная цель достигается тем, что в двухтактный инвертор, содержащий первый

15 и второй силовые ключи, шунтированные возвратными диодами, блок управления, связанный с управляющими электродами силовых ключей, трансформатор, первичная обмотка которого, обмотка дросселя и основ20 ной конденсатор соединены последовательно, выпрямитель с емкостным фильтром, подключенный к вторичной обмотке трансформатора, введены автотрансформатор, дополнительные конденсаторы и диоды, причем отвод от средней точки обмотки авто-.

трацсформатора подключен к первому входному зажиму инвертора, а крайние выводы -- к второму входному зажиму через си.ювые ключи, обмотка дросселя и первичная обмотка трансформатора разделены на две секции, при этом первая секция дросселя, подключенная к общей точке соединения первичного силового ключа и обмотки автотрансформатора, первая секция обмотки трансформатора, основной конденсатор, вторая секция обмотки трансформатора и вторая секция обмотки дросселя, подключенная к общей точке соединения второго силового ключа и обмотки автотрансформатора, образуют последовательную цепь, в которой упомянутые секции обмоток соединены согласно, первый дополнительный конденсатор включен между управляющим электродом первого силового ключа.и общей точкой соединения основного конденсатора и второй секции первичной обмотки трансформатора, второй дополнительный конденсатор включен между управляющим электродом второго силового ключа и общей точкой соединения основного конденсатора и первой секции первичной обмотки трансформатора, входные цепи силовых ключей щунтированы дополнительными диодами.

В первом варианте блок управления содержит по два коммутирующих диода и транзистора, причем первый коммутирующий диод включен между управляющим и силовым электродами соответственно первого и второго силовых ключей, а второй коммутирующий диод включен между управляющим и силовым электродами соответственно второго и первого силовых ключей, а коммутирующие транзисторы шунтируют входные цепи силовых ключей, базы указанных транзисторов объединены и связаны с управляющим зажимом блока.

Во втором варианте блок управления содержит датчик состояния инвертора, входами связанный с силовыми электродами силовых ключей, а выходом - с входом коммутатора и первым входом устройства регулируемой задержки, второй вход которого связан с управляющим входом блока, а выход - с объединенными базами коммутирующих транзисторов, которые шунтируют входныецепи силовых ключей, первый и второй выходы коммутатора подключены к управляющим электродам соответственно первого и второго силовых ключей.

На фиг. 1 представлен предлагаемый двухтактный инвертор с первым вариантом исполнения блока упраления; на фиг. 2 - второй вариант выполнения блока. управления.

В устройстве (фиг. 1) к его первому входному зажиму I подключена общая точка нолуобмоток 2 и 3 автотрансформатора 4. Конец первой полуобмотки 2 непосредственно соединен с первым электродом выходной цепи первого силового ключа 5, а указан.чая цепь щунтирована первым возвратным диодом 6. Начало второй полуобмотки 3 непосредственно соединено с первым электродом выходной цепи второго силового ключа 7, а указанная цепь щунтирована вторым возвратным диодом 8. Входные цепи силовых ключей 5 и 7 щунтированы первым и вторым дополнительными диодами 9 и 10.

Б каждом из силовых ключей 5 и 7 электрод общий для входной и выходной цепей непосредственно соединен с вторым входным зажимом устройства II.

Обмотка дросселя 12 и первичная обмотка трансформатора 13 выполнены двухсекционными. Первая секция 14 обмотки дросселя 12, первая секция 15 первичной обмотки трансформатора 13, основной конденсатор 16, вторая секция 17 первичной обмотки трансформатора 13 и вторая секция 18 обмотки дросселя 12 образуют последовательную цепь, в которой упомянутые выще секции обмоток соединены согласно, а сама последовательная цепь включена между силовыми электродами ключей 5 и 7. Между первым выводом конденсатора 16 и управляющим электродом первого силового ключа 5 включен первый дополнительный конденсатор 19. Между вторым выводом

5 конденсатора 16 и управляющим электродом второго силового ключа 7 включен второй дополнительный конденсатор 20.

Управляющие электроды силовых ключей 5 и 7 подключены к первому и второму выходным зажимам 21 li 22 блока 23

0 управления. Первый и второй входные зажимы 24 и 25 блока 23 управления непосредственно соединены с первыми электродами выходной цепи силовых ключей 5 и 7. Зажим 26 блока 23 управления, общий для входных и выходных цепей, непосредственно соединен с вторым входным зажимом 11 двухтактного инвертора.

В блоке 23 управления между первым выходным зажимом 21 и вторым входным

зажимом 25 включен первый коммутирующий диод 27, а между вторы.м выходным зажимом 22 и первым входным зажимом 24 включен второй коммутирующий диод 28. Между зажимами 21 и 26 включен первый коммутирующий транзистор 29, а между

зажимами 22 и 26 - второй коммутирующий транзистор 30. Управляющие Электроды транзисторов 29 и 30 через резисторы связаны с управляющим зажимом 31 блока 23 управления.

В блоке управления (фиг. 2) входные зажимы 24 и 25 являются входами датчика 32 состояния силовой части двухтактного инвертора. Выход этого датчика соединен с импульсным входом устройства 33 регулируемой задержки и входом коммутатора 34. Выход устройства 33 регулируе.мой задержки через резисторы соединен с управляющими электродами ком.мутирующих транзисторов 35 и 36, выходные цепи которых включены между выходными зажимами 21 и 22 и зажимом 26, общим для выходных и входных цепей блока 23 управления. Управляющий (аналоговый) вход устройства 33 регулируемой задержки соединен с управляющим зажимом 31. Принцип работы предлагаемого двухтактного инвертора рассматривается на примере схемы (фиг. 1). При отпирании силового ключа 5, Например током смещения, задаваемым через резистор (фиг. 1, пунктир) между началом обмотки 3 и концом обмотки 2 автотрансформатора 4 возникает перепад напряжения, который вызывает заряд конденсатора 16 и, как следствие, повыщение потенциала первого вывода.этого конденсатора и понижение потенциала второго вывода. При этом через конденсатор 19 и 20 во входные цепи силовых ключей 5 и 7 передаются соответственно положительный и отрицательный входные токи, которые пропорциональны току заряда конденсатора 16. Ток заряда конденсатора 16 имеет синусоидальную форму, что обусловлено выбором соответствующей добротности контура, образуемого этим конденсатором и дросселем 12. Ток входной цепи ключа 5 изменяется синхронно и синфазно с током силовой цепи, что обеспечивается соответствующим выбором соотнощения емкостей конденсаторов 16 и 19. Этим обеспечивается режим пропорционально-токового управления. Протекание тока колебательного LC-контура, образованного обмоткой дросселя 12 и конденсатором 16, через соединенные последовательно - согласно секции 15 и 17 первичной обмотки трансформатора 13 обуславливает передачу энергии через выпрямитель и емкостный фильтр (не показаны) в нагрузку. Через полпериода колебательного процесса направление тока в контуре изменяется на обратное. При этом ток колебательного контура начинает протекать через возвратный диод 6, и напряжение на силовом ключе 5 инвертируется. Инверсия напряжения на этом ключе блоком 23 управления воспринимается как сигнал об изменении состояния силовой части инвертора, т. е. о переходе от этапа накопления энергии в колебательном контуре к этапу ее отдачи. При переходе к этапу отдачи энергии блок управления запрещает проводящее состояние силовых ключей. Это осуществляется с помощью коммутирующего диода 28, который отпирается и предотвращает передачу через конденсатор 20 отпирающего тока во входную цепь силового ключа 7, пока из контура выводится энергия, и через возвратный диод 6 протекает ток, обеспечивающий инверсию знака напряжения На силовом ключе 5. Во время вывода энергии направление тока конденсатора 19 соответствует поддержанию запертого состояния ключа 5. После вывода энергии из колебательного контура возвратныйдиод 6 запирается, и соответственно запирается коммутирующий диод 28 в блоке 23 управления. В течение времени передачи энергии в контур через силовой ключ 5 и затем вывода ее через возвратный диод 6 в автотрансформаторе 4 накапливается энергия, так как была неизменной полярность напряжения на обмотках 2 и 3. При выводе накопленной энергии из автотрансформатора 4 задается отпирающий ток через конденсатор 20 во входную цепь силового ключа 7 и запирающий ток во входную цепь силового ключа 5, что обусловлено протеканием тока обмотки 2 и 3 через конденсатор 16. В силу этого запирание коммутирующего диода 28 вызывает переход силового ключа 7 в состояние проводимости и далее процессы повторяются. Таким образом, в двухтактном инверторе возникает режим автогенерадии, в процессе которого в нагрузку на вторичной стороне передается энергия, а инвертор по отнощению к нагрузкам выступает в виде источника колоколообразных импульсов тока. Подача импульса управления на входной зажим 31 позволяет перевести, коммутирующие транзисторы 29 и 30, в состояние высокой проводимости и обеспечить срыв генерации путем щунтирования входных цепей силовых управляемых ключей 5 и 7. Изменением во времени моментов подачи управляющих импульсов и их длительности обеспечивается регулирование выходной мощ;ности устройства. В блоке 23 управления (фиг. 2) при отпирании возвратного диода 6 и перехода от режима накопления энергии к режиму отдачи датчик 32 состояния силовой части двухтактного инвертора вырабатывает импульсный сигнал, переводящий коммутатор 34 в новое состояние («1 на выходе, соединенном с управляющим электродом силового ключа 7). Одновременно с этим запускается устройство регулируемой задержки, которое вырабатывает сигнал, переводящий в проводящее состояние коммутирующие транзисторы 35 и 36. По окончании задержки коммутирующие транзисторы переводятся в запертое состояние, а сигнал «1 на втором выходе коммутатора 34 вызывает отпирание второго силового управляемого ключа 7. После этого возникают уже описанные процессы накопления и передачи энергии. Изменением величины задержки аналоговым сигналом через управляющий зажим 31 обеспечивается регулирование выходной мощности. Таким образом, предлагаемое устройство проще, так как два силовых ключа, объединены гальванически по цепи управления, что.дает возможность освободиться от разделительных управляющих трансформаторов и уменьщить потери на управление, а также более экономично, так как силовые управляемые ключи типа транзистора поставлены в режим пропорционально-токового управления, и более надежно, чем известные, так как в схеме автоматически исключен режим одновременного отпирания силовых ключей, поскольку один и тот же ток управления является отпираюш,им для одного силового управляемого ключа и запирающим для другого. Формула изобретения 1. Двухтактный инвертор, содержащий первый и второй силовые ключи, шунтированные возвратными диодами, блок управления, связанный с управляющими электро дами силовых ключей, трансформатор, первичная обмотка которого, обмотка дросселя и основной конденсатор соединены последовательно, выпрямитель с емкостным фильтром, подключенный к вторичной обмотке трансформатора, отличающийся тем, что, с целью упрощения, повышения КПД и надежности в работе, в него введены автотрансформатор, дополнительные конденсаторы и диоды, причем отвод от средней точки обмотки автотрансформатора подключен к первому входному зажиму инвертора, а крайние выводы - к второму зажиму через силовые ключи, обмотка дросселя и первичная обмотка трансформатора разделены на две секции, при этом первая секция дросселя, подключенная к общей точке соединения первого силового ключа, и обмотки автотрансформатора, первая секция обмотки трансформатора,-основной конденсатор, вторая секция обмотки трансформатора и вторая секция обмотки дросселя, подключенная к общей точке соединения второго силового ключа и обмотки автотрансформатора, образуют последовательную цепь, в которой упомянутые секции обмоток соединены согласно, первый дополнительный конденсатор включен между управляющим электродом первого силового ключа и общей точкой соединения основного конденсатора и второй секции первичной обмотки трансформатора, второй дополнительный конденсатор включен между управляющим электродом второго силового ключа и общей точкой соединения основного конденсатора и первой секции первичной обмотки трансформатора, входные цепи силовых ключей шунтированы дополнительными диодами. 2.Инвертор по п. 1, отличающийся тем, что, с целью обеспечения регулирования выходной мощности блок управления содержитпо два коммутирующих диода и транзистора, причем первый коммутирующий диод включен между управляющим и силовым электродами соответственно первого и второго силовых ключей, а второй коммутирующий диод включен между управляющим и силовым электродами соответственно второго и первого силовых ключей, а коммутирующие транзисторы щунтируют входные цепи силовых ключей, базы транзисторов объединены и связаны с управляющим зажимом блока. 3.Инвертор по п. 1, отличающийся тем, что блок управления содержит датчик состояния инвертора, входами связанный с силовыми электродами силовых ключей, а выходом - с входом коммутатора и первым входом устройства регулируемой задержки, второй вход которого связан с управляющим входом блока, а выход - с объединенными базами коммутирующих транзисторов, которые шунтируют входные цепи силовых ключей, первый и второй выходы коммутатора подключены к управляющим электродам соответственного первого и второго силовых ключей. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Моин В. С., Лаптев Н. Н. Стабилизированные транзисторные преобразователи. М., «Энергия, 1972, с. 131, 193, рис. 5- 10«а, 6-9. 2.Патент США № 3953779, кл. Н 02 М 3/315, 1976.

/ Оf)

I cf,

// О-

//

L/y

J

fff

J/

гг

/у

г

Ji7

Фиг./