Инвертор

 

ИНВЕРТОР, содержащий выход « йой трансформатор, первичная обмотка которого соединена с силовыми транзисторами через коллекторные обмотки переключающего трансформатора то-, ка, базовые; обмотки которого подключены крайними выводами к коллекторам транзисторов управления, к эмиттерам которых подключены первые выводы шунтирующих резисторов, а к управлякяцим переходам через резисторы - дополнительные обмотки, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности путем устранения перегрузок при коротком замыкании в нагрузке, другие крайние выводы базовых обмоток трансформатора тока подсоединены к.базам силовых транзисторов , управляющие переходы которых шунтированы введенными.обратными диодами , а к эмиттерам подключены зьгаттеры транзисторов управления, тип проводимости которых противоположен типу проводимости силовых транзисторов , причем вторые вывода шунтируюШ щих грезисторов подсоединены к отводам базовых обмоток перехслючающего трансформатора тока, а дополнительные обмотки расположены на выходном трансS с форматоре.

CQO3 СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

4(51

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

fl0 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И 01 НРЦТИЙ (21) 3583960/24-07 (22) 25.04;83 (46) 07.02.85. Бюл. У 5 (72) В.А.Степанюк (71) Ленинградский гидрометеорологический институт (53) 621.314.58(088 ° 8) (56) 1. Электронная техника в автоматике. Под ред. Ю .И.Конева. 1978, . вып. 10 с. 127, рис. 2. ! .Ф

2. Патент США У 4298925, кл. Н 02 М 7/537, 363-131, 03.11.81, 3. Патент США Ф 3344362, кл. 331-50, 29.09.67.

:(54)(57) ИНВЕРТОР, содержащий выход

Яой трансформатор, первичная обмотка которого соединена с силовыми транзисторами через коллекторные обмотки переключающего трансформатора то-. ка, базовые обмотки которого под ключены крайними выводами к коллекторам транзисторов управления, к эмиттерам которых подключены первые выводы шунтирующих резисторов, а к управляющим переходам через реэисторы— дополнительные обмотки, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения надежности путем устранения перегрузок при коротком замыкании в нагрузке, другие крайние выводы базовых обмоток трансформатора тока подсоединены к базам силовых транзисторов, управляющие переходы которых шунтированы введенными обратными дио дами, а к эмиттерам подключены.эмиттеры транзисторов управления, тип проводимости которых противоположен типу проводимости силовых транзисто- 8 ров, причем вторые выводы шунтирующих резисторов.подсоединены к отводам

: базовых обмоток переключающего транс форматора тока, а дополнительные обмотки расположены на выходном транс- д. .форматоре.

1138911

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах вычислительной техники, радиотехники и автоматики.

Известны инверторы, содержащие вы ходной трансформатор, первичная обмотка которого соединена с силовыми транзисторами через коллекторные обмотки переключающего трансформатора тока, базовые обмотки которого сое- 10 динены с управляющими переходами силовых транзисторов, а также транзисторы управления, подключенные к ба.зам силовых трансформаторов f1) и )2), Недостатками устройств являются низкие КПД и надежность из-за глубокого насыщения переключающих, транзисторов, особенно в режиме малых токов нагрузки.

Наиболее близким к изобретению по 20 технической сущности является инвертор, содержащий выходной трансформатор, первичная обмотка которого соединена с силовыми транзисторами через коллекторные обмотки переключающего 25 . трансформатора тока, базовые обмотки которого подключены крайними выводами к коллекторам транзисторов управ. ления, к эмиттерам которых подключены первые выводы шунтирующих реэисто-З0 ров, а к управляющим переходам через резисторы - дополнительные обмотки(3).

Недостатком известного устройства является низкая надежность вследствие перегрузки транзисторов при коротком замыкании в нагрузке.

Цель изобретения — повышение надежности устройства путем устранения перегрузок при коротком замыкании в нагрузке, Поставленная цель достигается тем, что в инверторе, содержащем выходной трансформатор, первичная обмотка которого соединена с силовыми транзисторами через коллекторные об- 45 мотки переключающего трансформатора тока, базовые обмотки которого подключены крайними выводами к коллекторам транзисторов управления, к эмиттерам которых подключены первые выводы шунтирующих резисторов, а к управляющим переходам через.резисторы - дополнительные обмотки, другие крайние выводы базовых обмоток трансформатора тока подсоединены 55 к базам силовых транзисторов, управ ляющие переходы которых шунтированы введенными обратными.диодами а к эмиттерам подключены эмиттеры транзисторов управления, тип проводимости которых противоположен типу проводимости силовых транзисторов, причем вторые выводы шунтирующих резисторов подсоединены к отводам базовых обмоток переключающего трансформатора тока, а дополнительные обмотки расположены на выходном трансформаторе., На чертеже изображена схема пред" лагаемого инвертора.

Инвертор содержит выходной трансформатор 1 с первичными, вторичными и дополнительными обмотками 2 и 3, которые через резисторы 4 и 5 подклю-чены к управляющим переходам транэисторов 6 и 7 управления, коллекторы которых подключены к крайним выводам базовых обмоток 8 и 9 переключающего трансформатора 10 тока,. другие крайние выводы базовых обмоток 8 и 9 которого подключены к базам силовых транзисторов 11 и 12, управляющие переходы которых шунтированы обратными диодами 13 и 14, а также шунтирующие резисторы 15 и

16.

Благодаря предложенному включению элементов функциональная структура инвертора .содержит несколько цепей обратных связей, которые замыкаются следующим образом.

Положительная обратная связь по напряжению, обеспечивающая самовозбуждение инвертора, замыкается посредством трансформатора 10 тока — напряжение íà его дополнительных обмотках 2 и 3 поддерживает открытое состояние силового транзистора в том плече инвертора, по которому протекает ток, и закрытое — в другом плече. Кроме того, по этой же цепи замыкается отрицательная обрат .ная связь по току силовой цепи (преимущественно по току нагруз ки, так как его величина является преобладающей), что обеспечивается режимом трансформации тока.

В связи с этим при уменьшении тока нагрузки и, соответственно, мощности инвертора пропорционально снижается ток в базо-эмиттерных цепях силовых транзисторов, обеспечивая сохранение постоянства их коэффициентов насыщения, а также постоянства КПД инвертора при уменьшении тока нагрузки. Отрицательная

113 89 обратная связь, контролирующая ñîñтояние нагрузки, замыкается посредством транзисторов 6 и 7 управления. При коротком замыкании нагрузки напряжение на вторичных обмотках выходного трансформатора резко уменьшается, приближаясь к нулю, в связи с чем транзистор управления открытого плеча выключается, обеспечивая перевод силового транзистора из клю- 10 чевого в усилительный режим, благодаря чему в схеме сохраняются процеСс автогенерации колебаний и возможность отдачи мощности в нагрузку при анулировании короткого замыкания. 15

Процессы определяющие работу инвертора, являющегося релаксационным генератором с одним индуктивным накопителем энергии, распределяются на два этапа, а их особенности определяются функциональной структурой устройства.

На медленном этапе работы один из силовых транзисторов, например транзистор 11, открыт, а другой (соответственно транзистор 12) закрыт и находится в режиме отсечки, при этом транзистор 6 управления также открыт, а транзистор 7 закрыт по цепи обрат30 ной связи напряжениями с базовых обмоток выходного трансформатора 1.

Основным процессом на этом этапе яв ляется перемагничивание сердечника трансформатора 10 тока под действием, разности ампервитков токов — намагни-3$ чиваюшего (коллекторного тока силово-. го транзистора 11) и размагничивающего (тока базовой цепи того же тран зистора). Последний, развиваемый в базовой обмотке 8, протекает через 40 базо-эмиттерный переход транзистора

11 и открытый транзистор 6, при этом напряжение на обмотке 8 ограничивается на уровне суммарного напряжения насыщения указанных переходов. 45

В соответствии с этим напряжение на обмотке 9 в закрытом плече инвертора также ограничено указанной величиной, поэтому развиваемое на части обмотки 9 — между отводом и верхним 50 по схеме выводом - напряжение ниже уровня отсечки диода 14 и ток в этом контуре практически отсутствует. В связи с этим для трансформатора 10 при нормальном состоянии на- И

I грузки обеспечивается режим трансформатора тока, При этом выбором отношения витков базовых обмоток

11 4 трансформатора 10 к коллекторным, равного минимальному значению коэф. фициента усиления силовых транзисторов, обеспечивается ключевой режим работы последних. В указанном отношении снижается также и напряжение на коллекторных обмотках трансформатора 10 по сравнению с напряжением на базовых, благодаря чему затраты мощности силовой цепи на поддержание открытого состояния силового транзистора оказываются минимальными.

При насыщении переключающего трансформатора 10 тока резко снижает— ся базовый ток транзистора 11 с этого момента начинается быстрый этап работы инвертора, этап переключения плеч. С уменьшением коллекторного тока транзистора 11 в соответ-. ствии с общим принципом работы релак. сационных генераторов с индуктивным накопителем энергия магнитного поля, накопленная в индуктивности намагничивания трансформатора 10, приводит к индуцированию на вторичных обмотках напряжений противоположной полярности, в результате чего открывается транзистор 12 (второе плечо инвертора), а транзистор 11 закрывается обратным напряжением.На быстром этапе закрывание транзистора 11 про исходит путем уменьшения тока. в его базовую цепь (из-за увеличения тока намагничивания магнитопровода трансформатора 10 при переходе его к насыщению) при неизменном его коллек" торном токе. В связи с этим переход транзистора в выключенное состояние происходит через этап предварительного вывода его из насыщенного состояния в линейный..режим. Однако в первый же момент начала этого режима, когда начинает уменьшаться коллекторный ток, происходит изменение полярностей напряжений на обмотках выходного трансформатора 1, это вызывает закрывание транзистора 6 управления и открывание транзистора 7последний создает условия для протекания полного управляющего (открывающего) тока в базовой цепи транзистора 12, а транзистор 6 разрывает аналогичный контур в левом плече, форсируя процесс переключения

В результате прбисходит лавинообразный процесс переключения плеч инвертора, существенной особенностью этЫ113891

ro процесса является предваритель1 ный вывод силового транзистора 11 из насыщенного состояния в линейный режим, что в итоге исключает режим сквозных токов в схеме при переключении силовых транзисторов в связи с исключением их одновременно от,крытого состояния °

Переключением плеч инвертора завершается быстрый этап процессов в 10 схеме, после чего вновь начинается медленный этап, отличающийся от предыдущего лишь изменением полярности на всех обмотках трансформаторов и направления перемагничивания их 15 магнитопроводов.

При коротком замыкании цепи нагрузки основное отличие процессов ин" вертора от описанных заключается в том, что происходящее при этом шунтирование одной из вторичных обмоток сугубо низким сопротивлением нагрузки резко снижает напряжение на всех вторичных обмотках выходного трансформатора 1, в том числе и на его дополнительных обмотках 2 и 3, в свя. зи с чем транзисторы 6 и 7 управ" ления остаются закрытыми. При этом контур тока базовой цепи сопловых транзисторов, например транзистора 11

30 оказывается замкнутым с отвода вторичной обмотки через шунтирующий резистор 15 на эмиттерный вывод транзистора (общий провод схемы), одновременно с этим протекает также ток в контуре обмотки 9 — с отвода обмот" ки через резистор 16 и диод 14. В этом случае трансформатор 10 работает в режиме трансформатора напряжения, а величины сопротивлений ре- 40 зисторов 15 и 16 выбираются из условия обеспечения близкого к линейному режима силовых транзисторов 11 и

12 с мощностью ниже предельно допустимой для данного режима. Условие, обеспечивающее стабильность данного режима, выполняется наличием внутренней нагрузки (в виде контура 16 и 14 для левого плеча и контура 15 и 13 для правого плеча) для вновь организовавшейся структуры ннвертора по классической схеме, содержащей силовые транзисторы 11 и 12, трансформа тор 10 в режиме трансформатора напряжения с первичными обмотками, включенными в коллекторные цепи переключающих транзисторов, и вторичными обмотками, образованными частью

1 6 обмоток 8 и 9 и подключенными через токоограничительные резисторы 15 и

16 к входам переключающих транзис) торов. Указанный контур внутренней нагрузки является буфером, сглаживающим технологический разброс и изменения от условий окружающей среды параметров трансформатора 10 и силовых транзисторов в линейном режиме. При снятии короткого замыкания нагрузки, развиваемые на вторичных обмотках 2 и З.выходного трансформатора напряжения, открывают соответствующий транзистор управления, благодаря чему .инвертор переводится в режим отдачи мощности в нагрузку.

Причем перевод инвертора из одного режима в другой (и наоборот) может происходить в любой фазе происходящих в нем процессов без нарушения устойчивости работы. Перевод инвертора из дежурного режима (т.е. режима короткого замыкания) в режим отдачи мощности в нагрузку обеспечивается с момента снятия короткого замыкания при условии, что в держурном режиме уровень мощности усилительного режима силовых транзисторов является достаточным для того, чтобы развиваемое на обмотках 2 и 3 трансформатора 1 напряжение превьппало пороговое значение входа транзисторов управления. Перевод инвертора в дежурный режим происходит при скачкообраэном возрастании тока в момент появления короткого замыкания нагрузки благодаря тому, что импульсное падение напряжения па индуктивностях рассеяния первичных обмоток трансформаторов резко снижает! напряжение на индуктивности перемагничивания трансформатора 1, в результате чего напряжение на его обмотках 2 и 3 снижается ниже порогового уровня входной характеристики транзисторов управления, последние выключаются и переводят силовые транзисторы в усилительный режим.

Соотношение витков в базовых обмотках трансформатора тока Тр2 — (между частями обмотки, разделенными выводом) определяется следующими соображениями. Напряжение на обмотке 8 ограничивается на уровне суммы напряжений насыщения базо-эмиттерного перехода транзистора 11 и0„ транэис 9пас тора 6. Последнее, как правило, ниже напряжения насыщения базо-эмиттерного перехода, поэтому половина суммарно11389 го напряжения заведомо не превьппает напряжения отсечки полупроводниковых диодов, шунтирующих силовые транзисторы, в частности диода 14.В связи с этим при выборе отвода не более, чем от половины витков базовой обмотки (считая от верхнего вывода), обеспечено отсутствие тока во вторичной (базовой) обмотке трансформатора

10, подключенной к закрытому плечу 10 инвертора. Этим обеспечивается для трансформатора 10 режим трансформатора тока, необходимый для нормального функционирования инвертора.

При использовании полупроводниковых 15 приборов из различных материалов, когда соотношение напряжений на открытых переходах отлично от рассмотренного, выбор необходимого коэффициента включения отвода (коэффи- пп циента автотрансформации.К ) можно определить из выражения

"n.и

«а

w 0 U сносg 25 й.ь где% — число витков верхней половины базовой обмотки (от верх.него по схеме вывода до отвода)

) - полное число витков базовой

30 обмотки.

Выбор сопротивления резисторов 15,. и 16 производится из соотношения между составляющими токов инвертора в режиме К3. В этом случае образуется структура инвертора по классичес кой схеме и ток в базу силового транзистора ад определяется напряжением развивающимся на верхней половине базовой обиотки % 8, и сопротивлени-

40 ем в контуре этого тока (сопротивлением резисторов 15 или 16).

EWE

° Ig = )

)5, 6 где Е - напряжение питания, 45

"4 — число витков коллекторных об. моток трансформатора 10, 9<5< — сопротивление резисторов 15 и 16.

Нагрузкой инвертора в этом режиме о является контур тока в базовой цепи закрытого плеча (внутренняя нагруз° ка) — благодаря,шунтирующему диоду

13 (14), подключенноиу в обратной по. лярности к управляющему переходу си- >> лового транзистора 11 (12) .

Таким образом, полный ток базовых обмоток, приведенных к коллекторной

11 8 обмотке трансформатора.10, определяет основную составляющую коллекторного тока (составляющая коллекторного то- ка, определяемая коэрцитивным током насыщающегося сердечника трансформатора 10, практически всегда существенно ниже указанной составляющей) в виде удвоенного значения базового ,тока отдельного силового транзистора

2Е Wqq Z W 1 и

15!6 " 5 6

Производим переход от числа витков верхней половины базовой обмотки 4

I к полному числу ее витков

Л 2

1546

Из полученного выражения, учитывая. что % = 2 Wg ° и Vl =- t3 qg сопротив(0 юип ление резисторов

Ф6 Я мин )

1 где  — минимально возможный. Коэфепн фициент усиления транзисторов 11 и 12.

Из последнего выражения следует, что и рассматриваемом режиме благодаря реальным значениям коэффициентов усиления транзисторов, превьппающим

В и, силовь)е транзисторы работают

Мнц также в ключевом режиме с коэффициентом насыщения, равным отношению реального значения В,, к В ц„ (из-эа наличия составляющей коллекторного тока, вызываемой коэрцитивным значением сердечника трансформатора 10, коэффчциент насьпцения несколько ниже) . Учитывая это. для исключения в иоиент переключения возникновения импульсных токов силовых транэисто» ров .выше предельно допустимого (1,,„) необходимо ограничить выбирае-. мую величину1„

1н-Тк,А, „

С учетом этого окончательное выражение для определения сопротивления к, ь имеет вид

E (5,)6 g . мнн макс °

r.доо

Таким образом, предлагаемый инвертор по сравнению с известными

1138911

Составитель В.Ежов

Редактор О.Юрковецкая Техред С.Легеэа

Корректор И.Эрдейи

Заказ 10703/43 Тираж 646

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская паю., д. 4/S

Подписное

Филиал ППП"Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 имеет более высокое значение КПД эа счет исключения потерь мощности на токоограничительных элементах базовых цепей силовых транзисторов, сохраняет высокое значение КПД при уменьшении тока нагрузки, Кроме того, в инверторе отсутствует режим сквозных токов и, соответственно, токовой перегрузки силовых транзисторов при их переключении, что значи тельно повышает надежность и КПД, а

5 при коротком замыкании в цепи нагрузки резко снижается потребляемая инвертором мощность.