Двухтактный инвертор

 

Использование: преобразование напряжения в переменное. Сущность изобретения: коммутационные конд-ры 14. 15, перезаряжаясь в последовательном соединении через диод 16 (17) и база-эмиттерный переход одного из дополнительных транзисторов 21 (20), обеспечивают задержку нарастания напряжения на закрывающемся силовом транзисторе 3 (4). При этом открытый дополнительный транзистор 21 (20) шунтирует база-эмиттерный переход силового транзистора 4 (3) другого плеча. Вследствие этого уменьшаются динамические потери мощности при выключении силового транзистора 3 (4) и исключается перекрытие процессов при их переключении. 3 з.п.ф-лы, 4 ил Г // сл

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

6 (21) 4847988/07 (22) 26.04.90 (46) 07.07.92.Бюл; ¹ 25 (71) Филиал Всесоюзного научно-исследовательского института энергетики по Сибири, Дальнему Востоку и Северу СССР (72) В,П.Фоминых (53) 621.314.59 (088,8) (56) Авторское свидетельство СССР № 663048, кл. Н 02 М 7/537, 1978.

Авторское свидетельство СССР, ¹ 1153384, кл. Н 02 M 3/335, 1983.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1457131, кл. Н 02 М 7/537, 1987.

„„!Ж„„1746502 А1 (и)5 Н 02 М 7/538 (54) ДВУХТАКТНЫЙ ИНВЕРТОР (57) Использование: преобразование напряжения в переменное. Сущность изобретения; коммутационные конд-ры 14, 15, перезаряжаясь в последовательном соединении через диод 16 (17) и база-эмиттерный переход одного из дополнительных транзисторов 21 (20), обеспечивают задержку нарастания. напряжения на закрывающемся силовом транзисторе 3 (4). При этом открытый дополнительный транзистор 21 (20) шунтирует база-эмиттерный переход силового транзистора 4 (3) другого плеча. Вследствие этого уменьшаются динамические потери мощности при выключении силового транзистора 3 (4) и исключается перекрытие процессов при их переключении, 3 з.п.ф-лы, 4 ил.

Г 11 ! !

L 3

1746502

55

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры, преобразователях индукционных нагревательных установок, Известен инвертор, содержащий трансформатор, первичная обмотка которого средней точкой соединена с первым входным выводом, а крайними точками к коллекторам силовых транзисторов, шунтированных обратными диодами и эмиттерами, подключенных к второму входному выводу, а обмотка обратной связи через токоограничивающий резистор включена между базовыми выводами силовых транзисторов. Между крайними выводами первичной обмотки трансформатора включен конденсатор,. к обмоткам которого подсоединены два противолежащих вывода диодно-конденсаторного моста, Каждый из двух других противолежащих выводов моста связан с базовыми выводами силовых транзисторов через запирающие диодные цепи.

В устройстве при коммутации силовых транзисторов часть тока намагничивания трансформатора, протекает через запирающие цепи, удерживает силовые транзисторы в закрытом состоянии во время перезаряда конденсатора, подключенного к крайним выводам первичной обмотки, что снижает скорость изменения напряжения на обмотках трансформатора и транзисторах и устраняет коммутационные перенапряжения. Для нормальной работы устройства необходимо, чтобы часть тока намагничивания, протекающая через запирающие цепи, по величине превышала базовый ток открывающегося транзистора. Для выполнения этого требования необходимо увеличивать ток намагничивания трансформатора или ограничивать базовый так силовых транзисторов, а следовательно. и диапазон нагрузки, что сужает область и рименения инвертора.

Известен также высоковольтный высокочастотный преобразователь напряжения, выполненный по схеме двухтактного инвертора са средней точкой трансформатора, содержащий. силовые -транзисторы, трансформатор, формирователь импульсов, логические элементы И, компараторы, дроссель, диоды, делитель напряжения.

В преобразователе с помощью компараторов измеряется напряжение на силовых транзисторах, и при коммутации открытие силовых транзисторов осуществляется при снижении напряжения на них ниже порогового. Наиболее эффективно применение устройства в высоковольтных преобразователях, трансформаторы каторых характеризуются большой .величиной емкости вторичной обмотки, При коэффициенте трансформации выходного трансформатора, близком к единице, и понижающих трансформаторах скорость изменения напряжения на транзисторах высокая, что обуславливает коммутационные перенапряжения и высокий уровень электромагнитных помех.

Наиболее близким техническим решением является транзисторный преобразователь постоянного напряжения, содержащий выходной трансформатор, имеющий первичную, выходную и базовые обмотки; силовые транзисторы, у которых коллекторы подключены к крайним выводам первичной обмотки, а эмиттеры подсоединены к минусовой клемме источника питания, дополнительный выпрямитель, включенный между базовыми обмотками и одним из входов узла запрета, второй вход которого подключен к генератору тактовых импульсов; усилитель, управляющим входом подключенный к выходу узла запрета и одним выводом к плюсовой шине питания; две RCD-цепочки, включенные между вторым выводом усилителя и базовыми выводами силовых транзисторов, два согласующих транзистора, зашунтированные встречными диодами, при этом базы транзисторов подключены к выходам генератора, а коллекторы — к точкам соединения резисторов и конденсаторов RCD-цепочек; два дополнительных транзистора, у которых коллекторы подсоединены к базам, а эмиттеры — к общей точек соединения эмиттеров силовых транзисторов и базы подключены к катодам пороговых элементов RCD-цепочек, RC-фильтр, один вывод которого подсоединен к минусовой клемме питания, а второй вывод через вспомогательный выпрямитель подключен к базовым обмоткам выходного трансформатора, коммутирующий конденсатор, подключенный к крайним выводам первичной обмотки выходного трансформатора; два развязывающих диода, анодами подключенные к точке соединения резистора и порогового элемента RD-цепочек, а катодами — к коллекторам силовых транзисторов; выходной выпрямитель с емкостным фильтром.

В устройстве при коммутации базаэмиттерные переходы силовых транзисторов шунтируются дополнительными транзисторами на время перезаряда конденсатора, подключенного к крайним выводам первичной обмотки выходного трансформатора. Закрытие дополнительных транзисторов происходит при снижении напряжения на силовых транзисторах.

1746502

При этом необходимо, чтобы момент за- лельно каждому диоду включен введенный пирания дополнительного транзистора пороговый элемент, совпадал с окончанием перезаряда комму- На фиг. 1 приведена схема предлагаетирующего конденсатора. когда напряже- мого двухтактного инвертора; на фиг. 2— ние на силовом транзисторе снижается до 5 временные диаграммы, поясняющиеего рануля, В противном случае происходит доза- боту; на фиг. 3 и 4.— схемы инвертора. ряд коммутирующего конденсатора через Двухтактный инвертор(фиг, 1) содержит открывающийся силовой транзистор, что выходной трансформатор 1, первичная обвыэывает увеличение его загрузки по току, мотка 2 которого крайними выводами подДля исключения этого явления требуется 10 соединена к коллекторам силовых тщательный индивидуальный подбор рези- транзисторов 3 и 4; эмиттерами через датсторов и пороговых элементов. Однако чик 5 тока подключенных к минусовой клемвследствие изменения параметров элемен- ме источника 6 питания. Средняя точка тов в зависимости от изменения рабочей первичной обмотки 2 через узел 7 коммутатемпературы и временного старения, 15 цииидроссель8, шунтированныйдиодом9, происходит смещение рабочей точки из об- соединена с плюсовой клеммой 6 питания.. ласти первоначальной настройки преобра- К вторичной обмотке 10 выходного трансзователя и, следовательно, увеличение форматора1 подключенаактивно-индуктивдинамических потерь при включении сило- ная нагрузка 11. вых транзисторов. 20 Параллельно силовым транзисторам 3 и

Цель изобретения — повышение КПД и 4 подсоединены встречные диоды 12 и 13 и . надежности путем уменьшения динамиче- конденсаторы 14 и 15 через диоды 16 и 17. ских потерь мощности в силовых транзисто- Параллельно диодам 16 и 17 .подключены рах при их включении. резисторы 18 и 19 и база-эмиттерные переЦель достигается тем, что в двухтактный 25 ходы дополнительных транзисторов 20 и 21, инвертор, содержащий выходной трансфор- коллекторные выводы которых соединены с матор, первичная обмотка которого отво- базовыми выводами силовых транзисторов дом от средней точки соединена с первым 3 и 4, выходным выводом инвертора, а крайними Выходы узла 22 управления, питание выводами подключена к коллекторам сило- 30 которого осуществляется от источника 6, вых транзисторов, эмиттеры которых объе- подключены к управляющему входу узла 7 динены и соединены с вторым входным коммутации и через токоограничительные выводом инвертора, первый коммутацион- резисторы 23 и 24 к базовым выводам силоный конденсатор, подключенный первым вых транзисторов 3 и 4, выводом к коллектору первого силового 35 В двухтактном инверторе(фиг. 3) паралтранзистора, два дополнительных транзи- лельно диода 16 и 17подсоединены порогостора, каждый из которых коллектором под- вые элементы 26 и 27, а база-эмиттерные ключен к базе соответствующего силового переходы транзисторов 20 и 21, шунтиротранзистора и шунтирован по цепи база- ванные резисторами 18 и 19, включены паэмиттер первым резистором, и блок управ- 40 раллельно диодам 16 и 17 через резисторы ления, парафазные выходы которого 28 и 29, соединенысбазамисиловыхтранзисторов, В инверторе {фиг. 4) параллельно первведен второй коммутационный конденса- вичной обмотке 2 выходного трансформатотор, подключенный первым выводом к кол- ра 1 подсоединен дроссель 25, .лектору второго силового транзистора, 45 Двухтактный инвертор работаетследувторой вывод каждого коммутационного: ющим образом. конденсатора соединен с эмиттером сооТ- При подключении источника 6 питания .ветствующего дополнительного транзисто- подается напряжение на узел 22 управлера и через соответствующий введенный ния, который запускается и после выхода на диод — с эмиттерами силовых транзисторов, 50 режим вырабатывает импульс управления с которыми связаны базы дополнительных узлом 7 коммутации, подключающим питатранзисторов. ние к средней точке первичной обмотки 2

Кроме того. указанная связь баз до- выходного трансформатора 1. Ток заряда полнительных транзисторов с эмиттерами одного из конденсаторов 14 или 15, подсиловых транзисторов выполнена непос- 55 ключенного параллельно закрытому в этот редственно. момент силовому транзистору, ограничиваКроме того, указанная связь баз каждо- ется дросселем 8. го из дополнительных транзисторов с эмит- Временные диаграммы переключения терами силовых транзисторов выполнена силовых транзисторов инвертора приведечереэ введенный второй резистор, а парал- ны на фиг. 2. Узел 22 управления вырабаты1746502

45

55 вает импульсы управления силовыми транзисторами 3 и 4 Оупрз и Оупр4 (фиг, 2а, б), сдвинутые между собой на 180 эл.град. с задержкой t1 — tz, И-Ь. равной времени выключения силовых транзисторов, Предположим, что в исходном состоянии, до момента времени t>, открыт силовой транзистор 4 (фиг. 2з). К секции 2.2 первичной обмотки 2 выходного трансформатора 1 приложено напряжение питания (полярность напряжения на фиг, 1 показана без скобок). Конденсатор 14 заряжен до двойного напряжения питания (фиг. 2д), а конденсатор 15 разряжен(фиг, 2е). Транзисторы 20 и 21 закрыты, так как их. база-эмиттерные переходы шунтированы резисторами 18 и

19.

B момент времени О снимается открывающий сигнал с управляющего входа транзистора 4(фиг. 2б). Транзистор 4 закрывается, и ток в нем на интервале времени выключения транзистора ti — t2 спадает до нуля (время рассасывания не учитывается).

Ток первичной обмотки 2 трансформатора

1, равный сумме приведенного тока нагрузки (фиг. 2ж) и тока намагничивания (фиг. 2м), замыкается по следующей цепи; конец секции 2.2 — конденсатор 15 — диод 17 — базаэмиттерный переход транзистора 20— конденсатор 14 — начало секции 2.1. При этом конденсатор 15 заряжается (фиг. 2е), а конденсатор 14 заряжается (фиг. 2д), напряжение на обмотках трансформатора 1 изменяется в соответствии с изменением напряжения на конденсаторах 14 и 15. Так как ток разряда конденсатора 14 протекает через база-эмиттерный переход транзистора 20 (фиг, 2к), последний открывается и шунтирует база-эмиттерный переход транзистора силовога.транзистора 3 (фиг. 2в) Таким образом силовой транзистор 3 остается закрытым до конца перезаряда конденсаторов 14 и 15 (интервал времени tz-1з).

Напряжение на транзисторе 4 (фиг. 2з) возрастает в соответствии с напряжением на конденсаторе 15 (фиг. 2е). Выбором соответствующей емкости конденсатора 14 и 15 обеспечивается безопасная траектория выключения силовых транзисторов.

К моменту времени з- конденсатор 15 заряжается до двойного напряжения питания (фиг. 2е, полярность в скобках), а конденсатор 14 разряжается до нуля (фиг, 2д), То через база-эмиттерный переход транзистара 20 прекращается, последний закрывается, а силовой транзистор 3 открывается (фиг. 2в, и). При этом открытие транзистора происходит при нулевом напряжении на нем, чем обеспечивается безопасная траектория включения силовых транзисторов. В

35 интервале времени t3-t4 силовой транзистор 3 открыт, к секции 2.1 первичной обмотки трансформатора 1 приложено напряжение питания (полярность в скобках), В момент времени t4 снимается открывающий сигнал с управляющего входа силового транзистора 3 (фиг. 2а). Транзистор 3 закрывается, и ток в нем в интервале времени t4-t5 спадает до нуля (фиг. 2и). Ток первичной обмотки 2 трансформатора 1 замыкается по цепи: начало секции 2,1— конденсатор 14 — диод 16 — база-эмиттерный переход транзистора 21 — конденсатор

15 — конец секции 2,2, При этом конденсатор

15 разряжается (фиг. 2е), а конденсатор 14 заряжается (фиг, 2д), Так как ток разряда конденсатора 15 протекает через база-эмиттерKûé переход транзистора 21 (фиг. 2л), последний открывается и шунтирует управляющий переход силового транзистора 4 (фиг, 2г), Таким образом транзистор 4 остается в закрытом состоянии на время перезаряда конденсаторов 14 и 15 в интервале времени t4 — t6.

В момент времени te транзистор 4 открывается (фиг. 2г, з), к секции 2.2 первичной обмотки трансформатора 1 прикладывается напряжение питания (полярность без скобок).

В момент времени тт.снимается открывающий сигнал с управляющего входа транзистора 4, и процессы в устройстве повторяются, При нагрузке узел 22 управления па сигкалу с датчика 5 тока снимает открывающие сигналы с управляющих входов транзисторов 3 и 4 и размыкает ключевой элемент 7.

Дроссель 7 ограничивает нарастание тока на время срабатывания защиты.

В инверторе(фиг.1) в интервалах времени t> — tz, t4 — ts (фиг. 2) приведенный к первичной обмотке 2 ток протекает через база-эмиттерные переходы транзисторов

20 и 21. В низковольтных мощных преобразователях значение этого тока может быть больше максимального допустимого тока базы.

В инверторе (фиг. 3) в цепи разряда конденсаторов 14 и 15 включены пороговые элементы 26 и 27, состоящие, например, из последовательно соединенных диодов. Падение напряжения на элементах 26 и 28 в интервалах времени tz-t8, tp-t6 через резисторы 28 и 29 прикладывается к база-эмиттерным переходам транзисторов 20 и 21, В ыбором напряжения пороговых элементов

26 и 27 и резисторов 28 и 29 обеспечиваются номинальные режимы транзисторов 20 и 21.

1746502

При отключенной нагрузке инвертора переэаряд конденсаторов 14 и 15 осуществляется током намагничивания трансформатора 1 (фиг, 2м). Если используется серийный трансформатор с током намагни- 5 чивания, недостаточным для перезаряда конденсаторов 14 и 15, параллельно первичной обмотке трансформатора 1 подсоединяется дроссель 25 (фиг, 4), В предлагаемом двухтактном инверто- 10 ре закрытие дополнительных транзисто- ров, шунтирующих база-эмиттерные переходы силовых транзисторов, происходит в момент прекращения тока переэаряда коммутационных конденсаторов, соответст- 15 вующий моменту окончания их перезаряда и снижению до нуля напряжения нэ открывающемся транзисторе. При этом отсутствуют цепи, измеряющие напряжение на коллектор-эмиттерных переходах силовых 20 транзисторов и требующие тщательного подбора элементов, что по сравнению с известным, повышает КПД и надежность устройства, Формула изобретения 25

1. Двухтактный инвертор, содержащий выходной трансформатор, первичная обмотка которого отводом от средней. точки соединена с первым входным выводом инвертора, а крайними выводами подключена 30 к коллекторам силовых транзисторов, эмиттеры которых объединены и соединены с вторым входным выводом инвертора, первый коммутационный конденсатор, подключенный первым выводом к коллектору 35 первого силового транзистор, два дополнительных транзистора, каждый из которых коллектором подключен к базе соответствующего силового транзистора и шунтирован по цепи база-змиттер первым резистором, и блок управления, парафазные выходы которого соединены с базами силовых транзисторов,отличающийся тем,что,сцелью повышения КПД и надежности путем уменьшения динамических потерь мощности в силовых транзисторах при их включении, введен второй коммутационный конденсатор, подключенный первым выводом к коллектору второго силового транзистора, второй вывод каждого коммутационного конденсатора соединен с эмиттером соответствующего дополнительного транзистора и через соответствующий введенный диод — с эмиттерами силовых транзисторов, с которыми связаны базы дополнительных транзисторов.

2. Инвертор по и. 1, о тл ич а ю щи йс я тем, что указанная связь баз дополнительных транзисторов с змиттерами силовых транзисторов выполнена непосредственно.

3, Инвертор по и, 1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что указанная связь баз каждого из дополнительных транзисторов с эмиттерами силовых транзисторов выполнена через введенный второй резистор, а параллельно каждому диоду включен введенный пороговый элемент.

4. Инвертор поп.1,отл ича ющийс я тем, что параллельно первичной обмотке выходного трансформатора включен введенный дроссель.

1746502

О) дую 5

El Оулр»

8) Оюза ) 06.И д) Uig

Йх

- ) ЙоЬ ) 4, Oezy

uf 1a, баэз 6 0 и) 1621 и) 1i i

1746502

1746502

Г 1

I !

1 з

Составитель В.Фоминых

Редактор Н.Тупица Техред M.Mîð åíòàë Корректор Л.Мацо

Заказ 2402 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул.Гагарина тг1