Транзисторный инвертор

 

„„ „„ 1757069 А1 СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕЙНЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (й)5 Н 02 М 7/5383

ОПИСАНИЕ ЙЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ! ф

1 . ::., ::::.: .. - -..:..::2, - (21) 4916425/07; .:;.:, .-".:: ::::.: - .. половину периода С- помощью обмотки 5 об(22) 29.12.90 " ":.:.. ::: " . ::." - :: . :, .;: : :. ::::::;:-:: ратной связи силового:трайсформатора 3. (46) 23.08.92. Бюл. %31" .:"::. : .- --:::::,: -",::, Первые 9 и 10 и вторые.11 и 12 диоды обраавтоматики- : .,: : -",",::::, :, .,-:.,::. :,:..,:;:,--.., ::"-.:,: .. ления, Возвратный: транзйстор 28 и (56) Авторское"свидетельство СССР:: .::::.: .::::::,::: врат реактивной -энергии нагрузка в источ М 1457130, кл. НО2 M 7/537;: 1987 :::::::;.:- :.::-::: ных резисторов 25 и: 26: и 0-триггера 37 . - 6локихиется отпиоание."силовоготранзистовые транзисторы 1 и 2 переключаются через",:,.;: транзистора 1(2). 3. ил."

=". - д

1757069

Изобретение относится к технике пре- габаритам и работать далеко от состояния . образования энергии постоянного тока в насыщения. энергию переменного тока и может быть Наиболее близким к предлагаемому явиспользовано для создания источников вто- ляется инвертор, который содержит трансричного электропитания с бестрансформа- 5 форматор, два силовых транзистора, . торным входом. коллекторы которых соединены с выводами

Известные преимущества двухтактных первичной обмотки трансформатора, имеюпреобразователей, симметрия схемы, улуч- щий среднюю точку, подключенную к перво- - шенные габаритно-массовые характеристи- му входному выводу, а эмиттеры .ки и высокий КПД, трудно реализуются 10 объединены и через последовательно соеиз-за сквозных токов и замагничивания сер- диненные коммутирующий трайзистор и редечника трансформатора, поэтому однотак- зисторный шунт с вторым входным тные преобразователи успешно выводом, база каждогосиловоготранзистоконкурируют с двухтактными, особенно для ра через соответствующий резистор соедиповышенных входных напряжений. Имеют- 15 нена с выводом обмотки обратной связи и ся различные техническйе решения, на- через соответствующий диод к шине питаправленные на устранение этих " нйя управляющей схемы, выводы обмотки недостатков классического двухтактного обратной связи через соответствующие дипреобразователя.. " - : оды соединены с точкой соединения коммуИзвестен преобразователь, содержа- 20 тирующего транзистора и резистивного щий конденсатор, который соединяет ба3ы шунта и с выводами "Общий" дополнительуправляющих транзисторов, коллекторы ко- ного двухполярного источника напряжения, торых соединены с базами силовых транзи- выход "+" которого соединен с шиной питасторов. Базы управляющих транзисторов ния управляющей схемы. Эта схема содерчерез резистор подключены кдополнитель- 25 жит последовательно соединенные ной обмотке обратной связи с такой поляр- пороговый одновибратор,,диод. RC-фильтр, ностью, что получается отрицательная компаратор и усилитель мощности, выход обратная связь. По мере перезаряда кон- которого соединен с базой коммутирующе. денсатора происходит-йереключение сило- го транзистора. За счет форсированного завых транзисторов, время переключения 30 пирания коммутирующего транзистора при выбирается таким; чтобы йереключения превышении током порогового уровня этот происходили без насыщения сердечника. инверторимеетповышеннуюнадежностьи

Недостатком этой схемы является сквозной уменьшенные потери йри переключении.ток во время открытого состояния обоих си- : . " Однако при наличии индуктивности расловых транзисторов; несмотря на принуди- 35 сеяния первйчной обмотки силового транстельное переключение до достижения форматора на сйловых транзисторах при насыщения сердечника, сквозной ток дейст- . переключений появляются вйбросы напрявует на время выключения силового иуправ- жения, намного превышающие преобразуеляющего транзисторов, Это вынуждает мое напряжение и выводящие транзисторы исйользовать в преобразователе транзисто- 40 из строя, традиционййе методы демпфирорыс значительнымзапасомйомаксймально вания,снижают КПД. Выбросы другой подопустимому току . " ..: лярности на коллектор силового

В преобразователе, в котором в базо- транзистора. переводят его в инверсное вйе цепи силовых транзисторов, включены включение, следствием чего является дообмотки дополйительйого насыщающегося 45 полнительный разогрев. Существенным трансформатора, включение силового тран- недостатком является наличие вспомогазйстора не происходит, пока другой силовой тельного двухполярного источника питания: транзистор не включится и насыщающийся его формирование при больших преобразутрансформатор не перейдет в насыщенное . емых напряженийсложнои приводиткснисостояние. При правильном подборе режи- 50 жению КПД, ма насыщающегося трансформатора эта Цель изобретения — повышение КПД и схема работает без сквозных токов, однако упрощенйе. насыщению сердечника трансформатора В инвертор, содержащий два силовых она не может препятствовать. При работе транзистора, коллекторы которых соединена повышенных частотах и мощностях по- 55 ны с выводами первичной обмотки трансстоянная составляющая индукции сердеч- форматора, имеющей среднюю точку, ника при приближении к насыщению все подключенную к шине питания, змиттеры— более накапливается до выхода силовых с коллектором коммутирующего транзистотранзисторов из строя, Это заставляет де- ра, а базы — через базовые резисторы с лать трансформатор с большим запасом по соответствующими выводами обмотки об5 1757069 6 ратной связи„эти выводы через диоды цепи блокирующие третьи диоды 15 и 16, возуправления соединены с эмиттером комму- вратные четвертые диоды 17 и 18, демпфитирующего транзистора, базы силовых . рующие конденсаторы 19 и 20; гасящие транзисторов через запирающие диоды со- . резисторы 21 и 22, транзистор 23 управлеединены с шиной питания схемы управле-: 5 ния,-ограничительный регистр 24, измериния. которая. соединена с входом питания . -тельные резйсторы 25-27, возвратный усилителя мощности, выход которогосоеди.-: транзистор 28, RC-фильтр 29, конденсатор нен с базой коммутирующего транзистора, . 30 цепи питания, задающий генератор 31, эмиттер которого через резйстивный шунт логический элемент НЕ 32, логические эле- . подключен к другой шине питания,. ЯС-.. 10 менты 2И вЂ” НЕ 33-36, О-триггер 37, усилифильтр, койденсатор шины пйтания схемы . тель 38 мощности, выполненйый по схеме

" управления, введены два блокирующих::- ТТЛ (фиг.2), токовый инвертирующий эледиода, соединяющих коллекторы силовых - . мент 39 ("токовое зеркало", фиг.2), нагрузку транзисторов с соответствующими выво-.: . 40, первый вйвод 41 цейи".питания узла уп- дами первичнойобмоткитрансформатора, .15 равления, шийы 42 и 43, первый и второй которые соединейы двумя встречно-после- ;: входные выводы инвертора,:..довательносоединеннымивозвратнымиди-:::.:.: Транзисторы 1 и 2 и трансформатор 3 .. одами, два блокирующих конденсатора,: " соединены по двухтактной схеме с нулевым соединяющих базу одного силового транзи-.," выводом, базы транзисторов 1 и 2 соединестора с коллектором другого, два гасящих 20 ны через резистор 7, обмотку 5 обратной резистора,-подключенных параллельно бло-.,; :, . связи и резистар 8, коллекторы через третьи

- кирующим конденСаторам; транзисторный ::-:диоды 15,и 16 — с соответствующими вывокаскад рабочего тока; выполненный по схе-.,-:::- дами обмотки 4, а эмит1еры подключены к ме ОЭ, транзйсторный каскад возвратного -: выходу усилителя 38, змитер транзистора тока; выполненнйй посхеме с ОБ,токовый 25. 13 через резйстивный датчик:14 тока — -к ийвертор, четыре логических элемента 2И-.;::::; общей шине 42 и базе уйравляющего транющий генератор;- - Входы питания : .щине- 42, а коллектор через ограничитель задающего генератора и всех логических,::,. ; ный резистор 24 — к первому входному выэлементов подключены к шине питания с>{е- 30. воду инвертора 41. равление коммутирующим транзистором":в по схеме с общей базой, в коллекторной . эайиСимости- от состояния рабочего и воз-.:..:. : цепи — два йоследова ""ельно соединенвратного токов.. :, . -: ::::;- :=:. :,:: ":,.:::::: нъ1х резистора 25 и 26,:в эмиггерной — резиПредлагаемый инвертор имеет преиму -.::35 стор 27, эмиттер возвратного трайзистора щество в меньших "потерях при йовыаен--:- :::, : . 28 подключен к точке соединения анодов ных входных йапряжейиях и пониженной ", "четвертых диодов 17 и 18, катоды" которых тельных источников пйтания . B отношении:. - обмотки 4, инвертор снабжен цепями поло йнверторов с задержкой включения йрейму-: 40 жительйой обратной связи". коллектор сило щество состоит в надежности и больШом :;:ваго транзйстора 1 через"демпфирующий допустимом входном найряжении. В отйо;- ..:.:. конденсатор 19 и гасящий резистор 21 соешейии двухтактного инвертора с ключами ::.:. ::.:динен с базой транзистора 2, его коллектор выполненными по каскадной схеме, с внеш-.:, ;:,,-"-через конденсатор 20 и гасящии резистор 22 ним управлением, преимущество состоит. в 45 соединен с базой транзистора 1, простоте силоаой части и более высоком,:: ":.::. Базы транзисторов 1 и 2 соединены такКПД. - . -,::::::-,.".:.:;:.: ..:.-::,. .- ::::::. :же через вторые дйоды.11,12 с шиной 41

На фиг 1 представлена электричесКая-. -. питания, выводы" обмотки 5 через-первые схема инвертора; на фиг.2 — электрическая:.:::диоды 9 и 10 — c:ýìèòòåðîì òðàíçèñòîðà 13. схема усилителя мощности и токового ин-: 50 К шинам 41 и 42 питания подключены конвертора; на фйг.3 — временные диаграммы ": денсатор 30, задающий: генератор 31 и всекоммутации. логические элементы 32-39, выход задаюТранзисторный инвертор (фиг.1) содер- : щего генератора 31 соединен с входом элежит силовые транзисторы 1 и 2, трансфор-:.. мента 33 и через последовательно матор 3, имеющий первичную обмотку 4, 55 соедийенные элемент 32 и RC-фильтр 29 с обмотку 5 обратной связи и выходную.об-, другим входом"элемента 33, выход которого мотку 6, базовые резисторы 7 и. 7, первые. соединен с входом элемента 34, другой вход диоды 9 и 10 цепи управления, вторые запи- . которого подключен к коллекторууправляюрающие диоды 11 и 12, коммутирующий щего транзистора 23, выход которого подтранзистор 13, резистивный датчик 14 тока, . ключен к шине 4", питания, С-вход — к точке

1757069 соединения резисторов 25 и 26, а выход соединен с входом элемента 35, другой вход которого подключен к выходу элемента 33, а выход соединен с входом элемента 36, другой вход которого подключен к коллектору управляющего транзистора 23, а выход соединен с входом усилителя 38, другой выход которого соединен с входом токового инвертора 39, выход которого соединен с эмиттером транзистора 13.

Инвертор работает следующим образом;

При подаче перви, ного питания на шины 42 и 43 независимо от скорости нарастания питающего напряжения происходит заряд конденсатора 30 от шины 43 через обмотку 4, диоды 15 и 16, резисторы 21 и 22, диоды 11 и 12, при этом при малой величине напряжения потребление тока логическими элементами (при использовании элементов

КМОП) очень мало. При достижении достаточного потенциала на шине 41 питания начинает работать задающий генератор 31, который выдает на выходе импульсную последовательность, которая, поступая на один вход элемента 33 без задержки, а на другой вход с задержкой, образует на выходе этого элемента короткие импульсы (диаграмма 45).

Пройдя через элемент 34, эти импульсы инвертируются и обнуляют триггер 37, который своим инверсным выходом снимает сигнал с элемента 35, переводя его в режим . инвертирования сигнала элемента 33, который, проходя еще через два инвертирующих элемента 36 и 38, включает транзистор 13.

Таким образом подается питание на силовую двухтактную схему с нулевым выходом, снабженную двумя положительными обратными связями: через обмотку 5 и резисторы

7 и 8, а также через конденсаторы и резисторы 19-22 °

В резугьтате схема переходит в одно из двух устойчивых состояний, когда один из транзисторов 1 и 2 открыт, а другой закрыт, это состояние продолжается во время действия включающего импульса на базе транзистора 13, в это время происходит увеличение тока через одну из половин обмотки 4 с соответствующим накоплением энергии в трансформаторе 3. После окончания импульса на базе транзистора 13 цепь питания двухтактной силовой схемы разрывается, ток через обмотку 4 резко уменьшается и полярность напряжения на всех обмотках трансформатора меняется на противоположную, в результате этого в управляющем контуре, состоящем из перехода

Э-Б транзистора 1, резистора 7, обмотки 5, резистора 8 и перехода Э-Б транзистора 2, 5

10 возникает ток с противоположным направлением току, который протекая до выключения транзистора 13.

Этот ток включает ранее выключенный транзистор 1 или 2 и выключает ранее включенный, при очередном включении транзистора 13 процесс повторяется с включением другой половины обмотки 4. Одновременно с этим переключением напряжение на одном из коллекторов транзисторов 1 и 2 увеличивается, на другом уменьшается, При увеличении напряжения на коллекторе транзистора через конденсатор 19 или 20 протекает ток на базу другого транзистора

15 и через диод 11 или 12 на шину 41 питания, таким образом осуществляется усиление положительной обратной связи и утилизация энергии демпфирования.

Работа инвертора происходит с боль20 шой скважностью, равной отношению периода генератора 31 к времени RC-цепи, демпфируемая энергия в этом случае мала.

При уменьшении напряжения на коллекторе транзистора через один из диодов 15 и 16

25 и один из конденсаторов 19 и 20 на базу другого транзистора протекает дополнительный к управляющему запирающий ток, после закрывания диода 15 и 16 потенциал вывода обмотки 4 еще уменьшается и начи30 нает протекать ток через диод 17 или 18.

Этот возвратный ток протекает от шины 42 через переход Э-Б транзистора 28, диод 17 или 18, половину обмотки 4 на шину 43 и возвращает накопленную энергию транс35 форматора3 в первичный источник питания.

При малой скважности работы возвратный ток также мал.

Пусть при очередном переключении (момент Ь на фиг.3) элемент 33 выключает40 ся, его сигнал через элементы 35,36 и 38 поступает на базу транзистора 13, он выключается через время, равное сумме задержек распространения сигнала элементов 35,36,38 и 13 (момент t<). В этот

45 момент происходит переключение и возникает возвратный ток по диаграмме 46 (сплошная линия), который прекращается в момент tz, когда энергия, запасенная в трансформаторе, полностью перейдет в

50 первичный источник, при этом транзистор

28 закрывается, на входе стробирования триггера 37 устанавливается высокий уровень, и триггер перебрасывается в состояние с низким уровнем на выходе, 55 включающем через элементы 36,35 и 38 транзистор 13.

Таким образом, в интервале t> — © трэнзистор 13 выключен, в интервале от tg до с1 следующего цикла включен, диаграмма 47 (сплошная линия) показывает сигнал на ба10 зе транзистора 13, управляющий переклю- питания, что упрощает инвертор и павышачениями схемы. Эти переключения вызйва " ет надежность, Наличие задающего гейерают изменения напряжения на обмотках тора и работа на постоянной частоте дают трансформатора, диаграмма 48 показывает " возможность максимально использовать чанапряжение на одном из выводов обмотки 5 статные свойства силовых транзисторов, 4,напряжениенадругомвыводеполучается т.е. улучшить габаритно-массовые харвктесдвигом на половину периода. : ристики, При подключении нагрузки 40 при

При включении транзистора 13 через . достаточнобольшомтокенагрузкитокзапишунт 14 протекает ток, равный току через. рания через диоды 11 и 12 пропорционален обмотку 4, так как базовый ток транзисторов 10 току нагрузки, этим достигается пропорци1 и 2 компенсируется подсоединением дио--: ональйое токовое управлениетранзисторам дов 9 и 10 к эмиттеру транзистора 13;его 13. Схема утилйзации воэвратйого тока в базовый ток отводится на общую шину.че- первичную сеть питания и управление этой рез инвертор 39 тока, который выполнен схемой дает возможность работать в ширафункцию задания величины тока на нулевом 15 ком диапазоне нагрузок с большим КПД, а в уровне потенциала повелйчине така"на дру-" сочетании с остальными введенными элегом уровне. При превышении величины така мейтамл регулировать намагничивание серчерез резистивный датчик 14 тока транзи- "" дечника трансформатора и исключить стор 23 открывается, ситнал о превышении . превышение максимальйа допустимых рерабочего тока поступает на вход элемента 20 жимав силовых элементов, 34 и аналогична сигналу с элемента 33 вы- Преимущества предлагаемого инвертоключает транзистор 13. ра особенно проявляются при высоком

Сигнал о превышении тока заведен так-"" входном напряжениМ. Макетирование инженавходэлемента36, во время прохожде- : верторамащнастью200Втпри входном нания сигнала через элементы 34,37 и 35 с 25 пряжении 300 В на частоте 150 кГц на запоминанием превышения в триггере" транзисторах KT 859,диодах КД 212 позвовключение транзистора 13 происходит па ": ляет достичь объема 0,1 дм и массы 0,3 кг укороченному пути — через элементы 36 и йри КПД преобразования 0,85, что не может

38. Превышение рабочего тока может пра- быть получено известными схемами. изойти либо при малом сопротивлении на- 30 грузки 40, либо из-за насыщения . Формула изобретения сердечника трансформатора, например, при несимметрии схемы или воздействии Транзисторный инвертар, содержащий электромагнитного импульса на схему. силовой трансформатор, первичная обмотВ первом случае после включения тран- 35 ка которого отводом от средней точки соезистора 13 в момент тз превышение така динена с первым входным вьгводам происходит практически сразу и через не-:: .: инвертора, а крайними выводами связана с большоевремязадержкиэлементав23„36и .. коллекторами силовых транзисторов, об38 транзистор 13 выключается (диаграмма мотка обратной связи каждым выводам са49 показывает вэтом случае сигнал на базе 40 единена через базовый резистор с базой транзистора 13), при этом возвратный ток соответствующего силового транзистора и определяется индуктивностью рассеивания - "через первый диод — с первым выводам реобмотки 4 и мал по величине, сопротивле-. . зистивногодатчикатока,второй вывадкатание резистора 27 выбирается таким, чтобы: рого соединен с вторым входным выводом возвратный ток не приводил к включению 45 инвертара., коммутирующий транзистор, сотранзистора 28. единенный эмиттером с первым выводом

Во втором случае превышение тока резистивнаго датчика тока, а коллектором— происходит в конце интервала времени с ° с объединенными эмиттерами силовых включенным состоянием транзистора 13 транзисторов, база каждого иэ которых че(на диаграммах 46 и 47 пунктирная линия), 50 рез соответствующий второй диод соединев результате намагничивание сердечника на с первым выводом цепи питания узла трансформатора в направлении, близком к управления, причем второй вывод этой цепи насыщению, укорачивается по времени, а; объединен с вторым входным выводом иннамагничивание в противоположном йа- вертора, и RC-фильтр, отличающийся правлении удлиняется, таким образом, 55 тем,чта,c öåëüþповышения КПДиупрощеосуществляется регулирование намагничи-. ния,-связь каждого крайнего вывода первичвания; ной обмотки силового трансформатора с

Введение токового инвертора и блоки-- коллектором соответствующего силового рующих конденсаторов позволяет устра- транзистора выполнена через согласно-понить из схемы вспомогательные источники следовательно включенный введенный тре1757069

12 тий диод, между коллектором каждого сило- логического элемента Н Е, выход первого лового транзистора одного плеча инвертора и гического элемента 2И вЂ” HE соединен с пербазой силового транзистора другого плеча выми входами второго и третьего инвертора.включен введенный демпфирую- логических элементов 2И-Н Е, второй вход щий.конденсатор, шунтированный введен- 5 третьего логического элемента 2И вЂ” НЕ подным гасящим резистором, введен узел ключен к выходу О-триггера, входстробиро- . возвратного тока, состоящий из двух чет- вания которого подключен к точке. вертых диодов., соедйненных первыми вы- соединения nepaoio и второго измерительводами с краййими вйводами первичной: ных резисторов, вход данных — к первому . обмоткисиловоготрансформатора,авторы- 10. выводу цепи питания узла управления, а ми выводами с эмиттером возвратного тран- вход обнуления; к выходу второго логиче- зистора., коллектор кОторого через.:: ского элемента 2И-НЕ, второй вход когоро- . последовательйо соединенные- первый и . го подключей к коллектору управляющего второй измерительные резисторы подклю-: транзистора и первому входучетвертоголочен к первому выводу цепи питания узла 15 гического элемента 2И-НЕ, второй вход коуправлейия, а база подключейа к второму торого подключен к выходу третьего. входному выводу инвертора, при этом узел : логического элемента 2И-НЕ, а выход сое- управленииясостоитиззадающего гейерато- .: . дийен с входом усилителя мощности,-перра, О-.триггера; логического элемента НЕ,: . вый- выход которого соединен с базой первого, второго, третьего и четвертого ло- 20 коммутирующего транзистора, а второй вы-. гического злемейта 2И-НЕ, усилителя мощ-.:: ход через токовый инвертирующий элености, токового инвертирующего элемента мент ".соединен, с эмиттером иуправляющего транзистора, причем в@ход " коммутирующего транзистора и базой уй-, . задающего генератора:соединен с входом равляющего транзистора, соединенного логического элемента HE и первым входом 25 эмиттером с вторым входным выводом инпервого логйческого элемента 2И-НЕ, вто- вертора. а коллектором. через ограничирой .входкоторогосоединенсвйходом ЙС-. тельный резистор — с первым выводом фйльтра подключенного входом к выходу . цепи питания узлауправления.

1757069

Составитель 8.Чудаков

Техред M.Мортентал Корректор М.Максимишинец

Редактор И.Шулла

Заказ 3098 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, 101