Транзисторный инвертор

 

Использование: преобразование постоянного напряжения в переменное для систем вторичного электропитания и автоматики. Инвертор выполнен в виде N последовательно соединенных силовых мо2; -. дулей и N согласующих модулей. Каждый согласующий модуль содержит управляющий трансформатор, вторичная обмотка которого включена в эмиттерную цепь силового транзистора силового модуля. Каждый силовой модуль соединен с последующим модулем через возвратный диод. При работе происходит обмен энергией между силовыми модулями, а также между ними и согласующими модулями, в результате этого входное напряжение делится между модулями поровну. Эмиттерная коммутация силовых транзисторов посредством управляющего трансформатора обеспечивает малые динамические потери. 2 ил.,

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (s11s Н 02 M 7/538

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР)

OPIVICAHlrtE VI3OBPETEHVI)

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 .(21) 4899390/07 (22) 03,01.91 . (46) 07.01.93. Бюл. N 1 (71) Научно-исследовательский институт автоматики (72) В,С.Чудаков (56) Авторское свидетельство СССР

¹681524,,кл. H 02 M 7/537, 1977.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1534706, кл. Н 02 М 7/5387, 1989. (54) ТРАНЗИСТОРНЫЙ ИНВЕРТОР (57) Использование: преобразование постоянного напряжения в переменное для систем вторичного электропитания и автоматики. Инвертор выполнен в виде N последовательно соединенных силовых моИзобретение относится к технике преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока и может быть использовано в системах вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры. . Основной параметр преобразователей —. удел ьная мощность — неизбежно с вяза н с частотой преобразования. Однако при увеличении частоты преобразования растут потери на переключение силовых транзисторов с соответствующим снижением надежности, Пути увеличения частоты преобразования состоят в использовании более высокочастотных транзисторов и улучшении динамической траектории переключения.

Технология изготовления высоковольтных транзисторов (наличие высокоомного полупроводника в коллекторном переходе) не дает возможности достичь высоких частот. Так, распространенный в сетевых пре,, 4 „„1786623 А1 дулей и N согласующих модулей, Каждый согласующий модуль содержит управляющий трансформатор, вторичная обмотка которого включена в эмиттерную цепь силового транзистора силового модуля.

Каждый силовой модуль соединен с последующим модулем через возвратный диод.

При работе происходит обмен энергией . между силовыми модулями, а также между ними и согласующими модулями, в результате этого входное напряжение делится между модулями поровну. Эмиттерная коммутация силовых транзисторов посредст-- вом управляющего трансформатора обеспечивает малые динамические потери.

2 ил. образователях транзистор КТ828 имеет вре.мя включения до 550 нс, а время выключения — до 10000 нс, что при неблагоприятной динамической траектории ограничивает частоту переключений до 20 кГц. Снижение допустимого напряжения в восемь раз (транзистор 286ЕПЗ) позволяет уменьшить времена до 200 и 420 нс соответственно и увеличить частоту до 400 кГц. Эта общая для биполярных транзисторов закономерность делает невыгодным для преобразования напряжение выше 30 В.

Методы улучшения. динамической траектории переключения фактически состоят в отводе энергии переключения на резистор и уменьшают КПД преобразования.

Известен модульный преобразователь с последовательным соединением модулей преобразования на входе и параллельным соединением на выходе, Здесь входное напряжение делится поровну между модулями

1786623 и напряжение на силовых транзисторах снижено. Этот преобразователь имеет следующие недостатки: — необходимость параллельного соединения на выходе: только при этом условии напряжение между модулями делится по,ровну; — при использовании в качестве модуля полумостового инвертора несимметричность схемы; один транзистор включен по схеме с общим эмиттером, другой — с общим коллектором; — при использовании высокочастотных транзисторов ненормируемость скорости переключения, что недопустимо в случае питания от инвертора индикаторов переменного тока, а при выпрямлении напряжения вызывает повышенный уровень помех, Низкий уровень помех и высокий КПД имеют резонансные инверторы, но они характеры тяжелым режимом используемых конденсаторов и повышенными напряжениями на транзисторах, Наиболее близок к предлагаемому инвертор по авт. св, ¹ 1534706, кл, Н 02 M

7/5387, 1990, который содержит силовой трансформатор и шесть силовых транзисторов, собранных по мостовой схеме, состоящей из двух одинаковых плеч. Каждое плечо состоит из трех последовательно соединенных транзисторов, подключенных к входным шинам питания. К точкам соединения транзисторов подключены выводы двух первичных обмоток трансформатора и возвратные диоды, первый диод соединяет к-э верхнего транзистора, второй и третий диоды соединены последовательно и соединяют к-э среднего транзистора, точка соединения второго и третьего диодов соединена с выводом конденсатора, другой вывод которого соединен с входной шиной питания, Указанное соединение приводит к тойу, что напряжение на транзисторах не превышает половины напряжения питания.

Недостатком этого инвертора является отСутствие аналогичной полумостовой схемы, являющейся упрощенной при небольшой мощности. Кроме того, питание схемы управления силовыми транзисторами при повышенном входном напряжении становится затруднительным и положительный эффект достигается только для входного напряжения, превышающего допустимое напряжение силового транзистора не более, чем в два раза.

Цель изобретения — повышение допустимого входного напряжения при высокой частоте преобразования.

Эта цель достигается тем, что инвертор, содержащий силовой трансформатор, сило15

20 с выводом первичной обмотки согласующе25 го трансформатора, другой вывод которой

30 модулях напряжений

50 силовых транзисторах; — в отношении высокочастотного резо55 нансного инвертора (см. там же, с.244, рис.6.34) преимущество заключается в

10

45 вые транзисторы; возвратные диоды и конденсатор, силовые транзисторы, возвратные диоды и конденсатор, разбит на последовательно соединенные модули, каждый модуль содержит силовой транзистор, возвратный диод, гасящий резистор и конденсатор, первый вывод которого соединен через вторичную обмотку согласующего трансформатора с эмиттером транзистора и через гасящий резистор с базой, второй вывод через первичную обмотку силового трансформатора соединен с коллектором транзистора, который через возвратный диод соединен с вторым выводом конденсатора следующего модуля. Управление этими силовыми модулями осуществляется через согласующие трансформаторы блока согласования, который соединен последовательно с силовыми модулями и также имеет модульную структуру. Каждый согласующий модуль содержит согласующий трансформатор, транзистор и конденсатор, первый вывод которого через транзистор соединен соединен с вторым выводом конденсатора.

Потребляемый от первичной сети питания так последовательно проходит через все силовые и согласующие модули, что обуславливает малую величину действующих на

Существенность отличий предлагаемого инвертора заключается в следующем: — в нем использована совокупность существенных признаков, не обнаруженная в известных инверторах; — в отношении прототипа предлагаемый инвертор имеет преимущество в виде модульной структуры с возможностью наращивания при обеспечении одинаковых рабочих напряжений на транзисторах и диодах; — в отношении модульных структур инверторов с последовательным соединением модулей по входу (см. Ромаш Э.М. и др.

Высокочастотные транзисторные преобразователи, M. Радио и связь, 1988, с,245, рис,7.1б). Данный инвертор имеет преимущество в возможности неравномерной нагрузки модулей и более низком уровне помех благодаря нормируемой скорости переключения, а также в меньших потерях на меньших рабочих напряжениях и меньших габаритах и массе используемых конденсаторов благодаря меньшей реактивной мощности.

1786623

На фиг.1 представлена электрическая схема четырехмодульного инвертора с управляющими блоками; на фиг.2 — временные диаграммы коммутации, Транзисторный инвертор (фиг.1) содержит четыре силовых модуля, каждый из них содержит силовой транзистор Ii-!4, возвратный диод 2 -2, конденсатор 31 34 и гасящий резистор 41-44. Инвертор содержит два силовых трансформатора 5, 6, каждый иэ них содержит две первичные обмотки 51, 5з и 6, 64. Инвертор содержит также четыре согласующих модуля, каждый из них содержит транзистор 71-74, конден5

9 -94 с соответствующими первичными 10 и вторичными 11 обмотками. Схема управления инвертором (на фиг.1 обведена пунктиром) содержит четыре резистора 12> — 12д, 20 четыре трансформатора 13>-134, каждый иэ них имеет первичную и вторичную обмотки, стабилитрон 14, конденсатор 15, задающий генератор 16 и распределитель импульсов

17. Первичное напряжение питания подает25 ся на инвертор по шинам 18, 19. В каждом силовом модуле эмиттер транзистора 1 через обмотку 11 согласующего трансформатора соединен с первым выводом конденсатора 3 и через резистор 4 с базой

30 транзистора 1, второй вывод конденсатора

3 через первичную обмотку силового трансформатора 5 или 6 соединен с коллектором транзистора 1 и анодом диода 2. Второй вывод конденсатора 3 каждого модуля соединен с первым выводом конденсатора 3 следующего по схеме модуля, первый вывод конденсатора 3 первого модуля соединен с шиной питания 18, второй вывод конденсатора 3 последнего (четвертого) модуля сое40 динен с эмиттером транзистора 7 первого согласующего модуля. Катод возвратного диода 2 каждого силового модуля соединен с вторым выводом конденсатора следующего модуля, катод диода 2 последнего (четвертого) модуля соединен с шиной 19 первичного питания. В каждом согласующем модуле эмиттер транзистора 7 соединен с первым выводом конденсатора 8, второй вывод которого через обмотку 10 согласующего трансформатора соединен с коллектором транзистора 7. Второй вывод конденсатора 8 каждого согласующего модуля соединен с первым выводом конденсатора 8 последующего модуля, первый вывод

50 конденсатора 8 первого согласующего мо55 дуля соединен с вторым выводом конденсатора 3 последнего (четвертого) силового модуля, второй вывод конденсатора 8 последнего (четвертого) согласующего модуля соединен с айодом стабилитрона 14, персатор 81 — 84 и согласующий трансформатор .15 вым выводом конденсатора 15, первыми входами питания задающего генератора 16 и распределителя импульсов 17, вторые входы питания которых подключены к шине 19 первичного питания, и к выводам первичных обмоток трансформаторов 13, другие выводы которых подключены к входам распределителя импульсов 17, вход которого соединен с выходом задающего генератора, вторичные обмотки трансформаторов 13 соединены с эмиттером и через резистор 12 с базой транзистора 7 соответствующего согласующего модуля. Каждый согласующий трансформатор 9 гальванически развязывает соответствующие силовой и согласующий модули, первичные обмотки силового трансформатора 5 включены в первый и третий силовые модули в противофазе, первичные обмотки трансформатора 6 аналогично включены во второй и четвертый модули (двухфаэная система).

Инвертор работает следующим образом, Задающий генератор 16 вырабатывает синхронизирующие импульсы (диаграмма

20 на фиг.2), которые распределитель импульсов 17 разворачивает в четыре импульсных последовательности (диаграммы

21 — 24 на фиг,2). Эти импульсные последовательности через трансформаторы 13, резисторы 12, транзисторы 7, трансформаторы 9 поочередно открывают и закрывают соответствующие силовые транзисторы 1. Во время действия сигнала на транзисторе 11 по диаграмме 21 транзистор 1> открыт и сумма напряжений конденсатора 31 и обмотки 11 за вычетом небольшого остаточного напряжения на транзисторе 11 прикладывается к обмотке 51. Эта Сумма напряжений трансформируется в обмотку

5э и через диод 2з вызывает заряд конденсатора 34, таким образом, кроме передачи энергии конденсатора 3<, в нагрузку, как в обычном инверторе, происходит перекачка энергии.из конденсатора 3> в конденсатор

34, Иэ-за индуктивности рассеивания трансформатора динамика перезаряда конденсатора носит колебательный характер, она закончится при пониженных значениях тока через транзистор 1>. Одновременно происходит подзаряд всех конденсаторов. 3 от первичного источника через схему управления и согласующие модули (диаграмма 25 показывает динамику тока через транзистор 1<, диаграмма 26 — изменение напряжения на конденсаторе 3 . соответствующие диаграммы остальных силовых модулей получается сдвигом по фазе, в соответствии со сдвигом диаграмм 21 — 2э), По окончании действия импульса на диаг1786623 рамме 21 происходит выключение транзистора 1i и одновременное включение транзистора 1д, после чего процесс повторяется для четвертого модуля, В то же время индуктивность рассеивания обмотки 5) передает запасенную энергию на конденсатор Зг через возвратный диод 21.

При последовательной коммутации си-ловых и согласующих модулей потребляемый от входных шин 18, 19 ток последовательйо проходит через все модули и напряжение первичного источника за вычетом напряжения на стабилитроне 14 делится между модулями. В процессе работы кроме передачи энергии в нагрузку происходит обмен энергией между модулями, Если один из силовых модулей имеет меньшее напряжение на конденсаторе 3, то он меньше передает энергии другим модулям.

Согласующие модули дают добавку напряжения на первичных обмотках трансформаторов 5 и 6 и аналогично обмениваются энергией с силовыми модулями. Таким образом, первичное напряжение за вычетом напряжения схемы управления на стабилитроне 14 делится поровну на пять частей: четыре части на четырех силовых модулях и одна часть на всех согласующих модулях.

Предлагаемая схема переключения силового транзистора имеет сходство co схемой с демпфирующей цепью с двумя отличиями: выделяемая энергия не рассеивается на резисторе, а передается в другой модуль. Кроме того, выключение транзистора 1 происходит по эмиттеру при понижен ном напря>кении на транзисторе. Это дает значительное уменьшение коммутационной нагрузки силовых транзисторов (см. там же, динамическая траектория выключения по казана пунктиром).

Последовательное соединение инвертирующих модулей позволяет неограниченно увеличивать первичное напряжение, при этом входное напряжение инвертора обеспечивается только конструкцией трансформаторов. Разбиение инвертора на низковольтные модули дает возможности использовать низковольтные транзисторы, уменьшить амплитуду помех, и улучшить габаритно-массовые характеристики. Кроме того, многотрансформаторная многофазная

25 согласующих модулей, соединенных по цепи питания последовательно между собой и с

30 силовыми модулями, между входными выво35

5

15 система позволяет сделать конструкцию плоской, т.е. выгодной для компановки и для отвода тепла, а также формированием ступенчатого напряжения облегчить его выпрямление на высоких частотах.

Предлагаемая схема наиболее эффективно использует возможности конденсаторов, большинство конденсаторов допускают не более 20 переменного напря>кения от номинального, предлагаемый иивертор занимает промежуточное положение ме>кду резонансным инвертором и инвертором с выходным напряжением прямоугольной формы. Преимуществом является и то обстоятельство, что в предлагаемой схеме пи- тание управляющей части и запуск производятся естественным путем.

Формула изобретения

Транзисторный инвертор, содержащий

N последовательно соединенных силовых модуля, в каждый из которых входят возвратный диод и силовой транзистор, соединенный коллектором с выводом соответствующей из

N первичных обмоток силового трансформатора, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности путем снижения напряжения на элементах, в него введено N дами каждого согласующего модуля включен первый конденсатор, а также цепочка из последовательно соединенных управляющего транзистора и первичной обмотки управляющего трансформатора, вторичная обмотка которого соединяет первый входной вывод соответствующего силового модуля с эмиттером силового транзистора, коллектор которого через первичную обмотку силового трансформатора соединен с вторым входным выводом данного силового модуля, который через второй конденсатор соединен с первым входным выводом данного силового модуля, подключенный через резистор к базе силового транзистора, коллектор которого через возвратный диод соединен с вторым входным выводом смежного силового модуля, а коллектор силового транзистора последнего силового модуля соединен через возвратный диод с входным выводом инвертора.

1786623!!

Ф

t (1 )!

3 !

t и2, Фиг.2

Составитель В.Чудаков

Техред M.Mîðãåíòàë Корректор М.Ткач

Редактор Т.Иванова

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 255 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4!5