RU217314U1

RU217314U1 - Externally Excited High Frequency Inverter

Info

Publication number: RU217314U1
Application number: RU2022133057U
Authority: RU
Inventors: Алексей Иванович Нефедьев
Filing date: 2022-12-16
Publication date: 2023-03-28

Abstract

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в мощных импульсных преобразователях напряжения для питания различных радиотехнических устройств. Технический результат - увеличение выходной мощности и надежности высокочастотного инвертора с внешним возбуждением путем включения силового биполярного транзистора в одном плече только после полного выключения силового биполярного транзистора в противоположном плече. Высокочастотный инвертор с внешним возбуждением управляется внешним задающим генератором с двумя противофазными выходами, и состоит из двух силовых биполярных транзисторов, в цепи эмиттеров которых включены трансформаторы тока, к коллекторам силовых биполярных транзисторов подключены первичные обмотки выходного трансформатора, точка соединения первичных обмоток подключена к положительному выводу источника питания. Устройство также содержит два электронных ключа, включенных в цепь управления силовыми биполярными транзисторами между выводами базы и отрицательным выводом источника питания для создания автоматической задержки их включения до момента выключения силового биполярного транзистора в противоположном плече высокочастотного инвертора с внешним возбуждением. 8 ил.

The utility model relates to the field of electrical engineering and can be used in high-power pulse voltage converters for powering various radio engineering devices. EFFECT: increased output power and reliability of a high-frequency inverter with external excitation by turning on the power bipolar transistor in one arm only after the power bipolar transistor in the opposite arm is completely turned off. A high-frequency inverter with external excitation is controlled by an external master oscillator with two anti-phase outputs, and consists of two power bipolar transistors, in the emitter circuits of which current transformers are connected, the primary windings of the output transformer are connected to the collectors of the power bipolar transistors, the connection point of the primary windings is connected to the positive output of the source nutrition. The device also contains two electronic switches included in the power bipolar transistor control circuit between the base terminals and the negative terminal of the power source to create an automatic delay in their activation until the power bipolar transistor in the opposite arm of the high-frequency inverter with external excitation is turned off. 8 ill.

Description

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в мощных импульсных преобразователях напряжения для питания различных радиотехнических устройств.The utility model relates to the field of electrical engineering and can be used in high-power pulse voltage converters for powering various radio engineering devices.

Известно устройство двухтактного усилителя мощности (Источники питания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / Г.С. Найвельт, К.Б. Мазель, Ч.И. Хусаинов и др.; Под ред. Г.С. Найвельта. - М.: Радио и связь, 1986, с. 364-365, рис. 9.12), содержащее инвертор с входным и выходным трансформаторами и двумя биполярными транзисторами, работающими в ключевом режиме, вторичная обмотка входного трансформатора выполнена с отводом от середины, с каждой половины которой противофазные сигналы управления подаются на базы биполярных транзисторов, к коллекторам которых подключены выводы первичной обмотки выходного трансформатора, средний вывод которой подключен к положительному выводу источника питания, вторичная обмотка выходного трансформатора выполнена с отводом от середины и образует с двумя диодами двухполупериодный выпрямитель со средней точкой, выход которого подсоединен к входу LC-фильтра с нагрузочным резистором на его выходе.A known device is a push-pull power amplifier (Power sources for electronic equipment: Handbook / G.S. Naivelt, K.B. Mazel, C.I. Khusainov and others; Edited by G.S. Naivelt. - M .: Radio and communication , 1986, pp. 364-365, Fig. 9.12), containing an inverter with input and output transformers and two bipolar transistors operating in the key mode, the secondary winding of the input transformer is made with a tap from the middle, from each half of which antiphase control signals are fed to bases of bipolar transistors, the collectors of which are connected to the primary winding of the output transformer, the middle terminal of which is connected to the positive terminal of the power source, the secondary winding of the output transformer is made with a tap from the middle and forms a full-wave rectifier with a midpoint with two diodes, the output of which is connected to the LC input -filter with a load resistor at its output.

Однако известное устройство двухтактного усилителя мощности характеризуется низкой надежностью, так как схема управления не обеспечивает необходимую временную задержку во время переключения транзисторов, что приводит к кратковременному увеличению потребления тока от источника питания в момент переключения, то есть в момент открытого состояния обоих транзисторов, повышению рассеиваемой на них мощности, и, в итоге, к снижению КПД и надежности.However, the known device of a push-pull power amplifier is characterized by low reliability, since the control circuit does not provide the necessary time delay during the switching of transistors, which leads to a short-term increase in current consumption from the power source at the moment of switching, that is, at the moment of the open state of both transistors, an increase in the dissipated power their power, and, as a result, to a decrease in efficiency and reliability.

Известен преобразователь, равный 12V/~220V (журнал «Радиоконструктор», 1999, №5, с. 27), содержащий инвертор на биполярных транзисторах, работающих в ключевом режиме, и управляемый от задающего генератора на логической микросхеме. К коллекторам выходных биполярных транзисторов подключены выводы первичной обмотки выходного трансформатора, средний вывод которой подключен к положительному выводу источника питания.A converter is known equal to 12V/~220V (Radioconstructor magazine, 1999, No. 5, p. 27) containing an inverter based on bipolar transistors operating in a key mode and controlled from a master oscillator on a logic chip. The outputs of the primary winding of the output transformer are connected to the collectors of the output bipolar transistors, the middle output of which is connected to the positive output of the power source.

Однако данный преобразователь характеризуется низкой надежностью, так как его схема управления не обеспечивает временную задержку во время переключения транзисторов, что приводит к кратковременному увеличению потребления тока от источника питания в момент переключения, то есть в момент открытого состояния обоих транзисторов, повышению рассеиваемой на них мощности, и, в итоге, к снижению КПД и надежности.However, this converter is characterized by low reliability, since its control circuit does not provide a time delay during the switching of transistors, which leads to a short-term increase in current consumption from the power source at the moment of switching, that is, at the moment of the open state of both transistors, an increase in the power dissipated by them, and, as a result, to decrease in efficiency and reliability.

Известен преобразователь напряжения (А.С. СССР №760352, МПК H02M 7/515, опубл. 30.08.1980, Бюл. № 24), содержащий задающий генератор и подключенный к нему через трансформатор усилитель мощности, собранный на двух транзисторах по двухтактной схеме, база каждого из транзисторов соединена с коллектором транзистора противоположного плеча через цепочку, образованную последовательно соединенными конденсатором и одним диодом, к общей точке соединения которых подключен катод другого диода, анод которого подключен к точке соединения эмиттеров указанных транзисторов.A voltage converter is known (A.S. USSR No. 760352, IPC H02M 7/515, publ. 08/30/1980, Bull. No. 24), containing a master oscillator and a power amplifier connected to it through a transformer, assembled on two transistors in a push-pull circuit, the base of each of the transistors is connected to the collector of the transistor of the opposite arm through a chain formed by a capacitor and one diode connected in series, to the common connection point of which the cathode of another diode is connected, the anode of which is connected to the connection point of the emitters of these transistors.

Недостатком данного преобразователя напряжения является недостаточно высокая надежность, так как длительность временной задержки во время переключения транзисторов зависит от емкости конденсаторов, что приводит в случае различия емкости конденсаторов к неодинаковому времени открытого состояния транзисторов, что приводит к подмагничиванию магнитопровода выходного трансформатора и снижению надежности преобразователя.The disadvantage of this voltage converter is insufficiently high reliability, since the duration of the time delay during the switching of transistors depends on the capacitance of the capacitors, which leads, in case of a difference in the capacitance of the capacitors, to an unequal open state of the transistors, which leads to magnetization of the magnetic circuit of the output transformer and a decrease in the reliability of the converter.

Наиболее близким к заявляемой полезной модели является высокочастотный инвертор с внешним возбуждением (Ромаш Э.М., Драбович Д.И., Юрченко Н.Н., Шевченко П.Н. Высокочастотные транзисторные преобразователи. - М.: Радио и связь, 1988, стр. 121-122, рис. 4.23), состоящий из задающего генератора, входного трансформатора, содержащего две выходные обмотки, подключенные одним концом к базам биполярных транзисторов, работающих в ключевом режиме, а вторым концом через обмотки насыщающегося трансформатора и резисторы - к эмиттерам биполярных транзисторов. Вторые концы выходных обмоток входного трансформатора также подключены к эмиттерам биполярных транзисторов через цепочки, состоящие из последовательно соединенных диода и резистора. Обмотки обратной связи силового трансформатора подключены через диоды к переходам база-эмиттер биполярных транзисторов. К коллекторам выходных биполярных транзисторов подключены выводы первичных обмоток выходного трансформатора, точка соединения которых подключена к положительному выводу источника питания. В данном высокочастотном инверторе с внешним реализована задержка открывания биполярных транзисторов с помощью насыщающегося трансформатора.Closest to the claimed utility model is a high-frequency inverter with external excitation (Romash E.M., Drabovich D.I., Yurchenko N.N., Shevchenko P.N. High-frequency transistor converters. - M .: Radio and communication, 1988, pp. 121-122, Fig. 4.23), consisting of a master oscillator, an input transformer containing two output windings connected at one end to the bases of bipolar transistors operating in the key mode, and at the other end through the windings of a saturating transformer and resistors - to the emitters of bipolar transistors. The second ends of the output windings of the input transformer are also connected to the emitters of bipolar transistors through chains consisting of a series-connected diode and resistor. The feedback windings of the power transformer are connected through diodes to the base-emitter junctions of bipolar transistors. The outputs of the primary windings of the output transformer are connected to the collectors of the output bipolar transistors, the connection point of which is connected to the positive output of the power source. In this high-frequency inverter with an external, the opening delay of bipolar transistors is implemented using a saturable transformer.

Недостатком данного высокочастотного инвертора с внешним возбуждением является недостаточная точность определения момента полного запирания его транзисторов, которая в основном определяется параметрами насыщающегося трансформатора, к характеристикам магнитопровода которого предъявляются повышенные требования из-за наличия большого разброса магнитных характеристик магнитопровода, и который определяет время задержки включения транзистора противоположного плеча высокочастотного инвертора, причем обмотки обратной связи вклада в отслеживание состояния транзистора практически не вносят из-за плавного уменьшения напряжения на них в процессе запирания транзистора.The disadvantage of this high-frequency inverter with external excitation is the insufficient accuracy of determining the moment of complete blocking of its transistors, which is mainly determined by the parameters of the saturable transformer, the characteristics of the magnetic circuit of which are subject to increased requirements due to the presence of a large spread in the magnetic characteristics of the magnetic circuit, and which determines the turn-on delay time of the opposite transistor. arms of a high-frequency inverter, and the feedback windings practically do not contribute to tracking the state of the transistor due to a smooth decrease in voltage across them in the process of turning off the transistor.

Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в разработке высокочастотного инвертора с внешним возбуждением, обеспечивающего автоматическую задержку открывания силовых биполярных транзисторов в одном плече только после полного запирания силовых биполярных транзисторов в другом плече высокочастотного инвертора с внешним возбуждением.The task to be solved by the claimed utility model is to develop a high-frequency inverter with external excitation, which provides an automatic delay in the opening of power bipolar transistors in one arm only after the power bipolar transistors in the other arm of the high-frequency inverter with external excitation are completely turned off.

Технический результат - увеличение надежности высокочастотного инвертора с внешним возбуждением путем увеличения точности контроля момента полного запирания силового биполярного транзистора в противоположном плече высокочастотного инвертора с внешним возбуждением.EFFECT: increased reliability of a high-frequency inverter with external excitation by increasing the accuracy of controlling the moment of complete blocking of the power bipolar transistor in the opposite arm of the high-frequency inverter with external excitation.

Технический результат достигается за счет того, что в высокочастотный инвертор с внешним возбуждением, содержащий задающий генератор, два силовых биполярных транзистора, эмиттеры которых присоединены к отрицательному выводу источника питания, два резистора, включенных между первым и вторым выходами задающего генератора и базами силовых биполярных транзисторов, выходной трансформатор с двумя первичными и вторичной обмотками, выводы первичных обмоток соединены с коллекторами силовых биполярных транзисторов, точка соединения первичных обмоток подключена к положительному выводу источника питания, дополнительно введены два трансформатора тока, включенных в цепь эмиттеров силовых биполярных транзисторов, два электронных ключа, включенных межу выводами базы силовых биполярных транзисторов и отрицательным выводом источника питания, входы управления электронных ключей подключены к выходам трансформаторов тока противоположного плеча высокочастотного инвертора с внешним возбуждением.The technical result is achieved due to the fact that in a high-frequency inverter with external excitation, containing a master oscillator, two power bipolar transistors, the emitters of which are connected to the negative terminal of the power source, two resistors connected between the first and second outputs of the master oscillator and the bases of power bipolar transistors, output transformer with two primary and secondary windings, the outputs of the primary windings are connected to the collectors of the power bipolar transistors, the connection point of the primary windings is connected to the positive output of the power source, two additional current transformers are included in the emitter circuit of the power bipolar transistors, two electronic switches connected between terminals of the base of power bipolar transistors and the negative terminal of the power supply, the control inputs of the electronic switches are connected to the outputs of the current transformers of the opposite arm of the high-frequency inverter with external excitation.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что высокочастотный инвертор с внешним возбуждением дополнительно содержит два транзисторных ключа, включенных между базой силовых биполярных транзисторов и отрицательным выводом источника питания, управляемые трансформаторами тока, включенными в цепи эмиттеров силовых биполярных транзисторов противоположного плеча высокочастотного инвертора с внешним возбуждением, чем, в отличие от прототипа, достигается включение силового биполярного транзистора в одном плече сразу же после полного выключения силового биполярного транзистора в противоположном плече высокочастотного инвертора с внешним возбуждением.The essence of the proposed technical solution lies in the fact that the high-frequency inverter with external excitation additionally contains two transistor switches connected between the base of the power bipolar transistors and the negative terminal of the power source, controlled by current transformers included in the emitter circuits of the power bipolar transistors of the opposite arm of the high-frequency inverter with external excitation than, unlike the prototype, is achieved by turning on the power bipolar transistor in one arm immediately after completely turning off the power bipolar transistor in the opposite arm of the high-frequency inverter with external excitation.

На фиг. 1 изображена схема высокочастотного инвертора с внешним возбуждением. На фиг. 2 и фиг. 3 приведены временные диаграммы напряжений соответственно на первом и втором выходах задающего генератора. На фиг. 4 приведена временная диаграмма тока коллектора силового биполярного транзистора 3. На фиг. 5 приведена временная диаграмма напряжения на переходе база-эмиттер силового биполярного транзистора 3. На фиг. 6 приведена временная диаграмма тока коллектора силового биполярного транзистора 9. На фиг. 7 приведена временная диаграмма напряжения на переходе база-эмиттер силового биполярного транзистора 9. На фиг. 8 приведена временная диаграмма выходного напряжения высокочастотного инвертора с внешним возбуждением.In FIG. 1 shows a diagram of a high-frequency inverter with external excitation. In FIG. 2 and FIG. 3 shows the timing diagrams of the voltages, respectively, at the first and second outputs of the master oscillator. In FIG. 4 shows a timing diagram of the collector current of the power bipolar transistor 3. FIG. 5 shows the timing diagram of the voltage at the base-emitter junction of the power bipolar transistor 3. FIG. 6 shows a timing diagram of the collector current of the power bipolar transistor 9. FIG. 7 shows the timing diagram of the voltage at the base-emitter junction of the power bipolar transistor 9. FIG. 8 is a timing diagram of the output voltage of a high-frequency inverter with external excitation.

Высокочастотный инвертор с внешним возбуждением (фиг. 1) содержит задающий генератор 1, на двух выходах которого имеются импульсные последовательности в форме меандра, сдвинутые по фазе одна относительно другой на 180 градусов. Первый выход задающего генератора 1 через резистор 2 соединен с базой силового биполярного транзистора 3, эмиттер которого соединен с отрицательным выводом -U источника питания через трансформатор тока 4. Первичная обмотка 5 выходного трансформатора 6 подключена к коллектору силового биполярного транзистора 3. Между выводом базы силового биполярного транзистора 3 и отрицательным выводом -U источника питания подключен электронный ключ 7. Второй выход задающего генератора 1 через резистор 8 соединен с базой силового биполярного транзистора 9, эмиттер которого соединен с отрицательным выводом -U источника питания через трансформатор тока 10. Первичная обмотка 11 выходного трансформатора 6 подключена к коллектору силового биполярного транзистора 9. Между выводом базы силового биполярного транзистора 9 и отрицательным выводом -U источника питания подключен электронный ключ 12. Выход трансформатора тока 4 подключен к входу электронного ключа 12, а выход трансформатора тока 10 подключен к входу электронного ключа 7. Выходной трансформатор 6 имеет выходную обмотку 13.A high-frequency inverter with external excitation (Fig. 1) contains a master oscillator 1, on the two outputs of which there are pulse sequences in the form of a meander, phase-shifted one relative to the other by 180 degrees. The first output of the master oscillator 1 through a resistor 2 is connected to the base of the power bipolar transistor 3, the emitter of which is connected to the negative terminal -U of the power source through the current transformer 4. The primary winding 5 of the output transformer 6 is connected to the collector of the power bipolar transistor 3. Between the output of the base of the power bipolar transistor 3 and the negative terminal -U of the power source is connected to an electronic key 7. The second output of the master oscillator 1 through a resistor 8 is connected to the base of the power bipolar transistor 9, the emitter of which is connected to the negative terminal -U of the power source through a current transformer 10. The primary winding 11 of the output transformer 6 is connected to the collector of the power bipolar transistor 9. An electronic switch 12 is connected between the base terminal of the power bipolar transistor 9 and the negative terminal -U of the power supply. The output of the current transformer 4 is connected to the input of the electronic switch 12, and the output of the current transformer 10 is connected to the input of the electronic switch 7 The output transformer 6 has an output winding 13.

Высокочастотный инвертор с внешним возбуждением работает следующим образом. В момент времени t₁ на первом выходе задающего генератора 1 появляется высокий уровень напряжения U₁ (фиг. 2), на втором выходе задающего генератора 1 появляется низкий уровень напряжения U₂ (фиг. 3). В момент времени t₂ (фиг. 4) ток коллектора силового биполярного транзистора 9 высокочастотного инвертора с внешним возбуждением станет близким к нулю (фиг. 6, момент времени t₂), в этом случае выходной ток трансформатора тока 10 также станет близок к нулю, и электронный ключ 7 закроется. В этот момент времени через резистор 2 начинает протекать ток в базу силового биполярного транзистора 3, и он открывается, и ток от положительного вывода источника питания +U начинает течь через первичную обмотку 5 выходного трансформатора 6, коллекторно-эмиттерной переход силового биполярного транзистора 3, через трансформатор тока 4 к отрицательному выводу источника питания -U. Выходной ток трансформатора тока 4 втекает в электронный ключ 12, и открывает его. Открытый электронный ключ 12 шунтирует база-эмиттерный переход силового биполярного транзистора 9, препятствуя его включению.High-frequency inverter with external excitation operates as follows. At time t _1, a high voltage level U 1 appears at the first output of the master oscillator ₁ (Fig. 2), a low voltage level U ₂ appears at the second output of the master oscillator 1 (Fig. 3). At time t ₂ (Fig. 4), the collector current of the power bipolar transistor 9 of the high-frequency inverter with external excitation will become close to zero (Fig. 6, time t ₂ ), in this case, the output current of the current transformer 10 will also become close to zero, and the electronic key 7 will close. At this point in time, current begins to flow through the resistor 2 to the base of the power bipolar transistor 3, and it opens, and the current from the positive terminal of the power source + U begins to flow through the primary winding 5 of the output transformer 6, the collector-emitter junction of the power bipolar transistor 3, through current transformer 4 to the negative terminal of the power supply -U. The output current of the current transformer 4 flows into the electronic key 12 and opens it. Open electronic key 12 shunts the base-emitter junction of the power bipolar transistor 9, preventing it from turning on.

В момент времени t₃ на втором выходе задающего генератора 1 появляется высокий уровень напряжения U₂ (фиг. 3), на первом выходе задающего генератора 1 появляется низкий уровень напряжения U₁ (фиг. 2). В момент времени t₄ (фиг. 4) ток коллектора силового биполярного транзистора 3 высокочастотного инвертора с внешним возбуждением станет близким к нулю, в этом случае выходной ток трансформатора тока 4 также станет близок к нулю, и электронный ключ 12 закроется. В этот момент времени ток через резистор 8 начинает протекать в базу силового биполярного транзистора 9, и он открывается, и ток от положительного вывода источника питания +U начинает течь через первичную обмотку 11 выходного трансформатора 6, коллекторно-эмиттерной переход силового биполярного транзистора 9, через трансформатор тока 10 к отрицательному выводу источника питания -U. Выходной ток трансформатора тока 10 втекает в электронный ключ 7, и открывает его. Открытый электронный ключ 7 шунтирует база-эмиттерный переход силового биполярного транзистора 3, препятствуя его включению.At time t ₃ , a high voltage level U ₂ appears at the second output of the master oscillator 1 (Fig. 3), a low voltage level U 1 appears at the first output of the master oscillator ₁ (Fig. 2). At time t ₄ (Fig. 4), the collector current of the power bipolar transistor 3 of the high-frequency inverter with external excitation will become close to zero, in this case the output current of the current transformer 4 will also become close to zero, and the electronic key 12 will close. At this point in time, the current through the resistor 8 begins to flow into the base of the power bipolar transistor 9, and it opens, and the current from the positive terminal of the +U power source begins to flow through the primary winding 11 of the output transformer 6, the collector-emitter junction of the power bipolar transistor 9, through current transformer 10 to the negative terminal of the power supply -U. The output current of the current transformer 10 flows into the electronic key 7 and opens it. Open electronic key 7 shunts the base-emitter junction of the power bipolar transistor 3, preventing it from turning on.

В момент времени t₅ (фиг. 2 и фиг. 3) уровни напряжений на первом и втором выходах задающего генератора изменяются, и все процессы повторяются. В процессе работы силовых биполярных транзисторов 3 и 9 первичные обмотки 5 и 11 поочередно подключаются к источнику питания через переходы коллектор-эмиттер силовых биполярных транзисторов 3 и 9 соответственно, и на выходной обмотке 13 выходного трансформатора 5 появляется выходное переменное напряжение U_вых (фиг. 8).At time t ₅ (Fig. 2 and Fig. 3) the voltage levels at the first and second outputs of the master oscillator change, and all processes are repeated. During the operation of the power bipolar transistors 3 and 9, the primary windings 5 and 11 are connected in turn to the power source through the collector-emitter junctions of the power bipolar transistors 3 and 9, respectively, and an output alternating voltage _Uout appears on the output winding 13 of the output transformer 5 (Fig. 8 ).

В высокочастотном инверторе с внешним возбуждением применены транзисторы типа КТ825А (силовые биполярные транзисторы 3 и 9) и электронные ключи на транзисторах типа КТ503Б.In a high-frequency inverter with external excitation, transistors of the KT825A type (power bipolar transistors 3 and 9) and electronic switches based on transistors of the KT503B type are used.

Таким образом, предлагаемый высокочастотный инвертор с внешним возбуждением обеспечивает автоматическую задержку открывания силовых биполярных транзисторов в каждом плече только после запирания силового биполярного транзистора в его другом плече, что позволяет увеличить выходную мощность и надежность работы высокочастотного инвертора с внешним возбуждением путем увеличения точности контроля момента запирания транзисторов.Thus, the proposed high-frequency inverter with external excitation provides an automatic delay in the opening of power bipolar transistors in each arm only after the power bipolar transistor is turned off in its other arm, which makes it possible to increase the output power and reliability of the high-frequency inverter with external excitation by increasing the accuracy of controlling the moment of switching off transistors .

Claims

A high-frequency inverter with external excitation, containing a master oscillator, two power bipolar transistors, the emitters of which are connected to the negative terminal of the power source, two resistors connected between the first and second outputs of the master oscillator and the bases of power bipolar transistors, an output transformer with two primary and secondary windings, the outputs of the primary windings are connected to the collectors of the power bipolar transistors, the connection point of the primary windings is connected to the positive output of the power source, characterized in that two additional current transformers are included in the emitter circuit of the power bipolar transistors, two electronic switches are connected between the outputs of the base of the power bipolar transistors and the negative output of the power supply, the control inputs of the electronic keys are connected to the outputs of the current transformers of the opposite arm of the high-frequency inverter with external excitation.