SU1757069A1 - Транзисторный инвертор - Google Patents

Description

Изобретение относитс  к технике преобразовани  энергии посто нного тока в энергию переменного тока и может быть использовано дл  создани  источников вторичного электропитани  с бестрансформа- торным входом.

Известные преимущества двухтактных преобразователей, симметри  схемы, улучшенные габаритно-массовые характеристики и высокий КПД, трудно реализуютс  из-за сквозных токов и замагничивани  сердечника трансформатора, поэтому однотак- тные преобразователи успешно конкурируют с двухтактными, особенно дл  повышенных входных напр жений. Имеют- с  различные технические решени , направленные на устранение этих недостатков классического двухтактного преобразовател .

Известен преобразователь, содержа- щий конденсатор, который соедин ет базы управл ющих транзисторов, коллекторы которых соединены с базами силовых транзисторов . Базы управл ющих транзисторов через резистор подключены к дополнитель- ной обмотке обратной св зи с такой пол рностью , что получаетс  отрицательна  обратна  св зь. По мере перезар да конденсатора происходит переключение силовых транзисторов, врем  переключени  выбираетс  таким, чтобы переключени  происходили без насыщени  сердечника. Недостатком этой схемы  вл етс  сквозной ток во врем  открытого состо ни  обоих силовых транзисторов, несмотр  на принуди- тельное переключение до достижени  насыщени  сердечника, сквозной ток действует на врем  выключени  силового и управ- л ющего транзисторов. Это вынуждает использовать в преобразователе транзисто- ры с значительным запасом по максимально допустимому току.

В преобразователе, в котором в базовые цепи силовых транзисторов, включены обмотки дополнительного насыщающегос  трансформатора, включение силового транзистора не происходит, пока другой силовой транзистор не включитс  и насыщающийс  трансформатор не перейдет в насыщенное состо ние. При правильном подборе режи- ма насыщающегос  трансформатора эта схема работает без сквозных токов, однако насыщению сердечника трансформатора она не может преп тствовать. При работе на повышенных частотах и мощност х по- сто нна  составл юща  индукции сердечника при приближении к насыщению все более накапливаетс  до выхода силовых транзисторов из стро . Это заставл ет делать трансформатор с большим запасом по

габаритам и работать далеко от состо ни  насыщени .

Наиболее близким к предлагаемому  вл етс  инвертор, который содержит трансформатор , два силовых транзистора, коллекторы которых соединены с выводами первичной обмотки трансформатора, имеющий среднюю точку, подключенную к первому входному выводу, а эмиттеры объединены и через последовательно соединенные коммутирующий транзистор и ре- зисторный шунт с вторым входным выводом, база каждого силового транзистора через соответствующий резистор соединена с выводом обмотки обратной св зи и через соответствующий диод к шине питани  управл ющей схемы, выводы обмотки обратной св зи через соответствующие диоды соединены сточкой соединени  коммутирующего транзистора и резистивного шунта и с выводами Общий дополнительного двухгтол рного источника напр жени , выход + которого соединен с шиной питани  управл ющей схемы. Эта схема содержит последовательно соединенные пороговый одновибратор,.диод. RC-фильтр, компаратор и усилитель мощности, выход которого соединен с базой коммутирующего транзистора. За с«ет форсированного запирани  коммутирующего транзистора при превышении током порогового уровн  этот инвертор имеет повышенную надежность и уменьшенные потери при переключении.

Однако при наличии индуктивности рассе ни  первичной обмотки силового трансформатора на силовых транзисторах при переключении по вл ютс  выбросы напр жени , намного превышающие преобразуемое напр жение и вывод щие транзисторы из стро , традиционные методы демпфировани ,снижают КПД. Выбросы другой пол рности на коллектор силового транзистора перевод т его в инверсное включение, следствием чего  вл етс  дополнительный разогрев. Существенным недостатком  вл етс  наличие вспомогательного двухпол рного источника питани : его формирование при больших преобразуемых напр жений сложно и приводит к снижению КПД.

Цель изобретени  - повышение КПД и упрощение.

В инвертор, содержащий два силовых транзистора, коллекторы которых соединены с выводами первичной обмотки трансформатора , имеющей среднюю точку, подключенную к шине питани , эмиттеры - с коллектором коммутирующего транзистора , а базы - через базовые резисторы с соответствующими выводами обмотки обратной св зи эти выводы через диоды цепи управлени  соединены с эмиттером коммутирующего транзистора, базы силовых транзисторов через запирающие диоды соединены с шиной питани  схемы управлени , котора  соединена с входом питани  усилител  мощности, выход которого соединен с базой коммутирующего транзистора, эмиттер которого через резистивный шунт подключен к другой шине питани , RC- фильтр, конденсатор шины питани  схемы управлени , введены два блокирующих диода, соедин ющих коллекторы силовых транзисторов с соответствующими выводами первичной обмотки трансформатора, которые соединены двум  встречно-последовательно соединенными возвратными диодами , два блокирующих конденсатора, соедин ющих базу одного силового транзистора с коллектором другого, два гас щих резистора, подключенных параллельно блокирующим конденсаторам, транзисторный каскад рабочего тока, выполненный по схеме ОЭ, транзисторный каскад возвратного тока, выполненный по схеме с ОБ, токовый инвертор, четыре логических элемента 21/1- НЕ, логический инвертор, D -триггер и задающий генератор.- Входы питани  задающего генератора и всех логических элементов подключены к шине питани  схе мы управлени , котора  осуществл ет управление коммутирующим транзистором в зависимости от состо ни  рабочего и возвратного токов.

Предлагаемый инвертор имеет преимущество в меньших потер х при повышенных входных напр жени х и пониженной нагрузке, а также в отсутствии вспомогательных источников питани  В отношении инверторов с задержкой включени  преимущество состоит в надежности и большом допустимом входном напр жении. В отношении двухтактного инвертора с ключами, выполненными по каскадной схеме, с внешним управлением, преимущество состоит в простоте силовой части и более высоком КПД.

На фиг,1 представлена электрическа  схема инвертора; на фиг.2 - электрическа  схема усилител  мощности и токового инвертора; на фиг.З - временные диаграммы коммутации.

Транзисторный инвертор (фиг.1) содержит силовые транзисторы 1 и 2, трансформатор 3, имеющий первичную обмотку 4, обмотку 5 обратной св зи и выходную обмотку 6, базовые резисторы 7 и 7, первые диоды 9 и 10 цепи управлени , вторые запирающие диоды 11 и 12, коммутирующий транзистор 13, резистивный датчик 14 тока.

блокирующие третьи диоды 15 и 16, возвратные четвертые диоды 17 и 18, демпфирующие конденсаторы 19 и 20, гас щие резисторы 21 и 22, транзистор 23 управлени , ограничительный регистр 24, измерительные резисторы 25-27, возвратный транзистор 28, RC-фильтр 29, конденсатор 30 цепи питани , задающий генератор 31, логический элемент НЕ 32, логические эле0 менты 21/1-НЕ 33-36, D-трипгер 37, усилитель 38 мощности, выполненный по схеме ТТЛ (фиг 2), токовый инвертирующий элемент 39 (токовое зеркало, фиг.2). нагрузку 40, первый вывод 41 цепи питани  узла уп5 равлени , шины 42 и 43, первый и второй входные выводы инвертора.

Транзисторы 1 и 2 и трансформатор 3 соединены по двухтактной схеме с нулевым выводом, базы транзисторов 1 и 2 соедине0 ны через резистор 7, обмотку 5 обратной св зи м резистор 8, коллекторы через третьи диоды 15 и 16 - с соответствующими выводами обмотки 4, а эмиттеры подключены к выходу усилител  38, эмиттер транзистора

5 13 через резистивный датчик 14 тока - к общей шине 42 и базе управл ющего транзистора 23, эмиттер которого подключен к шине 42, а коллектор через ограничительный резистор 24 - к первому входному вы0 воду инвертора 41. Возвратный транзистор 28 включен по схеме с общей базой, в коллекторной цепи - два последовательно соединенных резистора 25 и 26, в эмиттерной - рези5 стор 27, эмиттер возвратного транзистора 28 подключен к точке соединени  анодов четвертых диодов 17 и 18, катоды которых подключены к соответствующим выводам обмотки 4, инвертор снабжен цеп ми поло0 жительной обратной св зи коллектор силового транзистора 1 через демпфирующий конденсатор 19 и гас щий резистор 21 соединен с базой транзистора 2, его коллектор через конденсатор 20 и гас щий резистор 22

5 соединен с базой транзистора 1.

Базы транзисторов 1 и 2 соединены также через вторые диоды 11,12 с шиной 41 питани , выводы обмотки 5 через первые диоды 9 и 10 - с эмиттером транзистора 13

0 К шинам 41 и 42 питани  подключены конденсатор 30, задающий генератор 31 и все логические элементы 32-39, выход задающего генератора 31 соединен с входом элемента 33 и через последовательно

5 соединенные элемент 32 и RC-фильтр 29 с другим входом элемента 33, выход которого соединен с входом элемента 34, другой вход которого подключен к коллектору управл ющего транзистора 23, выход которого подключен к шине 41 питани , С-вход - к точке

соединени  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 управл ющего транзистора 23, а выход соединен с входом усилител  38, другой выход которого соединен с входом токового инвертора 39, выход которого соединен с эмиттером транзистора 13.

Инвертор работает следующим образом .

При под ие первичного питани  на шины 42 и 43 независимо от скорости нарастани  питающего напр жени  происходит зар д 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 напр жени  потребление тока логическими элементами (при использовании элементов КМОП) очень мало. При достижении достаточного потенциала на шине 41 питани  начинает работать задающий генератор 31, который выдает на выходе импульсную последовательность , котора , поступа  на один вход элемента 33 без задержки, а на другой вход с задержкой, образует на выходе этого элемента короткие импульсы (диаграмма 45).

Пройд  через элемент 34, эти импульсы инвертируютс  и обнул ют триггер 37, который своим инверсным выходом снимает сигнал с элемента 35, перевод  его в режим инвертировани  сигнала элемента 33, который , проход  еще через два инвертирующих элемента 36 и 38, включает транзистор 13. Таким образом подаетс  питание на силовую двухтактную схему с нулевым выходом, снабженную двум  положительными обратными св з ми: через обмотку 5 и резисторы 7 и 8, а также через конденсаторы и резисторы 19-22.

В результате схема переходит в одно из двух устойчивых состо ний, когда один из транзисторов 1 и 2 открыт, а другой закрыт, это состо ние продолжаетс  во врем  действи  включающего импульса на базе транзистора 13, в это врем  происходит увеличение тока через одну из половин обмотки 4 с соответствующим накоплением энергии в трансформаторе 3. После окончани  импульса на базе транзистора 13 цепь питани  двухтактной силовой схемы разрываетс , ток через обмотку 4 резко уменьшаетс  и пол рность напр жени  на всех обмотках трансформатора мен етс  на противоположную , в результате этого в управл ющем контуре, состо щем из перехода Э-Б транзистора 1, резистора 7, обмотки 5, резистора 8 и перехода Э-Б транзистора 2

возникает ток с противоположным направлением току, который протека  до выключени  транзистора 13.

Этот ток включает ранее выключенный

транзистор 1 или 2 и выключает ранее включенный , при очередном включении транзистора 13 процесс повтор етс  с включением другой половины обмотки 4. Одновременно с этим переключением напр жение на од0 ном из коллекторов транзисторов 1 и 2 увеличиваетс , на другом уменьшаетс , При увеличении напр жени  на коллекторе транзистора через конденсатор 19 или 20 протекает ток на базу другого транзистора

5 и через диод 11 или 12 на шину 41 питани , таким образом осуществл етс  усиление положительной обратной св зи и утилизаци  энергии демпфировани .

Работа инвертора происходит г. боль0 шой скважностью, равной отношению периода генератора 31 к времени RC-цепи, демпфируема  энерги  в этом случае мала. При уменьшении напр жени  на коллекторе транзистора через один из диодов 15 и 16

5 и один из конденсаторов 19 и 20 на базу другого транзистора протекает дополнительный к управл ющему запирающий ток. после закрывани  диода 15 и 16 потенциал вывода обмотки 4 еще уменьшаетс  и начи0 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 транс5 форматора 3 в первичный источник питани . При малой скважности работы возвратный ток также мал.

Пусть при очередном переключении (момент to на фиг.З) элемент 33 выключает0 с , его сигнал через элементы 35,36 и 38 поступает на базу транзистора 13, он выключаетс  через врем , равное сумме задержек распространени  сигнала элементов 35,36,38 и 13 (момент ti). В этот

5 момент происходит переключение и возникает возвратный ток по диаграмме 46 (сплошна  лини ), который прекращаетс  в момент t2, когда энерги , запасенна  в трансформаторе, полностью перейдет в

0 первичный источник, при этрм транзистор 28 закрываетс , на входе стробировани  триггера 37 устанавливаетс  высокий уровень , и триггер перебрасываетс  в состо ние с низким уровнем на выходе,

5 включающем через элементы 36,35 и 38 транзистор 13.

Таким образом, в интервале ti -12 транзистор 13 выключен, в интервале от t2 до ti следующего цикла включен, диаграмма 47 (сплошна  лини ) показывает сигнал на базе транзистора 13, управл ющий переключени ми схемы, Эти переключени  вызывают изменени  напр жени  на обмотках трансформатора, диаграмма 48 показывает напр жение на одном из выводов обмотки 4, напр жение на другом выводе получаетс  сдвигом на половину периода.

При включении транзистора 13 через шуит 14 протекает ток, равный току через обмотку 4, так как базовый ток транзисторов 1 и 2 компенсируетс  подсоединением диодов 9 и 10 к эмиттеру транзистора 13,его базовый ток отводитс  на общую шину через инвертор 39 тока, который выполнен функцию задани  величины тока на нулевом уровне потенциала гго величине Дру- гом уровне. При превышении величины тока через резистивный датчик 14 тока транзистор 23 открываетс , сигнал о превышении рабочего тока поступает на вход элемента 34 и аналогично сигналу с элемента 33 выключает транзистор 13.

Сигнал о превышении тока заведен так- же на вход элемента 36, во врем  прохождени  сигнала через элементы 34,37 и 35 с запоминанием превышени  в триггере включение транзистора 13 происходит по укороченному пуги - через элементы 36 и 38. Превышение рабочего тока может произойти либо при малом сопротивлении нагрузки 40, либо из-за насыщени  сердечника трансформатора, например, при несимметрии схемы или воздействии электромагнитного импульса на схему.

В первом случае после включени  транзистора 13 в момент t3 превышение тока происходит практически сразу и через небольшое врем  задержки элементов 23,36 и 38 транзистор 13 выключаетс  (диаграмма 49 показывает в этом случае сигнал на базе транзистора 13), при этом возвратный ток определ етс  индуктивностью рассеивани  обмотки 4 и мал по величине, сопротивление резистора 27 выбираетс  таким, чтобы возвратный ток не приводил к включению транзистора 28.

Во втором случае превышение тока происходит в конце интервала времени с включенным состо нием транзистора 13 (на диаграммах 46 и 47 пунктирна  лини ), в результате намагничивание сердечника трансформатора в направлении, близком к насыщению, укорачиваетс  по времени, а- намагничивэние в противоположном направлении удлин етс , таким образом, осуществл етс  регулирование намагничивани .

Введение токового инвертора и блокирующих конденсаторов позвол ет устранить из схемы вспомогательные источники

питани , что упрощает инвертор и повышает надежность. Наличие задающего генератора и работа на посто нной частоте дают возможность максимально использовать ча- 5 стотные свойства силовых транзисторов, т.е. улучшить габаритно-массовые характеристики . При подключении нагрузки 40 при достаточно большом токе нагрузки ток запирани  через диоды 1 f и 12 пропорционален

0 току нагрузки, этим достигаетс  пропорциональное токовое управление транзистором 13. Схема утилизации возвратного тока в первичную сеть питани  и управление этой схемой.дает возможность работать в широ5 ком диапазоне нагрузок с большим КПД, а в сочетании с остальным введенными элементами регулировать намагничивание сердечника трансформатора и исключить превышение максимально допустимых ре0 жимов силовых элементов.

Пргимущества предлагаемого инвертора особенно про вл ютс  при высоком входной напр жений. Макетирование инвертора мощностью 200 Вт при входном на5 тф женш 300 В на частоте 150 кГц на транзисторах КТ 859, диодах КД 212 позвол ет достичь объема 0,1 дм3 и массы 0,3 кг при КПД преобразовани  0,85, что не может быть получено известными схемами.

0

Ф о р м у л а и з о б р ете н и  

Транзисторный инвертор, содержащий силовой трансформатор, первична  обмот5 ка которого отводом от средней точки соединена с первым входным выводом инвертора, а крайними выводами св зана с коллекторами силовых транзистороб, обмотка обратной св зи каждым выводом со0 единена через базовый резистор с базой соответствующего силового транзистора и через первый диод - с первым выводом ре- зистивного датчика тока, ёторой выводкото- рого соединен с вторым входным выводом

5 инвертора коммутирующий транзистор, соединенный эмиттером с первым выводом резистивного датчика тока, а коллектором - с объединенными эмиттерами силовых транзисторов, база каждого из которых че0 рез соответствующий второй диод соединена с первым выводом цепи питани  узла управлени , причем второй вывод этой цепи объединен с вторым входным выводом инвертора , и RC-фильтр, отличающийс 

5 тем, что, с целью повышени  КПД и упрощени , св зь каждого крайнего вывода первичной обмотки силового трансформатора с коллектором соответствующего силового транзистора выполнена через согласно-по- следовате/ ьно включенный введенный третий диод, между коллектором каждого силового транзистора одного плеча инвертора и базой силового транзистора другого плеча инвертора включен введенный демпфирующий конденсатор, шунтированный введен- ным гас щим резистором, введен узел возвратного тока, состо щий из двух четвертых диодов, соединенных первыми выводами с крайними выводами первичной обмотки силового трансформатора, а вторы- ми выводами с эмиттером возвратного транзистора , коллектор которого через последовательно соединенные первый и второй измерительные резисторы подключен к первому выводу цепи питани  узла управлени , а база подключена к второму входному выводу инвертора, при этом узел управлени  состоит из задающего гейерато- ра, D-триггера, логического элемента НЕ, первого, второго. третьего и четвертого ло- гического элемента 2И-НЕ, усилител  мощности , токового инвертирующего элемента и управл ющего транзистора, причем выход задающего генератора соединен с входом логического элемента НЕ и первым входом первого логического элемента 2И-НЕ, второй вход которого соединен с выходом RC- фильтра, подключенного входом к выходу

логического элемента НЕ, выход первого логического элемента 2И-НЕ соединен с первыми входами второго и третьего логических элементов 2И-НЕ, второй вход третьего логического элемента 2И-НЕ подключен к выходу D-триггера, вход стробиро- вани  которого подключен к точке соединени  первого и второго измерительных резисторов, вход данных - к первому выводу цепи питани  узла управлени , а вход обнулени  - к выходу второго логического элемента 2И-НЕ, второй вход которого подключен к коллектору управл ющего транзистора и первому входу четвертого логического элемента 2И-НЕ, второй вход которого подключен к выходу третьего логического элемента 2И-НЁ, а выход соединен с входом усилител  мощности, первый выход которого соединен с базой коммутирующего транзистора, а второй выход через токовый инвертирующий элемент соединен с эмиттером коммутирующего транзистора и базой управл ющего транзистора, соединенного эмиттером с вторым входным выводом инвертора , а коллектором.через ограничительный резистор - с первым выводом цепи питани  узла управлени .

Фиг. 2

49

&аг.:3

и

1

Jl

Claims (1)

1. Формула изобретения

   Транзисторный инвертор, содержащий силовой трансформатор, первичная обмотка которого отводом от средней точки соедине на с первым входным выводом инвертора, а крайними выводами связана с •коллекторами силовых транзисторов, обмотка обратной связи каждым выводом соединена через базовый резистор с базой соответствующего силового транзистора и через первый диод - с первым выводом резистивного датчика тока, второй вывод которого соединен с вторым входным выводом инвертора, коммутирующий транзистор, соединенный эмиттером с первым выводом резистивного датчика тока, а коллектором с объединенными эмиттерами силовых транзисторов, база каждого из которых через соответствующий второй диод соединена с первым выводом цепи питания узла управления, причем второй вывод этой цепи объединен с вторым входным выводом инвертора, и RC-фильтр, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что. с' целью повышения КПД и упрощения, связь каждого крайнего вывода первичной обмотки силового трансформатора с коллектором соответствующего силового транзистора выполнена через согласно-последовательно включенный введенный тре11 тий диод, между коллектором каждого силового транзистора одного плеча инвертора и базой силового транзистора другого плеча инвертора включен введенный демпфирующий конденсатор, шунтированный введенным гасящим резистором, введен узел возвратного тока, состоящий из двух четвертых Диодов, соединенных первыми выводами с крайними выводами первичной обмотки силового трансформатора, а вторымивыводами с эмиттером возвратного транзистора,коллектор которого через последовательно соединенные первый и второй измерительные резисторы подключенк первому выводу цепи питания узла управления, а база подключена к второму входному выводу инвертора, при этом узел управления состоит из задающего генератора, Ргтриггера, логического элемента НЕ, первого, второго, третьего И четвертого логического элемента 2И-НЕ, усилителя мощности. токового инвертирующего элёмента и уп ра вл яющего транзистора,п ричёмвыход задающего генератора соединен с входом логического элемента НЕ и первым входом Первого логического Элемента 2И-НЕ, второй вход которого'соёдинен с выходом RCфильтра, подключенного входом к выходу логического элемента НЕ, выход первого логического элемента 2И-НЕ соединен с первыми входами второго и третьего логических элементов 2И-НЕ, второй вход третьего логического элемента 2И^-Н Е подключен к выходу D-триггера, вход стробирования которого подключен к точке соединения первого и второго измерительных резисторов, вход данных - к первому выводу цепи питания узла управления, а вход обнуления - к выходу второго логического элемента 2И-НЕ, второй вход которого подключен к коллектору управляющего транзистора и первому входу четвертого логического элемента 2И-НЕ, второй вход которого подключен к выходу третьего логического элемента 2И-НЕ, а выход Соединен с входом усилителя мощности, пёр-, вый выход которого соединен с базой коммутирующего транзистора, а второй выход через токовый инвертирующий элемент соеди нен с э м итте ром коммутирующего транзистора и базой управляющего транзистора, соединённого эмиттером с вторым входным выводом инвертора, а коллектором .через ограничительный резистор - с первым выводом цепи питания узла управления.