Инвертор

(5 ЬСТВ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И 01 НРЦТИЙОПИСАНИЕ ИЗОК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ(71) Ленинградский гидрометеорологический институт(56) 1. Электронная техника в автоматике. Под ред. Ю,И.Конева, 1978, .вып. 10 с. 127, рис. 2.2. Патент США У 4298925,кл. Н 02 М 7/537, 363-131, 03. 11.81,3. Патент США Иф 3344362,кл, 331-50, 29.09.67,.(54)(57) ИНВЕРТОР, содержащий выход.Яой трансформатор, первичная обмоткакоторого соединена с силовыми транзисторами через коллекторные обмотки переключающего трансформатора тока, базовые обмотки которого подключены крайними выводами к коллекторам транзисторов управления, к змиттерам которых подключены первые выводы шунтирующих резисторов, а к управляющим переходам через реэисторы - дополнительные обмотки, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью повышения надежности путем устранения перегрузок при коротком замыкании в нагрузке, другие крайние выводы базовых обмоток трансформатора тока подсоединены к базам силовых транзисторов, управляющие переходы которых шунтированы введенными обратными дио дами, а к эмиттерам подключены эмиттеры транзисторов управления, тип проводимости которых противоположен типу проводимости силовых транзисто ров, причем вторые выводы шунтирующихрезисторов,подсоединены к отводам базовых обмоток переключающего транс форматора тока, а дополнительные обмотки расположены на выходном транс- д. .форматоре.Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано вустройствах вычислительной техники,радиотехники и автоматики,Известны инверторы, содержащие выходной трансформатор, первичная обмотка которого соединена с силовымитранзисторами через коллекторные обмотки переключающего трансформаторатока, базовые обмотки которого соединены с управляющими переходами силовых транзисторов, а также транзисторы управления, подключенные к ба,зам силовых трансформаторов 11 и Я,Недостатками устройств являются 15низкие КПД и надежность из-за глубокого насыщения переключающих, транзисторов, особенно в режиме малых токовнагрузки.Наиболее близким к изобретению по 20технической сущности является инвертор, содержащий выходной трансформатор, первичная обмотка которого соединена с силовыми транзисторами черезколлекторные обмотки переключающего 25. трансформатора тока, базовые обмоткикоторого подключены крайними выводами к коллекторам транзисторов управления, к эмиттерам которых подключены первые выводы шунтирующих реэисто-З 0ров, а к управляющим переходам черезрезисторы - дополнительные обмотки 31.Недостатком известного устройстваявляется низкая надежность вследствие перегрузки транзисторов при коротком замыкании в нагрузке,Цель изобретения - повышение надежности устройства путем устранения перегрузок при короткомзамыкании в нагрузке,Поставленная цель достигается тем, что в инверторе, содержащем выходной трансформатор, первичная обмотка которого соединена с силовыми транзисторами через коллекторные об мотки переключающего трансформатора тока, базовые обмотки которого подключены крайними выводами к коллекторам транзисторов управления, к эмиттерам которых подключены первые выводы шунтирующих резисторов, а к управляющим переходам через резисторы - дополнительные обмотки, другие крайние выводы базовых обмоток трансформатора тока подсоединены 55 к базам силовых транзисторов, управ" ляющие переходы которых шунтированы введенными обратными.диодами а к эмиттерам подключены эмиттеры тран.зисторов управления, тип проводимос" ти которых противоположен типу проводимости силовых транзисторов, причем вторые выводы шунтирующих резисторов подсоединены к отводам базовых обмоток переключающего трансформатора тока,. а дополнительные обмотки расположены на выходном трансформаторе,, На чертеже изображена схема пред"лагаемого инвертора.Инвертор содержит выходной трансформатор 1 с первичными, вторичнымии дополнительными обмотками 2 и 3,которые через резисторы 4 и 5 подключены к управляющим переходам транэисторов 6 и 7 управления, коллекторы которых подключены к крайним выводам базовых обмоток 8 и 9 переключающего трансформатора 10 тока,другие крайние выводы базовых обмоток 8 и 9 которого подключены к базам силовых транзисторов 11 и 12, управляющие переходы которых шунтированы обратными диодами 13 и 14, атакже шунтирующие резисторы 15 и16.Благодаря предложенному включениюэлементов функциональная структураинвертора .содержит несколько цепейобратных связей, которые замыкаютсяследующим образом.Положительная обратная связь понапряжению, обеспечивающая самовозбуждение инвертора, замыкается посред"ством трансформатора 10 тока - напряжение на его дополнительных обмотках 2 и 3 поддерживает открытоесостояние силового транзистора втом плече инвертора, по которомупротекает ток, и закрытое - в другомплече. Кроме того, по этой же цепи замыкается отрицательная обратная связь по току силовой цепи (преимущественно по току нагрузки, так как его величина являетсяпреобладающей), что обеспечиваетсярежимом трансформации тока.В связи с этим при уменьшении тока нагрузки и, соответственно, мощности инвертора пропорционально снижается ток в базо-эмиттерных цепях силовых транзисторов, обеспечивая сохранение постоянства их коэффициентов насьпцения, а также постоянства КПД инвертора при уменьшении тока нагрузки. Отрицательная11389обратная связь, контролирующая состояние нагрузки, замыкается посредством транзисторов 6 и 7 управления. При коротком замыкании нагрузки напряжение на вторичных обмотках выходного трансформатора.резко уменьшается, приближаясь к нулю, в связи с чем транзистор управления открытого плеча выключается, обеспечивая перевод силового транзистора из клю чевого в усилительный режим, благодаря чему в схеме сохраняются процеСс автогенерации колебаний и возможность отдачи мощности в нагрузку при анулировании короткого замыкания. 15Процессы определяющие работу инвертора, являющегося релаксационным генератором с одним индуктивным накопителем энергии, распределяются на два этапа, а их особенности определяются функциональной структурой устройства,На медленном этапе работы один из силовых транзисторов, например транзистор 11, открыт, а другой (соответственно транзистор 12) закрыт и находится в режиме отсечки, при этом транзистор 6 управления также открыт, а транзистор 7 закрыт по цепи обрат 30 ной связи напряжениями с базовых обмоток выходного трансформатора 1, Основным процессом на этом этапе яв 1 ияется перемагничивание сердечника трансформатора 10 тока под действием , разности ампервитков токов - намагничиваюшего (коллекторного тока силово; го транзистора 11) и размагничиваю- щего (тока базовой цепи того же транзистора). Последний, развиваемый в базовой обмотке 8, протекает через 40 базо-эмиттерный переход транзистора 11 и открытый транзистор 6, при этом напряжение на обмотке 8 ограни. чивается на уровне суммарного напряжения насыщения указанных переходов. 15 В соответствии с этим напряжение на обмотке 9 в закрытом плече инвертора также ограничено указанной величи. ной, поэтому развиваемое на частиобмотки 9 - между отводом и верхним 50 по схеме выводом - напряжение ниже уровня отсечки диода 14 и ток вэтом контуре практически отсутствует. В связи с этим для трансформатора 10 при нормальном состоянии нагрузки обеспечивается режим трансформатора тока, При этом выборомотношения витков базовых обмоток 11 4трансформатора 10 к коллекторным, равного минимальному значению коэф фициента усиления силовых транзисторов, обеспечивается ключевой режим работы последних. В указанном отношении снижается также и напряжение на коллекторных обмотках трансформатора 10 по сравнению с напряжением на базовых, благодаря чему затраты мощности силовой цепи на поддержание открытого состояния силового транзистора оказь 1 ваются минимальными.При насыщении переключающего трансформатора 10 тока резко снижает - ся базовый ток транзистора 11 с этого момента начинается быстрый этап работы инвертора, этап переключения плеч. С уменьшением коллектор- ного тока транзистора 11 в соответ-. ствии с общим принципом работы релак сационных генераторов с индуктивным накопителем энергия магнитного поля, накопленная в индуктивности намагничивания трансформатора 10, приводит к индуцированию на вторичных обмотках напряжений противоположной полярности, в результате чего открывается транзистор 12 (второе плечо инвертора), а транзистор 11 закрывается обратным напряжением.На быстром этапе закрывание транзистора 11 про исходит путем уменьшения тока. в его базовую цепь (из-за увеличения тока намагничивания магнитопровода транс. Форматора 10 при переходе его к насыщению) при неизменном его коллек" торном токе. В связи с этим переход транзистора в выключенное состояние происходит через этап предварительного вывода его из насыщенного состояния в линейный,.режим, Однако в первый же момент начала этого режима, когда начинает уменьшаться коллекторный ток, происходит изменение полярностей напряжений на обмотках выходного трансформатора 1, это вызывает закрывание транзистора 6 управления и открывание транзистора 7- последний создает условия для протекания полного управляющего (открывающего) тока в базовой цепи транзистора 12, а транзистор 6 разрывает аналогичный контур в левом плече, форсируя процесс переключения В результате происходит лавинообразный процесс переключения плеч инвертора, существенной особенностью это 3 113891 го процесса является предварительный вывод силового транзистора 11 из насыщенного состояния в линейный режим, что в итоге исключает режим сквозных токов в схеме при переклю чении силовых транзисторов в связи с исключением их одновременно от,крытого состоянияПереключением плеч инвертора завершается быстрый этап процессов в 1 О схеме, после чего вновь начинается медленный этап, отличающийся от предыдущего лишь изменением полярности на всех обмотках трансформаторов и направления перемагничивания их 15 магнитопроводов.При коротком замыкании цепи нагрузки основное отличие процессов ин" вертора от описанных заключается в том, что происходящее при этом шунтирование одной из вторичных обмоток сугубо низким сопротивлением нагрузки резко снижает напряжение на всех вторичных обмотках выходного трансФорматора 1, в том числе и на его дополнительных обмотках 2 и 3, в свя" зи с чем транзисторы 6 и 7 управ" ления остаются закрытыми. При этом контур тока базовой цепи сопловых транзисторов, например транзистора 1130 оказывается замкнутым с отвода вторичной обмотки через шунтирующий резистор 15 на эмиттерный вывод тран" зистора (общий провод схемы), одновременно с этим протекает также ток в контуре обмотки 9 - с отвода обмот" ки через резистор 16 и диод 14. В этом случае трансформатор 10 работает в режиме трансформатора напряжения, а величины сопротивлений ре О зисторов 15 и 16 выбираются из условия обеспечения близкого к линейному режима силовых транзисторов 11 и 12 с мощностью ниже предельно допустимой для данного режима. Условие, обеспечивающее стабильность данного режима, выполняется наличием внутрен" ней нагрузки (в виде контура 16 и 14 для левого плеча и контура 15 и 13 для правого плеча) для вновь организовавшейся структуры ннвертора по классической схеме, содержащей силовые транзисторы 11 и 12, трансформа тор 10 в режиме трансформатора напряжения с первичными обмотками, включенными в коллекторные цепи переключающих транзисторов, и вторичными обмотками, образованными частью 1 6обмоток 8 и 9 и подключенными через токоограничительные резисторы 15 и 16 к входам переключающих транзис)торов, Указанный контур внутренней нагрузки является буфером, сглаживающим технологический разброс и изменения от условий окружающей среды параметров трансформатора 10 и силовых транзисторов в линейном режиме. При снятии короткого замыкания нагрузки, развиваемые на вторичных обмотках 2 и З.выходного трансформатора напряжения, открывают соответствующий транзистор управления, благодаря чему .инвертор переводится в режим отдачи мощности в нагрузку. Причем перевод инвертора из одного режима в другой (и наоборот) можетпроисходить в любой Фазе происходящихв нем процессов без нарушения устойчивости работы. Перевод инвертора из дежурного режима (т.е, режима короткого замыкания) в режим отдачи мощности в нагрузку обеспечивается с момента снятия короткого замыкания при условии р что В держурном Ре жиме уровень мощности усилительного режима силовых транзисторов является достаточным для того, чтобы развиваемое на обмотках 2 и 3 трансформатора 1 напряжение превьппало пороговое значение входа транзисторов уп"равления. Перевод инвертора в дежурный режим происходит при скачкообраэном возрастании тока в момент появления короткого замыкания нагрузки благодаря тому, что импульсное падениенапряжения па индуктивностях рассеяния первичных обмоток трансформатороврезко снижает напряжение на индуктивности перемагничивания трансформатора 1, в результате чего напряжениена его обмотках 2 и 3 снижается нижепорогового уровня входной характеристики транзисторов управления, послед"ние выключаются и переводят силовыетранзисторы в усилительный режим. Соотношение витков в базовых обмотках трансформатора тока Тр 2 - (междучастями обмотки, разделенными выводом) определяется следующими соображениями. Напряжение на обмотке 8 ограничивается на уровне суммы напряжений насыщения базо-эмиттерного перехода транзистора 11 иЦ и транзитйастора 6. Последнее, как правило, ниженапряжения насыщения базо-эмиттерногоперехода, поэтому половина суммарно11389го напряжения заведомо не превьппаетнапряжения отсечки полупроводниковыхдиодов, шунтирующих силовые транзисторы, .в частности диода 14.В связи сэтим при выборе отвода не более, чемот половины витков базовой обмотки(считая от верхнего вывода), обеспечено отсутствие тока во вторичной (базовой) обмотке трансформатора10, подключенной к закрытому плечу 1 Оинвертора. Этим обеспечивается длятрансформатора 10 режим трансформатора тока, необходимый для нормального функционирования инвертора.При использовании полупроводниковых 15приборов из различных материалов,когда соотношение напряжений на открытых переходах отлично от рассмотренного, выбор необходимого коэффициента включения отвода (коэффи- п 0циента автотрансформации К ) можноопределить из выражения,ф.со.т уэи п "пиоо ь,ч 25где% - число витков верхней половины базовой обмотки (от верхнего по схеме вывода до отвода),ф" полное число витков базовой30обмотки.Выбор сопротивления резисторов 15,.и 1 б производится из соотношениямежду составляющими токов инверторав режиме КЗ. В этом случае образуется структура инвертора по классической схеме и ток в базу силового тран-зистораа определяется напряжением,развивающимся на верхней половинебазовой обмотки%8, и сопротивлени-40ем в контуре этого тока (сопротивлением резисторов 15 или 1 б).%п - число витков коллекторных об.моток трансформатора 10,й- сопротивление резисторов 15и 16.Нагрузкой инвертора в этом режиме 5 Оявляется контур тока в базовой цепизакрытого плеча (внутренняя нагруз ка) - благодаря,шунтирующему диоду13 ( 14), подключенному в обратной полярности к управляющему переходу силового транзистора 11 (12) .Таким образом, полный ток базовыхобмоток, приведенных к коллекторной 1 8обмотке трансформатора.10, определяет основнуго составляющую коллекторного тока (составляющая коллекторного то" ка, определяемая коэрцитивным током насыщающегося сердечника трансформатора 10, практически всегда существенно ниже указанной составляющей) в виде удвоенного значения базового ,тока отдельного силового транзистора2 ЕЯВ,В ае,ь 2 е аул 215,6РьПроизводим переход от числа витков верхней половины базовой обмотки Ъ г.к полному числу ее витков Л я ф 866Из полученного выражения, учитывая. что В = 25 ои В =( сопротивП Мип ление резисторов И Я мин )1где В - минимально возможный.коэфеиифициент усиления транзисторов 11 и 12.Из последнего выражения следует, что и рассматриваемом режиме благодаря реальным значениям коэффициентов усиления транзисторов, превьппающим В щ , силовь)е транзисторы работают Миц фтакже в ключевом р"жиме с коэффициентом насыщения, равным отношению реального значения В к Ви (из-эа наличия составляющей коллекторного тока, вызываемой коэрцитивным значением сердечника трансформатора 10, коэффициент насьпцения несколько ниже) . Учитывая это. для исключенияв момент переключения возникновения импульсных в соы транзисторов вьппе предельно допустимого (1,) необходимо ограничитьвыбирае-. мую величину 11-1,АоС учетом этого окончательное выражение для определения сопротивления 1, ь имеет вид,АооТаким образом, предлагаемый инвертор по сравнению с известнымирректор И,Эрдей Тираж 646 осударственного комитета ССС елам изобретений и открытий Москва, Ж, Раушская паю., Зак сное филиал ППП"Патент", г. Ужг 4 ул. Проек имеет более высокое значение КПД эасчет исключения потерь мощности натокоограничительных элементах базовых цепей силовых транзисторов, сохраняет высокое значение КПД приуменьшении тока нагрузки, Кроме того, в инверторе отсутствует режим 0703/4НИИПИпо д13035,сквозных токов и, соответственно,токовой перегрузки силовых транзисторов при их переключении, что значительно повышает надежность и КПД, а5 при коротком замыкании в цепи нагруз.ки резко снижается потребляемая инвертором мощность,