Двухтактный стабилизированный инвертор

"А Н ОП С ИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз СоветскикСоциалистическихРеспублик(22) Заявлено 0404.77 (21) 2472582/24-07 с присоединением заявки М 2474426/24-07 (23) ПриоритетОпубликовано 2504.80, бюллетень Но 15 Дата опубликования описания 250480(51)М. Кл. Н 02 И 3/335 Государственный комитет СССР по делам изобретений н открытий(54) ДВУХТАКТНЫЙ СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ИНВЕРТОР Изобретение относится к преобразовательной технике и может быль использовано во вторичных источниках электропитания для преобразования постоянного напряжения в перемен 5 ное или в постоянное напряжение другого уровня.Известны двухтактные стабилизированные инверторы, содержащиевыходной трансформатор, силовые управляемые ключи, выходной выпрямитель с емкостным фильтром и дроссель Фильтра, включенный последовательно в цепь литания инвертора 1.Недостаток данного инвертора состо.15 ит в увеличенных габаритах конденсатора и дросселя фильтра, так как энергия н нагрузку поступает прерывисто, а сердечник дросселя подмагничивается постоянным потребляющим 20 током инвертора.Известен также двухтактный стабилизированный инвертор, в котором дроссель фильтра включен в цепь переменного тока последовательно с 25 первичной обмоткой выходного транс" форматора. Благодаря этому энергия в нагрузку поступает непрерывно, отсутствует подмагничивание сердечника дросселя и габариты фильтра 30 уменьшены, Для управления силовыми ключами в этом инверторе использован компаратор, а измерительный орган выполнен в виде преобразователя выходного напряжения в частоту 2,Недостатком данного инвертора является отсутствие ограничения тока силовых ключей, что приводит к снижению КПД при переменной нагрузке инвертора.Цель изобретения - повышение КПД, надежности путем ограничения тока, силовых ключей на, заданном уровне и улучшение качества стабилизации.Это достигается тем, что в двухтактном стабилизированном инверторе, содержащем выходной трансформатор, первичная обмотка которого через дроссель Фильтра подключена к входным питающим выводам с помощью силовых управляемых ключей, шунтированных возвратными диодами, а вторичная обмотка подключена через выпрямитель к выходным выводам инвертора, шунтированным конденсатором Фильтра, и блок управления с компаратором, Один вход которого соединен с источником опорного управляющего напряжения, а другой вход соединен с выходом измерительного органа, измерительный орган снабжен датчикомтока, включенным в питающую цепь инвертора. Блок управления может бытьвыполнен с независимым управлениемсиловыми ключами через триггер и логические схемы И, а также с самовозбуждением силовых ключей и синхронизацией через эапиракщие транзисторы-, соединенные по цепи управления с выходом компаратора. Приэтом самовозбуждение обеспечивается либо дополнительными обмоткамина дросселе и трансформаторе, либос помощью перекрестных резистивныхсвязей. На фиг, 1 показан вариант пред ложенной,схемы с независимым возбуждением; на фиг, 2 и 3 - варианты с самовозбуждением.В инверторе (см. фиг. 1) между питающими выводами 1 и 2 через датчик тока 3 включены параллельно две цепи, каждая из которых содержит соединенные последовательно первичную обмотку 4(5) выходного трансформа" тора 6, обмотку 7(8) дросселя 9 и силовой ключ 10(11), шунтированный 25 диодом 12(13),Управляющий электрод силового ключа 10(11) через согласующий каскад 14(15) соединен с выходом логической схемы И 16(17) . Первые входы схемы 3 О 16 и 17 соединены с выходами триггера 18, а их вторые входы соединены со счетным входом триггера.Счетный вход триггера 18 через согласующий каскад 19 подключен к выходу З 5 компаратора 20, один вход которого соединен с выходом датчика тока 3, а другой вход - с выходом источника 21 опорного сигнала.На вторичной стороне трансформатора б нагрузки 22 шунтирована конденсатором 23 и подключена ко вторичной обмотке 24 через выпрямитель 25.Двухтактный стабилизированный инвертор работает следующим образом.В установившемся режиме работы 45 конденсатор 23 фильтра заряжен, и поэтому напряжения на обмотках трансформатора б имеют прямоугольную форМуПусть сигналом с выхода Отригге О ра 18 открыт силовой ключ 10. К первой обмотке дросселя 9 (обмотке 7) при этом приложено постоянное напряжение, равное разности между напряжением питания и неизменным во времени Напряжением на первичной обмотке 4 трансформатора б. При постоянстве напряжения наобмотке 7 дросселя 9 ток, потребляемый от источника питания и передаваемый через трансформатор в нагрузку, нарастает .по линей- Щ ному закону.В тот момент, когда на выходе датчика тока 3 сигнал, пропорциональный току, достиг.ет . начения, задаваемого. на ьторой вход компаратора 20 источ ником 21 опорного сигнала, на выходе компаратора появится сигнал, которым триггер 18. перебросится в состояние, противоположное начальному, Переброс триггера 18 вызывает исчезновение сигнала, поддерживающего ключ 10 в открытом состоянии, и через время, определяемое инерционностью ключа, прекратится протекание тока через него.Пока происходит запирание силового ключа 10, на выходе компаратора, а следовательно, и на счетном выходе триггера присутствует сигнал. Если, например, переброс триггера осуществляется сигналом 0 на счетном входе, то сигнал отпирания на силовой ключ 11 с выхода О триггера 18 не проходит через схему 17 и согласующий каскад 15. Благодаря этому предотвращается одновременность работы в открытом состоянии силовых ключей 10 и 11.После запирания ключа 10 происходит передача энергии, накопленной в дросселе 9 в нагрузку, что вызывает протекание тока через диод 13, обмотку 8 дросселя 9 и обмотку 5 трансформатора б. При этом ток, передаваемый в нагрузку, спадает по линейному закону. Направление тока через датчик 3 во время передачи энергии из дросселя в нагрузку изменяется на противоположное, что вызывает исчезновение сигнала с выхода компаратора, а значит и исчезновение сигнала на входе триггера 18, т, е. на его счетном входе появляется сигнал 1. С этого момента времени разрешается прохождение отпирающего сигнала через схему 17 и согласующий каскад 15 на управляющий электрод силового ключа 11.В тот момент, когда ток обмотки 8 дросселя 9 спадетдо нуля, т. е. из дросселя полностью выводится энергия, происходит изменение полярности напряжения на обмотках трансформатора б, и от источника питания снова начинает потребляться ток, который протекает через соединенные последовательного обмотку 5 трансформатора б, обмотку 8 и ключ 11 и нарастает по линейному ,закону, Далее процессы происходят аналогично первому такту.В инверторе (см. фиг, 2) трансформатор б содержит дополнительную обмотку 26, а дроссель 9 - дополнительную обмотку 27. Обмотки 26 и 27 трансформатора б дросселя 9 соединены последовательно, причем свободный вывод обмотки 27 через токоограничивающий резистор 28 связан с управляющим электродом первого силового ключа 10, а свободный вывод обмотки 26 через токоограничивающий резистор 29 связан с управляющим электродом второго силового ключа 11.Входные цепи силовых ключей 10 и 11шунтированы диодами 30 и 31,Управляющий электрод первого силового ключа 10 через ключ цепизапирйния, образованный соединенными последовательно диодом 32, коллекторно-эмиттерной цепью транзистора 33и токоограничинающим резистором 34,подключен к шине 35, потенциал которойявляется запирающим по отношению кэлектродам управления силовых ключей,10 и 11. Управляющий электрод второго осилового ключа .11 подключен к шине35 через ключ цепи запивания, образованный соединенными последовательно диодом 36, коллекторно"эмиттернойцепью транзистора 33 и токоограничивающим резистором 34,Шина 35 запирающего смещения связана с выходами цепи, образованнойсоединенными последовательно обмотками 26 и 27, через диоды 37 и 38. 2 ОМежду шиной 35 и общей шиной 2 включен конденсатор 39.Электрод управления ключа цепизапирания через согласующий каскад19 подключен к выходу компаратора 20,один вход которого соединен с выходомдатчика тока 3, а второй вход - с выходом источника 21,В иннерторе (см. фиг. 3) в качестве шины запирающего смещения исполь зован входной вывод 2, нулевой потен- циал которого является запирающим по отношению к электродам управления силовых ключей 10 и 11. В качестве ключа цепи запирания первого силового ключа 10 использована коллекторнозмиттерная цепь транзистора 40, а в качестве ключа цепи запирания второго силового ключа 11 и коллекторноэмиттерная цепь транзистора 41.Управляющие электроды ключей це пей запирания силовых ключей 10 и 11 через резисторы 42 и 43 и согласующий каскад 19 подключены к выходу компаратора 20.цепь коммутации силовых ключей 45 10 и 11 содержит соединенные последовательно обмотки трансформатора и дросселя, причем цепь из соединенных последовательно обмоток образована силовой обмоткой 7 дросселя 5 О 9, первичной обмоткой 4 трансформатора б, перничной обмоткой 5 трансформатора 6 и силовой обмоткой 8 дросселя 9. Выводы этой цепи иэ последовательно соединенных указанных обмоток, соединенные непосредственно с электродами силовых ключей 10 и 11, подключены ко входам несимметричного переключателя тока 44, у которого первый выход через резистор 45 связан с электродом управления пер ного силового ключа 10 и связан через резистор 46 с электродом управления ключа цепи запирания второго, силового ключа 11, Второй выход несимметричного переключателя 44 через резистор б 5 47 связан с электродом управлениявторого силового ключа 11 и связанчерез резистор 48 с электродом управления ключа (40) цепи запирания силового ключа 10,Принцип действия инверторов, показанных на фиг. 2 и 3 одинаков и соответствует изложенному принципу действия инвертора, показанного на фиг. 1со следующими особенностями.Силовой ключ 10 (см. фиг. 2)поддерживается в открытом состояниитоком соединенных последовательнодополнительных обмоток 27 и 26 соответственно дросселя 9 и трансформатора б, а ток ограничен токоограничиваю-.шими резисторами 28 и 29,Ток обмоток 26 и 27 одновременнос поддержанием открытого состояниясилового ключа 10 обеспечивает напряжение запирающего смещения на управляющем электроде силоного ключа 11за счет протекания токаобмоток,черездиод 21.В инверторе (см. фиг. 3) переключатель 44 установлен в такое состоя 1ние, при котором ток задается в точку соединения резисторов 45 и 46,поддерживая н открытом состояниисиловой ключ 10 и в запертом состоянии силовой ключ 11(при этом открыттранзистор 41).В тот момент когда на выходе датчика тока 3 сигнал, пропорциональный линейно-нарастающему току, достигнет значения, задаваемого на второй вход компаратора 20 источникомопорного сигнала 21, на ныходе комчаратора появится сигнал.В схеме на фиг, 2 этим сигналомотпирается транзистор 33, и коллекторный ток этого, транзистора черездиод 32 поступает в базоную цепьоткрытого транзистора 10, обеспечивая отрицательный ток управления.Диод 36 при этом находится в запертом состоянии, так как потенциал нааноде этого диода ниже, чем потенциал на аноде диода 32, Отрицательным током базы силовой транзИстор10 выводится из состояния;насыщения.Пока силовой ключ не заперся, т. е.находится во включенном состоянииток продолжает нарастать и на выходекомпаратора 20 присутствует сигнал.В схеме на фиг. 3 сигналом с выхода компаратора 20 отпираются одновременно транзисторы 40 и 41, и это вызывает снижение до нуля тока, поддерживающего силовой ключ 10 в открытом состоянии,Во время вывода энергии из дросселя напряжение на его обмотках неизменно и, следовательно спад тока через дроссель, равно как и его нарастание во время накопления энергии происходит по линейному закону.В следующем такте, когда открыт ключ .11 и процессы протекают полностью аналогично, нарастание тока через обмотки дросселя и трансформатора сменяет спад токов непрерывно, т. е. без какой-либо задержки, Следовательно, построение схемы управления инвертором, как зто предложено в изобретении, обеспечивает непрерывность передачи тока в нагрузки на вторичной стороне трансформатора, причем ток имеет треугольную форму; Тогда среднее значение тока, передаваемого в нагрузку, связано с амплитудным, потребляемым от источника питания, коэффициентом пропорциональности, равным 1/2. Поэтому осуществляемая в схеме фиксация амплитуды тока источника пита ния, достигаемая принудительным запиранием силового ключа, как только ток через него достигнет порогового значения, означает стабилизацию среднего значения тока, передаваемо- ;р го в нагрузку, причем это происходит независимо от напряжения питания.Преимущество предлагаемого технического решения заключается еще и в том, что обеспечивается автомати ческая защита инвертора от перегрузок по току, что повышает надежность инвертора беэ необходимости введения каких-либо дополнительных цепей .защиты.Качество стабилизации может быть дополнительно повышено, если в качестве источника 21 опорного сигнала испольэовать усилитель обратной связи (рассоглаоования) с ограниченной амплитудой выходного сигнала. Ограни- З 5 ченность сигнала на выходе такого усилителя означает также ограниченность тока, который может быть передан в нагрузки на вторичной стороне, т, е. повышение качества ста- Щ билизации не достигается ценой снижения надежности.Плавный характер нарастания токачерез силовые управляемые ключи 10 и 11 и отсутствие сколь-нибудь значительного напряжения на них при отпирании способствует в предлагаемом устройстве дополнительному сокращению потерь (коммутационных) и повышению КПД.Показанное на фиг. 2 подключение шины 35 запирающего смещения к выводам цепй из соединеннйх последовательно обмоток 26 и 27 через диоды 37 и 38 позволяет обойтись для создания 55 такого смещения без каких-либо дополнительных источников питания,.в частности без введения еще дополнительных обмоток трансформатора и дросселя.Данный принцип построения схемы инвертора применим и для мостового варианта силовой цепи, когда первичная обмотка трансформатора и силовая обмотка дросселя, соединенные пос- б 5 ледовательно, односекционные, а количество силовых Ключей, шунтированных диодами, равно четырем,Формула изобретения1. Двухтактный стабилизированныйинвертор, содержащий выходной трансформатор, первичная обмотка которогочерез дроссель фильтра подключенак входным питающим выводам инверторас помощью силовых управляемых ключей,шунтированных силовыми воэвратчымидиодами, а вторичная обмотка подключена через выпрямитель к выходнымвыводам инвертора, шунтированным конденсатором фильтра, и блок управления с компаратором, один вход которого связан с источником управляющего напряжения, а другой вход соединен с выходом измерительного органа, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью повышения КПД и надежности путем ограничения тока силовыхключей на заданном уровне, улучшениякачества стабилизации, измерительныйорган снабжен датчиком тока, включенным в питающую цепь инвертора, выходкоторого подключен к одному входукомпаратора, а к другому входу последнего подключен источник управляющего напряжения.2. Инвертор по п. 1, о т л ич а ю щ и й с я тем, что указанныйблок управления содержит триггер,счетный вход которого соединен с выходом укаэанного компаратора и две логические схемы типа И, выход каждойиэ которых соединен с цепью управляющего электрода соответствующегосилового ключа инвертора, первый входсоединен с выходом триггера, а второй вход с выходом компаратора.3. Инвертор по п, 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что указанный блок управления содержит цепочку из последовательно соединенных дополнительных обмоток выходного трансформатора и дросселяподключенную между управляющими электродами силовых ключей, входы которых шунтированы диодами, и дополнительный запирающий ключ, связывающий через диодыисточник запирающего смещения с управляющими электродами силовых ключей и соединенный по цепи управления с выходом компаратора.4. Инвертор по и. 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что в указанный блок управления введен переключатель тока и запирающие транзисторы, шунтирующие входы силовых клю-. чей, входы переключателя тока связаны с выходными цепями силовых ключей, а каждый иэ выходов через резисторы - со входом силового ключа данного плеча и с базой запирающего транзистора противоположного пле 729772 10та, причем последняя через резисторподключена к выходу компаратора.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Патент США У 3015771,кл. 321/15, 19 б 2.2. Патент фРГ 9 2501527,кл. Н 02 рИ 13/22, 1976 (прототип).729772 и Составитель В, МоРедактор В. Фельдман Техред М.Куэьма,Корректор В. Синицка Заказ 1323/51 Тираж 783 ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам иэобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4одписное Филиал ППП фПатент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4