Полумостовой инвертор

 

Использование: преобразование постоянного напряжения в переменное для сис+Вход тем вторичного электропитания. Сущность изобретения: силовые транзисторы 1 и 2 разного типа проводимости открываются с помощью операционного усилителя 5 при отпирании его выходных транзисторов 7 или 8 соответственно. При этом ток базы силовых транзисторов 1 и 2 является одновременно током цепи питания операционного усилителя 5. Блокировочные транзисторы 3 и 4 обеспечивают активное запирание силового транзистора 1(2) одного плеча при открытом силовом транзисторе 2(1) другого плеча и защиту от сквозных токов при переключении силовых транзисторов 1 и 2. 2 з.п. ф-лы, 2 ил..

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Н 02 М 7/538

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4781441/07 (22) 12.01.90 (46) 23.04,92, Бюл. ¹ 15 (71) Научно-исследовательский институт

"Квант" (72) B.Н.Скачко и В.А.Гринько (53) 621.314.58(088.8) (56) Патент ФРГ № 3247596, кл. Н 02 P 13/18, 1983.

Авторское свидетельство СССР

N 1536362, кл. G 05 F 1/46, 1988.

Патент США ¹ 4700282, кл, Н 02 M 7/538, 1987. (54) ПОЛУМОСТОВОЙ ИНВЕРТОР (57) Использование: преобразование постоянного напряжения в переменное для сис+8ход Ы 1728952 А1 тем вторичного электропитания. Сущность изобретения: силовые транзисторы 1 и 2 разного типа проводимости открываются с помощью операционного усилителя 5 при отпирании его выходных транзисторов 7 или 8 соответственно. При этом ток базы силовых транзисторов 1 и 2 является одновременно током цепи питания операционного усилителя 5. Блокировочные транзисторы 3 и 4 обеспечивают активное запирание силового транзистора 1(2) одного плеча при открытом силовом транзисторе 2(1) другого плеча и защиту от сквозных токов при переключении силовых транзисторов 1 и 2, 2 з,п. ф-лы, 2 ил.

1728952

Изобретение относится к электротехнике, в частности к области преобразования параметров электрической энергии, и может быть использовано при разработке источников вторичного электропитания, преимущственно в случае предъявления к ним повышенных требованиях к КПД, например, на объектах автономного использования с ограниченными энергоресурсами.

Известен преобразователь постоянного напряжения в переменное с использованием IloëóìocòoBoãо инвертора, приводимого в действие от генератора прямоугольного напряжения, имеющего два взаимоинверсных выхода, связанных с базоэмиттерными переходами транзисторов полумостового инвертора, которые включаются поочередно.

Недостатком устройства является то, что в нем затруднено управление транзисторами инвертора. Эти транзисторы одинаковые. Эмиттер одного из них соединен с коллектором другого и с одним из выводов для подключения первичной обмотки выходного трансформатора (нагрузки). От-. носительно этой точки подается от формирователя управляющее воздействие на базу транзистора, эмиттер которого подключен к упомянутой точке. Это неудобно, потому что данный эмиттер не имеет постоянной связи с одной из шин первичного питания.

Известен преобразователь постоянного напряжения в переменное, в котором используются силовые транзисторы инвертора различного типа проводимости, Их эмиттеры соединены с противоположны ми шинами первичного питания, а к базоэмиттерным переходам подключены переходы коллектор — эмиттер блокирующих транзисторов. П рямоугол ьное нап ряжение от задающего генератора через резисторы и согласующие транзисторы подается с эмиттеров этих транзисторов к базам силовых транзисторов. На базы блокирующих транзисторов поступают управляющие сигналы от широтно-импульсного модулятора, Эти сигналы и сигналы управления силовыми транзисторами формируются раздельно, При их временном наложении сигналы, подводимые к базам силовых транзисторов, блокируются за счет шунтирования их базоэмиттерных переходов. Это снижает КПД так как растут энергетические затраты на управление инвертором.

Наиболее близким к предлагаемому является полумостовой инвертор, содержащий два силовых транзистора разного типа проводимости, соединенных между собой коллекторами, образующими первый выходной вывод инвертора, и шунтируемых по входу блокирующими транзисторами, тип проводимости которых совпадает с типом проводимости шунтируемого силового транзистора, и два ключа, через каждый из которых база силового транзистора одного плеча связана с базой блокирующего транзистора другого плеча, и генератор управля10 ющего сигнала, противофазные выходы которого соединены с управляющими входами ключей. Для приведения в действие

55 генератора управляющего сигнала (схемы модуляции) к нему подключен источник переключающего сигнала (задающий генератор).

Поочередно появляющиеся выходные сигналы управляющего генератора посредством ключей одновременно открывают силовой транзистор одного плеча и блокирующий транзистор другого плеча.

Недостаток прототипа заключается в том, что сигналы для управления ключами формируется с помощью двух узлов — источника переключающего сигнала и схемы модуляции, и в том, что цепи питания обоих названных узлов самостоятельно потребляют для своей работы ток, дополнительно к току, расходуемому для получения управляющих сигналов на ключи, в силу чего снин<ается КПД.

Цель изобретения — упрощение и повышение КПД, Поставленная цель достигается за счет того, что в полумостовом инверторе, содержащем два силовых транзистора разного типа проводимости, соединенных между собой коллекторами, образующими первый выходной вывод инвертор, и шунтируемых по входу блокирующими транзисторами, тип проводимости которых совпадает с типом проводимости шунтируемого силового транзистора, и два ключа, через каждый из которых база силового транзистора одного плеча связана с базой блокирующего транзистора другого плеча, и генератор управляющего сигнала, противофазные выходы которого соедиенны с управляющими входами ключей, в качестве указанных ключей и генератора управляющего сигнала использован операционный усилитель, каждый питающий вывод которого подключен к базе соответствующего силового транзистора, выходной вывод подключен через первый и второй резисторы к базе блокирующего транзистора соответственно одного и другого плеч и через третий и четвертый резисторы соответственно к неинвертирующему и инвертирующему входным выводам операционного усилителя, а второй выход1728952 ной инвертор соединен через пятый резистор и хронирующий конденсатор соответственно с неинвертирующим,и инвертирующим входными выводами операционного усилителя. 5

Кроме того, в каждое плечо инвертора введены первый и второй дополнительные транзисторы, тип проводимости которых совпадает с силовым транзистором, в цепь питания операционного усилителя включен 10 последовательно базоэмиттерный переход первого дополнительного транзистора, в цепь первого и второго резисторов включен последовательно базоэмиттерный переход второго дополнительного транзистора, при- 15 чем эмиттеры первого и второго дополнительных транзисторов соединены с базами соответственно силового и блокирующего транзисторов, коллектор второго дополнительного транзистора соединен с базой 20 первого дополнительного транзистора данного плеча инвертора, а коллектор первого дополнительного транзистора через дополнительную обмотку введенного выходного трансформатора соединен с вторым выход- 25 ным выводом инвертора. Второй выходной вывод инвертора образован общей точкой двух силовых конденсаторов, противоположные выводы которых соединены с эмиттерами силовых транзисторов. 30

На фиг.1 представлена схема предложенного полумостового инвертора; на фиг.2 — вариант схемы с повышенной выходной

МОЩНОСТЬЮ.

Полумостовой инвертор (фиг.1) содер- 35 жит силовые транзисторы 1 и 2 типов проводимости соответственно р-и-р и п-р-п,l блокирующие транзисторы 3 и 4 таких же типов проводимости, что и транзисторы 1 и

2, операционный усилитель 5, состоящий из 40 генератора 6 управляющих сигналов, первого 7 и второго 8 ключей, первый 9, второй

10, третий 11, четвертый 12 и пятый 13 резисторы, хронирующий конденсатор 14, силовые конденсаторы 15 и 16 и выходной 45 трансформатор 17 с первичной обмоткой 18 и вторичной обмоткой 19, являющейся выходом инвертора.

Входная шина питания положительной полярности подключена к соединенным 50 между собой эмиттерам транзисторов 1 и 3, а входная шина отрицательной полярности — к эмиттерам транзисторов 2 и 4. К базе транзистора 1 подключены коллектор транзистора 3, вывод питания положительной 55 полярности генератора 6 управляющего сигнала, а через ключ 7 и резистор 10 — база транзистора 4, К базе транзистора 2 подключены коллектор транзистора 4, вывод питания отрицательной полярности генератора 6 управляющего сигнала, а через ключ

8 и резистор 9 — база транзистора 3. При этом входы ключей подключены к противофазным выходам генератора буправляющего сигнала, общая точка обоих ключей 7 и 8 образует выход операционного усилителя.5, соединенный также через резисторы 11 и 12 соответственно с неинвертирующим и инвертирующим входами операционного усилителя 5.

Коллекторы транзисторов 1 и 2 соединены между собой и образуют первый выходной вывод инвертора, второй его выходной вывод образуется общей точкой силовых конденсаторов 15 и 16, включенных между эмиттерами транзисторов 1 и 2. С вторым

Bblходным выводом инвертора соединена общая точка резистора 13 и конденсатора

14, подкл ючен н ы х между неин вертирующим и инвертирующим входами операционного усилителя 5, К этим выводам подключена первичная обмотка 18 выходного трансформатора.

В варианте повышенной выходной мощности (фиг,2) в трансформатор 17 введена дополнительная обмотка 20, В оба плеча инвертора дополнительно к транзисторам

1 — 4 включены транзисторы 21-24 тех же типов проводимости. Эмиттеры транзисторов 21 и 23 соединены с базами транзисторов 1 и 3 соответственно, а эмиттеры транзисторов 22 и 24 — с базами транзисторов 2 и 4, В цепь питания операционного усилителя 5 включены последовательно базоэмиттерные переходы транзисторов 21 и

22. В цепь резисторов 9 и 10 включены базоэмиттерные переходы транзисторов 23 и

24 соответственно. Коллекторы транзисторов 23 и 24 соединены с базами транзисторов 21 и 22, Коллекторы транзисторов 21 и

22 соединены между собой и через обмотку

20 трансформатора 17 подключены к общей точке конденсаторов 15 и 16.

Инвертор работает следующим обраЗОМ.

Генератор 6 управляющих сигналов получает ток питания от входных шин инвертора через базоэмиттерные переходы силовых транзисторов 1 и 2, обусловливая их базовые токи в промежутки времени, когда они не блокируются транзисторами 3 и 4, Каждый из ключей 7 и 8 в своем проводящем состоянии создает базовый ток относящегося к нему силового транзистора и одновременно ток базы блокирующего транзистора противоположного плеча, запрещая таким образом работу силового транзистора этого плеча; ток базы транзистора 1, проходя через ключ 7 и резистор 10, является базовым током транзистора 4, и наоборот, ток базы

1728952

45

55 транзистора 2 через ключ 8 и резистор 9 выступает током базы транзистора 3.

Так как операционный усилитель 5, резисторы 11-13 и конденсатор 14 представляют собой функционально задающий генератор прямоугольных колебаний, а ключи 7 и 8 — его выходные элементы, то получается, что весь этот генератор питается через плечи полумостового инвертора, а именно через базоэмиттерный переход силового транзистора одного плеча и переход коллектор — эмиттер блокирующего транзистора другого плеча, причем управление блокирующими транзисторами производится с выхода задающего генератора (общая точка ключей 7 и 8). Если на выходе задающего генератора будет положительный полупериод, то откроется транзистор 4 и, следовательно, окажется зашунтированным базоэмиттерный переход транзистора 2, а во время отрицательного полупериода задающего генератора открытым будет транзистор 3, который будет шунтировать в течение полупериода базоэмиттерный переход транзистора 1.

Таким образом, ток, потребляемый задающим генератором, проходит через базоэмиттерные переходы транзисторов 1 и 2 попеременно благодаря поочередному (при смене полупериодов задающего генератора) шунтированию их переходами коллектор — эмиттер транзисторов 3 и 4 соответственно, между тем как ток по цепи питания задающего генератора идет непрерывно.

Напряжение на коллекторах транзисторов 1 и 2 прямоугольное с амплитудой, близкой к величине напряжения питания. Оно имеет ту же фазу, что и на выходе задающего генератора. Конденсаторы 15 и 16 образуют емкостной делитель напряжения первичного питания на два, и поэтому напряжение на коллекторах транзисторов 1 и

2 (первый выход инвертора) относительно средней точки емкостного делителя (второй выход инвертора) получается знакопеременным. Такое же, но с заданным коэффициентом трансформации, снимается прямоугольное напряжение с обмотки 19 трансформатора 17, который может быть подключен к выходам инвертора, В варианте устройства с повышенной выходной мощностью (фиг.1) ток цепи питайия задающего генератора проходит последовательно через переходы база — эмиттер транзисторов 1 и 21 (от шины питания положительной полярности) и далее по базоэмиттерным переходам транзисторов 22 и 2 на шину питания отрицательной полярности. Пары транзисторов 1, 21 и 2, 22 имеют типовое составное включение с дополни5

35 тельным смещением на коллекторы согласующих транзисторов в силу того, что коэффициент трансформации из обмотки 18 в обмотку 20 меньше единицы. Это позволяет обеспечить насыщенный режим составных транзисторов. Шунтирование базоэмиттерных переходов каждой пары составных транзисторов производится другой парой составных транзисторов такого же типа проводимости: к транзисторам 1 и 21 относится пара шунтирующих транзисторов 3 и 23, а к транзисторам 2 и 22 — пара транзисторов 4 и 24.

Для обеспечения ключевого режима работы транзисторов 3 и 4 имеет значение остаточное напряжение попеременно действующих ключей 7 и 8. Если оно больше, чем напряжение перехода база — эмиттер транзисторов 3 и 4, нужное для их открывания, то эти переходы следует шунтировать резисторами (показаны пунктиром на фиг.1 и аналогично на фиг.2, где эти резисторы шунтируют — каждый отдельно — базоэмиттерные переходы пар транзисторов: 3, 23 и

4, 24). Тогда образуются этими резисторами и резисторами 9 и 10 делители, сводящие остаточное напряжение на базах выключаемых транзисторов 3 и 4 (и дополнительных транзисторов 23 и 24) к приемлемой величине.

Для создания базового тока силовых транзисторов инвертора транзисторов 1 и

2 на фиг.1 и дополнительно к ним транзисторов 21 и 22 на фиг.2) не требуются какие-либо специальные цепи тока и ограничивающие резисторы, в которых неизбежно имели бы место потери мощности: естественный ток потребления задающего генератора одновременно является и базовым током силовых транзисторов ин вертора при прямых и простейших связях между задающим генератором и силовыми транзисторами.

Ток баз транзисторов 1 и 2 экономится — он тот же самый, что и ток, потребляемый задающим генератором. управление инвертором по первому и второму входам для попеременного шунтирования переходов база — эмиттеров транзисторов 1 и 2 (и соответственно управление ими с помощью транзисторов 3 и 4) со стороны задающего генератора обходится меньшей мощностью, потому что токи баз транзисторов 3 и 4 (а в варианте большей выходной мощности еще и транзисторов 23 и 24) существенно меньше (практически на два порядка), чем токи баз транзисторов 1 и 2 (во втором варианте транзисторов 21 и 22).

Достигнуто и упрощение инвертора за счет того, что операционный усилитель 5 с

1728952

40

50

55 предложенными его подключениями выполняет одновременно роль источника сигнала переключения (он работает в режиме автогенератора) и схемы модуляции и ключей прототипа.

Формула изобретения

1, Полумостовой инвертор, содержащий два силовых транзистора разного типа про-. водимости, соединенных между собой коллекторами, образующими первый выходной вывод инвертора, и шунтируемых по входу блокирующими транзисторами, тип проводимости которых совпадает с типом проводимости шунтируемого силового транзистора, два ключа, через каждый из которых база силового транзистора одного плеча связана с базой блокирующего транзистора другого плеча, и генератор управляющего сигнала, противофазные выходы которого соединены с управляющими входами ключей, о тл и ч а ю щи и с я тем, что, с целью упрощения и повышения КПД, в качестве ключей и генератора управляющего сигнала использован операционный усилитель, каждый питающий вывод которого подключен к базе соответствующего силового транзистора, выходной вывод подключен через первый и второй резисторы к базе блокирующего транзистора соответственно одного и другого плечей и через третий и четвертый резисторы соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входным выводам операционного усилителя, а второй выходной вывод инвертора соединен через пятый резистор и хронирующий конденсатор соответственно с неинвертирующим и инвертирующим входными выво5 дами операционного усилителя.

2. Инвертор по п.1, отличающийся тем, что в каждое плечо инвертора введены первый и второй дополнительные транзисторы, тип проводимости которых совпада10 ет с силовым транзистором, в цепь питания операционного усилителя включен последовательно базоэмиттерный переход первого дополнительного транзистора, в цепь первого и второго резисторов включен последо15 вательно базоэмиттерный переход второго дополнительного транзистора, причем эмиттеры первого и второго дополнительных транзисторов соединены с базами соответственно силового и блокирующего

20 транзисторов, коллектор второго дополнительного транзистора соединен с базой первого дополнительного транзистора данного плеча инвертора, а коллектор второго дополнительного транзистора через дополни25 тельную обмотку введенного выходного трансформатора соединен с вторым выходным выводом инвертора.

3. Инвертор по п.1, отл ича ю щи и с я тем, что второй выходной вывод инвертора

30 образован общей точкой двух силовых конденсаторов, противоположные выводы которых соединены с эмиттерами силовых транзисторов, 1728952

Составитель B. Скачко

Редактор О. Юрковецкая Техред М,Моргентэл Корректор М. Шароши

Заказ 1413 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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