Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
ИНВЕРТОР
ИНВЕРТОР

ИНВЕРТОР

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: во вторичных источниках электропитания, в частности для питания радиоэлектронной аппаратуры от бортовых источников энергии, например аккумуляторной батареи. Сущность изобретения: инвертор содержит ненасыщающийся силовой трансформатор 1, два транзистора и переключающий трансформатор 2, вторичные обмотки 3, 4 которого подключены к эмиттерным переходам транзисторов. Первичная обмотка 5 переключающего трансформатора 2 включена между первичными полуобмотками 6, 7 силового трансформатора и одновременно через низкоомные резисторы подключена к обмотке обратной связи силового трансформатора 1. В устройстве реализуется автоматически изменяемая задержка открывания очередного транзистора и автоматическое симметрирование режима перемагничивания магнитопровода силового трансформатора 1. 1 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2007016
Класс(ы) патента: H02M7/538
Номер заявки: 5028244/07
Дата подачи заявки: 08.07.1991
Дата публикации: 30.01.1994
Заявитель(и): Научно-производственное объединение "Композит"
Автор(ы): Сенкевич А.К.; Алешин А.Ф.
Патентообладатель(и): Научно-производственное объединение "Композит"
Описание изобретения: Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано во вторичных источниках электропитания, в частности для питания радиоэлектронной аппаратуры от бортовых источников энергии, например аккумуляторной батареи.
Известен инвертор, содержащий ненасыщающийся силовой трансформатор, два транзистора и переключающий трансформатор тока, вторичные обмотки которого подключены к эмиттерным переходам транзисторов. Основными недостатками инвертора являются: большая критичность к технологическим разбросам параметров транзисторов инвертора и выпрямительных диодов нагрузки, прямая зависимость длительности периода генерации от напряжения питания, большие коммутационные перегрузки, а также неработоспособность в режиме холостого хода и при малых нагрузках [1] .
В качестве прототипа выбран инвертор, содержащий ненасыщающийся силовой трансформатор, два транзистора и переключающий трансформатор, вторичные обмотки которого подключены к эмиттерным переходам транзисторов через резисторы, а первичная обмотка через резистор подключена к дополнительной обмотке (обмотке связи) силового трансформатора, при этом коллекторы транзисторов подключены к крайним выводам первичных полуобмоток силового трансформатора, вывод нулевой точки которых подключен к положительной входной клемме инвертора, а эмиттеры транзисторов объединены и подключены к отрицательной клемме [2] .
Главными недостатками данной схемы являются малый КПД, обусловленный большими потерями на управление и коммутационными перегрузками, и сами коммутационные перегрузки.
Недостатком схемы является также большая чувствительность к технологическим разбросам параметров транзисторов инвертора и выпрямительных диодов нагрузки. Эти разбросы приводят к несимметрии схемы в смежных полупериодах ее работы и к подмагничиванию магнитопровода силового трансформатора постоянным током, а это влечет появление дополнительных коммутационных перегрузок транзисторов. К недостаткам прототипа также следует отнести невозможность крепления транзисторов на общем радиаторе и корпусе инвертора без использования диэлектрических прокладок, что ухудшает его массогабаритные характеристики.
Цель изобретения - повышение КПД, уменьшение коммутационных перегрузок и улучшение массогабаритных характеристик.
Поставленная цель достигается тем, что в инверторе, содержащем ненасыщающийся силовой трансформатор, два транзистора и переключающий трансформатор, вторичные обмотки которого подключены к эмиттерным переходам транзисторов, первичная обмотка переключающего трансформатора включена между первичными полуобмотками силового трансформатора и одновременно через дополнительно введенные низкоомные резисторы подключена к обмотке связи силового трансформатора, при этом последняя выполнена с выводом нулевой точки, который подключен к первой входной клемме инвертора, коллекторы транзисторов объединены и подключены к второй входной клемме, а эмиттеры подключены к крайним выводам первичных полуобмоток силового трансформатора.
Проведенный анализ существенных признаков предложенного технического решения по источникам научно-технической и патентной информации показал, что данное предложение соответствует критерию "существенные отличия".
На чертеже представлена принципиальная схема заявляемого инвертора.
Инвертор содержит ненасыщающийся силовой трансформатор (СТ) 1, два транзистора Т1, Т2, переключающий трансформатор (ПТ) 2 и два низкоомных резистора R1, R2. Вторичные обмотки 3 и 4 ПТ 2 подключены к эмиттерным переходам транзисторов Т1, Т2. Первичная обмотка 5 ПТ 2 включена между первичными полуобмотками 6 и 7 СТ 1 и одновременно через резисторы R1, R2 подключена к обмотке связи 8 СТ 1, вывод нулевой точки которой подключен к входной клемме "+" инвертора. Коллекторы транзисторов Т1, Т2 объединены и подключены к входной клемме "-", а эмиттеры подключены к крайним выводам первичных полуобмоток 6 и 7 СТ 1.
Инвертор работает следующим образом.
Пусть в исходном (первом) полупериоде транзистор Т1 открыт и насыщен, а транзистор Т2 закрыт. При этом в первичной полуобмотке 6 СТ протекает приведенный ток нагрузки I1 и его ток намагничивания Iм1, а ток I2 в первичной обмотке 5 ПТ равен
I21 = [(I11 + Iм1) R1 + Vc -
- Vвт1/n] /(R1 + R2), (1) где I21, I11 - значения I2, I1 в первом полупериоде;
Vc - напряжение обмотки связи, через Vвт1 обозначено UБЭнастранзистора Т1,
n - коэффициент трансформации ПТ.
Напряжение Vвт1 эмиттерного перехода открытого транзистора Т1прикладывается вследствие трансформации с обратной полярностью к эмиттерному переходу транзистора Т2 и удерживает его в закрытом состоянии.
Ток базы Iв насыщенного транзистора связан с I2 соотношением
Iв = (I2 - Iм2)/n, (2) где Iм2 - ток намагничивания ПТ.
Для обеспечения насыщенного состояния транзистора должно выполняться условие
Iв > (I1 + Iм1)/ β, (3) где через β обозначен h21э.
Подставив (2) в (3), получаем условие автогенерации
I2 > = (I1 + Iм1) n/β + Iм2, (4)
При насыщении магнитопровода ПТ происходит резкое увеличение тока намагничивания Iм2, условие (4) нарушается и наступает лавинообразный процесс переключения транзисторов и смены полярностей напряжений обмоток трансформаторов.
На втором полупериоде работы инвертора транзистор Т1 закрыт, а Т2 открыт и насыщен. При этом соотношение (1) принимает вид
I22 = [(I12 + Iм1) R2 + Vc -
- Vвт2/n] /(R1 + R2), (5)
Из сравнения формулы (1) с формулой (5) видно, что изменяя отношение R1/R2, можно получать различные значения I2, а следовательно и Iв в смежных полупериодах и таким обpазом компенсировать технологические разбросы параметров транзисторов и диодов нагрузки.
В прототипе такая возможность отсутствует, поскольку для него справедливо соотношение (не поддающееся регулировке)
Iв = [(Vc - (2. . . 4) Vв/n/Rc - Iм2] /n, (6) где Rc - сопротивление резистора, через который первичная обмотка ПТ подключена к обмотке связи СТ.
Для упрощения последующих выводов положим I11 = I12 = I1, R1 = R2 = R, Vвт1 = Vвт2 = Vв. Тогда из выражений (1), (2) и (5) можно получить следующее соотношение для тока базы:
Iв = { [(I1 + Iм1) +
+ (Vc - Vв/n)/R] /2 - Iм2} /n. (7)
Сравнивая выражения (7) и (6), можно видеть, что в отличие от прототипа в предложенном инверторе в выражении для Iв присутствует член I1/2 . n, пропорциональный току нагрузки, который при надлежащем выборе коэффициента трансформации ПТ может обеспечить выполнение условия автогенерации при больших токах нагрузки, когда
I1 + Iм1 >> (Vc - Vв/n)/R - 2. Iм2.
Считая (Vc - Vв/n)/R - 2 . Iм2 = 0, из выражений (7) и (3) находим предельное значение n, обеспечивающее автогенерацию
n < = β/2. (8)
Приравняв I1 = 0, из выражений (3) и (7) находим условие автогенерации в режиме холостого хода
(Vc - Vв/n)/2 R > = Iм2 +
+ Iм1. (n/β - 1/2). (9)
При выполнении условия (8), имеем
R < = (Vc - Vв/n)/2. Iм2. (10)
Мощность связи Рс по напряжению (Vc - Vв/n), потребляемую от обмотки связи СТ, мощность потерь PR в резисторах R1, R2 и полную потребляемую мощность Р можно найти по формулам
Pc = (Vc - Vв/n)2/2 . R, PR = I12 . R/2;
P = I1 . Vp, (11) где Vp - напряжение питания инвертора.
Как видно из формул (11), при уменьшении R мощность потерь PRпадает, а мощность связи Рс возрастает.
Следует отметить, что в этом случае реализуются автоматически изменяемая задержка открывания очередного транзистора и автоматическое симметрирование режима перемагничивания магнитопровода СТ. Это является очень важным достоинством предложенного инвертора, поскольку в сочетании с компенсацией технологических разбросов практически полностью устраняется коммутационные перегрузки и сводятся к минимуму динамические потери.
ПРИМЕР РАСЧЕТА ИНВЕРТОРА. Допустим напряжение питания инвертора Vp = 12,6 В, приведенный ток нагрузки I1 = 10 А и период генерации Тр = 10-4.
Выбираем как наиболее подходящий транзистор 1Т806 с параметрами: UБЭнас = 0,4 В, UКЭнас = 0,4 В, h21э = 8.
На основе справочных данных выбираем для СТ типоразмер сердечника К28х16х9 из феррита марки М2000НМ1. Поэтому имеем следующие параметры сердечника: сечение S = 54 . 10-6, индукция насыщения Вs = 0,36.
С учетом изменений температуры и напряжения питания принимаем Вs = 0,25 и по известной формуле
ω= Vw . Tp/4 . S . Bs, где ω, Vw - число витков и напряжение первичной обмотки трансформатора, находим число витков первичной полуобмотки СТ
ω1 = 12 . 10-4/4 . 54 . 10-6 . 0,25 = 22.
Принимаем ω1 = 36.
На основе опытных данных выбираем для ПТ сердечник К10х6х4,5 из феррита М2000НМ1 с параметрами: S = 9 . 10-6, lc = 25 . 10-3, Hc = 16 A/м.
Находим число витков базовой обмотки ПТ
ωв= 0,4 . 10-4/4 . 9 . 10-6 . 0,25 > 4.
Принимаем ωв = 4.
В соответствии с формулой (8) имеем n = 8/2 = 4, а число витков первичной обмотки ПТ ω2 = ωв/n = 1.
Находим ток намагничивания ПТ
Iм2 = Hc . lc/ ω2= 16 .25 .10-3/1 = 0,4 A.
Принимаем число витков обмотки связи СТ ωc = 1. Тогда Vc = 0,3 B.
Вычисляем по соотношению (10) значение R
R = (Vc - Vв/n)/2 . Iм2 =
= (0,3 - 0,4/4)/2 .0,4 = 0,25 Ом.
Принимаем R = 0,1 Ом.
Вычисляем мощность связи по напряжению
Pc = (Vc - Vв/n)2/2 . R =
= (0,3 - 0,4/4)2/2 . 0,1 = 0,2 Вт.
Вычисляем мощность потерь при максимальном токе нагрузки
PR = I12 . R/2 = 102 . 0,1/2 = 5 Вт.
При этом потребляемая мощность P = Vp . I1 = 12 . 10 = 120 Вт.
Таким образом КПД заявляемого инвертора превышает 95% .
В прототипе, как видно из формулы (6), отсутствует связь тока базы с током нагрузки. Поэтому мощность связи по напряжению задают в расчете на максимально возможный ток нагрузки. При этом Pc > PR, и составляет 5. . . 10% от Р. Поэтому КПД прототипа на номинальной нагрузке не превышает 80. . . 85% . Поскольку Рс и РR в прототипе не зависят от тока нагрузки, при уменьшении последнего КПД еще более ухудшается. Так, например, при уменьшении тока нагрузки в два раза КПД прототипа падает до 60. . . 70% и менее.
Для сравнения вычислим аналогичные величины при уменьшении тока нагрузки в два раза в заявляемом инверторе, т. е. при I1 = 5 А.
Вычисляем мощность потерь
PR = I12 . R/2 = 52 . 0,1/2 = 1,25 Вт.
При этом потребляемая мощность P = Vp . I1 = 12 . 5 = 60 Вт, а мощность связи по напряжению сохраняет прежнее значение - 0,2 Вт.
Таким образом, КПД предложенного инвертора превышает 95% и при уменьшении тока нагрузки.
В описываемом инверторе реализуются автоматически изменяемая задержка открывания очередного транзистора и автоматическое симметрирование режима перемагничивания магнитопровода СТ, что в сочетании с компенсацией технологических разбросов практически полностью устраняет коммутационные перегрузки.
Указанные преимущества инвертора по сравнению с прототипом были подтверждены при испытаниях опытного образца инвертора в составе источника питания радиоэлектронной аппаратуры от аккумуляторной батареи автомобиля.
Уменьшение мощности потерь, устранение коммутационных перегрузок и повышение КПД с 65 до 95% позволило применить в источнике транзисторы и трансформаторы меньшей мощности. Подключение коллекторов транзисторов к общей для источника питания и автомобиля минусовой шине обеспечило возможность использовать в качестве радиаторов транзисторов элементы конструкции аппаратуры. Все это позволило уменьшить габариты и массу источника более чем в 3 раза. (56) Ромаш Э. М. , Драбович Ю. И. , Юрченко Н. Н. и Шевченко П. Н. Высокочастотные транзисторные преобразователи, М. : Радио и связь, 1988, с. 119, рис. 4.226.
Ромаш Э. М. , Драбович Ю. И. , Юрченко Н. Н. и Шевченко П. Н. Высокочастотные транзисторные преобразователи, М. : Радио и связь, 1988, с. 103, рис. 4.9а.
Формула изобретения: ИНВЕРТОР, содержащий ненасыщающийся силовой трансформатор с первичными полуобмотками и обмоткой обратной связи, два транзистора и переключающий трансформатор, вторичные обмотки которого подключены к база-эмиттерным переходам транзисторов, отличающийся тем, что первичная обмотка переключающего трансформатора включена между первичными полуобмотками силового трансформатора и одновременно через введенные низкоомные резисторы подключена к обмотке обратной связи силового трансформатора, при этом последняя выполнена с выводом нулевой точки, который подключен к первому входному выводу, коллекторы транзисторов объединены и подключены к второму входному выводу, а эмиттеры подключены к крайним выводам первичных полуобмоток силового трансформатора.