ПОЛУМОСТОВОЙ АВТОГЕНЕРАТОРНЫЙ ИНВЕРТОР
SEMI-BRIDGE SELF-MAINTAINED INVERTER

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для питания аппаратуры различного назначения.
Полумостовые схемы инверторов широко применяются в диапазоне мощностей от десятков Вт до единиц кВт. Это связано с их преимуществом перед однотактными схемами - по энергетической эффективности; перед мостовыми - по стоимости и отсутствию проблем, связанных с насыщением силового трансформатора; перед схемами со средней точкой силового трансформатора - по меньшему установленному напряжению ключевых элементов и гарантированному отсутствию перенапряжений на них.
Основные проблемы при разработке полумостовых инверторов связаны с управлением верхним ключом полумоста.
Известны несколько основных видов полумостовых инверторов.
Автогенераторы с насыщающимися силовым или дополнительным коммутирующим трансформаторами [1, 2]. Эти простые и дешевые устройства имеют низкий кпд, зависимость рабочей частоты от величины питающего напряжения, отсутствие возможности регулировки выходных параметров. Полумостовые инверторы могут быть с передачей сигналов управления ключами от внешней схемы управления через импульсный трансформатор на двух n-канальных [3] или на n- и р-канальных MOSFET [4]. Основным недостатком таких устройств выступает неоптимальное управление ключами. Существуют полумостовые инверторы с гальванически изолированными драйверами полумоста. Это драйверы с оптронной развязкой, выпускаемые компаниями Agilent Technologies, IXYS, драйверы с трансформаторной развязкой компании Analog Devices и драйверы с радиочастотной развязкой через изолирующий барьер, производимые компанией Silicon Labs. Драйверы с оптронной и радиочастотной развязкой требуют дополнительного «плавающего» источника питания. Драйверы Analog Devices, содержащие трансформаторы развязки внутри микросхемы, имеют ограничение по мощности управляющего сигнала. Все такие известные устройства не практичны в применении вследствие дороговизны и дефицитности самих перечисленных драйверов. Наибольшее распространение получили полумостовые инверторы, управляемые драйверами полумоста с бутстрепным питанием и высоковольтным импульсным каскадом сдвига уровня сигнала управления верхним ключом. Такие драйверы выпускает большинство ведущих производителей комплектующих для силовой электроники [5, 6]. Эти известные простые и недорогие устройства также имеют ряд нижеперечисленных недостатков:
- ограниченный диапазон рабочих частот, что связано с конечной длительностью импульсов сдвига уровня [3];
- ограничение по мощности управления верхним ключом;
- низкая помехоустойчивость, обусловленная способом передачи сигнала управления верхнему ключу посредством коротких импульсов;
- критичность к топологии монтажа в части сопряжения выхода драйвера с входами ключей, особенно при больших уровнях мощности. Это связано с тем, что сигналы управления затворами транзисторов являются однополярными [3]. Два последних пункта означают низкую надежность полумостовых инверторов.
Перечисленные известные виды полумостовых инверторов имеют еще один общий существенный недостаток - в них отсутствует механизм симметрирования, т.е. автоматического выравнивания напряжений на конденсаторах делителя. Причинами асимметрии даже при идеальной работе драйверов могут быть различия в параметрах силовых ключей, определяемые технологическим разбросом выпускных параметров в процессе изготовления этих элементов. В полумостовых инверторах асимметрия хотя и не приводит к одностороннему намагничиванию сердечника силового трансформатора, но несомненно является причиной повышенного уровня пульсаций выходного напряжения на рабочей частоте, а также к неодинаковой загрузке ключей по мощности, что отрицательно сказывается на надежности работы известного устройства.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению (прототипом) является устройство, представленное в источнике [7], рис. 17, которое представляет собой полумостовой инвертор с управлением от драйвера IR215X компании International Rectifiert в типовом включении, дополненное схемой питания драйвера от обмотки трансформатора. Драйвер IR215X - автоколебательного типа с бутстрепным питанием и высоковольтным импульсным каскадом сдвига уровня сигнала управления верхним ключом.
Известное устройство содержит емкостный делитель входного питающего напряжения Uвх на конденсаторах С4, С5; два последовательно соединенных ключа, выполненных на полевых транзисторах с изолированным затвором и каналом n-типа (n-MOSFET) VT1, VT2, затворы которых через токоограничивающие резисторы R3, R4 подключены к управляющей микросхеме D1, трансформатор Τ с первичной обмоткой W1, обмоткой нагрузки Wн и обмоткой питания схемы управления Waux; выпрямитель VD2-VD5 с фильтром С1 для питания схемы управления; цепь запуска R2; частотозадающую цепь R1C2 и цепь бутстрепного питания верхнего ключа VD1 С3. Таким образом, известное устройство обременено наличием дополнительной цепи бутстрепного питания, сложным драйвером на соответствующей микросхеме и отсутствием схемы симметрирования. В совокупности все это задает высокие требования к разводке, монтажу и наладке его элементов, а также к защитным экранам корпуса в особенности при использовании устройства в агрессивных средах, в частности с высоким уровнем электромагнитного и радиационного излучения. В итоге, основными недостатками известного устройства являются ограниченные функциональные возможности, низкая надежность, сложность изготовления, определяющая невысокую его технологичность.
Целью заявляемого изобретения является устранение указанных недостатков, а именно - расширение функциональных возможностей за счет расширения диапазона рабочих частот и мощностей, а также повышение надежности путем улучшения устойчивости к внешним воздействиям, в частности к электромагнитному и радиационному излучению, снижения требований к конструктивному исполнению, что повышает технологичность монтажа устройства.
Поставленная цель достигается тем, что полумостовой автогенераторный инвертор, содержащий делитель входного питающего напряжения на двух последовательно соединенных конденсаторах, два последовательно соединенных полевых транзистора, трансформатор, первым выводом первичной обмотки подключенный к точке соединения транзисторов, а вторым выводом - к точке соединения конденсаторов, содержащий также обмотку нагрузки и обмотку питания схемы управления, управляющий элемент, выход которого через токоограничивающие резисторы подключен к затворам транзисторов, частотозадающую цепь, цепь запуска и выпрямитель с фильтрующим конденсатором для питания схемы управления, при этом в качестве управляющего элемента применен компаратор напряжения, к входам которого дополнительно подключена цепь симметрирования; полевые транзисторы применены с разной проводимостью, так что один из них - n-типа, а второй - р-типа, сток второго транзистора соединен с минусовой шиной, исток - с истоком первого транзистора, а соединенные вместе затворы транзисторов через токоограничивающий резистор подключены к выходу схемы управления; причем трансформа горная обмотка питания схемы управления выполнена с отводом от средней точка и совместно с выпрямителем и двумя фильтрующими конденсаторами обеспечивает двуполярное, относительно точки соединения истоков транзисторов, питание компаратора.
На схеме представлен полумостовой автогенераторный инвертор, где цифрами обозначено:
1. Компаратор.
2. Выпрямитель.
3. Трансформатор.
4. Отвод от средней точки обмотки выпрямителя.
На чертеже представлена принципиальная схема полумостового автогенераторного инвертора, состоящего из: емкостного делителя напряжения на двух последовательно соединенных конденсаторах С4 и С5, двух последовательно включенных полевых транзисторов VT1 и VT2, трансформатора с тремя обмотками 3, токоограничивающего резистора R6, частотозадающей цепи R1C1, цепи запуска R4, R5, выпрямителя 2, выполненного с отводом от средней точки обмотки 4, с фильтрующим конденсатором С2, С3, компаратора 1, цепи симметрирования R2, R3.
Представленный на схеме полумостовой автогенераторный инвертор работает следующим образом.
При подаче напряжения Uвx фильтрующие конденсаторы С2, С3 через резисторы цепи запуска R4, R5 заряжаются до суммарного напряжения, достаточного для перехода управляющего компаратора, например TLC3702, в рабочий режим. Использование компаратора с цепью симметрирования, в данном варианте технического решения инвертора, позволяет уйти от использования драйвера с бутстрепным питанием, при этом инвертор обладает высокой помехозащищенностью, высоким коэффициентом заполнения, не требует сложного монтажа, защитного корпуса и т.д.. На выходе компаратора появляется напряжение, принимаемое за положительное. Транзистор VT1 (n-MOSFET), например FQD4N50, отпирается, a VT2 (p-MOSFET), например FQD3P50, для которого положительное напряжение на затворе является запирающим, соответственно запирается. Такая схема управления транзисторами полумоста, при отсутствии цепей бутстрепного питания, обуславливает отсутствие принципиальных ограничений мощности управляющих импульсов, расширяется диапазон рабочих частот и мощностей устройства. При этом истоки верхнего и нижнего транзисторов объединены и образуют выход полумостового инвертора, к которому подключена первичная обмотка трансформатора 3, сток транзистора VT2 р-типа подключен к минусовой шине, а соединенные вместе затворы через токоограничивающий резистор R6 подключены к выходу схемы управления. Обмотка питания схемы управления выполнена с отводом от средней точки и совместно о выпрямителем, например диодная сборка BAV99S, обеспечивает двуполярное относительно точки соединения истоков питания компаратора, что, в свою очередь, повышает надежность работы заявляемой схемы. На инвертирующем входе компаратора через делитель R3R1 устанавливается отрицательный относительно истоков потенциал, а на выходе выпрямителя 2 появляется полноценное двуполярное питание компаратора 1. На подключенном к неинвертирующему входу компаратора конденсаторе С1 линейно нарастает отрицательное относительно истоков напряжение от протекающего через R2 тока. При равенстве потенциалов на входах компаратора он меняет свое состояние, закрывая VT1 и отпирая VT2. На инвертирующем входе устанавливается положительный пороговый потенциал, а на С1 начинается рост положительного напряжения. При равенстве потенциалов на входах компаратор 1 возвращается к предыдущему состоянию, закрывая VT2 и отпирая VT1. Далее процесс повторяется. К управляющим переходам транзисторов приложено одно и то же напряжение-меандр без всяких защитных пауз, но благодаря особенностям входных характеристик MOSFET их переключение происходит без сквозных токов. Таким образом, заявляемое устройство приобретает два новых качества: точная симметрия режима работы и увеличение надежности за счет принципиального отсутствия паразитных сквозных токов.
При R2=R3=R рабочая частота определяется выражением F=1/4R1C1 и не зависит от Uвх по меньшей мере при двукратном его изменении. При условии Uвx/R>> lвх.κοмп., что для современных компараторов легко выполняется, в устройстве автоматически обеспечивается симметричный режим, причем компенсируются как собственные задержки компаратора, так и задержки переключения транзисторов. Механизм симметрирования связан с тем, что в каждый из полупериодов к частотозадающей цепи прикладывается напряжение одного из конденсаторов делителя, в результате схема контролирует разность этих напряжений и стремится сделать ее равной нулю за период.
Применение в качестве управляющего элемента компаратора, двуполярное управление, отсутствие дифференцирующих звеньев в цепи управления позволяют добиться заявляемого технического результата, а именно расширение функциональных возможностей за счет расширения диапазона рабочих частот и мощностей, a также повышение надежности путем улучшения устойчивости к внешним воздействиям, в частности к электромагнитному и радиационному излучению, снижения требований к конструктивному исполнению, что повышает технологичность монтажа устройства.
Промышленная применимость
Заявляемый полумостовой автогенераторный инвертор может с успехом найти применение при работе в агрессивных средах, например атомных электростанциях пли в космосе, а доступная элементная база и легкость монтажа позволяют создавать заявляемый инвертор на предприятиях с обычным набором стандартного оборудования, деталей и материалов.
Источники информации
1. Сенкезич А.К., Алешин А.Ф. Автогенераторный полумостовой инвертор. Патент RU 2007830.
2. Гладышев О.М. Полумостовой автогенератор. Патент RU 2176847.
3. Laszio Balogh, перевод Д. Макашова. Разработка и применение высокоскоростных схем управления силовыми полевыми транзисторами. Материалы конференции SEM-1400 UNITRODE, 2001 г.
4. Abdus Sattar. IXYS P-cannel Power MOSFET and Applications. Kyong-Wook Seok, IXAN0064.
5. Козенков Д. Драйверы MOSFET и IGBT. Современная электроника, №6, 2005 г.
6. Колпаков А. Характеристики и особенности применения драйверов MOSFET/IGBT. Компоненты и технологии. №3, 2003 г.
7. Волович Г. Драйверы силовых ключей. Современная электроника, №8, 2007 г.