ИНВЕРТОР
INVERTER

П
Изобретение относится к области силовой преобразовательной техники и может быть использовано при построении различного рода источников вторичного электропитания с улучшенными энергетическими показателями (преимущественно в бортовых системах электроснабжения при относительно низких значениях напряжения источника питания - примерно E=10÷100 В).
Для такого рода применения наилучшими энергетическими показателями обладает двухтактный инвертор по нулевой схеме. Он широко описан в технической литературе, см., например, с.116 в кн.: B.C.Моин, Н.Н.Лаптев. Стабилизированные транзисторные преобразователи. - М.: Энергия, 1972. - 512 с. Инвертор по нулевой схеме реализует двухтактный режим работы и содержит трансформатор с двумя первичными обмотками и два транзистора, зашунтированных обратными диодами. Транзисторы управляются от блока управления, обеспечивающего противотактное их переключение. Недостатком данного инвертора является необходимость в использовании средств борьбы с индуктивностями рассеяния первичных обмоток трансформатора, которые создают импульсные перенапряжения на транзисторах в моменты их запирания. Для решения этой проблемы используют узлы ограничения импульсных перенапряжений в виде RCD-цепочек (называемых также снабберами), которые подключают параллельно транзисторам (см., например, стр.346 в кн.: B.C.Моин, Н.Н.Лаптев. Стабилизированные транзисторные преобразователи. - М.: Энергия, 1972. - 512 с.). Однако данные цепочки заметно увеличивают общие потери, что существенно ограничивает область применения такого решения.
Наиболее близким к изобретению техническим решением является двухтактный инвертор по нулевой схеме, описанный на с.430 в кн.: B.C.Моин, Н.Н.Лаптев. Стабилизированные транзисторные преобразователи. - М.: Энергия, 1972. - 512 с. Этот инвертор отличается другим исполнением узла ограничения импульсных перенапряжений, который выполнен в виде накопительного конденсатора, зашунтированого разрядным резистором, и разделительной цепочки, выполненной в виде двух встречно последовательно включенных разделительных диодов. Цепочка включена между концами двух согласно последовательно соединенных первичных обмоток трансформатора инвертора. Накопительный конденсатор с разрядным резистором включен между точкой соединения разделительных диодов и точкой соединения первичных обмоток трансформатора.
C
П
Недостатком этого инвертора являются большие потери на разрядном резисторе, так как он постоянно подключен к напряжению на конденсаторе, которое всегда больше напряжения питания: U>Е.
Техническим решением изобретения является улучшение энергетической эффективности инвертора.
Технический результат достигается тем, что в инверторе, по нулевой схеме, содержащем трансформатор с двумя первичными обмотками, точка соединения которых образует первый его силовой входной вывод, причем один из концов каждой первичной обмотки подключен к одному силовому выводу одного из двух управляемых ключевых элементов, например, транзисторов, другие силовые выводы которых объединены и образуют второй силовой входной вывод инвертора, два обратных диода, шунтирующих управляемые ключевые элементы, разделительную цепочку из встречно последовательно соединенных разделительных диодов, включенную между концами двух первичных обмоток, и узел ограничения импульсных перенапряжений, включающий в себя буферную цепочку из параллельно соединенных накопительного конденсатора и разрядного элемента, которая одним своим концом подключена к упомянутому первому силовому входному выводу инвертора по нулевой схеме, а также блок управления ключевыми элементами, в него введены дополнительный управляемый ключевой элемент, который своими силовыми выводами подключен между свободным концом буферной цепочки и точкой соединения разделительных диодов, компаратор с гистерезисной характеристикой с тремя входами - измерительным, опорным и входом настройки уровня гистерезиса, а также узел задания опорного сигнала, причем измерительный вход компаратора подключен параллельно разделительной цепочке, а опорный вход - к выходу узла задания опорного сигнала.
Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена схема двухтактного инвертора по нулевой схеме с новым узлом ограничения перенапряжений.
Инвертор, выполненный по нулевой схеме, содержит трансформатор 1 с двумя соединенными первичными обмотками 2, 3 и одной вторичной обмоткой 4, к которой подключена нагрузка 5. Концы первичных обмоток 2, 3 трансформатора 1 подключены к одним силовым выводам ключевых элементов 6, 7, другие силовые выводы которых объединены и образуют один силовой входной (например, отрицательный «-») вывод инвертора. Второй силовой входной вывод (например, положительный «+») образован точкой соединения разноименных по полярности концов первичных обмоток 2, 3 трансформатора 1. В качестве ключевых элементов 6, 7 здесь используются IGBT транзисторы, зашунтированные диодами обратного тока 8, 9. Процессы переключения транзисторов 6, 7 задаются основным блоком управления 10, который может быть выполнен, например, по схеме самовозбуждающегося мультивибратора, описанного, например, на стр.310÷312 кн.: Фролкин В.Т., Попов Л.Н. Импульсные и цифровые устройства: Учебн. пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1992. - 336 с. Кроме того, инвертор содержит разделительную цепочку из встречно последовательно включенных разделительных диодов 11 и 12, которая своими концами подключена к разноименным по полярности концам первичных обмоток 2, 3 трансформатора 1, а также буферную цепочку из параллельно включенных накопительного конденсатора 13 и разрядного элемента (например, резистора) 14, причем одна обкладка накопительного конденсатора 13 подключена к точке соединения первичных обмоток 2, 3 трансформатора 1. Инвертор по нулевой схеме содержит также дополнительный управляемый ключевой элемент 15, который одним своим силовым выводом подключен к точке соединения разделительных диодов 11, 12, а другим силовым выводом - ко второй обкладке накопительного конденсатора 13. Для управления дополнительным ключевым элементом 15 введен компаратор с гистерезисом 16: его выход 17 подключен к управляющему входу этого дополнительного ключевого элемента. Первый, измерительный вход 18 компаратора с гистерезисом 16 подключен к разделительной цепочке (из диодов 11, 12), второй - опорный его вход 19 - к выходу задатчика опорного сигнала 20 с ручкой 21 настройки уровня опорного сигнала. В простейшем случае узел 20 может быть выполнен, например, в виде потенциометра. Компаратор с гистерезисом 16 имеет также ручку настройки уровня гистерезиса 22.
Инвертор по нулевой схеме работает следующим образом.
к
к
Транзисторы 6, 7 инвертора переключаются в противотакте. Частота их переключения задается блоком управления 10. Рассмотрение процессов в узле ограничения импульсных перенапряжений начнем, например, с момента, когда закрывается транзистор 6. Пусть ранее протекавший через него и через обмотку 2 ток i(t) в момент коммутации имеет некоторое значение I. Тогда в индуктивности рассеяния обмотки 2 оказывается сосредоточена энергия
.
к
к
к
S
Запирание транзистора 6 вызывает изменение тока i(t) от значения I до 0. Этот изменение его уровня, равное ΔI=I, происходит за время Δt, в результате чего в индуктивности рассеяния L обмотки 2 индуцируется ЭДС самоиндукции в виде импульсного перенапряжения  со знаком, препятствующим изменению (уменьшению) этого тока:
.
П
изм
опор
Этот значительный по уровню импульс, суммируясь с напряжением 2Е (с учетом того, что второй транзистор 7 уже открылся), прикладывается к транзистору 6, что может вывести его из строя. Из этого выражения видно, что значение импульса  обратно пропорционально времени его действия Δt. Интервал Δt тем меньше, а значение импульса  тем больше, чем больше сопротивление контура, по которому энергия  будет рассеиваться после запирания транзистора 6. Включение дополнительного транзистора 15 приводит к тому, что создается контур из элементов 2-11-15-13-2 с малым внутренним сопротивлением, по которому энергия индуктивности рассеяния  сбрасывается в конденсатор 13. Ограничение уровня импульсного перенапряжения  до приемлемого значения осуществляется ручкой настройки 21 в узле опорного сигнала 20. Компаратор 16 срабатывает, когда измеряемое напряжение U, подаваемое на измерительный его вход 18, сравнивается с опорным сигналом U, подаваемым на опорный его вход 19, и становится больше его:
изм
cpaб
oпop
17
U=U≥U=U.
Этот процесс приводит к отпиранию дополнительного транзистора 15, и, таким образом, импульсное перенапряжение на транзисторе 6 ограничивается его значением, равным
6имп
paб
П
ΔU=Uс-2Е.
отп
Процесс передачи энергии индуктивности рассеяния накопительному конденсатору 13 сопровождается уменьшением напряжения  и увеличением напряжения на этом конденсаторе. При достижении напряжения  уровня отпускания U компаратор 16 изменяет свое состояние на противоположное, и дополнительный транзистор 15 запирается.
сpaб
отп
Таким образом, уровень опорного сигнала определяет собой порог срабатывания U дополнительного ключевого элемента 15, при котором он включается, а уровень отпускания U, при котором он выключается, задается ручкой настройки гистерезиса компаратора 22.
При условии, что вся энергия индуктивностей рассеяния после двух коммутаций за период рабочей частоты сбрасывается в накопительный конденсатор 13, а затем рассеивается в резисторе 14, потери в котором можно определить по выражению
.
к
S
В качестве примера используем конкретные значения параметров инверторной ячейки (I=10 A, L=1µH, f=1 кГц) и получим ориентировочную численную оценку этих потерь
П
R
-4
При уровне напряжения питания Е=30 В и при вышеуказанных параметрах мощность инверторной ячейки составляет примерно 300 Вт, а относительные потери, обусловленные индуктивностями рассеяния составляют 3,33·10(или 0,033%). При частоте f=30 кГц абсолютные потери составят уже Р=3 Вт, а относительные - 0,01 (то есть 1%). Данный анализ соответствует режиму разрывного напряжения на конденсаторе 13 и разрывного тока через разрядный резистор 14.
П
П
Оценим уровень потерь в инверторе-прототипе (описанном на стр.430 в кн.: B.C.Моин, Н.Н.Лаптев. Стабилизированные транзисторные преобразователи. - М.: Энергия, 1972. - 512 с.). Если использовать представленную на чертеже схему, то инвертор-прототип получается из нее, если дополнительный транзистор 15 закорочен (или если он открыт постоянно). Тогда основные потери (даже без учета потерь от индуктивностей рассеяния) будут определяться при оптимистической оценке, как минимум, напряжением питания Е (а реально - напряжением, большим чем Е):
к
S
В данном примере значение сопротивления разрядного резистора R=1 кОм взято приближенно без оценки реального уровня напряжения на конденсаторе, которое на самом деле зависит как от значений тока I и от рабочей частоты инверторной ячейки, так и от параметров R и L. Чем больше рабочая частота, тем интенсивнее идет процесс накопления в нем энергии и тем меньшее время предоставляется для его разряда. Значит, с ростом частоты сопротивление резистора нужно уменьшать. Уменьшение же в выражении (2) разрядного сопротивления, например, в 2 раза приводит к увеличению потерь в резисторе в 2 раза. Значит, с учетом этого фактора уменьшать сопротивление разрядного резистора 14 целесообразно лишь до определенного предела. С другой стороны, с увеличением сопротивления разрядного резистора 14 уменьшается время для разряда накопительного конденсатора 13 и напряжение на нем растет, что противоречит решаемой задаче ограничения перенапряжений на ключевых элементах.
П
П
R
Таким образом, приведенная предварительная оценка показывает, что энергетическая эффективность предложенного устройства ограничения импульсных перенапряжений при прочих равных условиях в сравнении с традиционным решением выше не менее чем на порядок. При этом нужно еще учесть, что реально в традиционном решении напряжение на накопительном конденсаторе будет не Е, а 2Е. Это приведет к увеличению потерь в 4 раза (см. выражение (2)) и окажется равным Р=3,6 Вт, так что преимущество нового решения на частоте 1 кГц возрастет до 36 раз. При этом необходимо учесть, что накопительный конденсатор 13 в новом решении работает при значительно меньшем рабочем напряжении, чем в традиционном решении, и, следовательно, имеет значительно меньшие массу, габариты и потери.