ТРАНЗИСТОРНЫЙ ИНВЕРТОР
TRANSISTOR CHOPPER

Заявляемое техническое решение относится к электротехнике, преимущественно к преобразовательным установкам электроприводов малой и средней мощности.
В состав современных преобразователей для электроприводов с машинами переменного тока входит инвертор, выполняемый, как правило, с использованием транзисторов.
Известно техническое решение [1], согласно которому транзисторный инвертор, выполненный по мостовой схеме (однофазной или трехфазной) содержит в каждом плече транзистор, шунтированный цепочкой из последовательно соединенных конденсатора и диода, причем диод и транзистор включены согласно относительно основного источника питания (звена постоянного тока), дроссель, включенный последовательно с транзистором и возвратный диод. Недостатком этого технического решения является наличие повышенных динамических потерь при переключении транзисторов.
Известен мостовой транзисторный инвертор [2], схема которого содержит в каждом плече транзистор, шунтированный цепочкой из последовательно соединенных конденсатора и диода. В схеме имеется вспомогательный источник питания, включенный между разноименными обкладками вышеупомянутых конденсаторов. При этом диоды вышеупомянутых цепочек верхнего и нижнего плеч подключены к разноименным силовым электродам соответствующих транзисторов, между которыми включены дроссели, а возвратные диоды подключены непосредственно к транзисторам. Недостатком этого технического решения является наличие повышенных потерь мощности в коммутационной цепи.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в повышении КПД инвертора за счет уменьшения потерь мощности в коммутационной цепи.
Достигаемый технический результат заключается в упрощении системы охлаждения инвертора.
Технический результат достигается за счет того, что транзисторный инвертор, выполненный по мостовой схеме и содержащий как в верхнем, так и в нижнем плече транзистор, шунтированный цепочкой из последовательно соединенных конденсатора и диода, включенную последовательно с транзистором полуобмотку дросселя, подключенный встречно параллельно транзистору возвратный диод и включенный между разноименными обкладками конденсаторов вспомогательный источник питания, снабжен подключенным в непроводящем направлении относительно источника питания дополнительным диодом. Диод и транзистор каждого плеча включены в проводящем направлении относительно источника питания. Диоды цепочек верхнего и нижнего плеч подключены к разноименным силовым электродам соответствующих транзисторов, между которыми включены последовательно соединенные полуобмотки дросселя. Дроссель снабжен дополнительной обмоткой, подключенной к источнику питания через дополнительный диод.
Сущность технического решения поясняется схемой, представленной на чертеже.
Транзисторный инвертор содержит в своей фазе последовательно соединенные транзисторы 1 и 2, параллельно которым включены обратные диоды 3 и 4. В цепь транзисторов включен двухобмоточный дроссель 5, в средней точке первичной обмотки 6 которого сделан вывод. Дополнительная обмотка 7 дросселя 5 через диод 8 подключена к источнику питания 9. Цепь каждого из транзисторов зашунтирована последовательной цепочкой, состоящей из конденсатора 10 (11) и диода 12 (13), к точкам соединения которых подключен вспомогательный источник 14. К выводу средней точки первичной обмотки 6 дросселя 5 подключена нагрузка 15.
Транзисторный инвертор работает следующим образом.
При каждой подаче управляющего импульса на очередной транзистор 1 или 2 (либо при снятии) происходит колебательный перезаряд конденсаторов 10 и 11, в результате которого формируется заданная траектория переключения транзисторов 1 или 2. При этом скорость нарастания тока отпирающегося транзистора 1 или 2, а следовательно, потери в нем при его включении, ограничивается индуктивностью дросселя 5, а скорость нарастания напряжения запирающегося транзистора 2 или 1, т.е. потери в нем при его выключении - емкостью конденсатора 11 (или 10). Диоды 12 и 13 создают цепи для перезаряда конденсаторов 10 и 11. Вспомогательный источник 14 работает в режиме потребления, т.е. является встречной ЭДС, и служит для рассеивания избыточной энергии, накопленной в реактивных элементах при коммутации.
При коммутации от источника 9 питания отбирается определенная энергия, которая затем рассеивается во вспомогательном источнике 14. Коммутационные процессы должны быть полностью завершены к началу следующей коммутации для того, чтобы защитная цепь могла восстановиться и нормально провести очередную коммутацию. Число витков обмотки 7 выбирают на 15…30% больше числа витков обмотки 6. В процессе работы инвертора реализуются два типа коммутации: от обратного диода 3 или 4 к транзистору 2 или 1 плеча и наоборот.
Первый тип коммутации протекает в четыре этапа. Рассмотрим коммутацию тока от диода 4 к транзистору 1. В предкоммутационном состоянии проводит диод 4. Конденсатор 10 заряжен до значения суммы напряжений источников 9 и 14, а конденсатор 11 полностью разряжен.
Коммутация начинается отпиранием транзистора 1. При этом к обмотке 6 прикладывается напряжение источника 9 питания и под действием возникшего на обмотке 7 напряжения диод 8 отпирается. Появляется линейно нарастающий ток через транзистор 1 и верхнюю полуобмотку первичной обмотки 6 дросселя 5, вызывающий уменьшение тока нижней полуобмотки первичной обмотки 6 дросселя 5. Первый этап заканчивается прохождением тока нижней полуобмотки первичной обмотки 6 дросселя 5 через нуль, т.е. запиранием диода 4. На этом этапе напряжения конденсаторов 10 и 11 не меняются.
Второй этап начинается отпиранием диода 13. После этого начинается плавный перезаряд конденсаторов, причем конденсатор 10 разряжается по цепи: 10-1-5-13-14-10, а конденсатор 11 заряжается по цепи: 9-1-5-13-11-9. По мере заряда конденсатора 11 напряжение обмотки 7 плавно убывает и в некоторый момент диод 8 запирается.
На третьем этапе проводят транзистор 1 и диод 13. Перезаряд конденсаторов продолжается. Как и на втором этапе, через транзистор 1 протекает сумма токов нагрузки 15 и перезаряда конденсаторов 10 и 11. При максимальном токе нагрузки 15 указанная сумма определяет максимальный перегрузочный ток транзистора 1 во всем коммутационном интервале независимо от типа коммутации. Третий этап заканчивается полным разрядом конденсатора 10 и зарядом конденсатора 11.
На четвертом этапе отпирается диод 12. Напряжения конденсаторов 10 и 11 не меняются, а токи верхней и нижней полуобмотки первичной обмотки 6 дросселя 5 спадают, причем ток верхней полуобмотки - до значения тока нагрузки 15, а ток нижней полуобмотки - до нуля. Процесс коммутации завершается прохождением тока нижней полуобмотки первичной обмотки 6 дросселя через нуль, т.е. запиранием диодов 12 и 13. Аналогичным образом происходит коммутация тока от диода 3 к транзистору 2.
Второй тип коммутации протекает следующим образом. Диод 8 закрыт и обмотка 7 на процессы не влияет. При открытом диоде 8 нагруженный на источник 9 питания дроссель 7, являясь встречной ЭДС, уменьшает ток перезаряда конденсаторов 10 и 11. В результате уменьшается накопленная в магнитном поле дросселя 5 энергия, что приводит к уменьшению коммутационных потерь и повышению КПД инвертора. Уменьшается также максимальный перегрузочный ток транзисторов 1 и 2. Дроссель 5 рассчитывают так, чтобы при разомкнутой вторичной обмотке 7 его индуктивность имела значение, необходимое для получения заданной скорости нарастания тока транзистора 1 или 2 при отпирании. Индуктивности рассеяния обмоток 6 и 7 дросселя 5 по возможности должны быть малыми.
Варианты исполнения: на основе представленной в заявляемом устройстве схемы может быть выполнен полумостовой, мостовой и трехфазный инвертор.
Достижение технического результата обеспечивается за счет уменьшения потерь мощности в коммутационной цепи за счет ограничения скорости нарастания тока отпирающегося транзистора при помощи введенной цепи, состоящей из дополнительной обмотки 7 дросселя 5 и диода 8, т.е. за счет обеспечения «мягкой» коммутации. Известно, см. например, [3], что применение «мягкой» коммутации позволяет уменьшить потери мощности при включении транзистора.
Применение предлагаемого устройства позволит повысить КПД инвертора за счет уменьшения потерь мощности в коммутационной цепи, что, в конечном счете, позволит упростить и удешевить систему охлаждения инвертора.
Исходя из вышеизложенного, задача создания транзисторного инвертора, позволяющего повысить КПД инвертора за счет уменьшения потерь мощности в коммутационной цепи, решена.
Источники информации
1. Evans P.D., Hill-Cottingham R.I., Some Aspects of Power Transistor Inverter Design. - IEE I. “Electric power applications”, June, 1979, vol. 2, №3, pp.73-80.
2. SU989711 A1, H02M 7/537, 1981.
3. Как включать и выключать силовые ключи, чтобы потери на переключение были минимальны? http://www.multikonelectronics.com/subpage.php?p=8&i=11