专利名称：具有直通状态抑制功能的晶体管桥式逆变器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种双极晶体管桥式逆变器，特别是一种微型汽油发电机上的具有直通状态抑制功能的对称式晶体管桥式工频逆变器。尽管目前场效应管和晶闸管逆变器得到了广泛应用，但晶体管桥式逆变器因其体积小、价格低、驱动简单依然为一些经济型的产品所应用。
日产GF350微型手提式汽油发电机以其体积小、重量轻、价格廉颇受消费者的亲赖。该机包括内燃机、发电机、变流器三部分。内燃机为发电机提供动力，变流装置将发电机输出的频率随负载变化的交流电先整流滤波然后再逆变为220V/50HZ或110V/60HZ的工频交流电。该机变流器由整流和逆变两部分组成。我国有些厂家对该机虽已研制和生产数年，但因其逆变换器可靠性欠佳而无以形成规模生产经营。
本实用新型的目的是通过对对称式H桥逆变器中功率开关器件晶体管(或达林顿)非正常失效机理——在没有正常基极触发信号的情况下，三极管处于临时反向导通状态和在其C-E极加以迅速上升的正电压脉冲(dV/dt)将导致对称式H桥逆变器中功率开关器件直通于电源和地从而过载损坏的探讨，总结出数种确保系统正常、可靠工作的保护方案。
在对称式H桥逆变器中存在以下两种特殊现象①功率晶体管的反向导通现象图3(a)为一具有感性负载的简单对称式H桥逆变电路，M为感性负载。用功率晶体管BG1，基极偏置电阻R1和续流二极管D1组成电子开关A1；用功率晶体管BG4、基极偏置电阻R4和续流二极管D4组成电子开关A2；用功率晶体管BG3、基极偏置电阻R3和续流二极管D3组成电子开关B1；用功率晶体管BG2、基极偏置电阻R2和续流二极管D2组成电子开关B2。当B2、B1两组晶体管由导通变为截止时，电路可等效如图3(b)所示，电路中产生一左向的反电动势，对于瞬时脉冲来说，电源正端VEE和地两点可作短路看待，续流二极管D1、D4将电能馈回电源。即使D1、D4是快速恢复二极管，当有瞬时大电流脉冲作用时其上也会产生大于1.2V的正向导通压降。而三极管B-E结的导通仅需约0.7V的正向电压，所以反电势引起的电流便分为两路馈回电源其一流经二极管D1、D4；其二流经基极偏置电阻R1、R4后分别注入三极管BG1、BG4的基极b1、b4再各分为两路一路分别流向集电极c1、c4，另一路分别给三极管集电结寄生电容Cbc1、Cbc4充电，这样三极管BG1、BG4便形成了反向放大导通(较之正向放大状态，三极管的反向放大倍数要小得多)，寄生电容Cbc1、Cbc4上、下极片分别积累了一定的“-”、“+”电荷。
②急剧上升的正电压(dV/dt)脉冲加在处于反向导通的晶体管C-E两极导致晶体管由反向转为正向导通如图3(b)、3(c)所示，由于晶体管BG1、BG4基极、集电极间寄生电容Cbc1、Cbc4的上、下极片在晶体管反向导通期间分别积累了一定量的“-”、“+”电荷。假定A1、A2两组管子此时刚刚关断，B1、B2两组尚未开通，对于220V/50HZ逆变器来说，电压将由串联的A1、B2及B1、A2两对管子同时承担，此刻P、Q两点电位近似为VDD/2=-220V/2=-110V，如此时满负荷卸载，发电机转子因惯性转动而输出一具有较大电压上升率dV/dt的正脉冲加到H桥的正负两端，该正电压脉冲将导致A1、A2、B1、B2四组晶体管C、E两极间各自承担一具有较大电压上升率dV/dt的正脉冲，该脉冲先给寄生电容Cbc1、Cbc4的上、下极片分别注入“+”、“-”电荷以中和掉原已存在的相反极性的电荷，然后继续给Cbc1、Cbc4的上、下极分别充以“+”、“-”电荷。以上过程在Cbc1、Cbc4中形成了方向自上至下的足够大的电容电流，该电流一部分经BG1、BG4基极偏置电阻R1、R4流至BG1、BG4的发射极E极，另一部份注入BG1、BG4的B-E结触发BG1、BG4正向导通；该脉冲给寄生电容Cbc2、Cbc3的上、下极片也分别注入“+”、“-”电荷，但因原先不存在相反极性的电荷，所以充电电流较小，经偏置电阻R2、R3分流后不足以触发BG2、BG3的B-E结正向导通或被偏置电阻完全分流掉，因此，具有较大电压升率dV/dt的正脉冲加到原先处于截止状态的三极管C-E两端一般不会导致三极管的非正常导通。但在A1、A2两组管子处于非正常导通的同时，B1、B2两组管子基极如到来正常触发信号，如图3(c)，将形成虚线示出的直通通路而造成部分管子过载失效。
以上分析了功率晶体管开关器件在对称H桥逆变电路中存在的一种较特殊的现象，在没有正常基极触发信号的情况下，三极管处于临时反向导通状态和在其C-E极加以迅速上升的正电压脉冲(dV/dt)是三极管转为非正常正向导通的充分条件。
图2是GF350微型汽油发电机逆变器电路图，其主要包括驱动信号发生器Ⅰ，过流检测及保护电路Ⅱ，基极驱动电路Ⅲ，桥式逆变输出电路Ⅳ。该逆变器有如下缺点(1)当负载为感性时，H桥逆变输出电路正常工作时存在晶体管(或达林顿)的反向导通现象，因没有考滤保护电路，如遇负载突变将极有可能由反向导通转为正向导通，导致A1、B2及B1、A2两路管子中一路或两路直通于地与-220V间，造成一组或多组管子过载失效。
(2)驱动信号发生器产生的工频交变方波交变过程不存在延时。若负载为感性负载，当图2中H桥左上、右下两组晶体管(或达林顿)A1、A2由开通转向截止时，负载产生方向由左向右的感生电动势，该电动势将导致H桥左下、右上B2、B1两组晶体管(或达林顿)反向导通一段时区，此刻如A1、A2两组管子不经延时被正常驱动将有可能造成A1、B2及B1、A2两路管子中一路或两路直通于地与-220V间，造成一组或多组管子过载失效。
本实用新型的目的是这样实现的利用二极管的单向导电性，通过串接二极管截断功率晶体管(或达林顿中的单个晶体管)的反向导通电流通路，先防止对称式H桥逆变电路中功率晶体管(或达林顿)反向导通，从而抑制其非正常导通，同时给信号发生器电路增加换流延时功能，最终抑制晶体管(或达林顿)的直通现象。
下面是对对称式H桥逆变电路中功率晶体管(或达林顿)直通现象进行抑制的实例实施例二采用快恢复续流二极管与功率晶体管(或达林顿)反并联以迅速泄放换流过程产生的反电势脉冲，因为快恢复二极管具有正向导通压降小和响应速度快的特点，这样可减轻与之反并联的功率晶体管(或达林顿)反向导通的深度。假如不再采用其它保护措施，反向导通总是客观存在的(因为当大电压正脉冲加到快恢复二极管一般会产生大于1.2V的正向压降)，故该保护措施一般应与其它措施组合使用。
实施例二如图4(a)、(b)、(c)所示，采用二极管串接在晶体管(或达林顿)的集电极和续流二极管一极间以截断晶体管(或达林顿)集电极电流的外流通路，从而有效防止晶体管(或达林顿中单个晶体管)集电结B-C正偏，抑制了管子的反向导通现象。为避免降低晶体管开关的开关速度，二极管最好采用快速二极管以提高回路开关速度，减小晶体管(或达林顿)的开关损耗。
实施例三如图4(d)、(e)所示，采用二极管串接在晶体管(或达林顿)的发射极和续流二极管一极间以截断反电势电流流入晶体管(或达林顿)基极偏置电阻的通路，从而避免向晶体管(或达林顿中的单个晶体管)B-C结注入反向导通触发电流。
实施例四如图4(f)、(g)所示，采用肖特基二极管按正向与基极偏置电阻串接在晶体管(或达林顿)的基极和发射极间以截断反电势电流流入晶体管(或达林顿)基极偏置电阻的通路，从而避免向晶体管(或达林顿中的单个晶体管)的B-C结注入反向导通触发电流。肖特基二极管具有正向压降小于一般二极管或三极管PN结的正向压降的特点，它的采用使得基极偏置电阻能够正常旁路掉驱动电路驱动管的漏电流。
实施例五如图4(h)、(i)、(j)、(k)所示，采用普通二极管按正向与基极偏置电阻串接在晶体管(或达林顿)的基极和发射极间以截断反电势电流流入晶体管(或达林顿)基极偏置电阻的通路，从而避免向晶体管(或达林顿中的单个晶体管)的B-C结注入反向导通触发电流。因一般二极管正向压降和三极管PN结正向压降差不多，必须在晶体管(或达林顿中的单个晶体管)的基极回路按正向串接二极管以提升基极电位，使得基极偏置电阻能够正常旁路掉驱动电路驱动管所产生的漏电流。
实施例六图2为日本GF350微型汽油发电机逆变器电路图，第Ⅰ部分信号发生器电路中四电压比较器LM339的第1、2两脚交替输出0电平且无1电平延时的触发信号，因而A1、A2和B1、B2两组电子开关导通期间不存在过零延时，当R1=5.6K；R2=6.2K；R3=6.8K；R5=270K；R*1=22K；C1=0.47UF；R7=12K；R6=12K；R8=4.7K时，LM339的第1、2两脚和负载波形如图5所示。
图1中第Ⅰ部分所示为改进后的信号发生器电路，图中集成电路IC:C与电阻R1、R2、R3、R4、R5、R*、电容C1构成锯齿波发生器，比较器LM339的第8脚为锯齿波输出端，锯齿波信号经R9分别加到比较器IC:A、IC:B的同、反相输入端第5、6两脚。由R6、R7、R8构成差额电压比较基准，取出R7左、右端两差额电压分别加到比较器IC:A、IC:B的反、同相输入端第4、7两脚，LM339的第1、2两脚交替输出0电平且有1电平延时的触发信号，因而B1、B2和A1、A2两组电子开关导通期间存在过零延时，当R1=5.6K；R2=6.2K；R3=6.8K；R5=270K；R*1=22K；C1=0.47UF；R6=12K；R7=360；R8=10K；R9=12K时，LM339的第1、2两脚和负载波形如图6所示。
实施例七为了确保逆变装置可靠工作，在产品成本许可的情况下，以上六种保护方案的组合使用对抑制功率晶体管(或达林顿)的反向导通往往更有效，生产厂家可根据性价比的需要酌情组合应用。图4(l)、(m)为以上一、二、四叁种保护方案组合应用的实例；图1为以上一、二、四、六肆种保护方案组合应用的具有直通状态抑制功能的微型手提式汽油发电机用晶体管桥式逆变器实例。
权利要求①一种用于微型汽油发电机上的具有直通状态抑制功能的晶体管桥式逆变器，包括驱动信号发生器电路Ⅰ，基极驱动电路Ⅱ，过流检测及保护电路Ⅲ，桥式逆变输出电路Ⅳ。改进处在于在第Ⅱ部分的基极驱动电路和第Ⅳ部分的桥式逆变输出电路中，采用快恢复续流二极管D3、D4、D11、D15、D19、D23分别与晶体管BG1、BG2、BG5、BG9、BG7、BG11或以上晶体管的串联支路反并联以迅速泄放换流过程产生的反电势脉冲，以减轻被保护晶体管反向导通的深度；采用二极管D1、D5分别串接在晶体管BG1、BG2的集电极和续流二极管D3、D4的正极间以截断晶体管BG1、BG2集电极电流的外流通路；采用二极管D8、D12、D16、D20分别串接在分别由晶体管BG4和BG5、BG8和BG9、BG6和BG7、BG10和BG11复合而成的离散达林顿A1、B1、B2、A2的集电极及其续流二极管的负极，从而有效防止上述晶体管集电结B-C正偏，抑制其反向导通现象；采用肖特基二极管D2、D6、D9、D10、D13、D14、D17、D18 、 D21、D22按正向串接在晶体管BG1、BG2、BG4、BG5、BG8、BG9、BG6、BG7、BG10、BG11的基极偏置电路中，以截断反电势电流流入晶体管(或达林顿)基极偏置电阻的通路，从而避免向晶体管(或达林顿中的单个晶体管)的B-C结注入反向导通触发电流。按权利要求①所述的晶体管桥式逆变器，其特征在于利用二极管的单向导电性，通过串接二极管截断功率晶体管(或达林顿)的反向基极触发电流通路，以防止对称式H桥逆变电路中功率晶体管(或达林顿)的反向导通(极管集电极C与发射极E互换工作的反向放大状态)状态的发生，进而防止该状态下因大电压上升率脉冲导致的晶体管非正常导通现象，最终有效抑制晶体管(或达林顿)的直通失效。
②一种用于微型汽油发电机上的具有直通状态抑制功能的晶体管桥式逆变器，包括驱动信号发生器电路Ⅰ，基极驱动电路Ⅱ，过流检测及保护电路Ⅲ，桥式逆变输出电路Ⅳ。改进处在于在第Ⅰ部分的信号发生器电路中，从比较器LM339C与电阻R1、R2、R3、R4、R5、R*、电容C1构成的锯齿波发生器第8脚取出锯齿波信号，经R9分别加到比较器LM339:A、LM339:B的同、反相输入端第5、6两脚。由R6、R7、R8构成差额电压比较基准，取出R7左、右端两差额电压分别加到比较器IC:A、IC:B的反、同相输入端第4、7两脚，LM339的第1、2两脚交替输出低电平且有短时高电平延时的触发信号，因而B1、B2和A1、A2两组电子开关交替导通期间存在过零延时。按权利要求②所述的晶体管桥式逆变器，其特征在于在第Ⅰ部分的信号发生器电路中，增接了由电阻R6、R7、R8和集成电路IC:LM339构成的换流延迟方波发生电路，因而桥式输出电路中B1、B2和A1、A2两组电子开关交替导通期间存在过零时区，该时区内四组离散达林顿A1、A2、B1、B2均处于截止状态，从而有益于抑制换流过程中晶体管(或达林顿)的直通失效。
专利摘要一种用于微型汽油发电机上的具有直通状态抑制功能的晶体管桥式逆变器,包括方波信号发生电路,过流检测及保护电路,驱动电路,桥式逆变输出电路。改进处在于增接了由电阻R6、R7、R8和集成电路IC:LM339构成的换流延迟方波发生电路,在驱动级和桥式输出级中增接了由二极管D1－3,D4－6,D8－11,D12－15,D16－19,D20－23分别构成的晶体管反向导通抑制电路,以防止对称式晶体管桥式逆变器电路中晶体管(或达林顿)的直通失效。
文档编号H02M7/5387GK2343711SQ9821960
公开日1999年10月13日 申请日期1998年8月8日 优先权日1998年8月8日
发明者展顾洪 申请人:展顾洪