RU2795852C1

RU2795852C1 - Bridge pulse power amplifier

Info

Publication number: RU2795852C1
Application number: RU2022128373A
Authority: RU
Inventors: Алексей Владимирович Чирков; Владимир Владимирович Колмаков; Евгений Владимирович Старовойтов; Алёна Павловна Гопп
Original assignee: Акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва"
Filing date: 2022-11-02
Publication date: 2023-05-12

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention is related in particular to pulse power amplifiers and can be used in transformerless amplifiers with pulse-width modulation for controlling two-phase motors in servo wires. The technical result is achieved by introducing current feedback in the first stage of the half-bridge amplifier and reducing the feedback depth for controlling the upper transistors of the half-bridge amplifier circuit.

EFFECT: improved reliability by limiting the through uncontrolled currents of the transistors of the first stage of the half-bridge amplifier and reducing power loss on the power transistors of the amplifier by reducing the switching time of the half-bridge amplifiers.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, в частности к импульсным усилителям мощности и может быть использовано в бестрансформаторных усилителях с широтно-импульсной модуляцией для управления двухфазными электродвигателями в следящих приводах.The invention relates to electrical engineering, in particular to pulse power amplifiers and can be used in transformerless amplifiers with pulse width modulation to control two-phase motors in servo drives.

Известен мостовой импульсный усилитель мощности (патент RU 2765783 С1 от26.02.2021), выбранный в качестве прототипа, состоящий из инвертора, первого полумостового усилителя, построенного на составных транзисторах, включенных по схеме Дарлингтона, которые шунтированы диодами и резисторного делителя, а также второго полумостового усилителя, построенного на составных транзисторах, включенных по схеме Дарлингтона, которые шунтированы диодами и резисторного делителя, при этом входной сигнал логического уровня поступает на вход нижнего составного транзистора первого полумостового усилителя, а входной сигнал через инвертор поступает на вход нижнего составного транзистора второго полумостового усилителя, для управления верхними составными транзисторами первого полумостового усилителя через резисторный делитель заведена обратная связь с выхода второго полумостового усилителя, а для управления верхними составными транзисторами второго полумостового усилителя через резисторный делитель заведена обратная связь с выхода первого полумостового усилителя.A bridge switching power amplifier is known (patent RU 2765783 C1 dated February 26, 2021), selected as a prototype, consisting of an inverter, the first half-bridge amplifier built on composite transistors connected according to the Darlington circuit, which are shunted by diodes and a resistor divider, as well as a second half-bridge amplifier , built on composite transistors connected according to the Darlington circuit, which are shunted by diodes and a resistor divider, while the input logic level signal is fed to the input of the lower composite transistor of the first half-bridge amplifier, and the input signal through the inverter is fed to the input of the lower composite transistor of the second half-bridge amplifier, for to control the upper composite transistors of the first half-bridge amplifier through a resistor divider, feedback is introduced from the output of the second half-bridge amplifier, and to control the upper composite transistors of the second half-bridge amplifier through a resistor divider, feedback is introduced from the output of the first half-bridge amplifier.

Для заявленного изобретения и прототипа выявлены следующие общие существенные признаки: мостовой импульсный усилитель мощности, состоящий из инвертора, первого полумостового усилителя, построенного на составных транзисторах, включенных по схеме Дарлингтона, которые шунтированы диодами и резисторного делителя,подключенного к базе верхнего составного транзистора, а также второго полумостового усилителя, построенного на составных транзисторах, включенных по схеме Дарлингтона, которые шунтированы диодами и резисторного делителя, подключенного к базе верхнего составного транзистора.For the claimed invention and prototype, the following common essential features have been identified: a bridge switching power amplifier, consisting of an inverter, the first half-bridge amplifier built on composite transistors connected according to the Darlington circuit, which are shunted by diodes and a resistor divider connected to the base of the upper composite transistor, as well as the second half-bridge amplifier, built on composite transistors connected according to the Darlington circuit, which are shunted by diodes and a resistor divider connected to the base of the upper composite transistor.

Существенным недостатком известного мостового импульсного усилителя является то, что в первом каскаде усилителей по цепи эмиттер-коллектор транзисторов 4, 6, 13, 15, из-за разного времени задержек на переключение транзисторов, может протекать сквозной неуправляемый ток, что снижает надёжность усилителей. Кроме того, обратная связь на управление верхними составными транзисторами первого полумостового усилителя,заведена с выхода второго каскада полумостовогоусилителя, чтоприводит к увеличению времени задержек на переключениесиловых транзисторов и дополнительной потери мощности на силовых ключах.A significant disadvantage of the known bridge pulse amplifier is that in the first stage of amplifiers, a through uncontrolled current can flow through the emitter-collector circuit of transistors 4, 6, 13, 15 due to different delay times for switching transistors, which reduces the reliability of the amplifiers. In addition, feedback to the control of the upper composite transistors of the first half-bridge amplifier is initiated from the output of the second stage of the half-bridge amplifier, which leads to an increase in the delay time for switching the power transistors and additional power loss on the power switches.

Настоящим изобретением решается техническая проблема повышения надёжности импульсного усилителя мощности за счёт ограничения сквозных неуправляемых токов в транзисторах первого каскада полумостовых усилителей и снижение потери мощности на силовых транзисторах усилителя за счёт сокращения времени переключения полумостовых усилителей.The present invention solves the technical problem of increasing the reliability of a switching power amplifier by limiting through uncontrolled currents in the transistors of the first stage of half-bridge amplifiers and reducing power loss in the power transistors of the amplifier by reducing the switching time of half-bridge amplifiers.

Указанная техническая проблема решается тем, что в мостовом импульсном усилителе мощности, состоящим из инвертора, первого полумостового усилителя, построенного на составных транзисторах, включенных по схеме Дарлингтона, которые шунтированы диодами и резисторного делителя, подключенного к базе верхнего составного транзистора, а также второго полумостового усилителя, построенного на базе верхних и нижних составных транзисторов, включенных по схеме Дарлингтона, которые шунтированы диодами и резисторного делителя, подключенного к базе верхнего составного транзистора, согласно заявленному изобретению введены резисторные делители напряжения в базы нижних составных транзисторов первого и второго полумостового усилителя, а в цепь объединённыхэмиттеров транзисторов первого каскада полумостовых усилителей введён резистор обратной связи по току, при этом входной сигнал логического уровня поступает на резисторный делитель в базе нижнего составного транзистора первого полумостового усилителя, а через инвертор входной сигнал поступает на резисторный делитель в базе нижнего составного транзистора второго полумостового усилителя, для управления верхним составным транзистором первого полумостового усилителя через резисторный делитель заведена обратная связь с объединённых коллекторов транзисторов первого каскада второго полумостового усилителя, а для управления верхним составным транзистором второго полумостового усилителя через резисторный делитель заведена обратная связь с объединённых коллекторов транзисторов первого каскада первого полумостового усилителя.This technical problem is solved by the fact that in a bridge switching power amplifier consisting of an inverter, the first half-bridge amplifier built on composite transistors connected according to the Darlington circuit, which are shunted by diodes and a resistor divider connected to the base of the upper composite transistor, as well as the second half-bridge amplifier , built on the basis of the upper and lower composite transistors connected according to the Darlington circuit, which are shunted by diodes and a resistor divider connected to the base of the upper composite transistor, according to the claimed invention, resistor voltage dividers are introduced into the bases of the lower composite transistors of the first and second half-bridge amplifier, and into the circuit the combined emitters of the transistors of the first stage of half-bridge amplifiers, a current feedback resistor is introduced, while the input logic level signal is fed to the resistor divider in the base of the lower composite transistor of the first half-bridge amplifier, and through the inverter, the input signal is fed to the resistor divider in the base of the lower composite transistor of the second half-bridge amplifier, to control the upper composite transistor of the first half-bridge amplifier through a resistor divider, feedback from the combined collectors of transistors of the first stage of the second half-bridge amplifier is introduced, and to control the upper composite transistor of the second half-bridge amplifier through a resistor divider, feedback is introduced from the combined collectors of transistors of the first stage of the first half-bridge amplifier.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется на Фиг. 1, где представлена электрическая схема мостового импульсного усилителя мощности. The essence of the invention is illustrated in Fig. 1, which shows the electrical circuit of a bridge switching power amplifier.

Мостовой импульсный усилитель мощности состоит из двух полумостовых усилителей, каждый из которых построен по двухкаскадной схеме. Первый каскад полумостовых усилителей включает в себя транзисторы 6, 7 и 17, 18. При этом усилители охвачены перекрёстной обратной связью через соответствующие резисторы 2, 19. Второй каскад полумостовых усилителей состоит из эмиттерных повторителей построенных на комплементарной паре силовых транзисторов 9, 10 и 15, 16.The bridge switching power amplifier consists of two half-bridge amplifiers, each of which is built according to a two-stage circuit. The first stage of half-bridge amplifiers includes transistors 6, 7 and 17, 18. At the same time, the amplifiers are covered by cross-feedback through the corresponding resistors 2, 19. The second stage of half-bridge amplifiers consists of emitter followers built on a complementary pair of power transistors 9, 10 and 15, 16.

Заявленный мостовой импульсный усилитель мощности, состоит из инвентора 5, первого полумостового усилителя, построенного на составных транзисторах 6, 9 и 7, 10, включенных по схеме Дарлингтона, которые шунтированы диодами 11, 12 и резисторного делителя 1, 2, подключенного к базе верхнего составного транзистора 6, 9, а также второго полумостового усилителя, построенного на базе верхних 15, 17 и нижних 16, 18 составных транзисторов, включенных по схеме Дарлингтона, которые шунтированы диодами 13, 14 и резисторного делителя 19, 20, подключенного к базе верхнего составного транзистора 15, 17. Каждый из двух полумостовых усилителей построен по двухкаскадной схеме. Первый каскад полумостовых усилителей включает в себя транзисторы 6, 7 и 17, 18. При этом усилители охвачены перекрёстной обратной связью через соответствующие резисторы 2, 19. Второй каскад полумостовых усилителей состоит из эмиттерных повторителей построенных на комплементарной паре силовых транзисторов 9, 10 и 15, 16.The claimed bridge switching power amplifier consists of an inverter 5, the first half-bridge amplifier built on composite transistors 6, 9 and 7, 10, connected according to the Darlington circuit, which are shunted by diodes 11, 12 and a resistor divider 1, 2 connected to the base of the upper composite transistor 6, 9, as well as the second half-bridge amplifier, built on the basis of the upper 15, 17 and lower 16, 18 composite transistors connected according to the Darlington circuit, which are shunted by diodes 13, 14 and a resistor divider 19, 20 connected to the base of the upper composite transistor 15, 17. Each of the two half-bridge amplifiers is built according to a two-stage scheme. The first stage of half-bridge amplifiers includes transistors 6, 7 and 17, 18. At the same time, the amplifiers are covered by cross-feedback through the corresponding resistors 2, 19. The second stage of half-bridge amplifiers consists of emitter followers built on a complementary pair of power transistors 9, 10 and 15, 16.

Согласно заявленному изобретению введены резисторные делители напряжения 3, 4 и 21, 22 в базы нижних составных транзисторов 7, 10 и 16, 18 первого и второго полумостового усилителя, а в цепь объединённыхэмиттеров транзисторов 7, 18 первого каскада усилителей введён резистор обратной связи по току 8, при этом входной сигнал логического уровня поступает на резисторный делитель 3, 4 в базу нижнего составного транзистора первого полумостового усилителя, а через инвертор 5 входной сигнал поступает на резисторный делитель 21, 22 в базу нижнего составного транзистора 16, 18 второго полумостового усилителя, для управления верхним составным транзистором 6, 9 первого полумостового усилителя через резисторный делитель 1, 2 заведена обратная связь с объединённых коллекторов транзисторов 17, 18 первого каскада второго полумостового усилителя, а для управления верхним составным транзистором 15, 17 второго полумостового усилителя через резисторный делитель 19, 20 заведена обратная связь с объединённых коллекторов транзисторов 6, 7 первого каскада первого полумостового усилителя.According to the claimed invention, resistor voltage dividers 3, 4 and 21, 22 are introduced into the bases of the lower composite transistors 7, 10 and 16, 18 of the first and second half-bridge amplifier, and a current feedback resistor 8 is introduced into the combined emitter circuit of transistors 7, 18 of the first stage of amplifiers , while the input logic level signal is fed to the resistor divider 3, 4 to the base of the lower composite transistor of the first half-bridge amplifier, and through the inverter 5 the input signal is fed to the resistor divider 21, 22 to the base of the lower composite transistor 16, 18 of the second half-bridge amplifier, for control the upper composite transistor 6, 9 of the first half-bridge amplifier through a resistor divider 1, 2 is fed back from the combined collectors of transistors 17, 18 of the first stage of the second half-bridge amplifier, and to control the upper composite transistor 15, 17 of the second half-bridge amplifier through a resistor divider 19, 20 feedback from the combined collectors of transistors 6, 7 of the first stage of the first half-bridge amplifier.

Импульсный входной сигнал «Лог 1» через резисторный делитель напряжения 3, 4 поступает на вход первого полумостового усилителя и вход инвертора 5. Транзистор 7 переходит в открытое состояние, а инвертированный входной сигнал через резисторы 21, 22 поступает на вход второго полумостового усилителя и устанавливает транзистор 18 в закрытое состояние, после чего прекращается протекание тока через резистор 2 и транзистор 6 закрывается. Из сказанного выше следует, что в течение суммарного времени переключения инвентора 5, транзистора 18 и транзистора 6, транзисторы 6 и 7 могут одновременно находится в открытом состоянии, что приводит к возникновению сквозного тока в цепях эмиттер-коллектор транзисторов 6, 7.The pulse input signal "Log 1" through a resistor voltage divider 3, 4 is fed to the input of the first half-bridge amplifier and the input of the inverter 5. Transistor 7 goes into the open state, and the inverted input signal through resistors 21, 22 is fed to the input of the second half-bridge amplifier and sets the transistor 18 to the closed state, after which the current flow through the resistor 2 stops and the transistor 6 closes. It follows from the above that during the total switching time of inverter 5, transistor 18 and transistor 6, transistors 6 and 7 can be simultaneously in the open state, which leads to the occurrence of a through current in the emitter-collector circuits of transistors 6, 7.

Следует отметить, что в предлагаемом изобретении по сравнению с прототипом уменьшена глубина обратной связи на управление верхними транзисторами 6, 17, что привело к уменьшению длительности протекания сквозного тока через транзисторы первого каскада и времени переключения полумостовых усилителей.It should be noted that in the proposed invention, in comparison with the prototype, the feedback depth for controlling the upper transistors 6, 17 is reduced, which led to a decrease in the duration of the through current flow through the transistors of the first stage and the switching time of half-bridge amplifiers.

Для ограничения величины сквозного тока через транзисторы 6, 7, а также транзисторы 17, 18 в объединённую цепь эмиттеров транзисторов 7,18 введён резистор обратной связи по току 8. Величина сквозного тока (Iст) может быть задана формулой, определяющей режим отсечки транзисторов 7, 18 при возникновении сквозного тока в цепях эмиттер-коллектор транзисторов 6, 7 и 17, 18:To limit the value of the through current through transistors 6, 7, as well as transistors 17, 18, a current feedback resistor 8 is introduced into the combined emitter circuit of transistors 7,18. 18 when a through current occurs in the emitter-collector circuits of transistors 6, 7 and 17, 18:

,

где R8 – сопротивление резистора обратной связи по току;where R8 is the resistance of the current feedback resistor;

U_{эб –}напряжение эмиттер база транзистора 7 (18) в соответствии с вольтамперной характеристикой для выбранных режимов работы транзистора;U _{eb -} voltage emitter base of the transistor 7 (18) in accordance with the current-voltage characteristic for the selected operating modes of the transistor;

U_вх– напряжение входного сигнала («Лог 1»);U _in - input signal voltage ("Log 1");

R3, R4 – сопротивление резисторов делителя напряжения 3, 4(21, 22).R3, R4 – resistance of voltage divider resistors 3, 4(21, 22).

На Фиг. 2 приведена осциллограмма 1 напряжения обратной связи на управление верхними транзисторами с выхода первого каскада полумостового усилителя, а также осциллограмма 2 тока эмиттер-коллектор транзисторов 6, 7, заданного по приведённой выше формуле. На Фиг. 3 приведена осциллограмма выходного напряжения мостового усилителя мощности.On FIG. 2 shows an oscillogram 1 of the feedback voltage to control the upper transistors from the output of the first stage of a half-bridge amplifier, as well as an oscillogram 2 of the emitter-collector current of transistors 6, 7, given by the above formula. On FIG. Figure 3 shows an oscillogram of the output voltage of a bridge power amplifier.

Данное изобретение предназначено для применения в блоках управления приводами, разрабатываемыми АО «ИСС», в качестве бес- трансформаторного усилителя с широтно-импульсной модуляцией для управления двухфазными электродвигателями в следящих приводах.This invention is intended for use in drive control units developed by ISS JSC as a transformerless amplifier with pulse-width modulation for controlling two-phase electric motors in servo drives.

Из известных заявителю патентно-информационных материалов не обнаружены признаки с совокупностью признаков заявляемого объекта.Of the patent information materials known to the applicant, no signs with a set of signs of the claimed object were found.

Claims

Мостовой импульсный усилитель мощности, состоящий из инвертора, первого полумостового усилителя, построенного на составных транзисторах, включенных по схеме Дарлингтона, которые шунтированы диодами, и резисторного делителя, подключенного к базе верхнего составного транзистора, а также второго полумостового усилителя, построенного на базе верхних и нижних составных транзисторов, включенных по схеме Дарлингтона, которые шунтированы диодами, и резисторного делителя, подключенного к базе верхнего составного транзистора, отличающийся тем, что введены резисторные делители напряжения в базы нижних составных транзисторов первого и второго полумостовых усилителей, а в цепь объединённых эмиттеров нижних транзисторов первого каскада усилителей введён резистор обратной связи по току, при этом входной сигнал логического уровня поступает на резисторный делитель в базе нижнего составного транзистора первого полумостового усилителя, для управления верхним составным транзистором первого полумостового усилителя через резисторный делитель заведена обратная связь с объединённых коллекторов транзисторов первого каскада второго полумостового усилителя, а для управления верхним составным транзистором второго полумостового усилителя через резисторный делитель заведена обратная связь с объединённых коллекторов транзисторов первого каскада первого полумостового усилителя.A bridge switching power amplifier consisting of an inverter, the first half-bridge amplifier built on composite Darlington transistors shunted by diodes, and a resistor divider connected to the base of the upper composite transistor, as well as a second half-bridge amplifier built on the basis of the upper and lower composite transistors connected according to the Darlington circuit, which are shunted by diodes, and a resistor divider connected to the base of the upper composite transistor, characterized in that resistor voltage dividers are introduced into the bases of the lower composite transistors of the first and second half-bridge amplifiers, and into the circuit of the combined emitters of the lower transistors of the first amplifier stage, a current feedback resistor is introduced, while the input logic level signal is fed to the resistor divider in the base of the lower composite transistor of the first half-bridge amplifier, to control the upper composite transistor of the first half-bridge amplifier through the resistor divider, feedback is introduced from the combined collectors of transistors of the first stage of the second half-bridge amplifier, and to control the upper composite transistor of the second half-bridge amplifier through a resistor divider, feedback is introduced from the combined collectors of the transistors of the first stage of the first half-bridge amplifier.