專利名稱：微功耗交流穩(wěn)壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種微功耗交流穩(wěn)壓器
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)交流穩(wěn)壓器都采用矽鋼片制成的鐵芯，體積大，笨重，運行時有很大的工頻噪音，同時發(fā)熱厲害，效率低；傳統(tǒng)交流穩(wěn)壓采用的是磁飽和原理，輸出正弦波電壓會產(chǎn)生嚴
重失真。發(fā)明內(nèi)容圖1是微功耗交流穩(wěn)壓器的原理框圖當輸入電壓在額定范圍之內(nèi)時，不必進行任何功率變換，輸入電壓直接到達輸出端，成為輸出電壓；當輸入電壓大于額定電壓時，經(jīng)過電壓切割電路，把大于額定電壓的那部份比例極小的電壓切下來，變換成額定輸出的正弦波電壓，連同被切去頭部后剩下來的額定電壓部份并行輸出；當輸入電壓小于額定電壓時，經(jīng)過電壓補償電路，把輸入電壓中小于額定電壓的那部份比例極小的電壓補償起來，即由補償電路產(chǎn)生一個補償電壓，此電壓恰好是額定電壓和輸入電壓之差，疊加在輸入電壓之上，即輸出額定電壓是輸入電壓和補償電壓之和。微功耗交流穩(wěn)壓器的最大特點是只要把輸入功率中極小部份進行傳統(tǒng)功率變換，就可以得到全部輸出功率，即輸入功率中極大部份既不必進行實際的功率變換，也不必通過磁芯變壓器或電感傳遞功率，直接到達輸出端，成為輸出功率。微功耗交流穩(wěn)壓器由電壓切割電路和電壓補償電壓組成，電壓切割電路和電壓補償電路并聯(lián)聯(lián)結(jié)。電壓切割電路由場效應(yīng)管Q1-Q6、磁芯變壓器TXl及周圍元件組成，場效應(yīng)管Q5、Q6的漏極相聯(lián)，變壓器TXl原邊的一端接場效應(yīng)管Q5的源極，另一端接輸入電壓 Vi，輸入電壓Vi的另一端接地，電阻R6和電容C2并聯(lián)，一端接地，另一端接場效應(yīng)管Q6的源極，場效應(yīng)管Ql和場效應(yīng)管Q2的漏極相聯(lián)，場效應(yīng)管Q3的漏極接場效應(yīng)管Ql的源極， 其源極通過電阻R7接地，電阻R7和電容C3并聯(lián)，場效應(yīng)管Q4的漏極接場效應(yīng)管Q2的源極，其源極通過電阻R8接地，電阻R8和電容C4并聯(lián)，場效應(yīng)管Q3的源極接地，場效應(yīng)管Q4 的源極接場效應(yīng)管Q6的源極。電壓補償電路由場效應(yīng)管Q1-Q6、磁芯變壓器TXl及周圍元件組成，場效應(yīng)管Q5、Q6的漏極相聯(lián)，變壓器TXl原邊的一端接場效應(yīng)管Q5的源極，另一端接輸入電壓Vi，輸入電壓Vi的另一端接地，場效應(yīng)管Q6的源極接地，場效應(yīng)管Ql和場效應(yīng)管Q2的漏極相聯(lián)，場效應(yīng)管Q3的漏極接場效應(yīng)管Ql的源極，其源極通過電阻R6接地，電阻R6和電容C2并聯(lián)，場效應(yīng)管Q4的漏極接場效應(yīng)管Q2的源極，其源極通過電阻R7接地， 電阻R7和電容C3并聯(lián)，場效應(yīng)管Q3的源極接輸入電壓Vi的火線，場效應(yīng)管Q4的源極通過電阻R8接地，電阻R8與電容C4并聯(lián)。
圖1是微功耗交流穩(wěn)壓器原理框圖；圖2是電壓切割電路；圖3是電壓切割電路各點電壓的仿真波形；圖4是引入控制芯片UC1825的電壓切割電路[0013]圖5是引入控制芯片UC1825的電壓切割電路各點電壓的仿真波形；圖6是電壓補償電路；圖7是電 壓補償電路各點電壓的仿真波形；圖8是引入控制芯片UC1825的電壓補償電路圖9是引入控制芯片UC1825的電壓補償電路各點電壓的仿真波形；圖10是電壓補償電路的實際電路；圖11是電壓補償電路的實際電路輸出電壓的仿真波形；圖12是電壓補償電路的實際電路控制電壓的仿真波形；圖13是場效應(yīng)管的幾種接法；圖14是場效應(yīng)管幾種接法時輸出電壓的仿真波形。圖2是電壓切割電路，場效應(yīng)管Q5、Q6和磁芯變壓器TXl組成了主電路，IOOKHz的方波驅(qū)動信號VI、V5加在Q5、Q6的柵極，V2是輸入正弦波電壓Vi，Vi為幅值360V的正弦波電壓，負載R6接在Q6的源極。輸入電壓的正半周，當驅(qū)動方波電壓V5為高電平時，Q6飽和導(dǎo)通，輸入電壓Vi通過Q5的體內(nèi)二極管和Q6的漏源極，加在負載電阻R5和變壓器TXl的原邊；在輸入電壓的負半周，當驅(qū)動方波電壓Vl為高電平時，Q5飽和導(dǎo)通，輸入電壓Vi通過Q6的體內(nèi)二極管和Q5的漏源極，加在負載電阻R5和變壓器TXl的原邊。適當選擇變壓器原邊的電感量和驅(qū)動信號VI、V5的脈寬，可便負載電阻R5上的電壓為輸出額定值。變壓器TXl的附邊接有由Q1-Q4組成的動態(tài)整流電路[1]，可將TXl附邊產(chǎn)生的包絡(luò)為正弦波的雙邊帶方波電壓Vs整流為正弦波電壓，適當選擇TXl的變比和驅(qū)動信號VI、 V5的脈寬，可使得動態(tài)整流電路輸出的正弦波電壓(由Q3、Q4的源極取出)為額定輸出電壓，此電壓與輸入電壓同頻、同相、同步，與電阻R5產(chǎn)生的額定電壓同頻、同相，同幅，共同形成輸出電壓Vo。由于整機不采用鐵芯，并不利用磁飽和現(xiàn)象穩(wěn)定交流電壓，因而不會產(chǎn)生正弦波波形失真，有關(guān)動態(tài)整流的論述請參考文獻[2]。圖3是切割電路各點電壓的仿真波形，最外層是幅值360V的輸入電壓Vi，下面是電阻R5上被切去頭部后的輸入電壓和TXl附邊產(chǎn)生的動態(tài)整流電壓共同形成的輸出電壓 Vo，最里層是變壓器原邊產(chǎn)生的包絡(luò)為正弦波的雙邊帶方波電壓Vp，附邊電壓Vs由TXl的變比決定，是Vp的η倍。圖4是引入UC 1825的電壓切割電路，在控制芯片UC1825的軟啟動腳SS接有2u 電容，人為地使SS腳電壓緩慢上升，則腳0UT_A、0UT_B輸出的方波信號的占空比也緩慢上升，從圖5的仿真波形看到，輸出電壓的幅值由50V變化到210V，說明調(diào)節(jié)Q5、Q6柵極驅(qū)動信號的脈寬，就可調(diào)節(jié)輸出切割電壓Vo的幅值，其實質(zhì)是，只要控制UC1825芯片軟啟動腳 SS的控制電壓，就可以控制輸出電壓Vo的幅值。圖6電壓補償電路，場效應(yīng)管Q5、Q6和磁芯變壓器TXl組成了主電路，IOOKHz的方波驅(qū)動信號V2、V5加在Q5、Q6的柵極，V3是輸入正弦波電壓Vi，Vi為幅值260V的正弦波電壓，Q6的源極接地。輸入電壓的正半周，當驅(qū)動方波電壓V5為高電平時，Q6飽和導(dǎo)通，輸入電壓Vi通過Q5的體內(nèi)二極管和Q6的漏源極，加在變壓器TXl的原邊；輸入電壓的負半周，當驅(qū)動方波電壓V2為高電平時，Q5飽和導(dǎo)通，輸入電壓Vi通過Q6的體內(nèi)二極管和Q5的漏源極，力口在變壓器TXl的原邊。變壓器TXl的附邊接有由Q1-Q4組成的動態(tài)整流電路[1]，可將TXl附邊產(chǎn)生的包絡(luò)為正弦波的雙邊帶方波電壓整流為正弦波電壓，適當選擇TXl的變比和驅(qū)動信號V2、V5 的脈寬，可使得動態(tài)整流電路輸出的正弦波電壓為額定輸出電壓和輸入電壓之差Vc (補償電壓Vc從Q3、Q4的源極取出)，此電壓與輸入電壓同頻、同相，與輸入電壓Vi疊加后，形成額定輸出電壓Vo。補償電壓Vc —端(Q3的源極)接輸入電壓Vi的火線，另一端(Q4的源極)是輸出電壓Vo的輸出端。圖7是電壓補償電路各點電壓的仿真波形，中間是幅值260V的輸入電壓Vi，最外層是經(jīng)過補償后的額定輸出電壓Vo，最下面是TXl附邊通過動態(tài)整流產(chǎn)生的補償電壓Vc， 此電壓與輸入電壓Vi疊加后，形成輸出電壓Vo。圖8是引入UC 1825的電壓補償電路，在控制芯片UC1825的軟啟動腳SS接有2u 電容，人為地使SS腳電壓緩慢上升，則腳0UT_A、0UT_B輸出的方波信號的占空比也緩慢上升，從圖9的仿真波形看到，輸出電壓的幅值由260V變化到380V，說明調(diào)節(jié)Q5、Q6柵極驅(qū)動信號的脈寬，可調(diào)節(jié)輸出切割電壓Vo的幅值，其實質(zhì)是，只要控制UC1825芯片軟啟動腳 SS的控制電壓，就可以控制輸出電壓Vo的幅值。
具體實施方式
圖10是微功耗交流穩(wěn)壓器的實際電路，比較器U4、U13對整流后的饅頭波電壓直接進行比較，Vb代表輸出電壓Vo、VI、V2代表基準電壓V3。當Vb小于Vl時，說明輸出電壓Vo小于基準電壓V3，U4的輸出Vsl為高電平，于是Vsl啟動U9 (加一 /減一計數(shù)器)進行加一計數(shù)，不斷增加的數(shù)字值進入D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器U10，使得數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出電壓Vda不斷上升，則加在PWM控制芯片U8 (UC1825)軟啟動腳SS的電壓Vss也不斷上升，使得U8輸出方波(0UT_A、0UT_B)的占空比不斷增加，其結(jié)果是輸出電壓Vo的幅值也不斷增加，此過程一直持續(xù)進行，直到輸出電壓Vo的幅值增加到大于基準電壓V3時，Vb不再小于VI，于是U4的輸出Vsl為低電平，U9停止加一計數(shù)，UlO的輸出電壓Vda保持不變，U8軟啟動腳電壓Vss保持不變，腳0UT_A、0UT_B輸出方波的占空比保持不變，則輸出電壓Vo也保持不變。當Vb大于V2時，說明輸出電壓Vo大于基準電壓V3，U13的輸出Vd2為高電平，于是Vd2啟動U9 (加一 /減一計數(shù)器)進行減一計數(shù)，不斷減小的數(shù)字值進入D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器U10，使得數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出電壓Vda不斷下降，則加在PWM控制芯片U8 (UC1825)軟啟動腳SS的電壓Vss也不斷下降，使得U8輸出方波(0UT_A、0UT_B)的占空比不斷減小，其結(jié)果是輸出電壓Vo的幅值也不斷減小，此過程一直持續(xù)進行，直到輸出電壓Vo的幅值大于基準電壓V3時，Vb不再大于V2，于是U13的輸出Vd2為低電平，U9停上減一計數(shù)，UlO的輸出電壓Vda保持不變，U8軟啟動腳電壓Vss保持不變，腳0UT_A、0UT_B輸出方波的占空比保持不變，則輸出電壓Vo也保持不變。只要輸出電壓Vo小于基準電壓V3，就要進行加一計數(shù)，加一計數(shù)的結(jié)果，使得Vo 不斷增加，當輸出電壓Vo增加到大于或等于V3時，加一計數(shù)停止，輸出電壓Vo保持不變； 只要輸出電壓Vo大于基準電壓V3，就要進行減一計數(shù)，減一計數(shù)的結(jié)果，使得Vo不斷減小， 當輸出電壓Vo減小到小于或等于V3時，減一計數(shù)停止，輸出電壓Vo保持不變。上述控制過程的結(jié)果是輸出電壓Vb (代表輸出電壓Vo)在基準電壓VI、V2(代表基準電壓V3)之間變化，即輸出電壓Vo保持在以基準電壓V3為中心的一個范圍內(nèi)變化，V1、V2的幅值代表了這個變化范圍，由于電壓VI、V2的幅值是可以人為設(shè)置的，所以輸出電壓Vo的變化范圍 (精度或調(diào)整率)也是可以人為設(shè)置的。以當今電力電子技術(shù)而論，交流電壓是無法進行調(diào)整或穩(wěn)定的(除非采用鐵芯和磁飽和原理)，而上述交流電壓的穩(wěn)定過程(或調(diào)整過程)，僅僅調(diào)節(jié)UC1825芯片軟啟動腳 SS的控制電壓，就成功穩(wěn)定了交流電壓。
圖11、12是微功耗交流穩(wěn)壓器實際電路各點電壓的仿真波形，上部份是數(shù)字信號，下部份是模擬信號。圖11是輸入電壓Vi和輸出電壓Vo，在第一個周期，輸出電壓和輸入電壓重合，盡管控制信號Vsl為高電平，但SS腳電壓還在慢慢升高，腳0UT_A、0UT_B輸出方波的占空比較小，從右圖可以看到，電壓Vb小于電壓VI，Vss直線上升，輸出電壓Vo也不斷上升；到第二個周期，Vss上升到一定程度，腳0UT_A、0UT_B輸出方波的占空比增加到一定程度，輸出電壓Vo上升到大于參考電壓V3，即Vb大于VI，加一計數(shù)停止，Vss不再上升，輸出電壓Vo 也不再上升。在輸出電壓Vo穩(wěn)定的期間，代表輸出電壓Vo的控制電壓Vb始終在代表參考電壓V3的Vl和V2之間。圖12是控制信號VI、V2、Vb的對應(yīng)關(guān)系仿真波形，Vb在VI、V2之間，U9 (加一 / 減一計數(shù)器)停止計數(shù)，電壓保持恒定。以上是微功耗交流穩(wěn)壓器中電壓補償實際電路控制策略，電壓切割的實際電路的控制，其控制策略與此相同，不再重復(fù)。當輸入電壓Vi在額定值之內(nèi)時，電壓切割電路中的場效應(yīng)管Q5、Q6的柵極接市同步信號，于是場效應(yīng)管Q5、Q6成為靜態(tài)開關(guān)，輸入電壓Vi通過場效應(yīng)管Q5、Q6的漏源極到達輸出端，直接輸出，其效率為100%。圖13是實際電路中功率MOS管的幾種接法。第一種接法需要對稱互補功率MOS 管，還必須兩個功率二極管；第二種接法省去了兩個功率二極管，但還是必須對稱互補功率 MOS管；第三種接法省去兩個功率二極管(D4、D2是小信號控制二極管)，同時不必對稱互補的功率MOS管，只需要N型功率MOS管即可。這三種接法完全等效，圖14是三種接法輸出電壓的仿真波形，三種接法的輸出電壓完全相等，當輸入電壓相同時，其輸出電壓同步、同頻、同相、同幅值。在實際應(yīng)用中，大功率、大電流對稱互補功率MOS管對并不存在，P型功率MOS管只有低電壓、小功率的。微功耗分析整機效率可估算如下設(shè)輸入電壓變化范圍是正負20%，由于電源的運行是一個長時間過程，輸入電壓在運行過程中取什么值，服從正態(tài)分布，因此，輸入電壓在220V附近的取值比在(1-20%)和(1+20%)附近的取值多得多，在計算效率時，可以取平均值計算，即正負10%。1)當輸入電壓大于額定電壓時，電壓切割電路啟動，設(shè)輸入電壓比額定電壓高 10%，則這高出的10%由切割電路切下來，這切下來的部份要進行功率變換，變換成額定值交流電壓輸出。由于微功耗交流穩(wěn)壓器得到交流電壓的方法與傳統(tǒng)逆變方法完全不同，不必經(jīng)過AC/DC變換，也不必經(jīng)過DC/AC變換，只須經(jīng)過一次動態(tài)整流即可獲得交流電壓，其效率遠大于傳統(tǒng)方法，設(shè)傳統(tǒng)方法的效率為90%，則動態(tài)整流方法的效率為95% (這是一種比較保守的估計)，則這切下來這部份電壓在進行功率變換過程中的功率損耗Pq為Pq =10% *(1-95% ) = 0. 1*0. 05 = 0. 005 = 0. 5%，由此可知，切下來這部份電壓的功率損耗為0. 5%。輸入電壓切去頭部后的剩余部份，幅值等于額定電壓，直接到達輸出端，成為輸出功率，這一部份電壓本身并沒有經(jīng)過任何功率變換，其變換效率可視為100%，其員耗為零，所以上述切下來進行功率變換部份的損耗，也是整個電壓切割電路的總損耗，即0，5%， 所以整機效率為99.5%。 2)當輸入電壓小于額定值時，電壓補償電路啟動，設(shè)輸入電壓比額定電壓低 10 %，則這低于10 %的電壓由補償電路進行補償。產(chǎn)生補償電壓的過程完全相同，其效率也是99.5%，此處不再重復(fù)。輸入電壓經(jīng)過補償后，幅值等于額定電壓，直接到達輸出端，輸入電壓本身并沒有經(jīng)過任何功率變換，其變換效率可視為100%，所以整個補償電路的總效率也是99. 5%o3)當輸入電壓在額定范圍之內(nèi)時，在電壓切割電路中的場效應(yīng)管Q5、Q6(請參考圖2)的柵極加與市電同步的方波控制信號，則Q5、Q6成為一個靜態(tài)開關(guān)，輸入交流電壓直接到達輸出端，整機效率可視為100%。4)相對于三種不同的運行模式，有三種不同的效率，99. 5%、99. 5%、100%，由于微功耗交流穩(wěn)壓器在一個時刻，只有一種運行模式，上述三種模式中的效率都是整機效率， 這就意味著，運行在不同模式下，整機效率不一樣。如果取平均值，則整機效率為99. 75%。微功耗交流穩(wěn)壓器的主電路不采用PWM變換，同時利用穩(wěn)定直流電壓的方法來穩(wěn)定交流電壓，是微功耗交流穩(wěn)壓器的一大特色。盡管輸入電壓Vi的波動范圍是正負20%， 但輸入電壓在額定范圍內(nèi)的時間最長，即整機效率為100%的時間最長，所以在實際運行中，整機效率比上述估算的99. 5%要高得多，實際運行可接近100%，微功耗交流穩(wěn)壓器實至名歸。
權(quán)利要求1.一種微功耗交流穩(wěn)壓器，不采用工頻變壓器或工頻電感，其特征是微功耗交流穩(wěn)壓器由電壓切割電路和電壓補償電壓組成，電壓切割電路和電壓補償電路并聯(lián)聯(lián)結(jié)。
2.如權(quán)利要求1所述的微功耗交流穩(wěn)壓器，其特征是電壓切割電路由場效應(yīng)管 Q1-Q6、磁芯變壓器TXl及周圍元件組成，場效應(yīng)管Q5、Q6的漏極相聯(lián)，變壓器TXl原邊的一端接場效應(yīng)管Q5的源極，另一端接輸入電壓Vi，輸入電壓Vi的另一端接地，電阻R6和電容 C2并聯(lián)，一端接地，另一端接場效應(yīng)管Q6的源極，場效應(yīng)管Ql和場效應(yīng)管Q2的漏極相聯(lián)， 場效應(yīng)管Q3的漏極接場效應(yīng)管Ql的源極，其源極通過電阻R7接地，電阻R7和電容C3并聯(lián)，場效應(yīng)管Q4的漏極接場效應(yīng)管Q2的源極，其源極通過電阻R8接地，電阻R8和電容C4 并聯(lián)，場效應(yīng)管Q3的源極接地，場效應(yīng)管Q4的源極接場效應(yīng)管Q6的源極。
3.如權(quán)利要求1所述的微功耗交流穩(wěn)壓器，其特征是電壓補償電路由場效應(yīng)管 Q1-Q6、磁芯變壓器TXl及周圍元件組成，場效應(yīng)管Q5、Q6的漏極相聯(lián)，變壓器TXl原邊的一端接場效應(yīng)管Q5的源極，另一端接輸入電壓Vi，輸入電壓Vi的另一端接地，場效應(yīng)管Q6的源極接地，場效應(yīng)管Ql和場效應(yīng)管Q2的漏極相聯(lián)，場效應(yīng)管Q3的漏極接場效應(yīng)管Ql的源極，其源極通過電阻R6接地，電阻R6和電容C2并聯(lián)，場效應(yīng)管Q4的漏極接場效應(yīng)管Q2的源極，其源極通過電阻R7接地，電阻R7和電容C3并聯(lián)，場效應(yīng)管Q3的源極接輸入電壓Vi 的火線，場效應(yīng)管Q4的源極通過電阻R8接地，電阻R8與電容C4并聯(lián)。
專利摘要微功耗交流穩(wěn)壓器由電壓切割電路和電壓補償電路組成，電壓切割電路和電壓補償電路并聯(lián)聯(lián)結(jié)，其采用極簡單的電子電路和穩(wěn)定直流電壓的方法，實現(xiàn)了對交流電壓的穩(wěn)定或調(diào)整，可穩(wěn)定交流大功率或電力電源；該交流穩(wěn)壓器最大特點是，不采用工頻變壓器或工頻電感，主電路不采用PWM脈寬調(diào)制，不產(chǎn)生EMI干擾，因此功耗極小而壽命極長，輸出正弦波不失真，效率高達99.5％，安全可靠，節(jié)能環(huán)保，電路簡單，成本低，制作安裝容易。
文檔編號G05F1/253GK202171756SQ20112020932
公開日2012年3月21日 申請日期2011年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月17日
發(fā)明者郁百超 申請人:郁百超