專利名稱：電流控制型直流變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種開關(guān)動(dòng)作式電源變換設(shè)備，進(jìn)一步是指一種籍助半導(dǎo)體功率開關(guān)將直流輸入功率變換為另一種電壓或電流輸出的直流變換器，包括含有變壓器、半導(dǎo)體功率開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路及電流傳感器在內(nèi)的變換主電路和控制電源。半導(dǎo)體功率開關(guān)可以是功率晶體管GTR、功率場(chǎng)效管P-MOS、可關(guān)斷晶閘管GTO、絕緣門極雙極晶體管IGBT及MOS控制晶閘管MCT中的任何一種。輸入直流電源亦可來(lái)自交流電源整流后的輸出。
現(xiàn)有的開關(guān)動(dòng)作式直流變換器，采用定頻調(diào)寬(PWM)或定寬調(diào)頻(PFM)技術(shù)(如《電焊機(jī)》1991年第3期和1992年第2期上所載)，其實(shí)質(zhì)只是提供一個(gè)可控電壓源，其控制固有特性不能良好地滿足以電流特性為主要工作特征的用電負(fù)載的需求，截止控制直流變換器針對(duì)此作了重大性能改進(jìn)，但需將電流特性區(qū)分為兩個(gè)區(qū)段。本發(fā)明的目的，是提供一種以電流瞬值控制為基礎(chǔ)的直流變換器，電流特性區(qū)不再分區(qū)段，即可作可控電流源用，又可作可控電壓源用，特別是能良好地滿足以電流特性為主要工作特征的用電負(fù)載的需求。
本發(fā)明是以如下方式完成的當(dāng)VI2＜VA及Tb＞Tbn時(shí)，控制電路使相應(yīng)的半導(dǎo)體功率開關(guān)由截止轉(zhuǎn)向?qū)?當(dāng)條件A成立或Ta＞Tam時(shí)，控制電路使相應(yīng)的半導(dǎo)體功率開關(guān)由導(dǎo)通轉(zhuǎn)向截止。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。


圖1為電路方框圖;
圖2為變換主電路圖;
圖3為控制電路第一部分的原理結(jié)構(gòu)圖;
圖4為圖3a-圖3h的工作特征一覽圖;
圖5為控制電路第二部分的原理結(jié)構(gòu)圖;
圖6為控制電路第三部分的原理結(jié)構(gòu)圖。
參見圖101為變換主電路(圖2);02為控制電路，由其第一部分(圖3)、其第二部分(圖5)和其第三部分(圖6)共同組成;03為控制電源，V+與V-分別為對(duì)公共地的正與負(fù)控制電源電壓。圖1中其它符號(hào)含義則見下面對(duì)圖2的說(shuō)明。
參見圖2圖中11-14為半導(dǎo)體功率開關(guān)，15及16分別為進(jìn)線濾波電感及濾波電容，17為霍爾電流傳感器(器件常數(shù)為K1)或其它電氣隔離的電流傳感器，18為分流器電阻電流傳感器(器件常數(shù)為K2)，19為輸出平波電感，21-26為半導(dǎo)體功率開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路(如UAA4002型用于GTR、EXB840型用于IGBT)，28-33為整流器，34為輸出端電容，V1為跨于16兩端的直流電壓，V2為輸出電壓，X為電壓信號(hào)輸出端，I1為輸入電流，I2為輸出電流，IO為輸出平均電流，△I為I2的電流脈動(dòng)量，K1I1與K2I2分別為17與18的輸出正電壓信號(hào)(對(duì)公共地)。在圖2a中變壓器20的原級(jí)繞組匝數(shù)為N1，次級(jí)繞組匝數(shù)為2×N2和檢測(cè)繞組匝數(shù)為2×N3，檢測(cè)繞組的輸出端為X1(VS)的Y1(-VS)，圖中繞組端的黑點(diǎn)代表極性，±VS為檢測(cè)繞組內(nèi)的感應(yīng)電勢(shì)，｜VS｜＝N3V1/N1。參見圖2a中的波形圖，當(dāng)G1為“1”時(shí)，通過(guò)21及23使相應(yīng)的11及13導(dǎo)通，I1與I2均上升，經(jīng)Ta時(shí)間后G1變?yōu)椤?”，相應(yīng)的11及13截止，I1為零和I2下降，再經(jīng)Tb時(shí)間后，G2變?yōu)椤?”，通過(guò)22及24使相應(yīng)的12及14導(dǎo)通，I1與I2又上升，經(jīng)過(guò)Ta時(shí)間后G2變?yōu)椤?”，相應(yīng)的12及14截止，I1為零和I2下降，再經(jīng)過(guò)Tb時(shí)間后G1又為“1”，如此波形重復(fù)出現(xiàn)，G1與G2波形在時(shí)間上相差180電度。在圖2b中，變壓器27的原級(jí)繞組匝數(shù)為N1，次級(jí)繞組匝數(shù)為N2和檢測(cè)繞組匝數(shù)為2×N3，其檢測(cè)繞組輸出情況與圖2a的相同。參見圖2b中的波形圖，當(dāng)G為“1”時(shí)，通過(guò)25及26使相應(yīng)的11及13導(dǎo)通，I1與I2均上升，經(jīng)過(guò)Tb時(shí)間后G變?yōu)椤?”，相應(yīng)的11及13截止，I1為零和I2下降，再經(jīng)過(guò)Tb時(shí)間后，G又變?yōu)椤?”，如此重復(fù)。圖2a橋式主電路的控制方法同樣適用于半橋式主電路和變壓器中點(diǎn)抽頭式主電路;圖2b雙管單端式主電路的控制方法同樣也適用于單管單端式主電路。
參見圖3圖3中41～44為電壓比較器，45為D型觸發(fā)器，46～47為反相門，48～49為與門，50為時(shí)基電路，54～66為電阻，68～79為二極管，81～84為電容，85～86為常系數(shù)環(huán)節(jié)(為一直流放大器，其放大系數(shù)如相應(yīng)方框內(nèi)所示，例如85，其放大系數(shù)為K)，87為電位計(jì)，88為開關(guān)，89～91為求和結(jié)點(diǎn)(由運(yùn)算放大器構(gòu)成，按圖示極性對(duì)輸入量求和后輸出)。圖中VA(＝VO＊-△V＊)、VB(＝VO＊+△V＊)、VI1、VI2、V＊O、△V＊、VK及VD～VH分別為圖所示處對(duì)公共地的電壓。圖中n1～n11為連接點(diǎn)，隨著圖3a～圖3h不同按圖中表內(nèi)所列情況進(jìn)行連通或不連通。在圖3的中部，示出了G、G1與G2在VH的驅(qū)動(dòng)下所形成的波形過(guò)程(全用正邏輯)，可見G完全復(fù)演了VH波形，而G1與G2為VH的分頻波形，G1與G2之間相差180電度。
現(xiàn)首先看圖3a的工作情況，此時(shí)n1與n2連通，n4與n5連通，當(dāng)88斷開時(shí)，電路啟動(dòng)，VF及VH均為“1”，VF通過(guò)74使82迅速充電使VD及VG也為“1”。于此同時(shí)VI1隨著時(shí)間而上升，當(dāng)條件A(VI1＞VB)成立時(shí)，42動(dòng)作68導(dǎo)通而使VE＞Va(Va＝2V+/3)導(dǎo)致50翻轉(zhuǎn);另外V+通過(guò)56對(duì)84充電，經(jīng)71也使VE上升，當(dāng)VE上升到Va時(shí)(與此對(duì)應(yīng)的充電時(shí)間為Tam)即Ta＞TRm時(shí)也會(huì)使50翻轉(zhuǎn)，在此情況下，由于V+值固定，故Tam值也是固定的。50翻轉(zhuǎn)后使VF及VH變?yōu)椤癘”，84經(jīng)72迅速放電，82經(jīng)61放電，VD電壓降至Vb(= (Vφ)/3 +VR)的時(shí)間為TbO;于此同時(shí)VI2隨著時(shí)間而下降，當(dāng)VI2＜VA時(shí)，43動(dòng)作使75不導(dǎo)通，即是當(dāng)Tb＞Tbh(Tbh＝Tbo)及VI2＜VA兩個(gè)條件都滿足時(shí)，50方可翻回，這時(shí)VF及VH又變?yōu)椤?”而進(jìn)入下一次工作循環(huán)。圖3a～圖3h的工作特征一覽見圖4在圖3C及3d中，由于n1與n3和n10與n11的連通，使得當(dāng)條件A(VI2＞VB或VI1＞VB+VK)成立或Ta＞Tam時(shí)，都能使50翻轉(zhuǎn)，其中VI1＞VB+VK(導(dǎo)致41動(dòng)作)這一條件是用作抑制圖2中輸入側(cè)的不正常電流。在圖3b及圖3d中由于n4與n6和n4與n7的連通，此時(shí)84由VS經(jīng)57與69進(jìn)行充電或由-VS(此時(shí)VS值本身為負(fù))經(jīng)58與70進(jìn)行充電，以及在圖3f及圖3h中由于n4與n6連通，此時(shí)84由VS經(jīng)57與69進(jìn)行充電，在上述兩種情況下，Tam值與｜VS｜值有關(guān)，Tam隨著｜VS｜值的增加(減少)而減少(增加)，如此使得圖2a中的20和圖2b中的27在V1電壓大范圍變化情況下都能得到充分的利用。在圖3f～圖3h中，na與n9連通，只有當(dāng)-VS(此時(shí)VS值本身為負(fù)，其脈寬為TS)消失時(shí)，44動(dòng)作使76截止，這時(shí)強(qiáng)迫使VG為“1”的情況得到解除因而Tbn＝[Tbo，TS]MAX，即是Tbn等于Tbo與TS兩者中的最大的一個(gè)值，從而保證27的可靠退磁。在圖3g及圖3h中，由于n1與n3的連通，使得當(dāng)條件A(VI2＞VB)成立或Ta＞Tam時(shí)，都能使50翻轉(zhuǎn)。
VR為二極管73的電壓降。
參見圖5圖中100～101為電位計(jì)，102為低通濾波器，103～104為調(diào)節(jié)器(由運(yùn)算放大器組成)，105～106為常系數(shù)環(huán)節(jié)，107為多諧振蕩器(方波輸出)，108～113為求和結(jié)點(diǎn)，114～117為電阻，118為穩(wěn)壓管，119為二極管，V＊0、VO、V＊2d、V2d、及V01、～V05分別為圖所示處對(duì)公共地的電壓，圖中的V＊O(＝KK2IO)送往圖3及圖6b。在圖5a中，V＊0＝VO，以對(duì)IO進(jìn)行直接控制。在圖5b中，V＊0＝VO+V01以對(duì)IO進(jìn)行高精確控制，V01來(lái)自電流負(fù)閉環(huán)調(diào)節(jié)器103的輸出。在圖5c中，V＊0＝VO+V02，V02＝K3V2d(V2d為V2的平均值)，故IO將隨著V2d的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。在圖5d中，V＊0＝VO-V03，V03＝K4V2d，在118未進(jìn)入其穩(wěn)壓特性區(qū)之前，IO將隨著V2d的增加而減少。在圖5e中，V＊0＝VO+V04，V04為矩形波，故IO為疊加的矩形脈沖波。在圖5f中，V＊0＝V05，當(dāng)V2d＜V＊2d時(shí)，104輸出電壓高，119不導(dǎo)通，V05＝VO，此情況為裝置輸出外特性的電流特性區(qū);當(dāng)V2d≥V＊2d時(shí)，104輸出降低，119開始流過(guò)電流，由于116上的電壓降使得V05＜VO，如此將V2d穩(wěn)定在所設(shè)定的V＊2d值附近，此情況為裝置輸出外特性的穩(wěn)壓區(qū)。
參見圖6圖中120為電阻，121～123為二極管，124～126為電位計(jì)，127為電容，△V＊、△V1、△V2及△VS分別為圖所示處對(duì)公共地電壓，圖中△V＊(＝KK2△I)送往圖3。
在圖6a中，△V＊＝△V1，由124設(shè)定。在圖6b中，△V＊＝△V2，由126設(shè)定，此情況下△V＊/V＊O(△I/IO)為定值。在圖6c中，△V＊＝〔△V1，△VS〕max，即△V＊等于△V1及△VS這兩者中的最大值，當(dāng)△V＊＝△VS時(shí)，則△V＊將隨著VS值的升高而增加，使得裝置的工作頻率不致由于VS值升高而過(guò)份地增加。
任取圖3a～圖3h中之一，圖5a～圖5f中之一和圖6a～圖6c中之一就可組成一個(gè)完整的控制電路，總共有8×6×3＝144種不同的控制電路基本組合，在基本組合控制電路的基礎(chǔ)上還可衍生出更多的復(fù)合控制電路。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是(1)、輸出電流能在無(wú)振蕩超調(diào)情況下高速地跟蹤電流指令值的急劇變化，其電流大小不受輸入電源電壓波動(dòng)及負(fù)載變化的影響，輸出側(cè)短路時(shí)也無(wú)浪涌電流，工作十分安全，而成為一個(gè)頗為理想的可控電流源;(2)、在輸出外特性的穩(wěn)壓區(qū)，則是一個(gè)響應(yīng)快、電壓調(diào)整率和電流調(diào)整率均優(yōu)良的直流穩(wěn)壓電源;(3)、由于控制快速和準(zhǔn)確，使得各個(gè)元器件不必設(shè)計(jì)有較大裕量就能保證可靠工作，從而大大降低了制造成本;(4)、能有效地抑制變壓器的偏磁現(xiàn)象;(5)、當(dāng)電源電壓V1變化時(shí)，由于Tam的自動(dòng)調(diào)整使得變壓器的鐵芯得到充分的利用;(6)、由于Tb是一個(gè)確定值從而消除了分諧波振蕩現(xiàn)象;(7)、輸出外特性多種多樣，可以是恒流式、精確恒流式、恒流加外拖式、緩降式、短路減流式或平特性式，還可輸出矩形脈沖波電流;(8)、由于具備優(yōu)良的電流控制特性，使得多臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行的組成十分簡(jiǎn)單而且均流可靠;(9)、對(duì)于圖3e、圖3d、圖3g及圖3h的控制電路，不設(shè)置電流調(diào)節(jié)器也能對(duì)輸出電流進(jìn)行精確度足夠高的控制;(10)、輸出外特性的電流特性區(qū)不需分區(qū)段。
權(quán)利要求
1.一種籍助半導(dǎo)體功率開關(guān)將直流輸入功率變換為另一種電壓或電流輸出的直流變換器，包括含有變壓器、半導(dǎo)體功率開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路及電流傳感器在內(nèi)的變換主電路和控制電源，其特征在于，當(dāng)VI2＜VA及Tb＞Tbn時(shí)，控制電路使相應(yīng)的半導(dǎo)體功率開關(guān)由截止轉(zhuǎn)向?qū)ǎ划?dāng)條件A成立或Ta＞Tam時(shí)，控制電路使相應(yīng)的半導(dǎo)體功率開關(guān)由導(dǎo)通轉(zhuǎn)向截止。
2.如權(quán)力要求1所述的直流變換器，其特征在于，條件A為VI1＞VB。
3.如權(quán)力要求1所述的直流變換器，其特征在于，條件A為VI2＞VB或VI1＞VB+VK。
4.如權(quán)力要求1所述的直流變換器，其特征在于，條件A為VI2＞VB。
5.如權(quán)力要求1所述的直流變換器，其特征在于，Tam為固定值。
6.如權(quán)力要求1所述的直流變換器，其特征在于，Tam值隨｜VS｜值之增加(減少)而減少(增加)。
7.如權(quán)力要求1所述的直流變換器，其特征在于，Tbn等于Tbo。
8.如權(quán)力要求1所述的直流變換器，其特征在于，Tbn等于Tbo與TS這兩者中的最大的一個(gè)值。
9.如權(quán)力要求1及2或者1及3或者1及4所述的直流變換器，其特征在于VA＝VO＊-△V＊及VB＝VO＊+△V＊。
10.如權(quán)力要求9所述的直流變換器，其特征在于，VO＊等于VO或等于VO+V01或等于VO+V02或等于VO-V03或等于VO+V04或等于V05;△V＊等于△V1或等于[△V1，△VS]max或等于△V2。
全文摘要
電流控制型直流變換器是一種借助半導(dǎo)體功率開關(guān)將直流輸入功率變換為另一種電壓或電流輸出的直流變換器，實(shí)行電流瞬值控制，既是一個(gè)無(wú)振蕩超調(diào)的高速反應(yīng)的且不受電源電壓波動(dòng)及負(fù)載變化影響的優(yōu)質(zhì)可控電流源，在其電壓外特性區(qū)又是一個(gè)頻響快的優(yōu)質(zhì)穩(wěn)壓源——例如用作直流電氣車輛的輔助電源。其輸出性能更能良好地滿足以電流特性為主要工作特征的用電負(fù)載諸如電焊接、等離子切割、電火花加工、快速充電、脈沖電鍍、氙燈及弧光燈等等負(fù)載的需求，具有144種控制方式以適應(yīng)眾多的不同使用要求。
文檔編號(hào)H02M3/28GK1083635SQ92107118
公開日1994年3月9日 申請(qǐng)日期1992年9月4日 優(yōu)先權(quán)日1992年9月4日
發(fā)明者盧驥, 盧偉白 申請(qǐng)人:盧驥