電流控制型直流變換器的製作方法
2023-05-30 13:17:16
專利名稱：電流控制型直流變換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種開關動作式電源變換設備，進一步是指一種籍助半導體功率開關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、半導體功率開關驅動電路及電流傳感器在內的變換主電路和控制電源。半導體功率開關可以是功率電晶體GTR、功率場效管P-MOS、可關斷晶閘管GTO、絕緣門極雙極電晶體IGBT及MOS控制晶閘管MCT中的任何一種。輸入直流電源亦可來自交流電源整流後的輸出。
現有的開關動作式直流變換器，採用定頻調寬(PWM)或定寬調頻(PFM)技術(如《電焊機》1991年第3期和1992年第2期上所載)，其實質只是提供一個可控電壓源，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徵的用電負載的需求，截止控制直流變換器針對此作了重大性能改進，但需將電流特性區分為兩個區段。本發明的目的，是提供一種以電流瞬值控制為基礎的直流變換器，電流特性區不再分區段，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徵的用電負載的需求。
本發明是以如下方式完成的當VI2＜VA及Tb＞Tbn時，控制電路使相應的半導體功率開關由截止轉向導通;當條件A成立或Ta＞Tam時，控制電路使相應的半導體功率開關由導通轉向截止。
下面結合附圖對本發明進一步詳細說明。
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構圖;
圖4為圖3a-圖3h的工作特徵一覽圖;
圖5為控制電路第二部分的原理結構圖;
圖6為控制電路第三部分的原理結構圖。
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-分別為對公共地的正與負控制電源電壓。圖1中其它符號含義則見下面對圖2的說明。
參見圖2圖中11-14為半導體功率開關，15及16分別為進線濾波電感及濾波電容，17為霍爾電流傳感器(器件常數為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(器件常數為K2)，19為輸出平波電感，21-26為半導體功率開關驅動電路(如UAA4002型用於GTR、EXB840型用於IGBT)，28-33為整流器，34為輸出端電容，V1為跨於16兩端的直流電壓，V2為輸出電壓，X為電壓信號輸出端，I1為輸入電流，I2為輸出電流，IO為輸出平均電流，△I為I2的電流脈動量，K1I1與K2I2分別為17與18的輸出正電壓信號(對公共地)。在圖2a中變壓器20的原級繞組匝數為N1，次級繞組匝數為2×N2和檢測繞組匝數為2×N3，檢測繞組的輸出端為X1(VS)的Y1(-VS)，圖中繞組端的黑點代表極性，±VS為檢測繞組內的感應電勢，｜VS｜＝N3V1/N1。參見圖2a中的波形圖，當G1為「1」時，通過21及23使相應的11及13導通，I1與I2均上升，經Ta時間後G1變為「0」，相應的11及13截止，I1為零和I2下降，再經Tb時間後，G2變為「1」，通過22及24使相應的12及14導通，I1與I2又上升，經過Ta時間後G2變為「0」，相應的12及14截止，I1為零和I2下降，再經過Tb時間後G1又為「1」，如此波形重複出現，G1與G2波形在時間上相差180電度。在圖2b中，變壓器27的原級繞組匝數為N1，次級繞組匝數為N2和檢測繞組匝數為2×N3，其檢測繞組輸出情況與圖2a的相同。參見圖2b中的波形圖，當G為「1」時，通過25及26使相應的11及13導通，I1與I2均上升，經過Tb時間後G變為「0」，相應的11及13截止，I1為零和I2下降，再經過Tb時間後，G又變為「1」，如此重複。圖2a橋式主電路的控制方法同樣適用於半橋式主電路和變壓器中點抽頭式主電路;圖2b雙管單端式主電路的控制方法同樣也適用於單管單端式主電路。
參見圖3圖3中41～44為電壓比較器，45為D型觸發器，46～47為反相門，48～49為與門，50為時基電路，54～66為電阻，68～79為二極體，81～84為電容，85～86為常係數環節(為一直流放大器，其放大係數如相應方框內所示，例如85，其放大係數為K)，87為電位計，88為開關，89～91為求和結點(由運算放大器構成，按圖示極性對輸入量求和後輸出)。圖中VA(＝VO＊-△V＊)、VB(＝VO＊+△V＊)、VI1、VI2、V＊O、△V＊、VK及VD～VH分別為圖所示處對公共地的電壓。圖中n1～n11為連接點，隨著圖3a～圖3h不同按圖中表內所列情況進行連通或不連通。在圖3的中部，示出了G、G1與G2在VH的驅動下所形成的波形過程(全用正邏輯)，可見G完全復演了VH波形，而G1與G2為VH的分頻波形，G1與G2之間相差180電度。
現首先看圖3a的工作情況，此時n1與n2連通，n4與n5連通，當88斷開時，電路啟動，VF及VH均為「1」，VF通過74使82迅速充電使VD及VG也為「1」。於此同時VI1隨著時間而上升，當條件A(VI1＞VB)成立時，42動作68導通而使VE＞Va(Va＝2V+/3)導致50翻轉;另外V+通過56對84充電，經71也使VE上升，當VE上升到Va時(與此對應的充電時間為Tam)即Ta＞TRm時也會使50翻轉，在此情況下，由於V+值固定，故Tam值也是固定的。50翻轉後使VF及VH變為「O」，84經72迅速放電，82經61放電，VD電壓降至Vb(= (Vφ)/3 +VR)的時間為TbO;於此同時VI2隨著時間而下降，當VI2＜VA時，43動作使75不導通，即是當Tb＞Tbh(Tbh＝Tbo)及VI2＜VA兩個條件都滿足時，50方可翻回，這時VF及VH又變為「1」而進入下一次工作循環。圖3a～圖3h的工作特徵一覽見圖4在圖3C及3d中，由於n1與n3和n10與n11的連通，使得當條件A(VI2＞VB或VI1＞VB+VK)成立或Ta＞Tam時，都能使50翻轉，其中VI1＞VB+VK(導致41動作)這一條件是用作抑制圖2中輸入側的不正常電流。在圖3b及圖3d中由於n4與n6和n4與n7的連通，此時84由VS經57與69進行充電或由-VS(此時VS值本身為負)經58與70進行充電，以及在圖3f及圖3h中由於n4與n6連通，此時84由VS經57與69進行充電，在上述兩種情況下，Tam值與｜VS｜值有關，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電壓大範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-VS(此時VS值本身為負，其脈寬為TS)消失時，44動作使76截止，這時強迫使VG為「1」的情況得到解除因而Tbn＝[Tbo，TS]MAX，即是Tbn等於Tbo與TS兩者中的最大的一個值，從而保證27的可靠退磁。在圖3g及圖3h中，由於n1與n3的連通，使得當條件A(VI2＞VB)成立或Ta＞Tam時，都能使50翻轉。
VR為二極體73的電壓降。
參見圖5圖中100～101為電位計，102為低通濾波器，103～104為調節器(由運算放大器組成)，105～106為常係數環節，107為多諧振蕩器(方波輸出)，108～113為求和結點，114～117為電阻，118為穩壓管，119為二極體，V＊0、VO、V＊2d、V2d、及V01、～V05分別為圖所示處對公共地的電壓，圖中的V＊O(＝KK2IO)送往圖3及圖6b。在圖5a中，V＊0＝VO，以對IO進行直接控制。在圖5b中，V＊0＝VO+V01以對IO進行高精確控制，V01來自電流負閉環調節器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的增長而增長。在圖5d中，V＊0＝VO-V03，V03＝K4V2d，在118未進入其穩壓特性區之前，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為疊加的矩形脈衝波。在圖5f中，V＊0＝V05，當V2d＜V＊2d時，104輸出電壓高，119不導通，V05＝VO，此情況為裝置輸出外特性的電流特性區;當V2d≥V＊2d時，104輸出降低，119開始流過電流，由於116上的電壓降使得V05＜VO，如此將V2d穩定在所設定的V＊2d值附近，此情況為裝置輸出外特性的穩壓區。
參見圖6圖中120為電阻，121～123為二極體，124～126為電位計，127為電容，△V＊、△V1、△V2及△VS分別為圖所示處對公共地電壓，圖中△V＊(＝KK2△I)送往圖3。
在圖6a中，△V＊＝△V1，由124設定。在圖6b中，△V＊＝△V2，由126設定，此情況下△V＊/V＊O(△I/IO)為定值。在圖6c中，△V＊＝〔△V1，△VS〕max，即△V＊等於△V1及△VS這兩者中的最大值，當△V＊＝△VS時，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於VS值升高而過份地增加。
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上還可衍生出更多的複合控制電路。
與現有技術相比，本發明的優點是(1)、輸出電流能在無振蕩超調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及負載變化的影響，輸出側短路時也無浪湧電流，工作十分安全，而成為一個頗為理想的可控電流源;(2)、在輸出外特性的穩壓區，則是一個響應快、電壓調整率和電流調整率均優良的直流穩壓電源;(3)、由於控制快速和準確，使得各個元器件不必設計有較大裕量就能保證可靠工作，從而大大降低了製造成本;(4)、能有效地抑制變壓器的偏磁現象;(5)、當電源電壓V1變化時，由於Tam的自動調整使得變壓器的鐵芯得到充分的利用;(6)、由於Tb是一個確定值從而消除了分諧波振蕩現象;(7)、輸出外特性多種多樣，可以是恆流式、精確恆流式、恆流加外拖式、緩降式、短路減流式或平特性式，還可輸出矩形脈衝波電流;(8)、由於具備優良的電流控制特性，使得多臺並聯運行的組成十分簡單而且均流可靠;(9)、對於圖3e、圖3d、圖3g及圖3h的控制電路，不設置電流調節器也能對輸出電流進行精確度足夠高的控制;(10)、輸出外特性的電流特性區不需分區段。
權利要求
1.一種籍助半導體功率開關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、半導體功率開關驅動電路及電流傳感器在內的變換主電路和控制電源，其特徵在於，當VI2＜VA及Tb＞Tbn時，控制電路使相應的半導體功率開關由截止轉向導通；當條件A成立或Ta＞Tam時，控制電路使相應的半導體功率開關由導通轉向截止。
2.如權力要求1所述的直流變換器，其特徵在於，條件A為VI1＞VB。
3.如權力要求1所述的直流變換器，其特徵在於，條件A為VI2＞VB或VI1＞VB+VK。
4.如權力要求1所述的直流變換器，其特徵在於，條件A為VI2＞VB。
5.如權力要求1所述的直流變換器，其特徵在於，Tam為固定值。
6.如權力要求1所述的直流變換器，其特徵在於，Tam值隨｜VS｜值之增加(減少)而減少(增加)。
7.如權力要求1所述的直流變換器，其特徵在於，Tbn等於Tbo。
8.如權力要求1所述的直流變換器，其特徵在於，Tbn等於Tbo與TS這兩者中的最大的一個值。
9.如權力要求1及2或者1及3或者1及4所述的直流變換器，其特徵在於VA＝VO＊-△V＊及VB＝VO＊+△V＊。
10.如權力要求9所述的直流變換器，其特徵在於，VO＊等於VO或等於VO+V01或等於VO+V02或等於VO-V03或等於VO+V04或等於V05;△V＊等於△V1或等於[△V1，△VS]max或等於△V2。
全文摘要
電流控制型直流變換器是一種藉助半導體功率開關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，實行電流瞬值控制，既是一個無振蕩超調的高速反應的且不受電源電壓波動及負載變化影響的優質可控電流源，在其電壓外特性區又是一個頻響快的優質穩壓源——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徵的用電負載諸如電焊接、等離子切割、電火花加工、快速充電、脈衝電鍍、氙燈及弧光燈等等負載的需求，具有144種控制方式以適應眾多的不同使用要求。
文檔編號H02M3/28GK1083635SQ92107118
公開日1994年3月9日 申請日期1992年9月4日 優先權日1992年9月4日
發明者盧驥, 盧偉白 申請人:盧驥