微功耗交流穩壓器的製作方法

2023-05-17 10:19:51 3

專利名稱：微功耗交流穩壓器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種微功耗交流穩壓器
背景技術：
傳統交流穩壓器都採用矽鋼片製成的鐵芯，體積大，笨重，運行時有很大的工頻噪音，同時發熱厲害，效率低；傳統交流穩壓採用的是磁飽和原理，輸出正弦波電壓會產生嚴
重失真。發明內容圖1是微功耗交流穩壓器的原理框圖當輸入電壓在額定範圍之內時，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；當輸入電壓大於額定電壓時，經過電壓切割電路，把大於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，連同被切去頭部後剩下來的額定電壓部份並行輸出；當輸入電壓小於額定電壓時，經過電壓補償電路，把輸入電壓中小於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。微功耗交流穩壓器的最大特點是只要把輸入功率中極小部份進行傳統功率變換，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並聯聯結。電壓切割電路由場效應管Q1-Q6、磁芯變壓器TXl及周圍元件組成，場效應管Q5、Q6的漏極相聯，變壓器TXl原邊的一端接場效應管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並聯，一端接地，另一端接場效應管Q6的源極，場效應管Ql和場效應管Q2的漏極相聯，場效應管Q3的漏極接場效應管Ql的源極， 其源極通過電阻R7接地，電阻R7和電容C3並聯，場效應管Q4的漏極接場效應管Q2的源極，其源極通過電阻R8接地，電阻R8和電容C4並聯，場效應管Q3的源極接地，場效應管Q4 的源極接場效應管Q6的源極。電壓補償電路由場效應管Q1-Q6、磁芯變壓器TXl及周圍元件組成，場效應管Q5、Q6的漏極相聯，變壓器TXl原邊的一端接場效應管Q5的源極，另一端接輸入電壓Vi，輸入電壓Vi的另一端接地，場效應管Q6的源極接地，場效應管Ql和場效應管Q2的漏極相聯，場效應管Q3的漏極接場效應管Ql的源極，其源極通過電阻R6接地，電阻R6和電容C2並聯，場效應管Q4的漏極接場效應管Q2的源極，其源極通過電阻R7接地， 電阻R7和電容C3並聯，場效應管Q3的源極接輸入電壓Vi的火線，場效應管Q4的源極通過電阻R8接地，電阻R8與電容C4並聯。
圖1是微功耗交流穩壓器原理框圖；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是引入控制晶片UC1825的電壓切割電路[0013]圖5是引入控制晶片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是引入控制晶片UC1825的電壓補償電路圖9是引入控制晶片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是場效應管的幾種接法；圖14是場效應管幾種接法時輸出電壓的仿真波形。圖2是電壓切割電路，場效應管Q5、Q6和磁芯變壓器TXl組成了主電路，IOOKHz的方波驅動信號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，當驅動方波電壓V5為高電平時，Q6飽和導通，輸入電壓Vi通過Q5的體內二極體和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，當驅動方波電壓Vl為高電平時，Q5飽和導通，輸入電壓Vi通過Q6的體內二極體和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組成的動態整流電路[1]，可將TXl附邊產生的包絡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的變比和驅動信號VI、 V5的脈寬，可使得動態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產生的額定電壓同頻、同相，同幅，共同形成輸出電壓Vo。由於整機不採用鐵芯，並不利用磁飽和現象穩定交流電壓，因而不會產生正弦波波形失真，有關動態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上被切去頭部後的輸入電壓和TXl附邊產生的動態整流電壓共同形成的輸出電壓 Vo，最裡層是變壓器原邊產生的包絡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，在控制晶片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輸出的方波信號的佔空比也緩慢上升，從圖5的仿真波形看到，輸出電壓的幅值由50V變化到210V，說明調節Q5、Q6柵極驅動信號的脈寬，就可調節輸出切割電壓Vo的幅值，其實質是，只要控制UC1825晶片軟啟動腳 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，場效應管Q5、Q6和磁芯變壓器TXl組成了主電路，IOOKHz的方波驅動信號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，當驅動方波電壓V5為高電平時，Q6飽和導通，輸入電壓Vi通過Q5的體內二極體和Q6的漏源極，加在變壓器TXl的原邊；輸入電壓的負半周，當驅動方波電壓V2為高電平時，Q5飽和導通，輸入電壓Vi通過Q6的體內二極體和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組成的動態整流電路[1]，可將TXl附邊產生的包絡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的變比和驅動信號V2、V5 的脈寬，可使得動態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疊加後，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，最外層是經過補償後的額定輸出電壓Vo，最下面是TXl附邊通過動態整流產生的補償電壓Vc， 此電壓與輸入電壓Vi疊加後，形成輸出電壓Vo。圖8是引入UC 1825的電壓補償電路，在控制晶片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輸出的方波信號的佔空比也緩慢上升，從圖9的仿真波形看到，輸出電壓的幅值由260V變化到380V，說明調節Q5、Q6柵極驅動信號的脈寬，可調節輸出切割電壓Vo的幅值，其實質是，只要控制UC1825晶片軟啟動腳 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是微功耗交流穩壓器的實際電路，比較器U4、U13對整流後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小於Vl時，說明輸出電壓Vo小於基準電壓V3，U4的輸出Vsl為高電平，於是Vsl啟動U9 (加一 /減一計數器)進行加一計數，不斷增加的數字值進入D/A數模轉換器U10，使得數模轉換器的輸出電壓Vda不斷上升，則加在PWM控制晶片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)的佔空比不斷增加，其結果是輸出電壓Vo的幅值也不斷增加，此過程一直持續進行，直到輸出電壓Vo的幅值增加到大於基準電壓V3時，Vb不再小於VI，於是U4的輸出Vsl為低電平，U9停止加一計數，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輸出方波的佔空比保持不變，則輸出電壓Vo也保持不變。當Vb大於V2時，說明輸出電壓Vo大於基準電壓V3，U13的輸出Vd2為高電平，於是Vd2啟動U9 (加一 /減一計數器)進行減一計數，不斷減小的數字值進入D/A數模轉換器U10，使得數模轉換器的輸出電壓Vda不斷下降，則加在PWM控制晶片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)的佔空比不斷減小，其結果是輸出電壓Vo的幅值也不斷減小，此過程一直持續進行，直到輸出電壓Vo的幅值大於基準電壓V3時，Vb不再大於V2，於是U13的輸出Vd2為低電平，U9停上減一計數，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輸出方波的佔空比保持不變，則輸出電壓Vo也保持不變。只要輸出電壓Vo小於基準電壓V3，就要進行加一計數，加一計數的結果，使得Vo 不斷增加，當輸出電壓Vo增加到大於或等於V3時，加一計數停止，輸出電壓Vo保持不變； 只要輸出電壓Vo大於基準電壓V3，就要進行減一計數，減一計數的結果，使得Vo不斷減小， 當輸出電壓Vo減小到小於或等於V3時，減一計數停止，輸出電壓Vo保持不變。上述控制過程的結果是輸出電壓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為中心的一個範圍內變化，V1、V2的幅值代表了這個變化範圍，由於電壓VI、V2的幅值是可以人為設置的，所以輸出電壓Vo的變化範圍 (精度或調整率)也是可以人為設置的。以當今電力電子技術而論，交流電壓是無法進行調整或穩定的(除非採用鐵芯和磁飽和原理)，而上述交流電壓的穩定過程(或調整過程)，僅僅調節UC1825晶片軟啟動腳 SS的控制電壓，就成功穩定了交流電壓。
圖11、12是微功耗交流穩壓器實際電路各點電壓的仿真波形，上部份是數位訊號，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，儘管控制信號Vsl為高電平，但SS腳電壓還在慢慢升高，腳0UT_A、0UT_B輸出方波的佔空比較小，從右圖可以看到，電壓Vb小於電壓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輸出方波的佔空比增加到一定程度，輸出電壓Vo上升到大於參考電壓V3，即Vb大於VI，加一計數停止，Vss不再上升，輸出電壓Vo 也不再上升。在輸出電壓Vo穩定的期間，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的對應關係仿真波形，Vb在VI、V2之間，U9 (加一 / 減一計數器)停止計數，電壓保持恆定。以上是微功耗交流穩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，不再重複。當輸入電壓Vi在額定值之內時，電壓切割電路中的場效應管Q5、Q6的柵極接市同步信號，於是場效應管Q5、Q6成為靜態開關，輸入電壓Vi通過場效應管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體；第二種接法省去了兩個功率二極體，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體(D4、D2是小信號控制二極體)，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。在實際應用中，大功率、大電流對稱互補功率MOS管對並不存在，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輸入電壓變化範圍是正負20%，由於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麼值，服從正態分布，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)當輸入電壓大於額定電壓時，電壓切割電路啟動，設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。由於微功耗交流穩壓器得到交流電壓的方法與傳統逆變方法完全不同，不必經過AC/DC變換，也不必經過DC/AC變換，只須經過一次動態整流即可獲得交流電壓，其效率遠大於傳統方法，設傳統方法的效率為90%，則動態整流方法的效率為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%。輸入電壓切去頭部後的剩餘部份，幅值等於額定電壓，直接到達輸出端，成為輸出功率，這一部份電壓本身並沒有經過任何功率變換，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)當輸入電壓小於額定值時，電壓補償電路啟動，設輸入電壓比額定電壓低 10 %，則這低於10 %的電壓由補償電路進行補償。產生補償電壓的過程完全相同，其效率也是99.5%，此處不再重複。輸入電壓經過補償後，幅值等於額定電壓，直接到達輸出端，輸入電壓本身並沒有經過任何功率變換，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)當輸入電壓在額定範圍之內時，在電壓切割電路中的場效應管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成為一個靜態開關，輸入交流電壓直接到達輸出端，整機效率可視為100%。4)相對於三種不同的運行模式，有三種不同的效率，99. 5%、99. 5%、100%，由於微功耗交流穩壓器在一個時刻，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%。微功耗交流穩壓器的主電路不採用PWM變換，同時利用穩定直流電壓的方法來穩定交流電壓，是微功耗交流穩壓器的一大特色。儘管輸入電壓Vi的波動範圍是正負20%， 但輸入電壓在額定範圍內的時間最長，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%，微功耗交流穩壓器實至名歸。
權利要求1.一種微功耗交流穩壓器，不採用工頻變壓器或工頻電感，其特徵是微功耗交流穩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並聯聯結。
2.如權利要求1所述的微功耗交流穩壓器，其特徵是電壓切割電路由場效應管 Q1-Q6、磁芯變壓器TXl及周圍元件組成，場效應管Q5、Q6的漏極相聯，變壓器TXl原邊的一端接場效應管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並聯，一端接地，另一端接場效應管Q6的源極，場效應管Ql和場效應管Q2的漏極相聯， 場效應管Q3的漏極接場效應管Ql的源極，其源極通過電阻R7接地，電阻R7和電容C3並聯，場效應管Q4的漏極接場效應管Q2的源極，其源極通過電阻R8接地，電阻R8和電容C4 並聯，場效應管Q3的源極接地，場效應管Q4的源極接場效應管Q6的源極。
3.如權利要求1所述的微功耗交流穩壓器，其特徵是電壓補償電路由場效應管 Q1-Q6、磁芯變壓器TXl及周圍元件組成，場效應管Q5、Q6的漏極相聯，變壓器TXl原邊的一端接場效應管Q5的源極，另一端接輸入電壓Vi，輸入電壓Vi的另一端接地，場效應管Q6的源極接地，場效應管Ql和場效應管Q2的漏極相聯，場效應管Q3的漏極接場效應管Ql的源極，其源極通過電阻R6接地，電阻R6和電容C2並聯，場效應管Q4的漏極接場效應管Q2的源極，其源極通過電阻R7接地，電阻R7和電容C3並聯，場效應管Q3的源極接輸入電壓Vi 的火線，場效應管Q4的源極通過電阻R8接地，電阻R8與電容C4並聯。
專利摘要微功耗交流穩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並聯聯結，其採用極簡單的電子電路和穩定直流電壓的方法，實現了對交流電壓的穩定或調整，可穩定交流大功率或電力電源；該交流穩壓器最大特點是，不採用工頻變壓器或工頻電感，主電路不採用PWM脈寬調製，不產生EMI幹擾，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，節能環保，電路簡單，成本低，製作安裝容易。
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 優先權日2011年6月17日
發明者鬱百超 申請人:鬱百超