一種轉換和調節電壓信號的方法和裝置的製作方法

2023-04-22 21:28:11 8

專利名稱：一種轉換和調節電壓信號的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種轉換和調節電壓信號的方法和設備。更具體地說，本發明涉及一種 高效轉換電壓信號和通過調整電壓調節器電阻來調節電壓信號的方法和設備。
背景技術：
交流電壓(例如，正弦電壓)的轉換通常是通過閉合電路的磁芯變壓器和電感元件 (例如，線圈)實現。這些轉換技術使得變壓器量重和體積大(典型地，每千瓦轉換功 率等於10千克)，以及啟動的困難(變壓器主線圈中的初始電流可能超過工作電流的6 至8倍)。這些轉換技術的其他不足在於缺乏短路保護，以及連續漸變地改變輸出電壓 很困難。
另一種傳統的電壓轉換模式是採用高頻率變壓器，這種變壓器的重量為每千瓦轉換 功率其重量在1.5至2千克之間。然而，採用這些變壓器的轉換方法比較複雜，因為需 要對交流電進行調整，以及經歷濾波級以確保在特定時間轉換電壓不會超過所需電壓 值。此外，這種轉換技術通常要求有精密控制裝置，用來調整輸出電壓的形狀，使之符 合輸入電源形狀。此外，在這種傳統轉換技術中，交流電電壓通常是通過高頻率矩形或 者步進脈衝信號調整，這限制了這些技術的使用範圍，因為很多的交流電電器當由非交 流電供壓的時候就不能正常有效地運行。
迄今為止，功率轉換主要是建立在脈寬調製技術基礎上的一種方法，其中輸出至負 載的電源由在打開和關閉狀態之間切換的開關裝置控制，輸出功率取決於開關裝置關閉 和打開的時間比率。這些轉換方法就功率效率方面來講是有效的，然而它們具有各種缺 點，例如不希望的電磁輻射和由於噪音和多餘諧波所導致的轉換信號的失真。
美國US6， 346， 778描述了一種交流電源轉換器，該轉換器可通過開關裝置使其 輸出適應電容，電感和/或電阻負載，其中開關設備的由控制器控制，該控制器根據電 壓和電流輸入和它們的相差來控制輸出負載的功率，這樣多餘的能量在電源轉換器裡得 到釋放。
美國US6， 784， 708描述了一種基於電壓轉換速率的感應的可變電壓範圍的高壓 輸出驅動器。該驅動器由傾斜的變壓器、微分器、調整器、比較儀和數碼調整器組成，這些元件連接成閉合迴路。雖然這種變壓器能夠提供穩定的、可調整的輸出電壓，但這 種變壓器結構複雜並且昂貴。
上述方法還不能為我們前面的技術問題提供令人滿意的解決方案。所以，有必要發 明一種高效並且簡易轉換、調整裝置來克服上述問題。

發明內容
因此，本發明的目的在於提供一種高效、可調整並且相對輕型的轉換和調節裝置， 該設備能夠提供不需要濾波級和不會對電網造成幹擾的穩定可調整的輸出電壓。
本發明的另一目的是提供一種高效、可調整並且相對輕型的轉換和調整裝置，該裝 置有"軟啟動"的能力。
本發明的另一目的是提供一種高效、可調整並且相對輕型的轉換和調整裝置，該裝 置不基於脈寬調製技術。
本發明的另一目的是提供一種通過高頻變壓器高效轉換交流電壓信號的方法和裝 置，轉換交流電壓信號是通過利用一個或多個高頻電磁電壓調節器來調整變壓器線圈的 電壓實現。
本發明的另一目的是提供一種調節轉換裝置其中轉換過程可由高頻率電磁電壓調 整器控制。
本發明的另一目的是一種帶可調整電抗的高頻率電磁變壓器。 本發明的另一目的是一種可控制轉換後的信號的振幅和波形的調節變壓器。 本發明的優點和其他目的將隨著描述的開展變得清晰明了 。
發明概要
本發明涉及一種高效的電壓轉換和調整裝置，該裝置基於高頻率變壓器和與變壓器 線圈串聯的高頻率電磁電壓調整器。本發明的轉換和調整裝置(下文稱為調節轉換裝 置)能有效的轉換和穩定輸入電源(下文稱為輸入電壓或信號)，並且無需濾波級。
依照本發明，電壓信號的調整優選通過使用一個或多個本發明的高頻率電磁電壓調 整器，該高頻率電磁電壓調整器包括與電磁體耦合的線圈，其中所述高頻率電磁電壓調 整器與電壓變壓器的初級線圈和/或次級線圈通過其線圈相連，其中所述變壓器的初級
線圈和/或次級線圈上的電壓是通過調整所述高頻率電磁電壓調整器的線圈的電抗值來 控制，調整電抗值是通過適當的控制提供給其電磁體的信號。
6術語"信號調製"在這裡是指對周期信號的振幅到另一個不同周期信號的振幅進行 持續的調整，如倍增這些信號(如，調幅)。術語"周期信號"在這裡是指隨時間變化的 信號具有在特定的時間周期性重複的波形。術語"調整"這裡是指調整信號的振幅使其符 合期望的波形，換句話說，消除與期望波形的偏差。術語"組合信號"或者"整流信號"這 裡是指轉換有特定極性的信號的所有極性部分後所得的信號，也就是說，將信號轉化成 為單極性信號。
術語"開關電橋"是指連接到橋電路中的可控制的電開關裝置，例如電晶體橋。術語 "電磁電壓調整器"是指有電抗元件的電壓調整器，其電抗值可電磁控制。
一方面，本發明涉及一種轉換和/或調整周期電源信號(例如，正弦信號)的方法， 其中已調信號的產生是通過利用比周期交流信號時間周期長的源信號調製周期交流信 號，通過電壓變壓器轉換，同時調節已調信號，整流轉換後的已調信號，並周期性地轉 換該整流信號的偏振，其中轉換後信號的調整由持續調整至少一個電磁電壓調整裝置的 線圈的電抗實現，該電磁電壓調整裝置與轉換裝置的初級線圈和/或次級線圈相連接。
轉化和調整優選採用高頻變壓器和與該高頻變壓器的至少一個線圈連接的高頻率 電磁電壓調節器實現。源信號可以是單極周期電壓信號或者交流周期信號。
該方法還包括通過整流源信號產生的整流電壓信號，從而通過利用所述整流電壓信 號調製周期交流信號而產生調製信號。
調整可以通過使用閉合迴路控制方法進行，其中電磁電壓調整器裡的電抗根據轉換 並調整後電壓信號的值持續的調整。信號的調整優選調整轉換後信號的波形，使其符合 期望波形，例如正弦波形信號。
轉換後信號的調整優選通過對與高頻變壓器初級線圈相連的第一高頻電磁電壓調 整器和與高頻變壓器的次級線圈連接的第二高頻電磁電壓調整器的電抗進行持續的調 整實現，從而提供期望的波形。
另一個方面，本發明涉及一種調節轉換裝置包括通過電源信號調製周期交流信號 的調製器；用於轉換和調節從調製器輸出的信號的調節變壓器，其中調節變壓器由變壓 器組成，該變壓器至少有一個線圈與電磁電壓調整器串聯；用於整流調節變壓器輸出信 號的輔助整流器；用於周期轉化輔助整流器輸出的信號的偏振的開關橋；用於適當控制 信號以運行調節器、開關電橋和電磁電壓調整器的邏輯控制電路；其中，調節是通過持 續的調整電磁電壓調整器的電抗實現。
變壓器優選為高頻率變壓器，電磁電壓調整器優選為高頻電磁電壓調整器。調節變壓器可由兩個電磁調節器組成，其中一個與變壓器的初級線圈串聯，另一個 與變壓器次級線圈串聯。
優先地，調節器通過開關電橋實現。
調節變壓器可包括用於數位化轉換電壓信號的數模轉換器，和用於驅動電磁電壓調 整器的控制終端的至少一個可控電源。
作為選擇，邏輯控制電路通過控制器實現。優選地，開關電橋通過使用半導體場效 應電晶體實現。轉換裝置還可包括整流器，其中電源信號通過所述整流器提供給開關電 橋。
發明的另一方面還涉及調節轉換裝置，該裝置包括用於利用電源電壓信號調製周 期性電流信號的調製器；用於轉換和調整調製器的輸出信號的調節變壓器，調節變壓器 由具有一個初級線圈兩個次級線圈的變壓器組成，其中每個次級線圈連接至電磁電壓調 整器；用來整流調節變壓器第二線圈的輸出電壓信號的兩個整流器；兩個開關裝置，每 個開關裝置與一個輔助整流器的輸出端連接，以控制輔助整流器與負載的連接；用於提 供適當控制信號以運行調製器、開關裝置和電磁電壓調整器的邏輯控制電路；其中，通 過持續調整電磁電壓調整器的電抗實現調節。
優選地，調製器由開關電橋實現。
開關裝置和/或開關電橋優選採用半導體場效應電晶體實現。
本發明的另一方面還涉及電壓調節器，該電壓調節器包括與負載串聯的電磁電壓 調整器；與電磁電壓調整器串聯的第一開關裝置，和與負載串聯以從電源沿一個方向傳 遞電流的二極體；與負載串聯的第二開關裝置，和與電磁電壓調整器串聯的第二二極體， 以從電源沿反方向傳遞電流至電磁電壓調整器；與所述電磁電壓調整器和負載並聯的一 個額外開關裝置，以當所述第一和第二開關裝置處於斷開狀態時保持有電流；用於提供 適當控制信號以運行所述第一和第二開關裝置、所述額外開關裝置和所述電磁電壓調整 器的邏輯控制電路；其中，通過持續調整所述電磁電壓調整器的電抗實現調節。
調整器優選採用與電磁電壓調整器和負載並聯的第二額外開關裝置，其中，所述第 一和第二額外開關裝置均適用於保持通過負載的特定方向的電流。開關裝置優選半導體 場效應電晶體實現。
本發明也涉及電磁電壓調整器，包括感應元件(線圈)與電磁體磁性耦合，從 而電磁體產生的電磁場被引入所述感應元件的芯部，而改變其感應係數。該電磁電壓調 整器還可包括用於將磁場弓I入感應元件芯部的恆定磁體。優選地，電磁體包括適用於環繞在感應元件臂間的"U"形芯部。電磁體的芯部預 選由鐵製成，感應元件的芯部優選由鐵氧體製成。


其中
圖1A是周期正弦交流電壓和時間關係圖1B展示了圖1A中交流電信號全波整流的時間圖2展示了圖1B的單極半波由高頻率兩極電壓信號調製的時間圖3展示了圖2中高頻率兩極電壓信號由高頻變壓器調節轉換的時間圖4展示了通過整流圖3的電壓信號所獲得的電壓信號的時間圖5展示了通過圖4電壓信號偏振所獲得的電壓信號的時間圖6為根據本發明的優選調節轉換方法的流程圖7展示了用於運行圖9的調節轉換裝置的控制信號；
圖8根據本發明的一個優選實施例，展示了調節轉換裝置的電路；
圖9根據本發明另一個優選實施例，展示了調節轉換裝置的電路；
圖IOA展示了本發明的另一個實施例，其中調節轉換裝置的變壓器有兩個次級線圈；
圖IOB展示了將單極半波結合入圖IOA的裝置的輸出交流信號的時間圖11展示了恆定電壓轉換為交流電壓信號的時間圖12展示了本發明的高頻電磁電壓調整器優選調節方案；
圖13展示了用於獲得帶另一電壓電源的調節轉換裝置輸出的電壓矢量值的電路； 圖14展示了本發明的高頻電磁電壓調整器的透視圖； 圖15展示了帶有恆定磁體的高頻電磁電壓調整器。
具體實施例方式
本發明涉及一種基於高頻變壓器和連接至該變壓器線圈的高頻電磁電壓調整器的 高效轉換調節裝置。本發明的調節轉換裝置(此後為了簡便將稱為轉換裝置)有效地 轉換和穩定輸入電源(此後稱為輸入電壓或信號)，而無需濾波級。
術語高頻是通常指介於20到1000kHz的頻率；術語調節高頻變壓器是指輸出電壓 由與其初級或次級線圈串聯的至少一個高頻電磁電壓調整器調整的高頻變壓器。
本發明也涉及一種用於利用相對輕型的轉換裝置轉換周期性交流電壓信號的方法，其中在轉換階段使用高頻電磁電壓調整器控制轉換過程。理論上，本發明的目的的實現 是通過孤立轉換過程並且重構來自電(例如，電網)和負載(例如，電機，家庭電器 等)的入電壓信號，這通過把轉換過程分成幾個步實現。
根據本發明的優選實施例，轉換過程從整流步 61開始(見圖6)，其中，電(例 如，正弦電壓)的交流極性電壓信號Uin (見圖1A)被轉換為連續不間斷的單極半波電 壓信號U^ (見圖1B)。通過周雙極高頻信號調製單極半波電壓信號，半波電壓信號 U^隨後在步 62中被轉換成雙極高頻信號。周性雙極高頻信號優選具有持續時間 相等的正負脈衝的脈衝信號。
隨後調製後的電壓信號Um。d (見圖2)在步 63中通過調節高頻變壓器轉換，該 調節高頻變壓器由高頻變壓器組成，該高頻變壓器至少有一個線圈與高頻電磁電壓調整 器連接，以調整轉換電壓信號Ut^的大小(見圖3)。高頻電磁電壓調整器的電抗XEVR 可通過適當的控制信號調整。從而，轉換電壓信號Ut^可以通過不斷的調整來獲得預 的大小和波形。例如，高頻電磁電壓調整器可與高頻率變壓器的初級線圈串聯，從而 允許對高頻變壓器的振、波形和和出電壓Utr朋的控制。作為選擇，高頻電磁電壓 調整器可與高頻變壓器的次級線圈串聯。
根據本發明的一個優選實施例，調節高頻變壓器包括與高頻變壓器的初級線圈串聯 的第一高頻電磁電壓調整器，與高頻變壓器的次級線圈串聯的第二高頻電磁電壓調整 器，，從而強對轉換電壓信號U^的振和波形(例如正弦)調節能力。從而，通過 第一高頻電磁電壓調整器提供給調節高頻變壓器初級線圈終端的調製電壓信號的振 可以通過向第一高頻電磁電壓調整器提供控制信號從而調節變壓器初級線圈的電壓來 調整。在調節高頻變壓器次級線圈終端獲得的轉換後電壓信號可以通過向與其串聯的第 二高頻電磁電壓調整器提供適當控制信號進一步調整。
例如，假設對於特定的調調製頻率Fm。d,高頻變壓器初級線圈的電抗為Xp ，與其
連接的高頻電磁電壓調整器的電抗為Xevr，同時假設它們的實際歐姆電阻可以忽不
計。因此，對於變壓係數TR，在帶有與高頻變壓器的初級線圈連接的單個高頻電磁電 壓調整器的調節高頻變壓器終端獲得的轉換電壓為Utran=^/m。d . 義;.77 。
轉換後的調調製電壓信號Utran隨後在步 64(例如，經過一個二極體橋式電路) 中整流(合成)以獲得單極電壓信號Uc。m (見圖4)，從而獲得連續的半波單極電壓信 號。該合成單極半波電壓信號Uc。m隨後在歩 65 (例如，經過開關電橋)中轉換成為雙極電壓信號U。ut，雙極電壓信號周期性改變從調節高頻變壓器次級線圈終端通過負載 的電流方向。
在本發明的優選實施例中，使用控制單元來產生控制信號，該控制信號用於執行高 頻調製(步 62)、偏振(步 65)和轉換電壓的調節(步 63)，其中高頻調製和偏 振優選通過開關電橋(例如，半導體場效應電晶體電橋)進行。控制單元可以採用模數 轉換器，以取樣轉換信號。控制單元也可採用一個或多個可控電源，以向高頻電磁電壓 調整器提供控制信號。
步66至70展示了可能的轉換後電壓的調節。在步66中，測得調節高頻變壓
器的輸出電壓U。ut(t)，隨後在步 67中，檢測測得的輸出電壓是否在期望值Fde鄰的允
許範圍。在步 69中，調節高頻變壓器的高頻電磁電壓調整器的控制信號C。叫t)等於之 前運用的控制信號C。utw= C。u約。此外，在歩 68中根據之前應用的控制信號C。u們和 測得輸出電壓U。,與期望值Fdes(t)的比率(或差值)對控制信號C。啤)進行調節。此後， 步70中，控制信號C。ut(t)應用到高頻電磁電壓調整器。
本發明也允許當啟動轉換裝置(即，"軟啟動")和切斷轉換裝置時，使用不同長度的 高頻脈衝來調製正弦半波電壓信號。在高頻脈衝轉換裝置正常運行中，調製高頻脈衝的 頻率為電源的交流電壓信號U,n的50至100倍，並且自該裝置接通起，頻率隨時間而 定。
例如，如果電源Um的頻率為F=50Hz，轉換裝置正常運行過程中的調製後高頻脈 衝頻率為Fm。d=60F=3000Hz，那麼軟啟動內調製高頻脈衝Fm。d的頻率可以在1至39秒 之間從500Hz改變至3000Hz。
本發明還為我們提供了一種轉換交流電壓信號的簡便方法，其中電源交流電壓信號 Um通過相對低頻的脈衝(例如， 500Hz)來調製。這種情況下，電源的交流電壓信號 通過分別轉換交流電電壓信號(例如，通過利用帶兩個次級線圈的變壓器)被分成了正、 負半波，每個半波的序列分別被由半波調製的脈衝。隨後該兩個序列在負載處結合。
本發明還涉及一種調節變壓器，該調節變壓器包括變壓器和與變壓器的初級線圈和 /或次級線圈連接的至少一個高頻電磁電壓調整器，其中調節變壓器的輸出電壓由高頻 電磁電壓調整器來調節。
本發明也涉及一種高頻電磁電壓調整器，該高頻電磁電壓調整器包括與電感磁性 合的電磁體單元，其中電磁體單元產生的磁場被導入到電感的芯部，從而改變通過髙頻 電磁電壓調整器的電感芯部的磁場，從而改變電抗。圖8為本發明的一個優選實施例的電路圖。圖8中的轉換裝置包括高頻變壓器4(例 如，環型變壓器)，該高頻變壓器的初級線圈4a通過開關電橋2 (例如，半導體場效應 電晶體電橋)和二極體電橋1與電源Uin連接。高頻率變壓器4的次級線圈4b的輸出 與二極體電橋6的輸入相連接，二極體電橋6的輸出與開關電橋7(例如，電晶體電橋) 的輸入相連。高頻變壓器4的初級線圈和次級線圈4a和4b分別與高頻電磁電壓變壓器 3a和3b串聯。負載12與開關電橋7輸出端相連接。
控制器5用於產生所需的運行開關裝置2a-2d和7a-7d (例如，電晶體開關)的控
制信號C2a-C2d與C7a-C7d，和調整調節高頻變壓器的轉換電壓的控制信號C3a與C3b。控
制器的電源優選通過低功率的輔助變壓器8提供。
電源電壓，例如圖lA中的具有振幅Ul和時間周期T的正弦電壓Uin，，輸入整流
器l (例如，二極體電橋)，該整流器l輸出連續單極半波電壓信號，如圖1B中的具有 振幅Ul和時間周期172的Urec。單極半波電壓信號通過高頻電磁電壓調整器3a輸入
開關電橋2 (例如，電晶體電橋)。控制器5產生的控制信號C2a-C2d給電壓電橋提供高
頻率脈衝，該高頻率脈衝由二極體電橋的輸出電壓信號調製。更具體地說，控制信號 C2a-C2d用於將開關電橋2的第一對角線(例如，在開關2a和2d之間的對角線)的開關 切換至接通狀態，以及將第二對角線(例如，在丌關2b和2c之間的對角線)切換為關 閉狀態，反之亦然，結果將單極半波電壓信號轉換為調製電壓信號，如圖2所示的Um。d。
換句話說，調製電壓信號可以通過提供包括高頻脈衝信號的序列的控制信號<:23和
C2d,以及提供包括同一高頻脈衝信號的互補序列的控制信號C2b和C2c，從而高頻率脈 衝信號C化和C2c的序列通過輸入開關電橋2的連續單極半波電壓信號調製。高頻率脈 衝信號C2b， C2e和C^， C2d的脈衝波優選具有相同周期，或者說，它們相互之間相差
半個脈衝波周期。
開關電橋2輸出的調製電壓信號(例如，Um。d)通過高頻變壓器轉換，變壓比TR， 例如TR-1/2。變壓後電壓，如圖3具有U2振幅和T/2時間周期的U,，的振幅該通過 加高頻電磁電壓調整器3a和3b的電抗修正，這樣使得變壓後電壓的振幅減小，其中 高頻電磁電壓調整器3a和3b分別與初級線圈和次級線圈4a和4b串聯。通過適當控制 信號對高頻電磁電壓調整器3a和3b的電抗調整也可以用於修正變壓後電壓信號的波 形。從高頻變壓器4的次級線圈4b輸出的電壓通過高頻電磁電壓調整器3b輸入整流器 6(例如，二極體電橋)。結果，整流器6輸出的電壓信號呈現半波信號的單極連續序列， 如圖表4所示的具有振幅U2和時間周期172的Uc。m。整流器6輸出的半波單極連續序列輸入到開關電橋7，其中半波單極連續序列通過 反相任何第二半波的偏振而轉換成最終的輸出電壓信號，如圖表5所示的振幅U2和時 間周期T的正弦電壓信號U。ut有。這通過將對角線的開關電橋7的開關(例如，7a和 7d)切換為打開狀態，同時另一對角線的開關(例如，7b和7c)切換為關閉狀態，反
之亦然。通過控制器5提供適當的控制信號C7a-C7d，開關電橋7上開關狀態的周期更
替改變了負載12的電流方向。
根據電源的相位，開關電橋7的對角線上開關的時間安排由控制器5控制。更具體 地說，開關電橋7的對角線的開關狀態在電源極性從負到正期間切換，反之亦然。
圖8和圖14中的高頻電磁電壓調整器3可以通過高頻磁體51與低頻磁體53耦合 來實現。高頻磁體51可以通過有電磁芯51的電感線圈52與電磁體54和磁芯55構成 的低頻磁體電磁耦合來實現。低頻磁性元件53的磁芯55的磁化程度通過改變電磁體的 輸出電壓(例如，在1至20伏之間)控制，這通過控制器5提供的控制信號C3a和C3b 實施。當低頻磁性元件的磁芯53充分磁化，高頻磁性元件51的磁芯也充分磁化，線圈 52的感應係數接近0。當低頻磁性元件的磁芯磁化程度減小，高頻磁性元件51磁芯的 磁化程度也減小，從而線圈52的感應係數增加。
根據本發明的優選實施例，高頻電磁體51的磁芯優選用高頻磁性材料製成，比如 成矩形的高頻鐵氧體，該矩形高頻鐵氧體包括用於繞電感線圈的兩個相鄰的矩形孔56。 高頻磁體51的空間尺寸優選介於5x5mm到140xl40mm,優選大概30x30mm，其厚度 一般是5至30mm,優選約18mm。
高頻磁體51產生的磁場可以利用恆定磁體150加強，如圖15所示。在此實施例中， 恆定磁體150的南("S")北("N")極位於U形磁芯55臂末端。從而，高頻電磁電壓 調整器控制信號的電壓範圍可以減小。
電感線圈52可以是有適當感應係數的常用線圈。例如，當電源50Hz/230V,可以 採用感應係數在10pH到10mH的線圈52。在本發明的優選實施例中，磁體51優選 Payton生產的3F3產品。磁體51的線圈圈數優選約2至30圈，優選6圈。低頻磁體 53的磁芯54可以由磁性材料製得，如U形鐵，臂長20至300mm並具有與磁芯51約 相同的厚度。U形磁芯51優選設計成允許安裝在磁芯51的U形臂之間。
參見12，為了通過高頻電磁電壓調整器3調整電壓信號Uo在電壓信號值10-15% 之間，作用於電磁體54末端的控制信號電壓應該改變(即，控制電壓應該相應地降低 10-15°/。之間)。如果作用在電磁體54末端的控制信號進一步減弱，那麼調節電壓信號
1343也減弱並且扭曲。因此，為了進一步調節電壓信號，有必要為電磁體54末端提供在 半波T/2時間周內的可變控制電壓信號44。當控制器5進行閉環調節時，可獲得該 可變電壓控制信號44， g卩，通過連續 調節電壓C,t和只要 值離了預正弦 波形便修正作用在電磁體54末端的控制電壓，如圖6中步66至70中所示。
圖8中所示的變壓裝也包括模數和數模轉換器(圖未示)，用於數位化裝 出 並由控制器5 的電壓Cu。ut，以及用於將控制器5的數字控制值轉換模擬電壓信號 C3a和C3b以控制高頻電磁電壓調整器3a和3b的運行。
根據本發明的另一優選實施例，調節高頻變壓器包括兩個並行運作的次級線圈。在 本實施例中，每個次級線圈都與整流二極體電橋連接，整流二極體電橋的出電壓信號 通過利用兩個開關裝(例如，體管)和改變開關狀態的適當控制信號而結合。從而， 打開其中一個開關(即，切換至斷開狀態"OFF")，關閉另一開關，改變負載中的電 流方向。
圖10A的電路30展示了本發明的優選實施例，其中高頻變壓器包括兩個次級線圈 38a和38b，每個次級線圈通過各自的串聯高頻電磁電壓調整器3a和3b連接至各自的 次級二極體電橋32a與32b的入端。在本實施例中，電信號Uin通過開關電橋2調 制高頻脈衝信號(圖未示)，從而供給至高頻變壓器39的初級線圈的電壓信號為調製信
號，類似於圖2的Um。d 。
次級線圈3a與3b末端獲得的變壓後雙極電壓信號通過各自的整流器(32a和32b) 整流，並通過選擇性的連通開關裝 33或34 (即，體管開關)之一連入負載12。開 關裝 33和34分別通過適當控制信號<:33和C34運作，從而其中一個開關裝(例如， 33)在半波周間接通，而在接下來的半波周，所述開關裝斷開，另一個開關(例 如，34)接通。從而，只有電流35a， 36b之一在特定的時間反方向供應給負載12。
本發明也提供了一種轉換交流電電壓信號的化方法，其中電的交流電電壓信號 調製相對低頻的周脈衝信號(例如， 3000Hz)。在本優選實施例中，電的交流電 電壓信號由開關裝分成兩路，其中一路包括入電壓信號的正半波，另一路包括入 電壓信號的負半波，其中，半波的每個序列的各部分分別轉換成所述半波調製的脈衝。 這兩種部分調製了的信號通過高頻電磁電壓調整器調節並且與高頻電磁電壓調整器串 聯的負載中結合。兩個輔助電路，每個輔助電路通過輔助開關裝在預定時間切換至接 通狀態，被用來在開關裝處於關閉狀態的時間間中釋放高頻電磁電壓調整器的應 電流。開關裝的時序安排和高頻電磁電壓調整器的調節優選通過控制器產生的適當控制信號來實現，其中控制器監測電源輸入電壓的相位。
電源輸入電壓轉換成部分調製信號優選在輸入電壓每個半波周期內的預先時間間 隔期間實現。這些時間間隔優選比輔助開關接通以通過輔助電路釋放高頻電磁電壓調整 器中感應電流的時間間隔短。
圖9電路圖展示了電路90的優選實施例，該電路90用於使用低頻率脈衝信號運行 簡單轉換過程的標準電路90。電路90包括第一傳導路徑I和第二傳導路徑I1，其中第 一傳導路徑中電流通過開關裝置21供應至負載12和高頻電磁電壓調整器3，電流通過 二極體26回到電源，第二傳導路徑II中，電流通過開關裝置22供應給負載12和高頻 電磁電壓調整器3，隨後通過二極體25回到電源。
電路卯也包括與負載12並行的兩個放電路徑III和IV，提供了釋放高頻電磁電壓 調整器的感應電流的路徑。釋放路徑III通過開關裝置23實現，釋放路徑IV通過開關裝 置24實現，兩個路徑都與高頻電磁電壓調整器3和負載12並聯。
開關裝置21， 22， 23和24的運行通過採用控制器產生的控制信號C21、 C22, C23 和C24實現，通過輔助裝置6監測輸入電壓U,n的相位，輔助裝置6的輸入端與電源連 接。負載12的電壓通過控制器20提供適當控制信號給高頻電磁電壓調整器3來調節。
在電路90運行期間，每個傳導路徑I和II用來傳導部分波信號，這些波信號有特 定的極性。例如，第一傳導路徑I可以只用於供應輸入電壓的正半波，第二傳導路徑II 可以只用於供應輸入電壓的負半波，如圖7所示。正常情況下，開關裝置21和22是關 閉的，只有當其中之一的開關設備處於接通狀態的時候，傳導路徑才會起作用。
例如，在本發明的優選實施例中，電流通過傳導路徑I或II供應的時間間隔t2 (如 圖7)比電源輸入電壓的半周期T/2小10-15%，其優選時間長度在(T/4)-(t2/2)/(T/4)+(t2/2) 內。在此期間內，開關裝置21或22的狀態通過控制線C21或C22的脈衝序列切換在 接通ON和斷開OFF之間。當傳導路徑I或II的開關裝置21或22切換，通過改變各 自的開關裝置23或者24的狀態至接通狀態，相應的放電路徑III或IV被激活，以經過 負載12的持續感應電流。
本發明的一個優選實施例中，在時間期間t3內放電路經III和IV在每個半波內被接 通，時間期間t3比間發生部分調製的時間期間t2長。放電路徑III和IV被接通的時間 期間t3比輸入電壓的半周期T/2小，時間間隔是2b如圖7所示(例如，b 0.005T)。 設計時，緊記避免電源極性轉變過程中電路短路。傳導路徑接通的時間期間t2允許感應 電流通過的時間期間t3短2a (例如，a 0.01T)如圖7所示，其中T/2=2b+t3=t2+2a+2b。
15圖13展示了根據發明獲取電壓矢量和。為了在電源電壓Uin獲得轉換裝置輸出的 電壓矢量值，變壓器130的初級線圈130a可以連接至轉換裝置的輸出端，該轉換裝置 包括接收電源電壓UiJ乍為輸入的整流器1、接收從整流器1輸出電壓作為輸入的高頻 電磁電壓調整器3、接收高頻電磁電壓調整器3輸出電壓作為輸入的整流器6、以及接 收整流器6的輸出電壓作為輸入的開關電橋7，同時變壓器130的次級線圈130b與負 載12串聯，負載12與電源Um並聯，如圖13所示。
本發明的電力轉換方法允許降低頻率，半波的演替改變了極性，從而降低了輸出電 壓的頻率。圖10B的時間圖35c和35d展示了一種降低頻率的方法，在該例中，提供 給圖10A的開關裝置33和34的控制信號為負載12周期性的提供連續同極性的半波， 其後兩個反極性的連續半波，從而產生周期為2T的周期性輸出電壓。
本發明的轉換裝置可設計成包括將恆定電壓輸入信號轉化成平穩的交流電信號(例
如，正弦半波電壓信號)的能力，如圖11所示。參見8，恆定電壓輸入Uin也是在整流
器1 (Ured)的輸出端獲得，並供應給開關電橋2，其中，通過控制信號C2a—C2b，用 控制器5提供的高頻脈衝信號來調製。用振幅U調製高頻脈衝信號，Um。d通過調節高 頻變壓器轉換成振幅Uc的周期性半波正弦曲線，這種轉換是通過周期地和平穩地改變 高頻電磁電壓調整器3電抗的最大和最小值，從而獲得所需波形的脈衝信號U,(例如，
正弦)。該脈衝信號Ut^隨後通過整流器6整流，產生單極周期信號U^2。整流器6由 開關電橋7偏振，即，Uee2的一個或多個半波的極性周期性的轉化，最後獲得周期性交
流信號uout.
上述的調節轉換裝置可防止啟動時可能發生的短路情況。這種保護優選通過設計邏 輯控制電路以在調節轉換裝置啟動後的預設定時間期間將高頻電磁電壓調整器的電抗 設置在高阻抗狀態。
上述的例子和描述只作為例證，不構成對本發明的限制。本領域技術人員清楚，通 過借用以上描述的一種或多種技術，本發明可以通過很多方式實施，所有的技術都不超 出本發明的範圍。
權利要求
1. 一種轉換和調節周期電源信號的方法，該方法包括通過用所述電源信號調製具有比該電源信號周期小的周期交流信號產生調製信號；通過轉換和同時調節所述調製信號產生轉換調製信號；通過整流所述轉換調製信號產生組合信號；通過周期性顛倒所述組合信號的偏振產生周期交流輸出信號，其中通過連續調節電磁電壓調整裝置的電抗，調整所述轉換調節信號。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述轉換調節信號通過利用高頻變壓器 和與該高頻變壓器的至少有一個線圈連接的高頻電磁電壓調整器來產生，其中通過連續 調節所述高頻電磁電壓調整器的電抗來實現調節。
3. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，還包括通過整流源信號產生整流電壓信 號，其中通過用所述調製電壓信號調製周期交流電信號產生調製信號。
4. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，通過閉合迴路控制方法進行轉換調節信 號的調節，其中高頻電磁電壓調整器的電抗根據轉換調節電壓信號的測量值進行連續的 調節。
5. 根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，轉換調節信號通過與高頻變壓器的初級 線圈串聯的第一高頻電磁電壓調整器和與高頻率變壓器的次級線圈串聯的第二高頻電 磁電壓調整器同時調節。
6. 根據權利要求l所述的方法，其特徵在於，所述周期交流輸出信號為正弦信號。
7. —種轉換裝置，其特徵在於，該裝置包括用於利用電源信號調製周期交流信號的 調製器；轉換和調節所述調製器輸出的信號的調節變壓器，其中所述調節變壓器包括至 少一個線圈與電磁電壓調整器串聯的變壓器；用於整流所述調節變壓器輸出信號的輔助 整流器；用於周期性顛倒所述輔助整流器各部分的偏振的開關電橋電橋；用於提供適當 控制信號以運行所述調製器、所述開關電橋和所述電磁電壓調整器的邏輯控制電路；其 中所述調節通過對所述電磁電壓調整器電抗的連續調整來實現。
8. 根據權利要求7所述的轉換裝置，其特徵在於，所述變壓器為高頻變壓器，所述電 磁調整器是高頻電磁電壓調整器。
9. 根據權利要求7所述的轉換裝置，其特徵在於，所述調節變壓器包括兩個電磁調整 器，其中一個電磁調整器與所述變壓器的初級線圈串聯，另一個電磁調整器與所述變壓 器的次級線圈串聯。
10. 根據權利要求7所述的轉換裝置，其特徵在於，所述邏輯控制電路由控制器實 現。
11. 根據權利要求7所述的轉換裝置，其特徵在於，所述調製器通過開關電橋實現。
12. 根據權利要求7或權利要求11所述的轉換裝置，其特徵在於，所述所述開關電 橋由半導體場效應電晶體實現。
13. 根據權利要求7所述的轉換裝置，其特徵在於，還包括整流器，其中所述電源 的信號通過所述整流器提供給所述開關電橋。
14. 一種轉換裝置，其特徵在於，包括用於利用電源電壓信號調製周期交流信號 的調製器；轉換和調節所述調製器輸出的信號的調節變壓器，其中所述調節變壓器包括 含有初級線圈和次級線圈的變壓器，初級線圈和次級線圈均與電磁電壓調整器連接；用 於整流所述調節變壓器的次級線圈輸出信號的兩個輔助整流器；兩個分別與所述輔助整 流器的輸出端連接的開關裝置，用於控制所述輔助整流器和負載的連接；用於提供適當 控制信號以運行所述調製器、所述開關裝置和所述電磁電壓調整器的邏輯控制電路；其 中所述調節通過連續調整所述電磁電壓調整器的電抗來實現。
15. 根據權利要求14所述的轉換裝置，其特徵在於，所述調製器通過開關電橋實現。
16. 根據權利要求15所述的轉換裝置，其特徵在於，所述轉換裝置和/或開關電橋 通過半導體場效應電晶體實現。
17. —種調整器，其特徵在於，包括與負載串聯的電磁電壓調整器；與所述電磁 電壓調整器串聯的第一開關裝置和與所述負載串聯以從電源沿一個方向傳遞電流給所 述負載的第一二極體，；與所述負載串聯的第二開關裝置和與所述電磁電壓調整器串聯 以從電源沿反方向傳遞電流給所述電磁電壓調整器的第二二極體；與所述電磁電壓調整 器和負載並聯的輔助開關裝置，以當第一和第二開關裝置處於斷開狀態時保持其持續電 流流動；提供適當控制信號運行所述第一和第二開關裝置、所述開關裝置和所述電磁電 壓調整器的邏輯控制電路；其中，調節通過連續調整電磁電壓調整器的電抗來實現。
18. 根據權利要求17所述的調整器，其特徵在於，所述兩個輔助開關裝置與所述電 磁電壓調整器和負載並聯，每個輔助開關裝置用於保持電流以特定方向連續通過負載。
19. 根據權利要求17所述的調整器，其特徵在於，所述開關裝直通過採用半導體場 效應電晶體實現。
20. —種電磁電壓調整器，其特徵在於，包括與電磁體磁性耦合的電感元件，從 而電磁體產生的磁場引入所述電感元件的芯部而改變其感應係數。
21. 根據權利要求20所述的調整器，其特徵在於，所述電磁體包括U形芯部，適 用於將電感元件環繞在其兩臂。
22. 根據權利要求20所述的調整器，其特徵在於，所述電磁體的芯部由鐵製成。
23. 根據權利要求20所述的調整器，其特徵在於，所述電感元件的芯部由鐵氧體制 成。
24. 根據權利要求20所述的調整器，其特徵在於，還包括恆定電磁元件用於將磁場 引入電感元件的芯部。
全文摘要
本發明是涉及一種高效電壓轉換和調節裝置，該裝置基於高頻率的變壓器和與變壓器的線圈串聯的高頻電磁電壓調整器。本發明的轉換和調整裝置在不需要濾波級的情況下，有效地轉換和穩定輸入電源。根據本發明，電壓信號的調整是通過使用一個或多個高頻電磁電壓調整器來實現，其中高頻電磁電壓調整器通過其線圈與變壓器的初級和/或次級線圈連接，其中，所述變壓器的初級和次級線圈上的電壓通過提供給其電磁體的適當控制信號調整所述高頻電磁電壓調整器的所述線圈的電抗值而調整。
文檔編號G05F1/10GK101438487SQ200580037388
公開日2009年5月20日 申請日期2005年11月10日 優先權日2004年11月10日
發明者亞歷山大·莫斯託夫, 茲維卡·莫艾倫, 維克多·希裡亞克斯基 申請人:亞歷山大·莫斯託夫;維克多·希裡亞克斯基;茲維卡·莫艾倫