專(zhuān)利名稱(chēng)：不停電開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及功率因數(shù)高，在初級(jí)端交流輸入電流中高次諧波成分少，而且輸出脈動(dòng)成分少的不停電開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器，尤其涉及通過(guò)自激方式減少零件數(shù)量，實(shí)現(xiàn)小型廉價(jià)不停電開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器所用的技術(shù)。
近幾年，隨著計(jì)算機(jī)設(shè)備的普及，商用電源瞬時(shí)停電的影響已造成許多問(wèn)題，于是提出了各種不停電的直流穩(wěn)壓電源方式，其中包括本發(fā)明人已提出的特開(kāi)平6-205546號(hào)公報(bào)所述的方式。該電源具有圖6所示的基本電路。該基本電路包括(1)整流電路102，其不包括對(duì)100V的交流電源進(jìn)行整流的濾波電容器；(2)初級(jí)(一次側(cè))電路110，它把高頻變壓器104的初級(jí)線圈106和初級(jí)開(kāi)關(guān)元件108串聯(lián)到上述整流電路102的輸出端上，利用該初級(jí)開(kāi)關(guān)元件108來(lái)產(chǎn)生初級(jí)高頻脈沖電壓；(3)次級(jí)電路116，其整流、濾波電路連接到上述高頻變壓器104的次級(jí)線圈112上，把直流輸出電壓供給到負(fù)載114上；(4)充電電路126，它把雙電荷層電容器120，扼流圈122和高頻整流二極管124串聯(lián)到上述高頻變壓器104的三級(jí)線圈118上；(5)放電電路132，其上述雙電荷層電容器120和三級(jí)端(側(cè))開(kāi)關(guān)元件130，串聯(lián)到上述三級(jí)線圈118的繞線起始端和從繞線終止端或基繞組中間引出的抽頭128之間；
(6)脈沖寬度調(diào)制控制的開(kāi)關(guān)控制電路134，它把同步脈沖信號(hào)輸出到上述初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)元件108和三級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)元件130上，使其進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作，同時(shí)，根據(jù)上述次級(jí)電路16的輸出電壓變動(dòng)，對(duì)脈沖信號(hào)的脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制對(duì)初級(jí)側(cè)高頻脈沖電壓的脈沖寬度進(jìn)行控制。
這種先有的不停電開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器的動(dòng)作如下當(dāng)整流電路102的輸出電壓超過(guò)規(guī)定電平時(shí)，從100V交流電源供給的正弦波交流變成全波正弦波脈動(dòng)波形，供給到高頻變壓器104的初級(jí)端。然后，該全波正弦波脈動(dòng)電流通過(guò)初級(jí)線圈106和防止反向電流的二極管136，流入到初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)元件108內(nèi)，利用開(kāi)關(guān)控制電路134的控制來(lái)進(jìn)行斬波而后輸出到次級(jí)側(cè)電路116內(nèi)。
并且，在三級(jí)電路138中，當(dāng)整流電路102的輸出電壓超過(guò)規(guī)定電平時(shí)，初級(jí)開(kāi)關(guān)元件108為導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，在流入初級(jí)電路110內(nèi)的電流i1的作用下，使圖中的i2電流進(jìn)行流動(dòng)。該電流i2經(jīng)過(guò)扼流圈122進(jìn)行濾波，對(duì)雙電荷層電容器120進(jìn)行充電。
另一方面，當(dāng)整流電路102的輸出電壓低于規(guī)定電平時(shí)，雙電荷層電容器120的充電壓將大于由電流i1所產(chǎn)生的三級(jí)線圈118的感應(yīng)電壓，其結(jié)果，放電電流i3將經(jīng)過(guò)從三級(jí)線圈118的繞線起始端到中間抽頭128的繞組部分進(jìn)行流動(dòng)。該放電電流i3被三級(jí)開(kāi)關(guān)元件130進(jìn)行斬波，然后輸出到次級(jí)電路116內(nèi)。
利用這樣的動(dòng)作，即使由于瞬時(shí)停電等原因使整流電路102的輸出電壓下降時(shí)，也能得到一定的次級(jí)輸出，構(gòu)成不停電開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器。
但是，已有的不停電開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器存在的問(wèn)題是由于是他激式的，所以，其體積難于縮小，成本難于降低也就是說(shuō)，上述的先有不停電開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器，為了獲得初級(jí)端脈沖電壓，采用了脈沖寬度調(diào)制控制的開(kāi)關(guān)控制電路(PWM)134，這是另行控制而且另行安裝的主要零件。在需要這種另行控制而且另行安裝置的主要零件的情況下，不僅使零件數(shù)量增加，而且使成本提高，所以不是一種好辦法。
因此，為解決上述問(wèn)題本發(fā)明人設(shè)計(jì)出了一種降低成本并減小體積的自激式不停電開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案本發(fā)明提供一種不停電開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器，其特征在于包括對(duì)來(lái)自交流電源的交流進(jìn)行整流的整流電路；初級(jí)端電路，其高頻變壓器的初級(jí)線圈和初級(jí)端開(kāi)關(guān)元件串聯(lián)連接在上述整流電路的輸出端，同時(shí)，其施加開(kāi)關(guān)控制電壓的開(kāi)關(guān)用初級(jí)線圈連接在初級(jí)端開(kāi)關(guān)元件上，利用上述初級(jí)端開(kāi)關(guān)元件來(lái)產(chǎn)生初級(jí)端高頻脈沖電壓；次級(jí)端電路，其整流、濾波電路連接在上述高頻變壓器的次級(jí)線圈上，直流輸出功率供給到負(fù)載上；充電電路，其中包括串聯(lián)連接在高頻變壓器的第一個(gè)三級(jí)線圈上的雙電荷層電容器或二級(jí)電池和整流元件；放電電路，其中，與上述第一個(gè)三級(jí)線圈串聯(lián)連接的第二個(gè)本級(jí)線圈和本級(jí)端開(kāi)關(guān)元件以及上述雙電荷層電容器或二次電池互相串聯(lián)相接，同時(shí)，施加開(kāi)關(guān)控制電壓的開(kāi)關(guān)用三級(jí)線圈連接在三級(jí)端開(kāi)關(guān)元件上，利用上述三級(jí)端開(kāi)關(guān)元件從雙電荷層電容器或二次電池的放電功率中產(chǎn)生出初級(jí)端高頻脈沖放電電壓。
利用回掃方式把輸出功率從初級(jí)端和三級(jí)端傳輸?shù)酱渭?jí)端上，同時(shí)，當(dāng)初級(jí)端的上述整流電路的輸出電壓超過(guò)規(guī)定電平時(shí)，上述充電電路就動(dòng)作；當(dāng)?shù)陀谏鲜鲆?guī)定電平時(shí)，上述放電電路就動(dòng)作。在該不停電開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器中，整流電路內(nèi)也可安裝濾波電容器，但在不安裝的情況下，功率因數(shù)更高，所以，根據(jù)需要也可以去掉濾波電容器。
也就是說(shuō)，本發(fā)明的不停電開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器，以商用交流為輸入的這種RCC(振鈴扼流變換裝置)方式的開(kāi)關(guān)電路輸出變壓器，和以雙電荷層電容器或二次電池中存儲(chǔ)的充電能量為輸入源的另一種RCC方式的開(kāi)關(guān)電路輸出變壓器，這兩種變壓器的鐵芯磁路是公用的。因此，初級(jí)端開(kāi)關(guān)元件，二者的開(kāi)關(guān)動(dòng)作(通/斷的時(shí)間)是完全同步的，對(duì)于商用交流和雙電荷層電容器或二次電池的直流輸入來(lái)說(shuō)，電位高的在自激動(dòng)作中自動(dòng)會(huì)處于優(yōu)先地位。其結(jié)果，形成不停電開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器。
換句話說(shuō)，通常是優(yōu)先供應(yīng)來(lái)自商用交流端的RCC電路的輸出(電流)，這時(shí)，利用三級(jí)線圈中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)(電壓)直接對(duì)雙電荷層電容器或二次電池進(jìn)行充電，或者通過(guò)穩(wěn)壓器等，以恒壓和恒流對(duì)雙電荷層電容器或二次電池進(jìn)行充電，以備停電等意外情況下使用。同時(shí)，在停電時(shí)，自動(dòng)地切換到以充電的雙電荷層電容器或二次電池的電能為輸入源的RCC電路上，從第1個(gè)三級(jí)線圈上供應(yīng)輸出(電流)。
本發(fā)明具有以下優(yōu)良的效果如上所述，本發(fā)明通常優(yōu)先從商用交流一側(cè)的RCC電路供給輸出功率，這時(shí)，在三級(jí)線圈中感應(yīng)生成的電動(dòng)勢(shì)，直接地或者通過(guò)調(diào)整器等，以恒壓和恒流方式向雙電荷層電容器或二次電池進(jìn)行充電，以備停電等意外情況時(shí)使用。同時(shí)，在停電時(shí)自動(dòng)地切換到RCC電路上(該RCC電路以充電的雙電荷層電容器或二次電池的能量為輸入流)，從第二個(gè)三級(jí)線圈供給輸出功度。所以，這既是很簡(jiǎn)單的電路，又能確保良好的不停電性能。
也就是說(shuō)，當(dāng)輸入交流電壓超過(guò)規(guī)定的電平時(shí)，利用來(lái)自整流電路的輸出功率把直流功率供給到負(fù)載上。另一方面，在上述規(guī)定電平以下的范圍內(nèi)，通過(guò)連接在與初級(jí)端電路共用的鐵芯上的放電電路，從雙電荷層電容器中釋放出電荷，利用該放電功率把直流功率供給到負(fù)載上。所以，即使在停電以外的情況下，也能在交流輸入波形中的限制電平以下的范圍內(nèi)，從雙電荷層電容器或二次電池中供給電壓，因此，若從負(fù)載一側(cè)來(lái)看，可以供給穩(wěn)定的平整波形的輸出電壓，電壓波形在整個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)均無(wú)洼下現(xiàn)象?？梢源蠓忍岣吖β室驍?shù)。并且，由于雙電荷層電容器可以快速充放電，而且容量也很大，以法拉為單位。所以長(zhǎng)期可靠性良好，同時(shí)，即使在以分為單位的瞬時(shí)停電的情況下，也能向次級(jí)端電路供給足夠的功率。另外，由于開(kāi)關(guān)是自激式的，所以，不需要像過(guò)去那樣的PWM等另行安裝的基本零件，這對(duì)降低設(shè)備成本和減小設(shè)備體積有很大作用。
這樣，本發(fā)明是把多個(gè)RCC電路連接到一個(gè)變壓器鐵芯上，從某一個(gè)RCC電路向次級(jí)端電路供應(yīng)能量。所以，除了本實(shí)施例的說(shuō)明以外，也還可以利用太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力等自然能源或者從一般柴油發(fā)電機(jī)等供應(yīng)能量?？梢跃C合利用各種不同的能源作為停電時(shí)的備用電源，其可靠性非常高。
再者，由于雙電荷層電容器或二次電池具有過(guò)去的整流電路中的濾波電容器的作用，所以，在初級(jí)端電路中不需要采用濾波電容器。另外，由于是回掃方式，所以本來(lái)應(yīng)當(dāng)在次級(jí)端電路內(nèi)設(shè)置的扼流線圈也不需要了。因此，這一點(diǎn)也有助于降低設(shè)備成本，減小設(shè)備體積，提高功率因數(shù)，從而制成了過(guò)去沒(méi)有的高性能開(kāi)關(guān)電源。
以下依據(jù)附圖，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例做具體說(shuō)明
圖1是說(shuō)明本發(fā)明的不停電開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器的開(kāi)關(guān)原理的電路圖。
圖2是說(shuō)明本發(fā)明的不停電開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器的開(kāi)關(guān)原理所用的表示開(kāi)關(guān)元件特性的說(shuō)明圖。
圖3是表示本發(fā)明的不停電開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器的電路例的說(shuō)明圖。
圖4是本發(fā)明的不停電開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器的電壓波形，A是整流電路的輸出波形，B是沒(méi)有充放電電路時(shí)的次級(jí)端電路的輸出電壓波形，C是利用雙電荷層電容器的放電功率而獲得的次級(jí)端電路的輸出電壓波形，D是在整個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)獲得的次級(jí)端電路的輸出電壓波形。
圖5是表示已有的開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器和本發(fā)明的不停電開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器的、從交流輸入一側(cè)看的電流波形的說(shuō)明圖。
圖6是已有的不停電開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器的電路圖。
以下根據(jù)圖1所示的原理圖來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施形態(tài)。圖1是說(shuō)明本發(fā)明原理的圖，其中僅畫(huà)出了為進(jìn)行說(shuō)明所必須的主要零件，省略了其他零件。
圖1是不停電開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器的基本電路，其中包括對(duì)來(lái)自交流電源1的交流進(jìn)行整流的整流電路3；初級(jí)電路13，其中的高頻變壓器5的初級(jí)線圈7和初級(jí)端的開(kāi)關(guān)元件9，串聯(lián)在上述整流電路3的輸出端上，同時(shí)，其中接入了開(kāi)關(guān)用的初級(jí)線圈11，用于把開(kāi)關(guān)控制電壓加到初級(jí)端開(kāi)關(guān)元件9上，利用該初級(jí)端開(kāi)關(guān)元件9來(lái)，產(chǎn)生出初級(jí)端高頻脈沖電壓；次級(jí)電路19，其整流、濾波電路連接在上述高頻變壓器5的次級(jí)線圈15上，把直流輸出功率供給到負(fù)載17上；充電電路27，其中包括串聯(lián)在高頻變壓器5的第1個(gè)三級(jí)線圈21上的雙電荷層電容器23或二次電池23和整流元件25；放電電路35，其中，與上述第一個(gè)三級(jí)線圈21相串聯(lián)的第二個(gè)三級(jí)線圈29和三級(jí)端開(kāi)關(guān)元件31以及上述雙電荷層電容器23或二次電池23，互相串聯(lián)相接，同時(shí)，把開(kāi)關(guān)用三級(jí)線圈33連接到三級(jí)端開(kāi)關(guān)元件31上，以便向其加開(kāi)關(guān)控制電壓，利用上述三級(jí)端開(kāi)關(guān)元件31從雙電荷層電容器23或二次電池23的放電輸出中產(chǎn)生高頻脈沖放電電壓。
該基本電路利用回掃方式把輸出從初級(jí)端和三級(jí)端傳送到次級(jí)端，同時(shí)，當(dāng)初級(jí)端的上述整流電路的輸出電壓超過(guò)規(guī)定電平時(shí)，上述充電電路就動(dòng)作；當(dāng)?shù)陀谏鲜鲆?guī)定電平時(shí)，上述放電電路就動(dòng)作。
以下利用本圖來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的不停電開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器的動(dòng)作。當(dāng)加上作為輸入的交流電壓VIN時(shí)，從整流電路了獲得的全波正弦波脈動(dòng)電流，作為初級(jí)端開(kāi)關(guān)元件9(晶體管9)的基極電流IIS進(jìn)行流動(dòng)，初級(jí)端開(kāi)關(guān)元件9導(dǎo)通。初級(jí)端(側(cè))開(kāi)關(guān)元件9-導(dǎo)通，整流電路3的輸出電壓就加到高頻變壓器5中的初級(jí)線圈7上，流過(guò)電流I1。接著，在開(kāi)關(guān)用初級(jí)線圈11上產(chǎn)生出與各繞線圈數(shù)比相對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電壓EA，作為基極電流的電流I2流過(guò)該線圈。這時(shí)，次級(jí)線圈15按圖中所示進(jìn)行連接，所以，二極管37的極性呈反方向，電流不能流入次級(jí)端電路19內(nèi)。并且，由于該電壓EA的極性能使初級(jí)端開(kāi)關(guān)元件9導(dǎo)通，所以，初級(jí)端開(kāi)關(guān)元件9保持導(dǎo)通狀態(tài)。但是，如圖2所示，由于初級(jí)端開(kāi)關(guān)元件9的集電極電流ic呈直線性增加，所以，在某一時(shí)間ton后若達(dá)到ics(即電流放大率hFE和基級(jí)電流iB的積)，則電流ics不發(fā)生變化，高頻變壓器5的鐵芯內(nèi)的磁通量不發(fā)生變化，所以，電流在一瞬間變?yōu)榱?，在各線圈中伴隨著電流ics的切斷而產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)。同時(shí)，電壓EA的極性反轉(zhuǎn)，初級(jí)端開(kāi)關(guān)元件9受到反向偏壓而截止。
當(dāng)初級(jí)端開(kāi)關(guān)元件9截止時(shí)，在高頻變壓器5的各個(gè)線圈上產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)，所以，存入到變壓器鐵芯內(nèi)的磁能，以回掃方式從次級(jí)線圈15通過(guò)二極管37，作為對(duì)濾波電容器39的充電電流Ic’而流出來(lái)。然后，該充電電流Ic’充入到濾波電容器39內(nèi)進(jìn)行濾波，作為輸出電壓Vo從次級(jí)端電路19中取出。并且，該充電電流Ic’經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后變成零，作為反向電壓從開(kāi)關(guān)用初級(jí)線圈11加到開(kāi)關(guān)元件9的基極上的電壓將消失，于是，初級(jí)端開(kāi)關(guān)元件9在電流I1s的作用下再次導(dǎo)通，借助與上述相同的動(dòng)作，繼續(xù)進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作。該開(kāi)關(guān)動(dòng)作的頻率取決于圖2所示的集電極電流ic的上升率，通過(guò)電路常數(shù)的設(shè)計(jì)將其設(shè)定為適當(dāng)?shù)臄?shù)值。
另一方面，第一個(gè)三級(jí)線圈21和第二個(gè)三級(jí)線圈29，其繞線方向如圖所示，所以，當(dāng)電流I1流入初級(jí)線圈7內(nèi)時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)，其方向是在兩個(gè)二極管25、41的作用下電流不能流動(dòng)。并且，當(dāng)初級(jí)端開(kāi)關(guān)元件9截止時(shí)，在第一個(gè)三級(jí)線圈21和第二個(gè)三級(jí)線圈29上分別產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)，而且，開(kāi)關(guān)用三級(jí)線圈33，其繞線方向如圖所示，所以，充電電流I3和作為三級(jí)端開(kāi)關(guān)元件31(晶體管31)的基極電流的電流I3s進(jìn)行流動(dòng)，三級(jí)端開(kāi)關(guān)元件31變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。但是，在第二個(gè)三級(jí)線圈29上感應(yīng)出的電壓，其方向與電流I3的流動(dòng)方向相反，所以，三級(jí)端開(kāi)關(guān)元件31的集電極電流I4不能流動(dòng)，三級(jí)端開(kāi)關(guān)元件31處于空運(yùn)行狀態(tài)。因此，其結(jié)果是在第1個(gè)三級(jí)線圈21中感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)所產(chǎn)生的充電電流Ic，用于對(duì)雙電荷層電容器23進(jìn)行充電。
并且，當(dāng)由于瞬時(shí)停電等原因而使整流電路3的輸出電壓切斷時(shí)，由雙電荷層電容器23的電壓來(lái)取代整流電路3的輸入，提供基極電流I3s。這樣，使三級(jí)端開(kāi)關(guān)元件31導(dǎo)通，把雙電荷層電容器23的存儲(chǔ)能量作為輸入源，放電電流ID經(jīng)過(guò)第二個(gè)三級(jí)線圈29進(jìn)行流動(dòng)。在此狀態(tài)下，三級(jí)端開(kāi)關(guān)元件31在基極電流I3s、IS的作用下，與上述初級(jí)端電路13中的初級(jí)端開(kāi)關(guān)元件9一樣，重復(fù)進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作，來(lái)自雙電荷層電容器23的放電電流In由三級(jí)端開(kāi)關(guān)元件31進(jìn)行斬波，然后輸出到次級(jí)端電路19內(nèi)。
接著，根據(jù)具體的實(shí)施例來(lái)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。圖3表示本發(fā)明的不停電開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器的電路例。以下根據(jù)該圖進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
從交流電源1通過(guò)線路濾波器43來(lái)連接整流元件45構(gòu)成整流電路3。其中，電容器47……作為噪聲濾除器，能濾除開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生的噪聲。在該整流電路3的輸出端上，通過(guò)二極管49，串聯(lián)連接高頻變壓器5的初級(jí)線圈7和初級(jí)端開(kāi)關(guān)元件9(晶體管9)。施加控制電壓用的開(kāi)關(guān)用初級(jí)線圈11，連接在初級(jí)端開(kāi)關(guān)元件9的開(kāi)關(guān)端2上，即圖例中的，晶體管9的基極上。該開(kāi)關(guān)用初級(jí)線圈11的極性如圖所示。并且，在整流電路3的輸出端和晶體管9的基極之間，通過(guò)電阻51進(jìn)行連接，使晶體管9導(dǎo)通用的基極電流I1S能夠流過(guò)。開(kāi)關(guān)用初級(jí)線圈11的繞組開(kāi)關(guān)和晶體管9的基極之間，通過(guò)直流成分截止用電容器53和電阻55進(jìn)行連接，在開(kāi)關(guān)用初級(jí)線圈11的繞組末端和晶體管9的基極之間，連接了基極電壓調(diào)整用的電阻57。并且，在電阻51和晶體管9的基極之間與開(kāi)關(guān)用初級(jí)線圈11的繞組終端之間，連接了對(duì)晶體管9的基極電流進(jìn)行旁路用的晶體管59的集電極，該晶體管59的基極，通過(guò)二極管61和光電耦合器63，與開(kāi)關(guān)用初級(jí)線圈11的繞組起始端進(jìn)行連接，構(gòu)成穩(wěn)壓控制電路65。并且，與晶體管59的必射極相連接的電阻67，用于檢測(cè)作為晶體管9的發(fā)射極電流而流過(guò)初級(jí)線圈7的過(guò)電流。這樣就構(gòu)成了初級(jí)端電路13，用于產(chǎn)生初級(jí)端高頻脈沖電壓。其中的晶體管9也可以采用FET(場(chǎng)效應(yīng)晶體管)來(lái)代替圖中所示的雙極型晶體管。
其次，相對(duì)于上述高頻變壓器5的初級(jí)線圈7來(lái)說(shuō)，以相反的極性連接了次級(jí)線圈15，在次級(jí)線圈15上設(shè)置了次級(jí)端電路19，次級(jí)端電路19內(nèi)連接了由二極管37和濾波電容器39構(gòu)成的整流、濾波電路，向負(fù)載17供應(yīng)直流輸出功率。再者，還設(shè)置了光電耦合器63.93的光電二極管，用來(lái)進(jìn)行穩(wěn)壓控制，其方法是對(duì)兩種電壓進(jìn)行比較，前一種是電壓檢測(cè)用分壓電阻69和可變電阻75以及檢測(cè)電阻77上的分壓電壓；后一種是被稱(chēng)為分路調(diào)整器的比較放大用IC73的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)電壓。
在與初級(jí)線圈7共用的鐵芯79上，設(shè)置了第一個(gè)三級(jí)線圈21，其繞線方向與初級(jí)線圈7相同。三級(jí)線圈21上串聯(lián)了整流用二極管25和恒壓恒流控制用晶體管80以及雙電荷層電容器23，構(gòu)成了充電電路27。其中也可以采用二次電池來(lái)代替雙電荷層電容器23。
另外，相對(duì)于上述第一個(gè)三線線圈21，以同樣的極性還設(shè)置了第二個(gè)三級(jí)線圈29。并且，第二個(gè)三級(jí)線圈29和三級(jí)端開(kāi)關(guān)元件31(晶體管31)，通過(guò)二極管41串聯(lián)相接。再者還連接了開(kāi)關(guān)用三級(jí)線圈33，用來(lái)向三級(jí)端開(kāi)關(guān)元件31的開(kāi)關(guān)端子，即圖例中的晶體管31的基極施加控制電壓。該開(kāi)關(guān)用三級(jí)線圈33，其極性與上述兩個(gè)三級(jí)線圈21、29相反。并且，雙電荷層電容器23的十端和晶體管31的基極之間通過(guò)電阻81互相連接，使晶體管31的導(dǎo)通用基極電流I3S能夠流過(guò)。開(kāi)關(guān)用三級(jí)線圈33的繞組起始端和晶體管31的基極之間，通過(guò)直流成分切斷用電容器83和電阻85進(jìn)行連接；開(kāi)關(guān)用三級(jí)線圈33的繞組終端和晶體管31的基極之間，連接了基極電壓調(diào)整用的電阻87。并且，電阻81和晶體管31的基極之間以及開(kāi)關(guān)用三級(jí)線圈33的繞組終端之間，設(shè)置了對(duì)晶體管31的基極電流進(jìn)行旁路的晶體管89。該晶體管89的基極，對(duì)開(kāi)關(guān)用三級(jí)線圈33的繞組起始端，通過(guò)二級(jí)管91和光電耦合器93進(jìn)行連接，構(gòu)成穩(wěn)壓控制用電路95。并且，連接在晶體管89的發(fā)射極上的電阻97，用于檢測(cè)流過(guò)第二個(gè)三級(jí)線圈29的晶體管31的發(fā)射極電流的過(guò)電流。利用這樣的結(jié)構(gòu)，構(gòu)成了放電電路35。下面說(shuō)明該不停電開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器的動(dòng)作。當(dāng)加上作為輸入的交流電壓VIN時(shí)，從整流電路3中獲得的全波正弦波脈動(dòng)電流，就經(jīng)過(guò)電阻51作為晶體管9的基極電流I1S而流入，使晶體管9導(dǎo)通。當(dāng)該晶體管9導(dǎo)通時(shí)，整流電路了的輸出電壓VS就加到高頻變壓器5的初級(jí)線圈7上，電流I1經(jīng)過(guò)二極管49流入。接著，在開(kāi)關(guān)用初級(jí)線圈11中，產(chǎn)生與初級(jí)線圈7的匝數(shù)比相對(duì)應(yīng)的電壓EA，構(gòu)成基極電流的電流I2流過(guò)電容器53和電阻55，加在晶體管9的基極上作為高值偏壓。
這時(shí)，次級(jí)線圈15與初級(jí)線圈7的極性相反，所以，二極管37的極性是反向的，在次級(jí)端電路19上電流不能流動(dòng)，把磁能存儲(chǔ)在鐵芯79內(nèi)。
再者，由于上述電壓EA是按照使晶體管9導(dǎo)通的極性來(lái)施加的，所以晶體管9保持導(dǎo)通狀態(tài)。這時(shí)的基極電壓由電阻57調(diào)整到適當(dāng)數(shù)值。并且，如圖2已說(shuō)明的那樣，晶體管9的集電極電流ic沿直線增加，所以，當(dāng)集電極電流ic經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后達(dá)到電流放大率hFE和基極電流之積時(shí)，集電極電流就停止增加，電流不再變化，其結(jié)果，使各線圈的電動(dòng)勢(shì)方向反轉(zhuǎn)，開(kāi)關(guān)用初級(jí)線圈11的感應(yīng)電壓EA變成反向電壓，因此，晶體管9迅速截止。
當(dāng)晶體管9截止時(shí)，在高頻變壓器5的各個(gè)線圈內(nèi)，存儲(chǔ)在鐵芯79內(nèi)的磁能作為反向電動(dòng)勢(shì)出現(xiàn)。所以，濾波電容器39的充電流Ic’從次級(jí)線圈15通過(guò)二極管37進(jìn)行流出。并且，該充電電流Ic通過(guò)對(duì)濾波電容器39進(jìn)行充電而達(dá)到波形平滑，作為輸出電壓Vo從次級(jí)端電路19中取出。然后，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，該Ic’隨著磁能的釋放而變?yōu)榱?，所以，在使晶體管9的基極截止的方向上所加的高偏置電壓消失，電流I1S作為晶體管9的基極電流通過(guò)電阻51進(jìn)行流動(dòng)，再次使晶體管9導(dǎo)通，利用與上述相同的動(dòng)作來(lái)繼續(xù)進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作。
在此，當(dāng)輸出電壓Vo超過(guò)預(yù)定的設(shè)定值時(shí)，次級(jí)端穩(wěn)壓控制用檢測(cè)電阻77的分壓電壓高于分路調(diào)整器73的柵電壓，光電耦合器63(和93)的發(fā)光二極管的亮度就提高，位于初級(jí)端的光電耦合器63(和93)的光電晶體管的發(fā)射極電流就增加，以開(kāi)關(guān)用初級(jí)線圈11的正向電壓為電壓源，晶體管59的基極電流經(jīng)過(guò)二極管61和光電耦合器63進(jìn)行流動(dòng)，使晶體管59的基極電位提高。于是，流過(guò)晶體管59的電流增加，結(jié)果，使晶體管59的動(dòng)作時(shí)間提前(加快)。這樣一來(lái)，晶體管9的基極電壓下降，如圖2所示，ton期間縮短，同時(shí)，toff期間增長(zhǎng)。就這樣進(jìn)行PWM動(dòng)作，使輸出電壓Vo達(dá)到預(yù)定的一定電壓。另一方面，9當(dāng)輸出電壓Vo低于預(yù)定的設(shè)定值時(shí)，與此相反，ton期間增長(zhǎng)，進(jìn)行PWM動(dòng)作，使輸出電壓Vo達(dá)到預(yù)定的一定電壓。
再者，由于第一個(gè)三級(jí)線圈21與初級(jí)線圈7的極性相同，所以，當(dāng)電流I1流入初級(jí)線圈7內(nèi)時(shí)，即晶體管9導(dǎo)通時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)，其方向是，在二極管25的作用下電流不能流動(dòng)。并且，第二個(gè)三級(jí)線圈29也和初級(jí)線圈7的繞線方向相同，所以這時(shí)在二極管41的作用下電流也不能流動(dòng)。再者，開(kāi)關(guān)用三級(jí)線圈33與初級(jí)線圈7的方向相反，所以，晶體管31處于導(dǎo)通狀態(tài)，但由于第二個(gè)三級(jí)線圈29的電位高于雙于荷層電容器23的電位，所以，電流I4不能流動(dòng)。
另一方面，當(dāng)晶體管9截止時(shí)，第一個(gè)三級(jí)線圈21和第二個(gè)三級(jí)線圈29，以及開(kāi)關(guān)用三級(jí)線圈33，分別產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行方向反轉(zhuǎn)，所以，其結(jié)果，充電電流I3作為雙電荷層電容器23的充電電流，在作為降壓器使用的晶體管80的限制下進(jìn)行流動(dòng)(IC)，以此進(jìn)行充電。并且，對(duì)雙電荷層電容器23進(jìn)行充電，直至達(dá)到由分路調(diào)整器82所規(guī)定的恒壓電平為止。
當(dāng)晶體管9截止時(shí)，由于開(kāi)關(guān)用三級(jí)線圈33的電動(dòng)勢(shì)是反方向的，所以晶體管31的基極受到反向偏壓，與晶體管9同步地進(jìn)行截止。由此可以看出整流電路3一端(商用交流輸入端)的RCC(振鈴扼流變換器)電路和雙電荷層電容器23一端的RCC電路，完全同步地進(jìn)行動(dòng)作。
并且，當(dāng)由于瞬時(shí)停電等原因而使整流電路3的輸出電壓降低時(shí)，雙電荷層電容器23的充電電壓將高于第二個(gè)三級(jí)線圈29的感應(yīng)電壓。其結(jié)果，在與晶體管9同步動(dòng)作的晶體管31導(dǎo)通時(shí)，放電電流ID變?yōu)镮4而進(jìn)行流動(dòng)，使二級(jí)端電路19的輸出電壓保持為恒壓，也就是說(shuō)，當(dāng)晶體管31導(dǎo)通時(shí)，由于流入第二個(gè)三次線圈29內(nèi)的放電電流I4的作用，在開(kāi)關(guān)用三級(jí)線圈33內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，使晶體管31能保持導(dǎo)通狀態(tài)的電流I5，流過(guò)電容器83和電阻85，在晶體管31的基極上加上高的偏置電壓。所以，晶體管31的動(dòng)作與上述初級(jí)端電路13內(nèi)的晶體管9的動(dòng)作相同，通過(guò)這些動(dòng)作來(lái)反復(fù)進(jìn)行開(kāi)關(guān)，來(lái)自雙電荷層電容器23的放電電流ID，由晶體管31進(jìn)行斬波，然后輸出到次級(jí)端電路19內(nèi)，發(fā)揮不停電的作用。
并且，當(dāng)交流輸入電壓低于由齊綱二極管84所決定的所謂停電電壓時(shí)，串聯(lián)在齊納(穩(wěn)壓)二極管84上的光電耦合器86就截止，所以，光電耦合器86的光電晶體管也截止，從第一個(gè)三級(jí)線圈21開(kāi)始的充電路徑被切斷。這是因?yàn)?，如果從雙電荷層電容器23輸出的能量，不能抵消利用返回的反饋能量而進(jìn)行的充電，那么就會(huì)出現(xiàn)實(shí)際上使開(kāi)關(guān)損耗增大等問(wèn)題。
即使在從該雙電荷層電容器23中進(jìn)行放電的狀態(tài)下也是如此，也就是說(shuō)，當(dāng)次級(jí)端的輸出電壓Vo高于放電電壓時(shí)，即次級(jí)端穩(wěn)壓控制檢測(cè)電阻77的分電壓超過(guò)分路調(diào)整器73的標(biāo)準(zhǔn)電壓(柵電壓)時(shí)，分路調(diào)整器73向?qū)ǚ较騽?dòng)作，光電耦合器93的發(fā)光二極管的電流增大，位于初級(jí)端的光電耦合器93的光電晶體管的發(fā)射極電流，以開(kāi)關(guān)用三級(jí)線圈33的正向電壓為電源，流過(guò)二極管91和光電耦合器93的光電晶體管，使晶體管89的基極電壓上升。其結(jié)果，晶體管89的動(dòng)作時(shí)間提前，晶體管31的ton期間縮短，toff期間延長(zhǎng)，所以，存儲(chǔ)在鐵芯79內(nèi)的磁能減少，進(jìn)行PWM控制動(dòng)作，使次級(jí)端電路19的輸出電壓達(dá)到預(yù)先設(shè)定的一定電壓。
以下，利用晶體管80，分路調(diào)整器82和光電耦合器86來(lái)構(gòu)成對(duì)雙電荷層電容器23的調(diào)整器。其中，二極管88是僅在放電時(shí)用的旁路二極管；電阻90、92分別是對(duì)雙電荷層電容器23的充電電壓進(jìn)行檢測(cè)用的分壓電陰和檢測(cè)用電阻。
下面利用圖4繼續(xù)說(shuō)明本發(fā)明的開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器的功率因數(shù)改善效果和不停電性能。并且，圖4的縱坐標(biāo)表示電壓V，橫坐標(biāo)表示經(jīng)過(guò)時(shí)間t。
如上所述，從交流電源1供給的正弦波交流，利用整流元件45進(jìn)行整流，使其變成圖4A所示的全波玻弦波脈動(dòng)波形，然后供給到高頻變壓器5的初級(jí)端。這時(shí)，利用晶體管9的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，使其變成高頻脈沖電壓，利用回掃方式輸出到次級(jí)端電路19內(nèi)。這時(shí)的斬波頻率，如圖2所示，取決于晶體管9的集電極電流、電流放大是數(shù)和基極電流，所以，具體來(lái)說(shuō)，由電路常數(shù)進(jìn)行設(shè)定。在本發(fā)明中，如圖1所示，在交流電源1側(cè)構(gòu)成的RCC1和在雙電荷層電容器23側(cè)構(gòu)成的RCC2，以高頻變壓器5的鐵芯磁路為共用磁路，以并聯(lián)方式進(jìn)行連接。由RCC1或者RCC2來(lái)向次級(jí)端電路19供應(yīng)能量，其情況如下。
若假定初級(jí)線圈7的匝數(shù)為N1，第二個(gè)三級(jí)線圈29的匝數(shù)為N3；RCC1的輸入電壓為VA1，RCC2的輸入電壓為VB1，則初級(jí)線圈7側(cè)的比電壓為VA1/N1，第二個(gè)三級(jí)線圈29側(cè)的比電壓為VB1/N3，從比電壓高的一側(cè)供應(yīng)輸出能量。
所以，當(dāng)交流輸入電壓降低時(shí)，在RCC1側(cè)進(jìn)行脈沖調(diào)幅開(kāi)關(guān)的結(jié)果，在電平達(dá)到可以向輸出端提供恒電壓能量之前，從第一個(gè)三線圈21向雙電荷層電容器23進(jìn)行充電所用的平均電平，與次級(jí)端電路19的輸出電壓一樣地進(jìn)行穩(wěn)定化，所以，RCC2側(cè)不能成為對(duì)次級(jí)端電路19的能量供給源。這時(shí)，RCC2側(cè)處于空運(yùn)行狀態(tài)，第一個(gè)三級(jí)線圈21被作為對(duì)雙電荷層電容器23的充電電路使用。在此，當(dāng)RCC1側(cè)的電奪降低到不能對(duì)次級(jí)端電路19的輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓控制的電平時(shí)，RCC2側(cè)的比電平占居優(yōu)勢(shì)，所以，自動(dòng)地切換到RCC2側(cè)，由RCC2提供輸出功率，中間不出現(xiàn)瞬間斷電現(xiàn)象。不能對(duì)次級(jí)端電路19的輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓控制的RCC1側(cè)的電平，以下稱(chēng)為限制電平(在圖中用S表示)。并且，實(shí)際上，用齊納二極管84來(lái)檢測(cè)比該限制電平高的電壓，如上所述，對(duì)充電電流路的調(diào)整器用晶體管80進(jìn)行切斷即可。
在這里，若沒(méi)有三級(jí)端的充放電電路27、35，則次級(jí)端電路19的輸出電壓Vo變成圖4B所示的與交流電源頻率同步的方形電壓波形。但是，當(dāng)圖4A所示的全波正弦波脈動(dòng)電壓在限制電平S以下時(shí)，如上所述，雙電荷層的電容器23的充電電壓高于第一個(gè)三級(jí)線圈21的感應(yīng)電壓，所以，來(lái)自雙電荷層電容器23的放電電流，流入到第二個(gè)三級(jí)線圈29內(nèi)。同時(shí)，該放電電流由晶體管31進(jìn)行斬波，來(lái)自放電電路35的高頻脈沖電壓被輸出到次級(jí)端電路19內(nèi)。這時(shí)的次級(jí)端電路19的輸出電壓Vo變成圖4C所示的波形，該波形填補(bǔ)了圖4B所示的全波正弦脈動(dòng)電流的限制電平S以上的區(qū)域內(nèi)的電壓波形空隙部分。
所以，如圖4D所示，從次級(jí)端電路19中輸出的電壓Vo的波形是平整的，在整個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)均無(wú)洼下現(xiàn)象。這樣，本發(fā)明的開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器，由于在輸入電壓為限制電平以下的范圍內(nèi)將供給來(lái)自雙電荷層電容器的放電功率，所以，可以達(dá)到很高的功率因數(shù)。并且，不言而喻，即使在瞬間停電的情況下，也能利用同樣的作用而獲得圖4D所示的波形的輸出電壓Vo。
再者，在圖1和圖3的電路例中，在整流電路3一側(cè)不設(shè)濾波電容器，由雙荷層電容器23來(lái)發(fā)揮光有的整流電路一側(cè)的濾波電容器的作用。所以，如圖5所示，從交流輸入一側(cè)來(lái)看的是電流波形，在具有濾波電容器的先有的電路中，如圖中A所示，在很短時(shí)間內(nèi)集中了很大電流，而本發(fā)明則由于如圖中B所示電流波形是比較平坦的，所以，可以大減小電路的負(fù)擔(dān)，提高功率因數(shù)。
再者，例如在圖3中設(shè)置了電解電容器94，其充電電壓設(shè)定在稍高于雙電荷層電容器23的水平上，正常運(yùn)行時(shí)的限制電平以下的能量，由該電解電容器94來(lái)供給，在停電等情況下，在極短時(shí)間的電解電容器94的放電結(jié)束后，也可以由雙電荷層電容器23來(lái)供給能量。這樣以來(lái)，可減輕雙電荷層電容器23的負(fù)擔(dān)。
本發(fā)明并非僅限于以下的實(shí)施例，例如在圖1、圖3中，也可以把太陽(yáng)能電池板連接在雙電荷層電容器23上作為停電時(shí)的備用電源，或者進(jìn)一步增加RCC電路，例如RCC3、4……，其中分別連接柴油發(fā)電機(jī)或風(fēng)力發(fā)電機(jī)等，制成利用綜合性能源的不停電電源(能源最佳綜合利用)。
權(quán)利要求
1.一種不停電開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器，其中包括對(duì)來(lái)自交流電源的交流進(jìn)行整流的整流電路；初級(jí)端電路，其高頻變壓器的初級(jí)線圈和初級(jí)端開(kāi)關(guān)元件串聯(lián)連接在上述整流電路的輸出端，同時(shí)，其施加開(kāi)關(guān)控制電壓的開(kāi)關(guān)用初級(jí)線圈連接在初級(jí)端開(kāi)關(guān)元件上，利用上述初級(jí)端開(kāi)關(guān)元件來(lái)產(chǎn)生初級(jí)端高頻脈沖電壓；次級(jí)端電路，其整流、濾波電路連接在上述高頻變壓器的次級(jí)線圈上，直流輸出功率供給到負(fù)載上；充電電路，其中包括串聯(lián)連接在高頻變壓器的第一個(gè)三級(jí)線圈上的雙電荷層電容器或二級(jí)電池和整流元件；放電電路，其中，與上述第一個(gè)三級(jí)線圈串聯(lián)連接的第二個(gè)本級(jí)線圈和本級(jí)端開(kāi)關(guān)元件以及上述雙電荷層電容器或二次電池互相串聯(lián)相接，同時(shí)，施加開(kāi)關(guān)控制電壓的開(kāi)關(guān)用三級(jí)線圈連接在三級(jí)端開(kāi)關(guān)元件上，利用上述三級(jí)端開(kāi)關(guān)元件從雙電荷層電容器或二次電池的放電功率中產(chǎn)生出初級(jí)端高頻脈沖放電電壓。利用回掃方式把輸出功率從初級(jí)端和三級(jí)端傳輸?shù)酱渭?jí)端上，同時(shí)，當(dāng)初級(jí)端的上述整流電路的輸出電壓超過(guò)規(guī)定電平時(shí)，上述充電電路就動(dòng)作；當(dāng)?shù)陀谏鲜鲆?guī)定電平時(shí)，上述放電電路就動(dòng)作。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種可降低成本和減小體積的自激式不停電開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。其初級(jí)端設(shè)有整流電路、高頻變壓器的初級(jí)線圈、初級(jí)端開(kāi)關(guān)元件和開(kāi)關(guān)用初級(jí)線圈；其次級(jí)端設(shè)有連接整流、濾波電路的次級(jí)端輸出電路；其三級(jí)端設(shè)有三級(jí)線圈、充放電電路、三級(jí)端開(kāi)關(guān)元件、雙電荷層電容器和開(kāi)關(guān)用三級(jí)線圈，利用回掃方式把輸出功率從初級(jí)端和三級(jí)端傳輸?shù)酱渭?jí)端。當(dāng)初級(jí)端整流電路的輸出電壓超過(guò)規(guī)定電平時(shí)，充電電路就動(dòng)作；當(dāng)?shù)陀谝?guī)定電平時(shí)，放電電路就動(dòng)作。
文檔編號(hào)G05F1/56GK1160877SQ9610390
公開(kāi)日1997年10月1日 申請(qǐng)日期1996年3月27日 優(yōu)先權(quán)日1995年9月22日
發(fā)明者酒井節(jié)雄 申請(qǐng)人:日本保護(hù)裝置銷(xiāo)售公司