專(zhuān)利名稱(chēng)：截止控制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(kāi)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(kāi)關(guān)將直流輸入功率變換為另一種電壓或電流下直流輸出的截止控制直流變換器，包括帶變壓器的正激型直流功率變換主電路、半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路、電流傳感器及控制電源。半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)可以是功率晶體管、功率場(chǎng)效管、可關(guān)斷晶閘管、絕緣門(mén)極雙極晶體管及帶強(qiáng)制關(guān)斷設(shè)施的晶閘管等中的任何一種。
現(xiàn)有的開(kāi)關(guān)動(dòng)作式直流變換器，如日刊《電子技術(shù)》1989年3月號(hào)“開(kāi)關(guān)電源專(zhuān)集”及日刊《電氣計(jì)算》1990年2月號(hào)藤原紀(jì)六著文“溶接
使用すると”(焊接逆變器的應(yīng)用)所載，都是以控制輸出電壓為基本出發(fā)點(diǎn)而采用了定頻脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)，其實(shí)質(zhì)是提供一個(gè)可控電壓源，而其控制固有特性不能良好地滿(mǎn)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)明的目的，是提供一種以控制輸出電流為基本出發(fā)點(diǎn)的截止控制直流變換器，既可作可控電流源用，又可作可控電壓源用，特別是能良好地滿(mǎn)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輸出外特性的控制分為電流特性區(qū)控制及電壓特性區(qū)控制，設(shè)有控制電路。電流特性區(qū)的下電流特性區(qū)段的控制是，在半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間，當(dāng)其所流過(guò)的電流I上升到I＊PA值時(shí)使半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)截止，經(jīng)過(guò)截止時(shí)間t＊EA后再使其導(dǎo)通，電流特性區(qū)的上電流特性區(qū)段的控制是，在半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間，當(dāng)其所流過(guò)的電流I上升到I＊PB值時(shí)使半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)截止，經(jīng)過(guò)截止時(shí)間t＊EB后再使其導(dǎo)通。電壓特性區(qū)的控制則有兩種不同的方式。一種方式為，電壓特性區(qū)的前電壓特性區(qū)段的控制是，在半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間，當(dāng)其所流過(guò)的電流I上升到I＊PC時(shí)使半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)截止，經(jīng)過(guò)截止時(shí)間t＊EB后再使其導(dǎo)通;電壓特性區(qū)的后電壓特性區(qū)段的控制是，在半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間，當(dāng)其所流過(guò)的電流I上升到I＊PC值時(shí)使半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)截止，經(jīng)過(guò)截止時(shí)間t＊EC后再使其導(dǎo)通。另一種方式為，電壓特性區(qū)的前電壓特性區(qū)段的控制是，在半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間，當(dāng)其所流過(guò)的電流I上升到I＊PC值時(shí)使半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)截止，經(jīng)過(guò)截止時(shí)間t＊EB后再使其導(dǎo)通;電壓特性區(qū)的后電壓特性區(qū)段的控制是，在半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間，當(dāng)其所流過(guò)的電流I上升到I＊PC值時(shí)使半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)截止，經(jīng)過(guò)截止時(shí)間t＊EA或t＊EB(二者交替使用)后再使其導(dǎo)通。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是(1)在輸出外特性的電流特性區(qū)，由于采用了瞬值電流控制，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及負(fù)載上電壓變化的影響，而成為一個(gè)頗為理想的可控電流源;
(2)在輸出外特性的電壓特性區(qū)，由于采用了誤差電壓控制一個(gè)電流源的措施，從而提了頻率的響應(yīng)，改善了穩(wěn)壓性能;
(3)由于對(duì)半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)的峰值電流實(shí)行了確切的逐個(gè)控制，使得整個(gè)直流變換器中各個(gè)器件不必設(shè)計(jì)有較大的裕量就能保證工作可靠，同時(shí)使制造成本降低;
(4)由于對(duì)應(yīng)每一個(gè)輸出電壓值，都有一個(gè)確定的電流回差，從而消除了分諧波振蕩現(xiàn)象;
(5)由于當(dāng)主電路中變壓器的磁化電流增大時(shí)，會(huì)自動(dòng)地使相應(yīng)的半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間減少，從而有效地抑制了變壓器的偏磁現(xiàn)象;
(6)輸出外特性的形狀構(gòu)成，十分靈活，可以多種多樣，如陡降式與減流式，也能方便地構(gòu)成恒流加外拖式、緩降式以及L形等外特性;
(7)能輸出頻率及占空比均可自由改變的矩形電流脈沖波形，也能方便地輸出三角波或梯形波電流時(shí)間波形，還可以用以控制輸出電流的升降速率，即實(shí)現(xiàn)所謂“電子電抗器”的功能;
(8)由于具備了準(zhǔn)確和快速的電流控制特性，使得多臺(tái)直流變換器在輸出側(cè)并聯(lián)運(yùn)行的組成十分簡(jiǎn)單而且均流可靠。這樣可采用標(biāo)準(zhǔn)單元積木式結(jié)構(gòu)的方法來(lái)組成從小功率到大功率不同容量檔次的系列產(chǎn)品，既降低了生產(chǎn)成本，又能靈活地適應(yīng)市場(chǎng)多變的需求，另外還使單元分卸攜帶式超輕便產(chǎn)品的制造成為現(xiàn)實(shí)。
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為工作原理說(shuō)明圖;
圖3為截止時(shí)間電路結(jié)構(gòu)原理圖;
圖4為第一、第二及第三實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)原理圖;
圖5為第四、第五及第六實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)原理圖;
圖6為第七、第八及第九實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)原理圖;
圖7為第十實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)原理圖;
圖8為本發(fā)明應(yīng)用的其它帶變壓器的正激型直流功率變換主電路圖。
參見(jiàn)圖1，CC為控制電源，ZF包括帶變壓器的正激型直流功率變換主電路、半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路及檢測(cè)流經(jīng)半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)電流用的電流傳感器，截止時(shí)間電路SE則與電流指令電路SI一起組成控制電路，SE可以是SE1或SE2或SE3等不同電路結(jié)構(gòu)中的一個(gè)，SI可以是SI1或SI2或SI3等不同電路結(jié)構(gòu)中的一個(gè)，QL為用電負(fù)載，CL為QL上所并聯(lián)電容。V+與V-分別為控制電源輸出的對(duì)公共地的正電壓與負(fù)電壓，K1I＊0為電流指令值，K1I為ZF中電流傳感器的輸出信號(hào)，V2為ZF輸出端口XY上的電壓，G1與G2為SE輸往ZF中半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，VS為電壓信號(hào)并僅在SE為SE2時(shí)采用，SE的V2信號(hào)輸入僅在SE為SE1或SE2時(shí)采用。CS2為檢測(cè)輸出電流用的電流傳感器(分流器電阻或霍爾直流電流傳感器)，CS2及其輸往SE的K2I2信號(hào)僅在SE為SE3時(shí)采用。
參見(jiàn)圖2，圖2a為ZF的電路原理結(jié)構(gòu)圖，GS1～GS4為半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路，用以接受G1～G2驅(qū)動(dòng)信號(hào)使相應(yīng)的半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通或截止;CS1電流傳感器(交流電流互感器或霍爾交流電流傳感器)用以檢測(cè)流經(jīng)半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)的電流，其變換常數(shù)為K1，CS1的輸出經(jīng)過(guò)電流傳感器附件FD全波整流后得到輸出為K1I;圖2a的其余部份則構(gòu)成帶變壓器的正激型直流功率變換主電路，此處為全橋式，它由進(jìn)線(xiàn)濾波電感L0、進(jìn)線(xiàn)濾波電容C0、半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)S1～S4、抑制過(guò)電壓用二極管D1～D4、初級(jí)繞組匝數(shù)為N1及次級(jí)繞組匝數(shù)為N2×2(中點(diǎn)抽頭式)的變壓器T1、輸出整流二極管D5～D6及輸出電感L2所組成，其輸出端口用X及Y標(biāo)記。V1為直流輸入電源電壓，V2為輸出端口上的輸出電壓，VS為電壓信號(hào)，I為流經(jīng)半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)即流經(jīng)變壓器初級(jí)繞組的電流，I2為輸出電流。圖中繞組端“·”符號(hào)為繞組的極性標(biāo)記。半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路為現(xiàn)有技術(shù)，如對(duì)于功率晶體管可參見(jiàn)《國(guó)外電力電子技術(shù)》1989年第4期載“采用UAA4002構(gòu)成的開(kāi)關(guān)晶體管最佳基極驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路”一文，又如對(duì)于功率場(chǎng)效管，可參見(jiàn)《國(guó)外電力電子技術(shù)》1989年第1期載“開(kāi)關(guān)型功率MOSFET的高速驅(qū)動(dòng)器”一文等等。
為了說(shuō)明方便，采用I＝(N2/N1)I2、V＝(N1/N2)V2及L＝(N1/N2)2L2諸式將變壓器次級(jí)參數(shù)轉(zhuǎn)化到初級(jí)側(cè)。圖2b為電流I的波形圖，當(dāng)S1及S3(或S2及S4)導(dǎo)通時(shí)(如圖中陰影面積所示)，I由谷值電流Ir上升到峰值電流IP，其導(dǎo)通時(shí)間為tG;當(dāng)S1及S3(或S2及S4)截止時(shí)，I由IP下降到Ir，其截止時(shí)間為tE?，F(xiàn)命電流回差為△I＝(IP-Ir)/2(即在tE時(shí)間內(nèi)，電流I變化了2△I)、均值電流I0＝(IP+Ir)/2及工作頻率為f，則由電路基本理論(可參見(jiàn)人民郵電出版社1985年出版《晶體管開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源》一書(shū))可得IP＝I0+△I＝Ir+2△I (1)式;
tE= (2L△IN2)/(N1V2) (2)式;
tG= (2L△I)/(V1-V) (3)式;
f= 1/(2(t3+tG)) (4)式。
現(xiàn)以“＊”標(biāo)記代表設(shè)定值，如I＊P為IP之設(shè)定值，△I＊為△I電流回差之設(shè)定值，I＊0為I0之設(shè)定值，余此類(lèi)推;又將K1I＊P、K1I＊0、及K1△I＊分別記作峰值電流指令值、電流指令值及電流回差指令值(K1為CS1電流傳感器的變換常數(shù))，則I＊P＝I＊O+△I＊或K1I＊P＝K1I＊O+K1△I＊(5)式;
I＊PA＝I＊OA+△I＊或K1I＊PA＝K1I＊OA+K1△I＊(6)式;
I＊PB＝I＊OB+△I＊或K1I＊PB＝K1I＊OB+K1△I＊(7)式;
I＊PC＝I＊OC+△I＊或K1I＊PC＝K1I＊OC+K1△I＊(8)式。
K1I＊OA、K1I＊OB、K1I＊OC分別為下電流特性區(qū)段、上電流特性區(qū)段及電壓特性區(qū)的電流指令值，并總的用K1I＊O代表。K1I＊PA、K1I＊PB、K1I＊PC分別為下電流特性區(qū)段、上電流特性區(qū)段及電壓特性區(qū)的峰值電流指令值，并總的用K1I＊P代表。I＊OA、I＊OB、I＊OC分別為下電流特性區(qū)段、上電流特性區(qū)段及電壓特性區(qū)均值電流設(shè)定值。并總的用I＊O代表。I＊PA、I＊PB、I＊PC分別為下電流特性區(qū)段、上電流特性區(qū)段及電壓特性區(qū)的峰值電流設(shè)定值，并總的用I＊P代表。同時(shí)命
K= (2LN2)/(N1) (11)式;
t＊EC＝t＊EB修正值 (12)式。
上列式中，V2為輸出端口XY上的電壓，V2b為下電流特性區(qū)段與上電流特性區(qū)段交界點(diǎn)的輸出端口電壓值，與其相對(duì)應(yīng)值Vb＝(N1/N2)V2b，V2b取值為V2的額定最高電壓V2c(與其相對(duì)應(yīng)值Vc＝(N1/N2)V2c)的5%～30%。
在電流特性區(qū)的下電流特性區(qū)段，V2b＞V2≥0和Vb＞V≥0，使K1I＊P＝K1I＊PA＝K1I(即I＊PA＝I)和tE＝t＊EA，由(1)式、(6)式、(2)式和(9)式，可得出IO＝I＊OA+(1-V2/V2b)△I＊，因而當(dāng)V2＝0(V＝0)時(shí)，I0＝I＊OA+△I＊＝I＊PA。在電流特性區(qū)的上電流特性區(qū)段，V2C＞V2＞V2b和VC＞V＞Vb，使K1I＊P＝K1I＊PB＝K1I(即I＊PB＝I)和tE＝t＊EB，由(1)式、(7)式、(2)式和(10)式，可得出IO＝I＊OB及△I＝△I＊。在電壓特性區(qū)的前電壓特性區(qū)段，V2＝V2C和V＝VC，此區(qū)段中輸出電流連續(xù)，為了將V2穩(wěn)定在V2C值上，采用輸出電壓調(diào)節(jié)器自動(dòng)地對(duì)電流指令值K1I＊OB進(jìn)行修正的方法，并將經(jīng)過(guò)修正后的電流指令值記為K1I＊OC，在此區(qū)段內(nèi)使K1I＊P＝K1I＊PC＝K1I(即I＊PC＝I)和tE＝t＊EB。在電壓特性區(qū)的后電壓特性區(qū)段，V2＝V2C和V＝VC，此區(qū)段中輸出電流斷續(xù)，和前電壓特性區(qū)段一樣，將為了穩(wěn)定V2電壓而經(jīng)過(guò)輸出電壓調(diào)節(jié)器對(duì)K1I＊OB進(jìn)行修正后的電流指令值記為K1I＊OC，在此區(qū)段內(nèi)使K1I＊P＝K1I＊PC＝K1I(即I＊PC＝I)和tE＝t＊EC＝t＊EB修正值，t＊EB修正值是以K1△I＊-K1I＊OC的差值(在電流斷續(xù)情況下，此差值為正)為因素對(duì)t＊EB進(jìn)行向增大方向修正，以使工作頻率不會(huì)有過(guò)多的上升。
作為一個(gè)例子，如使K1I＊OA＝K1I＊OB＝K1I＊01，其輸出外特性形狀則如圖2c中所示，在圖2c中，ab為電流特性區(qū)的下電流特性區(qū)段，bc為電流特性區(qū)的上電流特性區(qū)段，cd為電壓特性區(qū)的前電壓特性區(qū)段，de為電壓特性區(qū)的后電壓特性區(qū)段，而I＊P1＝I＊01+△I＊。顯然改變I＊Ol值和電壓特性區(qū)的輸出電壓調(diào)節(jié)器內(nèi)的比較電壓值就可獲得不同的輸出外特性，圖2c中用點(diǎn)劃線(xiàn)所示的就是一個(gè)例子。
參見(jiàn)圖3，在圖3a中，將圖中A與E相聯(lián)，在此情況下截止時(shí)間電路SE為SE1，其特點(diǎn)是K1△I＊為常值，SE1由電阻r16～r41、電容C15、二極管d15～d19、晶體管BG15～BG16、電位計(jì)WR15、D觸發(fā)器IC2～I(xiàn)C3(如CD4013型)、運(yùn)算放大器IC4～I(xiàn)C7(如TL084型)、與門(mén)IC10～I(xiàn)C12(如CD4081型)及比較器IC8～I(xiàn)C9(如LM339型)所組成。其工作過(guò)程如下由電流指令電路輸來(lái)的K1I＊O(K1I＊OA或K1I＊OB或K1I＊OC)信號(hào)在以IC7為核心組成的同相加法器中與電位計(jì)WR15所設(shè)定的K1△I＊信號(hào)相加后，得到IC7的輸出為K1I＊P(K1I＊PA或K1I＊PB或K1I＊PC)，再在IC9中與圖2a來(lái)的K1I信號(hào)相比較，值半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間，K1I上升到等于K1I＊P時(shí)(即I＝I＊P)，IC9輸出為“1”(采用正邏輯，以下皆同)，使IC2置位，IC2-＊為“0”，使得IC10～I(xiàn)C12的輸出G1、G2、及G驅(qū)動(dòng)信號(hào)均為“0”，因而圖2a中的S1及S3(或S2及S4)截止，與此同時(shí)IC2-Q為“1”，使得作為分相器用途的IC3翻轉(zhuǎn)，其輸出封鎖IC10或IC11的其中之一個(gè)，而為G1與G2為“1”時(shí)的信號(hào)(使S1及S3或S2及S4的導(dǎo)通信號(hào))彼此相距180電度建立了條件。單一驅(qū)動(dòng)信號(hào)G在此處并不使用，而是作為標(biāo)準(zhǔn)通用電路，為單端單管式與單端雙管式的正激型直流功率變換主電路而準(zhǔn)備的。至于截止時(shí)間的產(chǎn)生則分成三種不同情況。第一情況是在輸出外特性的下電流特性區(qū)段，選取 (r19v+)/(r18+r19) = (r17v26)/(r17+r16) ，二極管d15及d16構(gòu)成最大值輸出電路，在此情況下d15導(dǎo)通，其輸出經(jīng)過(guò)以IC4為核心組成的反相加法器后得到IC4的輸出為--- (r39v+)/(r18+r19) (即- (r17v26)/(r17+r16) )，此處執(zhí)行與二極管d17上電壓降相加是為了補(bǔ)償d15(或d18)上的壓降所帶來(lái)的誤差。在半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)截止期間，IC2-Q為“1”，晶體管BG16截止，電容量為C15的電容器C15得以從零開(kāi)始進(jìn)行充電，IC5的輸出隨時(shí)間t線(xiàn)性上升即是 (r17v26c15)/((r17+r16)r24) t，當(dāng)上升到WR15的設(shè)定電壓K1△I＊時(shí)，IC8動(dòng)作，其輸出“1”使IC2復(fù)位，IC2-Q為“1”使半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，得出截止時(shí)間
= ((r17+r16)r24k1△I*)/(r17v26c15) ，選取參數(shù)使 ((r17+r16)r24k1)/(r17c15) =k，則得如(9)式的表達(dá)形式。同時(shí)IC2-Q為“0”使得BG18導(dǎo)通，C15放電，而為下一次動(dòng)作作好準(zhǔn)備。第二種情況是在輸出外特性的上電流特性區(qū)段及前電壓特性區(qū)段，此時(shí)二極管d16導(dǎo)通，參照上述工作過(guò)程，得出此情況下截止時(shí)間為
=K (△I*)/(V2) ，即是(10)式的表達(dá)形式。第三種情況是在后電壓特性區(qū)段，此時(shí)K1△I＊-K1I＊O＞0(K1I＊O＝K1I＊OC)，使得實(shí)行減法運(yùn)算的IC6的輸出為正并隨K1I0的減少而加大，BG15隨之進(jìn)入放大狀態(tài)而使d16的輸出逐漸減少，即是用(K1△I＊-K1I＊OC)信號(hào)對(duì)t＊EB實(shí)行修正，此情況下截止時(shí)間t＊EC＝t＊EB修正值，如(12)式所示。
在圖3a中將A與E斷開(kāi)而將A與F連通，在此情況下截止時(shí)間電路SE為SE2，其特點(diǎn)是K1△I＊與直流輸入電源電壓V1成正比，用在V1大幅度變化(例如波動(dòng)+20%-30%)的場(chǎng)合，以抑制V1變化對(duì)工作頻率所帶來(lái)的影響(見(jiàn)(2)式與(3)式)。SE2由電阻r16～r42、電容c15～c16、二極管d16～20、晶體管BG15～BG16、電位計(jì)WR15、D觸發(fā)器IC2～I(xiàn)C3(如CD4013型)、運(yùn)算放大器IC4～I(xiàn)C7(如TL084型)、與門(mén)IC10～I(xiàn)C12(如CD4081型)及比較器IC8～I(xiàn)C9(如LM339型)所組成。SE2與SE1不同之處，在于引入圖2a來(lái)的電壓信號(hào)VS，VS為呈幅度為(N2/N1)V1的脈沖波群，線(xiàn)路選取電容C16的放電時(shí)間常數(shù)使其遠(yuǎn)大于其充電時(shí)間常數(shù)，結(jié)果使得C18上電壓與V1成正比因而K1△I＊也與V1成正比。
參見(jiàn)圖3b，此情況下截止時(shí)間電路SE為SE3，其特點(diǎn)是K1△I＊為常值，SE3由電阻r85～r100、電容C85～C88、電位計(jì)WR85、二極管d85～d86、時(shí)基電路IC85(如ICM7555型)、比較器IC86～I(xiàn)C87(如LM339型)、運(yùn)算放大器IC88～I(xiàn)C89(如TL082型)、與非門(mén)IC90～I(xiàn)C91(如CD4011型)、D觸發(fā)器IC92(如CD4013型)、及與門(mén)IC93～I(xiàn)C95(如CD4081型)所組成。其工作過(guò)程是由電流指令電路輸來(lái)的K1I＊0(K1I＊OA或K1I＊OB或K1I＊OC)信號(hào)一方面在以IC88為核心組成的加法器中與電位計(jì)WR85所設(shè)定的K1△I＊信號(hào)相加后得到K1I＊P輸出，再送往IC86中去和K1I信號(hào)進(jìn)行比較;另一方面又在以IC89為核心組成的減法器中與K1△I＊信號(hào)相減后得到(K1I＊O-K1△I＊)輸出，再送往IC87中去和K2I2信號(hào)進(jìn)行比較。為了將K2I2信號(hào)歸化到變壓器初級(jí)側(cè)，選取圖1中CS2電流傳感器的變換常數(shù)K2＝(N2/N1)K1(因而K2I2＝K1I)。IC85為一常用的“555”時(shí)基電路，當(dāng)IC85-3為“1”時(shí)使半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，為“0”時(shí)使其截止，其輸出通過(guò)IC90～I(xiàn)C95而形成G1、G2與G驅(qū)動(dòng)信號(hào)的工作過(guò)程則與圖3a中的IC3與IC10～I(xiàn)C12的工作過(guò)程相類(lèi)同。至于截止時(shí)間的形成則分成三種不同情況。第一情況是在輸出外特性的下電流特性區(qū)段(K1I＊O＝K1I＊OA及V2b＞V2＞0)，值半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間，IC85處于置位狀態(tài)，IC85-3為“1”，C85充電到(V+-Vd)電壓，其中Vd為二極管d85壓降，當(dāng)K1I上升到K1I＊P時(shí)，(即I＝I＊PA)IC86的輸出變“1”，作用到IC85-6上使IC85復(fù)位，IC85-3變“0”，半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)截止，IC86輸出回“0”，同時(shí)C85經(jīng)r100放電，當(dāng)C85上的電壓降至V+/3時(shí)，IC85又被置位，得截止時(shí)間為C85r100/n3(1- (vd)/(v) )，選擇C85電容值及r100電阻值使此截止時(shí)間等于k (△I*)/(V2b) 即是t＊EA。第二種情況是在輸出外特性的上電流特性區(qū)段及前電壓特性區(qū)段當(dāng)K2I2＝K1I由半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)截止時(shí)的初始值K1I＊P＝K1I＊O+K1△I＊)下降到(K1I＊O-K1△I＊)值時(shí)，(K1I＊O在上電流特性區(qū)段為K1I＊OB，在前電壓特性區(qū)段為K1I＊OC)，這個(gè)時(shí)間即是t＊EB。在K2I2下降到(K1I＊O-K1△I＊)時(shí)，IC87輸出變“0”，二極管d86導(dǎo)通，使C85迅速放電，IC85提前置位(由于t＊EB＜t＊EA)，半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，得截止時(shí)間為t＊EB。還可回過(guò)頭來(lái)看出在下電流特性區(qū)段，由于此時(shí)t＊EA＜t＊EB，還未等到IC87輸出變“0”，C85上電壓已放電下降到V+/3，就將IC85置位了。第三種情況是在后電壓特性區(qū)段(K1I＊OC＝K1I＊O及V2c＝V2)，半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)在K1I＝K1I＊PC時(shí)截止，但此時(shí)輸出電流在交替斷續(xù)與連續(xù)工況下工作，這和以前提到的不同，這是本電路的工作特點(diǎn)所帶來(lái)的。若電流開(kāi)始時(shí)工作在斷續(xù)工況，則(K1I＊O-K1△I＊)＜0，由于K2I2不能為負(fù)，故IC87的輸出始終為“1”，而使得截止時(shí)間為t＊EA，但t＊EA比所需的要長(zhǎng)，因此輸出電壓下跌，在電流指令器中輸出電壓調(diào)節(jié)器的作用下(后面將加說(shuō)明)，迫使K1I＊O增加，電路進(jìn)入電流連續(xù)工況，這時(shí)(K1I＊O-K1△I＊)≥0，使得截止時(shí)間為t＊EB，但t＊EB比所需的要短，導(dǎo)至輸出電壓上升，之后又在輸出電壓調(diào)節(jié)器的作用下，迫使K1I＊O下降，電路又回到電流斷續(xù)工況，截止時(shí)間為t＊EA，如此t＊EA和t＊EB交替使用，將輸出電壓V2保持在V2C上。
參見(jiàn)圖4，電流指令電路SI為SI1，其特點(diǎn)是K1I＊OA＝K1I＊OB＝K1I＊O1。在圖4a中將SI1與SI1截止時(shí)間電路進(jìn)行組合并按圖1進(jìn)行外部接線(xiàn)即構(gòu)成第一實(shí)施例;類(lèi)此將SI1與SE2進(jìn)行組合即構(gòu)成第二實(shí)施例，將SI1與SE3進(jìn)行組合即構(gòu)成第三實(shí)施例。在圖4b中，SI1由電阻r1～r10、電位計(jì)WR1～WR2、電容C1～C2、二極管d1、穩(wěn)壓管W1及運(yùn)算放大器IC13(如TL082型)所組成。其工作過(guò)程是在下電流特性區(qū)段及上電流特性區(qū)段內(nèi)，由于輸出電壓V2小于其設(shè)定值(由W1及WR2所確定)，因此IC13輸出為高電壓，d1被阻塞，此時(shí)電路的輸出由WR1所設(shè)定，即K1I＊O＝K1I＊OA＝K1I＊OB＝K1I＊O1;在前電壓特性區(qū)段及后電壓特性區(qū)段內(nèi)，為了保持V2穩(wěn)定，IC13及其外圍器件作為一個(gè)輸出電壓調(diào)節(jié)器進(jìn)行工作以對(duì)電流指令值K1I＊OB進(jìn)行修正，此時(shí)其輸出變低，d1中開(kāi)始有電流流通，使得電路的輸出K1I＊O＝K1I＊OC。這種控制下的輸出外特性如圖2C所示，即所謂的陡降特性。
參見(jiàn)圖5，電流指令電路SI為SI2，其特點(diǎn)是K1I＊OA＝K1I＊O2，K1I＊OB為以輸出電壓V2為自變量的函數(shù)發(fā)生器所產(chǎn)生，即在下電流特性區(qū)段與上電流特性區(qū)段的交界點(diǎn)處K1I＊OB＝K1I＊O2，然后隨著V2的上升而線(xiàn)性地增長(zhǎng)，至上電流特性區(qū)段與電壓特性區(qū)的交界點(diǎn)處K1I＊OB＝K1I＊O3。在圖5a中將SI2與SE1截止時(shí)間電路進(jìn)行組合并按圖1進(jìn)行外部接線(xiàn)即構(gòu)成第四實(shí)施例;類(lèi)此將SI2與SE2進(jìn)行組合即構(gòu)成第五實(shí)施例，將SI2與SE3進(jìn)行組合即構(gòu)成第六實(shí)施例。在圖5b中，SI2由電阻r50～r66、電位計(jì)WR50、電容C50～C52、二極管d50～d52、穩(wěn)壓管W50及運(yùn)算放大器IC14～I(xiàn)C15(如TL082型)所組成。圖5c為這種控制下的輸出外特性，即所謂減流式。其工作過(guò)程是二極管d50與d51構(gòu)成最大值輸出電路，在ab下電流特性區(qū)段(Vb＞V≥0)，選擇線(xiàn)路參數(shù)使得d51截止而d50導(dǎo)通，經(jīng)過(guò)以IC15為核心組成的同相放大器放大后得到電路輸出為K1I＊O＝K1I＊OA＝K1I＊02，而I＊P2＝I＊02+△I＊;在bc上電流特性區(qū)段(VC＞V＞V2)，選擇線(xiàn)路參數(shù)使得d51導(dǎo)通而d50截止，此時(shí)電路的輸出K1I＊O＝K1I＊OB將由b點(diǎn)的起始值K1I＊02而隨著V＝(N1/N2)V2的上升線(xiàn)性地增長(zhǎng)，至C點(diǎn)時(shí)達(dá)到K1I＊03值而在電壓特性區(qū)cde內(nèi)IC14的工作情況則與圖4b中SI1的IC13工作情況相同。圖5b中的IC15與其外圍器件在實(shí)質(zhì)上是一個(gè)以V2為自變量的函數(shù)發(fā)生器，類(lèi)此當(dāng)采用不同形式的函數(shù)器即可獲得種種不同的輸出外特性，諸如恒流加外拖外特性、緩降外特性以及L形外特性等等。
參見(jiàn)圖6，電流指令電路SI為SI3，其特點(diǎn)是K1I＊OA＝K1I＊OB且為以時(shí)間t為自變量的函數(shù)發(fā)生器所產(chǎn)生，即在一個(gè)周期的一段時(shí)間內(nèi)使K1I＊OA＝K1I＊OB＝K1I＊O4，隨后在同一周期的剩余時(shí)間內(nèi)使K1I＊OA＝K1I＊OB＝K1I＊O5，如此作周期性往復(fù)。在圖6a中，將SI3與SE1截止時(shí)間電路進(jìn)行組合并按圖1進(jìn)行外部接線(xiàn)即構(gòu)成第七實(shí)施例;類(lèi)此將SI3與SE2進(jìn)行組合即構(gòu)成第八實(shí)施例，將SI3與SE3進(jìn)行組合即構(gòu)成第九實(shí)施例。在圖6b中，SI3由電阻r70～r81、電容C70～C73、可調(diào)電容C74、二極管d70～d73、穩(wěn)壓管W70、電位計(jì)WR70～WR72、開(kāi)關(guān)SW、運(yùn)算放大器IC16(如TL082型)及時(shí)基電路IC17(如ICM7555型)所組成。其工作過(guò)程是當(dāng)SW斷開(kāi)時(shí)，IC17及其外圍器件構(gòu)成一個(gè)常用的方波振蕩器，其占空比可籍電位計(jì)WR71進(jìn)行調(diào)節(jié)，其振蕩頻率可籍可調(diào)電容C74進(jìn)行調(diào)節(jié)。在輸出外特性的電流特性區(qū)，當(dāng)IC17-3為“1”時(shí)，d70被阻斷，這時(shí)電路輸出K1I＊O＝K1I＊OA＝K1I＊OB＝K1I＊O4;當(dāng)IC17-3為“0”時(shí)，d70導(dǎo)通，這時(shí)電路輸出K1I＊O＝K1I＊OA＝K1I＊OB＝K1I＊O5，如此得到如圖6c所示的矩形脈沖電流波形。在輸出外特性的電壓特性區(qū)，將開(kāi)關(guān)SW閉合，IC17停振，此時(shí)IC16的工作情況和圖4b中SI1電流指令電路的IC13工作情況相同。顯然采用不同形式的時(shí)間函數(shù)發(fā)生器即可獲得種種不同的輸出電流時(shí)間波形，如三角波、梯形波等等，也可以控制電流升降速率，即實(shí)現(xiàn)所謂“電子電抗器”功能。
參見(jiàn)圖7，這是在圖1的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)直流變換器在輸出側(cè)并聯(lián)運(yùn)行而構(gòu)成第十實(shí)施例，兩臺(tái)公用一個(gè)電流指令電路SI(SI1或SI2或SI3)和一個(gè)控制電源CC，兩臺(tái)各自有在線(xiàn)路結(jié)構(gòu)上彼此相同的截止時(shí)間電路SE，SE可同為SE1或SE2或SE3，另兩臺(tái)各自有在線(xiàn)路結(jié)構(gòu)上彼此相同的帶變壓器的正激型直流功率變換主電路、半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路及電流傳感器的ZF。仿此并聯(lián)方法還可以組成三臺(tái)或更多臺(tái)數(shù)直流變換器在輸出側(cè)并聯(lián)運(yùn)行。
參見(jiàn)圖8，該圖列舉了除開(kāi)圖2a以外的其他帶變壓器的正激型直流功率變換主電路，(包括電流傳感器及半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路在內(nèi))，圖8a為半橋式;圖8b為中點(diǎn)抽頭式;圖8c為單端單管式，其中T1變壓器的第三繞組N3及整流器D1是供變壓器鐵心退磁之用;圖8d為單端雙管式。此外圖8b-8d中的CS1電流傳感器采用分流器電阻或霍爾直流電流傳感器，在圖8C-圖8d中只使用單一驅(qū)動(dòng)信號(hào)G。附注K1與附圖中K1同義，K2與附圖中k2同義。
權(quán)利要求
1.一種籍助半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)將直流輸入功率變換為另一種電壓或電流下直流輸出的截止控制直流變換器，包括帶變壓器的正激型直流功率變換主電路、半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路、電流傳感器及控制電源，其特征在于，輸出外特性的控制分為電流特性區(qū)控制及電壓特性區(qū)控制，設(shè)有控制電路；電流特性區(qū)的下電流特性區(qū)段的控制是，在半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間，當(dāng)其所流過(guò)的電流I上升到I＊PA值時(shí)使半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)截止，經(jīng)過(guò)截止時(shí)間t＊EA后再使其導(dǎo)通；電流特性區(qū)的上電流特性區(qū)段的控制是，在半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間，當(dāng)其所流過(guò)的電流I上升到I＊pB值時(shí)使半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)截止，經(jīng)過(guò)截止時(shí)間t＊EB后再使其導(dǎo)通
2.如權(quán)利要求1所述的直流變換器，其特征在于，電壓特性區(qū)的前電壓特性區(qū)段的控制是，在半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間，當(dāng)其所流過(guò)的電流I上升到I＊PC值時(shí)使半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)截止，經(jīng)過(guò)截止時(shí)間t＊EB后再使其導(dǎo)通;電壓特性區(qū)的后電壓特性區(qū)段的控制是，在半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間，當(dāng)其所流過(guò)的電流I上升到I＊PC值時(shí)使半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)截止，經(jīng)過(guò)截止時(shí)間t＊EC后再使其導(dǎo)通;控制電路由截止時(shí)間電路SE及電流指令電路SI所組成。
3.如權(quán)利要求2所述的直流變換器，其特征在于，截止時(shí)間電路SE為SE1，SE1由電阻r16～r41、電容c15、二極管d15～d19、晶體管BG15～BG19、電位計(jì)WR15、D觸發(fā)器IC2～I(xiàn)C3、運(yùn)算放大器IC4～I(xiàn)C7、與門(mén)IC10～I(xiàn)C12及比較器IC8～I(xiàn)C9所組成。
4.如權(quán)利要求2所述的直流變換器，其特征在于，截止時(shí)間電路SE為SE2，SE2由電阻r16～r42、電容C15～C16、二極管d15～d20、晶體管BG15～BG16、電位計(jì)WR15、D觸發(fā)器IC2～I(xiàn)C3、運(yùn)算放大器IC4～I(xiàn)C7、與門(mén)IC10～I(xiàn)C12及比較器IC8～I(xiàn)C9所組成。
5.如權(quán)利要求1所述的直流變換器，其特征在于，電壓特性區(qū)的前電壓特性區(qū)段的控制是，在半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間，當(dāng)其所流過(guò)的電流I上升到I＊PC值時(shí)使半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)截止，經(jīng)過(guò)截止時(shí)間t＊EB后再使其導(dǎo)通;電壓特性區(qū)的后電壓特性區(qū)段的控制是，在半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間，當(dāng)其所流過(guò)的電流I上升到I＊PC值時(shí)使半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)截止，經(jīng)過(guò)截止時(shí)間t＊EA或t＊EB(二者交替使用)后再使其導(dǎo)通;控制電路由截止時(shí)間電路SE及電流指令電路SI所組成。
6.如權(quán)利要求5所述的直流變換器，其特征在于，截止時(shí)間電路SE為SE3，SE3由電阻r35～r100、電容C35～C36、電位計(jì)WR35、二極管d35～d36、時(shí)基電路IC85、比較器IC86～I(xiàn)C87、運(yùn)算放大器IC88～I(xiàn)C89、與非門(mén)IC90～I(xiàn)C91、D觸發(fā)器IC92及與門(mén)IC93～I(xiàn)C95所組成。
7.如權(quán)利要求2或5所述的直流變換器，其特征在于，電流指令電路SI為SI1，SI1由電阻r1～r10、電位計(jì)WR1～WR2、電容C1～C2、二極管d1、穩(wěn)壓管W1及運(yùn)算放大器IC13所組成。
8.如權(quán)利要求2或5所述的直流變換器，其特征在于，電流指令電路SI為SI2，SI2由電阻r50～r88、電位計(jì)WR50、電容C50～C52、二極管d50～d52、穩(wěn)壓管W50及運(yùn)算放大器IC14～I(xiàn)C15所組成。
9.如權(quán)利要求2或5所述的直流變換器，其特征在于，電流指令電路SI為SI3，SI3由電阻r70～r81、電容C70～C73、可調(diào)電容C74、二極管d70～d73、穩(wěn)壓管W70、電位計(jì)WR70～WR72、開(kāi)關(guān)SW、運(yùn)算放大器IC16及時(shí)基電路IC17所組成。
10.如權(quán)利要求2或5所述的直流變換器，其特征在于，兩臺(tái)直流變換器在輸出側(cè)并聯(lián)運(yùn)行，兩臺(tái)公用一個(gè)電流指令電路SI和一個(gè)控制電源，兩臺(tái)各自有在線(xiàn)路結(jié)構(gòu)上彼此相同的截止時(shí)間電路SE、帶變壓器的正激型直流功率變換主電路，半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路及電流傳感器。
全文摘要
截止控制直流變換器是一種借助半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)將直流輸入變換為另一種電壓或電流下直流功率輸出的電源變換裝置，實(shí)行截止時(shí)間與峰值電流的瞬時(shí)控制。在其電流外特性區(qū)，則是一個(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)影響的可控電流源；在其電壓外特性區(qū)，則又是一個(gè)頻響快穩(wěn)壓性能良好的可控電壓源。其輸出性能能良好地滿(mǎn)足以電流特性為主要工作特征的用電負(fù)載諸如電焊接負(fù)載的需求，還特別適于多臺(tái)并聯(lián)以構(gòu)成10千瓦級(jí)以上的大功率裝置。
文檔編號(hào)H02M3/10GK1061497SQ90105590
公開(kāi)日1992年5月27日 申請(qǐng)日期1990年11月10日 優(yōu)先權(quán)日1990年11月10日
發(fā)明者盧驥, 盧偉白 申請(qǐng)人:盧驥