专利名称：三进制数字补偿式交流稳压电源的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种交流稳压电源装置技术背景目前，数字补偿式交流稳压器是公知补偿型中较为新颖的一类。图(19)是一个四位的数字补偿式交流稳压电源主要功能的原理图。图中，变压器B1，B2，B3，B4构成补偿组，它们都只有两组线圈且匝数比依次按B1匝数比K的1，2，4，8的倍率取值。这四个变压器的次级线圈两端依次串联后连接于稳压电源的输入和输出之间，而它们的初级，一是将它们无点标示的一端连接到一起，再接到两个串联连接在一起的双向可控硅串(Q9，Q10)的连接处(即节点CN4)，二是将它们各自另一端分别接到四对两两串联在一起的双向可控硅串(即Q1和Q2，Q3和Q4，Q5和Q6，Q7和Q8)的连接处(即节点CN1～CN4)，再将这五对可控硅串并联连接在一起分别连接到交流稳压电源输出的两端Vout和0V上。
输出两端连接到取样变压器(T5)的初级，这取样变压器的次级接到控制电路(12)的反馈输入端口(Vin1，Vin2)上。控制电路(12)的补偿触发输出端(/A0～/A4)则分别接到(Q2，Q4，Q6，Q8，Q10)的K端，控制电路(12)的补偿触发输出回路端(AL)接到(Q2，Q4，Q6，Q8，Q10)共同的M2端即电源输出端(Vout)上；控制电路(12)的补偿触发输出端(A0～A4)则分别接到(Q1，Q3，Q5，Q7，Q9)的K端，控制电路(12)的补偿触发输出回路端(AN)接到(Q1，Q3，Q5，Q7，Q9)共同的M2端即电源公用端(0V)上。A0～A4和/A0～/A4是一一对应地互为反相，互为隔离的，AN是A0～A4的公共回路端，AL是/A0～/A4的公共回路端。这样，在控制电路的控制作用下，通过A0～A4或/A0～/A4输出不同的数字信号值，会使补偿组输出不同的补偿电压。
当控制电路的输出A4＝1(即/A4＝0，下同。)时，A4端子相对AN端子有触发电能输出，而/A4端子相对AL端子没有触发电能输出，Q9被触发导通，Q10则因没被触发而截止。同时，与A0～A3中为“1”的端子相连接的(Q1，Q3，Q5，Q7)中的被触发导通，与之对应的(Q2，Q4，Q6，Q8)中的则因没被触发而截止；与A0～A3中为0的端子相连接的(Q1，Q3，Q5，Q7)中的因没被触发而截止，与之对应的(Q2，Q4，Q6，Q8)中的则被触发导通。(Q1，Q3，Q5，Q7)中被触发导通的，与其相连接变压器初级线圈又经Q9而短路，导致其次级线圈短路而成为输出回路中的导通线；(Q2，Q4，Q6，Q8)中被触发导通的，与其相连接变压器初级线圈又经Q9而反相地接到了输出两端，导致其次级线圈输出(与输入电源)反相的补偿电压，从而使得输出电压降低。反之亦然。
设第1位变压器(B1)的匝数比为K，0＜＝m＜＝n-1，则有n个变压器的补偿组输出的降压(A4＝1)补偿电压Δ2V-式一Δ2V-＝-VoutK(20/A0+21/A1+22/A2+…+2n-1/An-1) (/Am＝0，1) (1)升压(A4＝0)补偿电压Δ2V+式二
Δ2V+＝VoutK(20A0+21A1+22A2+…+2n-1An-1) (Am＝0，1) (2)该类数字补偿式交流稳压器较一般补偿式先进的主要有三点一是省掉了机电一体的调压变压器，二是稳定时间短，可达20mS；三是可通过增加变压器的数量来提高稳压精度而又几乎不增加变压器组的重量，这是因为总的补偿功率并没有增加。但是，该类数字补偿式交流稳压器还存在着明显的不足。从上面的式一和式二可知补偿组的输出实上是将双向的二进制数字A0A1A2…An-1信号转换成补偿组的可以为负值的变压比值的结果。作为主要部件的每一个变压器，都是工作在同相输出和短路导通的两种状态之间，或者都是工作在反相输出和短路导通的两种状态之间。而变压器本身是具有同相输出和短路导通和反相输出这三种状态的，要充分利用它就应使它工作在这三种状态之间。显然，目前数字补偿式交流稳压器中的补偿变压器并没有得到充分利用。
发明内容
为了克服目前数字补偿式交流稳压电源未能充分利用补偿变压器的不足，本发明提供一种三进制数字补偿式交流稳压电源，该电源不仅具备同样短的稳定时间，而且还在一定补偿变压器数量下提高了稳压精度或输入电压范围。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是采用只有两个线圈的n个变压器，它们的次初级线圈的匝数比分别按第一个变压器匝数比为K的30，31，32，33，……，3n-1的倍数取值，其功率容量的总和就是该电源所需的最大补偿功率。
每一个变压器是一个三值调压电路的输出主要部件，其初级线圈两端分别接到该电路的，由四个开关(Q1～Q4)串联连接，再首尾相连接所形成的桥式开关电路的一对对顶点，即桥式输出节点(CN1，CN3)上；而这桥式开关电路的另一对对顶点(V1，V2)，即桥式输入节点(CN2，CN4)，或桥式输入端，则分别连接到电源输出的两端(Vout，0V)。这样，通过闭合桥式开关电路的一对对边上的两个开关(Q1，Q3)或(Q2，Q4)，就会使该变压器(B)初级线圈被反相或同相地接通到输出端(Vout，0V)；闭合桥式开关电路的与电源公用端(0V)连结的两个开关(Q3，Q4)，或闭合桥式开关电路的与电源输出端(Vout)连结的两个开关(Q1，Q2)，就会使该变压器初级线圈短路。这样，每一个三值调压电路就会有受到控制的三种不同的输出状态反相输出，短路导通，同相输出。
桥式开关电路的每一个开关，可以是一个接触器或继电器的结点，但最好是由电子器件组成的固态双向开关。固态双向开关可以是双向可控硅，也可以是两组由一个二极管(J1或J2)并联连接一个双极型晶体管，再反相串联连接所组成的组合电路，还可以是在由桥式整流电路输出两端并联连接双极型晶体管的集电极和发射极的组合电路；上述组合电路中的双极型晶体管还可以以MOSFET管或IGBT管或MCT管等代之。
四个固态双向开关分别由该三值调压电路的四个光耦和逻辑门等组成的桥式开关触发电路开通或关闭，触发电路设计成三态工作模式一是同相触发，使变压器输入电压与输出电压同相，输入为“10”(即对称三进制中的“+1”，下同)的数字信号去触发桥式开关电路一对对边上的两个开关(Q2，Q4)导通，该变压器次级输出电压和输入电压同相，使输出电压增加；二是短路触发，输入为“00”的数字信号，触发桥式开关电路的接电源公用端(0V)的两个开关(Q1，Q4)导通，或者触发桥式开关电路的接电源输出端(Vout)的两个开关(Q1，Q2)导通，致使该变压器的次级线圈因初级线圈短路而导通，而又不影响输出端，而使输出电压(Vout)为输入电压Vin；三是反相触发，输入为“01”的数字信号，触发桥式开关电路另一对边上的两个开关(Q1，Q3)导通，该变压器次级输出电压和输出电压(Vout)反向，使输出电压(Vout)降低。
所有三值调压电路的变压器次级串联连接，组成调压器，并且变压器次级串联连接后的首尾作为输出两端分别连接到电源的输出端(Vout)和输入端(Vin)，每一个三值调压电路的数字输入端(D0，D1)接至与其位数相一致的稳压控制电路(12)的数字输出端子。这样，调压器输出电压的大小就由这稳压控制电路(12)决定了，并且和其输出数字信号的值成正比。而稳压控制电路(12)则主要由比较取样反相放大电路，模拟/三值数字转换(即A/D)电路构成。其数字输出端口的每一个端子仍然延用二值传输模式，以其低电位表示“0”，高电位表示“1”，每两个端子传输一位三进制数据，这样一个n位的三进制数据端口就有2n个端子。第k位的数据端口是“(k-1)0”和“(k-1)1”号端子，每一位的数据端口只规定传输三种代码，即“01”，“00”和“10”。其中，代码“01”表示反相输出，数字定义为“-1”；代码“00”表示短路导通，数字定义为“0”；代码“10”表示同相输出，数字定义为“+1”。此外，用上述的调压器调压，为避免波形失真，本装置采用过零脉冲全波触发方式。本A/D转换是采用n级的三进制计数式的转换方式实现的，A/D转换周期与工频一致。
另外，输出二端(Vout，0V)接至控制电路(12)的反馈输入端(Vin1，0V)。
整个稳压过程是当输入电压为输出设定值时，输出电压反馈到稳压控制单元输入端，输入端的电压与设定的基准电压比较，取样，且反相放大后的电压为0V，再经A/D转换后产生的数字信号的值也为0，调压器输出为0V~(即短路导通)，输出电压等于输入电压。当输入电压大于输出电压设定值时，输出电压升高，反馈到稳压控制单元输入端的电压上升，与设定的基准电压比较取样电压反相放大，再经A/D转换后产生的数字信号的数字值为负，调压器输出为反相的电压，致使输出电压下降；反之亦然。
调压器中，设三进制各位的数字为S0，S1，S2，…，Sn-1，0＜＝m＜＝n-1，则上述的调压器输出电压Δ3V式三Δ3V＝VoutK(30S0+31S1+32S2+…+3n-1Sn-1) (Sm＝-1，0，1) (3)本方案的所能达到有益效果可由式二和式三推导而知设式二和式三中各位数字变量(Sm)的值为1，则(3)/(2)得式四Δ3V/Δ2V+＝(30+31+32+…+3n-1)/(20+21+22+…+2n-1)＝(3n-1)/(2n-1)/2(4)由上式(4)可见，在相同变压器数量下，目前的数字补偿方式与本方案的三进制数字补偿方式比较，变压器组的补偿电压范围，后者是前者的(3n-1)/(2n-1)/2倍。以变压器数量是4为例，本方案将使变压器组的补偿电压范围增大到2.67倍，或者使稳压精度提高2.67倍。所以，在输入电压范围和稳压精度一定值的情况下，使用本方案将会减少补偿(变压器)单元数量，会使制造成本降低，可靠性得到提高。
图1是说明本发明的交流稳压电源的整体结构的电路图。
图2是说明图1所示的三值调压电路(1～n)中的一位的电路图。
图3是由一个三值调压电路构成的交流调压器被反相触发时的状态图。
图4是由一个三值调压电路构成的交流调压器被短路触发时的状态图。
图5是由一个三值调压电路构成的交流调压器被同相触发时的状态图。
图6是说明由两个三值调压电路构成的交流调压器的电路图。
图7是图6在“-1”“-1”触发时的状态图。
图8是图6在“-1”“0”触发时的状态图。
图9是图6在“-1”“+1”触发时的状态图。
图10是图6在“0”“-1”触发时的状态图。
图11是图6在“0”“0”触发时的状态图。
图12是图6在“0”“+1”触发时的状态图。
图13是图6在“+1”“-1”触发时的状态图。
图14是图6在“+1”“0”触发时的状态图。
图15是图6在“+1”“+1”触发时的状态图。
图16是图2开关(Q1～Q4)中开关的第一种电路图。
图17是图2开关(Q1～Q4)中开关的第二种电路图。
图18是图2开关(Q1～Q4)中开关的第三种电路图。
图19是说明四位数字补偿式交流稳压电源的主要功能的原理图。
具体实施例方式
下面参照附图详细说明本发明的三进制数字补偿式交流稳压电源的实施例子。
图1是说明本发明的交流稳压电源的整体结构的方框图。
参照图1，由n个三值调压电路(1～n)构成调压器，三值调压电路按其变压器的匝数比倍率指数的数字+1取名，分为1位，2位，3位，…，n位的。所有三值调压电路的输出二端串联连接后连接于输入端(Vin)和输出端(Vout)，而它们的电源输入二端(V1，V2)则分别接至电源的输出端(Vout)和公用端(0V)，其触发输入两端(D0，D1)则接到控制电路(12)的数字输出相应位的端子。控制电路(12)的两个反馈输入端(Vin1，0V)分别接到电源的输出端(Vout)和公用端(0V)。这样，控制电路单元依据电源输出的电压和本身设定的值而产生出的校正值，以三进制数字形式经输出端进入调压器的触发输入端，就由调压器变换成相应的交流电压进行输出补偿。下面就仅单一的三值调压电路构成的调压器的调压作用和两个三值调压电路构成的调压器的调压作用作详细的说明。并且，图的结构因和上述类似的，不再详述。
图2是说明图1所示的三值调压电路(1～n)中的一位的电路结构，功能的示意图。
参照图2，变压器(B)初级线圈两端分别连接到桥式输出节点CN1和CN3，电源输入端(V1，V2)分别连接到桥式输入节点CN2和CN4。开关Q1设置在节点CN1和CN2之间，开关Q2设置在节点CN2和CN3之间，开关Q3设置在节点CN3和CN4之间，开关Q4设置在节点CN4和CN1之间。
当开关(Q1，Q3)闭合时，电源输入端(V1，V2)中，V1经Q1和变压器初级线圈带点的一端导通，V2经Q3和变压器初级线圈带点的另一端导通；当开关(Q2，Q4)闭合时，V1经Q2和变压器初级线圈带点的另一端导通，V2经Q4和变压器初级线圈带点的一端导通；当开关(Q1，Q2)或(Q3，Q4)闭合时，变压器初级线圈两端经(Q1，Q2)或(Q3，Q4)短路导通。
图3是由一个三值调压电路构成的调压器被反相触发时的状态图。参照图3，因为是第1位三值调压电路，其变压器匝数比为K，由于触发输入的是01，即“-1”，开关(Q1，Q3)闭合，变压器初级线圈两端经开关(Q1，Q3)反相地接到输出端(Vout，0V)，因而其次级线圈的输出电压(由式3得，下同)为-KVout，调压器输出电压为Vout＝Vin/(1+K)。
图4是由一个三值调压电路构成的调压器被短路触发时的状态图。参照图4，由于触发输入的是00，即“0”，开关(Q3，Q4)或(Q1，Q2)闭合，变压器初级线圈两端经(Q3，Q4)或(Q1，Q2)短路，因而其次级线圈也短路导通，调压器输出电压为Vout＝Vin。
图5是由一个三值调压电路构成的调压器被同相触发时的状态图。参照图5，由于触发输入的是10，即“+1”，开关(Q2，Q4)闭合，变压器初级线圈两端经(Q2，Q4)同相地接到输出端，因而其次级线圈的电压为KVout，调压器输出电压为Vout＝Vin/(1-K)。
图6是说明由两个三值调压电路构成的调压器的电路图，两个三值调压电路为第1位和第2位的，因而其变压器的匝数比为K和3K。
图7是图6在“-1”“-1”触发时的状态图。参照图7，因其第1位和第2位三值调压电路触发输入为01和01，所以串联次级线圈两端的电压为-4KVout，调压器输出电压为Vout＝Vin/(1+4K)。
图8是图6在“0”“-1”触发时的状态图。参照图8，因其第1位和第2位三值调压电路触发输入为00和01，所以串联次级线圈两端的电压为-3KVout，调压器输出电压为Vout＝Vin/(1+3K)。
图9是图6在“+1”“-1”触发时的状态图。参照图9，因其第1位和第2位三值调压电路触发输入为10和01，所以串联次级线圈两端的电压为-2KVout，调压器输出电压为Vout＝Vin/(1+2K)。
图10是图6在“-1”“0”触发时的状态图。参照图10，因其第1位和第2位三值调压电路触发输入为01和00，所以串联次级线圈两端的电压为-KVout，调压器输出电压为Vout＝Vin/(1+K)。
图11是图6在“0”“0”触发时的状态图。参照图11，因其第1位和第2位三值调压电路触发输入为00和00，所以串联次级线圈两端的电压为0，调压器输出电压为Vout＝Vin。
图12是图6在“+1”“0”触发时的状态图。参照图12，因其第1位和第2位三值调压电路触发输入为10和00，所以串联次级线圈两端的电压为KVout，调压器输出电压为Vout＝Vin/(1-K)。
图13是图6在“-1”“+1”触发时的状态图。参照图13，因其第1位和第2位三值调压电路触发输入为01和10，所以串联次级线圈两端的电压为2KVout，调压器输出电压为Vout＝Vin/(1-2K)。
图14是图6在“0”“+1”触发时的状态图。参照图14，因其第1位和第2位三值调压电路触发输入为00和10，所以串联次级线圈两端的电压为3KVout，调压器输出电压为Vout＝Vin/(1-3K)。
图15是图6在“+1”“+1”触发时的状态图。参照图15，因其第1位和第2位三值调压电路触发输入为10和10，所以串联次级线圈两端的电压为4KVout，调压器输出电压为Vout＝Vin/(1-4K)。
三值调压电路中的固态双向开关若使用双向可控硅，电路是相对简单的，但必须有触发防护电路。组合而成的固态双向开关，有三种电路模式，由图16至图18所示。参照图16，这是由二极管并联三极管再反向串联而成，要用到两个可控元件；参照图17，这是在桥式整流器的输出端并联三极管而成，只用一个可控元件，不存在元件参数差异问题，但其自身开通后的压降损耗相对要大一些；参照图18，这是由两个MOSFET管的G极相互连接，S极相互连接而成的固态双向开关，不仅构造简单，而且自身开通后的损耗相对前两种来说是最小的。组合而成的固态双向开关，虽然其自身和所需的触发电路要复杂一些，但是在正常情况下是不会出现对电源短路的，因而对提高本发明的稳压电源的可靠性有利。
权利要求
1.一种三进制数字交流稳压装置的调压器，它是依据n位的对称三进制数字信号而在正相和反相范围内输出交流电源电压的调压器，其特征在于具备根据上述位长设置的，输出端出串联连接的多个的三值调压电路(1～n)，这三值调压电路(1～n)中的每一个都包含用于交流电压输出的变压器(B)；用于将变压器初级线圈正相导通于电源输入端(V1，V2)，或短路导通，或反相导通于电源输入端(V1，V2)的桥式开关电路(Q1～Q4)；用于触发(或控制)这桥式开关电路(Q1～Q4)的触发电路(11)。
2如权利要求1所述的三值调压电路，其特征在于上述的变压器只有初级和次级这两个线圈，这两个线圈的次级与初级之间的匝数比第1位的三值调压电路的是K，第2位的是31K，第3位的是32K，…，第n位的是3n-1K。
3.如权利要求1所述的三值调压电路，其特征在于变压器初级线圈有点标示的一端连接在桥式输出节点CN1上，另一端连接在桥式输出节点CN3上；电源输入端V1连接在桥式输入节点CN2上，电源输入端V2连接在桥式输入节点CN4上。
4.如权利要求1所述的三值调压电路，其特征在于上述桥式开关电路(Q1～Q4)由如下部分构成设置开关Q1在上述桥式输出节点CN1和桥式输入节点CN2之间；设置开关Q2在上述桥式输入节点CN2和桥式输出节点CN3之间；设置开关Q3在上述桥式输出节点CN3和桥式输入节点CN4之间；设置开关Q4在上述桥式输入节点CN4和桥式输出节点CN1之间。
5.如权利要求4所述的桥式开关电路，其特征在于上述的开关(Q1～Q4)中的每一个可以是一个接触器或继电器的结点，也可以是电子器件组成的固态双向开关；固态双向开关可以是双向可控硅，也可以是组合的固态双向开关。
6.如权利要求5所述的组合固态双向开关，其特征在于上述组合固态双向开关的第一种电路由如下部分构成两个三极管(T1，T2)的发射极连接到触发输入回路端(C0)；从这回路端(C0)至两三极管(T1，T2)的集电极，即开关的两端(Q-1，Q-2)分别正向并联连接一个二极管(J1，J2)，这两个三极管(T1，T2)的基极分别连接到两个电阻(R1，R2)的一端，这两个电阻的另一端连接到触发输入端(C1)；这三极管(T1，T2)还可代之以IGBT管或MCT管。
7.如权利要求5所述的组合固态双向开关，其特征在于上述组合固态双向开关的第二种电路由如下部分构成桥式整流电路(J1～J4)的正向和负向这两输出端分别连接到三极管(T1)的集电极和发射极；这三极管(T1)的基极连接到电阻(R1)的一端，这电阻(R1)的另一端作为触发输入端(C1)；这三极管(T1)的发射极作为触发输入回路端(C0)，桥式整流电路(J1～J4)的两个输入端作为开关的两端(Q-1，Q-2)；这三极管(T1)还可代之以MOSFET管或IGBT管或MCT管。
8.如权利要求5所述的组合固态双向开关，其特征在于上述组合固态双向开关的第三种电路由如下部分构成两MOSFET管(T1，T2)的S极相连接，作为触发输入回路端(C0)，它们的G极相连接，作为触发输入端(C1)，它们的D极分别作为开关的两端(Q-1，Q-2)。
9.如权利要求1所述的三值调压电路中所包含的变压器(B)，桥式开关电路(Q1～Q4)，和触发电路(11)，其特征在于在触发电路(11)处于“+1”输入状态时，触发电路(11)将上述的开关(Q2，Q4)闭合，上述的电源输入端V1经开关Q2导通到变压器(B)的初级线圈的无点标示的一端，另一个电源输入端(V2)经开关Q4导通到变压器(B)的初级线圈的有点标示的一端；在触发电路(11)处于“0”输入状态时，触发电路(11)仅将上述的两个开关(Q1，Q2)或者(Q3，Q4)闭合，变压器(B)的初级线圈经开关(Q1，Q2)或者(Q3，Q4)而短路导通；在触发电路(11)处于“-1”输入状态时，触发电路(11)将上述的开关(Q1，Q3)闭合，上述的电源输入端V1经开关Q1导通到变压器(B)的初级线圈的有点标示的一端，上述的另一个电源输入端V2经开关Q3导通到变压器(B)的初级线圈的无点标示的一端。
10.一种包含权利要求1所述的调压器(1～n)的，和稳压控制电路(12)的三进制数字补偿式交流稳压电源，它是一种将输出的交流电源电压稳定在预设值的交流稳压装置，其特征在于上述的调压器(1～n)的调压输出的二端分别连接到稳压电源的输入端(Vin)和输出端(Vout)，它的一个调压电源输入端(V1)连接到这稳压电源的输出端(Vout)，它的另一个调压电源输入端(V2)连接到这稳压电源的公用端(0V)，它的数字输入端连接到稳压控制电路(12)的数字输出端口的相应位数的端子；上述的稳压控制电路(12)的一个反馈输入端(Vin1)连接到这稳压电源的输出端，另一个反馈输入端(0V)连接到这稳压电源的公用端(0V)。
全文摘要
如所示的三值调压电路有n个，分别为(1～n)位的，其中第1位的变压器(B)的次级与初级的匝数比为K，第2位的为文档编号G05F1/10GK101059701SQ200710107130
公开日2007年10月24日 申请日期2007年5月8日 优先权日2007年5月8日
发明者曾旭华 申请人:曾旭华