专利名称：无电源变压器交流稳压电路的制作方法
技术领域：
本发明属于电力电子技术和设备领域，尤其是利用电力电子自关断器件对交流电进行同步变换的无电源变压器交流稳压电路。
背景技术：
市电交流供电电压在供电过程中的不稳定，会对用电设备产生不良影响。特别当电压波动幅度很大时，不但会令用电设备无法正常工作，还可能造成用电设备的损坏。交流稳压器是一种能够为用电设备提供相对稳定工作电压的稳压设备，广泛地应用于工业交通、国防、铁路及科研等领域的设备中。现有的交流稳压器都是采用电源变压器经控制电路调整电压来达到稳压的目的。作为交流稳压器首要的部件的电源变压器，由于制造时需要大量铜导线和硅钢片，且在冶炼铜导线和硅钢片时要消耗大量的热能，因此必将极大地消 耗有限资源和能源；另一方面，在一定容量范围内，变压器的容量和重量成正比(伏安/公斤)，因此交流稳压器普遍存在体积大、重量大、损耗高等缺点。这些不足在目前倡导的低碳经济中显得尤为突出，所以采用技术手段在一定范围和条件下找到变压器的替代物，是当前电力电子技术领域亟待解决的课题。
发明内容
针对现有交流稳压器的不足，本发明要解决的技术问题是，提供一种无电源变压器交流稳压电路。该电路采用电容器储存能量，利用电力电子中的功率自关断器件(晶体三极管、GT0、IGBT和VM0SFET)的可关断特性，组成开关电路。通过电压同步检测电路控制脉宽调制电路分别在交流电正负半周期内驱动两只自关断器件通和断，电压检测电路将检测到的输出电压值经光偶传给脉宽调制电路，控制输出的脉冲宽度，由驱动电路驱动开关电路内的自关断器件实现与交流电压波形同步的脉宽调制变换，同时将存储在电容器内的电能以电压形式与电网电压叠加，以实现输出交流电压的稳定。本发明解决所述技术问题的技术方案是，设计一种无电源变压器交流稳压电路，该电路主要包括开关电路、电压检测电路、整流电路、隔离驱动电路、同步控制电路、脉宽调制电路和驱动电路。所述的开关电路由自关断器件Tl和T2、二极管D1、D2、D3和D4、储能电容器C2和C3、输出滤波电容器C4及输出滤波电感L2构成；所述的电压检测电路由电阻R和发光管Gl构成；所述的整流电路由控制变压器B及整流稳压电路El和E2构成；所述的隔离驱动电路由接收管G2'构成；所述的脉宽调制电路由接收管Gl'、控制器PWM构成。所述的开关电路内的自关断器件Tl的控制极bl与所述的驱动电路的输出端r相连，自关断器件Tl的阴极与所述的整流电路内的整流稳压电路E2的负极相连，所述的开关电路内的自关断器件T2的控制极b2与所述的隔离驱动电路的输出端q相连，自关断器件T2的阴极与所述的整流电路内的整流稳压电路El的负极相连；所述的开关电路内的输出滤波电感L2与所述的电压检测电路内的电阻R的一端相连；所述的整流电路内的控制变压器B的初级线圈的两根引线，一根引线接公共端N，另一根引线经滤波电感LI和电源端子相连，滤波电感LI的另一端与滤波电容器Cl相连；控制变压器B的次级线圈的两个绕组分别连接到整流稳压电路El和E2，整流稳压电路El的正负极分别连接到所述的隔离驱动电路，整流稳压电路E2的正负极分别连接到所述的同步控制电路、所述的脉宽调制电路和所述的驱动电路；所述的同步控制电路的c端与所述的整流电路内的控制变压器B的a端相连，控制变压器B的b端与所述的同步控制电路的d端相连；同步控制电路的e端与脉宽调制电路的所述的脉宽调制电路的g端相连，所述的同步控制电路的f端与所述的脉宽调制电路的h端相连，所述的脉宽调制电路的i端连 接到所述的驱动电路的j端；所述的电压检测电路内的发光管Gl与所述的脉宽调制电路内的接收管Gl'相耦合，所述的脉宽调制电路经发光管G2与所述的隔离驱动电路内的接收管G2'相耦合。在上述方案中，所述的开关电路由正负半周期两个支路组成，在正半周期支路中，二极管Dl的负极与储能电容器C2的一端连接后，再与自关断器件Tl的阳极相连接，电容器C2的另一端与公共端N相连接，自关断器件Tl的阴极和阳极反向并联有二极管D2，自关断器件Tl的阴极连接至输出滤波电感L2的一端，输出滤波电感L2的另一端与输出滤波电容器C4的一端相连接，C4的另一端与公共端N相连接；在负半周期支路中，二极管D3的正极与储能电容器C3的一端连接后，再与自关断器件T2的阴极相连接，储能电容器C3的另一端与公共端相连接，自关断器件T2的阴极和阳极反向并联有二极管D4，自关断器件T2的阳极连接至输出滤波电感L2的一端,输出滤波电感L2的另一端与输出滤波电容器C4的一端相连接，输出滤波电容器C4的另一端与公共端N相连接。在上述方案中，所述的开关电路内的正负半周期两个支路中的自关断器件Tl和T2，是按如下方式与交流电压同步工作的。在交流电压波形的(0-π)区间内，由所述的脉宽调制电路发出以O点为起点、脉冲宽度为β的驱动电位，经所述的驱动电路驱动自关断器件Tl导通；在交流电压的U-2JI)区间内，由所述的脉宽调制电路发出以点为起点、脉冲宽度为β的驱动电位，经所述的隔离驱动电路驱动自关断器件Τ2导通。在上述方案中，所述的电压检测电路由电阻R与发光管Gl串联，电阻R的一端连接至输出端LM，电阻R的另一端与发光管Gl的阳极相连，发光管Gl的阴极与输出端的公共端N相连接。在上述方案中，所述的同步控制电路从所述的整流电路内的控制变压器B的次级线圈的a端和b端采取交流电压的同步电位后，在交流电正负半周期内分别传给所述的脉宽调制电路，作为两只自关断器件导通控制的同步控制电压。在上述方案中，所述的电压检测电路将检测到负载FZ的电压值，经发光管Gl和接收管Gl'组成的光电耦合器耦合后，将电压信号传给所述的脉宽调制电路内的控制器PWM，由控制器PWM控制电压信号的脉冲宽度，电压信号分两路输出，一路输出给所述的驱动电路驱动所述的开关电路内的自关断器件Tl开关工作；另一路输出的电压信号经发光管G2和接受管G2'组成的光电耦合器耦合后，传给所述的隔离驱动电路进行放大，驱动所述的开关电路内的自关断器件T2开关工作。该电路的工作原理电路工作时，交流电由输入端L和公共端N接入，经输入滤波电感LI和输入滤波电容器Cl组成的输入滤波电路滤波后，为开关电路正负半周期支路供电。开关电路的正半周期电能经二极管Dl存储在储能电容器C2中，电压检测电路检测到的负载FZ的端电压值，经发光管Gl与接收管Gl'组成的光电耦合器耦合后，传给脉宽调制电路中的控制器PWM，脉宽调制电路输出以交流电压波形的O点为起点、脉冲宽度为β的电压信号，经驱动电路在交流电(0-π)区间内驱动开关电路内的自关断器件Tl开关工作，Tl关断瞬间，储存在电感L2内的电能经二极管D2释放到储能电容器C2 ;开关电路的负半周期电能经二极管D2存储在储能电容器C3中，电压检测电路检测到的负载FZ的端电压值，经发光管G2与接收管G2'组成的光电耦合器耦合后，传给脉宽调制电路中的控制器PWM，脉宽调制电路输出以交流电压波形的η点为起点、脉冲宽度为β的电压信号，经隔离驱动电路在交流电(π_2π)区间内驱动开关电路内的自关断器件Τ2开关工作，Τ2关断瞬间，储存在电感L2内的电能经二极管D4释放到储能电容器C3。当电网电压低于稳定电压值时，储能电容器C2和C3内存储的电能以电压形式与电网的电压相叠加，达到额定电压值；当电网电压高于额定电压值时，开关电路的自关断器件Tl和Τ2的导通时间会分别在交流电正负半周期内自动调整到某一定值，经输出滤波电感L2和输出滤波电容器C4滤波后，随交流电压正负半周期波形周期式工作，进而实现交流电压的平均值稳定，脉冲宽度β越宽，输出的电压越高。滤波电感LI和L2在电路中还起到限制电流瞬间过大的作用，以保护自关断器件 和二极管，同时减小对电网的冲击。该电路的滤波电感LI和L2的电感值较小，可采用软磁材料制成的磁环或瓷罐制作。如将滤波电感LI和L2设置成屏蔽罩，由于该电路不含电源变压器，因此可抗电磁辐射，特别适用于防电磁炸弹的袭击和电磁干扰的军用电设备。利用本发明无电源变压器交流稳压电路作为一个单元，进行多单元组合后，可得到多相无电源变压器交流稳压电路。本发明的有益之处在于无电源变压器交流稳压电路，减小了电路的体积和重量，提高了电源效率，在一定范围内可以替代现有的交流稳压电路。由于电路中不含电源变压器，因此用该电路制成的交流稳压装置可降低金属铜和硅钢片资源的消耗，减少生产产品的对环境的污染。
下面结合附图对本发明的具体实施方式
做进一步详细说明。图I为无电源变压器交流稳压装置的电路原理中标号I开关电路2电压检测电路3整流电路4隔离驱动电路5同步控制电路6脉宽调制电路7驱动电路
具体实施例方式本发明是一种无电源变压器交流稳压电路，图I是利用本发明实施的一种无电源变压器交流稳压装置的电路原理图，该电路由输入端L，公共端N，输入滤波电感LI、输入滤波电容器Cl、开关电路1，电压检测电路2，整流电路3、隔离驱动电路4、同步控制电路5、脉宽调制电路6、驱动电路7、输出滤波电感L2和输出滤波电容器C4所构成。该装置工作时，交流电由输入端L和公共端N接入，经输入滤波电感LI和输入滤波电容器Cl组成的输入滤波电路滤波后，为开关电路I的正负半周期两个支路供电。开关电路I的正半周期电能经二极管Dl存储在储能电容器C2中，电压检测电路2检测到的负载FZ的端电压值，经发光管Gl与脉宽调制电路6内的接收管Gl'组成的光电耦合器耦合后，传给脉宽调制电路6中的控制器PWM，脉宽调制电路6输出以交流电压波形的O点为起点、脉冲宽度为β的电压信号，经驱动电路7在交流电(0-π)区间内驱动开关电路I内的自关断器件Tl开关工作，当Tl关断瞬间，储存在输出滤波电感L2内的电能经二极管D2释放到储能电容器C2 ；开关电路I的负半周期电能经二极管D2存储在储能电容器C3中，电压检测电路2检测到的负载FZ的端电压值，经发光管G2与隔离驱动电路4内的接收管G2'组成的光电耦合器耦合后，传给脉宽调制电路6中的控制器PWM，脉宽调制电路6输出以交流电压波形的η点为起点、脉冲宽度为β的电压信号，经隔离驱动电路4在交流电(π-2π) 区间内驱动开关电路I内的自关断器件Τ2开关工作，当Τ2关断瞬间，储存在输出滤波电感L2内的电能经二极管D4释放到储能电容器C3。当电网电压低于稳定电压值时，储能电容器C2和C3内存储的电能以电压形式与电网的电压相叠加，达到额定电压值；当电网电压高于额定电压值时，开关电路的自关断器件Tl和Τ2的导通时间会分别在交流电正负半周期内自动调整到某一定值，经输出滤波电感L2和输出滤波电容器C4滤波后，随交流电压正负半周期波形周期式工作，进而实现交流电压的平均值稳定，脉冲宽度β越宽，输出的电压越高。利用本发明无电源变压器交流稳压电路作为一个单元，进行多单元组合，可得到多相无电路变压器交流稳压电路，制作出多相无电源变压器交流稳压装置。该装置的滤波电感LI和L2的电感值较小，可采用软磁性材料磁环或瓷罐制作，如将滤波电感LI和L2进行屏蔽后，则该装置可抗电磁辐射，特别适用于防止电磁炸弹和电磁干扰袭击的军用电气设备。用本发明制成的无电源变压器交流稳压装置，体积和重量约是现有交流稳压器体积和重量的五分之一；电源效率为95-98%，较现有的交流稳压器技术效率提高一倍多，可在一定范围内替代现有交流稳压器；降低了噪音和电磁辐射，可抗电磁干扰，特别适用于军用电气设备；减少了金属铜和硅钢片资源的消耗，降低了生产产品的对环境的污染程度，从而保护了环境。
权利要求
1.一种无电源变压器交流稳压电路，其特征是该电路主要包括开关电路(I)、电压检测电路(2)、整流电路(3)、隔离驱动电路(4)、同步控制电路(5)、脉宽调制电路(6)和驱动电路(7)。
2.根据权利要求I所述的无电源变压器交流稳压电路，其特征是所述的开关电路(I)由正负半周期两个支路组成，在正半周期支路中，ニ极管Dl的负极与储能电容器C2的一端连接后，再与自关断器件Tl的阳极相连接，电容器C2的另一端与公共端N相连接，自关断器件Tl的阴极和阳极反 向并联有ニ极管D2，自关断器件Tl的阴极连接至输出滤波电感L2的一端，输出滤波电感L2的另一端与输出滤波电容器C4的一端相连接，C4的另一端与公共端N相连接；在负半周期支路中，ニ极管D3的正极与储能电容器C3的一端连接后，再与自关断器件T2的阴极相连接，储能电容器C3的另一端与公共端相连接，自关断器件T2的阴极和阳极反向并联有ニ极管D4，自关断器件T2的阳极连接至输出滤波电感L2的一端，输出滤波电感L2的另一端与输出滤波电容器C4的一端相连接,输出滤波电容器C4的另一端与公共端N相连接。
3.根据权利要求I和2所述的无电源变压器交流稳压电路，其特征是所述的开关电路(I)内的正负半周期两个支路中的自关断器件Tl和T2，是按如下方式与交流电压同步エ作的。在交流电压波形的(0-π)区间内，由所述的脉宽调制电路(6)发出以O点为起点、脉冲宽度为β的驱动电位，经所述的驱动电路(7)驱动自关断器件Tl导通；在交流电压的(Ji-2 π)区间内，由所述的脉宽调制电路(6)发出以π点为起点、脉冲宽度为β的驱动电位，经所述的隔离驱动电路(4)驱动自关断器件Τ2导通。
4.根据权利要求I所述的无电源变压器交流稳压电路，其特征是所述的同步控制电路(5)从所述的整流电路(3)内的控制变压器B的次级线圈的a端和b端采取交流电压的同步电位后，在交流电正负半周期内分别传给所述的脉宽调制电路(6)，作为两只自关断器件导通控制的同步控制电压。
5.根据权利要求I所述的无电源变压器交流稳压电路，其特征是所述的电压检测电路(2)将检测到负载FZ的电压值，经发光管Gl和接收管Gl'组成的光电耦合器耦合后，将电压信号传给所述的脉宽调制电路(6)内的控制器PWM，由控制器PWM控制电压信号的脉冲宽度，电压信号分两路输出，一路输出给所述的驱动电路(7)驱动所述的开关电路(I)内的自关断器件Tl开关工作；另一路输出的电压信号经发光管G2和接受管G2'组成的光电耦合器耦合后，传给所述的隔离驱动电路(4)进行放大，驱动所述的开关电路(I)内的自关断器件T2开关工作。
全文摘要
本发明公开了一种无电源变压器交流稳压电路，该电路主要包括开关电路、电压检测电路、整流电路、隔离驱动电路、同步控制电路、脉宽调制电路和驱动电路。该电路采用电容器储存能量，通过电压同步检测电路控制脉宽调制电路分别在交流电正负半周期内驱动两只自关断器件通和断，电压检测电路将检测到的输出电压值经光偶传给脉宽调制电路，控制输出的脉冲宽度，由驱动电路驱动自关断器件实现与交流电压波形同步的脉宽调制变换，同时将存储在电容器内的电能以电压形式与电网电压叠加，以实现输出交流电压的稳定。用该电路制成的交流稳压器可降低金属铜和硅钢片资源的消耗，减少生产产品的对环境的污染，在一定范围内可以替代现有的交流稳压电路。
文档编号H02M5/275GK102857114SQ20121038548
公开日2013年1月2日 申请日期2012年10月12日 优先权日2012年10月12日
发明者孙亚娟, 李庚雷, 李香龙, 张炜, 戴学成 申请人:天津工业大学