AD变流器的制作方法

用于数码变频永磁发电机或用于输出直流低压永磁发电机的AD变流器，在2014年《国家重点新产品计划支持领域》中，属于电子核心基础产业的新型元器件技术领域。

背景技术：

一、数码变频永磁发电机，是近年发展起来的绿色环保、节能降耗的高科技智能产品。其内部采用永磁中频发电机、可控调压整流和交流逆变的电力电子技术，有发电效率高、体积重量小、价格低廉、波形失真小、与原动机配接简易等诸多优点。已取代需励磁绕组、励磁电源、电刷和滑环装置，体积重量大、金属耗材多的传统发电机。目前，这类发电机的输出功率为5千瓦及以下，市场年需求量超过千万台，成为包括发达国家在内的市场热销产品。

数码变频永磁发电机，其内部按功能可分为三部分：第一部分为三相交流永磁发电机，其功能是将原动机的机械能高效地转换成三相中频交流电能。第二部分为可控调压整流部分，其功能是将三相交流永磁发电机输送来的不同频率、不同峰值电压的交流电压变换为直流电压，并将输出的直流电压控制在额定值。第三部分为交流逆变部分，其功能是将可控调压整流部分输送来的直流电压逆变为频率和有效值满足客户所需的单相正弦波交流电。

目前，数码变频永磁发电机的第一部分、第三部分的技术已趋于成熟，第二部分技术尚未完善。市场调研表明，我国目前数码变频永磁发电机第二部分的可控调压整流产品，普遍使用有以下传统的技术方案：

采用三相共阴可控硅桥式整流电路为功率部件，与输出电压控制电路共同组成可控调压整流电路。当电路输出的直流电压低于输出额定值时，可控硅处于全开通状态，将三相交流永磁发电机输出的交流电压经三相整流后直接向后级输送；当电路输出的直流电压高于输出额定值时，可控硅处于全关断状态，切断三相交流永磁发电机的能量向后级输送。由于调压需要，电路反复工作在高速通断状态，输出的是脉动式直流电压。该方案优点是成本较低、工艺技术简单。其缺点是，必须另备一组低压直流电源，去触发三只可控硅的通或断。这就需在三相交流永磁发电机的定子线圈中另设置一组低压绕组，来产生这组低压直流电源，占用了发电机功率绕组的空间；也可以另设立一组“反激型高频斩波转换电路”，将三相交流永磁发电机输出的交流电转换为5V左右的直流电源，供控制触发用。由于设置一组低压直流电源引起了结构复杂，调压触发控制部件与功率部件只能分置二处，难以做成小型一体化，部件之间引线繁多，故障率及制造成本相对较高。又由于用一组触发信号同时触发三只可控硅的通或断，其功率部件只能采用“共阴式”可控硅桥式整流电路。该方案的电路原理方框图 如本说明书附图1所示。

二、由于永磁发电机的高耗、节能、体积小、重量轻等优点，近年来，输出直流低压永磁发电机，大量地用于生产和生活中。有的附属在汽、柴油动机上，供蓄电池充电用于原动机的启动；有的安装于车、船等移动设备上，或在矿井、边疆、荒野地区配以蓄电池作为主电源，所以这类永磁发电机要求输出的是直流低电压(12～36V)电能。这类发电机的输出功率为2千瓦及以下，目前国内市场年需求量约千万台，广泛用于运输、工矿、农业、野外作业等部门。

输出直流低压永磁发电机，其内部按主要功能结构，可分为二部分：第一部分为三相交流永磁发电机。第二部分为可控调压整流部分，其功能是将三相交流永磁发电机输送来的不同频率、不同峰值电压的交流电压变换为直流低电压，并将输出的直流电压控制在额定值内。第二部分传统的技术方案与用于数码变频永磁发电机的可控调压整流方案相似，急待改善。

鉴于上述二类永磁发电机对可控调压整流部件的要求，发明人创新出一种全新的可控调压整流电路，将三相交流永磁发电机输出的三相中频交流电(AC)，变换为输出电压可调节控制的直流电(DC)，该器件简称为“AD变流器”。

技术实现要素：

本发明提供一种新型的AD变流器，既可以用于数码变频永磁发电机，也可用于输出直流低压永磁发电机。本发明所述的AD变流器，具有以下六项技术特征：

一、输出直流电压任意额定——AD变流器在三相交流永磁发电机输入电压低于或等于额定输出电压时，内部电路呈三相全波整流功能，对外输出低于或等于额定值的直流电压；在三相交流永磁发电机输入电压高于额定输出电压时，对外输出等于额定值的直流电压；额定电压值在30～400伏特之间，可根据要求任意设定。

二、脉冲触发可控硅——AD变流器内对三相共阳可控硅桥式整流电路的触发，采用恒流脉冲触发形式，触发的恒流峰值为可控硅管I_GT的1.5～2倍，触发脉冲宽度为数微秒，触发瞬间功率为数拾毫瓦。

三、自动嵌定触发相位——AD变流器利用可控硅管的阳极对阴极之间的电位差由零转正值的瞬间作为触发起始相位，在三相交流永磁发电机输入电压低于或等于额定输出电压时，能自动嵌定各相起始触发零相位，保持三相之间120度触发脉冲相差，确保三相不间断导通。

四、无需触发驱动电源——AD变流器取可控硅管的阳极与阴极之间电位差形成脉冲触发信号，无需另外设置触发驱动电源。三相交流永磁发电机不需设置单独的触发驱动电源绕组，也不需设置类似“反激型高频斩波转换电路”来提供触发驱动电源，节省了发电机绕组空间， 简化了发电机制造工艺。全部触发驱动电路所需平均功率不大于2瓦，大幅度节约了触发驱动能量。

五、一体化、体积小——由于革除了触发驱动电源，AD变流器的取样比对触发电路、三相共阳可控硅桥式整流电路、三相阻容抗干扰桥式电路等可做成一体化，方便生产、测试、安装和维护。器件一体化后的体积减小，降低了永磁发电机的耗材。

六、散热效果好——采用铝基覆铜箔板作为器件底板，通过铝基覆铜箔板与散热部件的紧密接触，将AD变流器的热量直接传导给散热部件。

本发明所述AD变流器，用于数码变频永磁发电机中，其电路结构特征和工作原理如下：

本发明所述A变换流器，用于数码变频永磁发电机中，其电路结构特征在于：由取样比对触发电路、三相共阳可控硅桥式整流电路、三相阻容抗干扰桥式电路和外接端子等四部分组成；

取样比对触发电路包含有电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、稳压管D1、稳压管D8、电容C1、精密并联稳压集成电路H、光耦G、二极管D2、二极管D3、二极管D4、NPN型三极管S等15只元器件；H有三只外接脚：A脚为阳极、R脚为取样输入极、K脚为阴极，G有四只外接脚：1脚为内部LED的正极、2脚为内部LED的负极、3脚为内部NPN型三极管的发射极、4脚为内部NPN型三极管的集电极；

取样比对触发电路中，R1和R2串联，串联中点接H的R脚和C1的一脚，R1未串联脚接至外接端子部分的直流外端子+，R2未串联脚和C1的另一脚接至外接端子部分的直流外端子-，R3与D8的负极串联，串联中点接G的1脚和R4的一脚，R3未串联脚接至直流外端子+，D8的正极接到直流外端子-，H的K脚与R4的另一脚、G的2脚连接在一起，H的A脚接至直流外端子-，R5的一脚接至直流外端子+，R5另一脚与D1的负极、R6的一脚、G的4脚连接在一起，D1的正极与D2的正极、D3的正极、D4的正极、S的发射极、G的3脚连接在一起，S的基极与R6的另一脚相接，S的集电极接至直流外端子-；

三相共阳可控硅桥式整流电路包含有单向可控硅管K1、单向可控硅管K2、单向可控硅管K3、整流管D5、整流管D6、整流管D7、电容C2、电容C3、电容C4等9只元器件；

三相共阳可控硅桥式整流电路中，K1、K2、K3的阳极连接在一起并接至外接端子部分的直流外端子-上，K1、K2、K3的门极分别与触发电路D4、D3、D2的负极相接，K1、K2、K3的阴极分别与D5、D6、D7的正极相接后再分别接至外接端子部分的三个交流外端子～上，D5、D6、D7的负极连接在一起并接至外接端子部分的直流外端子+上，C2的二端分别接到K1的门极及阴极上，C3的二端分别接到K2的门极及阴极上，C4的二端分别接到K3的门极及阴极上；

三相阻容抗干扰桥式电路包含有电容C5、电容C6、电容C7、电阻R7、电阻R8、电阻R9等6只元器件；

三相阻容抗干扰桥式电路中，C5与R7串联、C6与R8串联、C7与R9串联，分别组成三个吸收支路，三个吸收支路的电阻端分别接到外接端子部分的三个交流外端子～上，三个吸收支路的电容端均接到外接端子部分的直流外端子+上；

外接端子部分包含有直流外端子+一只，直流外端子-一只，交流外端子～三只、交流端子不分相序。

本发明的数码变频永磁发电机电路原理方框图，如本说明书附图2。用于数码变频永磁发电机的AD变流器的电路原理图，如本说明书附图3。

本发明所述AD变流器的调压整流功能是：当器件的三只外端子～，输入三相变频(380～600Hz)、变压(380～600V)的交流电压(可以是非正弦波)时，器件的直流外端子+、直流外端子-向外输出的直流电压额定值为380V；当器件的三只外端子～，输入三相变频(330～380Hz)、变压(330～380V)的交流电压(可以是非正弦波)时，器件的直流外端子+、直流外端子-向外输出的直流电压值为330～380V。上述额定值可以人为调整设定。为使输出的直流电压纹波小，器件的直流外端子+、直流外端子-在外电路中配接有大容量电容，起储能滤波作用。

本发明所述AD变流器的调压工作原理，参见说明书附图3说明如下：电阻R1和电阻R2串联后分别连接在直流外接端子+和直流外接端子-上，对输出的直流电压进行分压取样。在R2上得到的取样值，送至精密并联稳压集成电路H的R、A脚，与H内部的基准电压(例如2.50V)进行比对。当直流外端子+、直流外端子-输出的直流电压低于额定电压时，R2上的取样电压低于基准电压，H的K、A脚间呈高阻状态，电阻R3、光耦G的1-2脚、H的K-A脚串联支路中无电流通过，G的1-2脚间的LED管不发光，G.的3-4脚间呈高阻状态，电阻R5流向稳压管D1的电流在D1上形成电压降，此压降通过电阻R6对三极管S提供基极电流，使S的发射极与集电极之间呈导通状态，可控硅管K1、K2、K3的阳极对阴极间的正电位差通过S向各自的门极产生触发电流，使可控硅管导通，三只可控硅管K1、K2、K3与三只整流管D5、D6、D7组成了三相全波桥式整流电路，三只交流外端子～输入的交流电通过三相全波桥式整流电路整流后，向直流外端子+、直流外端子-输出直流电压。

与上节相反，当直流外端子+、直流外端子-输出的直流电压高于额定电压时，在R2上得到的取样电压值高于基准电压，H的K、A脚间呈低阻状态，电阻R3、光耦G的1-2脚、H的K-A脚串联支路中即产生较大电流，G的1-2脚间的LED管发光并耦合到后级，使G的3-4脚间电阻减小，电阻R5流向稳压管D1的电流被短路，稳压管D1上不能形成压降，电阻R6上 无电流流动，三极管S因无基极电流使发射极与集电极之间呈截止状态，而流过电阻R5的电流远小于可控硅管的触发电流，可控硅管K1、K2、K3因得不到触发电流而处于截止状态，三只交流输入端子～因可控硅管的截止而停止向直流外端子+、直流外端子-输送功率，输出的直流电压将会降低。输出的直流电压低于额定值后，电路又将重复上节的反馈控制过程，将输出的直流电压升高。如此周而复始，将输出的直流电压控制调节在额定值上。

稳压管D8与R3组成的稳压电路，限制了H的K-A脚之间的电压值，保护H不至于受高电压损坏；电阻R4用于向H提供约0.5mA的工作电流；C1用于滤除H的R-A脚之间的杂波，保证H的工作不受干扰。

AD变流器的工作质量主要由精密并联稳压集成电路H的特性决定，要求其电压稳定性和电压温度特性要好，当外电路电压波动或器件温度波动时，其基准电压变化率要小；还要求其开环放大倍数要大，当取样电压在其R-A脚间有微小变化时，其K-A脚间即有很大的电流变化，用以提高器件的控压精度。市场已能提供多类精密基准电压集成运放电路产品可供选用，其参数能达到：电压温度特性50ppm/℃及以下，基准电压误差±0.4％及以下，开环放大倍数1000倍及以上。所制成的AD换流器产品的参数可达到：综合控压精度优于±1％，综合电压温度特性优于80ppm/℃。选择电阻R1和R2不同的配比值，可以大范围、任意地设定器件的输出额定电压，额定值可在30V～400V之间选定。形成了本发明的第一项技术特征——输出直流电压任意额定。

说明书附图10所示，是以AD变流器中直流外端子+为零电位，三只可控硅管K1、K2、K3的阴极电位随时间变化的图像，为方便分析问题，图中略去了高次谐波的图形。由图10可知，K1、K2、K3的阴极电位相对直流外端子+呈负值梯形波状态，且互差120度相位，其最大的负峰值V峰等于三相交流永磁发电机输出的交流峰值。器件对外输出额定电压V额时，由图可知，K1、K2、K3的阴极电位相对直流外端子-的电位差仍呈负值梯形波状态，且互差120度相位。设某时刻，AD换流器的直流输出电压低于额定电压，且K1的阴极电位相对直流外端子-的电位差，由正转为负，说明书附图3中以下支路：“K1的阳极-三极管S的集电极-S的发射极-二极管D4-K1的门极-K1的阴极”将产生电流，电流的大小由S的基极电流控制，其值等于K1的IGT的1.5～2倍，为数拾毫安，使K1触发导通。K1导通后，其阳极与阴极间电位差趋近于零，上述支路的二端由于无电位差存在，致使电流为零，触发终止。从K1门极加上触发电流到K1导通、触发电流为零所需时间很短，为数微秒，因此触发电流是恒流脉冲形式的，数拾毫安的触发电流乘以1伏左右的触发电压，瞬间触发功率也仅为数拾毫瓦。形成了本发明的第二项技术特征——脉冲触发可控硅。K1导通后经过120度相位，K2的阴极电位相对直流外端子-的电位差，由正转为负，以下支路：“K2的阳极-三极管S的集电极-S的发射极-二极管D3-K2的门极-K2的阴极”将产生触发电流，重复上节所述触发过程，K2导通后，K1因阴极相对阳极电位差转向正值、导通电流趋于零而关断。同理，再经 过120度相位，K3触发导通、K2关断。三只可控硅管的触发相位根据输入交流电的相位角自动嵌定，与输入交流电的电压峰值无关、与输入交流电的频率和周期无关。形成了本发明的第三项技术特征——自动嵌定触发相位。

参见说明书附图3，AD变流器中的比对触发电路所需电源，除触发脉冲能量来自可控硅管的阳极与阴极的电位差外，均取自器件的输出外接端子，各支路的电流均为毫安级，全部比对触发驱动电路所需平均功率不大于2瓦。形成了本发明的第四项技术特征——无需触发驱动电源。

说明书附图3中，电容C2、C3、C4的作用是抗触发干扰，分别并联在晶闸管K1、K2、K3的门极和阴极上，可以避免电路中杂波脉冲造成可控硅管的误动作。电容C5与电阻R7串联、电容C6与电阻R8串联、电容C7与电阻R9串联后分别组成的三个吸收支路，能有效吸收由于可控硅管通断瞬间在电路中产生的浪涌脉冲。

本发明所述AD变流器，用于输出直流低压永磁发电机中，其电路结构特征和工作原理如下：

本发明所述AD变流器用于输出直流低压永磁发电机时，由于这类永磁发电机的输出电压低、干扰少、负载简单等原因，故可省略去用于数码变频永磁发电机的AD变流器中的稳压管D8和三相阻容抗干扰桥式电路，由取样比对触发电路、三相共阳可控硅桥式整流电路和外接端子等三部分组成。其电路结构特征在于：

取样比对触发电路包含有电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、稳压管D1、电容C1、精密并联稳压集成电路H、光耦G、二极管D2、二极管D3、二极管D4、NPN型三极管S等14只元器件；H有三只外接脚：A脚为阳极、R脚为取样输入极、K脚为阴极，G有四只外接脚：1脚为内部LED的正极、2脚为内部LED的负极、3脚为内部三极管的发射极、4脚为内部三极管的集电极；

取样比对触发电路中，R1和R2串联，串联中点接H的R脚和C1的一脚，R1未串联脚接至外接端子部分的直流外端子+，R2未串联脚和C1的另一脚接至外接端子部分的直流外端子-，R3的一脚接G的1脚和R4的一脚，R3另一脚接至直流外端子+，H的K脚与R4的另一脚、G的2脚连接在一起，H的A脚接至直流外端子-，R5的一脚接至直流外端子+，R5另一脚与D1的负极、R6的一脚、G的4脚连接在一起，D1的正极与D2的正极、D3的正极、D4的正极、S的发射极、G的3脚连接在一起，S的基极与R6的另一脚相接，S的集电极接至直流外端子-；

三相共阳可控硅桥式整流电路包含有单向可控硅管K1、单向可控硅管K2、单向可控硅管K3、整流管D5、整流管D6、整流管D7、电容C2、电容C3、电容C4等9只元器件；

三相共阳可控硅桥式整流电路中，K1、K2、K3的阳极连接在一起并接至外接端子部分的直流外端子-上，K1、K2、K3的门极分别与触发电路D4、D3、D2的负极相接，K1、K2、K3的阴极分别与D5、D6、D7的正极相接后再分别接至外接端子部分的三个交流外端子～上，D5、D6、D7的负极连接在一起并接至外接端子部分的直流外端子+上，C2的二端分别接到K1的门极及阴极上，C3的二端分别接到K2的门极及阴极上，C4的二端分别接到K3的门极及阴极上；

外接端子部分包含有直流外端子+一只，直流外端子-一只，交流外端子～三只、交流端子不分相序。

本发明输出直流低压永磁发电机的电路原理方框图，如本说明书附图5；用于输出直流低压永磁发电机的AD变流器的电路原理图，如本说明书附图6。

用于输出直流低压永磁发电机的AD变流器的工作原理与用于数码变频永磁发电机的AD变流器相同，不再赘述。

附图说明

图1，传统数码变频永磁发电机电路的原理方框图。图中，虚线框内为可控调压整流部分。

图2，本发明数码变频永磁发电机的电路原理方框图。图中，虚线框内为可控调压整流部分。

图3，用于数码变频永磁发电机的AD变流器电路原理图。图中，用虚线隔成了取样比对触发电路、三相共阳可控硅桥式整流电路、三相阻容抗干扰桥式电路和外接端子等四部分

图4，用于数码变频永磁发电机的AD变流器产品一体化平面结构图。图中，底板采用长方形铝基覆铜箔板一片，产品外形尺寸为60毫米×40毫米×7毫米，所有元器件使用贴片工艺组装在铝基覆铜箔板上，四角设有供M3螺钉固定安装用的通孔四个。

图5，本发明输出直流低压永磁发电机的电路原理方框图。图中，虚线框内为可控调压整流部分。

图6，用于输出直流低压永磁发电机的AD变流器电路原理图。图中，用虚线隔成了取样比对触发电路、三相共阳可控硅桥式整流电路和外接端子等三部分

图7，用于输出直流低压永磁发电机的AD变流器产品一体化平面结构图。图中，底板采用长方形铝基覆铜箔板一片，产品外形尺寸为48毫米×44毫米×7毫米，所有元器件使用贴片工艺组装在铝基覆铜箔板上，四角设有供M3螺钉固定安装用的通孔四个。

图8，AD变流器封装塑壳正面图。

图9，AD变流器封装塑壳底面图。

图10，AD变流器中，以直流外端子+为零电位，三只可控硅管K1、K2、K3的阴极电位随时间变化的图像。

具体实施方式

本发明所述AD变流器为解决器件一体化，且散热效果好、成本低的要求，其底板采用了新型绝缘导热复合材料——铝基覆铜箔板，全部元器件使用贴片工艺组装在一片长方形铝基覆铜箔板上，根据导热和绝缘需要进行布局设计。用于数码变频永磁发电机的AD变流器，输出功率5千瓦及以下的，所用的铝基覆铜箔板的面积为60毫米×40毫米，铝基覆铜箔板的厚度为1.5～2.0毫米，组装后的外形尺寸为60毫米×40毫米×7毫米。用于输出直流低压永磁发电机的AD变流器，输出功率2千瓦及以下的，所用的铝基覆铜箔板的面积为48毫米×44毫米，铝基覆铜箔板的厚度为1.5～2.0毫米，组装后的外形尺寸为48毫米×44毫米×7毫米。组装所需用的全部元器件均采用贴片元件，大幅减小了体积和成本。形成了本发明的第五项技术特征——一体化、体积小。

本发明所述AD变流器中发热量最大的元器件，系三只可控硅管和三只整流管，在平面布局设计中，尽量使其均匀分布在铝基覆铜箔板上，利用元器件与铝基覆铜箔板的有效接触面积将其所产生的热量均匀地引导传向与铝基覆铜箔板。为此，在平面布局上，可控硅管K1、可控硅管K2、可控硅管K3沿长方形铝基覆铜箔板的一个长边方向均匀排列，整流管D5、整流管D6、整流管D7沿另一个长边方向均匀排列。各元器件的具体位置分布参见本说明书附图4和本说明书附图7所示。

本发明所述AD变流器产品所产生的热量，通过铝基覆铜箔板背面以传导方式直接传给紧密接触的散热器。用于输出直流低压永磁发电机时，可以直接传导给永磁发电机的机尾端，免去了专用散热器。为与散热器紧密接触，在铝基覆铜箔板的四角设有供M3螺钉固定安装用的通孔四个。形成了本发明的第六项技术特征——散热效果好。

为方便生产中质量检测之需，在铝基覆铜箔板表面上，设有4只直径1.8毫米的圆形导电测试点。

对于工作在潮湿、酸雾环境中的AD变流器，为加强绝缘保护效果，须将经测试合格的产品组件装入封装塑壳中，然后在空余空间中灌填环氧树脂，器件的五只外接端子，采用镀银铜线从封装塑壳正面五只园孔中引出，正面上另设有用于灌注液态环氧的园孔一只，正面上还设有标识“+、-、～”符号，以方便电极识别，封装塑壳二端设有固定用的园孔及槽孔各一只。AD变流器用封装塑壳的正面图、底面图分别见说明书附图8和图9。用于数码变频永磁发电机的AD变流器，其外形尺寸为80毫米×42毫米×10毫米；用于输出直流低压永磁发 电机的AD变流器，其外形尺寸为68毫米×46毫米×10毫米。

利用本发明的部分内容，变更本说明书中的部分因素，例如：将本说明书中所述的铝基覆铜箔板替换为铜基覆铜箔板、改变产品的结构尺寸、调整元器件的平面布局、变更产品的名称等，生产相同工作原理和相同性能的产品，仍属于本发明范围。