专利名称：电流控制型直流变换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种开关动作式电源变换设备，进一步是指一种籍助半导体功率开关将直流输入功率变换为另一种电压或电流输出的直流变换器，包括含有变压器、半导体功率开关驱动电路及电流传感器在内的变换主电路和控制电源。半导体功率开关可以是功率晶体管GTR、功率场效管P-MOS、可关断晶闸管GTO、绝缘门极双极晶体管IGBT及MOS控制晶闸管MCT中的任何一种。输入直流电源亦可来自交流电源整流后的输出。
现有的开关动作式直流变换器，采用定频调宽(PWM)或定宽调频(PFM)技术(如《电焊机》1991年第3期和1992年第2期上所载)，其实质只是提供一个可控电压源，其控制固有特性不能良好地满足以电流特性为主要工作特征的用电负载的需求，截止控制直流变换器针对此作了重大性能改进，但需将电流特性区分为两个区段。本发明的目的，是提供一种以电流瞬值控制为基础的直流变换器，电流特性区不再分区段，即可作可控电流源用，又可作可控电压源用，特别是能良好地满足以电流特性为主要工作特征的用电负载的需求。
本发明是以如下方式完成的当VI2＜VA及Tb＞Tbn时，控制电路使相应的半导体功率开关由截止转向导通;当条件A成立或Ta＞Tam时，控制电路使相应的半导体功率开关由导通转向截止。
下面结合附图对本发明进一步详细说明。
图1为电路方框图;
图2为变换主电路图;
图3为控制电路第一部分的原理结构图;
图4为图3a-图3h的工作特征一览图;
图5为控制电路第二部分的原理结构图;
图6为控制电路第三部分的原理结构图。
参见图101为变换主电路(图2);02为控制电路，由其第一部分(图3)、其第二部分(图5)和其第三部分(图6)共同组成;03为控制电源，V+与V-分别为对公共地的正与负控制电源电压。图1中其它符号含义则见下面对图2的说明。
参见图2图中11-14为半导体功率开关，15及16分别为进线滤波电感及滤波电容，17为霍尔电流传感器(器件常数为K1)或其它电气隔离的电流传感器，18为分流器电阻电流传感器(器件常数为K2)，19为输出平波电感，21-26为半导体功率开关驱动电路(如UAA4002型用于GTR、EXB840型用于IGBT)，28-33为整流器，34为输出端电容，V1为跨于16两端的直流电压，V2为输出电压，X为电压信号输出端，I1为输入电流，I2为输出电流，IO为输出平均电流，△I为I2的电流脉动量，K1I1与K2I2分别为17与18的输出正电压信号(对公共地)。在图2a中变压器20的原级绕组匝数为N1，次级绕组匝数为2×N2和检测绕组匝数为2×N3，检测绕组的输出端为X1(VS)的Y1(-VS)，图中绕组端的黑点代表极性，±VS为检测绕组内的感应电势，｜VS｜＝N3V1/N1。参见图2a中的波形图，当G1为“1”时，通过21及23使相应的11及13导通，I1与I2均上升，经Ta时间后G1变为“0”，相应的11及13截止，I1为零和I2下降，再经Tb时间后，G2变为“1”，通过22及24使相应的12及14导通，I1与I2又上升，经过Ta时间后G2变为“0”，相应的12及14截止，I1为零和I2下降，再经过Tb时间后G1又为“1”，如此波形重复出现，G1与G2波形在时间上相差180电度。在图2b中，变压器27的原级绕组匝数为N1，次级绕组匝数为N2和检测绕组匝数为2×N3，其检测绕组输出情况与图2a的相同。参见图2b中的波形图，当G为“1”时，通过25及26使相应的11及13导通，I1与I2均上升，经过Tb时间后G变为“0”，相应的11及13截止，I1为零和I2下降，再经过Tb时间后，G又变为“1”，如此重复。图2a桥式主电路的控制方法同样适用于半桥式主电路和变压器中点抽头式主电路;图2b双管单端式主电路的控制方法同样也适用于单管单端式主电路。
参见图3图3中41～44为电压比较器，45为D型触发器，46～47为反相门，48～49为与门，50为时基电路，54～66为电阻，68～79为二极管，81～84为电容，85～86为常系数环节(为一直流放大器，其放大系数如相应方框内所示，例如85，其放大系数为K)，87为电位计，88为开关，89～91为求和结点(由运算放大器构成，按图示极性对输入量求和后输出)。图中VA(＝VO＊-△V＊)、VB(＝VO＊+△V＊)、VI1、VI2、V＊O、△V＊、VK及VD～VH分别为图所示处对公共地的电压。图中n1～n11为连接点，随着图3a～图3h不同按图中表内所列情况进行连通或不连通。在图3的中部，示出了G、G1与G2在VH的驱动下所形成的波形过程(全用正逻辑)，可见G完全复演了VH波形，而G1与G2为VH的分频波形，G1与G2之间相差180电度。
现首先看图3a的工作情况，此时n1与n2连通，n4与n5连通，当88断开时，电路启动，VF及VH均为“1”，VF通过74使82迅速充电使VD及VG也为“1”。于此同时VI1随着时间而上升，当条件A(VI1＞VB)成立时，42动作68导通而使VE＞Va(Va＝2V+/3)导致50翻转;另外V+通过56对84充电，经71也使VE上升，当VE上升到Va时(与此对应的充电时间为Tam)即Ta＞TRm时也会使50翻转，在此情况下，由于V+值固定，故Tam值也是固定的。50翻转后使VF及VH变为“O”，84经72迅速放电，82经61放电，VD电压降至Vb(= (Vφ)/3 +VR)的时间为TbO;于此同时VI2随着时间而下降，当VI2＜VA时，43动作使75不导通，即是当Tb＞Tbh(Tbh＝Tbo)及VI2＜VA两个条件都满足时，50方可翻回，这时VF及VH又变为“1”而进入下一次工作循环。图3a～图3h的工作特征一览见图4在图3C及3d中，由于n1与n3和n10与n11的连通，使得当条件A(VI2＞VB或VI1＞VB+VK)成立或Ta＞Tam时，都能使50翻转，其中VI1＞VB+VK(导致41动作)这一条件是用作抑制图2中输入侧的不正常电流。在图3b及图3d中由于n4与n6和n4与n7的连通，此时84由VS经57与69进行充电或由-VS(此时VS值本身为负)经58与70进行充电，以及在图3f及图3h中由于n4与n6连通，此时84由VS经57与69进行充电，在上述两种情况下，Tam值与｜VS｜值有关，Tam随着｜VS｜值的增加(减少)而减少(增加)，如此使得图2a中的20和图2b中的27在V1电压大范围变化情况下都能得到充分的利用。在图3f～图3h中，na与n9连通，只有当-VS(此时VS值本身为负，其脉宽为TS)消失时，44动作使76截止，这时强迫使VG为“1”的情况得到解除因而Tbn＝[Tbo，TS]MAX，即是Tbn等于Tbo与TS两者中的最大的一个值，从而保证27的可靠退磁。在图3g及图3h中，由于n1与n3的连通，使得当条件A(VI2＞VB)成立或Ta＞Tam时，都能使50翻转。
VR为二极管73的电压降。
参见图5图中100～101为电位计，102为低通滤波器，103～104为调节器(由运算放大器组成)，105～106为常系数环节，107为多谐振荡器(方波输出)，108～113为求和结点，114～117为电阻，118为稳压管，119为二极管，V＊0、VO、V＊2d、V2d、及V01、～V05分别为图所示处对公共地的电压，图中的V＊O(＝KK2IO)送往图3及图6b。在图5a中，V＊0＝VO，以对IO进行直接控制。在图5b中，V＊0＝VO+V01以对IO进行高精确控制，V01来自电流负闭环调节器103的输出。在图5c中，V＊0＝VO+V02，V02＝K3V2d(V2d为V2的平均值)，故IO将随着V2d的增长而增长。在图5d中，V＊0＝VO-V03，V03＝K4V2d，在118未进入其稳压特性区之前，IO将随着V2d的增加而减少。在图5e中，V＊0＝VO+V04，V04为矩形波，故IO为叠加的矩形脉冲波。在图5f中，V＊0＝V05，当V2d＜V＊2d时，104输出电压高，119不导通，V05＝VO，此情况为装置输出外特性的电流特性区;当V2d≥V＊2d时，104输出降低，119开始流过电流，由于116上的电压降使得V05＜VO，如此将V2d稳定在所设定的V＊2d值附近，此情况为装置输出外特性的稳压区。
参见图6图中120为电阻，121～123为二极管，124～126为电位计，127为电容，△V＊、△V1、△V2及△VS分别为图所示处对公共地电压，图中△V＊(＝KK2△I)送往图3。
在图6a中，△V＊＝△V1，由124设定。在图6b中，△V＊＝△V2，由126设定，此情况下△V＊/V＊O(△I/IO)为定值。在图6c中，△V＊＝〔△V1，△VS〕max，即△V＊等于△V1及△VS这两者中的最大值，当△V＊＝△VS时，则△V＊将随着VS值的升高而增加，使得装置的工作频率不致由于VS值升高而过份地增加。
任取图3a～图3h中之一，图5a～图5f中之一和图6a～图6c中之一就可组成一个完整的控制电路，总共有8×6×3＝144种不同的控制电路基本组合，在基本组合控制电路的基础上还可衍生出更多的复合控制电路。
与现有技术相比，本发明的优点是(1)、输出电流能在无振荡超调情况下高速地跟踪电流指令值的急剧变化，其电流大小不受输入电源电压波动及负载变化的影响，输出侧短路时也无浪涌电流，工作十分安全，而成为一个颇为理想的可控电流源;(2)、在输出外特性的稳压区，则是一个响应快、电压调整率和电流调整率均优良的直流稳压电源;(3)、由于控制快速和准确，使得各个元器件不必设计有较大裕量就能保证可靠工作，从而大大降低了制造成本;(4)、能有效地抑制变压器的偏磁现象;(5)、当电源电压V1变化时，由于Tam的自动调整使得变压器的铁芯得到充分的利用;(6)、由于Tb是一个确定值从而消除了分谐波振荡现象;(7)、输出外特性多种多样，可以是恒流式、精确恒流式、恒流加外拖式、缓降式、短路减流式或平特性式，还可输出矩形脉冲波电流;(8)、由于具备优良的电流控制特性，使得多台并联运行的组成十分简单而且均流可靠;(9)、对于图3e、图3d、图3g及图3h的控制电路，不设置电流调节器也能对输出电流进行精确度足够高的控制;(10)、输出外特性的电流特性区不需分区段。
权利要求
1.一种籍助半导体功率开关将直流输入功率变换为另一种电压或电流输出的直流变换器，包括含有变压器、半导体功率开关驱动电路及电流传感器在内的变换主电路和控制电源，其特征在于，当VI2＜VA及Tb＞Tbn时，控制电路使相应的半导体功率开关由截止转向导通；当条件A成立或Ta＞Tam时，控制电路使相应的半导体功率开关由导通转向截止。
2.如权力要求1所述的直流变换器，其特征在于，条件A为VI1＞VB。
3.如权力要求1所述的直流变换器，其特征在于，条件A为VI2＞VB或VI1＞VB+VK。
4.如权力要求1所述的直流变换器，其特征在于，条件A为VI2＞VB。
5.如权力要求1所述的直流变换器，其特征在于，Tam为固定值。
6.如权力要求1所述的直流变换器，其特征在于，Tam值随｜VS｜值之增加(减少)而减少(增加)。
7.如权力要求1所述的直流变换器，其特征在于，Tbn等于Tbo。
8.如权力要求1所述的直流变换器，其特征在于，Tbn等于Tbo与TS这两者中的最大的一个值。
9.如权力要求1及2或者1及3或者1及4所述的直流变换器，其特征在于VA＝VO＊-△V＊及VB＝VO＊+△V＊。
10.如权力要求9所述的直流变换器，其特征在于，VO＊等于VO或等于VO+V01或等于VO+V02或等于VO-V03或等于VO+V04或等于V05;△V＊等于△V1或等于[△V1，△VS]max或等于△V2。
全文摘要
电流控制型直流变换器是一种借助半导体功率开关将直流输入功率变换为另一种电压或电流输出的直流变换器，实行电流瞬值控制，既是一个无振荡超调的高速反应的且不受电源电压波动及负载变化影响的优质可控电流源，在其电压外特性区又是一个频响快的优质稳压源——例如用作直流电气车辆的辅助电源。其输出性能更能良好地满足以电流特性为主要工作特征的用电负载诸如电焊接、等离子切割、电火花加工、快速充电、脉冲电镀、氙灯及弧光灯等等负载的需求，具有144种控制方式以适应众多的不同使用要求。
文档编号H02M3/28GK1083635SQ92107118
公开日1994年3月9日 申请日期1992年9月4日 优先权日1992年9月4日
发明者卢骥, 卢伟白 申请人:卢骥