CN1011173B - 选通式可隔离电源变换器 - Google Patents

Abstract

一种用于电气设备的二次电源，它包括：整流部件、开关执行部件，驱动触发部件、选通关断部件、平滑滤波和二次稳压保护。这种二次电源克服了电网电压及频率波动对输出端的牵制，同时克服了源内阻及整流元件降压。从而解决了二次电源的一次稳压。且输入电压的适应范围也得以充分扩展(0.7倍输出电压至380伏或更高)。它的输出电压宽范围可调(0-1.4倍输入电压)。它的体积、重量、效率、性价比均有较大突破。

Description

本发明涉及电源变换范畴，主要适应于电子信息产品领域。

通常，电子信息产品的二次电源，有工频与高频两种，工频串稳方案是利用电磁转换原理，由变压器按比例升降传输电压，交流电经整流滤波后，其直流电压仍随输入电压波动而变化。就典型应用实例而言，其电压适应范围约正负10%左右，电能利用率约40%左右（包括变压器的铜损和铁损）。为了满足设备正常工作需要，人们又采用工频变压复合方案（即外加稳压器），这种方案属低效率累乘，其适应范围扩展约10%，总效率却低于30%。

从六十年代起，人们又开始研究发明了脉宽调制方案，它虽然在一定程度上缓和了适应范围与效率之间的矛盾（即输入电压适应范围扩展到正负20%左右，电能利用率提高到65%左右），但由于反馈信息及控制范围的局限，其适应范围和稳压精度还不够理想，加之电路结构复杂，造价比串稳方案增加二倍左右。

DERWENT-SU-657548文摘公开了另一种改进方案，它在可控硅相移调压电路上增设了比较选通指令，试图由此达到稳定输出电压的目的。相对而言，某些指标得到了一些改善，但是，这种方案只能工作于脉动正弦下降沿，其储能状态衰减下降， 它只有互逆交叉储能“点”，与理想的充电跟踪上升特性背道而弛，且比较选通的是输入开环电压，不能检测实际储能效果，也就无法补偿各种因素变化引起的输出电压的变化。由于超前相移充电电流过于集中，带来了传导及辐射干扰，其过大的冲击电流对开关元件、整流元件、源内阻提出了苛刻的要求。因此，这种方案只能在较窄范围内且要求条件不高的情况下应用。

本发明的目的在于针对上述方案存在的问题，提供一种输出电压稳定，且适应范围宽，电能转换效率高，并可较好地解决人身安全的二次电源。

为实现上述目的，本发明采用半导体器件，选通正弦波对应输出辐值部分进行储能滤波供负载使用，重点把储能角选通在正弦上升沿，它吻合了储能上升需求，形成了储能检测同步，实现储能状态的自动调节，从而较好地解决供求矛盾，实现输出电压稳定。

本方案具体由整流部件把交流电整流成脉动正弦直流，当电动势正弦上升时，驱动触发部件驱动开关执行部件导通，向负载及储能电容充电，当输出电压达到额定值时，选通关断部件导通，驱动触发部件关断，导致开关执行部件关断，上升沿充电结束;当电动势由上升转为下降至等于额定输出电压时，选通关断部件关断，驱动触发部件导通，从而驱动开关执行部件导通，再次向储能电容补偿能量。当第二个正弦脉动波时，重复上述过程。

在需要高精度稳压输出时，可续以二次稳压，滤去RC放电纹波系数。

本方案开关执行部件采用双向（双线）控制，可较好地隔离高压辐值部分，其主控元件可以是电流器件（晶体三极管）或电压器件（Vmos场效应功率器件）以及有可控硅的混合组态，它适用于降压式电源变换器（输出电压低于电网峰值）

本方案可根据负载需要，工作于全波选通（导通频率200HZ）、半波选通（导通效率100HZ）或非对称式选通（导通频率50-200HZ）。

本方案变换组态制式可形成单组或多组电压输出，其输出电压可以是固定或连续可调，它是一种无电感式电源变换器。当然也可以接于或插入电感，不过有点相形见绌（体积重量大增）。它可以比较广泛的满足各种电子设施的需要，针对性的完成一些特殊补偿。具体应用于广播通讯、仪器仪表、工业控制、科学实验等领域。

由于本方案把储能重点设置在正弦上升沿，它吻合了储能跟踪特性，克服了开环相移互逆，其稳压效果跃居领先地位。它克服了电磁转换方案电压按比例传输及传输损耗，同时克服了各种变量关系对输出电压的影响，从而解决了二次电源的一次稳压，其输入电压适应范围也得以充分扩展（0.7倍输出电压至380伏或更高），其输出电压宽范围可调（0-1.4倍输出电压），而且线路结构简单，并形成了集成条件，它的体积、重量、效 率（90%）、性价比均有较大突破。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

图一是本发明的典型结构电原理图。

图二是单组高精度二次稳压实例。

图一的具体结构由二极管D₁-D₄组成桥式整流，电阻R₁、R₂、R₃及可调电阻W₁组成串连可调分压器，电阻R₁一端接整流桥正极，可调电阻W₁另一端接整流桥负极，三极管BG₁基极接电阻R₂、R₃连接处，三极管BG₁发射极接整流桥负极，三极管BG₁集电极接Vmos管BG₂栅极，稳压管DW₁并接于三极管BG₁发射极与集电极，电阻R₄分别接整流桥正极及三极管BG₁集电极，三极管BG₃发射极接整流桥负极，三极管BG₃基极经电阻R₅接Vmos管BG₂源极，三极管BG₃集电极与电容C₂一端连接，提供输出负电位;双向硅T₁的触发极接BG₂漏极，双向硅的阳极（1）接整流桥正电极，双向硅的阳极（2）与电容C₂另一端连接，提供输出正电位。

其工作过程如下：交流电经桥式整流后，脉动直流经R₄由D₅给BG₂提供一固定偏置电位，由BG₂产生一触发信号控制BG₃T₁导通，向G₂充电，当脉动电压VAD上升时，使BD点电压达0.7伏时，BG₁导通，UCD下降，BG₂截止，BG₃、T₁关断，当VAD下降时，使BD点电位低于0.7伏时，BG₁截止，VCD复位。BG₂、BG₃、T₁导通，C₂再次充电。输出电压：

$\mathrm{UEF\; (V)\; =}\frac{R_1{\mathrm{+\; R}}_2{\mathrm{+\; R}}_3{\mathrm{+\; W}}_1}{R_3{\mathrm{+\; W}}_1}\mathrm{\times \; 0.7V}$

本电路在脉动波的上升沿下降沿各有一个导通角，R₂、C₁为均衡上升下降导通角度（即幅度）而设置。

图二为单组电源彩电的实施例，其具体结构是由典型电路（图1）续接二次稳压保护，其一次选通部分工作过程同图一，主开关执行元件BG₃选用Vmos场效应功率器件，Vmos管BG_3′的源极接整流桥负极，BG_3′栅极接BG₂的源极，BG_3′漏极与电容C₂的一端连接，提供输出负电位，电阻R₅并联于BG_3′的栅极和源极。Vmos管BG₄的漏极与二极管D₅的一端并接于双向硅阳极（2），二极管D₅的另一端并接于电阻R₆及垫位电容C2′，电容C2′的另一端接输出负电位，Vmos管BG₄源极连接电阻R₇一端及三极管BG₆的基极，电阻R₇的另一端与三极管BG₆的发射极相连作稳压输出。

后续二次稳压部分，Vmos管BG₄的栅极与电阻R₆的一端及三极管BG₅、BG₆的集电极连接，电阻R₈串联稳压管DW₂，DW₂的另一端接输出负电位，电阻R₈的另一端与三极管VG₆的发射极连接，电阻R9，R₁₀及可调电阻W₂组成串连分压器，电阻R₉的另一端与三极管BG₆的发射极相连，可调电阻W₂的另一端接输出负电位，三极管BG₅发射极接电阻R₆与稳压管W₂连接点，三极管BG₅的基极接电阻R₉与R₁₀连接点，电容C₃一端接输出负电位，另一端接 BG₆的发射极。

二次稳压的Vmos管BG₄担任串连调整，电阻R₇担任输出电流取样，三极管BG₆担任限流保护，二极管D₅电容C₂′担任峰值记忆，消除调整管Vtn引起的不必要的损耗，电阻R₆提供偏置电压，电阻R₈与稳压管DW₂形成一比较电压，电阻R₉、R₁₀及可调电阻W₂担任输出取样，W₂调整二次稳压输出电压，三极管BG₅担任误差放大，电容C₃担任平滑滤波。

由于一次选通电压稳定，二次稳压调整管负担较轻，主要消除RC（R即负载电阻，C即图2中的C₁）放电纹波系数（本方案避免了电网波动取值及源内阻、环路内阻动态变量取值），二次稳压主调整管选用电压驱动器件，加上采用阈值垫位新方案，它进一步降低了功耗，改善了性能，形成了高精度高效率的新型二次电源，其纹波系数小于0.01%，效率高于85%，且有可靠的保护功能。

主调整管的选用指标，依据限流功耗、结合接口关系及服务设施的一些特殊需要而定，在完成短路保护时不致于自损（如：高压打火引起的短期过载及其故障抑制）。

本方案还可方便的插入二次减耗保护及故障报警，由于已采用可靠设计故未插入。

图二的实施例，还可应用于类似接口关系的其它产品，由于输出电压连续可调，它可满足各种不同电压档级的需要，形成灵活的通用互换性。

Claims (4)

1、一种可隔离电源变换器，它用开关元件选通正弦波对应输出幅值部分进行储能滤波，它由整流部件，驱动触发部件，开关执行部件，选通关断部件，平滑滤波部件组成，其特征在于：它由二极管D₁-D₄组成桥式整流，电阻R₁、R₂、R₃及可调电阻W₁组成串联可调分压器，电阻R₁一端接整流桥正极，可调电阻W₁另一端接整流桥负极，三极管BG₁基极接电阻R₂、R₃连接处，三极管BG₁发射极接整流桥负极，三极管BG₁集电极接Vmos管BG₂栅极，稳压管DW₁并接于三极管BG₁发射极与集电极，电阻R₄分别接整流桥正极及三极管BG₁集电极，三极管BG₃发射极接整流桥负极，三极管BG₃基极经电阻R₅接Vmos管BG₂源极，三极管BG₃集电极与电容C₂一端连接，提供输出负电位，双向硅T₁的触发极接BG₂漏极，双向硅的阳极(1)接整流桥正极，双向硅的阳极(2)与电容C₂另一端连接，提供输出正电位。

2、根据权利要求1所述的电源变换器，其特征在于整流部件可以是半波整流电路。

3、根据权利要求1所述的电源变换器，其特征在于开关执行部件可以是Vmos场效应功率器件，Vmos管BG₃的源极接整流桥负极，BG₃栅极接BG₂的源极，BG₃漏极与电容C₂的一端连接，提供输出负电位，电阻R₅并联于BG₃的栅极和源极。

4、根据权利要求1所述的电源变换器，其特征在于该电源还包括：续接二次稳压保护，该二次稳压保护包括Vmos管BG₄的漏极与二极管D5的一端并接于双向硅阳极（2），二极管D5的另一端并接于电阻R₆及垫位电容C2′，电容C2′的另一端接输出负电位，Vmos管BG₄源极连接电阻R₇一端及三极管BG₆的基极，电阻R₇的另一端与三极管B₆的发射极相连作稳压输出，Vmos管BG₄的栅极与电阻R₆的一端及三极管BG₅、BG₆的集电极连接，电阻R₈串连稳压管DW₂，DW₂的另一端接输出负电位，电阻R₈的另一端与三极管BG₆的发射极连接，电阻R₉、R₁₀及可调电阻W₂组成串连分压器，电阻R₉的另一端与三极管BG₆的发射极相连，可调电阻W₂的另一端接输出负电位，三极管BG₅发射极接电阻R₈与稳压管DW₂连接点，三极管BG₅的基极接电阻R₉与R₁₀连接点，电容C₃一端接输出负电位，另一端接BG₆的发射极。

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