CN101123401A - 斩控式交流调压电路及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力电子科学领域内的斩控式交流调压电路，它由交流电源、全控器件和二极管组成的主控开关(S1)、单向可控硅组成的续流开关(S2)，高频变压器(B)和触发控制电路组成，其特征在于；使用全控器件做双向主控开关(S1)，使用单向可控硅做双向续流开关(S2)，使用高频变压器做隔离和功率输出。它广泛用于交流和直流调压稳压电源、电焊机、充电机、电解、电镀、电化等直流电源。它具有谐波小、功率因数高、无能点、体积小、重量轻、节能、节材等一系列优点，是使用斩控式交流调压技术改造传统产业和产品的基础单元电路，具有很好的经济和社会效益。

Description

斩控式交流调压电路及其应用

[一]技术领域    本发明涉及斩控式交流调压电路，尤其是涉及到用高频变压器为负载，由全控器件为双向主控开关，半控器件为双向续流开关的斩控式交流调压电路以及应用此电路设计和制造的产品。

[二]背景技术    现有可控器件组成的交流调压电路仅有二大类：第一类是使用可控硅等半控器件组成的相控式交流调压电路；第二类是使用GTR、IGBT全控器件组成的斩控式交流调压电路。现有斩控式交流调压电路中的主控双向开关和续流双向开关都是使用全控器件和整流二极管组成的，从高校电力电子技术教科书和机械工业出版社出版的电力电子技术基础等书中可知，单相斩控式交流调压电路仅有三种电路，它们的主控开关和续流开关都是使用全控器件和整流二极管组成的。发明人从分析斩控式交流调压电路非互补工作方式时发现电路中用做续流器件的2个全控器件是可以使用廉价的高频可控硅来替代。于是就发明了主控开关用全控器件，续流开关用半控器件，负载为高频变压器的新型斩控式混合器件交流调压电路，由于相同耐压和相同电流的可控硅要比全控器件价格低很多，因此，使用这种斩控式交流调压电路设计和制造的各类产品都可以降低成本而产生较好的经济效益。教科书中斩控式交流调压电路也自然应增加有混合器件斩控式交流调压电路，并且应该是重点教学的电路。

目前国内外生产的交流稳压电源，以自动调节工频自耦变压器方式为主，特别是大功率交流稳压电源，近几年来不断有人提出使用开关变换技术来革除交流稳压电源中的炭刷和工频变压器，使交流稳压电源走向无触点、无工频变压器、体积小、重量轻、性能好的新一代补偿式开关交流稳压电源。1999年电工技术杂志第6期中交流开关补偿式稳压电源一文，提出这类有益的探索文章，并申请了专利保护权。但是这个技术方案要径过二级整流电路和二级开关变换电路。电路结构复杂，成本也较高，不利于推广

本发明人应用本发明的带高频变压器的混合器件斩控式开关交流调压电路来设计这类补偿式交流流稳压器就可使电路大为简化，制造成本低.因此，有广泛的开发前景。

现有交流电焊机以动铁式、动圈式和抽头式为主，它们都需要1个体积大重量重的工频变压器，并且需用机械调节方法调节焊接电流。应用本发明的带高频变压器的混合器件斩控式交流调压电路就能实现无工频变压器、电子调节的新一代交流电焊机。

现有的开关式直流电源都是使用，先将市电经桥式整流，大电容并联滤波先获得直流电源，再用半桥、全桥，单端或带中心抽头变压器的逆变电路获得高频之后再整流滤波获得所需要的电流和电压。应用本发明的混合器件斩控式交流调压电路，就能使用更简单的方法实现，并且功率因数可比上述方法高很多。

[三]发明内容    第一个目的是设计一种以高频隔离变压器为负载，主控双向开关使用全控器件，续流双向开关使用半控器件的新颖斩控式交流调压电路。第二个目的是应用新颖斩控式交流调压电路设计新的斩控补偿式交流稳压电源电路。第三个目的是应用新颖斩控式交流调压电路设计新颖斩控式交流电焊机.第四个目的是应用新颖斩控式开关交流调压电路设计各种无工频变压器的斩控式充电、电镀、电化，、电解等直流电源。

本发明的混合器件斩控式交流调压电路，它由主控开关(S1)、续流开关(S2)，高频隔离变压器(B)和触发控制电路组成，其特征在于主控开关由2个全控器件和2个整流二极管组成，或者由1个全控器件和4个整流二极管组成，主控开关(S1)串接在交流输入一端(1)和高频变压器初级绕组W1一端(3)之间，续流开关(S2)由2个正反向并联的半控器件(可控硅)组成，并联在变压器初级绕组W1两端(3)、(2)。

本发明的斩控补偿式交流稳压电源电路，它由全控器件、可控硅、整流二极管、高频变压器，LC高频滤波电路和触发控制电路组成，其特征在于：有一个混合器件斩控式交流调压电路、高频变压器次级输出经LC高频滤波后获得与交流输入电源相同频率的电压，其电压大小由主控开关(S1)的通断比来调节。它与输入电压相同方向，或者相反方向相串联就可补偿交流输入电压的降低或升高的电压来达到稳压输出电压的目的。很明显，本发明的交流稳压电源只要自动调节1个主控开关(S1)的通断比就能实现稳压。它具有功率因数高、电路简单、体积小、重量轻、成本低、节能和高效的特点，是现有交流稳压电源的更新换代产品。

本发明的斩控式交流电焊机，它由全控器件、可控硅、整流二极高频变压滤波电感和触发控制电路组成，其特征在于；有一个混合器件斩控式交流调压电路，有一个滤波电感串接在焊接电回路中，只要调节全控器件和二极管组成的双向主控开关(S1)的通断比例就能调节焊接电流的大小，它具有体积小，重量轻，调节方便，焊接性能好等优点。

本发明的斩控式直流电源，它由全控器件、可控硅、整流二极管、高频变压器、高频滤波电路和触发控制电路组成，其特征在于；有一个混合器件斩控式交流调压电路，高频变压器次级绕组输出电压经整流滤波后直接获得所需的直流电压，调节由全控器件和整流二极管组成的双向主控开关(S1)的通断比就能调节输出电压，它具有功率因数高，输入电流谐波小等优点。

通过附图说明就可以进一步了解本发明的多个目的的实施，以及本发明的特征与优点等。

[四]附图说明    附图1是本发明混合器件斩控式交流调压电路主电路图。

                附图2是本发明在斩控式交流电焊机方面应用的一个实施例主电路图。

                附图3是本发明在斩控式直流电源方面应用的一个实施例主电路图。

                附图4是本发明在补偿式开关交流稳压电源上的一个实施例主电路。

附图1(a)和(b)示出本发明的2种电路结构形式的混合器件斩控式交流调压电路主电路，它们的不同之处就在于：(a)是使用2个全控器件(V1)、(V2)和2个整流二极管(D1)、(D2)组成双向主控开关(S1)，而(b)是使用1个全控器件(V1)和4个整流二极管(D1～D4)组成双向主控开关(S1)，附图1(a)和(b)的双向续流开关(S2)都是由2个反向并联的单向可控硅(V3)和(V4)组成。主控开关(S1)都是连在交流电源输入端(1)与高频变压器初级绕组W1的端(3)。续流开关(S2)都是与高频变压器的初级绕组W1相并联。

附图1二个主电路图工作原理相同，现以附图1(a)为例说明如下：在交流输入电压的正半个周期内，(即(1)为正，(2)为负期间)，单向可控硅V4不加信号，，而单向可控V3加信号。当V1加信号使其导通时，变压器初级绕组W1电流由(3)流向(2)，此时V3承受反压而不能导通。当切断V1信号时，初级绕组W1就会产生反向电势使V3承受正向电压导通而起到续流作用。在交流输入电压的负半个周期内(即(1)为负，(2)为正期间)，单向可控硅V3不加信号，单向可控硅V4加信号。当V2加信号使其导通时，变压器初级绕组W1电流由(2)流向(3)，此时V4承受反向电压而不能导通。当切断V2信号时，初级绕组就产生反电势使V4导通而起到续流作用。因此，在V1和V2加PWM信号时，高频变压器就输出幅值受输入交流电压幅值调制的PWM电压。此电压经滤波之后就可获得与输入交流电压相同频率的电压，而其大小又可以通过调节PWM控制信号的通断比例来调节输出电压的大小。

附图2是采用附图1(b)的斩控式交流调压电路，在斩控式交流电焊机上的实施例主电路。它由斩控式交流调压电路和滤波电路组成，其特征在于；有一个混合器件斩控式交流调压电路和高频变压器次级焊接回路中串接有一个滤波电感L。通过滤波电感的滤波，焊接回路的电流就和一般交流焊机相类似，为了提高功率因数减少输入电流谐波，可以在交流输入二端增加L1C1滤波电路。由于焊接电流是通过调节主控开关中的V1的PWM控制信号的通断比来调节，因此还可实现焊接回路电流的自动反馈控制，实现焊接电流大小不受入供电电压变化的影响等优良焊接性能。因此它具有无工频变压器，无机械调节，体积小，重量轻，功率因数高、节能节材和焊接电流稳定等优点，它是现有交流电焊机的更新换代产品，具有很大的市场前景和经济社会效益。

附图3是采用附图1(b)的斩控式交流调压电路，在斩控式直流电源方面的实施例主电路。它由斩控式交流调压电路和整流滤波电路组成，其特征在于；有一个斩控式交流调压电路和高频变压器次级绕组连接有整流滤波电路，通过整流电路将高频变压器次级电压整流成单向PWM电压，再经LC高频滤波器滤波成所需的直流电压。可通过调节主控开关中V1的PWM信号通断比来调节输出直流电压的大小，通过输出电压反镄控制V1的通断比就能实现输出电压的稳定。为减少交流输入端的谐波电流可在斩控式调压电路的输入端增加一个高频L1C1滤波器。

使用这种技术方案获得直流电源与目前使用的技术方案；先将交流经桥式整流和并联大电容滤波获得逆变所需要的直流电压，然后用半桥、全桥、单端和带中心抽头变压器等逆变电路进行高频变换获得高频双向脉冲电压，最后再用整流滤波获得所需的直流电源相比，不但电路简单，成本低，而且功率因数高，谐波低。

附图4是附图1(b)的斩控式交流调压电路，在斩控补偿式交流稳压电源方面的一个实施例主电路图，它由斩控式交流调压电路、高频滤波电路和双向电子开关组成，其特征在于；有一个混合器件斩控式交流调压电路和高频LC滤波电路。高频变压器次级绕组的电压经LC滤波，在电容器C上获得的电压Uc就是与交流输入相同频率正向，或反向的正弦电压，其电压大小又可通过主控开关中V1控制信号PWM的通断比来调节。当Uc与输入交流电压同方向相串联就可对交流输入电压进行正补偿，实现可调升压输出。当Uc与输入交流电压反方向相串联就可对交流输入电压进行负补偿，实现可调降压输出。当使用交流输出电压信号反馈调节控制主控开关中的全控器件V1和V2的PWM信号时，就能实现市电升压稳压，或市电降压稳压电源。

附图4是使用高频变压器2个次级绕组W2、W3和2个双向电子开关S3、S4来自动转换输出W2，或W3的高频电压，经LC滤波后在电容器C上获的Uc电压串接在交流输入与输出两端之间就可实现斩控补偿式交流调压和稳压。为减少斩控交流调压对交流输入电流的畸变，可以在交流输入电压与斩控式交流调压电路之间串接高频L1C1滤波电路。由附图4可以看出这种交流稳压电源的技术方案具有；无工频变压器、无交械触点、体积小、重量轻、成本低、节能节材等优点。可广泛用于单相和三相降压节电交流稳压电源(此时可以除去附图4中的2个双向电子开关S3、S4和绕组W3)、低电压地区的升压交流稳压电源(此时可除去附图4中的2个双向电子开关S3、S4和绕组W2)、和既要降压又要升压的交流稳压电源。还应指出既能升压又能降压的交流稳压电源，也可以仅使用高频变压器的1个次级绕组，此时升降压控制可使用双刀双位机电控制或双刀双位开关来控制。

Claims (4)

1.一种斩控式交流调压电路，它由全控器件、半控器件、高频变压器和触发控制电路组成。其特征在：2个全控器件和2个整流二极管，或者1个全控器件和4个整流二极管组成的双向主控开关(S1)，它的两端连接在交流电源1个输入端(1)和高频变压器B的初级绕组W1的一端(3)之间，初级绕组W1的另一端和交流电源的另一输入端(2)相连接，由2个正反方向相并联的单向可控硅组成双向续流开关(S2)，它的两端与高频变压器B的初级绕组w1相并联，使用调节主控开关(S1)的通断比来调节高频变压器次级输出电压的大小

2.，一种斩控式交流电焊机，它由权利要求1所述的斩控式交流调压电路和滤波电感(L)组成，其特征在于：滤波电感(L)串联在高频变压器

次级输出绕组(W2)和输出焊接回路中。

3.，一种斩控补偿式交流稳压电源，它由权利要求1所述的斩控式交流调压电路和高频LC滤波电路组成，其特征在于；高频变压器B的次级绕组电压经LC滤波后获得与输入交流电源相同频率的交流电压，，其大小由主控开关(S1)的通断比来调节，它与输入交流电压同方向，或者相反方向相串联就可补偿交流输入电压的降低和升高的电压来达到稳压输出的目的。

4.，一种斩控式直流电源，它由权利要求1所述的斩控式交流调压电路和整流滤波电路组成，其特征在于：高频变压器次级绕组电压经整流滤波后直接输直流电压。