CN1025263C - 直流交流变换器 - Google Patents

Abstract

直流交流变换器，由提供给两个输入端(A，B)之间的恒定电压(Vg)供电，在负载(RL)上产生一交变输出电压，负载接在两个输出端(C，D)之间。本变换器包括一个输入电路及一个输出电路其间直流隔离，是由相互之间磁耦合的电感器及受具有恒定重复频率及正弦可变脉宽的脉冲信号驱动的双向开关装置(Q₁-Q₄)构成。

Description

本发明涉及一种直流交流（D.C-A.C）变换器，这是一种为把直流变换成交流的装置，尤其是具有输入电路与输出电路且其间为电流（galvanically）绝缘类型的装置。

本发明有广泛的应用范围，其中之一是电话系统的振铃发生器，又如处理器的紧急供电系统或交流电机的驱动级。

已知有几种直流逆变装置，例如由电池供电，变为交流，尤其是变为正弦波形。已知的这类装置有一些不利之处，例如相当大的重量、以及总尺寸，或高的输出畸变。

已知的D.C-A.C变换器尤其是包括有电流绝缘型由正弦调制的正弦电压PWM（脉冲宽度调制）控制的高频变换级，还包括有补偿网络及晶体管全耦合（Fill    Link）。在这些变换器中，第一级不产生直流电压，但是产生双半波整流的正弦波形。第二级（全耦合）进行逆变并工作于低频以产生较高的效率，但是这种变换器实际上需要两级以及附加补偿网络。

另一种D.C-A.C变换器提出了全耦合跟有一低频变压器，但 是在相对低的电压范围工作性能不好。

WO82/02134公开了一种DC/AC变换器，适于在负载上产生交变输出电压。然而该现有技术装置在双向开关的控制下以四个时间间隔重构一个正弦波。开关对应于零电流交叉一个接一个连接变换器支路。该装置需要复杂的控制装置，因为对每一双向开关需要一对精定时的控制信号来防止产生波形的间断，且这样的定时还取决于负载。

本发明的目的是完成这样一种类型的变流器没有上面描述的缺点，尤其具有减少重量和体积、高效率，以及结构简单等优点。

本发明的目的是通过本发明DC-AC变换器取得的，它适合在连接于输出电路的两输出端（C，D）之间的负载（RL）上产生交变输出电压，输出电路与具有两个输入端（A，B）连接于直流电流源（Vg）的输入电路相直流隔离，所说输入电路包括：

-一个第一电感器（LIA）及第一开关装置串联在所说的输入端（A，B）;

-一个第二电感器（L2A）及第二开关装置（Q₂）串联在所说的输入端（A，B）;

所说的输出电路包括：

-一个第三电感器（L1B）及第三开关装置（Q₃）通过滤波器装置连接于所说负载（RL）;

-一个第四电感器（L2B）及第四开关装置（Q₄）通过滤波器装置 连接于所说负载（RL）;

所说的第一与第三电感器（L1A，L1B）磁耦合在一起，所说的第二与第四电感器（L2A，L2B）磁耦合在一起，该变换器还包括产生所说开关装置控制信号的装置;

其特征在于：

所说第三电感器（L1B）和开关装置及所说第四电感器（L2B）和开关装置以微分方式连接于输出端（C，D），一对电容器（C₁，C₂）连接在微分连接共公点（Z）和负载（RL）的一端之间;

每一个所说开关包括与二极管（D1;D2;D3;D4）并联的单向半导体开关（Q1;Q2;Q3;Q4）所说第一和第二半导体开关（Q1，Q3）的控制极和所说第二和第四半导体开关（Q2，Q4）分别从所说控制装置接收相差180°的信号。

本发明的变换器，最好应用于但不限于，功率低1KVA。

下面将参照实施例对本发明进行详述，但其实现的形式不局限于图示的内容，这些附图为：

图1示出本发明的变换器的普通电路图;

图2给出驱动电路的略图;

图3示出Q₁和Q₃晶体管的驱动信号;

图4示出Q₂和Q₄晶体管的驱动信号;

图5A与5B示出了驱动信号的变形;

图6示出本发明变换器适用的呼叫（call）脉冲发生器。

如图1所概略表示的，本发明的变换器装置包括两个输入端A、B，接受Vg电压，及两个输出端C、D，提供负载R_L，其特性将进一步描述。

Vg电压是直流（DC）发电机提供给变换器，而这个电源例如可以用电池代表。

这个装置包括输入电路和输出电路其间为电流隔离，这部分将在下面描述。

输入电路包括两个支路并联在两个端点A、B处，每个支路由电感器及双向开关元件构成，双向开关图示为晶体管，并其集电极与发射极之间并联有相应的二极管。详细地讲，这个输入电路包括第一电感器L1A与第二极管D₁的晶体管Q₁串联，而第二支路包括第二电感L2A与带并联二极管管D₂的晶体管Q₂串联。

输出电路具有相似的结构，可见由第三电感器L1B，第三晶体管Q₃（有与之相接的二极管D₃），第四晶体管Q₄（有与之相接的二极管Q₄），及第四电感器L2B，所形成的串联结构。这一串联排列并联在输出管C、D。还可看到并联在这两个端点上的串联电容器C₁和C₂，它们之间的共同接点Z，连接到晶体管Q₃与Q₄的共同接点上。

由图1可知，电感器L1A和L1B是磁耦合，例如通过绕组绕在共同磁支架上，通常是铁氧体，以及电感器L2A与L2B也在另一共用磁性支架上是磁耦合，该磁性支架通常也是锪氧体制成。晶体管Q₁或晶体管Q₂闭合能使由Vg电源提供的电流分别流入电感器 L1A，L2A中，以磁的方式积累能量。而后这个能量通过输出电路的两上支路被传输给负载R_L。

所描述的本方案可以视为由四个已知PWM“逆向”（flyback）型的变换器构成的，实际上实现了一个四级变换器。

仍然参看图1，这四个基本的变换器由下列部件标出：

1）Vg，L1A，Q₁，D₃，C₁

2）Vg，L1A，Q₂，D₄，C₂

3）C₁，L1B，Q₃，D₁，Vg

4）C₁，L2B，Q₄，D₂，Vg

支路1）与3）是在负载上形成正半波所需要的，而支路2）与4）是负半波的需要的。

在一般双向开关有源装置中的这四个或更多的晶体管，如所指出的Q₁，Q₂，Q₃，以及Q₄，被脉冲型信号驱动，使它们中的每一个有两种工作状态，更具体地说一个断开状态及一个闭合状态。

在断开状态，这个元件呈很高的阻抗，不允许电流通过其端子，典型地是晶体管截止且没有电流在集电极与发射极之间流过。

在闭合状态，这个开关元件具有很低的阻抗允许电流通过其端子，在此情况下，典型地是晶体管处在饱和状态。

工作期间，如对于正半波，晶体管Q₁导通，使Vg电源供给的电流在电感器L1A中以磁的方式积累能量。

在晶体管Q₁的断开状态时产生在电感器L1B上的电压脉冲被 二极管D₃整流。由此获得增大的电压提供给负载R_L，这样在负载上重新构成正半波。

电容器C₁完成双重功能，对高频成分滤波（转换频率）及储能。在额定工作状态期间一个电压出现在它的两端，相对于两个电容器C₁与C₂的共同接点Z，由直流成分构成，和交流成分构成。交流成分提供给负载R_L重新构成正弦波的正半波，而直流成分一般存贮在电容器中被用于工作期间的电抗性负载必需的能量恢复（power recovery）。

电抗性负载工作期间，Q₃的闭合使能量储存在磁元件L1B，消耗在电容器C₁上的存贮能量。

在Q₃断开时，二极管D₁使在电抗性负载上恢复大量的能量，该能量以直流传给电池组Vg。

支路2）与4）的部件包括的功能与上面描述的完全相同，只是构成负半波，因此不再对它们加以描述。

参考图2，3及4，下面讲述控制脉冲信号及其结构。详细的讲，图2的电路产生送给四个制Q₁-Q₄的控制脉冲。

这些脉冲在所有的工作状态具有恒定的或固定的重复频率，称为变换频率（conversion freguenay）。另一方面，脉冲宽度发生变化，这种变化发生在一状态与下一状态之间，这个变化脉宽被称为占空比。逻辑状态“0”，或逻辑状态“1”可与脉冲联系起来，因此可以用布尔代数简单地描述它们之间的关系。下面将用Q₁的控制脉冲做 为参考来叙述。以上定义的（周期）时间内是处于逻辑电平“1”。因此D低于一个单位，而（1-D）表明晶体管Q₁上的控制脉冲是处于逻辑电平“0”。

晶体管Q₁由信号D驱动，而晶体管Q₂由调制信号相移180°而获得的信号驱动的。同样，晶体管Q₃被与Q₁驱动信号的反相信号所驱动，Q₄被与Q₂的驱动信号的反相信号所驱动。这些信号分别表示为D，D，D^＊与D^＊。

图3中表示的调制脉冲D通过比较称为调制信号的电压信号V₁与称为载波的三角波信号R两者而获得，后者具有比前者信号高的频率。如图2所示，调制信号V₁从参考信号Vr与变换耦合（Coversion Link）输出电压V二者之差，由差分（error）放大器A₁获得。这些电压取自电阻R₁与R₂，运算放大器A₁的输出端经过被偿电路CM连接到所相输入端。

再说，获得Q₁与Q₃的驱动信号。正弦电压V₁与斜波（ramp）R加到第一比较放大器CP₁的输入端，在比较放大器CP1的输出端就获得了Q₁的驱动脉D。通过一个反相器IN1得到用于晶体管Q₃的驱动脉冲D。

Q₂与Q₄的驱动信号是由在第二比较放大器CP2比较信号V₂（由V₁经180°移相器SF获得）与斜波R而获得。CP2的输出直接提供给晶体管Q₂，而通过反相器IN2后提供给晶体管Q₄。Q₂的驱动脉冲及其构成示于图4，而Q₄的驱动脉冲则没有表示，因为它们可 以很容易从前述信号取得。

根据图5A与5B中的另一个实施例，变换效率可以增加，所用驱动脉冲由向斜波R上叠加一正直流（C）而获得。这样调制脉冲基于加有直流电平（C）的斜波，晶体管随着调制脉冲的角度而自动截止。Q₁折相关驱动信号（反相后用于Q₃）示于图5A，而那些用于Q₂的（反相后用于Q₄）示于图5B。

以图6为参考，现在将对应用在电话领域，使用本发明DC/AC变换器的声调发生器（或呼叫信号）加以说明。

该装置的核心是由图1，2所示类型的变换器构成，包括一个变换电桥（conversion bridge）PC，由电池Vg提供电源，该装置给由振铃或其它适用的声响报警器组成的负载R_L供电。

电桥PC由用于四个晶体管或开关Q₁，Q₂，Q₃，Q₄的脉冲信号D，D，D^＊及D^＊控制，这些信号是由比较器CP和180°相移器产生的。驱动电路或驱动器DV提供所需驱动功率。

该装置还包括参考正弦发生器GS可以提供不受温度影响的在时间上具有稳定的宽度的正弦信号V₁，它的输出被边接到差分放大器电路AE。斜波信号R由三角波发生器电路CT提供，该发生器还接受电池电压Vg以产生与电池电压相关的三角电压。

由变换电桥产生的输出信号经过一个隔离部件IS送给AE路。IS部件可以是例如隔离变压器，这个变压器可以是小尺寸的因为它不传输功率，只是传输信息，尤其是出自变换电桥PC的波形。另一 种选择，可用光隔离器作为IS部件。

AE块决定参考信号与来自变换电桥的信号的差以控制经过负反作用电路正弦波的宽度与变形，AE块最好还包括，必要的补偿电路及元件以保障整个系统的稳定。

与先前的已知技术相的，本发明变换器使用唯一的变换级以进行理想的变流，没有使用低频变压器去隔离输入与输出，保持了高效率。事实上，本发明变换器，固有直流隔离，因此它不需要采用无论是高频或是低频隔离变压器。

由于不包括低频工作部件，本变换器具有极其小的重量和体积，高效率及在同等输出功率下输出频率和电压可以在一个长时间间隔率下输出频率和电压可以在一个长时间间隔上连续调节。

由于必须在负载上获得电压变换，可知占空比D对应零调制地按正弦规律在静态值0.5附近变化，即：

D＝0.5+A    sen    Wt＝0.5+

这里A0.5，W是调制信号脉冲。在A相对小的情况下，输出在压可以近似为V＝8Vg。

由此，可以知按正弦规律变化占空比。输出产生正弦波，除非有离散（odd）的谐波出现，这主要是由于变换器静态特性的非线性。

由于使用负反馈，可以得到畸变相当大的减少（在最小的一个量级），所以剩下的谐波总体畸变是完全可以被声调（tone）发生器所接受。畸变随调制信号宽度的增加而增加，因为输出电压依赖于调 制信号，可这并非是对电路工作直正限制，因为可以增加两个电感器的匝数（trun    ratio），而不增加调制深度来工作，这样就没有增加引起畸变的调制信号电平。如此就能得到实际上输出电压增加而畸变不增加。

Claims (8)

1、一种DC-AC变换器，适合在连接输出电路的两输出端(C，D)之间的负载(RL)上产生交变输出电压，输出电路与具有两个输入端(A，B)连接于直流电流源(Vg)的输入电路直流隔离，所说输入电路包括：

-一个第一电感器(L1A)及第一开关装置串联在所述的输入端(A，B)；

-一个第二电感器(L2A)及第二开关装置(Q₂)串联在所说的输入端(A，B)；

所说的输出电路包括：

-一个第三电感器(L1B)及第三开关装置(Q₃)通过滤波器装置连接于所说负载(RL)；

一个第四电感器(L2B)及第四开关装置(Q₄)，通过滤波器装置连接于所说负载(RL)；

所说的第一与第三电感器(L1A，L1B)磁耦合在一起，所说的第二与第四电感器(L2A，L2B)磁耦合在一起，该变换器还包括产生所说开关装置控制信号的装置；

其特征在于：

所说第三电感器(L1B)和开关装置及所说第四电感器(L2B)和开关装置以微分方式连接于输出端(C，D)，一对电容器(C₁，C₂)连接在微分连接共公点(Z)和负载(RL)的一端之间；

每一个所说开关包括与二极管(D₁；D₂；D₃；D₄)并联的单向半导体开关(Q₁；Q₂；Q₃；Q₄)，所说第一和第三半导体开关(Q₁，Q₃)的控制极和所说第二和第四半导体开关(Q₂，Q₄)分别从所说控制装置接收相差180°的信号。

2、如权利要求1所说变换器，其特征在于所说的产生用于第一和第三开关装置的脉冲控制信号的装置包括一个第一比较器（CP₁），调制信号（V₁）供给一个输入端，斜波信号（R）供给另一输入端，斜波信号具有比调制信号（V₁）更高的频率，以及一个第一反相器（IN1），连接在所说第一比较器（CP₁）的输出端。

3、如权利要求1所说变换器，其特征在于所说的产生用于第二和第四开关装置的脉冲控制信号的装置包括一个第二比较器（CP₂），所说调制信号（V₁）180℃相移后供给其一个输入端，所说斜波信号（R）供给另一输入端，斜波信号具有比调制信号（V₁）更高的频率，以及一个第二反相器（IN2），连接在所说第二比较器（CP₂）的输出端。

4、如权利要求2或3所述的变换器，其特征在于一个恒定持续成分（C）被附加到所说的斜波信号上（R）。

5、用于电信系统的呼叫信号发生器，包括前述权利要求所述的变换器，其特征在于还包括一个稳定的参考正弦发生器（GS），其输出连接到一个差分放大器的电路（AE），该放大器电路还是通过隔离部件（IS）接收呈现在负载上的输出信号。

6、如权利要求5的发生器，其特征在于所说的隔离部件（IS）是一个小尺寸的隔离变压器。

7、如权利要求5的发生器，其特征在于其隔离部件（IS）是一种光隔离器。

8、如权利要求6或7的发生器，其特征在于还包括三角波发生器电路（CT）产生斜波电压，与电池相连，迭加一恒定电压（C）。

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