專利名稱：一種電子交流穩壓器的制作方法
技術領域：
本發明涉及電源技術領域，具體涉及一種電子交流穩壓器。
背景技術：
隨著高新技術的發展，越來越多的高精密負載對輸入電源，特別是對交流輸入電源的穩壓精度要求越來越高。但是，由于電力供求矛盾的存在，市電電網電壓的波動較大， 不能滿足高精密負載的要求，需要在市電電網與負載之間增設一臺高穩壓精度的寬穩壓范圍的交流穩壓電源。交流穩壓電源形式有很多種，目前應用較多的單相、三相柱式交流穩壓器，由于用的是機械傳動和碳刷觸點進行調節，因而存在工作壽命短、線性性差、體積笨重、效率較低、 可靠性差、動態響應慢等諸多缺點。
發明內容
本發明所要解決的問題是如何提供一種電子交流穩壓器，線性調節性好、效率高、體積小、重量輕、成本低廉且可靠性高。本發明所提出的技術問題是這樣解決的提供一種電子交流穩壓器，其特征在于 包括高頻變壓器及其輸入端的交流開關和輸出端的低通濾波器，所述低通濾波器輸出端還依次連接反饋電壓取樣模塊、PWM波發生器和所述交流開關的控制端。按照本發明所提供的電子交流穩壓器，所述電壓取樣模塊包括整流濾波部分和電壓取樣網絡。按照本發明所提供的電子交流穩壓器，還包括電連接在所述電壓取樣模塊和PWM 波發生器之間的光電耦合單元。按照本發明所提供的電子交流穩壓器，所述交流開關由兩個場效應管構成，它們的柵極連接在一起構成一個共同的柵極，它們的源極連接在一起構成一個共同的源極，共同的柵極與共同的源極構成交流開關控制信號的輸入端。這樣便可以做到在第一場效應管的漏極和第二場效應管的漏極間進行對交流地開、關動作。按照本發明所提供的電子交流穩壓器，構成交流開關的場效應管均為N溝道增強 MOS 管。按照本發明所提供的電子交流穩壓器，所述PWM波發生器的供電電源為與交流輸入/輸出隔離的系統電源，隔離包括但不限制使用電磁轉換的變壓器。按照本發明所提供的電子交流穩壓器，所述輸入和輸出是單相，所述高頻變壓器、 交流開關、低通濾波器、電壓取樣模塊、PWM波發生器都是一個。按照本發明所提供的電子交流穩壓器，所述輸入和輸出是三相或多相交流電，所述高頻變壓器、交流開關、低通濾波器、電壓取樣模塊、PWM波發生器是一個或一個以上，組成對應的多套。本發明有益效果在于1、區別與傳統方案，采用固定匝比通過對輸出電壓的取樣再進行光耦反饋改變PWM波的占空比(脈寬調制)來實現電壓的穩定輸出。2、使用低通濾波使輸出端能得到與輸入同頻、同相的正弦波；3、PWM波發生器的電源由系統電源供給，簡化驅動電路并進一步提高精確度和可靠性；4、由于作用在高頻變壓器Tl上的信號為高頻信號，所以可以將傳統的鐵芯變壓器換成高頻磁芯變壓器，從而使傳統的交流穩壓器實現小體積和高效率以及低成本；5、系統中通過高頻變壓器Tl進行了有效的隔離，既利于人身的安全。又能對電網中有害地雜波、電磁干擾進行有效地過濾；6、輸出電壓可從零電壓值附近連續變化到設定電壓的最大值，而且具有較強的線性調節性能。
圖1是本發明總體系統結構示意圖；圖2是系統電源(隔離)結構示意圖；圖3是系統電源(隔離)整流輸出正半周電壓波形圖；圖4是系統電源(隔離)整流輸出負半周電壓波形圖；圖5是系統電源(隔離)全波整流后輸出電壓波形圖；圖6是系統電源(隔離)輸出電壓波形圖；圖7是PWM波發生器結構原理圖；圖8是PWM波發生器內部所產生的三角波波形圖；圖9是PWM波發生器內部所產生基準電壓波形圖；圖10是PWM波發生器外部反饋電壓波形圖；圖11是外部反饋信號與PWM波發生器內部所產生的基準信號作差后的電壓波形圖；圖12是三角波與作差后的電壓作比較，即PWM波產生原理描述；圖13是PWM波發生器內部比較器輸出的PWM波波形圖；圖14是PWM波波形圖描述；圖15是經驅動器放大后的PWM波，此信號可直接驅動交流開關；圖16是N溝道增強型MOS管結構示意圖；圖17是由兩個N溝道增強型MOS管構成的交流開關結構示意圖；圖18是高頻變壓器示意圖；圖19是電網輸入電壓波形圖；圖20是系統工作時高頻變壓器兩端的工作波形圖；圖21是系統輸出低通濾波器結構示意圖；圖22是電子交流穩壓器最終輸出電壓波形圖；圖23是電壓采樣整流濾波部分結構示意圖；圖M是電壓采樣整流部分未濾波波形圖；圖25是電壓采樣整流濾波部分輸出的電壓波形圖；圖沈是精密基準源TL431內部結構示意圖；圖27是電壓采樣反饋部分結構示意圖；圖28是光電耦合器輸出的采樣電壓波形圖。
具體實施例方式首先，說明本發明思想電子交流穩壓器的基本工作原理是在輸入電壓內部參數以及外接負載變化的情況下，PWM波發生器通過被控制信號與基準信號的差值進行閉環反饋，調節主電路交流開關器件Kl的導通脈沖寬度，使得電子交流穩壓器的輸出電壓被控制信號穩定在一個固定值。 詳細描述如下在交流輸入端串聯交流開關Kl和高頻變壓器Tl。由相應PWM波發生器控制交流開關Kl以高頻頻率進行開關動作，由此加在高頻變壓器Tl上的工頻信號便變成了高頻信號。高頻變壓器Tl次級通過相應的低通濾波器便可使輸出端得到與輸入同頻、同相的正弦電壓。該發明中，應用方案為固定匝比，通過對輸出電壓的取樣再進行光耦反饋改變 PWM波的占空比來實現電壓的穩定輸出。PWM波發生器的電源由系統電源供給。交流開關Kl由兩個半導體器件構成，通過相應聯接。便可通過控制其控制端從而控制交流信號的通斷。如果將上述穩壓系統進行相應組合，便可得到多相穩壓系統。第二、下面結合附圖對本發明作進一步描述電子交流穩壓器整機系統如圖1所示，相應系統結構為在交流輸入端串聯交流開關Kl和高頻變壓器Tl。其中，交流輸入端一端接高頻變壓器Tl初級的一端，高頻變壓器 Tl初級的另一端接交流開關Kl的一端，交流開關Kl的另一端接交流輸入另一端，其中交流開關Kl的控制端接到PWM波發生器。為了簡化驅動，PWM波發生器的系統電源為隔離電源。高頻變壓器Tl次級的低通濾波電路由電感Li、L2和電容Cl、C2構成，其目的是濾掉其中的高頻諧波分量，讓輸出端得到與輸入同頻、同相的正弦電壓。PWM波發生器控制交流開關Kl以高頻率進行開關動作，由此加在高頻變壓器Tl上的電網工頻信號便變成了高頻信號。通過改變高頻變壓器Tl初次級的匝比或者改變PWM波發生器控制信號的占空比便可改變輸出電壓值。本實施例中采用對輸出電壓進行電壓取樣，再通過光電耦合進行反饋到PWM波發生器從而改變改變PWM波發生器控制信號的占空比，最終使輸出端得到穩定的交流輸出。上述系統主要由系統電源單元、PWM波發生器、交流開關K1、高頻變壓器Tl、低通濾波器、采樣整流濾波電路、電壓取樣電路及光電耦合部分構成。系統電源單元一、相應電路原理圖如圖2所示，主要由輸入隔離變壓器部分、全波整流部分、輸出濾波部分構成。二、輸入隔離變壓器部分電網電壓從工頻變壓器T2輸入后，通過相應匝比N2在次級得到對應的輸出電壓 Uab。理想情況下，相應計算公式為ULN = N*Uab。由于工頻變壓器的設計較為復雜在此不作過深度的討論。在選擇時只需選擇好匝比、輸出電壓及功率即可。電網電壓相應波形如圖19所示，得到的同頻、同相的輸出電壓U78，相應波形如圖22所示。三、全波整流部分此部分由四個二極管相聯接構成全橋整流，整流二極管因為工作于工頻狀態所以不需要考慮其頻率范圍，但是要考慮其極限電流、電壓值。其相應工作原理為當輸入電壓為正半周時，即由a流向b時，二極管D1、D4導通，二極管D2、D3截止，電流流向為a-Dl-Rl-e-d-D4-b，其相應輸出電壓波形如圖3所示；當輸入電壓為負半周時，即由b流向 a時，二極管D2、D3導通，二極管D1、D4截止，電流流向為b-D2-Rl-e-d_D3-a，其相應輸出電壓波形如圖4所示。輸出脈動直流Ucd相應波形如圖5所示。四、輸出濾波部分濾波電路由一階RC電路來構成。相應截止頻率計算公式為fs = 1Λ2 π RC).此式表明，RC決定著截止頻率。因此，適當改變RC數值時，就可以改變濾波器的截止頻率，從而輸出平滑的直流電壓。經過濾波后的電壓VCC的波形如圖6所示。PWM波發生器圖7是產生上述PWM信號的控制信號單元的總體結構示意圖。其中，Vl是三角波發生器所產生的波形，輸出波形如圖8所示；Vref是基準電路產生的基準電壓，輸出波形如圖9所示；VFB是取樣信號，相應波形如圖10所示；V2是取樣信號VFB與基準Vref作差后的電壓值，輸出波形如圖11所示；圖12所示為通過三角波與一直流相比較而生成PWM的原理。V3是三角波與V2比較的結果，得到的相應波形如圖13所示；將得到的PWM波再送往驅動部分，增大帶負載的能力后輸出給交流開關的控制端，相應波形如圖15所示。圖14 是PWM波的示意圖，其中PWM波的占空比(D)理論上計算公式為D = Ton/(Ton+Toff)= WT0 PWM波發生器通過取樣信號VFB來改變輸出信號PWM波的占空比，當取樣信號VFB 為OV時，PWM波的占空比⑶達到最大值；當取樣信號VFB與基準信號相等時，PWM波的占空比(D)達到最小值；此系統中通過光電耦合來進行反饋取樣電壓VFB，從而對PWM波的占空比進行調節。通過這種調節方式從而改變變壓器(Tl)次級的輸出電壓，從而實現整個系統的穩定交流輸出。PWM波發生器除了用分立器件構成外也可以用專用的IC來工作。交流開關Kl 上述交流開關Kl的總體結構如圖17所示。該圖中，Q1、Q2是為N溝道增強型MOS 管，D7、D8是其存在的體二極管。該交流開關由N溝道的金屬氧化物場效應管構成。因為此半導體器件為雙向器件，所以當其一側被控端子即源極相連在一起，另一側被控端子即漏極間可加有交流電壓。另外，在上述半導體元件Q1、Q2即N溝道場效應管的被控端子D、 被控端子S之間分別連接了與其導通方向(漏-源方向)相反的體二極管D7、D8，也就是說，體二極管在各個場效應管漏極一側的負極和源極一側的正極分別相連。當控制信號加到到各個半導體元件Ql、Q2的控制端即柵極與源極時，就可以控制交流信號。當各場效應管接通時，在交流信號的正半周時，電流由Ql的D-S-Q2的S-D的方向流動；而在交流信號的負半周時，電流由Q2的D-S-Ql的S-D的方向流動。當然，并非只有上述結構才能達到交流開關的效果，在N溝道增強型MOS管的制造工藝中，為了不讓閾值電壓改變、封裝以及使用方便便把其襯底B與其源極S接在一起。要是其襯底B單獨引出來，如圖16所示，通過控制柵極與襯底B間的電壓VGB便可控制漏極D和源極S的導通與截止，從而成為一個交流開關并可得到與上述相同的效果。高頻變壓器Tl 其結構如圖18所示，工作時其初級端的相應波形如圖20所示。下面，就上述PWM 波發生器的所產生的PWM波的頻率與變壓器Tl的關系加以說明。由于交流開關K1，輸入交流工頻信號被變換為交流高頻信號，而用在高頻變壓器Tl上的電壓V、頻度f、線圈匝數N、 磁芯的截面積A以及最大磁通密度ail之間有如下關系V =4*F*N*A*Bm
如果同一外加電壓下，頻率提高2000倍的話(例如50HZ提高到100KHZ)線圈匝數、磁芯的截面積A以及最大磁通密度ail分別可成為原來的二十分之一。理論上可以將頻率無限地提高便可使變壓器的體積無限地小，但是由于在高頻環境下變壓器以及開關相應損耗顯著，所以頻率并不能無限度地提高。低通濾波器該濾波器采用無源濾波器，其結構如圖21所示。因為無源濾波器具有結構簡單、 成本低廉、運行可靠性較高、運行費用較低等優點，至今仍是應用廣泛的被動諧波治理方法。無源濾波器又稱LC濾波器，是利用電感、電容和電阻的組合設計構成的濾波電路，可濾除某一次或多次諧波。在本實施例中主要為了濾掉高頻變壓器Tl次級輸出側的高頻分量， 得到一個與輸入同頻、同相的正弦信號。相應截止頻率計算公式為fs = 1/(2 π (LC)172). 此式表明，LC決定著截止頻率。因此，適當改變LC的數值，就可以改變濾波器的截止頻率。 經過濾波后的電壓波形如圖22所示。電壓采樣整流濾波電路相應電路結構如圖23所示。為了便于對輸出電壓進行取樣反饋，需先把其轉化為直流，便要對其進行整流濾波。由于作為取樣信號功率要求不高便使用半波整流濾波，將得到的直流電壓交由電壓取樣電路處理。經半波整流后的波形如圖M所示。經濾波后得到的電壓波形如圖25所示。電壓取樣電路及光電耦合部分此部分電路結構如圖27所示。此部分中以精密穩壓源TL431為核心進行構建，其相應內部結構如圖沈所示。在此系統中構成外部誤差放大器，再與光電耦合組成隔離式反饋電路，使電源電壓穩定輸出。其相應工作原理如下設輸出電壓為VCC,則點VREF的電壓為VCC* (R2/(R1+R2))。若VREF > Vref時， 致使其內部晶體管VT的集電極電流增大，光電耦合中二極管的發光強度也將增強，與此同時引發光電耦合初級的光敏三極管的導通程度也將增加，其極電極電流也將增大。對應取樣電壓VFB也將增大，從而使得PWM波發生器所發出的PWM波占空比下降，輸出電壓降低； 若VREF > Vref時，同理可得，對應取樣電壓VFB也將減小，從而使得PWM波發生器所發出的PWM波占空比增加，輸出電壓升高；綜上所述，經此閉環控制使穩壓器達到穩定的交流輸出。輸出電壓計算公式如下:VAC*0. 45*1. 414* (R2/ (R1+R2)) = Vref = 2. 50V所以，輸出電壓AC 的計算公式為VAC = 2. 50*(Rl+R2)/(0. 45*1. 414*R2)。在此實施例中可以通過改變電阻R1、R2的電阻大小來改變輸出電壓值，其中R4為限流電阻，R3、 C1、C2為反饋補償網絡。最終輸出反饋電壓VFB的波形如圖28所示。根據上面記述的本發明，由于使用了由半導體元件(N溝道路增強型MOS管)構成的交流開關，使輸入交流電源被變換為高頻后通過高頻變壓器再經相應濾波電路調整為與輸入同頻、同相的波形且穩定輸出的交流電。所以具有如下結果①由于用了高頻變壓器Tl，可以將原來傳統工頻變壓器的鐵芯換成更小體積的磁芯，并可以減小相應初級、次級的銅線繞線匝數，即實現整體裝置的小型化、輕型化。②系統中通過高頻變壓器Tl進行了有效的隔離，既利于人身的安全。又能對電網中有害地雜波、電磁干擾進行有效地過濾。③與傳統的交流穩壓器相比較，其電路結構新穎、且從很大程序上提高了功率密
7度。④輸出電壓可從零電壓值附近連續變化到設定電壓的最大值，而且具有較強的線性調節性能。⑤用本發明進行相應聯接可以用于三相以及多相交流的穩壓電路中。上面已結合附圖對本發明的具體實施方式
進行了示例性的描述，顯然本發明不限于此，在本發明權利要求范圍內進行的各種改型均沒有超出本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種電子交流穩壓器，其特征在于包括高頻變壓器(Tl)及其輸入端的交流開關 (Kl)和輸出端的低通濾波器，所述低通濾波器輸出端還依次連接反饋電壓取樣模塊、PWM 波發生器和所述交流開關(Kl)的控制端。
2.根據權利要求1所述的電子交流穩壓器，其特征在于所述電壓取樣模塊包括整流濾波部分和電壓取樣網絡。
3.根據權利要求1所述的電子交流穩壓器，其特征在于所述電壓取樣模塊和PWM波發生器之間的光電耦合單元。
4.根據權利要求1所述的電子交流穩壓器，其特征在于所述交流開關(Kl)由兩個場效應管構成，它們的柵極連接在一起構成一個共同的柵極，它們的源極連接在一起構成一個共同的源極，共同的柵極與共同的源極構成交流開關控制信號的輸入端。
5.根據權利要求4所述的電子交流穩壓器，其特征在于構成交流開關的場效應管均為N溝道增強型MOS管。
6.根據權利要求1所述的電子交流穩壓器，其特征在于所述PWM波發生器的供電電源為與交流輸入/輸出隔離的系統電源。
7.根據權利要求1所述的電子交流穩壓器，其特征在于所述輸入和輸出是單相，所述高頻變壓器(Tl)、交流開關(Kl)、低通濾波器、電壓取樣模塊、PWM波發生器都是一個。
8.根據權利要求1所述的電子交流穩壓器，其特征在于所述輸入和輸出是三相或多相交流電，所述高頻變壓器(Tl)、交流開關(Kl)、低通濾波器、電壓取樣模塊、PWM波發生器是一個或一個以上。
全文摘要
本發明公開了一種電子交流穩壓器，包括高頻變壓器(T1)及其輸入端的交流開關(K1)和輸出端的低通濾波器，所述低通濾波器輸出端還依次連接反饋電壓取樣模塊、PWM波發生器和所述交流開關的控制端。該電子交流穩壓器采用高頻變壓器、PWM調制技術和低通濾波替代變匝比的交流穩壓器，實現小體積和高效率以及低成本，同時能對電網中有害雜波、電磁干擾等進行有效地過濾，并能將輸出電壓從零電壓值附近連續變化到設定電壓的最大值，具有較強的線性調節性能。
文檔編號H02M5/10GK102170235SQ20111009695
公開日2011年8月31日 申請日期2011年4月18日 優先權日2011年4月18日
發明者王賢江, 石玉 申請人:電子科技大學