專利名稱：開關電容隔離式直流變換器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種直流功率輸入變換為直流功率輸出的裝置。更具體地說，是一種用于直流變換的開關電容隔離式直流變換器。
現有技術中，直流變換器(DC-DC)變換具體工作方式有很多種，就其工作原理來說，眾所周知，有電組分壓式降壓變換器和逆變器式變換(逆變電源)。
上述的電組分壓式降壓變換器工作原理見附

圖1所示。輸出電壓Vo＝RL·Vi/(R1+RL)，這種方式主要缺陷是1、輸出電壓Vo不是固定值，而是隨負載RL的變化而變化。
2、其分壓電組RJ上總有R1·Vi2/(R1+RL)2的功率損耗，因此變換效率低。
上述的逆變器式變換工作原理框圖如附圖2所示。利用逆變器將直流電源轉換為交流，經電磁感應元件變壓器，再由整流濾波電路將變壓器輸出的交流電重新整流轉換為直流電。這種方式存在如下明顯不足之處1、中間環節多，元器件線路結構復雜，并且存在著不可缺少的交流變壓器，因此，整個裝置體積大而笨重、成本高、設計難度大。
2、由于經過多次轉換，因此電能消耗大、整機工作效率低。
總之，現有技術中的直流變換器都沒有逃脫采用逆變技術以及采用變壓器。
本發明的目的在于避免現有技術的不足之處，提供一種不需采用逆變器以及交流變壓器的直流變換器。利用開關管在高頻狀態下通、斷，改變電容器組的接線，使電容器組分別在串聯、并聯方式下進行充放電，從而達到將直流功率輸入直接轉換為直流功率輸出的目的。
本發明的目的是通過以下技術方案實現。
本發明主要由開關管和電容元件組成。
本發明的特征是a、所述的變換器由高壓端線、低壓端線和充放電回路組成。
b、所述的充放電回路由有若干個電容器組成的電容器組、連接在高壓端線與電容器組之間的高壓控制管、連接在低壓端線與電容器組之間的低壓控制管、連接在電容器組各電容之間的分隔管和連接在電容器組中各電容和低壓端零線之間的接零管組成。
c、所述的高壓控制管、低壓控制管、分隔管和接零管的控制端分別接受脈沖控制信號，以相同的頻率在導通和截止工作狀態下交替轉換。并且，所述的高壓控制管、分隔管與接零管、低壓控制管的導通和截止工作狀態相反。
本發明是以控制脈沖發生部分為各開關管，也就是高壓控制管、低壓控制管、分隔管和接零管的控制端分別提供相同頻率但不同相位的脈沖控制信號，使各開關管在不同的時間狀態下導通或截止，并隨脈沖控制信號的頻率在導通、截止工作狀態下交替轉換。以此改變電容器組的串、并聯工作方式，實現電容器組串聯充電，并聯放電的降壓工作方式，以及并聯充電，串聯放電的升壓工作方式。
本發明的目的還可以通過以下技術方案實現。
本發明中所述的充放電回路由兩部分組成。所述的兩部分充放電回路具有相同的電路結構，但在兩部分回路中，各對應開關管在同一時間內導通或截止的工作狀態相反，兩回路在時間上互為補充地進行充放電，這樣，便能夠在負載上獲得連續的紋波較小的放電電流。
本發明相比已有技術具有如下優點。
本發明采用開關管和電容儲能元件，改變了長期以來一直延用的逆變器式直流變換器，取消了交流變壓器。因而，在電路結構上有了極大的簡化，成本大大降低，工作效率得以提高，整機損耗僅僅在于開關管通態損耗和電容器漏電損耗。由于采用電容儲能元件，使開關管的工作峰值電壓僅僅是輸入或輸出峰值電壓，由于開關管的隔斷作用，及電容儲能過渡，使得整機抗干擾性能較之逆變式變換器大大提高。在開關管的通斷頻率允許下，工作頻率越高，儲能電容器電容量越小，輸出電壓的紋波也越小。在開關管自身條件如功率、開斷電壓、開關頻率等允許的情況下，本發明的傳輸容量可達到相當大的數值，而且，容量與電容器C值無關，能廣泛用于直流穩壓電源、直流電壓變換、大電流發生器以及電弧焊設備等。
圖1為已有技術中電組分壓式降壓變換器工作原理圖。
圖2為已有技術中逆變器式變換器工作原理框圖。
圖3為本發明電路結構示意圖。
圖4為本發明作為降壓變換器原理示意圖。
圖5為本發明作為升壓變換器原理示意圖。
圖6為本發明采用互補充放電回路的原理示意圖。
圖中標號1、2、高壓端線，3、4、低壓端線，RD開關管通態電組。
以下結合附圖，通過實施例，對本發明作進一步描述。
實施例1參見圖4，在高壓端線1、2間接入電源Vi，ri為其內組，負載RL接低壓端線3、4間，成為降壓變換器。由于所提供的作用于開關管Q端的脈沖控制信號使得高壓控制管TH1、TH2、分隔管TG1、TG2……TGn-1與低壓控制管TL1、TL2……TLn、接零管To1、To2……Ton在同一時刻的導通與截止的工作狀態相反，因此，當高壓控制管TH1、TH2導通時，分隔管TG1、TG2……TGn-1導通，接零管To1、To2……Ton與低壓管TL1、TL2……TLn均截止，電容器組C1、C2……Cn成為串聯連接，并接受電源Vi充電，此時，充電回路與負載隔斷，充電回路等效電組Ri＝ri+(n+1)·RD，等效電容Ci＝C/n，其充電時間常數τi＝Ri·Ci，所提供的脈沖控制信號的脈沖寬度保證各電容有一足夠的充電時間，以充滿電，因此，充電過程結束時，各電容C上的充電電壓為Vi/n。當脈沖控制信號發生跳變，高壓控制管TH1、TH2轉為截止，分隔管TG1、TG2……TGn-1亦截止，接零管To1、To2……Ton與低壓管TL1、TL2……TLn均導通，電容器組中各電容C1、C2……Cn轉而成為并聯連接，并向負載RL放電，此時，放電回路與電源隔斷。放電回路等效電組Ro＝RL+2RD/n，等效電容Co＝nC，其放電時間常數τo＝Ro·Co，放電過程起始電壓為Vi/n。放電過程中，等效電容Co的端電壓Uco＝(1/n)·Vi·e-t/τo，設放電過程脈沖寬度為k·τo，(其中k為大于零的常數)，則，放電過程中等效電容Co輸出的電壓有效值為Vco＝(1/k·τ0)∫0k·τ0uco2·dt]]>＝(1/n)·Vi·(1 - e－2 k) / 2 k]]>因為RL
(2/n)·RD。所以變換器輸出電壓Vo＝Vco＝(1/n)Vi·(1 - e－2 k) / 2 k]]>，實現降壓變換。其中，(1 - e－2 k) / 2 k]]>即為傳輸系數。
由上式可見，當電容器組中電容的個數n一定，傳輸系數的大小決定于k值，也即，決定于放電過程脈沖寬度。并且，k值與傳輸系數的大小成反比。
在滿足電容器組有一足夠的充電時間，以充滿電的前提下，k值的調整有兩種方式，包括有調整控制脈沖的頻率f，或是調節放電過程的控制脈沖占空比。
實施例2參見圖5，與實施例1所述的降壓變換器所不同的是，在高壓端線1、2間接負載，電源Vi接低壓端線3、4間，ri為其內組。在脈沖控制信號的作用下，電容器組并聯接受電源充電，并且在串聯狀態下向負載RL放電。充電回路等效電組Ri＝ri+2RD/n，等效電容Ci＝n·C，充電時間常數τi＝Ri·Ci，放電回路等效電組Ro＝RL+(n+1)·RD，等效電容Co＝C/n，放電時間常數τo＝Ro·Co，要求所提供的脈沖控制信號能保證電容器組有足夠的充電時間，使其充電過程達到穩定狀態，這樣，放電起始電壓即為n·Vi。根據充放電原理同樣可得出，升壓變換器輸出電壓Vo＝n·Vi·(1 - e－2 k) / 2 k]]>。同降壓變換器原理相同，其傳輸系數(1 - e－2 k) / 2 k]]>亦可通過調整控制脈沖頻率f，或是調節放電過程的控制脈沖寬度占空比來予以調節。
實施例3參見圖6，采用互補充放電回路的變換器。
在實施例1、2所述的變換器中，由于采用單個的充放電回路，因此，在負載RL上得出的為一間斷的電壓信號。本實施例中，充放電回路是由充放電回路Ⅰ和充放電回路Ⅱ兩部分組成，所述的兩部分充放電回路具有相同的電路結構，并且，在回路Ⅰ與回路Ⅱ兩部分電路中，各對應的開關管在同一時間內導通或截止的工作狀態相反，兩回路Ⅰ、Ⅱ在時間上互為補充地充放電，這樣，在負載RL上即可得出一連續的放電電流。
本實施例中，各開關管可選擇功率MOSFET管，其中，高壓控制管TH1、TH2、TH1′、TH2′為IRF455，低壓控制管TL1、TL2、TL1′、TL2′、分隔管TG1′、TG1和接零管To1′、To2′、To1′、To2采用4N18。勻壓電組RG、RS、RG′、RS′為分隔管提供脈沖控制信號，也為電容器組中各電容C1、C2、C1′、C2′提供勻壓。當高壓端線1、2間接入300伏直流電壓，選擇電容器C1、C2、C1′、C2′為2μF/200v無感電容，RG′、RG為14MΩ/1W，RS′、RS為1MΩ/1W，經計算得出，其低壓端線3、4間的輸出電壓為100伏穩定電壓，最高工作頻率設計為1MHZ，最大輸出電流25A，允許電源電壓Vi波動范圍±10%，負載最大功率可為3KW。
由于大電流、高電壓、高頻率的開關管(也即電力電子元件)不斷涌現，目前已有功率MOSFET，最大電流為60A，最高工作電壓1000V;Bi-MOSFETImax為200A，Vmax達1000V;GTOImax達4500A，Vmax達5000V;MOS控制晶閘管MCT傳輸功率已達到10VA，若將上述元件用于本發明，將能設計出變換電壓等級高、電流大、傳輸功率極大的運用于電力系統的直流變換器，也將為電力系統中直流輸電提供更多的使用條件。
權利要求
1.一種用于直流變換的開關電容隔離式直流變換器，由開關管和電容元件組成，其特征在于a、所述的變換器由高壓端線、低壓端線以及充放電回路組成；b、所述的充放電回路由有若干個電容器C1、C2······Cn組成的電容器組、連接在高壓端線(1、2)與電容器組之間的高壓控制管TH1、TH2、連接在低壓端線(3)與電容器組之間的低壓控制管TL1、TL2······TLn、連接在電容器組各電容之間的分隔管TG1、TG2······TGn-1和連接在電容器組中各電容和低壓端線(4)之間的接零管TO1、TO2······TOn組成；c、所述的高壓控制管TH1、TH2、低壓控制管TL1、TL2······TLn、分隔管TG1、TG2······TGn-1和接零管TO1、TO2······TOn的控制端分別接受脈沖控制信號，以相同的頻率在導通和截止工作狀態下交替轉換，并且，所述的高壓控制管、分隔管與接零管、低壓控制管的導通和截止工作狀態相反。
2.根據權利要求1所述的直流變換器，其特征在于，所述的充放電回路由充放電回路Ⅰ和充放電回路Ⅱ組成，所述的充放電回路Ⅰ和充放電回路Ⅱ具有相同的電路結構，在回路Ⅰ與回路Ⅱ兩部分電路中各對應的開關管在同一時間內導通或截止的工作狀態相反，兩回路Ⅰ、Ⅱ在時間上互為補充地充放電。
全文摘要
本發明涉及一種開關電容隔離式直流變換器。其特征是為各開關管提供不同的脈沖控制信號，使各開關管在不同狀態時導通或截止，并以此改變電容器組的串、并聯接線方式，實現電容器組串聯充電、并聯放電的降壓工作方式，以及并聯充電、申聯放電的升壓工作方式。本發明采用開關管和電容儲能元件，改變了長期以來一直延用的逆變器式直流變換器，取消了交流變壓器。
文檔編號H02M3/07GK1047944SQ9010387
公開日1990年12月19日 申請日期1990年5月26日 優先權日1990年5月26日
發明者季長青, 張秀祥 申請人:季長青