專利名稱：包含兩個(gè)諧振儲(chǔ)能電路的電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及向負(fù)載提供電力的電源，尤其涉及一種包含多個(gè)儲(chǔ)能電路的高效率電源，其功能和相互作用由一套專門控制的開(kāi)關(guān)和恒電流控制器進(jìn)行控制。
包括電荷存儲(chǔ)元件(或者更概括地說(shuō)，能量存儲(chǔ)元件)的電源是公知的。
例如，美國(guó)專利No.4，628，284(布呂寧)揭示了一種高頻率高電壓電源，它用了例如微波爐的磁控管的晶體管開(kāi)關(guān)。在一個(gè)或另一個(gè)晶體管截止時(shí)的時(shí)間間隔之間提供一個(gè)“空載時(shí)間”。
美國(guó)專利No.4，319，315(小肯尼等)揭示了一種具有相反導(dǎo)電晶體管對(duì)的直流一直流轉(zhuǎn)換器。
美國(guó)專利No.3，886，429(邁拉德等)揭示了一種適合不同電源的對(duì)稱電源組。電源組有交替截止和飽和的開(kāi)關(guān)晶體管對(duì)。
美國(guó)專利No.4，748，311(托馬斯等)揭示了一種具有推挽頻率為f。和并聯(lián)調(diào)諧電路調(diào)諧頻率為2×f。的斬波電路。托馬斯等設(shè)計(jì)的電路的目的是減少其開(kāi)關(guān)裝置的功率損失。
美國(guó)專利No.4，542，440(查泰等)揭示了一種電流傳感器，它包含兩個(gè)電源開(kāi)關(guān)和兩個(gè)關(guān)聯(lián)緩沖電路，它們工作時(shí)相互之間相位差為180°。
美國(guó)專利No.5，513，226(約瑟夫遜)揭示了一種包含兩個(gè)儲(chǔ)能電路的鎮(zhèn)流倒相電路。兩儲(chǔ)能電路工作在同一諧振頻率。一對(duì)晶體管反相轉(zhuǎn)換，以推挽方式工作。
美國(guó)專利4，709，323(廉)揭示了一種并聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器，在此轉(zhuǎn)換器中，諧振電路回收了在電路的開(kāi)關(guān)操作時(shí)本來(lái)要損失掉的能量。
電源的效率是根據(jù)電源內(nèi)部消耗的能量值來(lái)測(cè)定的。人們當(dāng)然希望把內(nèi)部消耗的能量降到最小，因?yàn)閮?nèi)部消耗的能量不能傳送到負(fù)載中。人們始終期望具有較高效率的電源。本發(fā)明的目的就是為了滿足這種需要。
本發(fā)明涉及一種為負(fù)載提供電能的電源。本電源包括具有共同諧振頻率的第一和第二諧振儲(chǔ)能電路，在兩個(gè)“主時(shí)段”內(nèi)反復(fù)起作用。在第一主時(shí)段內(nèi)，第一諧振儲(chǔ)能電路斷開(kāi)，不向負(fù)載供電，而由第二諧振儲(chǔ)能電路向負(fù)載供電，同時(shí)向第一諧振儲(chǔ)能電源充電。在第二主時(shí)段內(nèi)，第二諧振儲(chǔ)能電路斷開(kāi)，不向負(fù)載供電，而由第一諧振儲(chǔ)能電路向負(fù)載供電，與此同時(shí)向第二諧振儲(chǔ)能電路充電。
在特定的實(shí)施例中，本發(fā)明的電源可以包括多個(gè)恒電路控制器以把諧振儲(chǔ)能電路連到負(fù)載上。恒電流控制器可以是金屬氧化半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFETS)。本發(fā)明的電源也可以包括一組開(kāi)關(guān)，以有選擇地連接諧振儲(chǔ)能電路、恒電流控制器和負(fù)載。
諧振儲(chǔ)能電路、恒電流控制器和開(kāi)關(guān)安排成在第一和第二“主時(shí)段”起作用，每個(gè)“主時(shí)段”包括第一和第二“次時(shí)段”。第一諧振儲(chǔ)能電路包含第一電容器和電感器，而第二諧振儲(chǔ)能電路包含第二電容器和電感器。第一主時(shí)段的第一次時(shí)段定義為第二電容器同時(shí)向第二電感器提供電流，向負(fù)載提供電能和對(duì)第一諧振儲(chǔ)能電路充電的時(shí)間;第一主時(shí)段的第二次時(shí)段定義為第二電感器同時(shí)向第一諧振儲(chǔ)能電路充電和向負(fù)載提供電能的時(shí)間。第二主時(shí)段的第一次時(shí)段定義為第一電容器同時(shí)通過(guò)第一電感器提供電流，對(duì)第二諧振儲(chǔ)能電路充電和向負(fù)載提供電能的時(shí)間;第二主時(shí)段的第二次時(shí)段定義為第一電感器向第二儲(chǔ)能電路充電和向負(fù)載供電的時(shí)間。
通過(guò)閱讀下面結(jié)合附圖對(duì)最佳實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明將能更好地理解本發(fā)明，圖中相同的參考編號(hào)對(duì)應(yīng)于相同的元部件。


圖1是一高層次框圖，示出了本發(fā)明的電源的一個(gè)實(shí)施例。
圖2更詳細(xì)地圖示了圖1的實(shí)施例。圖2A和圖2B示出了如圖3所示的第一主時(shí)段的第一和第二次時(shí)段期間的電流流向。圖2C和圖2D示出了如圖3所示的第二主時(shí)段的第一和第二次時(shí)段(第三和第四時(shí)段)期間的電流流向。
圖3是某些電壓信號(hào)波形和時(shí)間圖，電壓信號(hào)由柵極信號(hào)發(fā)生器提供并送到圖1和圖2所示的開(kāi)關(guān)和恒電流控制器的控制端(柵極)。
圖4示出了圖1和圖2所示的最佳的柵極信號(hào)放大器，圖4A和圖4B示出了它們的詳圖。
圖5A、圖5B和圖5C分別示出了圖1和圖2所示的最佳的柵極信號(hào)發(fā)生器、諧振儲(chǔ)能充電器和交流負(fù)載定時(shí)電路。
在描述圖示的本發(fā)明的最佳實(shí)施例時(shí)，為清楚起見(jiàn)，使用了專門的術(shù)語(yǔ)來(lái)描述最佳元件和電路。然而，本發(fā)明不受這樣選擇的專門術(shù)語(yǔ)的限制，并且，應(yīng)予理解的是，每個(gè)專門的元件和電路包括所有的以相似方式工作以實(shí)現(xiàn)相似目的的技術(shù)等同物。此外還應(yīng)予以理解的是，詳細(xì)說(shuō)明中所用的“柵極信號(hào)發(fā)生器和諧振儲(chǔ)能充電器”、“柵極信號(hào)放大器”、“反饋控制器”和“恒電流控制器”包括所有與之相關(guān)的電路，但本發(fā)明的范圍和權(quán)利要求中的元件的解釋不應(yīng)受這樣的限制。而且，“節(jié)點(diǎn)”、“通路”和“路徑”應(yīng)理解為任一合適的把電流從一個(gè)電路元件或電路傳導(dǎo)到另一個(gè)電路元件或電路的方法和/或用作由兩個(gè)或更多個(gè)這樣的導(dǎo)線連接在一起的一個(gè)點(diǎn)的手段。術(shù)語(yǔ)“通路”和“路徑”應(yīng)作廣義的解釋，它們可以包括導(dǎo)電節(jié)點(diǎn)以外的電路元件。按照習(xí)慣，詳細(xì)描述中描述了正電流流動(dòng)，但是，該技術(shù)領(lǐng)域的那些熟練人員應(yīng)理解，與負(fù)電荷電子流動(dòng)方向相反的正電流流動(dòng)僅是習(xí)慣，本發(fā)明的操作不受此限制。
圖1是本發(fā)明的電源的最佳實(shí)施例的高層次框圖。把電源設(shè)計(jì)成向負(fù)載100提供電能。
圖2更詳細(xì)地圖示了電源實(shí)施例。
電源自身分別包括第一和第二諧振儲(chǔ)能電路101、102。諧振儲(chǔ)能電路101、102通過(guò)各自的恒電流控制電路103、104和隔離開(kāi)關(guān)13(圖2)連接到負(fù)載100的負(fù)端。
共同支路105通過(guò)隔離開(kāi)關(guān)14(圖2)把負(fù)載的正端連接到諧振儲(chǔ)能電路101、102。諧振儲(chǔ)能電路101、102分別通過(guò)共同支路106和專用通路107、108連接到柵極信號(hào)發(fā)生器和諧振儲(chǔ)能充電器114。負(fù)載兩端分別通過(guò)路徑220和222連接到反饋控制器110。反饋控制器110分別通過(guò)路徑226、224連接到柵極信號(hào)發(fā)生器和諧振儲(chǔ)能充電器114。由反饋控制器110(它可以是MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)電路)或電池118之一向柵極信號(hào)發(fā)生器和諧振儲(chǔ)能充電器114供電。柵極信號(hào)發(fā)生器和諧振諧振儲(chǔ)能充電器114通過(guò)柵極信號(hào)放大器116控制恒流控制電路103、104以及各個(gè)開(kāi)關(guān)(圖1中未具體示出)的工作。
為清楚起見(jiàn)，圖1中特意略去了各個(gè)開(kāi)關(guān)和恒電流控制元件(它們可以是MOSFETs)以及電流方向控制器(最好是肖特基二極管)?，F(xiàn)在參照?qǐng)D2，圖2更詳細(xì)地圖示了圖1的電源。
所示的第一諧振儲(chǔ)能電路101包括兩支路202、204之間的多個(gè)元件。電感L1與節(jié)點(diǎn)424、支路202、204之間的開(kāi)關(guān)1和二極管38串聯(lián)連接。相似地，二極管206與節(jié)點(diǎn)428、支路202、204之間的電容器C1和節(jié)點(diǎn)426串聯(lián)連接。二極管37和開(kāi)關(guān)2在節(jié)點(diǎn)424(電感C1和開(kāi)關(guān)1之間)和節(jié)點(diǎn)426(電容C1和支路204之間)之間串聯(lián)連接。
第二諧振儲(chǔ)能電路102以與諧振儲(chǔ)能電路101相似的方法構(gòu)成。具體地說(shuō)，支路212、214對(duì)應(yīng)于支路202，204。相似地，第二電感器L2和第二電容器C2分別對(duì)應(yīng)第一電感器L1和第二電容器C1。開(kāi)關(guān)7和8、和二極管42、41和216分別對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)1和2和二極管38、37和206。
二極管206、216的方向排列得可以允許電流從支路202、212分別通過(guò)節(jié)點(diǎn)428、414流到各自的電容器C1、C2。電容器C1和C2的正端分別通過(guò)節(jié)點(diǎn)428、414連接到二極管206和216;電容器的負(fù)端分別通過(guò)節(jié)點(diǎn)426、418連接到支路204、214。
電感器L1和L2的極性隨著電路工作時(shí)段而變化。在第一和第三次時(shí)段(下面將更詳細(xì)描述)期間，這兩時(shí)段分別與諧振儲(chǔ)能電路102、101通過(guò)它們的電容器和電感器對(duì)負(fù)載100放電相關(guān)，與支路212(第一次時(shí)段301)或202(第三次時(shí)段303)相連的電感器的一端為正極端;在第二和第四次時(shí)段(下面將更詳細(xì)描述)期間，該極性相反。
在參照?qǐng)D1進(jìn)行的討論中曾簡(jiǎn)短介紹過(guò)，負(fù)載的負(fù)端通過(guò)隔離開(kāi)關(guān)13及各自的恒電流控制電路103、104連接到各自的諧振儲(chǔ)能電路101、102。圖2比圖1更詳細(xì)地示出了連接關(guān)系。具體地說(shuō)，負(fù)載100的負(fù)端通過(guò)節(jié)點(diǎn)402連到二極管33，二極管33連到恒電流控制電路103的輸入節(jié)點(diǎn)404恒電流控制電路103的輸出節(jié)點(diǎn)406連接到節(jié)點(diǎn)202(在諧振儲(chǔ)能電路101內(nèi))。二極管33的排列方向允許電流從負(fù)載100的負(fù)端通過(guò)隔離開(kāi)關(guān)13和節(jié)點(diǎn)402流到恒電流控制電路103。恒電流控制電路103包括兩個(gè)并聯(lián)的恒電流控制元件5和6，恒電流控制元件5和6可以是MOSFET。流過(guò)恒電流控制電路元件5和6的電流由114內(nèi)的柵極信號(hào)發(fā)生器分別控制，這將在下面描述。
用與連接隔離開(kāi)關(guān)13、節(jié)點(diǎn)402、二極管33、節(jié)點(diǎn)404、恒電流控制元件5和6、節(jié)點(diǎn)406和支路202類似的方法，通過(guò)隔離開(kāi)關(guān)13、節(jié)點(diǎn)402、二極管34、節(jié)點(diǎn)410、兩個(gè)并聯(lián)連接的恒電流控制元件11、12(它們可以是MOSFETS)、節(jié)點(diǎn)412和支路212把負(fù)載100的負(fù)端連接到第二諧振儲(chǔ)能電路102上。
負(fù)載100的正端連接到每個(gè)諧振儲(chǔ)能電路101、102內(nèi)的兩點(diǎn)上。具體地說(shuō)，負(fù)載100的正端通過(guò)隔離開(kāi)關(guān)14、支路105、開(kāi)關(guān)3和二極管35連接到二極管206和電容器C1之間的節(jié)點(diǎn)428上。而且，負(fù)載100的正端也通過(guò)開(kāi)關(guān)14、支路105、開(kāi)關(guān)4和二極管36連接到第一電感L1和開(kāi)關(guān)1之間的節(jié)點(diǎn)424上。
用類似的方法，通過(guò)隔離開(kāi)關(guān)14、支路105、開(kāi)關(guān)9和二極管39把負(fù)載100的正端連接到二極管216和電容器C2之間的節(jié)點(diǎn)414上。通過(guò)隔離開(kāi)關(guān)14、支路105、開(kāi)關(guān)10和二極管40把負(fù)載的正端連接到第二電感L2和開(kāi)關(guān)7之間的節(jié)點(diǎn)416。
如圖1所示，支路106是共同連接到儲(chǔ)能電路101、102的連接線，在圖2更具體地示出了該線連接到二極管31和32的情況。二極管31、32分別通過(guò)開(kāi)關(guān)15、16連接，以允許電流僅在那些諧振儲(chǔ)能電路充電時(shí)才可以從支路106流向在各個(gè)諧振儲(chǔ)電路101、102內(nèi)的各個(gè)支路202、212。支路204(在諧振儲(chǔ)能電路101內(nèi))和支路214(在諧振儲(chǔ)能電路101內(nèi))連接到在各自路徑107、108上的各個(gè)開(kāi)關(guān)21、22。開(kāi)關(guān)21、22的相對(duì)端和節(jié)點(diǎn)106連到柵極信號(hào)發(fā)生器和諧振儲(chǔ)能充電器114。開(kāi)關(guān)21和22工作時(shí)安排成兩者不同時(shí)連接到它們各自的諧振儲(chǔ)能電路101、102上。
負(fù)載100的負(fù)端和正端分別通過(guò)路徑220、222和開(kāi)關(guān)242連接到反饋控制器110上。反饋控制器110通過(guò)路徑224、226連接到柵極信號(hào)發(fā)生器和諧振儲(chǔ)能充電器114上。路徑224被認(rèn)為是地電位，而路徑226為直流電位，典型值為+18V。
柵極信號(hào)發(fā)生器和諧振儲(chǔ)能充電器114從反饋控制器110或電池118(或其它等效電源)接收電能。典型地，柵極信號(hào)發(fā)生器和諧振儲(chǔ)能充電器114的正電流輸入端232連接到電池118的正端240。相似地，柵極信號(hào)發(fā)生器和諧振儲(chǔ)能充電器114典型地連接到電池118的負(fù)端238，開(kāi)關(guān)244把電池各端238、240連接到柵極信號(hào)發(fā)生器和儲(chǔ)能充電器114的輸入端230、232。
工作時(shí)，柵極信號(hào)放大器116對(duì)114中的柵極信號(hào)發(fā)生器所產(chǎn)生的柵極信號(hào)進(jìn)行放大，并使它流到圖中標(biāo)為246的路徑上。柵極信號(hào)放大器116把放大后的信號(hào)分配給各個(gè)開(kāi)關(guān)和恒電流控制器的柵極，由它們來(lái)控制本發(fā)明電源的功能。
可以有利地使用金屬氧化半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFETs)構(gòu)成開(kāi)關(guān)1-4、7-10和21-22。如圖2所示，開(kāi)關(guān)3、4、9、10、21和22可以安排成使MOSFET的源極朝向圖2的底部，MOSFET的漏極朝圖2的頂部。對(duì)開(kāi)關(guān)1，2，7，8，MOSFET的源極朝向圖2的頂部或右面，MOSFET的漏極朝向底部或左面。對(duì)于MOSFET開(kāi)關(guān)5、6、11和12，源極朝向圖2的左面，漏極朝向圖2的右面。MOSFET16的源極朝向左面，MOSFET15的源極朝向右面。
MOSFETs的柵極是開(kāi)關(guān)的控制端，并通過(guò)柵極信號(hào)放大器116而具有從114中的柵極信號(hào)發(fā)生器來(lái)的合適的電壓信號(hào)。隔離開(kāi)關(guān)13、14可有利地使用適合于把負(fù)載100連到電源上或從電源上斷開(kāi)的機(jī)械、真空或固態(tài)器件構(gòu)成。
恒電流控制電路5、6、11和12也可以由MOSFETs構(gòu)成。然而，這些MOSFETs不以二元開(kāi)關(guān)的方式工作。而是如專業(yè)術(shù)語(yǔ)“恒電流控制器”所述，這些MOSFET可以有利地工作在它們的線性區(qū)域用作電流控制器。如圖2所示，每個(gè)恒電流控制器的MOSFET的源極可以通過(guò)相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)406，412連接到儲(chǔ)能電路101、102的頂部節(jié)點(diǎn)202，212。每個(gè)MOSFET的漏極可以通過(guò)相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)404、410連接到二極管33、34上。各個(gè)MOSFET的柵極通過(guò)柵極信號(hào)放大器116連接到柵極信號(hào)發(fā)生器和儲(chǔ)能充電器114上。
再生反饋控制器(圖1和圖2)最好構(gòu)成Vicor VIL53Cy型直流一直流轉(zhuǎn)換器，在其儲(chǔ)能輸出(負(fù)載)側(cè)有120伏直流，在路徑226和224之間有+18伏直流輸出。
圖3是波形和時(shí)間定標(biāo)圖，它示出了柵極信號(hào)發(fā)生器和諧振儲(chǔ)能充電器114所產(chǎn)生的信號(hào)，該信號(hào)對(duì)開(kāi)關(guān)和恒電流控制元件1-12和21-22進(jìn)行控制。
如上所述，電源包括第一和第二諧振儲(chǔ)能電路。兩諧振儲(chǔ)能電路具有同一個(gè)諧振頻率，并分別在兩個(gè)“主時(shí)段”312和334內(nèi)(圖3)起作用。在第一主時(shí)段312內(nèi)，第一諧振儲(chǔ)能電路101與電源負(fù)載100斷開(kāi)，第二諧振儲(chǔ)能電路102在向第一諧振儲(chǔ)能電路101充電的同時(shí)向負(fù)載100供電。在第二主時(shí)段334，第二諧振儲(chǔ)能電路102與電源的負(fù)載斷開(kāi)，由第一諧振儲(chǔ)能電路101向負(fù)載100供電，與此同時(shí)向第二諧振儲(chǔ)能電路102充電。
每個(gè)主時(shí)段包括第一和第二“次時(shí)段”。第一主時(shí)段的第一次時(shí)段301定義為電容器C2同時(shí)向負(fù)載100供電，維持電流流過(guò)電感器L2和向第一諧振儲(chǔ)能電路101充電的一段時(shí)間;第一主時(shí)段的第二次時(shí)段302定義為第二電感器L2向第一諧振儲(chǔ)能電路101充電和向負(fù)載100供電的一段時(shí)間。第二主時(shí)段334的第一次時(shí)段303定義為第一電容器C1同時(shí)向第二諧振儲(chǔ)能電路102充電，維持電流流過(guò)電感器L1和向負(fù)載100供電的一段時(shí)間;第二主時(shí)段334的第二次時(shí)段定義為第一電感器L1向第二諧振儲(chǔ)能電路102充電和向負(fù)載100供電的時(shí)間。次時(shí)段和主時(shí)段的定時(shí)用下述方法由開(kāi)關(guān)控制。
第一主時(shí)段的第一和第二次時(shí)段下面緊接著是第二主時(shí)段的第一和第二次時(shí)段。因此它們可以看作第一、第二、第三和第四連續(xù)的次時(shí)段。在圖3中第一至第四次時(shí)段分別用301、302、303和304表示。應(yīng)該理解，圖3所示的波形在所示的時(shí)間段的前后是重復(fù)延伸的。按習(xí)慣，高電平信號(hào)表示二進(jìn)制開(kāi)關(guān)“閉合”(接通)，“低”電平信號(hào)表示二進(jìn)制開(kāi)關(guān)“斷開(kāi)”(不接通)。柵極信號(hào)發(fā)生器和儲(chǔ)能充電器114同步產(chǎn)生如圖所示的波形。
對(duì)于儲(chǔ)能電路101，波形A輸入到開(kāi)關(guān)1、15和21(圖2)以及17(圖5c)。波形B輸入到開(kāi)關(guān)2和3。波形C輸入開(kāi)關(guān)4。波形D輸入恒電流控制元件5。波形E輸入恒電流控制元件6。
相似地，對(duì)于儲(chǔ)能電路102，波形F輸入開(kāi)關(guān)7、16、22(圖2)和18(圖5c)。波形G輸入開(kāi)關(guān)8、9。波形H輸入開(kāi)關(guān)10。波形I輸入恒電流控制元件11。最后，波形J輸入恒電流控制元件12。
在最佳實(shí)施例中，波形A和F在時(shí)間上是連續(xù)的，正方波具有50/50占空度，標(biāo)稱頻率為20KHz。波形B、C、G和H是占空度為25/75(25%)、標(biāo)稱頻率為20KHz的正方波。波形D、E、I、J為具有25/75(25%)占空度的指數(shù)形波，標(biāo)稱頻率為20KHz。所示的波形和正電壓電源一起使用。圖中沒(méi)有示出與之互補(bǔ)的負(fù)波形，它也可以與互補(bǔ)的負(fù)電源一起使用，其原理與所示的電源的原理相同。
在某一次時(shí)段，波形B、C、G和H中僅有一個(gè)波形有效。波形G在第一次時(shí)段有效;波形H在第二次時(shí)段有效;波形B在第三次時(shí)段有效;波形C在第四次時(shí)段有效。波形I、J、D和E分別在第一、第二、第三和第四次時(shí)段有效。這些波形是經(jīng)細(xì)致控制的模擬波形，最好是指數(shù)形，它調(diào)節(jié)各個(gè)恒流控制元件11、12、5和6所提供的電流的大小，以控制最終由諧振儲(chǔ)能電路102和101饋至負(fù)載100的電流。可以用任何合適的方式產(chǎn)生指數(shù)形波形，例如，可以以該技術(shù)領(lǐng)域的熟練人員所公知的方法用模擬網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字波形發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生。
現(xiàn)在描述第一至第四次時(shí)段期間起動(dòng)操作時(shí)圖2電路的電流流動(dòng)。各電路部件的功能與穩(wěn)定態(tài)操作期間相同，下面將更全面地加以描述。
在起動(dòng)期間，開(kāi)關(guān)13和14打開(kāi)，把負(fù)載100與電源隔離開(kāi)。開(kāi)關(guān)244閉合，把電能從電池118(或等效電源)提供給柵極信號(hào)發(fā)生器和諧振儲(chǔ)能充電器114。開(kāi)關(guān)242也閉合，這樣，把反饋控制器110連接到諧振儲(chǔ)能電路的輸出端，在穩(wěn)定狀態(tài)操作期間，它用于負(fù)載100和反饋控制器110。柵極信號(hào)發(fā)生器和諧振儲(chǔ)能充電器114接通，同時(shí)開(kāi)關(guān)1、8、9、11、15和21也接通，開(kāi)關(guān)4、6、7、16和22斷開(kāi)。這樣在主時(shí)段312的次時(shí)段301(圖3)期間對(duì)諧振儲(chǔ)能電路101充電。
此時(shí)諧振儲(chǔ)能電路102無(wú)電荷，因此，它不能進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)操作，以向負(fù)載100供電和向諧振儲(chǔ)能電路101充電。然而，在起動(dòng)期間，諧振儲(chǔ)能電路102的的開(kāi)關(guān)以與穩(wěn)定狀態(tài)操作期間一樣的順序連接。
由于在起動(dòng)期間僅諧振儲(chǔ)能電路101需要充電，因此，電能只要從電池18(或等效電源)經(jīng)過(guò)柵極信號(hào)發(fā)生器和諧振儲(chǔ)能充電器114、諧振儲(chǔ)能電路101和反饋控制器110后最后返回到柵極信號(hào)發(fā)生器和諧振儲(chǔ)能充電器114。
在次時(shí)段301結(jié)束/次時(shí)段302開(kāi)始時(shí)，開(kāi)關(guān)8、9和11斷開(kāi)，同時(shí)，開(kāi)關(guān)10和12接通。在主時(shí)段312的次時(shí)段302結(jié)束/主時(shí)段334的次時(shí)段303開(kāi)始時(shí)，開(kāi)關(guān)1、10、12、15和21斷開(kāi)，同時(shí)，開(kāi)關(guān)2、3、5、7、16和22接通。諧振儲(chǔ)能電路101通過(guò)反饋控制器110和柵極信號(hào)發(fā)生器和諧振儲(chǔ)能充電器114放電，而開(kāi)始對(duì)諧振儲(chǔ)能電路102充電。最后，在次時(shí)段303結(jié)束/次時(shí)段304開(kāi)始時(shí)，開(kāi)關(guān)2、3和5斷開(kāi)，同時(shí)開(kāi)關(guān)4和6接通。在主時(shí)段334結(jié)束時(shí)，兩個(gè)諧振儲(chǔ)能電路以如圖3所示的各自的充放電順序繼續(xù)工作。
在兩個(gè)主時(shí)段和四個(gè)次時(shí)段期間，柵極信號(hào)發(fā)生器和諧振儲(chǔ)能充電器114通過(guò)柵極信號(hào)放大器116向開(kāi)關(guān)提供必要的電壓信號(hào)，使它們按照?qǐng)D3所示的時(shí)間順序控制諧振儲(chǔ)能電路101、102的充放電。在主時(shí)段312結(jié)束時(shí)，隔離開(kāi)關(guān)13和14閉合，向負(fù)載100供電。
現(xiàn)在描述穩(wěn)態(tài)條件下的操作。請(qǐng)參閱圖2A-2D，圖2A-2D分別示出了四個(gè)連續(xù)的次時(shí)段期間的電流流動(dòng)。
在第一次時(shí)段301期間，電容器C2維持流過(guò)電感器L2的電流，對(duì)諧振儲(chǔ)能電路101充電，并向負(fù)載100供電。電流從C2的正端通過(guò)節(jié)點(diǎn)414、二極管39、開(kāi)關(guān)9、節(jié)點(diǎn)105和開(kāi)關(guān)14流到負(fù)載100的正端。從負(fù)載100的負(fù)端，電流通過(guò)節(jié)點(diǎn)402、二極管34、節(jié)點(diǎn)410、MOSFET11和節(jié)點(diǎn)412再進(jìn)入儲(chǔ)能電路102。然后，電流通過(guò)電感器C2、節(jié)點(diǎn)416、二極管41、MOSFET8和節(jié)點(diǎn)418返回到電容器C2的負(fù)端。
應(yīng)當(dāng)理解，在儲(chǔ)能電路101內(nèi)，內(nèi)部的諧振儲(chǔ)能電流是以順時(shí)針?lè)较蛄鲃?dòng)的(如圖2所示)。
同時(shí)，諧振儲(chǔ)能電路101被充電，電流從柵極信號(hào)發(fā)生器和諧振儲(chǔ)能充電器114通過(guò)支路106、二極管31、開(kāi)關(guān)15、支路202、二極管206和節(jié)點(diǎn)428流到電容器C1。電流繼續(xù)從電容器C1的相對(duì)(負(fù))端通過(guò)節(jié)點(diǎn)426、開(kāi)關(guān)21，沿著路徑107返回柵極信號(hào)發(fā)生器的諧振儲(chǔ)能充電器114。
反饋控制器110接收從節(jié)點(diǎn)432通過(guò)開(kāi)關(guān)242沿路徑222來(lái)的部分電流，該電流沿著路徑226流到柵極信號(hào)發(fā)生器和諧振儲(chǔ)能充電器114。電流也從柵極信號(hào)發(fā)生器和諧振儲(chǔ)能充電器114沿著路徑224通過(guò)反饋控制器110，沿著路徑220通過(guò)開(kāi)關(guān)242、節(jié)點(diǎn)402和開(kāi)關(guān)13到負(fù)載100的負(fù)端。
在第二次時(shí)段302，在向諧振儲(chǔ)能電路101充電時(shí)向負(fù)載100供電。具體地說(shuō)，電流從電感L2通過(guò)節(jié)點(diǎn)416、二極管40、開(kāi)關(guān)10、支路105(432)和隔離開(kāi)關(guān)14流到負(fù)載100的正端。然后電流從負(fù)載100的負(fù)端通過(guò)隔離開(kāi)關(guān)13、節(jié)點(diǎn)402、二極管34、節(jié)點(diǎn)410、恒電流控制器MOSFET12和節(jié)點(diǎn)412返回到電感器12。該第二次時(shí)段302期間的電流在其它方面的描述與第一次時(shí)段301相同。
在第三次時(shí)段303期間，重復(fù)第一次時(shí)段301的過(guò)程，由諧振儲(chǔ)能電路101向負(fù)載100、諧振儲(chǔ)能電路102和有關(guān)電路供電?，F(xiàn)在在第一諧振儲(chǔ)能電路101內(nèi)的電容器C1向負(fù)載供電，向第二諧振儲(chǔ)能電路102充電。具體地說(shuō)，電流從電容器C1的正端通過(guò)節(jié)點(diǎn)428、二極管35、開(kāi)關(guān)3;支路105(432)和隔離開(kāi)關(guān)14流到負(fù)載100的正端。然后，電流從負(fù)載100的負(fù)端通過(guò)隔離開(kāi)關(guān)13、節(jié)點(diǎn)402、二極管33、節(jié)點(diǎn)404，恒電流控制器MOSFET5、節(jié)點(diǎn)406、支路202、電感L1、節(jié)點(diǎn)424、二極管37、開(kāi)關(guān)2和節(jié)點(diǎn)426，返回到電容器C1的負(fù)端。
在諧振儲(chǔ)能電路102內(nèi)，內(nèi)部的諧振電流以如圖2所示的順時(shí)針?lè)较蛄鲃?dòng)。
電流從柵極信號(hào)發(fā)生器和諧振儲(chǔ)能充電器114通過(guò)支路106(408)、二極管32、開(kāi)關(guān)16、節(jié)點(diǎn)212、二極管216和節(jié)點(diǎn)414流到電容器C2的正端。電流也從電容器C2的負(fù)端通過(guò)節(jié)點(diǎn)418、開(kāi)關(guān)22，沿著路徑108返回到柵極信號(hào)發(fā)生器和諧振儲(chǔ)能充電器114。
電流從節(jié)點(diǎn)432和開(kāi)關(guān)242沿著路徑222流到反饋控制器110，然后沿著路徑226流到柵極信號(hào)發(fā)生器和諧振儲(chǔ)能充電器114。電流沿著路徑224通過(guò)反饋控制器110、通過(guò)開(kāi)關(guān)242沿著路徑220返回到節(jié)點(diǎn)402。
在第四次時(shí)段304期間，電感器L1向負(fù)載供電，并向第二諧振儲(chǔ)能電路102充電。具體地說(shuō)，電流從電感L1的正端通過(guò)節(jié)點(diǎn)424、二極管36、開(kāi)關(guān)4、支路105(432)和隔離開(kāi)關(guān)14流到負(fù)載100正端。然后電流通過(guò)隔離開(kāi)關(guān)13、節(jié)點(diǎn)402、二極管33、節(jié)點(diǎn)404、恒電流控制器MOSFET6和節(jié)點(diǎn)406、支路202返回到電感L1的負(fù)端。在第四次時(shí)段304期間電路中其它的電流流動(dòng)與上面描述第三次時(shí)段303時(shí)的相同。
從柵極信號(hào)發(fā)生器和諧振儲(chǔ)能充電器114把合適的柵極控制信號(hào)沿著路徑246送到柵極信號(hào)放大器116，然后按照?qǐng)D3的時(shí)間和波形送到MOSFET1-12、21、22的柵極。
下表提供了各個(gè)部件有利的具體的值。然而，那些熟悉技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以在本說(shuō)明書(shū)之后的權(quán)利要求書(shū)所闡述的本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)對(duì)下面的部件、部件值、部件類形和參數(shù)范圍作出種種替換或變更。
表一元件可供選用的器件開(kāi)關(guān)1-4IRF350 MOSFETS(400伏60安培脈沖)開(kāi)關(guān)7-10IRF350 MOSFETS(400伏60安培脈沖)開(kāi)關(guān)21-22IRF641 MOSFETS(150伏72安培脈沖)開(kāi)關(guān)15-16IRF350 MOSFETS(150伏72安培脈沖)恒電流控制器IRF350 MOSFETS(150伏72安培脈沖)5-6恒電流控制器IRF350 MOSFETS(150伏72安培脈沖)11-12二極管206、216IRF60HFU(R)200(200伏、60安培超快速恢復(fù))二極管31、32IRF60HFU(R)200(200伏、60安培,超快速恢復(fù))二極管33、34IRF60HFU(R)200(200伏、60安培,超快速恢復(fù))二極管35、38IRF60HFU(R)200(200伏、60安培,超快速恢復(fù))二極管39、42IRF60HFU(R)200(200伏、60安培,超快速恢復(fù))
電感器L1、L2MICROTRAN SL4-23-F(螺線管/21微享、30安培)電容器C1、C2Components Research 3.14微法/600伏/300安培,200千赫(IRF-國(guó)際整流器公司)現(xiàn)在請(qǐng)參閱圖4，4A和4B，圖4、4A和4B更詳細(xì)地圖示了柵極信號(hào)放大圖116(圖1和圖2)。尤其是，如圖所示，柵極信號(hào)放大器116是一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和前置驅(qū)動(dòng)器陣列。各種從柵極信號(hào)發(fā)生器114沿路徑246到柵極信號(hào)放大器116(圖1和圖2)的信號(hào)都輸入到各自的驅(qū)動(dòng)器/前置驅(qū)動(dòng)器。下面參照?qǐng)D5A詳細(xì)描述沿路徑246傳送的各種信號(hào)的產(chǎn)生。
參見(jiàn)圖4。圖4示出信號(hào)通過(guò)路徑246到柵極信號(hào)放大器116并分送到各驅(qū)動(dòng)器和前置驅(qū)動(dòng)器。從圖4左側(cè)進(jìn)入的信號(hào)是圖3所示的信號(hào)A-J。每個(gè)圖5A中產(chǎn)生的圖3信號(hào)輸入到兩個(gè)電路之一，該兩個(gè)電路分別圖示于圖4A和圖4B。為清楚起見(jiàn)，圖4示出了圖4A和圖4B所示的電路的框圖。圖4所示的各個(gè)框圖驅(qū)動(dòng)圖2所示的MOSFET開(kāi)關(guān)或恒電流控制器的相應(yīng)柵極。
信號(hào)D、E、I和J驅(qū)動(dòng)恒電流控制器5、6、11和12。它們都是模擬信號(hào)。圖4A所示的電路用于產(chǎn)生這些模擬信號(hào)。到圖4右邊的大多數(shù)信號(hào)是二進(jìn)制信號(hào)，這些二進(jìn)制信號(hào)輸入至起通一斷開(kāi)關(guān)作用的MOSFET。圖4B所示的電路用于產(chǎn)生這些信號(hào)。
參見(jiàn)圖4A。圖中示出了四個(gè)串聯(lián)的元件401、402、403、404。第一元件401是恒電流控制器柵極輸入信號(hào)驅(qū)動(dòng)器。它最好由國(guó)際整流器公司的IR2129來(lái)實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)器401的增益和驅(qū)動(dòng)特性由固定電阻和可調(diào)電阻決定。固定電阻和可調(diào)電阻按照公開(kāi)出版的數(shù)據(jù)頁(yè)所提供的制造商說(shuō)明來(lái)連接和調(diào)整。
驅(qū)動(dòng)器401驅(qū)動(dòng)MOSFET光隔離前置驅(qū)動(dòng)器的輸入端，MOSFET光隔離前置驅(qū)動(dòng)器包含元件402、403和404。元件402最好采用CD40107BEX，元件403最好采用HCPL-2231。元件402和403利用光學(xué)隔離技術(shù)有效地進(jìn)行電隔離。圖中畫(huà)出了最后一個(gè)MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器404，在許多實(shí)施例中它是供選擇使用的。
應(yīng)當(dāng)理解，每個(gè)元件401-404均由穩(wěn)壓電源供電(+12伏直流和-12伏直流，從圖5B獲得)。
現(xiàn)在參照?qǐng)D4B。圖中示出了串聯(lián)的元件412、413和414。這些元件分別對(duì)應(yīng)于元件402、403和404(圖4A)。因圖4B的電路不對(duì)恒電流控制器MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)，所以沒(méi)有對(duì)應(yīng)于圖4A中的元件401。在其他方面，圖4B的作用與圖4A基本相同。
現(xiàn)在參照?qǐng)D5A。圖中示出了柵極信號(hào)發(fā)生器(圖1和圖2中元件114的一部分)。方波發(fā)生器527產(chǎn)生200KHz的方波輸出，標(biāo)稱電壓為1V，占空度為50/50。方波發(fā)生器527可以采用德克薩斯儀器公司的N74LS624N電壓控制振蕩器來(lái)實(shí)現(xiàn)。
分頻器533接收方波發(fā)生器527的輸出，它是十分頻元件，產(chǎn)生200KHz的方波。十分頻元件533最好由Motorolu公司的MC74HC4017同步計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。
分頻器533的20KHz方波輸出輸入到第一D觸發(fā)器534A的時(shí)釧輸入端。觸發(fā)器534A的非反相輸出輸入到第二觸發(fā)器534B的時(shí)釧輸入端。D觸發(fā)器534A、534B的反相輸出端反回到它們各自的輸入端。在這種結(jié)構(gòu)中，在每個(gè)時(shí)鐘輸入的上升沿，各個(gè)輸出端被觸發(fā)到各自相反的狀態(tài)，這由前一時(shí)鐘輸入周期期間反相輸出端的狀態(tài)決定。在這種方式下，每一觸發(fā)器534A、534B用作二分頻器。因此，觸發(fā)器534A的輸出為10KHz的方波，而觸發(fā)器534B的輸出為5KHz的方波。
觸發(fā)器534A的非反相輸出輸入到計(jì)數(shù)器538的CLKAB輸入端以及多路分離器537的較低地址輸入位AO。計(jì)數(shù)器538的QAB輸出輸入到多路分離器537的較高地址位A1。另外，計(jì)數(shù)器538的最高計(jì)數(shù)位QDB反饋回計(jì)數(shù)器的CLKA輸入端。
觸發(fā)器534A、534B可以用RCA249CD4013AE雙D觸發(fā)器集成塊實(shí)現(xiàn)。多路分離器537可以用Motorola832100M74LS139T1/4解碼器/多路分離器集成塊實(shí)現(xiàn)，計(jì)數(shù)器538可以用Motorola的雙4級(jí)二進(jìn)制脈動(dòng)計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)，時(shí)鐘AB輸入端為15引腳，時(shí)鐘A輸入端為引腳1，QAB和QDB輸出端分別為引腳13和9。
多路分離器537有四個(gè)輸出端。在某一時(shí)間四個(gè)輸出端僅有1個(gè)為有效。輸入到地址輸入端A0和A1的信號(hào)確保有效的多路分離器信號(hào)以一合適的與觸發(fā)器534B的輸出同步的頻率從多路分離器信號(hào)以一合適的與觸發(fā)器534B的輸出同步的頻率從多路分離器的一個(gè)輸出到另一個(gè)輸出端順序進(jìn)行掃描。多路分離器537的輸出端上標(biāo)號(hào)1、2、3和4指出(如圖3所示)對(duì)應(yīng)的輸出有效的次時(shí)段。計(jì)數(shù)器538的存在保證了不會(huì)發(fā)生“鎖住”，并且能連續(xù)和重復(fù)地進(jìn)行有效脈沖的掃描。
觸發(fā)器534B的輸出以及多路分離器537的輸出對(duì)所有MOS-FET1-12，15-16和21-22進(jìn)行定時(shí)(如圖1和圖2所示)。在圖5A的右側(cè)，這些信號(hào)標(biāo)為A-J，對(duì)應(yīng)于圖3中同樣標(biāo)注的信號(hào)。另外，在圖5A右邊附近，也標(biāo)注出了各信號(hào)有效時(shí)的次時(shí)段(1、2、3和4)。
現(xiàn)在描述由觸發(fā)器534B和多路分離器537決定這些控制信號(hào)的方法。多路分離器537的四個(gè)輸出端分別輸入邏輯反相器539A、539B、539C和539D，它們可以用MotorolaMC74HCO4NHex反相器芯片實(shí)現(xiàn)。反相器539A、539B、539C、539D的整形(指數(shù)型)輸出提供信號(hào)D、E、I、J，分別控制恒電流控制器MOSFET5、6、11、12的柵極。
從前面的論述中可以看出，信號(hào)D、E、I和J不是二進(jìn)制信號(hào)，而最好是指數(shù)信號(hào)。為了產(chǎn)生指數(shù)形波，使用了一個(gè)波成形元件536，它可以看作基本上是R-C波成形器。在一最佳實(shí)施例中，波成形器536可以是RCACA324E，連接到反相器539A-539D的輸出端，這種連接方式是該技術(shù)領(lǐng)域的熟練人員應(yīng)用CA324E的公開(kāi)的數(shù)據(jù)頁(yè)就很容易做到的。
為了提高信號(hào)D、E、I和J的電流，把多路分離器537的各個(gè)輸出輸入到四個(gè)MOSFET540A、540B、540C和540D的柵極。這些MOSFET的漏-源路徑連接在各反相器整形波輸出和地之間。MOSFET540A、540B、540C和540D最好用Siliconix VN10KMN-溝道MOSFET;額定為60伏，1安培(脈沖)。因此，通過(guò)柵極信號(hào)放大器116(圖4)向恒電流控制器MOSFET5、6、11和12提供了合適波形和能量的柵極信號(hào)D、E、I和J。
同時(shí)，由達(dá)林頓復(fù)合晶體管驅(qū)動(dòng)器535E、535F、535A、535B、535C和535D分別產(chǎn)生二進(jìn)制MOSFET柵極信號(hào)A、F、B、C、G和H。這些達(dá)林頓復(fù)合晶體管驅(qū)動(dòng)器最好由MotorolaULN2003A達(dá)林頓復(fù)合晶體管陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)，它們接收分別來(lái)自觸發(fā)器534B的非反相和反相輸出以及分別來(lái)自反相器539A、539B、539C和539D的輸出。
所有到圖5A右邊的信號(hào)被送到圖4、4A、4B詳細(xì)描述的柵極信號(hào)放大器116，控制圖1和圖2所示的儲(chǔ)能電路中MOSFET的定時(shí)和操作。
應(yīng)當(dāng)理解，圖5A所示的電路元件具有以穩(wěn)壓信號(hào)的形式提供的適當(dāng)?shù)碾娫?。穩(wěn)壓信號(hào)由圖5B所示電路產(chǎn)生。
現(xiàn)在參見(jiàn)圖5B示出了作為元件114(圖1、圖2)一部分的穩(wěn)壓器和儲(chǔ)能電路。
圖5B底部示出了電池118(在圖5B左側(cè))和反饋控制器110(在圖5B右側(cè))之間的連接。來(lái)自反饋控制器110(圖1和圖2)的未穩(wěn)壓18伏電壓和來(lái)自電池118(圖1和圖2)的未穩(wěn)壓12伏電壓之間的差是由一個(gè)齊納二極管571提供的，該二極管最好為5.1伏的齊納二極管，用作移壓器。相似地，在正電源線和接地線226、224之間設(shè)置有第二齊納二極管572，齊納二極管572最好以用作電壓穩(wěn)壓器的12.1伏的齊納管來(lái)實(shí)現(xiàn)。第三二極管573允許電流從電池118流過(guò)路徑230及路徑224而到達(dá)反饋控制器110。第三二極管最好用IN914，起反向極性保護(hù)器作用。
再生式反饋控制110(圖1和圖2)最好用Vicor直流-直流轉(zhuǎn)換器，在儲(chǔ)能電路輸出側(cè)(負(fù)載)有120伏電壓，在路徑226和224之間有+18伏直流輸出。齊納二極管572保證12V直流電位與電池118來(lái)的電壓匹配。
穩(wěn)壓電源由下述方法提供。再參見(jiàn)圖5B，第一穩(wěn)壓器524通過(guò)穩(wěn)壓器581接地和連接到從路徑232上的電池118來(lái)的12伏未穩(wěn)壓電壓輸入端。穩(wěn)壓器581最好用7805實(shí)現(xiàn)。穩(wěn)壓器524最好用MaximMAX743雙輸出開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓器，它有兩個(gè)MaximLM78L12線性穩(wěn)壓器，產(chǎn)生+12伏直流和-12伏直流穩(wěn)壓輸出。+12伏直流輸出輸入到第二穩(wěn)壓器533，第二穩(wěn)壓器533最好由7805UC8621型5伏穩(wěn)壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)。穩(wěn)壓器524和523向圖5A、5C、4A和4B所示的電路提供經(jīng)穩(wěn)壓的+12伏直流，+5伏直流和-12伏直流電，所用的方法是該技術(shù)領(lǐng)域的熟練人員所熟知的。
元件114(圖1和圖2)的諧振儲(chǔ)能充電器部分由下面方法構(gòu)成。在圖5B中，如圖所示，控制路徑106、107、108(圖1和圖2)的諧振儲(chǔ)能電路包括串聯(lián)的降壓元件525和升壓元件526。降壓元件525接收經(jīng)穩(wěn)壓的112V直流電，并通過(guò)12個(gè)串聯(lián)的二極管和一可調(diào)電阻使它降壓，提供+5.14伏的直流輸出。然后，升壓元件526，它最好用ERG公司生產(chǎn)的E1212-1.5150直流-直流電壓轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)生120伏穩(wěn)壓直流輸出，升壓元件526的輸出通過(guò)支路106(也圖示在圖1和圖2)向儲(chǔ)能元件101和102供電。通過(guò)開(kāi)關(guān)21和22(圖2)接到各諧振儲(chǔ)能電路的接地線圖中示為路徑107和108(圖1、2、5B)。
現(xiàn)在參照?qǐng)D5C。圖中示出了向交流負(fù)載100A提供定時(shí)的電路。該電路正好與向直流負(fù)載100(畫(huà)在圖1和圖2中)供電和電路相反。圖5C所示的電路向交流負(fù)載100A提供60Hz、120伏(RMS)信號(hào)。
更具體地說(shuō)，60Hz正弦振蕩器528產(chǎn)生1.0伏到峰值的正弦信號(hào)。正弦振蕩器最好用Micro線性ML2036可編程正弦波發(fā)生器來(lái)實(shí)現(xiàn)，用Micro線性產(chǎn)品的產(chǎn)品數(shù)據(jù)頁(yè)上的信息進(jìn)行編程以產(chǎn)生上述信號(hào)。振蕩器528的正弦輸出輸出到雙半波整流器529，半波整流器529包括兩個(gè)二極管529A、529B。正弦波的正半部分沿著上部路徑到達(dá)方波發(fā)生器531和第一前置驅(qū)動(dòng)器542A。相反，正弦波的負(fù)半部分由增益為1的反相器反相后輸入到第二方波發(fā)生器532和第四前置驅(qū)動(dòng)器542D。方波發(fā)生器531、532的結(jié)構(gòu)與產(chǎn)生同步于它們各個(gè)正弦輸入的+12伏方波的方波發(fā)生器相似。方波發(fā)生器531、532的輸出輸入到第二和第三前置驅(qū)動(dòng)器542B、542C。前置驅(qū)動(dòng)器542B、542C產(chǎn)生基本上與它們各自輸入同步的+12伏方波。
增益為1的反相器最好用LM318的結(jié)構(gòu)，增益為1但極性相反。對(duì)于該技術(shù)領(lǐng)域的熟練人員能很容易地實(shí)現(xiàn)方波發(fā)生器531、532。前置驅(qū)動(dòng)器542A、542B、542C和542D則按照?qǐng)D4B構(gòu)成。
前置驅(qū)動(dòng)器542A和542D的輸出驅(qū)動(dòng)各個(gè)MOSFET23、24的柵極。MOSFET23、24包含直流到60Hz半波轉(zhuǎn)換器549的元件。MOSFET23和24之間的節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)402相同(圖1和圖2)，位于直流負(fù)載100的負(fù)側(cè)(如圖5虛線所示)。
MOSFET17和18加上二極管17A、17B、18A和18B一起來(lái)說(shuō)構(gòu)成半波到全波的轉(zhuǎn)換器。
前置驅(qū)動(dòng)器542B和542C的輸出驅(qū)動(dòng)各個(gè)MOSFET17和18的柵極。MOSFET17的源極通過(guò)串聯(lián)的二極管17A和18A連接到MOSFET24的源極。二極管17A和18B之間的節(jié)點(diǎn)連接到交流負(fù)載100A的第一端。相似地，MOSFET18的源極通過(guò)串聯(lián)的二極管18A和17B連接到MOSFET23的漏極。二極管18A和17B之間的節(jié)點(diǎn)連接到交流負(fù)載100A的第二端。
MOSFET17的漏極連接到MOSFET18的漏極，它們的共同接線是支路105(432)，而105是直流負(fù)載100的正端節(jié)點(diǎn)(如圖5C虛線所示)。
MOSFET17、18、23和24最好選用IRF350’S的結(jié)構(gòu)。二極管17A、17B、18A和18B最好用200伏30A、起反極性保護(hù)器作用的二極管。
工作時(shí)，進(jìn)入MOSFET23和24的柵極的半波正弦信號(hào)相互之間異相180°，因此，允許電流通過(guò)節(jié)點(diǎn)402和支路105以反相時(shí)幀到達(dá)交流負(fù)載100A。由反向極性排列的每個(gè)MOSFET23、24提供的85伏峰值電壓的半波電壓因此向交流負(fù)載100A提供60Hz、120V.RMS全波輸出。
上面描述了本發(fā)明最佳實(shí)施例的結(jié)構(gòu)和操作。下面的描述是為了在原理上理解本發(fā)明。
如上所述，本最佳實(shí)施例包括兩個(gè)諧振儲(chǔ)能電路，它們諧振頻率相同。在所示的實(shí)施例中，其諧振頻率為20KHz。儲(chǔ)能電路具有相同的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由從柵極信號(hào)發(fā)生器和諧振儲(chǔ)能充電器114的信號(hào)A和F(圖3)進(jìn)行主時(shí)間控制。信號(hào)A和F是相等但相位相反的、朝正向變化的電壓方波，占空度為50/50。每個(gè)信號(hào)通過(guò)控制諧振儲(chǔ)能電路和它們各自的電流源流過(guò)各個(gè)接地MOSFET21和22之間的接地順序來(lái)控制所有其他操作發(fā)生的時(shí)幀。因此實(shí)現(xiàn)了諧振儲(chǔ)能電路交替工作。
對(duì)于諧振儲(chǔ)能電路101的工作，有第一主時(shí)段312開(kāi)始、在第一次時(shí)段301開(kāi)始、在MOSFET21接收朝正向變化的電壓(0到12伏)、占空度為50/50的方波柵極電壓信號(hào)A的瞬時(shí)，MOSFET22接收從+12伏到0伏，占空度為50/50的方波柵極電壓信號(hào)F。因此，諧振儲(chǔ)能電路101連接到柵極信號(hào)發(fā)生器和諧振儲(chǔ)能充電器114，并允許電容器C1充電至Vt伏，在本最佳實(shí)施例中為120伏，其中感抗等于容抗?！峨妼W(xué)》1-7(哈里·米列夫著，援引在此作為參考)第4-134頁(yè)解釋了該技術(shù)領(lǐng)域熟練人員通常理解的平行諧振儲(chǔ)能電路的充電。
在MOSFET接收到朝正向變化的方波柵極信號(hào)A的同時(shí)，儲(chǔ)能電路101的MOSFET1接收到同一柵極信號(hào)。這在儲(chǔ)能電路101中開(kāi)啟了一條電流通道，它僅僅包括與電感、MOSFET開(kāi)關(guān)、二極管、電容器和將這些部件串聯(lián)起來(lái)的導(dǎo)線相關(guān)的電阻。串聯(lián)的電阻包括多股電線的電阻，該電線可以是＃12銅線，0.00102歐姆/英尺，用作為串聯(lián)各種部件的導(dǎo)線;MOSFET1漏極至源極的內(nèi)阻0.15歐姆;二極管206和38的內(nèi)阻;很小的電容器電阻;12至14英寸的銅線，銅線可以是＃12單股電線，該電線繞制成儲(chǔ)能電路101的電感器L1的線圈。
該電感器的磁芯最好是一種鐵氧體環(huán)形磁芯，帶有相連的磁性正交調(diào)諧電路。在C1的正極與負(fù)極之間的這個(gè)電路構(gòu)成儲(chǔ)能電路101完整的充電路徑，該路徑長(zhǎng)僅約12-18英寸?？們?nèi)阻極低的儲(chǔ)能電路使得儲(chǔ)能電路在高“Q”值或高“品質(zhì)”下工作。在最佳實(shí)施例中，“Q”的調(diào)節(jié)是通過(guò)改變電感器L1的感抗而實(shí)現(xiàn)的。這最好通過(guò)增加或減少繞組中的直流電流而實(shí)現(xiàn)，該繞組繞在一個(gè)相對(duì)于環(huán)形磁芯電感器L1的軸線呈90°(正交)放置的“C”芯電磁體上。該“C”芯電磁體上。該“C”芯電磁體控制器中的感應(yīng)磁場(chǎng)改變或“調(diào)制”電感器L1的感抗。手動(dòng)或自動(dòng)地對(duì)儲(chǔ)能電路的感抗進(jìn)行物理或電子調(diào)節(jié)的其它可能手段為調(diào)諧本發(fā)明電源技術(shù)領(lǐng)域中那些技術(shù)人員所熟知，因而不需要作進(jìn)一步的討論。
儲(chǔ)能電路102的內(nèi)部充電電路、相關(guān)的控制電路和電流路徑在功能上和實(shí)體上完全和儲(chǔ)能電路101相同。
在第1主時(shí)段開(kāi)始時(shí)，剛結(jié)束其諧振充電階段的儲(chǔ)能電路102，在“接地”MOSFET22接收到從+12伏至0伏變化的方波柵極信號(hào)F的同一時(shí)刻與外部電源斷開(kāi)，從而被關(guān)斷到一不導(dǎo)通狀態(tài)。也是在此同一時(shí)刻，由于0至+12伏、25/75占空度信號(hào)G(加在MOS-FET8和9的柵極上)及信號(hào)I(加在MOSFET11的柵極上)，在C2的負(fù)充電端、負(fù)載100和C2的正端之間建立起一條電流路徑。MOSFET8和9接收使其導(dǎo)通的0至+12伏、25/75占空度的柵極信號(hào)G。
MOSFET11接收一個(gè)0至+12伏、25/75占空度的“指數(shù)型”柵極信號(hào)，該信號(hào)專門設(shè)計(jì)成利用次時(shí)段301，即全部時(shí)段的25%來(lái)達(dá)到其最高的+12伏電平。程序上排定，在柵極信號(hào)到達(dá)MOS-FET8的同時(shí)開(kāi)始該信號(hào)。在圖示的實(shí)施例中，指數(shù)型信號(hào)的所有后沿或向中性點(diǎn)變化的+12伏至0伏邊沿都是垂直的;它們并不向下傾斜，也不延伸至零以下。
在該第1次時(shí)段的末端，MOSFET8、9和11的柵極上的電壓同時(shí)被強(qiáng)制成零伏。該次時(shí)段僅包括50%占空度的一半，該占空度由柵極信號(hào)發(fā)生器和儲(chǔ)能充電器114的20KHz頻率(信號(hào)A和F)所決定。
在MOSFET8、9和11被關(guān)斷時(shí)，MOSFET10和12分別因接收到0至+12伏、25/75占空度的柵極電壓信號(hào)H和J而被接通。MOSFET10接收到一個(gè)0至+12伏、25/75占空度的柵極電壓，它與傳給MOSFET8和9的柵極的信號(hào)相類似。MOSFET12接收到一個(gè)0至+12伏、25/75占空度的“指數(shù)型”柵極電壓信號(hào)，該信號(hào)與早些時(shí)候送到MOSFET11的柵極上的信號(hào)相同。
該第2組MOSFET在電容器C2放電所產(chǎn)生的第二次時(shí)段302(也就是L2的磁場(chǎng)的消失的時(shí)間)中控制放電路徑。該第2次時(shí)段302(占據(jù)了第1主時(shí)段時(shí)幀的第二個(gè)50%)占去了放電時(shí)幀的余下部分。該放電時(shí)幀是由來(lái)自柵極信號(hào)發(fā)生器和儲(chǔ)能充電器114的20KHz信號(hào)A和F分配給儲(chǔ)能電路102的第1主時(shí)段。
這是在儲(chǔ)能電路102的放電電流路徑中MOSFET8-12的較佳結(jié)構(gòu)，也是在儲(chǔ)能電路101的電容充電路徑中MOSFET21和1的較佳結(jié)構(gòu)。如上所述，MOSFET1-4、7-10和21-22起到“開(kāi)通/關(guān)斷”開(kāi)關(guān)的作用，這樣改變了各個(gè)電流流動(dòng)途徑，而其它MOSFET(5、6、11和12)起到恒流控制器的作用。MOSFET11控制儲(chǔ)能電路102的電容器C2的放電速率，而MOSFET12控制儲(chǔ)能電路102的電感器L2的磁場(chǎng)受控消失時(shí)所引起的電流量。儲(chǔ)能電容器在設(shè)計(jì)中不在儲(chǔ)能電感器的放電路徑中。當(dāng)儲(chǔ)能電感器在第二次時(shí)段中放電時(shí)，它不象在標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)能電路中那樣改變極性。儲(chǔ)能電容器也不象在標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)能電路中那樣改變極性。它們只朝一個(gè)方向充電。這一動(dòng)作與標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)能電路的完全不同。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)有許多，這里只舉其大者1).每一個(gè)諧振儲(chǔ)能電路做成在獨(dú)立于任何與之相連的外部負(fù)載的情況下對(duì)其電容器充電，從而最大限度地實(shí)現(xiàn)諧振充電條件。
2).每一個(gè)儲(chǔ)能元件以一致的方式通過(guò)負(fù)載放電，對(duì)負(fù)載有共同而不變的極性(DC操作)。
下面給出的說(shuō)明，將在前面段落中簡(jiǎn)化的優(yōu)點(diǎn)加以展開(kāi)。因?yàn)檎窃谶@里，本發(fā)明顯示了其在本技術(shù)領(lǐng)域中的某些先進(jìn)之處。
首先控制儲(chǔ)能電容器的放電速率，然后控制儲(chǔ)能電感器的放電速率，這樣就發(fā)生了下列情況。先是非諧振RC電路，然后是非諧振LR電路對(duì)負(fù)載供電。目前，在某些電源中，利用非諧振電路供電是一種標(biāo)準(zhǔn)的做法，但是，任一供電電路都是相互獨(dú)立地使用的。與此相反，本實(shí)施例相繼地使用一個(gè)非諧振RC電路和非諧振LR電路。此外，也是更重要的，通過(guò)在分配給各個(gè)儲(chǔ)能電容器進(jìn)行諧振充電的恰好一半時(shí)間內(nèi)使兩個(gè)諧振儲(chǔ)能電路的元件放電，與每一電容器在其諧振充電速率下放電的情況相比，對(duì)負(fù)載可以提供兩倍的可供電流(因此，相應(yīng)地提供了增強(qiáng)的電源)。實(shí)際上，使每個(gè)電容器在其諧振充電速率下放電將會(huì)給大多數(shù)負(fù)載帶來(lái)極為災(zāi)難性的狀況。這是因?yàn)?，串?lián)諧振狀況也會(huì)以其因諧振而出現(xiàn)的電抗電壓的增大值介入進(jìn)來(lái)，該電抗電壓將加在負(fù)載的兩端。
通過(guò)將MOSFET5、6、11和12用作為可變電阻器(起到恒流控制器的功能)，并在適當(dāng)?shù)拇螘r(shí)段的“接通”部分中將其電阻呈指數(shù)曲線型地從最大降至最小而實(shí)現(xiàn)了下列結(jié)果在整個(gè)次時(shí)段上，以一種精確地抵消并控制正在放電的儲(chǔ)能電容器的下降電壓的方式，降低了每個(gè)儲(chǔ)能電容器的放電電路中的內(nèi)阻，從而向負(fù)載提供了受控、平均的電流。這樣，負(fù)載能夠均勻地起反應(yīng)，如同由一恒壓、恒流源供電一樣。與此類似，在整個(gè)次時(shí)段上，以一種精確地抵消并控制與正在消失的磁場(chǎng)相關(guān)的下降電壓的方式，降低各儲(chǔ)能電感器的放電電路中的內(nèi)阻，從而再一次向負(fù)載提供了受控的電流。
該優(yōu)點(diǎn)是這樣取得的，在發(fā)生電感器磁場(chǎng)消失的整個(gè)時(shí)幀中，將先前的負(fù)極與儲(chǔ)能電容器的正極(只有現(xiàn)在來(lái)自儲(chǔ)能電感器)精確地匹配。負(fù)載正常工作所要求的不同電勢(shì)(+120V和中性或接地)首先由儲(chǔ)能電路102的電容器C2在次時(shí)段301中提供，然后由儲(chǔ)能電路102的電感器L2在次時(shí)段302中提供，再由儲(chǔ)能電路101的電容器C1在次時(shí)段303中給出，最后由儲(chǔ)能電路101的電感器L1在次時(shí)段304中供給，至此次時(shí)段301再次開(kāi)始，整個(gè)過(guò)程重復(fù)進(jìn)行。這也象是在給負(fù)載提供一個(gè)不變的恒壓源。
每一放電時(shí)間“次時(shí)段”恰好是整個(gè)儲(chǔ)能電路充電時(shí)間“主時(shí)段”的一半。這滿足了平衡充/放電比率以在電路中獲得均衡的要求。如上所述，當(dāng)儲(chǔ)能電路102的部件C2和L2以非諧振方式通過(guò)負(fù)載放電時(shí)，儲(chǔ)能電路101在并聯(lián)諧振條件下對(duì)電容C1充電(它未連到負(fù)載)。各個(gè)串聯(lián)放電時(shí)間率是充電時(shí)間率的一半。因而放電速率要快一倍，這樣向負(fù)載提供的電流兩倍于在放電時(shí)間等于充電時(shí)間的一組工作條件下所能提供的電流。儲(chǔ)能電路102的元件通過(guò)負(fù)載放電，只遇到由導(dǎo)電路徑、電感線圈、諧振電路的二極管和負(fù)載的串聯(lián)電阻所造成的損失，在此之后，MOSFET8、9、10、11和12分別在其柵極接收到向中性方向變化的+12伏至0伏的信號(hào)G、G、H、I、J，儲(chǔ)能電路102的元件由這些MOSFET與負(fù)載隔斷。同時(shí)，給儲(chǔ)能電路101的適當(dāng)?shù)腗OSFET(儲(chǔ)能電路101剛剛完成對(duì)其電容器C1的諧振充電)加上合適的正向柵極電壓，這樣，就能開(kāi)始在第2主時(shí)段334中的次時(shí)段303、304中對(duì)負(fù)載供電的周期(由儲(chǔ)能電路101的元件供電)。
簡(jiǎn)而言之，上述實(shí)施例具有下列特征-利用無(wú)功功率，通過(guò)受控的電流向負(fù)載完整地供電的能力，該電流來(lái)自交替采用的串聯(lián)非諧振LR和RC電路，其中，L和C元件在充電期間形成一個(gè)并聯(lián)諧振儲(chǔ)能電路。
-利用諧振儲(chǔ)能電路的自然放大特性的能力，通過(guò)一電路路徑，形成電容器的全充電條件，而不是僅僅通過(guò)電流的電壓源(如串聯(lián)的諧振電路中那樣)。
-將可提供給負(fù)載的有效電流增倍的能力。這是通過(guò)將每一元件的放電時(shí)間減半而實(shí)現(xiàn)的，先是從各儲(chǔ)能電路的電容器，而后是從電感器。
-通過(guò)兩個(gè)相同的諧振儲(chǔ)能電路向一個(gè)偽串聯(lián)負(fù)載持續(xù)地供電的能力。一個(gè)儲(chǔ)能電路的電容器在與負(fù)載隔離情況下，在諧振條件下由一外部電壓源充電。另一個(gè)已充電的儲(chǔ)能電路的元件在與該外部電壓源隔離情況下通過(guò)負(fù)載放電(如上所述，在受控串聯(lián)電路條件下)。
-利用一個(gè)不會(huì)受電壓下降(目前發(fā)電機(jī)的電勢(shì)跌落或降低)問(wèn)題影響的電子電源向負(fù)載持續(xù)供電的能力。
-利用一電功率源向負(fù)載持續(xù)供電的能力。外部電壓/電流源(電池118)提供必需的電壓和電流，以滿足在第1主時(shí)段中對(duì)儲(chǔ)能電路101中的C1充電的功率要求。在對(duì)兩個(gè)諧振儲(chǔ)能電路之一進(jìn)行諧振充電之后，充過(guò)電的儲(chǔ)能元件開(kāi)始通過(guò)負(fù)載放電。
從上述電路動(dòng)作的說(shuō)明可看出，該電路工作在諧振的兩個(gè)“最佳方式”下。首先，關(guān)于串聯(lián)諧振，圖示實(shí)施例具有向負(fù)載提供最大可能功率的能力。其次，關(guān)于并聯(lián)諧振，圖示實(shí)施例具有利用外部電流源的最少量電流對(duì)一個(gè)電容器充電的能力，起到電壓源的作用。
在圖示實(shí)施例上可以附加其它電路，以利用DC“功率”源在稱為DC疊加的條件下對(duì)其自身功率要求不加判別的能力。在這種情況下，諧振儲(chǔ)能電路從任何電源，諸如電池118和/或反饋控制器110、或其組合，獲取它所要求的電流和電壓，只要它們具有正確的電壓極性和要求最小的電流。該系統(tǒng)可以專門設(shè)計(jì)成利用反饋控制器110作為初級(jí)(內(nèi)部)DC電壓和電流源，并用電池118作為次級(jí)DC電源的外部DC電壓和電流源。
從諧振儲(chǔ)能電路看其電壓和電流源，象任何諧振儲(chǔ)能電路那樣，該系統(tǒng)呈現(xiàn)對(duì)電流的最大阻抗。同時(shí)，它象串聯(lián)電路那樣對(duì)負(fù)載供電，其對(duì)電流的阻抗僅來(lái)自線性電阻(由放電路徑中采用的導(dǎo)線的尺寸和其它特性決定)。因?yàn)榉烹婎l率兩倍于充電頻率40KHz對(duì)20KHz的系統(tǒng)諧振頻率，所以，在放電時(shí)，系統(tǒng)不處于串聯(lián)諧振狀態(tài)下。
構(gòu)成諧振回路101和102的兩個(gè)獨(dú)立的串聯(lián)LR和RC放電電路具有滿足所有電功率要求的能力每一個(gè)電路可以彼此提供必要的電壓和電流作為系統(tǒng)內(nèi)部“功率源”(反饋控制器110、柵極信號(hào)發(fā)生器和諧振儲(chǔ)能電路充電器114、柵極信號(hào)放大器116和有關(guān)電路)，即對(duì)在20KHz諧振條件下充電的另一個(gè)諧振儲(chǔ)能電路作為與負(fù)載100并聯(lián)的負(fù)載進(jìn)行充電。其理由是，系統(tǒng)在諧振條件下被充電的特定部分連接到此時(shí)正在對(duì)負(fù)載100供電的電源的其它部分(從負(fù)載-功率要求角度看)。只有那些先前已在諧振條件下充過(guò)電，并且已在該時(shí)幀中斷開(kāi)“內(nèi)部”電源(不是反饋控制器110而是另一儲(chǔ)能電路)的諧振儲(chǔ)能電路元件對(duì)整個(gè)并聯(lián)負(fù)載供電。這兒所說(shuō)的“負(fù)載”一詞，它不僅僅指負(fù)載100，“內(nèi)部”儲(chǔ)能電路控制電路及其它充電儲(chǔ)能電路也是總“負(fù)載”的一部分。
在諧振條件下，“隧道二極管”或“江崎二極管”可用在諧振儲(chǔ)能電路中，而所有直接饋到儲(chǔ)能電路自身的必需的外部電流都可以去除。其理由是，隧道二極管產(chǎn)生一種“負(fù)電阻”。它對(duì)所處的儲(chǔ)能電路的作用是將有效純電阻降至極小值。因而，由于在儲(chǔ)能電路中有一如上所述的極小值的內(nèi)部有效純電阻，就必須有流經(jīng)支路106的極小值的“線電流”。
如圖2所示，兩個(gè)電路同時(shí)工作。在第1次時(shí)段301(圖3)中，儲(chǔ)能電路101被充電，由于MOSFET2、3、4、5和6不導(dǎo)通，它與負(fù)載100和反饋控制器110斷開(kāi)。儲(chǔ)能電路101通過(guò)其在正120V支路202中的二極管經(jīng)由支路106連到內(nèi)部電源(反饋控制器110;柵極信號(hào)和諧振儲(chǔ)能電路充電器114;柵極信號(hào)放大器116)。MOS-FET21提供與接地側(cè)的連接。
儲(chǔ)能電路102的電容器及其電感器通過(guò)“負(fù)載”(它包括儲(chǔ)能電路101、內(nèi)部電源(反饋控制器110、柵極信號(hào)發(fā)生器和諧振儲(chǔ)能電路充電器114、柵極信號(hào)放大器116和并聯(lián)負(fù)載100))放電。這時(shí)，因?yàn)樵陔娙萜鰿2正端的二極管216不允許電容器直接通過(guò)它放電，所以，儲(chǔ)能電路102與內(nèi)部電源(反饋控制器110、柵極信號(hào)發(fā)生器和諧振儲(chǔ)能電路充電器114、柵極信號(hào)放大器116)斷開(kāi)。處在儲(chǔ)能電路102和內(nèi)部電源接地之間的MOSFET22也已被關(guān)斷，這樣，將儲(chǔ)能電路102的放電電路與內(nèi)部及外部電源接地隔離開(kāi)。
在這種情況下，對(duì)于負(fù)載100和由反饋控制器110、柵極信號(hào)發(fā)生器和諧振儲(chǔ)能電路充電器114、柵極信號(hào)放大器116及其它儲(chǔ)能電路構(gòu)成的并聯(lián)負(fù)載，各放電儲(chǔ)能電路元件形成它自己的接地源和電流源。MOSFET11和12分別接收到一個(gè)指數(shù)型柵極信號(hào)，如前文說(shuō)明過(guò)的那樣，控制允許流到負(fù)載的電流量，其原因如下。
電流應(yīng)該以一種穩(wěn)定均勻的方式提供，以獲取向負(fù)載供電的期望效果。對(duì)一穩(wěn)定不變的負(fù)載提供均勻的電流量可以在負(fù)載兩端上產(chǎn)生適當(dāng)而均勻的、預(yù)計(jì)的電壓降。加在一個(gè)電阻性、電感性、電容性或其組合的變化負(fù)載上的電流(達(dá)到由兩個(gè)儲(chǔ)能電路元件和放電電路決定的預(yù)定最大值)的可用性能夠象系統(tǒng)提供的那樣對(duì)負(fù)載供電。因?yàn)椤半娏鳌?不是電壓)是前文所列所有四種負(fù)載條件中的“公分母”，所以，各種不同電壓降，它們?cè)诟鱾€(gè)負(fù)載上的各個(gè)相位關(guān)系能夠按照要求由各種負(fù)載形成或產(chǎn)生。本系統(tǒng)利用了功率MOSFET用作可變電阻的功能來(lái)控制電流量。本系統(tǒng)通過(guò)對(duì)先由儲(chǔ)能電容器后由儲(chǔ)能電感器提供的正在下跌的源電壓的精確的相關(guān)性方式降低其對(duì)電流的電阻而控制住供給負(fù)載的電流量。這種結(jié)構(gòu)提供了負(fù)載所需要的正確的電流。當(dāng)儲(chǔ)能電容器的電壓下跌，然后儲(chǔ)能電感器的電壓跟著下跌時(shí)，控制用的MOSFET的內(nèi)阻也必然下跌。
在第1個(gè)次時(shí)段301(圖3)中，儲(chǔ)能電路102的電容C2的放電受MOSFET11控制，在其兩端之間提供必要的電勢(shì)差，使電流流經(jīng)并聯(lián)的負(fù)載。
在第二次時(shí)段302(圖3)中，儲(chǔ)能電路102的電感器L2正消失的磁場(chǎng)受MOSFET12控制，在其兩極之間提供必要的電勢(shì)差，使電流流經(jīng)負(fù)載。
在次時(shí)段303和304(圖3)中，再次發(fā)生上述電流。儲(chǔ)能電路101對(duì)“負(fù)載”(現(xiàn)在包括儲(chǔ)能電路102和前文所述的內(nèi)部電源)供電。儲(chǔ)能電路101的電容器C1由在C1正端處的二極管206通過(guò)支路106與柵極信號(hào)發(fā)生器和諧振儲(chǔ)能電路充電器114斷開(kāi)，這樣，不允許C1對(duì)自身放電，MOSFET15被關(guān)斷，并且，通過(guò)不導(dǎo)通的接地，控制MOSFET21被關(guān)斷。MOSFET5以與MOSFET11控制電容器C2的放電時(shí)間的方式相同的方式控制電容器C1的放電時(shí)間。MOSFET6控制電感器L1的磁場(chǎng)的消失時(shí)間，方式與MOS-FET12控制電感器L2的磁場(chǎng)的消失時(shí)間的方式相同。MOSFET8、9和10被關(guān)斷，以允許儲(chǔ)能電路102將電容器C2充電至柵極信號(hào)發(fā)生器和諧振儲(chǔ)能電路充電器114所提供的120伏。
熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在上述說(shuō)明的指導(dǎo)下能夠理解并能夠?qū)Ρ景l(fā)明的上述實(shí)施例進(jìn)行種種修改和變化。所以，應(yīng)該理解，本發(fā)明完全可以在所附權(quán)利要求及其等同物的范圍內(nèi)，以不同于上述說(shuō)明的方式方法加以實(shí)施。
權(quán)利要求
1.一種用于向負(fù)載供電的電源，其特征在于，它包括a)具有一諧振頻率的第1諧振儲(chǔ)能電路；b)具有與第1諧振儲(chǔ)能電路的諧振頻率基本相同的諧振頻率的第2諧振儲(chǔ)能電路，其中，這兩個(gè)諧振儲(chǔ)能電路構(gòu)造成適合于在兩個(gè)主時(shí)段中重復(fù)工作，其中，A)在第1主時(shí)段中，第1諧振儲(chǔ)能電路不向負(fù)載供電，而第2諧振儲(chǔ)能電路向負(fù)載供電并對(duì)第1諧振儲(chǔ)能電路充電；B)在第2主時(shí)段中，第2諧振儲(chǔ)能電路不向負(fù)載供電，而第1諧振儲(chǔ)能電路向負(fù)載供電并對(duì)第2諧振儲(chǔ)能電路充電。
2.如權(quán)利要求1所述的電源，其特征在于，它還包括c)用于有選擇地將諧振儲(chǔ)能電路與負(fù)載互連的多個(gè)開(kāi)關(guān);和d)用于產(chǎn)生控制所述開(kāi)關(guān)的柵極信號(hào)的柵極信號(hào)發(fā)生器。
3.如權(quán)利要求2所述的電源，其特征在于，它還包括e)一個(gè)柵極信號(hào)放大器，它從柵極信號(hào)發(fā)生器接收柵極信號(hào)，用于產(chǎn)生通到所述開(kāi)關(guān)的放大后的柵極信號(hào)。
4.如權(quán)利要求2所述的電源，其特征在于，它還包括f)一個(gè)用于向第1和第2諧振儲(chǔ)能電路供電的諧振儲(chǔ)能充電器;g)用于有選擇地向柵極信號(hào)發(fā)生器和諧振儲(chǔ)能電路充電器供電的電池;和h)連在負(fù)載與諧振儲(chǔ)電路充電器之間的反饋控制器，用于有選擇地從諧振儲(chǔ)能電路向柵極信號(hào)發(fā)生器和諧振儲(chǔ)能電路充電器提供更多的電力。
5.如權(quán)利要求4所述的電源，其特征在于，它還包括至少一個(gè)穩(wěn)壓電路，響應(yīng)電池或反饋控制器，以產(chǎn)生柵極信號(hào)發(fā)生器和諧振儲(chǔ)能電路充電器所采用的穩(wěn)壓后的電壓。
6.如權(quán)利要求4所述的電源，其特征在于，所述諧振儲(chǔ)能電路充電器包括1)一個(gè)降壓電路，用于將來(lái)自至少一個(gè)穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓后的電壓轉(zhuǎn)換成小于該穩(wěn)壓后的電壓的一個(gè)電壓;和2)一個(gè)升壓電路，響應(yīng)降壓電路的輸出，產(chǎn)生一個(gè)大于該穩(wěn)壓后的電壓的諧振儲(chǔ)能電路驅(qū)動(dòng)電壓，其中，第1諧振儲(chǔ)能電路和第2諧振儲(chǔ)能電路響應(yīng)該諧振儲(chǔ)能電路驅(qū)動(dòng)電壓而動(dòng)作。
7.如權(quán)利要求2所述的電源，其特征在于，柵極信號(hào)發(fā)生器包括一個(gè)用于產(chǎn)生多個(gè)次時(shí)段信號(hào)的電路，在一個(gè)時(shí)候僅有一個(gè)次時(shí)段信號(hào)有效，有效的那個(gè)次時(shí)段信號(hào)在多個(gè)次時(shí)段信號(hào)中依次連續(xù)重復(fù)地進(jìn)行掃描，該掃描在大致等于兩個(gè)主時(shí)段的時(shí)間內(nèi)完成。
8.如權(quán)利要求7所述的電源，其特征在于，用于產(chǎn)生多個(gè)次時(shí)段信號(hào)的電路包括具有第1、第2、第3和第4次時(shí)段輸出的多路輸出選擇器，其中1)第1和第2輸出依次分別在第1主時(shí)段的第1和第2次時(shí)段中有效;和2)第3和第4輸出依次分別在第2主時(shí)段的第3和第4次時(shí)段中有效。
9.如權(quán)利要求2所述的電源，其特征在于，柵極信號(hào)發(fā)生器包括一個(gè)用于產(chǎn)生第1和第2主時(shí)段信號(hào)的電路，其中1)第1主時(shí)段信號(hào)在第1主時(shí)段中有效而在第2主時(shí)段中無(wú)效;和2)第2主時(shí)段信號(hào)在第2主時(shí)段中有效而在第1主時(shí)段中無(wú)效。
10.如權(quán)利要求1所述的電源，其特征在于，它還包括一個(gè)用于交流負(fù)載的定時(shí)電路，該定時(shí)電路包括用于產(chǎn)生一個(gè)具有第1振幅的第1正弦波信號(hào)的正弦波發(fā)生器;用于將第1正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)變成兩個(gè)反相的正弦半波的第1電路;用于將第1正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)變成兩個(gè)反相的方法的第2電路;和一個(gè)轉(zhuǎn)換電路，響應(yīng)第1和第2電路，在方波的控制下，將兩個(gè)正弦半波合并成具有第2振幅的完整的正弦波，該完整正弦波加到交流負(fù)載上。
11.如權(quán)利要求1所述的電源，其特征在于，其中第1諧振儲(chǔ)能電路和第2諧振儲(chǔ)能電路分別包括1)一個(gè)第1節(jié)點(diǎn)和一個(gè)第2節(jié)點(diǎn);2)第1和第2節(jié)點(diǎn)之間的一條第1支路，包括一個(gè)串聯(lián)電感器，一個(gè)第1中間節(jié)點(diǎn)和第1開(kāi)關(guān);3)第1節(jié)點(diǎn)和第2節(jié)點(diǎn)之間的一條第2支路，包括一個(gè)電容器;和4)第3支路，連在第1支路的第1中間節(jié)點(diǎn)與第2節(jié)點(diǎn)之間，第3支路包括一個(gè)第2開(kāi)關(guān);其中，第1和第2開(kāi)關(guān)控制流過(guò)第1和第2諧振儲(chǔ)能電路的電流。
12.如權(quán)利要求11所述的電源，其特征在于，第1和第2諧振儲(chǔ)能電路中每一電路還有下列各項(xiàng)與其相連5)通過(guò)一第3開(kāi)關(guān)將第1中間節(jié)點(diǎn)與負(fù)載的第1端相連的第4支路;和6)通過(guò)一第4開(kāi)關(guān)將第1節(jié)點(diǎn)連到負(fù)載的第1端的第5支路。
13.如權(quán)利要求11所述的電源，其特征在于，第1和第2諧振儲(chǔ)能電路中每一電路還有下列各項(xiàng)與其相連7)連在負(fù)載的第2端和第1節(jié)點(diǎn)之間的恒流控制器。
14.如權(quán)利要求13所述的電源，其特征在于，恒流控制器包括兩個(gè)在線性區(qū)域中工作從而控制進(jìn)入第1節(jié)點(diǎn)的電流的MOS-FET。
15.一種用于向負(fù)載供電的電源，其特征在于，它包括a)一個(gè)具有一諧振頻率的第1諧振儲(chǔ)能電路，包括一個(gè)第1電容器和第1電感器，它們基本決定了第1諧振儲(chǔ)能電路的諧振頻率;b)具有與第1諧振儲(chǔ)能電路的諧振頻率基本相等的諧振頻率的第2諧振儲(chǔ)能電路，包括基本決定第2諧振儲(chǔ)能電路的諧振頻率的第2電容器和第二電感器;c)用于將諧振儲(chǔ)能電路連到負(fù)載的多個(gè)恒流控制器;和d)用于有選擇地互連諧振儲(chǔ)能電路、恒流控制器和負(fù)載的一組開(kāi)關(guān)，其中，諧振儲(chǔ)能電路、恒流控制器和開(kāi)關(guān)構(gòu)造和配置成在第1和第2主時(shí)段中工作，第1和第2主時(shí)段中每一個(gè)都包括第1和第2次時(shí)段，其中1)第1主時(shí)段的第1次時(shí)段形成了第2電容器對(duì)負(fù)載供電并對(duì)第1諧振儲(chǔ)能電路充電的時(shí)間段;2)第1主時(shí)段的第2次時(shí)段形成了第2電感器對(duì)第1諧振儲(chǔ)能電路充電并向負(fù)載供電的時(shí)間段;3)第2主時(shí)段的第1次時(shí)段形成了第1電容器對(duì)第2諧振儲(chǔ)能電路充電并向負(fù)載供電的時(shí)間段;和4)第2主時(shí)段的第2次時(shí)段形成了第1電感器對(duì)第2諧振儲(chǔ)能電路充電并向負(fù)載供電的時(shí)間段;其中，所述開(kāi)關(guān)控制次時(shí)段和主時(shí)段的定時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種向負(fù)載提供電功率的電源，包括具有一共同諧振頻率并在兩個(gè)“主時(shí)段”中重復(fù)工作的第1和第2諧振儲(chǔ)能電路。在第1主時(shí)段中，第1諧振儲(chǔ)能電路與負(fù)載斷開(kāi)，而第2諧振儲(chǔ)能電路向負(fù)載供電并對(duì)第1諧振儲(chǔ)能電路充電。在第2主時(shí)段中，第2諧振儲(chǔ)能電路與負(fù)載斷開(kāi)，而第1諧振儲(chǔ)能電路向負(fù)載供電并對(duì)第2諧振儲(chǔ)能電路充電。諧振儲(chǔ)能電路配置有恒流控制器和開(kāi)關(guān)。
文檔編號(hào)G05F1/563GK1069838SQ92109228
公開(kāi)日1993年3月10日 申請(qǐng)日期1992年8月8日 優(yōu)先權(quán)日1991年8月9日
發(fā)明者理查德·L·邁克凱 申請(qǐng)人:理查德·L·邁克凱