專利名稱：逆變器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種將直流電源轉(zhuǎn)換成交流電源的逆變器。
傳統(tǒng)的逆變器大多采用推挽電路交替驅(qū)動變壓器的初級兩個繞組，從而在變壓器次級輸出正負(fù)交替的交流電壓。這種方波輸出的逆變器廣泛用于許多中小型(1kVA以下)的不間斷電源上，或其它需要由直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電壓的設(shè)備中。這種逆變器雖然簡單可靠，然而由于它具有一個數(shù)十周的低頻變壓器，因而體積大、重量大、價格高，其應(yīng)用受到限制，不便應(yīng)用于如個人電腦、傳真機和小型不間斷電源中。
本實用新型的目的是提供一種不采用鐵芯變壓器、并且工作穩(wěn)定可靠的新的逆變器。
本實用新型是這樣實現(xiàn)的，由一個包含四只可控硅的全橋電路、兩個脈沖控制電路、一個時序電路和一個功率開關(guān)電路組成逆變器。
全橋電路設(shè)有直流正負(fù)輸入端，在正負(fù)輸入端之間并聯(lián)兩列可控硅，每列可控硅由兩只正向串接的可控硅組成，從該兩列串接可控硅的串接點處分別引接出逆變器的交流輸出端。從每只可控硅的柵極和陰極引出一對控制端用來輸入控制脈沖來驅(qū)動可控硅導(dǎo)通，在每只可控硅的陽極和陰極之間分別并聯(lián)一個與其反向的二極管。
時序電路設(shè)有三個輸出端，輸出三個交替產(chǎn)生的時序脈沖前半周時序脈沖、后半周時序脈沖、前后半周之間間隙斷路的時序脈沖。
兩個脈沖控制電路具有相同的結(jié)構(gòu)。其輸入端與時序電路的前半周時序脈沖輸出端或后半周時序脈沖輸出端連接，一個脈沖控制電路設(shè)有兩對互相隔離、輸出同步控制脈沖的輸出端，這兩對輸出端分別與全橋電路中一對對邊的兩只可控硅的兩對控制端連接，另一個脈沖控制電路的兩對輸出端分別與另兩只可控硅的兩對控制端連接。也就是說一個脈沖控制電路輸出一對同步控制脈沖，控制全橋電路中一對對邊的可控硅。
功率開關(guān)電路的輸入端與時序電路的前后半周之間間隙斷路的時序脈沖輸出端連接，功率開關(guān)電路的控制通道與全橋電路的直流輸入端串接在直流電源的正負(fù)極之間。也即是說，功率開關(guān)電路在逆變器中起總開關(guān)作用。
通過使全橋電路中兩對對邊的可控硅交替導(dǎo)通和關(guān)斷來實現(xiàn)直流到交流的轉(zhuǎn)換。時序電路產(chǎn)生的工作脈沖經(jīng)一個脈沖控制電路產(chǎn)生兩個同步的控制脈沖，使一對對邊的可控硅導(dǎo)通，同時，前后半周之間間隙斷路的時序脈沖使功率開關(guān)電路導(dǎo)通，然后功率開關(guān)電路在時序電路控制下關(guān)斷，即整個電路切斷，這使流過可控硅開關(guān)的電流迅速衰減至低于維持可控硅導(dǎo)通的最小電流，可控硅關(guān)斷。在下半周期，另一對可控硅觸發(fā)導(dǎo)通，而功率開關(guān)電路則重復(fù)與上半周期同樣的工作過程。如此實現(xiàn)直流到交流的轉(zhuǎn)換。
通過上述方案實現(xiàn)的逆變器，避免了有鐵芯的變壓器，能夠設(shè)計成體積小、重量輕的逆變器，便于應(yīng)用于在小型不間斷電源中。同時，由于功率開關(guān)電路對整個系統(tǒng)起保護作用，因而逆變器工作安全、可靠。
以下結(jié)合附圖對本實用新型的逆變器做具體描述。


圖1 本實用新型一項實施例的逆變器總電路圖圖2 圖1中的脈沖控制電路1圖3 圖1中的脈沖控制電路2圖4 圖1中的時序電路邏輯示意圖圖5 圖4中的時序電路輸出的脈沖波形及其位相關(guān)系圖6 本實用新型一項實施例，其中具有取樣、保護功能的逆變器電路圖1為脈沖控制電路1；2為脈沖控制電路2；3為全橋電路； 4為時序電路；5為功率開關(guān)電路在本實用新型的一項實施例中，如圖1，可控硅S1、S2、S3、S4組成全橋電路3，S1、S4按直流輸入電壓的正向串接成一列，S2、S3按同樣方式串接成另一列，這兩列可控硅再并聯(lián)起來。在S1、S4的串接處引出O1、在S2、S3的串接處引出O2，O1、O2構(gòu)成交流電壓的輸出端。二極管D1、D2、D3、D4按反方向分別與S1、S2、S3、S4并聯(lián)。
S1、S3作為一對對邊的可控硅，從其各自的柵極和陰極分別引出一對控制端，再分別與輸出控制脈沖u1、u3的脈沖控制電路1的兩對輸出端相連，并受其同步控制，類似地，S2、S4受從脈沖控制電路2中輸出的控制脈沖u2、u4的同步控制。
時序電路4輸出三個時序脈沖I1、I2、I3，分別是前半周時序脈沖，后半周時序脈沖、前后半周之間間隙斷路的時序脈沖，從時序電路4引出的輸出I1、I2、I3的三個輸出端分別與脈沖控制電路1、脈沖控制電路2和功率開關(guān)電路5的輸入端連接。I1、I2、I3的波形和位相關(guān)系如圖5。
脈沖控制電路1的結(jié)構(gòu)是這樣的，如圖2，脈沖變壓器T1具有一個初級繞組和兩個次級繞組，初級繞組的一端連接參考電壓+V。，另一端連接晶體管Q1的集電極，Q1的發(fā)射極接地，Q1的基極經(jīng)電阻R5接地；T1的兩個次級繞組分別串接二極管D5、D6形成輸出控制脈沖u1、u3的兩對輸出端，輸出u1的一對輸出端之間并接電容C1和電阻R1，輸出u3的一對輸出端之間并接電容C3和電阻R3。
由于全橋電路的對稱結(jié)構(gòu)，脈沖控制電路2與1具有相同的結(jié)構(gòu)，如圖3，與圖2中C5、R5、Q1、T1、D5、C1、R1、D6、C3、R3相應(yīng)的元件依次變?yōu)镃6、R6、Q2、T2、D7、C2、R2、D3、C4、R4。
功率開關(guān)電路5由一只功率場效應(yīng)晶體管S5構(gòu)成。S5的柵極作為功率開關(guān)電路5的控制端，時序脈沖I3由此輸入；S5的源極和漏極之間的溝道作為功率開關(guān)電路5的控制通道。
在逆變器工作的前半周期，即圖5中的t1+t0時間段I3使S5導(dǎo)通，I1的脈沖前沿經(jīng)C5和R5微分，使Q1短時間導(dǎo)通，并在T1的兩個次級繞組產(chǎn)生輸出脈沖分別經(jīng)D5和D6使C1、C3充電至一定電壓，當(dāng)u1、u3達(dá)到S1、S3的觸發(fā)電壓，S1、S3導(dǎo)通，此時VO1O2輸出正的方波，同時，S1和S3靠自身導(dǎo)通電流維持U1和U3的電位。在t1結(jié)束后，S5關(guān)斷，即整個電路被切斷，T1在關(guān)斷時的反擊由D5、D6反向隔離，流過S1、S3的電流迅速衰減至低于維持可控硅導(dǎo)通的最小電流，S1、S3切斷。電感性負(fù)載在電路切斷時有可能造成的感應(yīng)電流由D1、D3構(gòu)成放電回路，避免對S1、S3的可能的損害。此時VO1O2輸出電壓為O，經(jīng)t1+t0時間后，前半周期結(jié)束。
在后半周期，即圖5中的t2+t0時間段，S5重復(fù)與前半周期一樣的開、關(guān)工作過程。S1、S3處于切斷狀態(tài)，而S2、S4進(jìn)行與前半周期中S1、S3一樣的工作過程。VO1O2輸出為負(fù)方波和一段O電壓。
至此，逆變器的一個工作周期完成，下一個周期重復(fù)同樣的工作過程。
在本實用新型的一項實施例中，如圖6，從S1和S4的串接點、S2和S3的串接點，分別經(jīng)電感L1和電感L2引出逆變器的輸出端O1、O2；O1、O2之間還可以接有濾波電容C7。
功率開關(guān)電路5還可以這樣構(gòu)成包含主功率場效應(yīng)晶體管S5，另一個功率場效應(yīng)晶體管S6，限流電阻R10，過流檢測電阻R9，柵控電阻R7，柵控晶體管Q3，和電阻R8。S5的源極和漏極之間的溝道與串聯(lián)著的R10和S6的源極漏極間的溝道并聯(lián)后再與R9串聯(lián)，構(gòu)成功率開關(guān)電路5的控制通道；功率開關(guān)電路5的控制端，即輸入I3的控制端，經(jīng)R7與S5的柵極相連，該控制端還與S6的柵極直接相連；R9與S6相連的一端經(jīng)R8與Q3的基極相接，R9的另一端與Q3的發(fā)射極相連。
L1、L2和C7組成可以抑制階躍電壓前后沿的高頻成份并消除其對負(fù)載干擾的濾波電路，L1、L2同時也可以減緩由于輸出負(fù)載短路所產(chǎn)生的短路電流的增長速度，使線路得到保護。
I3同時打開S5和S6，R9用來采樣電流的幅度。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到一定的幅值時，R9上的壓降將驅(qū)動Q3導(dǎo)通，并把S5的柵極電位拉下使其快速關(guān)閉。負(fù)載電流此時立即轉(zhuǎn)換到開關(guān)S6并受到電阻R10的限制。采取這種限流的辦法而不是完全關(guān)斷電流通路的目的是在保證線路安全工作的條件下輸出最大的功率。這在起動容性負(fù)載時十分必要。如微電腦的開關(guān)電源，其輸入端是整流電路，整流二極管后接一個大電容。在起動時，由于電容從零電位開始充電而呈現(xiàn)短路負(fù)載特性，這時，具有限流作用的逆變器輸出線路起保護作用，同時以最大安全輸出電流對負(fù)載充電。經(jīng)過短時間起動過程，電容充電到正常工作電位，此時的負(fù)載電流比起動時要小得多，電阻R9的電流取樣電壓不足以使Q3導(dǎo)通，S5處于正常工作狀態(tài)。這時，逆變器的功率損耗主要是由兩個可控硅S1、S3或S2、S4的壓降和S5的壓降構(gòu)成，逆變器的功率效率是很高的。
當(dāng)工作脈沖結(jié)束后，S5、S6斷開，負(fù)載電流由于經(jīng)過電感L1、L2繼續(xù)流向S5而使S5的漏極電壓升高，二極管D1、D2、D3、D4為電流提供通路，保護了可控硅開關(guān)，并把能量反饋給電源。
權(quán)利要求1.一種用于將直流電源轉(zhuǎn)換成交流電源的逆變器，其特征在于它包含一個由四只可控硅組成的全橋電路、兩個脈沖控制電路、一個時序電路，以及一個功率開關(guān)電路；可控硅全橋電路設(shè)有直流正負(fù)輸入端，在正負(fù)輸入端之間并聯(lián)兩列正向串接的兩只可控硅，并從該兩列可控硅的串接點處分別引接所述逆變器的兩個交流輸出端，在四只可控硅的陰極與柵極分別引接它們各自的一對控制端，在它們的陽極與陰極之間則分別并聯(lián)一個與其反向的保護二極管；時序電路設(shè)有三個交替產(chǎn)生的時序脈沖輸出端，它們分別是前半周時序脈沖輸出端、后半周時序脈沖輸出端，以及前后半周之間間隙斷路的時序脈沖輸出端；兩個脈沖控制電路所設(shè)各自的一個輸入端分別與時序電路的前半周時序脈沖輸出端或后半周時序脈沖輸出端連接，兩個脈沖控制電路并各自設(shè)有兩對互相隔離、輸出同步的控制脈沖輸出端，同一個脈沖控制電路的兩對控制脈沖輸出端與全橋電路中一對對邊的兩只可控硅的各一對控制端連接；功率開關(guān)電路的控制端與時序電路的前后半周之間間隙斷路的時序脈沖輸出端連接，功率開關(guān)電路的控制通道與全橋電路的直流輸入端串接在直流電源的正負(fù)極之間。
2.按照權(quán)利要求1所述的逆變器，其特征在于，所述的從所述全橋電路的兩列可控硅的串接點處分別引接所述逆變器的交流輸出端，是從所述兩串接點處分別經(jīng)一電感引接所述逆變器的兩個交流輸出端。
3.按照權(quán)利要求1所述的逆變器，其特征在于，所述逆變器的兩個交流輸出端之間還接有一個濾波電容。
4.按照權(quán)利要求1所述的逆變器，其特征在于，所述脈沖控制電路有一個包含一個初級繞組和兩個次級繞組的脈沖變壓器，初級繞組的一端連接參考電壓，另一端連接發(fā)射極接地的一個晶體管的集電極，該晶體管的基極經(jīng)一電容連接所述脈沖控制電路的輸入端，基極并經(jīng)一電阻接地；脈沖變壓器的兩個次級繞組分別串接一個二極管形成所述脈沖控制電路的兩對控制脈沖輸出端，并在該兩對控制脈沖輸出端之間并接一個電容和電阻。
5.按照權(quán)利要求1所述的逆變器，其特征在于，所述功率開關(guān)電路就是一個功率場效應(yīng)晶體管，并以該場效應(yīng)晶體管的柵極作為所述功率開關(guān)電路的控制端，以該場效應(yīng)晶體管的源極和漏極之間的溝道作為所述功率開關(guān)電路的控制通道。
6.按照權(quán)利要求1所述的逆變器，其特征在于，所述功率開關(guān)電路的控制通道由一個主功率場效應(yīng)晶體管的漏極與源極之間的溝道和另一個場效應(yīng)晶體管的源極與漏極之間的溝道串接一個限流電阻組成的限流通道并接后再串聯(lián)一個過流檢測電阻組成，所述功率開關(guān)電路的控制端經(jīng)一柵控電阻連接主功率場效應(yīng)晶體管的柵極，所述功率開關(guān)電路的控制端與限流通道的場效應(yīng)晶體管柵極直接連接，主功率場效應(yīng)晶體管的柵極并與一柵控晶體管的集電極相連，過流檢測電阻與限流通道相連的一端經(jīng)一電阻與柵控晶體管的基極相連，該過流檢測電阻的另一端與所述柵控晶體管的發(fā)射極相連。
專利摘要本實用新型公開了一種用于將直流電源轉(zhuǎn)換成交流電源的逆變器，包含由四只可控硅組成的全橋電路、兩個脈沖控制電路、時序電路，和一個功率開關(guān)電路?？刂泼}沖同步控制全橋電路中一對對邊的可控硅使其導(dǎo)通，功率開關(guān)電路在兩半周的間隙內(nèi)關(guān)斷電路，使全橋電路的兩對對邊可控硅交替導(dǎo)通與切斷，實現(xiàn)直流—交流轉(zhuǎn)換。該逆變器避免了采用大容量的鐵芯變壓器，顯著減小了重量與體積，能為計算機等設(shè)備提供更加輕便的不間斷電源。
文檔編號H02M7/505GK2271068SQ96204510
公開日1997年12月17日 申請日期1996年3月21日 優(yōu)先權(quán)日1996年3月21日
發(fā)明者伍福寧 申請人:阿姆斯戴爾公司