[发明专利]具有两个磁耦合绕组的单极或双极斩波式变换器

说明书

技术领域

本发明涉及一种单极或双极斩波式变换器(unipolar or bipolar choppingconverter)，其在象限(Is＞0；Vs＞0)及(Is＜0；Vs＜0)工作，输出电流或输出电压为零。该变换器具有磁耦合绕组，该绕组可设置为适于电流源或电压源的调节模式。本发明适用于使用这种斩波式变换器的所有类型的地面、海上或空中设备，尤其适合涡轮发动机用调节自动化装置(automatons)的机电执行机构控制器。

背景技术

对带有RL型负载(串联的电阻器和电感)的电气执行机构的控制可以通过在执行机构控制线圈的端子上应用调节电压或通过电流源来实现，后一种解决方案常常优选在恶劣环境下使用，主要是因为它能够对用来控制附件的功率加以限制。

斩波电流源通常可以集中在多个电流源之间，该电流源在斩波运行期间使用负载电感作为储能元件，从而可以对负载端按照斩波频率来选择应用正电压和负电压，这两种状态之间的过渡在理论上被视为瞬时状态，电流源提供持续电流，并从而对负载端提供持续电压，在负载中，斩波用储能元件就位于控制板本身。

使用电感负载作为储能元件的斩波电流源，其优点首先就是控制简单。它的电感元件很少，或者可能就没有电感元件，这在一定程度上缩小了电路的尺寸。但在另一方面，其又具有一定的缺陷。该电流源对负载电感值的依赖很大：即，对电流源开关中瞬时电流的控制能力直接取决于电荷电感值。于是，很难防止在变换器输出端之间或在任一输出端与地之间出现短路。确实，在负载短路的情况下，除增加元件外，对瞬时电流的限制是不可能的。因而在实际应用上，为了限制短路电流就必须在变换器的输出端增加电感；为了限制短路电流的最大值就必须增加保护和快速断开装置，为了在监测到输出端短路后能设法断开设备就必须增加输出电感去磁电路，加大接口的尺寸(输入滤波电容器)，从而使其能够承受短路电流。关于电磁兼容性方面(主要是传导辐射)，如果期望通过高斩波频率来限制变换器无源元件的尺寸，特别是如果在几米长的电缆的端部来控制负载时，这些变换器都很难符合航空航天辐射标准。结果是，斩波频率一般会降到小于10kHz，并需要确定输出滤波器的尺寸(共享模式和差动模式)，因为在装置的稳定性方面，该尺寸起着突出的作用，并且是不可忽视的。这种斩波电流源被限定用于高功率，因为在高功率应用环境下，是不需进行低频斩波的。

关于对负载端提供持续电压的电流源，负载内不再进行斩波，但在斩波式变换器的输出端进行电流(或电压)调节。该斩波式变换器包括电感和电容器，电感储存了传输到负载的至少全部电能，使用电容器可使输出电压平稳。从而使负载端的实际输出电压保持连续。这就不难满足航空航天设备有关传导辐射噪声的标准。在负载短路的情况下，变换器内的电流自然保持在限定状态下。预期会出现超过100kHz的斩波频率，这实际上是由变换器的效能和开关元件的门控制电路的性能来限定的。

图1A为现有技术的变换器电气示意图，所示变换器对负载端提供持续电压。该电路由正电压Vp(如+25V)和对地负电压Vm(如--25V)供电。该变换器包括两个元件T1和T2，每个元件包括两个磁耦合在磁芯周围的绕组。同一元件T1或T2的绕组都是相对缠绕，如图1A中的箭头所示。元件T1的绕组E1的第一端通过二极管D5连接到电压Vp上，该二极管D5相对电压Vp逆向安装，绕组E1的第二端接地。元件T1的绕组E2的第一端连接到开关Q3的第一端，该开关的第二端则接到电压Vp上；绕组E2的第二端连接到电路的输出端S1P上。元件T2的绕组E3的第一端通过二极管D6连接到电压Vm上，该二极管D6相对电压Vm逆向安装，绕组E3的第二端接地。元件T2的绕组E4的第一端连接到开关Q4的第一端，该开关的第二端则接到电压Vm上；绕组E4的第二端接到电路的输出端S1P上。平滑电容器C1接在输出端S1P和地之间。

通过增加输出电流测量装置，以及合适的调节器和调制器，来将变换器转换成电流源。图1B给出了接到变换器输出端的负载，其以串联的电阻器Rc和电感器Lc的形式表示。测量装置1向调节装置(或均衡器)2的第一输入端发送典型信号，从而可以测量输出电流。调节装置2的第二输入端Ec接收给定值信号。调节装置2的输出信号被送到调制器3的输入端，该调制器3从而向开关Q3发出指令信号SQ3并向开关Q4发出指令信号SQ4。

因此，图1A所示的变换器包括四个绕组和两个磁芯，这使该变换器的成本较高，而目电路尺寸也较大。

发明内容