專利名稱：永磁交流發(fā)電機(jī)的控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在機(jī)械能和電能之間轉(zhuǎn)換的機(jī)器，特別是涉及適合汽車使用的小型永磁高功率交流發(fā)電機(jī)和該發(fā)動(dòng)機(jī)的電壓和電流控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
交流發(fā)電機(jī)通常包括安裝在旋轉(zhuǎn)軸上并相對(duì)于固定的定子同心地設(shè)置的轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子通常設(shè)置在定子中。然而，定子也可以同心地定位在轉(zhuǎn)子中。諸如發(fā)動(dòng)機(jī)或渦輪機(jī)之類的外部能量源通常直接或通過(guò)諸如傳動(dòng)帶之類的中間系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)元件。定子和轉(zhuǎn)子具有一連串的磁極。轉(zhuǎn)子和定子都產(chǎn)生與另一結(jié)構(gòu)磁極上的線圈相互作用的磁場(chǎng)。當(dāng)磁場(chǎng)與線圈相交時(shí)，產(chǎn)生提供給合適的負(fù)荷的電場(chǎng)。通常將感應(yīng)的電場(chǎng)(通常稱為電壓源)施加至整流器(有時(shí)是穩(wěn)壓整流器)并作為直流輸出電源提供。在某些例子中，將穩(wěn)壓直流輸出信號(hào)施加至直流一交流逆變器以提供交流輸出。
傳統(tǒng)地，運(yùn)用于汽車應(yīng)用中的交流發(fā)電機(jī)通常包括安裝在引擎外部的外殼；安裝在外殼中的具有三相線圈的定子，可旋轉(zhuǎn)地支撐在定子內(nèi)外殼中的帶驅(qū)動(dòng)爪極式(例如倫德爾式)轉(zhuǎn)子。然而，為了增加功率輸出，必須顯著地增加傳統(tǒng)交流發(fā)電機(jī)的尺寸。因此，車輛中的空間限制很可能使得該交流發(fā)電機(jī)很難用于高輸出(例如5KW)的應(yīng)用中，例如用于為空調(diào)、冰箱或通信設(shè)備供電。
另外，帶線圈的爪極式轉(zhuǎn)子較重(通常包括交流發(fā)電機(jī)總重量的四分之三)，產(chǎn)生相當(dāng)大的慣性。在每次引擎加速時(shí)，該慣性實(shí)際上對(duì)引擎呈現(xiàn)一負(fù)荷。這容易降低引擎的效率，引起額外的燃料消耗。另外，該慣性可能在諸如電或混合機(jī)車之類的應(yīng)用中有問題?；旌蠙C(jī)車?yán)闷鸵嬉岳?0Kph的預(yù)定閾值以上的速度(在汽油引擎最有效時(shí)通常對(duì)應(yīng)于RPM的范圍)來(lái)驅(qū)動(dòng)車輛。類似地，在所謂的“輕度混合”中，當(dāng)司機(jī)踩下油門踏板時(shí)，采用啟動(dòng)器發(fā)電機(jī)來(lái)提供初始助推脈沖，便于當(dāng)車輛停止行駛時(shí)關(guān)閉車輛引擎以節(jié)省燃料和減少排放。該輕度混合系統(tǒng)通?？紤]使用高電壓(例如42伏)電系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中的交流發(fā)動(dòng)機(jī)必須能將電池再充電至足夠的電平以驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)器發(fā)電機(jī)提供連續(xù)停止之間的初始助推脈沖，特別是在停停走走的交通中。因此，需要較高功率、低慣性的交流發(fā)電機(jī)。
通常，為控制和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、空調(diào)和車內(nèi)電器供電需要額外的電源，特別是對(duì)諸如致冷、建筑應(yīng)用和軍事應(yīng)用之類用于娛樂、工業(yè)運(yùn)輸應(yīng)用的車輛。
例如，在汽車工業(yè)中存在一種采用智能電的而非機(jī)械或液壓的控制和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以減少車輛引擎上的電力負(fù)荷和節(jié)約燃料。例如可以結(jié)合駕駛伺服機(jī)構(gòu)(通常只有在需要駕駛糾正時(shí)起作用)、減震器(使用反饋來(lái)將減震器的硬度調(diào)節(jié)至公路和速度條件)和空調(diào)(以維持恒溫所需的最小速度操作壓縮機(jī))運(yùn)用該系統(tǒng)。該電力控制和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)易于增加對(duì)車輛電力系統(tǒng)的要求。
類似地，希望車載致冷系統(tǒng)是電驅(qū)動(dòng)的。例如，以可變的速度(獨(dú)立于車輛引擎rpm)驅(qū)動(dòng)致冷系統(tǒng)可以提高效率。另外，通過(guò)電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，連接各元件(例如壓縮機(jī)(在引擎上)、冷凝器(曝露在空氣中)和蒸發(fā)單元(位于冷隔箱))的軟管可以由類似于家用電冰箱或空調(diào)的電驅(qū)動(dòng)密封系統(tǒng)來(lái)代替。因此，希望在該應(yīng)用中的車輛電力系統(tǒng)能為電驅(qū)動(dòng)單元提供必要的功率電平。
還特別需求“去除和替換”高功率交流發(fā)電機(jī)來(lái)改裝現(xiàn)有的車輛。通常在車輛的引擎隔箱中只提供有限的空間來(lái)容納交流發(fā)電機(jī)。除非替換交流發(fā)電機(jī)可裝入可用的空間，如果可以的話，安裝非常復(fù)雜，通常需要去除諸如散熱器、緩沖器等主要元件并安裝額外的支架、帶和硬件。因此，希望替換交流發(fā)電機(jī)可適合原來(lái)提供的空間，并與原來(lái)的硬件接合。
通常，永磁交流發(fā)電機(jī)是熟知的。該交流發(fā)電機(jī)使用永久磁鐵來(lái)產(chǎn)生必要的磁場(chǎng)。永磁交流發(fā)電機(jī)常常比傳統(tǒng)的繞線磁極式發(fā)電機(jī)輕得多且小得多。在1997年4月29日頒發(fā)給斯科特等人的美國(guó)專利5,625,276、在1998年1月6日頒發(fā)給斯科特等人的美國(guó)專利5,705,917、1999年3月23日頒發(fā)給斯科特等人的美國(guó)專利5,705,917、1999年7月27日頒發(fā)給斯科特等人的美國(guó)專利5,92,611、2000年3月7日頒發(fā)給斯科特等人的美國(guó)專6,034,511和2002年8月27日頒發(fā)給斯科特等人的美國(guó)專利6,441,522中，都描述了永磁交流發(fā)電機(jī)的例子。
可以通過(guò)采用“外部”永磁轉(zhuǎn)子和“內(nèi)部”定子來(lái)實(shí)現(xiàn)特別輕巧和緊湊的永磁交流發(fā)電機(jī)。轉(zhuǎn)子包括具有設(shè)置在汽缸內(nèi)表面上的高能量永久磁鐵的空心汽缸外殼。定子同心地設(shè)置在轉(zhuǎn)子外殼中。轉(zhuǎn)子繞定子旋轉(zhuǎn)使來(lái)自轉(zhuǎn)子磁鐵的磁通量與定子線圈相互作用并在定子線圈中感應(yīng)電流。在例如上述1998年1月6日頒發(fā)給斯科特等人的美國(guó)專利5,705,917和1999年7月27日頒發(fā)給斯科特等人的美國(guó)專利5,92,611中，描述了該交流發(fā)電機(jī)的例子。
由永磁交流發(fā)電機(jī)提供的功率根據(jù)轉(zhuǎn)子的速度變化顯著。在許多應(yīng)用中，由于例如汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)速度變化或負(fù)載特性的變化，轉(zhuǎn)子的速度常常改變。因此，通常采用電子控制系統(tǒng)。在上述1997年4月29日頒發(fā)給斯科特等人的美國(guó)專利5,625,276中，描述了永磁交流發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)的一個(gè)例子。在2000年1月25日頒發(fā)給安德森等人的美國(guó)專利6,018,200中，描述了其它控制系統(tǒng)的例子。
汽車應(yīng)用中，非常需要適應(yīng)寬范圍的轉(zhuǎn)子速度。例如，大柴油卡車引擎從空轉(zhuǎn)時(shí)的600RPM至2600RPM的公路速度，偶爾沖到3000RPM，這時(shí)引擎用來(lái)減慢卡車的速度。因此，永磁交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)經(jīng)受5∶1的RPM變化。輕型柴油機(jī)在例如從600-4000RPM的較寬的范圍內(nèi)運(yùn)行。和汽油車輛引擎一起使用的交流發(fā)電機(jī)必須適應(yīng)例如從600-6500RPM的更寬的范圍。另外，交流發(fā)電機(jī)必須適應(yīng)負(fù)荷的變化，即從無(wú)負(fù)荷到全負(fù)荷。因此，和汽油車輛引擎一起使用的永磁交流發(fā)電機(jī)的輸出電壓可以經(jīng)受12∶1的變化。因此，如果要求傳統(tǒng)的永磁交流發(fā)電機(jī)提供工作電壓(例如12伏特)同時(shí)以給定的負(fù)荷空轉(zhuǎn)，則它提供多倍工作電壓，例如該電壓的十(10)倍，在全引擎RPM時(shí)具有該負(fù)荷例如120伏特。當(dāng)空轉(zhuǎn)時(shí)的電壓為120V，例如用于電驅(qū)動(dòng)空調(diào)或通信設(shè)備，全引擎RPM時(shí)的電壓是例如1200V。該電壓電平很難達(dá)到，實(shí)際上控制起來(lái)很危險(xiǎn)。另外，這種電壓和電流的極端變化可能需要更昂貴的元件；為對(duì)高引擎RPM(例如公路速度)產(chǎn)生的高電壓和電流設(shè)計(jì)的元件比為較適中的電壓設(shè)計(jì)的元件貴得多。
為適應(yīng)來(lái)自永磁交流發(fā)電機(jī)的輸出電壓的寬范圍進(jìn)行了各種嘗試。例如，上述斯科特等人的美國(guó)專利5,625,276描述了一種選擇性地激活單個(gè)線圈實(shí)現(xiàn)希望的輸出的控制器。這些線圈可以完全并聯(lián)的結(jié)構(gòu)連接以在較低的電壓電平提供高電流，或串聯(lián)連接以提供高電壓容量。隨著驅(qū)動(dòng)RPM增加，各個(gè)線圈實(shí)際上從操作電路斷開以控制輸出電壓和/或電流。然而，特別在諸如機(jī)動(dòng)車之類的小型高功率、高傳動(dòng)比應(yīng)用中，線圈之間的轉(zhuǎn)換躍遷具有有害效果，特別是在RPM范圍的高端。
其它嘗試包括控制交流發(fā)電機(jī)的RPM，從而獨(dú)立于引擎RPM控制其電壓。在于1987年9月22日頒發(fā)給Dishner的美國(guó)專利4,695,776中，描述了這種嘗試的一個(gè)例子。這些方案常包括，需要維護(hù)和易磨損的大型機(jī)械元件。
其它嘗試包括轉(zhuǎn)用交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的一部分磁通量來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。在于1989年12月5日頒發(fā)給Gokhale的美國(guó)專利4,885,493中，描述了一個(gè)系統(tǒng)的例子。然而，磁通量轉(zhuǎn)用通常需要額外的機(jī)械元件，并且可能反應(yīng)慢。
還已知一種機(jī)動(dòng)車電氣系統(tǒng)，它包括用于以由模式而定的傳輸比將引擎驅(qū)動(dòng)的交流發(fā)電機(jī)耦合至車輛電氣負(fù)載的柔性拓樸DC-DC轉(zhuǎn)換器。在于2002年10月22日頒發(fā)給Barrett的美國(guó)專利6,469,476中，說(shuō)明了這種系統(tǒng)的一個(gè)例子。在這種系統(tǒng)中，基于負(fù)載電壓調(diào)節(jié)交流發(fā)電機(jī)的輸出電壓，且逆變器可工作于包括前助推模式、前統(tǒng)一模式、和前沖模式在內(nèi)的多個(gè)基于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的不同模式中的一個(gè)。在前助推模式中，將逆變器輸出電壓推至交流發(fā)電機(jī)的輸出電壓以上，使得能以低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為電池充電；在前統(tǒng)一模式中，以統(tǒng)一傳輸比將交流發(fā)電機(jī)輸出電壓傳送給電池和電負(fù)載；而在前沖模式中，逆變器輸出電壓被降低到低于交流發(fā)電機(jī)的輸出電壓，以中-高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高交流發(fā)電機(jī)功率輸出。
用具有占空比作相角控制的SCR橋路，整流和穩(wěn)壓可以作為單個(gè)處理實(shí)現(xiàn)。然而，當(dāng)將SCR相角方法用于控制大小變化且極快速改變交流頻率的AC電源時(shí)，電壓輸出和脈動(dòng)量會(huì)顯著變化。另外，使用這種SCR橋路以通常用于汽車系統(tǒng)中的電壓從交流發(fā)電機(jī)的輸出中取得經(jīng)調(diào)整的輸出信號(hào)可能包括相對(duì)較高的峰值電流和通過(guò)產(chǎn)生大量熱和電磁干擾表現(xiàn)出的較高的開關(guān)(IR)損耗。
因此，需要能適應(yīng)永磁交流發(fā)電機(jī)的輸出中大的變化的較便宜和有效的控制系統(tǒng)。這種能將電壓調(diào)整在緊公差(例如輸出變化百分之一或二)內(nèi)并具有高功率轉(zhuǎn)換效率從而散發(fā)較少熱量的系統(tǒng)是所希望的。另外，需要使控制系統(tǒng)中電力開關(guān)器件所產(chǎn)生的熱量和開關(guān)期間由電流和電壓的突然轉(zhuǎn)換(尖峰脈沖)所引起的電磁射頻干擾最小化。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的各種方面，下面一個(gè)或多個(gè)提供能適應(yīng)永磁交流發(fā)電機(jī)大的輸出變化并提供較準(zhǔn)確的電壓調(diào)整的較便宜的控制系統(tǒng)一種以較高的電壓(和較低的電流)整流和調(diào)整交流發(fā)電機(jī)的輸出電壓，然后用一個(gè)或多個(gè)分離的DC-DC轉(zhuǎn)換器將最初較高的電壓轉(zhuǎn)換成希望的輸出電壓的整流和調(diào)整系統(tǒng)。
對(duì)助推型調(diào)整器用作電源的整流器/限制器。
根據(jù)交流發(fā)電機(jī)輸出和/或整流器/限制器的輸出，選擇性地以全波整流、全占空比半波整流和脈沖寬度調(diào)整半波整流模式工作的多模型整流器/限制器。
通過(guò)限制用于該系統(tǒng)的電源開關(guān)兩端的電壓和通過(guò)其的電流的變化速率使否則會(huì)在電源開關(guān)中作為熱量散發(fā)的轉(zhuǎn)換能量最少化，并最好重新捕獲導(dǎo)向負(fù)載的轉(zhuǎn)換能量來(lái)增加轉(zhuǎn)換效率和減少射頻干擾。
DC-AC逆變器橋路，其中帶電對(duì)中的高端開關(guān)在整個(gè)半周期維持導(dǎo)通，而低端即接地端開關(guān)被調(diào)制成與該對(duì)的兩個(gè)開關(guān)均相反，和/或通過(guò)將用于波形整形的相對(duì)腳(以與帶電腳的低端相互排斥的方式操作它)的高端導(dǎo)通，使濾波器電容器在負(fù)載下放電至低于預(yù)定點(diǎn)(足夠使電感器放電)，確保逆變器濾波器電感器和電容復(fù)位。
附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明下面將結(jié)合


本發(fā)明，其中同樣的標(biāo)號(hào)表示同樣的元件(除非另外說(shuō)明)。
圖1為根據(jù)本發(fā)明各種方面用于在機(jī)械能和電能之間轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)的方框圖。
圖2A和2B為圖2的整流器/限制器的操作模式的圖形表示。
圖2C為根據(jù)本發(fā)明各種方面的整流器/限制器的較佳實(shí)施例的示意方框圖。
圖3A-3K(統(tǒng)稱為圖3)為圖2的整流器/限制器的各個(gè)元件的示意圖。
圖3L為在切斷FET的操作期間驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)FET電源開關(guān)的電壓和FET的電阻的圖示。
圖3M為在切斷FET電源開關(guān)的操作期間導(dǎo)致開關(guān)損耗的電壓和電流的圖示。
圖4為根據(jù)本發(fā)明的各種方面的助推調(diào)整器的示意方框圖。
圖5A和5B(統(tǒng)稱為圖5)是圖4的調(diào)整器的各元件的示意圖。
圖6為DC-DC轉(zhuǎn)換器的示意方框圖。
圖7A-7E(統(tǒng)稱為圖7)是圖6的DC-DC轉(zhuǎn)換器的較佳實(shí)施例的各元件的示意圖。
圖8為正弦波逆變器簡(jiǎn)化的示意方框圖。
圖9A和9B(統(tǒng)稱為圖9)為PWM正弦波逆變器開關(guān)的操作的圖示圖9A示出同時(shí)激活各對(duì)開關(guān)的傳統(tǒng)操作；圖9B示出根據(jù)本發(fā)明各種方面的在低負(fù)載條件下的操作。
圖10A-10G(統(tǒng)稱為圖10)為圖8的正弦波逆變器的元件的較佳實(shí)施例的示意圖。
圖11A-11L(統(tǒng)稱為圖11)為用于實(shí)現(xiàn)圖3的整流器/限制器的操作的微型控制器程序的示意流程圖。
圖12A-12H和12K-12Q(統(tǒng)稱為圖12)為用于實(shí)現(xiàn)圖8的逆變器的操作的微型控制器程序的示意流程圖。
具體實(shí)施例方式
參見圖1，根據(jù)本發(fā)明的各種方面的用于在機(jī)械能和電能之間轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)100包括交流發(fā)電機(jī)101、整流和調(diào)整系統(tǒng)102(可適合地包括整流器200和調(diào)整器400)、一個(gè)或多個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器106和相宜地DC-AC逆變器108。
通常，交流發(fā)電機(jī)101提供根據(jù)驅(qū)動(dòng)RPM顯著變化的多相(例如三相)未調(diào)整的AC輸出信號(hào)、相位A(PH_A)、相位B(PH_B)和相位C(PH_c)。整流和調(diào)整系統(tǒng)102將來(lái)自交流發(fā)電機(jī)101的AC輸出整流，即將其轉(zhuǎn)換成DC信號(hào)(VRO)，并將該信號(hào)的電壓調(diào)整到預(yù)定電平，例如180V，即維持具有±2％公差的電壓電平。然后將經(jīng)調(diào)整的DC信號(hào)(VRO)施加至DC-DC轉(zhuǎn)換器106以轉(zhuǎn)換至希望的輸出電壓電平(V1，V2)，例如12、24和/或42VDC，如果希望的話，施加至DC-AC逆變器108以產(chǎn)生一個(gè)所希望的波形、頻率和電壓(例如50/60Hz，120VRMS正弦波)的AC信號(hào)。選擇由整流和調(diào)整系統(tǒng)102輸出的預(yù)定電壓電平VRO(例如180V)來(lái)支持希望的輸出。在較佳實(shí)施例中，將整流和調(diào)整系統(tǒng)102的輸出VRO選擇成約180V，當(dāng)將其施加至DC-AC逆變器108時(shí)產(chǎn)生170V峰值，即120V RMS正弦波。將相同的經(jīng)調(diào)整的180VDC信號(hào)VRO饋送至DC-DC降壓逆變器106，產(chǎn)生12、24和/或42VDC輸出。因?yàn)閂RO較高，較低電平的電流流入DC-DC轉(zhuǎn)換器106的輸入部分，產(chǎn)生更高的功率轉(zhuǎn)換效率。
用整流和調(diào)整系統(tǒng)102以較高的電壓整流和調(diào)整交流發(fā)電機(jī)的輸出電壓，然后用一個(gè)或多個(gè)分離的DC-DC轉(zhuǎn)換器和/或DC-AC逆變器將最初較高的電壓轉(zhuǎn)換成所希望的輸出電壓在許多方面特別有利。與在較低的電壓進(jìn)行整流和調(diào)整時(shí)所遇到的電流的數(shù)量級(jí)相比，以較高的電壓整流和調(diào)整等于使用較低的電流電平。使用較低數(shù)量級(jí)的電流減少了與整流和調(diào)整功能相關(guān)的傳導(dǎo)和開關(guān)損耗。因此，產(chǎn)生較少的熱量。另外，與轉(zhuǎn)換功能分離地執(zhí)行所有整流和調(diào)整允許使用較便宜、更堅(jiān)固、更簡(jiǎn)單的電壓輸出級(jí)，便于產(chǎn)生多個(gè)電壓輸出，例如12、24和/或42VDC和120V RMS 50/60HzAC。
交流發(fā)電機(jī)101是合適的永磁交流發(fā)電機(jī)，且最好是在由C.Y.Lafontaine和H.C.Scott共有的待審查美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)?zhí)?0/486,831，名稱“CompactHigh Power Alternator”，申請(qǐng)日2003年7月10日中所述類型的交流發(fā)電機(jī)。上述LaFontaine等人申請(qǐng)?zhí)?0/486,831的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用包括在此。
簡(jiǎn)單地說(shuō)，交流發(fā)電機(jī)101包括安裝在旋轉(zhuǎn)軸上并相對(duì)定子同心地設(shè)置的轉(zhuǎn)子。定子包括一端(中性點(diǎn))以星形結(jié)構(gòu)相連的各相繞組A、B和C。繞組中性點(diǎn)定義第二浮動(dòng)接地(由形成三角形的分別垂直隔開的各種長(zhǎng)度的水平線指定，不要與由閉合三角形表示的第一接地相混)。諸如發(fā)動(dòng)機(jī)或渦輪之類的外部能源通常直接或通過(guò)諸如傳動(dòng)帶之類的中間系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)元件。在汽車應(yīng)用中，交流發(fā)電機(jī)101通常安裝在罩下面并由車輛引擎帶驅(qū)動(dòng)。轉(zhuǎn)子和定子之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使得在線圈中感應(yīng)電壓。交流發(fā)電機(jī)101最好設(shè)計(jì)成它在空轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生預(yù)定最小電壓或在全負(fù)載情況下產(chǎn)生最小RPM。如上所述，在汽車應(yīng)用中，驅(qū)動(dòng)RPM變化很廣，從空轉(zhuǎn)時(shí)的600RPM變化到用于大型柴油貨車的3000RPM(5∶1變化)，輕型柴油機(jī)為600-4000RPM，汽油車輛引擎為600-6500RPM。另外，交流發(fā)電機(jī)，必須適應(yīng)負(fù)載的變化，即從無(wú)負(fù)載至全負(fù)載。因此，當(dāng)和汽油車輛引擎使用時(shí)，永磁交流發(fā)電機(jī)101的輸出電壓可以經(jīng)受12∶1的變化。因此，如果要求傳統(tǒng)的永磁交流發(fā)電機(jī)提供工作電壓(例如18V)而同時(shí)處于給定負(fù)載的空轉(zhuǎn)速度，則它在該負(fù)載的全引擎RPM下將提供多倍工作電壓，例如該電壓的十(10)倍，例如180V。
整流和調(diào)整電路102對(duì)來(lái)自交流發(fā)電機(jī)101的AC輸出信號(hào)整流，即將其轉(zhuǎn)換成DC信號(hào)，并調(diào)整該信號(hào)的電壓，即將該信號(hào)的電壓電平維持在給定范圍值，例如180V±2％。整流和調(diào)整系統(tǒng)102可包括能提供在由交流發(fā)電機(jī)101所提供的三相AC信號(hào)范圍內(nèi)的合適地調(diào)整的DC信號(hào)(VO)的任何系統(tǒng)。例如，系統(tǒng)102能包括具有占空比相角控制的SCR橋路(適宜地采用下述開關(guān)損耗控制)。然而，系統(tǒng)102最好包括整流器/限制器200，與調(diào)整器最好是助推型調(diào)整器一起工作。整流器/限制器200可包括可對(duì)交流發(fā)電機(jī)101的廣泛變化的輸出整流并將其輸出限制到預(yù)定值，可減少輸入調(diào)整器400的信號(hào)VO的變化范圍(與交流發(fā)電機(jī)的輸出相比)的任何電路。例如，整流器/限制器200能通過(guò)諸如上述之類的SCR橋路實(shí)現(xiàn)。然而，較佳實(shí)施例采用根據(jù)交流發(fā)電機(jī)輸出和/或整流器/限制器的輸出選擇性地以全波整流、全占空比半波整流或脈寬調(diào)制半波整流模式工作，并將其輸出限制在系統(tǒng)102的預(yù)定輸出值下面一點(diǎn)的預(yù)定值(例如170V)的多模整流器/限制器200。在一些例子中，希望包括一種實(shí)際上是全波整流和半波整流之間的過(guò)渡工作模式，其中系統(tǒng)在全波和半波整流模式之間調(diào)諧。更具體來(lái)說(shuō)，在RPM的某些范圍內(nèi)，在一些負(fù)載條件下，全波整流可以產(chǎn)生超過(guò)所希望的輸出電平。然而，在那些環(huán)境中，半波整流可以不提供足夠的功率輸出。為了適應(yīng)那些情況，當(dāng)遇到RPM和負(fù)載條件時(shí)，實(shí)現(xiàn)在全波和半波整流模式之間的調(diào)諧，使得電路200的輸出電壓(和輸出功率)實(shí)際上是兩種模式中該參數(shù)的時(shí)間均值。半波整流和全流整流的相對(duì)時(shí)間周期確定所希望的輸出。圖2中示出整流器/限制器200的較佳實(shí)施例。圖3中示出該整流器/限制器200的各元件的較佳實(shí)施例。
接受整流器/限制器200的輸出的調(diào)整器400以預(yù)定電平(例如180V+2％)提供恒定電壓輸出VRO。調(diào)整器400最好是助推型調(diào)整器。使用助推型調(diào)整器在許多方面有利。它特別簡(jiǎn)單(不需要變壓器)、有效和可以縮放。當(dāng)調(diào)整器400的輸入接近預(yù)定最大值(例如在與公路速度相對(duì)應(yīng)的RPM)時(shí)，助推基本上停止，幾乎不消耗能量，幾乎不產(chǎn)生熱量。另外，在短路的情況下助推型拓樸固有地限制電流。圖4中示出助推型調(diào)整器400的一個(gè)較佳實(shí)施例。圖5中示出該助推型調(diào)整器400的各元件的較佳實(shí)施例。
DC-DC轉(zhuǎn)換器106從整流和調(diào)整系統(tǒng)102(例如調(diào)整器400)的較高電壓輸出中獲取所希望的電平輸出電壓(例如12、24或42V)或其它理想的DC電壓。DC-DC轉(zhuǎn)換器106可以用任何適合的拓樸(例如，開關(guān)模式中的半橋、全橋、推挽、回掃、正向逆變器或反推逆變器)來(lái)實(shí)現(xiàn)。DC-DC轉(zhuǎn)換器106利用傳統(tǒng)的全橋、脈沖寬度調(diào)制、降壓的拓樸來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖6中示出DC-DC轉(zhuǎn)換器106的較佳實(shí)施例。圖7中示出該助推型調(diào)整器400的各元件的較佳實(shí)施例。
DC-AC逆變器108從整流和調(diào)整系統(tǒng)102(例如調(diào)整器400)的輸出產(chǎn)生所希望的電壓和波形(例如120V RMS 50/60Hz AC)的AC輸出信號(hào)。通常合適的逆變器橋路包括各對(duì)“高壓側(cè)”和“低壓側(cè)”開關(guān)器件。一對(duì)與AC周期的正半周相關(guān)聯(lián)，而另一對(duì)與AC周期的負(fù)半周相關(guān)聯(lián)。各對(duì)開關(guān)器件在經(jīng)調(diào)整的DC軌道(即整流器和調(diào)整器系統(tǒng)102的輸出)和公共接地之間與合適的輸出濾波器串聯(lián)連接，高壓側(cè)開關(guān)連接在正軌道和輸出濾波器之間，而低壓側(cè)開關(guān)連接在輸出濾波器和公共接地之間。為了便于參考，下面有時(shí)將與即時(shí)半周期相關(guān)聯(lián)的開關(guān)對(duì)稱為“主”開關(guān)，而下面有時(shí)將與另一半周期相關(guān)聯(lián)的開關(guān)對(duì)稱為“補(bǔ)充”開關(guān)。通常，通過(guò)對(duì)于與所希望的頻率的半個(gè)周期(180°)相應(yīng)的時(shí)間段在互斥的基礎(chǔ)上周期性地使第一對(duì)開關(guān)器件(例如與正半周期相關(guān)聯(lián)的開關(guān))導(dǎo)通，然后使第二對(duì)開關(guān)器件(例如與負(fù)半周期相關(guān)聯(lián)的開關(guān))導(dǎo)通來(lái)產(chǎn)生AC信號(hào)。這產(chǎn)生一個(gè)基本上方的波形，該波形由輸出濾波器整平。傳統(tǒng)地，通過(guò)主開關(guān)調(diào)制電流的脈沖寬度來(lái)實(shí)現(xiàn)最好成形為大致正弦波的波形。在某些例子中，在通過(guò)主開關(guān)的脈沖之間的至少一部“空載時(shí)間”分期間，通過(guò)至少一個(gè)補(bǔ)充開關(guān)為輸出濾波器提供放電路徑來(lái)進(jìn)一步促進(jìn)波形成形。
在較佳實(shí)施例中，逆變器108通過(guò)在整個(gè)半周期將與AC周期的即時(shí)半周期相關(guān)聯(lián)的對(duì)的高壓側(cè)開關(guān)維持在“通”，調(diào)制較低(接地側(cè))的開關(guān)(與調(diào)制該對(duì)的兩個(gè)開關(guān)相反)，并在負(fù)載(電流吸收)低于預(yù)定電平時(shí)(而不在負(fù)載達(dá)到或超過(guò)該電平時(shí))，以與低壓側(cè)(主開關(guān))互斥的方式導(dǎo)通補(bǔ)充對(duì)的高壓側(cè)以確保復(fù)位逆變器濾波器電感器和電容器來(lái)產(chǎn)生具有預(yù)定頻率和波形(例如60Hz正弦波)的輸出信號(hào)。圖8中示出該較佳逆變器108，在圖9中示出波形。圖10中示出該逆變器108的各元件的較佳實(shí)施例。
如將進(jìn)一步所述的，最好在整流器/限制器200、調(diào)整器400、DC-DC轉(zhuǎn)換器106和逆變器108中采取措施以限制系統(tǒng)兩端的電壓、流過(guò)系統(tǒng)的電流和系統(tǒng)中所采用的電源開關(guān)的變化速率，使否則會(huì)作為熱量散發(fā)的轉(zhuǎn)換能量最小化，最好重新捕獲該轉(zhuǎn)換能量并將其導(dǎo)向負(fù)載。
整流器/限制器200如上所述，整流器/限制器200能包括能對(duì)交流發(fā)電機(jī)101廣泛變化的輸出整流并將其輸出限制到預(yù)定值的任何電路。然而，整流器/限制器200最好包括根據(jù)交流發(fā)電機(jī)輸出和/或整流器/限制器200的輸出，選擇性地以全波整流、全占空比半波整流、全波與全占空比半波整流之間的變遷調(diào)諧或脈沖寬度調(diào)制半波整流模式工作的多模電路。通常，全波整流最有效，因此，除了當(dāng)全波整流會(huì)產(chǎn)生超過(guò)預(yù)定最大輸出電平(例如170V)的電壓時(shí)希望以該模式工作。如下面將解釋的，在與實(shí)際整流模式無(wú)關(guān)的即時(shí)RPM和負(fù)載條件下可以根據(jù)表示會(huì)由全波整流產(chǎn)生的輸出的標(biāo)記信號(hào)(V_SNS)確定在全波整流和半波整流之間切換工作模式的點(diǎn)。如將要說(shuō)明的，在即時(shí)RPM和負(fù)載條件(與實(shí)際整流模式無(wú)關(guān))下，除了將半波整流模式操作期間交流發(fā)電機(jī)101中經(jīng)歷的增加的IR壓降反映成標(biāo)記信號(hào)中下降的電壓，下述標(biāo)記信號(hào)V_SNS適宜與將由交流發(fā)電機(jī)的全波整流產(chǎn)生的輸出電壓電平成正比。通過(guò)監(jiān)控整流器/限制器輸出，確定半波整流器信號(hào)的脈沖寬度調(diào)制的啟動(dòng)點(diǎn)。
整流器/限制器200在啟動(dòng)時(shí)最初以全波整流模式工作。當(dāng)整流器/限制器200處于全波整流模式時(shí)，在標(biāo)記信號(hào)V_SNS超過(guò)與整流器/限制器200的最大希望輸出相對(duì)應(yīng)的預(yù)定電平(FULL_UPPER_LIMIT)時(shí)切換至半波整流，以將整流器/限制器200的輸出維持在最大電平以下。當(dāng)整流器/限制器200處于半波整流模式時(shí)，在標(biāo)記信號(hào)V_SNS降到與等于或最好稍小于整流器/限制器200的最大希望輸出的電壓相對(duì)應(yīng)并指示全波整流將再次產(chǎn)生一個(gè)希望限制內(nèi)的輸出的預(yù)定下閾值電平(HALF_LOWER_LIMIT)以下時(shí)切換至全波整流。另一方面，如果整流器/限制器200處于半波整流模式，且整流器/限制器200的輸出到達(dá)最大希望輸出電平，啟動(dòng)脈沖寬度調(diào)制以防止超過(guò)最大電平。當(dāng)在全波整流和半波整流模式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)出現(xiàn)調(diào)諧，或者半波整流導(dǎo)致小于HALF_LOWER_LIMIT的標(biāo)記信號(hào)V_SNS的值，或者全波整流導(dǎo)致大于FULL_UPPER_LIMIT的標(biāo)記信號(hào)V_SNS的值。在調(diào)諧工作期間，整流器/限制器200的輸出實(shí)際上是全波整流和半波整流的連續(xù)周期的即時(shí)輸出的時(shí)間均值，從而提供一個(gè)在希望限制內(nèi)的輸出信號(hào)。出現(xiàn)調(diào)諧的條件的范圍由上下閾值之間的差來(lái)確定。
另外也可以通過(guò)監(jiān)控整流器/限制器200的輸出VO來(lái)確定全波整流和半波整流(以及脈寬調(diào)制啟動(dòng))之間切換工作模式的點(diǎn)。簡(jiǎn)單參照?qǐng)D2A，整流器/限制器200最初以全波整流模式工作。隨著RPM的增加(假設(shè)恒負(fù)載)，整流器/限制器200的輸出電壓(在圖2A中通常表示成260)成比例地增加。整流器/限制器200實(shí)際上在輸出VO達(dá)到與整流器/限制器200希望的最大輸出值(例如170V)相對(duì)應(yīng)的預(yù)定極限之前，整流器/限制器200維持在全波整流模式。例如當(dāng)速度增加至大約空轉(zhuǎn)RPM的預(yù)定倍(例如2.5倍空轉(zhuǎn)速度)時(shí)達(dá)到最大值。當(dāng)(例如圖2a中的點(diǎn)262)輸出VO超過(guò)所希望的最大電平(與超過(guò)上閾值FULL_UPPER_LIMIT的標(biāo)記信號(hào)V_SNS相對(duì)應(yīng))時(shí)，整流器/限制器200切換至半波整流模式(最初具有全占空比)。切換至半波整流(全占空比)根據(jù)負(fù)載(電流吸收)條件(負(fù)載越大，壓降越大)有效地將輸出電壓VO減少50％-60％(例如圖2A中的點(diǎn)264)。假設(shè)沒有調(diào)諧條件(例如第一切換時(shí)的半波整流輸出電壓VO大于與HALF_LOWER_LIMIT相應(yīng)的低閾值電平)，隨著RPM持續(xù)增加，整流器/限制器200將繼續(xù)以全占空比半波整流模式工作直至整流器/限制器200的輸出電壓達(dá)到預(yù)定電平最好是實(shí)現(xiàn)整流器/限制器200的半波整流輸出的脈沖寬度調(diào)制以將輸出限制到預(yù)定電平的點(diǎn)處的希望的最大輸出值(圖2A中的點(diǎn)266)。另一方面，如果當(dāng)整流器/限制器200以半波整流模式工作時(shí)，RPM減少到輸出VO降到低閾值電平(對(duì)應(yīng)于HALF_LOWER_LIMIT)以下的點(diǎn)，恢復(fù)操作的全波整流。
簡(jiǎn)單地參見圖2B，如果當(dāng)在全波整流和半波整流模式之間轉(zhuǎn)換時(shí)，或者半波整流導(dǎo)致小于低閾值電平(對(duì)應(yīng)于HALF_LOWER_LIMIT)(圖2B中的點(diǎn)268)的輸出VO，或者全波整流導(dǎo)致大于希望的最大電平(對(duì)應(yīng)于FULL_UPPER_LIMIT)(圖2B中的點(diǎn)270)的輸出VO，整流器/限制器200適宜以調(diào)諧模式工作，在全波和半波整流之間切換，使得整流器/限制器200的時(shí)間平均輸出在希望的限制之內(nèi)。整流器/限制器200通常繼續(xù)以調(diào)諧模式工作直至RPM增加到半波整流模式操作產(chǎn)生一個(gè)超過(guò)下閾值電平(對(duì)應(yīng)于HALF_LOWER_LIMIT)的電壓處的點(diǎn)(例如圖2B中的點(diǎn)272)，或RPM下降至全波整流模式操作產(chǎn)生一個(gè)小于或等于希望的最大電平(對(duì)應(yīng)于FULL_UPPER_LIMIT)的電壓處的點(diǎn)。
參見圖2C，整流器/限制器200最好包括與合適的緩沖器和驅(qū)動(dòng)器電路206合作的整流器橋接電路202；與合適的比較器和PWM驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)216A和隔離邊界(緩沖器)電路216B合作的半橋轉(zhuǎn)換電路203；過(guò)零檢測(cè)器電路213；微處理器控制214；隔離的電源電壓源215；電壓檢測(cè)隔離電路217；和低電壓電源218。整流器/限制器200最好還包括開關(guān)損耗減少電路204，且如果希望的話，還可包括電路檢測(cè)電路212。
整流器橋接電路202當(dāng)響應(yīng)于來(lái)自微處理器控制214(以緩沖器和驅(qū)動(dòng)器電路206為條件)的控制信號(hào)SCR_DRV而啟動(dòng)時(shí)，對(duì)來(lái)自交流發(fā)電機(jī)101的三相AC信號(hào)作全波整流，在端子+VO和公共接地(-VO)之間產(chǎn)生一DC信號(hào)VO。整流器橋接電路202合適地包括與各AC相位相關(guān)聯(lián)的各平行腳，各腳包括串聯(lián)連接的“上”二極管和“下”(接地端)電源開關(guān)，例如SCR，相關(guān)聯(lián)的交流發(fā)電機(jī)相位與SCR和二極管的接合點(diǎn)連接。如下所述，在全波整流模式工作期間啟動(dòng)SCR，而在半波整流模式工作期間停止(全占空比和PWM)。圖3A中示出整流器橋接電路202的較佳實(shí)施例。
緩沖器和驅(qū)動(dòng)器電路206從微處理器控制214接收SCR_DRV控制信號(hào)，并相應(yīng)地產(chǎn)生適用于整流器橋接電路202的元件(例如SCR)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。圖3B中示出緩沖器和驅(qū)動(dòng)器電路206的較佳實(shí)施例。
半橋轉(zhuǎn)換電路203在啟動(dòng)時(shí)通過(guò)停止SCR并選擇性地將電路200的負(fù)輸出端(-VO，即公共接地)連接至交流發(fā)電機(jī)三相線圈的中性點(diǎn)(即第二浮動(dòng)接地)，有效地將整流器橋接電路212轉(zhuǎn)換成半波整流器。半橋轉(zhuǎn)換電路203合適地包括與比較器和PWM驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)216A合作的一個(gè)或多個(gè)二極管220和電源開關(guān)222(例如FET)以及隔離驅(qū)動(dòng)器216B。二極管220和電源開關(guān)222在電路200的負(fù)輸出端-VO和交流發(fā)電機(jī)101線圈的中性點(diǎn)之間提供選擇性連接。當(dāng)電路200的負(fù)輸出端-VO(公共接地)和交流發(fā)電機(jī)101線圈的中性點(diǎn)(第二浮動(dòng)接地)連接時(shí)，電流僅在交流發(fā)電機(jī)AC周期的正半間流動(dòng)。圖3C中示出半橋轉(zhuǎn)換電路203(和驅(qū)動(dòng)器216B)的較佳實(shí)施例。
比較器和PWM驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)216A在由來(lái)自微處理器控制214的控制信號(hào)FET_ENB(與SCR_DRV相互排斥)啟動(dòng)時(shí)，與隔離邊界(緩沖器)電路216B合作將合適的驅(qū)動(dòng)信號(hào)提供給電源開關(guān)222，并選擇性地實(shí)現(xiàn)輸出電壓VO的脈沖寬度調(diào)制以將該電壓限制到預(yù)定的最大輸出電平(例如170V)。更具體來(lái)說(shuō)，比較器和PWM驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)216A當(dāng)由來(lái)自微處理器控制器214的控制信號(hào)FET_ENB啟動(dòng)時(shí)，監(jiān)控整流器/限制器200的輸出電壓VO，并產(chǎn)生用于實(shí)現(xiàn)根據(jù)整流器/限制器200的輸出電壓VO控制半橋轉(zhuǎn)換電路203的脈沖寬度調(diào)制控制信號(hào)FET_DRV。脈沖寬度調(diào)制控制信號(hào)FET_DRV的占空比被根據(jù)例如與整流器/限制器200的輸出成反比地控制；占空比最初為100％并維持在該值，直至整流器/限制器200的半波整流模式輸出超過(guò)預(yù)定最大值，例如170V，這時(shí)調(diào)整占空比以將輸出限制到預(yù)定值。圖3D中示出PWM驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)216A的較佳實(shí)施例。
隔離邊界(緩沖器驅(qū)動(dòng)器)電路216B響應(yīng)于FET_DRV信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)合適的電壓和隔離(參考接地)的信號(hào)以驅(qū)動(dòng)半波整流器中的FET。圖3C中示出如上所述的隔離邊界電路216B的較佳實(shí)施例。
從交流發(fā)電機(jī)101接收各相位的隔離電壓源215在與第二浮動(dòng)接地和公共接地隔離的第一浮動(dòng)接地(由從其向下延伸的隔開成角度的線的水平線指定)相對(duì)的輸出端+PS提供一個(gè)隔離的未調(diào)整的全波整流的DC電壓PS。隔離電壓源215合適地包括傳統(tǒng)的二極管整流器全橋。在即時(shí)RPM和負(fù)載條件(與實(shí)際整流模式無(wú)關(guān))下，除了將半波整流模式操作期間交流發(fā)電機(jī)101中經(jīng)歷的增加的IR壓降反映成電壓PS的增加，電壓PS與將由交流發(fā)電機(jī)輸出的全波整流產(chǎn)生的輸出電壓電平成正比。圖3E中示出隔離的電壓源215的較佳實(shí)施例。隔離的輸出電壓PS被施加至電壓檢測(cè)隔離電路217和低電壓電源電路218。
與隔離的電壓源215合作的電壓檢測(cè)隔離電路217獲取指示電壓PS的標(biāo)記信號(hào)V_SNS(從而在即時(shí)RPM和負(fù)載條件下輸出將由交流發(fā)電機(jī)輸出的全波整流產(chǎn)生的輸出電壓電平)，但經(jīng)調(diào)節(jié)和電平偏移，成為適合用作微處理器214的輸入信號(hào)。圖3F中示出電壓隔離電路217的較佳實(shí)施例。
低電壓電源電路218提供用于為102的系統(tǒng)的各種控制元件供電的多個(gè)隔離的低電壓源，最好從未調(diào)整的電壓+PS獲取該信號(hào)。電路218最好在相對(duì)于各公共和第一及第二浮動(dòng)接地的預(yù)定電壓(例如15V)產(chǎn)生各未調(diào)整的信號(hào)。圖3G中示出低電壓電源電路218的較佳實(shí)施例。
接收交流發(fā)電機(jī)一個(gè)相位(例如相位A(PH_A))的過(guò)零檢測(cè)器213產(chǎn)生指示相位過(guò)零的輸出信號(hào)(ZC)，從而產(chǎn)生RPM。過(guò)零信號(hào)ZC用作到微處理器控制器214的輸入。圖3H中示出過(guò)零檢測(cè)器213的較佳實(shí)施例。
電路讀出電路212產(chǎn)生一個(gè)指示交流發(fā)電機(jī)101輸出電流大小的電流讀出信號(hào)I_SNS。電流讀出信號(hào)I_SNS被作為模擬輸入提供給微處理器214。圖3I中示出電流讀出電路212的一個(gè)較佳實(shí)施例。
微處理器控制器214響應(yīng)于全波輸出標(biāo)記信號(hào)V_SNS、過(guò)零信號(hào)ZC和如果希望的話電流讀出信號(hào)I_SNS，選擇性地產(chǎn)生控制信號(hào)SCR_DRV以實(shí)現(xiàn)全波整流模式操作；和FET_ENB以實(shí)現(xiàn)半波整流模式。在進(jìn)入系統(tǒng)102的多模操作之前，可以初始確定與由啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)相反的引擎驅(qū)動(dòng)交流發(fā)電機(jī)101自行運(yùn)行。大體上，對(duì)由一個(gè)交流發(fā)電機(jī)相位中的過(guò)零之間的周期所反映的RPM進(jìn)行監(jiān)控，確保在啟動(dòng)多模工作之前，該發(fā)動(dòng)機(jī)正以大于或等于空轉(zhuǎn)速度工作一定時(shí)間。
圖3J中示出微處理器控制器214的一個(gè)較佳實(shí)施例。控制器214可適合地包括微芯片PIC18242微控制器，它被配置成包括定時(shí)器0(TMR0)配置成由內(nèi)部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的8位計(jì)數(shù)器。定時(shí)值在每次翻轉(zhuǎn)時(shí)被重新加載，從定時(shí)器0以固定時(shí)基(例如100us)創(chuàng)建中斷事件。
定時(shí)器1(TMR1)配置成由內(nèi)部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的16位計(jì)數(shù)器。定時(shí)值用于測(cè)量來(lái)自交流發(fā)電機(jī)的連續(xù)過(guò)零周期。來(lái)自定時(shí)器1的中斷指示一個(gè)翻轉(zhuǎn)，表示連續(xù)過(guò)零之間的時(shí)間太長(zhǎng)且RPM太低。
外部中斷0(INT0是事件名)當(dāng)INT0引腳(接收來(lái)自過(guò)零檢測(cè)器213的過(guò)零信號(hào)ZC)變高時(shí)，觸發(fā)中斷。
文件(RAM)指針用于訪問文件(RAM)空間數(shù)據(jù)的12位指針。此硬件指針用于清零RAM和將歷史存儲(chǔ)在模擬線程(analog thread)中。
模數(shù)逆變器此硬件模塊從所選擇的輸入通道(V_SNS，I_SNS)讀取并存儲(chǔ)一個(gè)8位或10位結(jié)果。所選擇的通道由控制寄存器ADCONO位5、4與3控制。
3個(gè)輸入/輸出端口2個(gè)只用于數(shù)字的8位端口(PORTB和PORTC)及一個(gè)可以是數(shù)字或模擬或兩者混合的6位端口(PORTA)。在一個(gè)端口中的各位可以配置成數(shù)字輸入或輸出。6位端口(PORTA)還可以配置成接收模擬輸入。在此情況下，在端口B位RB6和RB7產(chǎn)生數(shù)字輸出SCR_DRV和FET_ENB。
在圖10A-K中提供了由微處理器214執(zhí)行的程序的流程圖。通常，程序由正常初始化、啟動(dòng)和“主循環(huán)”程序組成。
在進(jìn)入系統(tǒng)102的多模操作之前，可以初步確定與由啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)相反的引擎驅(qū)動(dòng)交流發(fā)電機(jī)101自行運(yùn)行。
“啟動(dòng)”程序用于確保引擎驅(qū)動(dòng)交流發(fā)電機(jī)101在系統(tǒng)開始抽吸功率前達(dá)到速度并用自己的功率運(yùn)行。不希望從試圖啟動(dòng)的引擎抽吸功率。因此，在傳統(tǒng)的初始化程序后，“啟動(dòng)”程序?qū)嶋H上在進(jìn)入主程序前檢測(cè)正常速度工作(連續(xù)測(cè)量規(guī)定數(shù)以下的預(yù)定過(guò)零周期數(shù))的預(yù)定周期。如果檢測(cè)到大于規(guī)定數(shù)的周期，則計(jì)數(shù)啟動(dòng)過(guò)了。因此，達(dá)到速度然后抖動(dòng)的引擎不會(huì)觸發(fā)功率的抽吸。在確定引擎“達(dá)到速度”后，則產(chǎn)生SCR_DRV信號(hào)(SCR_DRV＝1和FET_ENB＝0)以啟動(dòng)全橋202并實(shí)現(xiàn)初始全波整流。
然后啟動(dòng)主循環(huán)程序。主循環(huán)監(jiān)控電壓標(biāo)記信號(hào)(V_SNS)，并選擇性地產(chǎn)生控制信號(hào)SCR_DRV和FET_ENB以在全波和半波整流模式之間切換。當(dāng)在模式之間切換時(shí)，采用“先斷后通”來(lái)避免交流發(fā)電機(jī)線圈短路。此功能合適地實(shí)現(xiàn)為“線程”。線程由各執(zhí)行一個(gè)任務(wù)然后返回的各個(gè)小代碼(狀態(tài))段制成。通過(guò)在再次調(diào)用線程時(shí)確定每個(gè)狀態(tài)中哪個(gè)狀態(tài)會(huì)下一個(gè)執(zhí)行來(lái)提供鏈接的定序。通常為了完成全部功能必須多次調(diào)用線程。主循環(huán)包括三個(gè)主調(diào)用GetAnalogInputs獲取模擬輸入(V_SNS，I_SNS)，將各結(jié)果存儲(chǔ)在緩沖器中并計(jì)算各緩沖器的平均。每一時(shí)基(100us)監(jiān)控模擬輸入。在完成處理時(shí)，設(shè)置標(biāo)記。
BridgeControl檢查指示已讀取、緩存的模擬通道和計(jì)算的平均的標(biāo)記，然后根據(jù)讀數(shù)確定是否需要改變橋模式。如果當(dāng)前模式是全波整流，檢測(cè)大于上限(FULL_UPPER_LIMIT)的V_SNS。如果當(dāng)前模式是半波整流，則檢測(cè)小于下限(HALF_LOWER_1IMIT)的V_SNS。如果指示改變，則啟動(dòng)改變橋模式的程序并將控制返回至線程循環(huán)。對(duì)線程的后續(xù)調(diào)用繼續(xù)等待延遲，或如果延遲完成，結(jié)束該模式變化。
UpdatePeriodBuffer新過(guò)零測(cè)量的檢驗(yàn)標(biāo)記。測(cè)試另一標(biāo)記來(lái)看該周期是否“太低”，如果是那樣，則返回并不對(duì)讀數(shù)進(jìn)行處理。將新的周期放置在環(huán)形緩沖器中。計(jì)算緩沖的平均并將結(jié)果存儲(chǔ)在’avg_period’中。
另外，采用了幾個(gè)“支持”功能InitCpuRam初始化控制寄存器和清零所有使用的RAMInitSpecialVals建立此程序?qū)Ｓ玫淖兞炕蚣拇嫫鱓riteHistory由模擬線程用于將模擬結(jié)果存儲(chǔ)在模擬歷史陣列中合適的位置中CalcADHistAvg由模擬線程用于計(jì)算用于單個(gè)通道的模擬歷史陣列的一部分的平均開關(guān)損耗減少電路204在諸如半橋轉(zhuǎn)換電路203之類采用電源開關(guān)的高功率應(yīng)用中，開關(guān)損耗(即在開關(guān)操作期間出現(xiàn)的IR損耗)可以是嚴(yán)重的問題。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在缺少特別措施的情況下，大約10％的輸入電能會(huì)以熱量的形式損失。因而對(duì)10KW功率轉(zhuǎn)換而言，1KW能量會(huì)以熱量形成丟失。該熱量會(huì)具有不利效果，例如不僅降低電源開關(guān)的可靠性，還能降低系統(tǒng)的其它電子元件的可靠性。另外，在過(guò)渡期間，開關(guān)器件兩端的電壓和/或通過(guò)開關(guān)器件的電流快速變化易于產(chǎn)生射頻發(fā)射，即干擾。
通常，諸如FET之類的電源開關(guān)器件需要有限量的時(shí)間(例如500納秒)(這里稱為“關(guān)斷周期”)來(lái)從全導(dǎo)通“on”狀態(tài)(其中器件的電阻可忽略)變成全非導(dǎo)通“off”狀態(tài)(其中器件的電阻實(shí)際上無(wú)限大)。在此關(guān)斷周期期間，器件的電阻逐漸從可忽略變成實(shí)際上無(wú)限大。直至電阻達(dá)到足夠水平，電流持續(xù)流過(guò)器件，引起IR損耗。
通常，F(xiàn)ET電源開關(guān)所顯示的電阻是施加至其柵極的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電壓電平的函數(shù)。例如，參見圖3L和3M，大于或等于預(yù)定電壓(例如15V)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)使該器件“on”即全導(dǎo)通(例如R＝～0)，而小于或等于第二預(yù)定電壓(例如0V)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)使該器件“off”即全非導(dǎo)通(電阻實(shí)際上無(wú)限大，例如R＝～4MΩ或更大)。當(dāng)“on”時(shí)，該器件在較高的電平(例如100A)導(dǎo)通。然而，該器件的電阻可忽略，因此器件兩端的壓降實(shí)際上為0。當(dāng)該器件“off”時(shí)，一個(gè)較高電平的電壓出現(xiàn)在該器件的兩端。然而，因?yàn)閷?shí)際上沒有電流流過(guò)該器件，實(shí)際上沒有IR損耗。
另一方面，當(dāng)施加了中間電壓的驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)出現(xiàn)顯著的IR損耗，該器件導(dǎo)通但顯示一個(gè)中間電阻。例如，分別響應(yīng)于7V和4V的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，開關(guān)的電阻是歐姆數(shù)量級(jí)的第一中間值和千歐姆數(shù)量級(jí)的第二較大值。這易于導(dǎo)致顯著的IR損耗。例如，在典型的操作條件下，當(dāng)器件電阻處于千歐姆范圍內(nèi)(例如驅(qū)動(dòng)在4V附近)時(shí)，大的電流電平(例如50A數(shù)量級(jí))流過(guò)該器件。這等于該周期內(nèi)顯著的IR損耗(例如2.5kW)。這在以較高的頻率接通和關(guān)斷開關(guān)器件時(shí)(例如在脈沖寬度調(diào)制操作中)變得尤其顯著。從IR損耗最小化來(lái)看，希望關(guān)斷周期最小化。然而，最小關(guān)斷周期易于通過(guò)FET的柵極電容來(lái)建立，并且對(duì)于高額定功率，低導(dǎo)通電阻器件可以近似于幾百(例如500)納秒。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，通過(guò)在開關(guān)關(guān)斷周期內(nèi)控制電源開關(guān)器件兩端的電壓和流過(guò)電源開關(guān)器件的電流的改變速度，使在電源開關(guān)關(guān)斷期間所產(chǎn)生的否則會(huì)作為熱量在電源開關(guān)中散發(fā)的能量最小化，轉(zhuǎn)換效率增加，且電磁發(fā)射(干擾)減少。最好通過(guò)將其前饋至負(fù)載或反饋至電壓源來(lái)捕獲能量和最終把它施加至負(fù)載。這可以通過(guò)在電源開關(guān)兩端放置電容器從而在關(guān)斷周期內(nèi)對(duì)其充電，限制開關(guān)兩端的電壓變化率，然后在下一連續(xù)關(guān)斷周期開始時(shí)將電容器無(wú)消耗地(最好用于到輸出的最終應(yīng)用)選擇性放電至基本全放電的狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)。關(guān)斷周期是有限持續(xù)時(shí)間(例如500ns)。因此，通過(guò)限制電壓的變化率，將在關(guān)斷周期期間在FET兩端形成的電壓限制到較低的預(yù)定電平。充分減少開關(guān)損耗具有三個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)更高的功率轉(zhuǎn)換效率；電源開關(guān)中的熱量散發(fā)減少(從而更高的可靠度)；和電磁干擾減少。
更具體來(lái)說(shuō)，電容器對(duì)抗電壓變化，僅逐漸充電。在一個(gè)時(shí)間周期(Δt)內(nèi)，電容器兩端的電壓變化(ΔV)與該時(shí)間周期內(nèi)的電容(C)和電流的平均值(i)相適應(yīng)，即ΔV＝[(ixΔt)/C]。因此，通過(guò)在FET的漏極和源極兩端設(shè)置一個(gè)合適的電容值，可以將在FET關(guān)斷周期內(nèi)FET的漏極和源極之間形成的電壓保持在低值。電容器的值越高，F(xiàn)ET在關(guān)斷周期內(nèi)的漏極和源極之間形成的電壓越低。(然而，電容最好不要大到不能在連續(xù)的關(guān)斷周期期間放電)通常，電容的值選擇成在關(guān)斷周期內(nèi)使形成的電壓小于預(yù)定值，小于20V為宜，并最好小于10V。在該實(shí)施例中，關(guān)斷周期內(nèi)形成的電壓限于10V。在關(guān)斷周期期間將FET的漏極和源極之間的電壓限制到預(yù)定值(Vds)的電容值(Cs)等于通過(guò)FET的平均電流(Iave)乘以關(guān)斷周期的持續(xù)時(shí)間(Toff)并除以預(yù)定電壓(Vds)，即Cs＝[(Iave×Toff)/Vds]。在較佳實(shí)施例中，該電容器的典型值的范圍在0.1微法拉至0.2微法拉。在FET完全關(guān)斷后，或在FET接通時(shí)的下一連續(xù)周期期間，由電容器捕獲的能量，即，關(guān)斷周期期間在電容器上形成的電荷被放電至一電感器，它無(wú)消耗地使電容器放電并最終將能量提供給輸出(前饋)或反饋至輸入電源以沒有直接散發(fā)地有效地循環(huán)能量。在較佳實(shí)施例中，電源電壓和FET開關(guān)時(shí)間導(dǎo)致在由約53μH的電感值分配的時(shí)間內(nèi)放電的電容器值。
再參見圖2C，在較佳實(shí)施例中，由開關(guān)損耗減少電路204實(shí)現(xiàn)對(duì)在關(guān)斷周期期間在電源開關(guān)器件222兩端的電壓和流過(guò)開關(guān)器件的電流的變化率的控制。電路204適宜包括二極管240、電容器242、電感器244和與合適的驅(qū)動(dòng)器電路247合作的開關(guān)器件246(例如FET)和二極管248。二極管240和電容器242連接在開關(guān)，器件222的兩端(例如對(duì)于FET開關(guān)，二極管240的陽(yáng)極與FET的漏極相連，而電容器242放置在二極管的陰極和FET源極之間)。開關(guān)器件246在電容器242兩端與電感器244串聯(lián)連接。設(shè)置二極管248以提供電感器244和輸出端+VO之間的定向電流通路。開關(guān)器件246適宜與電源開關(guān)222同步操作。當(dāng)開關(guān)246和222為on時(shí)，電容器242放電到電感器244中。當(dāng)開關(guān)246和222關(guān)斷時(shí)，基本上同時(shí)發(fā)生兩件事電容器242充電，如前所述控制開關(guān)222兩端的電壓，電感器244有效地轉(zhuǎn)換其極性，從而正向偏置二極管248并通過(guò)二極管248將電流傳送至端+VO。圖3K中示出開關(guān)損耗減少電路204的一個(gè)較佳實(shí)施例。
適宜與調(diào)整器400、DC-DC轉(zhuǎn)換器106和逆變器108一起采用類似的開關(guān)損耗減少電路。
調(diào)整器400如前所述，調(diào)整器400提供預(yù)定電平的恒壓(例如180V±2％)。參見圖4，調(diào)整器400最好是助推型調(diào)整器，包括一個(gè)或多個(gè)助推級(jí)404、控制電路412和最好一個(gè)開關(guān)能量損耗減少電路410(類似于整流器/限制器系統(tǒng)200中的電路204)。助推級(jí)404適宜包括輸入電容器420、電感器422、助推二極管424、電源開關(guān)426與相關(guān)聯(lián)的驅(qū)動(dòng)器電路428(響應(yīng)于來(lái)自控制電路412的控制信號(hào))和輸出存儲(chǔ)電容器432。在輸出端+VRO和-VRO(公共接地)兩端提供輸出。
來(lái)自整流器/限制器200的輸入DC電壓VO限于一個(gè)低于調(diào)整器400的輸出VRO處的希望的電壓(例如180V)的值(例如170V)。當(dāng)電源開關(guān)426接通(響應(yīng)于來(lái)自控制412的控制信號(hào)DRV)時(shí)，它通過(guò)電感器422構(gòu)成一電流通路，使電感器422通電。將助推二極管424反偏置。當(dāng)電源開關(guān)426關(guān)斷時(shí)，電感器422有效地反轉(zhuǎn)其極性，從而正向偏置二極管424。電感器422通過(guò)二極管424將電流傳送至電荷存儲(chǔ)電容器432。將電感器422兩端的電壓加至輸入電壓VO以產(chǎn)生輸出電壓VRO。
控制電路412通過(guò)檢測(cè)輸出電壓，將其與參考值相比較，并相應(yīng)地改變電源開關(guān)426的接通和關(guān)斷時(shí)間，即脈沖寬度調(diào)制對(duì)開關(guān)426的驅(qū)動(dòng)，來(lái)調(diào)整輸出電壓VRO。當(dāng)助推調(diào)整器400的輸入電壓(來(lái)自整流器/限制器200的VO)增加時(shí)，控制電路412減少電源開關(guān)426接通的時(shí)間量。當(dāng)來(lái)自整流器/限制器200的輸入電壓VO處于其最大限度(例如170V)時(shí)，電源開關(guān)保持關(guān)斷，且實(shí)際上所有功率流過(guò)二極管424。這引起特別高的功率通過(guò)效率；所產(chǎn)生的唯一熱量是由二極管424散發(fā)的。另外，助推調(diào)整器400固有地在短路時(shí)限制電流。
另外，通過(guò)包括開關(guān)損耗減少電路410(類似于整流器/限制器200中的電路204)來(lái)控制關(guān)斷周期內(nèi)開關(guān)器件426兩端的電壓和通過(guò)其的電流的變化速率，使在關(guān)斷電源開關(guān)的過(guò)程中所產(chǎn)生的否則會(huì)作為熱量散發(fā)的能量最少化，并最好重新捕獲并通過(guò)例如前饋至負(fù)載將其(最終)導(dǎo)向負(fù)載來(lái)增加轉(zhuǎn)換效率和減少電磁發(fā)射(干擾)。電路410適宜包括二極管450、電容器452、電感器454、與合適的驅(qū)動(dòng)器電路458合作的開關(guān)器件456(例如FET)和二極管460。二極管450和電容器452連接在開關(guān)器件426的兩端(例如，對(duì)于FET開關(guān)，二極管450的陽(yáng)極與FET的漏極相連，且電容器452放置在二極管的陰極和FET源極之間)。開關(guān)器件456與電感器454串聯(lián)連接在電容器452的兩端。設(shè)置二極管460以在電感器454和輸出端+VRO之間提供一條定向電流通路。開關(guān)器件456適宜與電源開關(guān)426相同步地工作。當(dāng)開關(guān)426和456接通時(shí)，電容器452放電到電感器454中。當(dāng)開關(guān)426和456關(guān)斷時(shí)，電容器452充電(如前結(jié)合電路204所述地控制開關(guān)426兩端的電壓)，且電感器454有效地反轉(zhuǎn)其極性，從而正向偏置二極管460和通過(guò)二極管460將電流傳送至端+VRO。
調(diào)整器400的較佳實(shí)施例適宜采用多個(gè)助推級(jí)404，每一級(jí)包括各自的電感器和開關(guān)對(duì)，每一對(duì)在互斥的基礎(chǔ)上周期性工作(例如50％占空比)。每對(duì)會(huì)具有與其相關(guān)聯(lián)的各自的二極管450和最好部分電容器452(用于形成電容器452的并聯(lián)元件)。圖5中示出調(diào)整器400的元件的較佳實(shí)施例圖5A中的助推級(jí)404(和開關(guān)損耗減少電路410的相關(guān)聯(lián)的元件)；圖5B中的開關(guān)損耗減少電路410(所有級(jí)共用的元件)；和圖5C中的控制電路412。
逆變器108可包括能從整流和調(diào)整系統(tǒng)102(例如調(diào)整器400)產(chǎn)生所希望的電壓和波形(例如120V RMS 50/60Hz AC)的AC輸出信號(hào)的任何電路。參見圖8，適宜的逆變器橋路包括第一“高端”(上)開關(guān)電路802(例如包括一個(gè)或多個(gè)FET)(+U)和與逆變器輸出的正半周期相關(guān)聯(lián)的關(guān)聯(lián)驅(qū)動(dòng)器電路804；第二“高端”(上)開關(guān)電路806(-U)和與逆變器輸出的負(fù)半周期相關(guān)聯(lián)的有關(guān)驅(qū)動(dòng)器電路808；第一“低端”(下)開關(guān)電路810(+L)和與逆變器輸出的正半周期相關(guān)聯(lián)的有關(guān)驅(qū)動(dòng)器電路812；第二“低端”(下)開關(guān)電路814(-L)和與逆變器輸出的負(fù)半周期相關(guān)聯(lián)的有關(guān)驅(qū)動(dòng)器電路816；通常包括電感器和電容器的合適的濾波器電路822；電流讀出電路824；和控制器826。在較佳實(shí)施例中，逆變器108還包括分別與低端開關(guān)電路810和814合作的各開關(guān)損耗減少電路818和820(類似于整流器/限制器200中的電路204)。與給定半周期相關(guān)聯(lián)的開關(guān)器件(802，810；806，814)在經(jīng)調(diào)整的DC軌道(即整流器和調(diào)整器系統(tǒng)102的輸出VRO)和公共接地之間與濾波器822串聯(lián)連接。高端開關(guān)(802，806)連接在正軌道+VRO和濾波器822之間，而低端開關(guān)(810，814)連接在輸出濾波器822和公共接地之間。AC輸出是從濾波器822的輸出。電流傳感器824提供指示AC電流的輸出信號(hào)I_SNS。控制器826提供控制信號(hào)到驅(qū)動(dòng)器804、808、812和814。
圖10中示出逆變器的元件的較佳實(shí)施例圖10A中的開關(guān)電路802和驅(qū)動(dòng)器電路804；圖10B中的開關(guān)電路806和驅(qū)動(dòng)器電路808；圖10C中的開關(guān)電路810和驅(qū)動(dòng)器電路812；圖10D中的開關(guān)電路814和驅(qū)動(dòng)器電路816；圖10E中的開關(guān)損耗減少電路818和820；圖10F中的濾波器電路822和電流讀出電路824；圖10G中的控制器826。
通常，AC信號(hào)通過(guò)在互斥的基礎(chǔ)上在與希望的頻率的半個(gè)周期(180°)相對(duì)應(yīng)的時(shí)間段(例如對(duì)于60Hz信號(hào)約為8.33ms)周期性地使第一對(duì)開關(guān)器件(例如與正半周期相關(guān)聯(lián)的開關(guān)802、810)導(dǎo)電，然后使第二對(duì)開關(guān)器件(例如與負(fù)半周期相關(guān)聯(lián)的開關(guān)806、814)導(dǎo)通而產(chǎn)生。這產(chǎn)生一個(gè)基本的方波波形，該波形由輸出濾波器822平滑；然而該波形常常只是粗略地近似正弦波。
一種波形成形為最好近似于正弦波的傳統(tǒng)的方法是脈沖寬度調(diào)制到“主”開關(guān)(與即時(shí)半周期相關(guān)聯(lián)的開關(guān)對(duì))的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。例如，參見圖9A，正弦波的周期850包括正半周期852(0-180°)和負(fù)半周期854(180-360°)。與各周期相對(duì)應(yīng)的時(shí)間周期實(shí)際上細(xì)分成預(yù)定數(shù)量的額定間隔(PWM幀)(例如圖9中的48，為了便于說(shuō)明，在較佳實(shí)施例中為1000個(gè)16.66μS持續(xù)時(shí)間的時(shí)間間隔)，最好包括各幀末尾的短暫空載時(shí)間。各PWM幀對(duì)應(yīng)于波形的預(yù)定角部分(分辨度)，例如圖9的示例中約7.5°(在較佳實(shí)施例中0.36°)。然后僅僅對(duì)于各(通常每一)時(shí)間增量的一部分，主開關(guān)接通(用于正半周期852的802(+U)、810(+L)，或用于負(fù)半周期854的806(-U)、814(-L))。
傳統(tǒng)上如圖9A中所示，上下主開關(guān)同時(shí)接通和關(guān)斷。在任一種情況下，占空比的范圍從小于1％到超過(guò)97％。
在單個(gè)時(shí)間間隔接通開關(guān)的期間，時(shí)間增量的百分比隨模擬所希望的正弦波形的希望的相應(yīng)波形即時(shí)相對(duì)振幅而變化。然而，通常主開關(guān)的占空比通常在與0°相對(duì)應(yīng)的時(shí)間周期內(nèi)處于最小值，以連續(xù)的增量逐漸增加直至在與90°相位相對(duì)應(yīng)的時(shí)間周期內(nèi)達(dá)到全占空比，然后減小(與第一個(gè)90°對(duì)稱)直至在180°達(dá)到最小。在7.5°增量(分辨度)的簡(jiǎn)化的例子中，在各種增量時(shí)間周期內(nèi)主開關(guān)的占空比的示例值，對(duì)于與0-7.5°的相位相對(duì)應(yīng)的時(shí)間周期可能是5％，對(duì)于與7.5-15°相位相對(duì)應(yīng)的時(shí)間周期可能是10％，對(duì)于與36.6°-44°的相位相對(duì)應(yīng)的時(shí)間周期可能是50％，對(duì)于與82.5°-90°和90°-97.5°的相位相對(duì)應(yīng)的時(shí)間周期可能是100％，對(duì)于與127.5°-135°的相位相對(duì)應(yīng)的時(shí)間周期可能是50％，而對(duì)于與172.5°-180°的相位相對(duì)應(yīng)的時(shí)間周期可能是5％。
如上所述，由濾波器822提供基波成形(例如平滑)。實(shí)際上，濾波器822的電感器和電容器在電流流過(guò)主開關(guān)時(shí)的周期內(nèi)存儲(chǔ)磁和電的能量。然而，如果電感器在下一脈沖前的介入空載時(shí)間(在該部分時(shí)間間隔內(nèi)主開關(guān)斷開)內(nèi)沒有完全放電，就會(huì)引起波形失真。這是因?yàn)闉V波器中任何剩余能量都將添加到由下一脈沖注入的能量里。這些能量的和不會(huì)產(chǎn)生預(yù)期的值。傳統(tǒng)上，為了對(duì)各時(shí)間間隔確保輸出濾波器822完全放電/復(fù)位，為脈沖之間至少一部分“空載時(shí)間”提供通過(guò)互補(bǔ)開關(guān)的放電路徑。傳統(tǒng)上，如圖8A中所示，上下互補(bǔ)開關(guān)(在正半周期內(nèi)-U，-L，而在負(fù)半周期內(nèi)+U，+L)同時(shí)接通和關(guān)斷以提供放電路徑。互補(bǔ)開關(guān)通常在與主開關(guān)的占空比成反比的周期接通。例如，當(dāng)主開關(guān)的占空比在一個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)處于最大值時(shí)，互補(bǔ)開關(guān)在與主開關(guān)的最小占空比相對(duì)應(yīng)的時(shí)間周期內(nèi)接通。
通常，半周期劃分成的增量時(shí)間周期的數(shù)量越大(即模擬的“分辨度”越高)，就越接近正弦波。然而，電源開關(guān)關(guān)斷的次數(shù)越多，則開關(guān)損耗及伴隨的熱量越大。減少該損耗的一種方法是對(duì)逆變器橋路604中的各開關(guān)采用各開關(guān)損耗減少電路(類似于電路204)。使用助推型調(diào)整器400促進(jìn)重新捕獲由這些電路收集的能量；可以將所收集的能量反饋至輸入源而不影響調(diào)整。如果電壓開始增加，助推調(diào)整器反饋控制電路就會(huì)補(bǔ)償。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，逆變器中的傳導(dǎo)和開關(guān)損耗也可以(或另選地)通過(guò)如圖9B中所示的下列方法來(lái)減少(a)在整個(gè)相應(yīng)的半周期內(nèi)維持主開關(guān)中的一個(gè)(最好是高端開關(guān))導(dǎo)通，且只脈沖寬度調(diào)制另一主開關(guān)；和/或(b)實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)脈沖寬度調(diào)制(i)只對(duì)半周期內(nèi)與維持接通的主開關(guān)相對(duì)應(yīng)的互補(bǔ)開關(guān)(例如高端互補(bǔ)開關(guān))。與傳統(tǒng)的技術(shù)相比，只調(diào)制主開關(guān)中的一個(gè)(例如下端開關(guān))，并在整個(gè)半周期維持另一主開關(guān)接通，實(shí)際上將主開關(guān)的發(fā)熱開關(guān)轉(zhuǎn)換的數(shù)量減少了一半。同樣，與傳統(tǒng)的技術(shù)相比，只通過(guò)互補(bǔ)開關(guān)中的一個(gè)(例如高端開關(guān))提供互補(bǔ)放電調(diào)制，實(shí)際上類似地將互補(bǔ)開關(guān)的發(fā)熱開關(guān)轉(zhuǎn)換的數(shù)量減少了一半。
另外，本發(fā)明已確定，預(yù)定電平以上的負(fù)載(例如在1KW-2KW的范圍內(nèi))不必提供脈沖之間的特定放電路徑來(lái)為濾波器822完全放電。因此，根據(jù)本發(fā)明的又一方面，可以通過(guò)只在低于閾值的功率電平實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)開關(guān)放電路徑調(diào)制來(lái)進(jìn)一步減少互補(bǔ)開關(guān)的開關(guān)轉(zhuǎn)換數(shù)量。在閾值以上的功率電平，互補(bǔ)開關(guān)在半周期的持續(xù)時(shí)間內(nèi)維持關(guān)斷。因此，不僅避免了開關(guān)轉(zhuǎn)換，還避免了在較負(fù)載下出現(xiàn)互補(bǔ)開關(guān)的轉(zhuǎn)換，從而開關(guān)損耗處于較低水平。
再參見圖8，從控制器826提供給關(guān)聯(lián)的驅(qū)動(dòng)器804、808、812和814的控制信號(hào)選擇性地使開關(guān)802、806、810和814導(dǎo)通。
在較佳實(shí)施例中，控制器826響應(yīng)于來(lái)自電流傳感器824的輸入信號(hào)I_SNS和Vout_I，產(chǎn)生控制信號(hào)，包括

參見圖10C，控制器826的較佳實(shí)施例適宜包括具有內(nèi)部PWM發(fā)生器模塊的微控制器1000、減法驅(qū)動(dòng)器1002傳統(tǒng)的半橋驅(qū)動(dòng)器電路(例如國(guó)際整流器IR2111半橋驅(qū)動(dòng)器1004)和各驅(qū)動(dòng)器電路。
如將討論的，微控制器1000產(chǎn)生在引腳27(RB6)的半周期信號(hào)(POS_HALF_DISABLE)，實(shí)際上是表示波形即時(shí)半周期的所希望頻率的反方波(例如在負(fù)半周期高，在正周期低)；在引腳12(RC1/OS1/CCP1)選擇性地在輸出負(fù)載低于預(yù)定電平(例如1KW)時(shí)與各PWM幀(例如16.66μS時(shí)間間隔)相對(duì)應(yīng)的脈沖流PWMC和在引腳13(RC2/CCP1)具有編程的占空比的PWM信號(hào)。
半周期信號(hào)(POS_HALF_DISABLE)用于形成高端啟動(dòng)信號(hào)(DLT和DUT)和低端停止信號(hào)(DLE和DUE)。半周期信號(hào)(POS_HALF_DISABLE)電平偏移(由晶體管Q14)并作為輸入提供給產(chǎn)生正半停止(DLE)和負(fù)半停止(DUE)信號(hào)的半橋驅(qū)動(dòng)器電路1004，所述信號(hào)最好包括轉(zhuǎn)換之間的短暫延遲，以應(yīng)用于低端驅(qū)動(dòng)器812和816(圖10A)時(shí)避免整流器200操作中的電位急變。正半停止(DLE)和負(fù)半停止(DUE)信號(hào)也由傳統(tǒng)的低端MOSFET驅(qū)動(dòng)器1006(Micrel MIC4424N Dual3A-Peak低端MOSFET驅(qū)動(dòng)器為宜)緩存，以對(duì)高端驅(qū)動(dòng)器804和806(圖10A)應(yīng)用獲取互補(bǔ)(啟動(dòng))信號(hào)DLT和DUT。
脈沖寬度調(diào)制信號(hào)PWM(引腳13)由傳統(tǒng)的低端MOSFET驅(qū)動(dòng)器1008緩存以對(duì)低端驅(qū)動(dòng)器812和816(圖10A)應(yīng)用生成PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWMB。
脈沖寬度調(diào)制信號(hào)PWM(引腳13)還和PWM幀信號(hào)PWMC(引腳12)一起提供給減法驅(qū)動(dòng)器1002。只有在輸出負(fù)載小于預(yù)定閾值時(shí)產(chǎn)生PWM幀信號(hào)PWMC。減法驅(qū)動(dòng)器1002實(shí)際上從該幀信號(hào)中減去PWM信號(hào)。因此，減法驅(qū)動(dòng)器1002在高負(fù)載周期內(nèi)當(dāng)不產(chǎn)生幀信號(hào)時(shí)被有效地停止，而在輸出負(fù)載小于預(yù)定閾值時(shí)產(chǎn)生互補(bǔ)PWM信號(hào)PWMD?；パa(bǔ)PWM信號(hào)PWMD被提供給驅(qū)動(dòng)器1006的兩個(gè)輸入，用作高端開關(guān)啟動(dòng)信號(hào)DLT和DUT的分量。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器1006的輸入借助于來(lái)自半橋驅(qū)動(dòng)器電路1004的輸出已處于高電平時(shí)，互補(bǔ)PWM信號(hào)PWMD無(wú)效。然而，當(dāng)輸出為低時(shí)，高端啟動(dòng)信號(hào)跟蹤互補(bǔ)PWM信號(hào)PWMD。
微控制器1000適宜包括微芯片PIC18242微控制器，它配置成包括
定時(shí)器0(TMR0)定時(shí)器0配置成由內(nèi)部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的8位計(jì)數(shù)器。在每次翻轉(zhuǎn)重新加載定時(shí)器值，以固定的時(shí)基(例如100mS)從定時(shí)器0創(chuàng)建的中斷事件。
PWM(1)是由周期寄存器PR2和由下列兩個(gè)硬件寄存器控制的占空比控制的基于硬件的脈沖寬度調(diào)制(PWM)模塊CCPR1L保存10位占空比的上8位，下2位保存在控制寄存器CCP1CON位5和4中。一旦控制寄存器已寫入且PWM模塊接通，該模塊基本上會(huì)以給定的周期(頻率)和占空比獨(dú)立地運(yùn)行。來(lái)自PWM模塊的中斷事件表示一個(gè)新的幀已開始，這意味著CCPR1L中的值被加載到模塊的內(nèi)部寄存器中。CCPR1L寄存器是實(shí)際內(nèi)部占空比寄存器的“鎖存器”，在周期翻轉(zhuǎn)的瞬間存儲(chǔ)內(nèi)部寄存器的內(nèi)容。如果鎖存器在當(dāng)前周期屆滿前沒有更新，就會(huì)重新使用鎖存器的當(dāng)前值。
表格指針用于訪問代碼空間數(shù)據(jù)的24位指針。此硬件指針用于讀取作為常數(shù)列表存儲(chǔ)在代碼空間中的占空比數(shù)據(jù)。該指針由下列三個(gè)寄存器組成TBLPTRU24位指針的“上”最高8位TBLPTRH24位指針的高8位TBLPTRL2位指針的最低8位基于指針的讀取按24位表格指針中保存的地址返回存儲(chǔ)在代碼空間(ROM)中的數(shù)據(jù)。
文件(RAM)指針用于訪問文件(RAM)數(shù)據(jù)空間的12位指針。此硬件指針用于清零RAM和將歷史存儲(chǔ)在模擬線程中。
模數(shù)逆變器此硬件模塊從所選擇的輸入通道讀取并存儲(chǔ)一個(gè)8位或10位結(jié)果。所選擇的通道由控制寄存器ADCONO位5、4和3控制。
3個(gè)輸入/輸出端口兩個(gè)8位端口(PORTB和PORTC)只用于數(shù)字，可以是6位端口(PORTA)數(shù)字或模擬或兩者的混合。端口中的各位可以配置成數(shù)字輸入或輸出。6位端口(PORTA)也可以配置成接收模擬輸入。
通常，對(duì)微控制器1000編程，以控制微控制器PWM模塊的占空比，從逆變器產(chǎn)生60KHz正弦波。建立16.66μS的時(shí)間間隔(PWM幀)。在幀的開始處，PWM信號(hào)(引腳13)對(duì)生效的占空比升高，其后它在余下的幀下降。用外部程序創(chuàng)建正弦形輸出來(lái)構(gòu)成占空比值的表格。該表格保存180度的數(shù)據(jù)。輸出控制位改變狀態(tài)且對(duì)第二個(gè)180度重復(fù)(倒序)該表格。監(jiān)控輸出電流以檢測(cè)閾值以下的負(fù)載條件，在該條件下生成PWM幀信號(hào)PWMC以產(chǎn)生互補(bǔ)PWM信號(hào)PWMD。在占空比專用的10位數(shù)據(jù)以外，適宜嵌入波形成形on/off標(biāo)記，允許逐幀控制波形成形。
圖11A-Q中提供了由控制器826執(zhí)行的程序的流程圖。通常，程序由正常初始化、啟動(dòng)和“主循環(huán)”程序組成。在主循環(huán)中，進(jìn)行下列三個(gè)調(diào)用GetNextDuty檢查表示已重新開始占空比的標(biāo)記。如果設(shè)置了，則執(zhí)行使來(lái)自表格的下一占空比為要使用的硬件寄存器作好準(zhǔn)備所需的步驟。如前所述，如果沒有在PWM幀屆滿前完成此功能，將重新使用老的占空比。因此，給予此功能最高優(yōu)先權(quán)，一旦觸發(fā)，則執(zhí)行它而不考慮系統(tǒng)中的任何其它任務(wù)。
GetAnalogInputs獲取模擬輸入(Vout_I，I_SNS)，將各結(jié)果存儲(chǔ)在緩沖器中并計(jì)算各緩沖器的平均值。此例程適宜給予低優(yōu)先權(quán)并構(gòu)成“線程”。在完成時(shí)，設(shè)置一個(gè)表示已讀取、緩存模擬通道并計(jì)算了各緩沖器的平均值的標(biāo)記。
PowerMonitor監(jiān)控來(lái)自逆變器的負(fù)載電流。此功能檢查負(fù)載電流并確定為下一半周期使用哪個(gè)表格[？]。輸出負(fù)載閾值不為單個(gè)值為宜；可以包括少量滯后，以在負(fù)載電流保持非常靠近閾值時(shí)濾除抖動(dòng)。此功能由表示已讀取、緩存模擬通道并計(jì)算了各緩沖器的平均值的標(biāo)記觸發(fā)。
另外，采用下列幾個(gè)“支持”功能InitCpuRam初始化控制寄存器和清零所有使用過(guò)的RAMInitSpecialVals建立此程序?qū)Ｓ玫淖兞炕蚣拇嫫鱃etTable從占空比表讀取并輸出嵌入的標(biāo)記。此例程還檢測(cè)表格的結(jié)尾。如果檢測(cè)到表格的結(jié)尾，則重新加載TBLPTR并設(shè)置標(biāo)記以表示該條件。
WritePWMReg將來(lái)自表格的占空比寫入硬件寄存器。
WriteHistory由模擬線程用于將模擬結(jié)果存儲(chǔ)在模擬歷史陣列中的合適位置。
CalcADHistAvg由模擬線程用于計(jì)算用于單個(gè)通道的模擬歷史陣列一部分的平均值。
DC-DC轉(zhuǎn)換器106如前所述，DC-DC轉(zhuǎn)換器106從整流和調(diào)整系統(tǒng)102(例如調(diào)整器400)的較高電壓輸出(例如180V)獲取所希望電平的輸出電壓V1(例如12、24或42VDC)。DC-DC轉(zhuǎn)換器106可以用任何適合的拓樸實(shí)現(xiàn)，例如開關(guān)模式中的半橋、全橋、推挽式、回掃、正向逆變器或后推式逆變器。利用全橋脈沖寬度調(diào)制的降壓拓樸實(shí)現(xiàn)DC-DC逆變器106的較佳實(shí)施例。參見圖6，該種DC-DC轉(zhuǎn)換器106適宜包括濾波器電容器602；響應(yīng)于傳統(tǒng)的脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制器606(例如LinFinity SG1842電流模式控制器)的傳統(tǒng)的電源開關(guān)604(例如FET)的逆變器H橋路；傳統(tǒng)的降壓變壓器610；傳統(tǒng)的二極管橋路整流器612和存儲(chǔ)電容器614。通常，由逆變器604將較高電平的(例如180V)DC輸入信號(hào)(來(lái)自調(diào)整器400的VRO)轉(zhuǎn)換成脈沖寬度調(diào)制信號(hào)。變壓器610將PWM信號(hào)的電壓降壓至預(yù)定電平。然后整流器612將該信號(hào)整流成DC，并為存儲(chǔ)電容器614充電?？刂破?06根據(jù)輸出V1控制PWM信號(hào)的占空比，從而將該輸出信號(hào)調(diào)整至希望值。最好為逆變器橋路604中的開關(guān)提供相應(yīng)的開關(guān)損耗減少電路608(類似于電路204)。
圖7中示出DC-DC轉(zhuǎn)換器106的元件的較佳實(shí)施例圖7A中的電源開關(guān)604(無(wú)能量返回)和部分變壓器610；圖7B中的控制器606；圖7C中的整流器612、部分變壓610和存儲(chǔ)電容器614；圖7D示出的適于與開關(guān)損耗減少電路608合作的電源開關(guān)604的另一種的結(jié)構(gòu)；及圖7E中的開關(guān)損耗減少電路608。
雖然結(jié)合各種示例實(shí)施例描述了本發(fā)明，但本發(fā)明不限于所示的特定形式，旨在可以不偏離本發(fā)明的精神創(chuàng)造出本發(fā)明的其它實(shí)施例。如下列權(quán)利要求所表達(dá)的，可以對(duì)元件、材料、值、結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)與安排的其它方面進(jìn)行改變。
權(quán)利要求
1.一種響應(yīng)于較高最大電平變化電壓的交流輸入信號(hào)用于生成具有預(yù)定輸出電壓的經(jīng)調(diào)整的DC輸出信號(hào)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括整流器，用于從輸入信號(hào)產(chǎn)生具有預(yù)定初始最大電壓的整流的DC信號(hào)，所述初始最大電壓是相對(duì)于所述預(yù)定輸出電壓的高電壓；調(diào)整器，用于從整流的DC信號(hào)產(chǎn)生處于預(yù)定中間電壓的經(jīng)調(diào)整的DC信號(hào)，所述預(yù)定中間電壓是相對(duì)于所述預(yù)定輸出電壓的高電壓；和至少一個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器，用于從經(jīng)調(diào)整的更高的電壓DC信號(hào)產(chǎn)生具有所述預(yù)定輸出電壓的經(jīng)調(diào)整的DC輸出信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述初始最大電壓小于所述中間電壓，且所述調(diào)整器包括助推電路。
3.如權(quán)利要求0所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述DC-DC轉(zhuǎn)換器包括至少一個(gè)易受關(guān)斷損耗的開關(guān)元件，還包括設(shè)置用來(lái)限制在關(guān)斷期間開關(guān)元件兩端的電壓的變化率的電容器，和用于選擇性地將電容器放電至助推電路的輸出的電路，從而所述電容器在下一連續(xù)關(guān)斷周期開始時(shí)基本上完全放電。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述整流器包括至少一個(gè)易受關(guān)斷損耗的開關(guān)元件，還包括設(shè)置用來(lái)限制在關(guān)斷期間開關(guān)元件兩端的電壓的變化率的電容器、和用于選擇性地將電容器放電至整流器的輸出的電路，從而所述電容器在下一連續(xù)關(guān)斷周期開始時(shí)基本上完全放電。
5.如權(quán)利要求0所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述用于選擇性地將電容器放電的電路包括電感器、第二開關(guān)器件和二極管，所述第二開關(guān)器件與電感器串聯(lián)連接在電容器的兩端，設(shè)置的所述二極管在所述電感器和所述整流器的輸出之間提供一條定向電流通路。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述整流器和調(diào)整器中的至少一個(gè)包括至少一個(gè)易受關(guān)斷損耗的電源開關(guān)元件，還包括第一和第二二極管、電容器、電感器和開關(guān)器件，所述第一二極管和電容器連接在所述電源開關(guān)元件的兩端，所述開關(guān)器件與所述電感器串聯(lián)連接在所述電容器的兩端，設(shè)置的所述第二二極管在所述電感器和預(yù)定放電點(diǎn)之間提供一條定向電流通路。
7.如權(quán)利要求0所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述電源開關(guān)在所述整流器中，所述預(yù)定放電點(diǎn)是所述整流器的輸出。
8.如權(quán)利要求0所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述預(yù)定放電點(diǎn)是所述調(diào)整器的輸出。
9.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述整流器包括一個(gè)多模式電路，它根據(jù)輸入信號(hào)的瞬時(shí)電壓交替地以全波整流或半波整流模式工作，并且，在半周期模式中時(shí)，根據(jù)經(jīng)整流的DC信號(hào)的電壓交替地以全占空比或脈沖寬度調(diào)制模式工作。
10.如權(quán)利要求0所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述多模式電路當(dāng)所述輸入信號(hào)電壓達(dá)到所述初始最大電壓時(shí)從全波整流切換至半波整流；和當(dāng)所述輸入信號(hào)電壓降到低于預(yù)定低閾值時(shí)，從半波整流切換至全波整流，所述預(yù)定低閾值比所述初始最大電壓小預(yù)定的差值；且當(dāng)所述經(jīng)整流的DC信號(hào)的電壓否則會(huì)超過(guò)所述初始最大電壓時(shí)，從半波整流模式切換到脈沖寬度調(diào)制模式。
11.如權(quán)利要求0所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述多模式電路在全波整流產(chǎn)生超過(guò)所述初始最大電壓的輸出電平，而半波整流不提供至少等于所述預(yù)定低閾值的輸出電平的情況下在全波和半波整流之間調(diào)諧。
12.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述整流器包括整流器橋路，用于響應(yīng)于施加于其的控制信號(hào)，選擇性地實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的全波整流；與所述整流器橋路合作的半橋轉(zhuǎn)換電路，用于響應(yīng)于施加于其的控制信號(hào)，選擇地實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的半波整流；脈沖寬度調(diào)制器，用于響應(yīng)于所述輸出信號(hào)電壓的標(biāo)記，選擇性地控制所述半波整流的信號(hào)的占空比，和控制電路，用于響應(yīng)于所述輸入信號(hào)的標(biāo)記，對(duì)整流器橋路和半橋轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生所述控制信號(hào)。
13.如權(quán)利要求0所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制電路產(chǎn)生控制信號(hào)給整流器橋路和半橋轉(zhuǎn)換電路，以在所述輸入信號(hào)電壓達(dá)到所述初始最大電壓時(shí)從全波整流切換至半波整流，并在所述輸入信號(hào)電壓降到比所述初始最大電壓低預(yù)定量時(shí)從半波整流切換至全波整流。
14.一種用于從變化電壓的交流輸入信號(hào)產(chǎn)生具有預(yù)定輸出電壓的經(jīng)調(diào)整的DC輸出信號(hào)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括多模式整流器電路和助推調(diào)整器；所述多模式整流器電路從輸入信號(hào)產(chǎn)生具有小于預(yù)定輸出電壓的預(yù)定最大閾電壓的經(jīng)整流的DC信號(hào)，所述多模式整流器電路在全波整流或半波整流模式中交替工作，且當(dāng)在半波整流中時(shí)，交替以全占空比或脈沖寬度調(diào)制模式工作，當(dāng)輸入信號(hào)電壓超過(guò)所述最大閾電壓時(shí)，從全波整流切換至半波整流，當(dāng)輸入信號(hào)電壓降到預(yù)定低閾電壓以下時(shí)，從半波整流切換到全波整流，所述預(yù)定低閾值比所述最大閾電壓小預(yù)定差值，和當(dāng)在半波整流模式中時(shí)，當(dāng)經(jīng)整流的DC信號(hào)否則會(huì)超過(guò)所述最大閾電壓時(shí)，切換到脈沖寬度調(diào)制模式；助推調(diào)整器，用于從經(jīng)整流的DC信號(hào)產(chǎn)生處于所述預(yù)定輸出電壓的經(jīng)調(diào)整的DC信號(hào)。
15.如權(quán)利要求0所述的系統(tǒng)，其特征在于，在全波整流產(chǎn)生超過(guò)所述最大閾電壓的輸出電平而半波整流不提供至少等于所述預(yù)定低閾值的輸出電平的情況下，所述多模式電路不全波和半波整流之間調(diào)諧。
16.如權(quán)利要求0所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述整流器電路包括整流器橋路，用于響應(yīng)于施加于其上的控制信號(hào)，選擇性地實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的全波整流；與所述整流器橋路合作的半橋轉(zhuǎn)換電路，用于響應(yīng)于施加于其上的控制信號(hào)，選擇性地實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的半波整流；脈沖寬度調(diào)制器，用于響應(yīng)于所述輸出信號(hào)電壓的標(biāo)記，選擇性地控制所述半波整流的信號(hào)的占空比，和控制電路，用于響應(yīng)于所述輸入信號(hào)的標(biāo)記，對(duì)所述整流器橋路和半橋轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生所述控制信號(hào)。
17.如權(quán)利要求0所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述整流器和調(diào)整器中的至少一個(gè)包括至少一個(gè)易受關(guān)斷損耗的開關(guān)元件，且還包括設(shè)置用于限制在關(guān)斷期間所述開關(guān)元件兩端的電壓的變化率的電容器，和用于選擇性地將所述電容器放電至預(yù)定放電點(diǎn)的電路，從而所述電容器在開關(guān)元件在下一連續(xù)的關(guān)斷開始時(shí)基本上完全放電。
18.如權(quán)利要求0所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述整流器和調(diào)整器中的至少一個(gè)包括至少一個(gè)易受關(guān)斷損耗的電源開關(guān)元件，且還包括第一和第二二極管、電容器、電感器和開關(guān)器件，所述第一二極管和電容器連接在所述電源開關(guān)元件的兩端，所述開關(guān)器件與所述電感器串聯(lián)連接在所述電容器的兩端，且與所述電源開關(guān)元件相同步地工作，且設(shè)置的所述第二二極管在所述電感器和預(yù)定放電點(diǎn)之間提供一條定向電流通路。
19.如權(quán)利要求0所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述電源開關(guān)在所述整流器中，所述預(yù)定放電點(diǎn)是所述整流器的輸出。
20.如權(quán)利要求0所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括一個(gè)響應(yīng)于所述經(jīng)調(diào)整的DC輸出信號(hào)用于產(chǎn)生具有預(yù)定頻率和波形的AC輸出信號(hào)的逆變器。
21.如權(quán)利要求0所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述逆變器包括至少一個(gè)易受關(guān)斷損耗的開關(guān)元件，還包括設(shè)置用來(lái)限制關(guān)斷期間所述開關(guān)元件兩端的電壓的變化率的電容器，和用于選擇性地將所述電容器放電至預(yù)定放電點(diǎn)的電路，從而所述電容器在開關(guān)元件下一連續(xù)關(guān)斷開始時(shí)基本上全部放電。
22.如權(quán)利要求0所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述預(yù)定放電點(diǎn)是所述助推調(diào)整器的輸出。
23.如權(quán)利要求0所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述逆變器包括濾波器電路，用于向外負(fù)載提供正弦交流輸出信號(hào)；第一對(duì)開關(guān)，它與具有第一極性的AC輸出信號(hào)的半周期相關(guān)聯(lián)，被連接成選擇性地以與所述第一極性相對(duì)應(yīng)的方向建立通過(guò)濾波器的電流；第二對(duì)開關(guān)，它與具有第二極性的AC輸出信號(hào)的半周期相關(guān)聯(lián)，被連接成選擇性地以與所述第二極性相對(duì)應(yīng)的方向建立通過(guò)濾波器的電流；每一對(duì)包括第一和第二開關(guān)器件，所述開關(guān)響應(yīng)于施加于其上的控制信號(hào)；控制器，用于對(duì)開關(guān)產(chǎn)生控制信號(hào)，以在與AC輸出信號(hào)的連續(xù)半周期相對(duì)應(yīng)的連續(xù)時(shí)間周期內(nèi)循環(huán)地使與基本上整個(gè)該時(shí)間周期的相對(duì)應(yīng)的半周期的極性相關(guān)聯(lián)的開關(guān)對(duì)的第一開關(guān)導(dǎo)通；并且根據(jù)與預(yù)定波形相對(duì)應(yīng)的預(yù)定脈沖寬度調(diào)制方式，選擇性地使與相應(yīng)的半周期極性相關(guān)聯(lián)的開關(guān)對(duì)的第二開關(guān)導(dǎo)通。
24.如權(quán)利要求0所述的系統(tǒng)，其特征在于，至少一個(gè)開關(guān)包括易受關(guān)斷損耗的開關(guān)元件，且還包括設(shè)置用來(lái)限制在關(guān)斷期間開關(guān)元件兩端的電壓的變化率的電容器，和用于選擇性地將電容器放電至預(yù)定放電點(diǎn)的電路，從而所述電容器在所述開關(guān)元件下一連續(xù)關(guān)斷開始時(shí)基本上全部放電。
25.如權(quán)利要求0所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第二開關(guān)包括至少一個(gè)易受關(guān)斷損耗的電源開關(guān)元件，還包括第一和第二二極管、電容器、電感器和開關(guān)器件，所述第一二極管和電容器連接在所述電源開關(guān)元件的兩端，所述開關(guān)器件與所述電感器串聯(lián)連接在所述電容器的兩端，且與所述電源開關(guān)元件相同步地工作，而設(shè)置的所述第二二極管在所述電感器和預(yù)定放電點(diǎn)之間提供定向電流通路。
26.如權(quán)利要求0所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述預(yù)定放電點(diǎn)是所述助推調(diào)整器的輸出。
27.如權(quán)利要求0所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器包括一個(gè)用于產(chǎn)生到逆變器上的負(fù)載的標(biāo)記的傳感器電路，并在連續(xù)時(shí)間周期期間對(duì)與相對(duì)應(yīng)的半周期極性相反的極性相關(guān)聯(lián)的開關(guān)對(duì)的第一開關(guān)產(chǎn)生控制信號(hào)，以在負(fù)載低于預(yù)定值時(shí)，以與相對(duì)應(yīng)的半周期極性相關(guān)聯(lián)的開關(guān)對(duì)的第二開關(guān)互斥為基礎(chǔ)使該開關(guān)導(dǎo)通，和當(dāng)負(fù)載在閾值以上時(shí)，在基本上整個(gè)該時(shí)間周期使該開關(guān)不導(dǎo)通。
28.如權(quán)利要求0所述的系統(tǒng)，其特征在于，將所述經(jīng)調(diào)整的DC輸出信號(hào)提供給在正和公共軌道上的逆變器，且所述開關(guān)對(duì)的第一開關(guān)連接在正軌道和濾波器之間，而所述開關(guān)對(duì)的第二開關(guān)連接在所述濾波器和公共軌道之間。
29.如權(quán)利要求0所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第二開關(guān)包括至少一個(gè)易受關(guān)斷損耗的電源開關(guān)元件，還包括第一和第二二極管、電容器、電感器、和開關(guān)器件，所述第一二極管和電容器連接在所述電源開關(guān)元件的兩端，所述開關(guān)器件與所述電感器串聯(lián)連接在所述電容器的兩端，且與所述電源開關(guān)元件相同步地工作，而設(shè)置的所述第二二極管在所述電感器和預(yù)定放電點(diǎn)之間提供定向電流通路。
30.如權(quán)利要求0所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述預(yù)定放電點(diǎn)是正軌道。
31.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，適用于汽車車輛中，所述系統(tǒng)還包括用于產(chǎn)生交流輸入信號(hào)的永磁交流發(fā)電機(jī)。
32.一種包括交流發(fā)電機(jī)和用于產(chǎn)生具有預(yù)定輸出電壓的經(jīng)調(diào)整的DC輸出信號(hào)的電路的類型的車輛電系統(tǒng)，其中所述交流發(fā)電機(jī)在RPM的廣范圍內(nèi)受驅(qū)動(dòng)，且所述系統(tǒng)受到廣范圍的外部負(fù)載，其改時(shí)的特征在于所述交流發(fā)電機(jī)包括永磁交流發(fā)電機(jī)；和所述用于產(chǎn)生經(jīng)調(diào)整的DC輸出信號(hào)的電路包括整流器，用于從輸入信號(hào)產(chǎn)生具有預(yù)定初始最大電壓的整流的DC信號(hào)，所述初始最大電壓是相對(duì)于所述預(yù)定輸出電壓的高電壓；調(diào)整器，用于從所述經(jīng)整流的DC信號(hào)產(chǎn)生處于預(yù)定中間電壓的經(jīng)調(diào)整的DC信號(hào)，所述預(yù)定中間電壓是相對(duì)于所述預(yù)定輸出電壓的高電壓；和至少一個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器，用于從所述經(jīng)調(diào)整的更高的電壓DC信號(hào)產(chǎn)生具有所述預(yù)定輸出電壓的經(jīng)調(diào)整的DC輸出信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明是一種其中控制永磁交流發(fā)電機(jī)和提供較準(zhǔn)確的電壓調(diào)整的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)可包括下列中的一個(gè)或多個(gè)(1)用于整流和調(diào)整交流發(fā)電機(jī)的輸出電壓的整流系統(tǒng)，(2)對(duì)助推型調(diào)整器用作電源的整流器/限制器，(3)多模式整流器/限制器，(4)DC－AC逆變器橋路，和(5)用于系統(tǒng)中使則會(huì)在電源開關(guān)中作為熱散發(fā)的開關(guān)能量最小化的電源開關(guān)。
文檔編號(hào)H02H7/06GK101015114SQ200480020404
公開日2007年8月8日 申請(qǐng)日期2004年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月2日
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