專利名稱：功率轉(zhuǎn)換設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種功率轉(zhuǎn)換設(shè)備和一種功率轉(zhuǎn)換方法，更具體地，涉及一種包含整流器的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備和一種功率轉(zhuǎn)換方法。
背景技術(shù)：
集成到空調(diào)設(shè)備的電源電路中的變流器等通常用作單相全波整流電路。變流器需要改進(jìn)功率因子和抑制諧波產(chǎn)生。如圖1所示，配置用于空調(diào)設(shè)備等的變流器的基本電路，使其具有與AC電源101相連的全波整流電路(整流橋電路)102和例如DC電動機(jī)的負(fù)載103。對于這種基本電路，為了提高功率因子(感性AC阻抗)，添加了平滑電容器104和電感器105。如日本未審專利申請(JP-A-平成10-174442第一傳統(tǒng)示例)中所述，這種變流器“盡管期望輸入電流導(dǎo)電角度的擴(kuò)展效應(yīng)，由于基波的較大相位延遲，難以獲得顯著的功率因子提高效應(yīng)”，并且因為功率因子較低(例如1.75到0.8)，不可能滿足變流器的要求。
如在第一傳統(tǒng)示例中所示，在電源端子之間安裝了升壓電路的變流器是公知的。如圖2所示，在具有升壓電路的變流器中，對于升壓電路100，將升壓電容器107和108添加到整流電路102。升壓電路中的中間節(jié)點109通過連接線111與被提供AC電源的整流電路的AC電源輸入節(jié)點之一相連。在連接線111中引入雙向開關(guān)110。這種傳統(tǒng)技術(shù)具有提高功率因子和可以獲得更高的諧波抑制的優(yōu)點。然而，第一傳統(tǒng)示例中的技術(shù)不可避免地要使用雙向開關(guān)來連接升壓電路和全波整流電路。在這種技術(shù)中，開關(guān)頻率與電源頻率的范圍相同(近似電源頻率的一倍到幾倍)，是極其低的，與PWM控制不同。結(jié)果，第一傳統(tǒng)示例中的技術(shù)有效地克服了電磁干擾的問題。因此，可以實現(xiàn)設(shè)備的小型化和輕量。
可以如圖3所示具體實現(xiàn)第一傳統(tǒng)示例中的技術(shù)。為了實現(xiàn)雙向開關(guān)，特定技術(shù)需要由四個二極管和開關(guān)元件的集合組成的電流方向指定電路106，來控制電解電容器107和108(例如1500W下為1000uF)的連接。因此，需要很多部分，并且因為使用了升壓電路，因此放電電壓會很高，所以這些部分必須具有較高的擊穿電壓。結(jié)果，增加了生產(chǎn)成本。此外，由于不可避免地要通過兩個二極管和開關(guān)元件，主要電流會有較大損耗。此外，仍然存在較高的諧波問題和功率因子問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種功率轉(zhuǎn)換設(shè)備和一種的功率轉(zhuǎn)換方法，用于進(jìn)一步提高功率因子。
在本發(fā)明的一個方案中，一種功率轉(zhuǎn)換設(shè)備包括整流電路，具有一對AC電源輸入端子和一對整流電壓輸出端子；電感器；以及充電和放電電路，連接在整流電壓輸出端子之間。充電和放電電路包括第一電容器，與一個整流電壓輸出端子和一個AC電源輸入端子相連；以及第二電容器，與另一個整流電壓輸出端子和所述一個AC電源輸入端子相連。電感器以及第一電容器和第二電容器產(chǎn)生諧振電流，并且在給第一電容器充電的同時，第二電容器放電到零電壓。
這里，在額定操作下從第一電容器和第二電容器之一流向一個AC輸入端子的最大電流值實質(zhì)上與額定輸入電流的最大值相同。
此外，優(yōu)選地，確定第一電容器和第二電容器的電容和電感器的電感，以使諧振頻率在提供給AC電源輸入端子的AC電源頻率的3倍到5倍的范圍內(nèi)。
當(dāng)將額定阻抗確定為通過額定電壓除以額定功率的平方而獲得的值時，優(yōu)選地，由電容除以電感而獲得的值的平方根在額定阻抗的0.7倍到1.2倍的范圍內(nèi)。
此外，優(yōu)選地，確定第一電容器和第二電容器的電容和電感器的電感，以使諧振頻率在提供給AC電源輸入端子的AC電源頻率的3倍到5倍的范圍內(nèi)。
此外，當(dāng)將額定阻抗確定為通過額定電壓除以額定功率平方而獲得的值時，優(yōu)選地，電容除以電感而獲得的值的平方根在額定阻抗的0.7倍到1.2倍的范圍內(nèi)。
此外，在本發(fā)明的另一個方案中，一種功率轉(zhuǎn)換設(shè)備包括整流電路，具有一對AC電源輸入端子和一對整流電壓輸出端子；電感器；以及充電和放電電路，連接在整流電壓輸出端子之間。充電和放電電路包括第一充電和放電電路，與一個整流電壓輸出端子和一個AC電源輸入端子相連；以及第二充電和放電電路，與另一個整流電壓輸出端子和所述一個AC電源輸入端子相連。第一充電和放電電路包括第一二極管和與第一二極管串聯(lián)的第一電容器。第二充電和放電電路包括第二二極管和與第二二極管串聯(lián)的第二電容器。充電和放電電路還包括與串聯(lián)連接的第一和第二二極管并聯(lián)的開關(guān)部分，并且電感器與第一電容器和第二電容器產(chǎn)生諧振電流。
這里，開關(guān)部分包括分別與所述第一和第二二極管并聯(lián)的兩個開關(guān)。
此外，開關(guān)部分包括開關(guān)元件。或者，每一個開關(guān)包括開關(guān)元件。
此外，在額定操作下從第一電容器和第二電容器之一流向一個AC輸入端子的最大電流值實質(zhì)上與額定輸入電流的最大值相同。
此外，優(yōu)選地，確定第一電容器和第二電容器的電容和電感器的電感，以使諧振頻率在提供給AC電源輸入端子的AC電源頻率的3倍到5倍的范圍內(nèi)。
此外，當(dāng)將額定阻抗確定為由額定電壓除以額定功率平方而獲得的值時，優(yōu)選地，由電容除以電感而獲得的值的平方根在額定阻抗的0.7倍到1.2倍的范圍內(nèi)。
此外，確定第一電容器和第二電容器的電容和電感器的電感，以使諧振頻率在提供給AC電源輸入端子的AC電源頻率的3倍到5倍的范圍內(nèi)。
此外，當(dāng)將額定阻抗確定為由額定電壓除以額定功率平方而獲得的值時，優(yōu)選地，由電容除以電感而獲得的值的平方根在額定阻抗的0.7倍到1.2倍的范圍內(nèi)。
此外，功率轉(zhuǎn)換設(shè)備還包括驅(qū)動電路，驅(qū)動電路包括設(shè)置在開關(guān)元件的柵極和控制電路之間的并聯(lián)電路。并聯(lián)電路包括具有較高電阻的電阻器電路；以及串聯(lián)電路，與電阻器電路并聯(lián)，并且包括具有較低電阻的電阻器以及與電阻器相連以便在對柵極充電時隔斷柵極電流的二極管。
此外，開關(guān)元件在其柵極處通過電阻器和二極管，接收來自功率轉(zhuǎn)換設(shè)備的控制電源的電壓。
此外，第一和第二電容器在AC電源的一個周期內(nèi)放電一次到零電壓。
功率轉(zhuǎn)換設(shè)備還包括設(shè)置在公共節(jié)點和第一電容器之間以及設(shè)置在公共節(jié)點和第二電容器之間的機(jī)械開關(guān)。
在本發(fā)明的另一個方案中，一種功率轉(zhuǎn)換設(shè)備包括整流電路，具有一對AC電源輸入端子和一對整流電壓輸出端子；電感器；以及充電和放電電路，連接在整流電壓輸出端子之間。充電和放電電路包括第一充電和放電電路，與一個整流電壓輸出端子和一個AC電源輸入端子相連；以及第二充電和放電電路，與另一個整流電壓輸出端子和所述一個AC電源輸入端子相連。第一充電和放電電路包括第一開關(guān)和與第一開關(guān)串聯(lián)的第一電容器。第二充電和放電電路包括第二開關(guān)和與第二開關(guān)串聯(lián)的第二電容器，并且電感器與第一電容器和第二電容器產(chǎn)生諧振電流。
此外，優(yōu)選地，確定第一電容器和第二電容器的電容和電感器的電感，以使諧振頻率在提供給AC電源輸入端子的AC電源頻率的3倍到5倍的范圍內(nèi)。
在本發(fā)明的另一個方案中，通過以下操作實現(xiàn)一種實現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換方法將整流電路與AC電源相連；對第一充電和放電部分進(jìn)行充電，第一充電和放電部分連接在第一輸出端子和整流電路的兩個AC電源輸入端子中的一個之間，第一輸出端子作為整流電路的兩個第一輸出端子中的一個；與充電同步地，從第二充電和放電部分放電，第二充電和放電部分連接在第二輸出端子和所述一個AC電源輸入端子之間，第二輸出端子作為整流電阻的兩個第一輸出端子的另一個；在對第一充電和放電部分進(jìn)行充電的半個周期之后，對第二充電和放電部分進(jìn)行充電；與對第二充電和放電部分進(jìn)行充電同步地，對第一充電和放電部分進(jìn)行放電；在額定操作期間，繼續(xù)使所述第一充電和放電部分的端子與所述AC電源輸入端子一側(cè)相連，并且所述第二充電和放電部分的端子與所述AC電源輸入端子的一側(cè)相連；并且在低負(fù)載操作期間，間歇地打開連接在所述AC電源輸入端子一側(cè)上的所述第一充電和放電部分的端子以及連接在所述AC電源輸入端子一側(cè)上所述第二充電和放電部分的端子。
這里，第一充電和放電部分和第二充電和放電部分分別具有電容器?？梢詫㈦姼衅髟O(shè)置在AC電源輸入端子和整流電路之間或者整流電路和第一充電和放電部分之間。在額定操作條件下，從第一電容器和第二電容器之一流向一個AC輸入端子的最大電流值實質(zhì)上與額定輸入電流的最大值相同。
此外，優(yōu)選地，確定第一電容器和第二電容器的電容和電感器的電感，以使諧振頻率在提供給AC電源輸入端子的AC電源頻率的3倍到5倍的范圍內(nèi)。
此外，第一充電和放電部分和第二充電和放電部分分別具有電容器。可以將電感器設(shè)置在AC電源輸入端子和整流電路之間或者整流電路和第一充電和放電部分之間。第一和第二電容器之一的充電周期和另一個電容器的放電周期彼此同步。優(yōu)選地，在充電之后電容器放電到零電壓。
在這種情況下，優(yōu)選地，確定第一電容器和第二電容器的電容和電感器的電感，以使諧振頻率在提供給AC電源輸入端子的AC電源頻率的3倍到5倍的范圍內(nèi)。


圖1是示出了作為第一傳統(tǒng)示例的整流電路的電路圖；圖2是示出了作為第二傳統(tǒng)示例的功率轉(zhuǎn)換器設(shè)備的電路圖；圖3是示出了作為第三傳統(tǒng)示例的功率轉(zhuǎn)換器器設(shè)備的電路圖；圖4是示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的功率轉(zhuǎn)換器設(shè)備原理的電路圖；圖5是示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的功率轉(zhuǎn)換器設(shè)備的電路圖；圖6是示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例在額定操作模式下的功率轉(zhuǎn)換器設(shè)備的操作的電路圖；圖7是示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例在額定操作模式下的功率轉(zhuǎn)換器設(shè)備的操作的電路圖；圖8A到8E是示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例在額定操作模式下的功率轉(zhuǎn)換器設(shè)備的各個部分中的電流和電壓波形的圖；圖9A到9E是示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例在較低負(fù)載操作模式下的功率轉(zhuǎn)換器設(shè)備的各個部分中的電流和電壓波形的圖；圖10是用于解釋功率因子的圖；圖11是示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的功率轉(zhuǎn)換器設(shè)備的電路圖；圖12是示出了根據(jù)本發(fā)明第三實施例的功率轉(zhuǎn)換器設(shè)備的電路圖；圖13是示出了根據(jù)本發(fā)明第四實施例的功率轉(zhuǎn)換器設(shè)備的電路圖；圖14是示出了本發(fā)明的功率轉(zhuǎn)換器設(shè)備中的諧波和傳統(tǒng)技術(shù)中的諧波的比較圖；圖15是示出了本發(fā)明的功率轉(zhuǎn)換器設(shè)備中的功率因子和傳統(tǒng)技術(shù)中的功率因子的比較圖；圖16是示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的功率轉(zhuǎn)換器設(shè)備的等效電路的電路圖；圖17是模擬根據(jù)本發(fā)明第一實施例的功率轉(zhuǎn)換器設(shè)備的操作的電路圖；圖18A到18E是示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例在功率轉(zhuǎn)換器設(shè)備的第一特定時刻的各個部分的波形圖；圖19A到19E是示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例在功率轉(zhuǎn)換器設(shè)備的第二特定時刻的各個部分的波形圖；圖20A到20E是示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例在功率轉(zhuǎn)換器設(shè)備的第三特定時刻的各個部分的波形圖；圖21是示出了諧振頻率與電源頻率的比和根據(jù)本發(fā)明第一實施例的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備的模擬結(jié)果中的功率因子之間的關(guān)系的圖；
圖22是示出了(L/C)1/2與額定阻抗的比和根據(jù)本發(fā)明第一實施例的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備的模擬結(jié)果中的功率因子之間的關(guān)系的圖；圖23是示出了根據(jù)本發(fā)明第五實施例的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備的一部分電路的圖；圖24是示出了根據(jù)本發(fā)明第六實施例的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備的一部分電路的圖；以及圖25是示出了根據(jù)本發(fā)明第六實施例的修改的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備的一部分電路的圖。
具體實施例方式
下文中，將結(jié)合附圖，詳細(xì)地說明根據(jù)本發(fā)明的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備。
圖4是示出了包含功率轉(zhuǎn)換電路10的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備原理的圖。如圖4所示，功率轉(zhuǎn)換電路10被設(shè)置在Ac電源1和例如電動機(jī)和反相器的負(fù)載2之間。功率轉(zhuǎn)換電路10配備了由二極管D1到D4組成的全波整流電路3和充電和放電電路11。二極管D3和D1之間的全波整流電路3的節(jié)點Z1通過電感器7與AC電源1的一個端子相連。二極管D4和D2之間的節(jié)點22直接與AC電源1的另一個端子相連。二極管D1和D2之間的節(jié)點作為正輸出線8，而二極管D3和D4之間的節(jié)點作為負(fù)輸出線9。平滑電容器4連接在正輸出線8和負(fù)輸出線9之間。盡管未示出，電感器7可以被設(shè)置在全波整流電路3與充電和放電電路11之間。整流電路3的輸出通過正輸出線8被提供給負(fù)載2。功率轉(zhuǎn)換電路10還配備了連接在正輸出線8和負(fù)輸出線9之間的平滑電容器4。
在功率轉(zhuǎn)換電路10中，添加充電和放電電路11而不是傳統(tǒng)示例中的升壓電路，作為功率因子提高電路。在充電和放電電路11中，作為第一充電和放電電路的電容器12和作為第二充電和放電電路部分的電容器13串聯(lián)。電容器12和電容器13之間的中間節(jié)點Z被稱作關(guān)于充電和放電電路的“公共節(jié)點”，并且通過導(dǎo)電短路線21直接與節(jié)點Z2相連。從公共節(jié)點Z流向正輸出線8的電流方向被稱為第一極性50，并且從公共節(jié)點Z流向負(fù)輸出電路9的電流方向成為第二極性60。
圖5是示出了實現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換電路的原理時功率轉(zhuǎn)換設(shè)備的示例的電路圖。在該示例中，充電和放電電路11配備了電容器12、13、二極管14和15、以及連接線19。電容器12與正輸出線8相連。二極管14的陰極通過節(jié)點P與電容器12相連，并且二極管14的陽極與公共節(jié)點Z相連。二極管15的陰極與公共節(jié)點Z相連，并且二極管15的陽極與節(jié)點Q相連。電容器13連接在節(jié)點Q和負(fù)輸出線9之間。連接線19連接在節(jié)點P和Q之間。公共節(jié)點Z通過公共線21與節(jié)點Z2相連。因為按照短路方式實現(xiàn)了連接線21，基本上最好在DC和AC情況下公共線21都沒有阻抗分量。流經(jīng)二極管14的電流具有在一個方向上從公共節(jié)點Z流向電容器12的電流方向性(極性)。流經(jīng)二極管15的電路具有在一個方向上從電容器13流向公共節(jié)點Z的電流方向性。根據(jù)電路常數(shù)的選擇，二極管14和15不是必要的。然而，有時難以選擇電路部分，例如具有理想電路常數(shù)的電容器和電感器。此外，在每一個電路部分中存在公差。因此，通常難以通過使用商業(yè)可用的電路部分來配置穩(wěn)定的功率轉(zhuǎn)換電路。在這種情況下，通過添加二極管14和15，可能容易地建立在一個方向上的電流方向性并能夠容易地配置具有較高功率因子的功率轉(zhuǎn)換電路，而不需要考慮電路部分的電路常數(shù)。
公共線21的特點是電流方向指定電路106(圖3中由多個二極管(四個和多個)形成的雙向開關(guān)電路)和開關(guān)元件(一個和多個)是不必要的。然而，本發(fā)明不完全排除這些電路。可以考慮作為示例，將該開關(guān)電路補充插入到公共線21中，用于恰當(dāng)?shù)剡x擇電路常數(shù)并用于提高功率因子。然而，在本發(fā)明中，充分實現(xiàn)了功率因子的提高，而不需要向公共線21提供任意電路。
如圖5所示，充電和放電電路11包括連接線19。連接線19將二極管14和電容器12之間的節(jié)點P和二極管15和電容器13之間的節(jié)點Q雙向相連(后面所述的實施例中是沿一個方向)。將操作模式控制開關(guān)16(例如IGBT(絕源柵雙極性晶體管))插入到連接線19中。操作模式控制開關(guān)16的一個端子與電容器12和二極管14之間的節(jié)點P相連。操作模式控制開關(guān)16的另一個端子與電容器13和二極管15之間的節(jié)點Q相連。由驅(qū)動電路20(例如IGBT驅(qū)動電路)來驅(qū)動操作模式控制開關(guān)16。開關(guān)信號產(chǎn)生器17與驅(qū)動電路20相連。從端子18將AC電源1的周期電信號提供給開關(guān)信號產(chǎn)生器17。將二極管14和二極管15之間的電壓表示為公共節(jié)點Z的電壓。公共節(jié)點Z總是按照短路方式通過公共線21與節(jié)點Z2雙向相連。如后面所述，節(jié)點P通過操作模式控制開關(guān)16和二極管15與節(jié)點Z2單側(cè)(one-sidedly)相連。節(jié)點Z2通過二極管14和操作模式控制開關(guān)16與節(jié)點Z1單側(cè)相連。在第一操作模式(后面將提到的額定操作)中節(jié)點P與節(jié)點Q單側(cè)短路。另一方面，在第二操作模式(后面將提到的低負(fù)載操作)中節(jié)點Q總是或者周期地從節(jié)點P斷開。對于操作模式控制開關(guān)16，除了上述IGBT之外，還可以使用例如雙極性晶體管、FET和MOSFET的各種元件。
為了便于解釋，圖6和7是示出了圖5所示的功率轉(zhuǎn)換電路在第一操作模式下的等效電路的電路圖。響應(yīng)操作模式控制開關(guān)16的斷開和接通操作，本發(fā)明的功率轉(zhuǎn)換電路10在第一操作模式(額定操作模式)和第二操作模式(低負(fù)載操作模式)之間切換。
第一操作模式的第一個半周期圖6示出了額定操作的第一個半周期的電路配置(瞬時相位θ＝2nπωt到(2n+1)πωt，ω＝2πf，f是AC電源頻率＝充電和放電頻率，t是時間)。如圖6中虛線所示，在操作模式控制開關(guān)16閉合的功率轉(zhuǎn)換電路的閉合狀態(tài)中，來自電源1的電流依次流經(jīng)路徑電感器7-節(jié)點Z1-二極管D1-電容器12-節(jié)點P-操作模式控制開關(guān)16-節(jié)點Q-二極管15-公共節(jié)點Z-公共線21-節(jié)點Z2。包含在這個充電路徑中的電容器12被充電到與電源電壓的峰值Vm相對應(yīng)的電壓Vm’，如等式Vm’＝Vm所示。優(yōu)選地，指定包括電容器常數(shù)的多個常數(shù)(表示交替諧振的微分方程的參數(shù)，例如AC電源周期、電感器7的常數(shù)、負(fù)載量等)。在這個充電周期內(nèi)，由流經(jīng)正輸出線8的電流和流經(jīng)負(fù)載2的驅(qū)動電流對平滑電容器4進(jìn)行充電。同時，如虛線所示，電流從平滑電容器4放電到電容器13。結(jié)果，放電電流流出電容器13。放電電流依次通過電容器13、二極管15、公共節(jié)點Z、公共線21以及節(jié)點Z2返回到AC電源1。充電電流和放電電流與電感器7彼此作用產(chǎn)生諧振。通過公共線21和正輸出線8將這些電流提供到負(fù)載2充電電流通過正輸出線8被提供給負(fù)載2。后面將提到，這種充電和放電操作近似將功率因子提高到1。
第一操作模式的第二個半周期圖7示出了在額定操作的第二個半周期中的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備的電路配置(瞬時相位θ＝(2n+1)πωt到(2n+2)πωt)。如圖7虛線所示，在操作模式控制開關(guān)16閉合的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備的閉合狀態(tài)中，從AC電源1輸出的電流依次經(jīng)過節(jié)點Z2、公共線21、公共節(jié)點Z、二極管14、節(jié)點P、操作模式控制開關(guān)16、節(jié)點Q、電容器13、整流電路3的二極管D3和節(jié)點Z1，回到AC電源1。包含在這個充電路徑中的電容器13被充電到與電源電壓峰值Vm相對應(yīng)的電壓Vm”，如等式Vm’＝Vm所示。在優(yōu)選實施例中，指定與額定操作模式的第一個半周期中所述的電路常數(shù)相同的電路常數(shù)。在該充電周期內(nèi)，驅(qū)動電流從平滑電容器4經(jīng)過正輸出線8流向負(fù)載2。此外，同時，如虛線所示，電流經(jīng)過二極管14和節(jié)點P流入電容器12。結(jié)果，電容器12進(jìn)行充電且放電電流流入平滑電容器4和負(fù)載2。因此，平滑電容器4被充電。然后，放電電流經(jīng)過整流電路3的二極管D3和節(jié)點Z1返回到AC電源1。如上所述，這種充電和放電操作具有諧振特性，并近似將功率因子提高到1。
用于執(zhí)行這種交替充電和放電操作的開關(guān)未在圖4中作為單獨元件示出。充電和放電控制開關(guān)表現(xiàn)為與整流電路、充電和放電電路和電源電路有關(guān)的元件組合。具體地，主要部分是圖5中的第一電容器12、第二電容器13、電感器7和公共線21。此外，也組合二極管14和15與二極管24。
第二操作模式的全周期第二操作模式是傳統(tǒng)操作模式，其中在低負(fù)載下打開操作模式控制開關(guān)，充電和放電電路11不工作，整流電路3執(zhí)行全波整流。后面將提到操作模式控制開關(guān)16的打開和閉合控制。
在本發(fā)明的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備中，在額定操作模式中，操作模式控制開關(guān)16總是閉合，并且在低負(fù)載操作模式中總是打開的。操作模式控制開關(guān)16是單向開關(guān)，用于在額定操作模式和低負(fù)載操作模式之間切換模式。為了在低負(fù)載操作模式中平滑流入負(fù)載2的電流，將整流裝置(例如二極管24)插入到電容器12下游側(cè)的正輸出線8。在低負(fù)載操作模式中平滑流入負(fù)載2的電流的裝置不局限于二極管24的附加提供。設(shè)計電路中多個電路元件的電路常數(shù)、或者在電路中將電感器設(shè)置在適當(dāng)位置也是適宜的。
圖8A到8E示出了第一操作模式中的各個部分的波形。圖8A到8E中的水平軸分別表示時間。圖8A示出了要輸入到整流電路3中的輸入電壓Vin(例如正弦波)。圖8B示出了要輸入到整流電路3中的輸入電流Iin。每一個半周期，輸入電流Iin流經(jīng)零電流點。圖8C示出了電容器12兩端的電壓VC1和電容器13兩端的電壓VC2。電壓VC1的充電周期和電壓VC2的放電周期幾乎完全同步，并且電壓VC1的放電周期和電壓VC2的充電周期幾乎完全同步。即，如圖8C所示，電容器12和13完全放電到零電壓，并且在放電期間電流繼續(xù)流動。圖8D示出了流經(jīng)節(jié)點Z2和公共節(jié)點Z之間的公共線21的公共線電流I。公共線電流I(經(jīng)過公共線21的公共線電流)在反向電容器12或電容器13的充電和放電的時間期間流動。即，在電容器12的充電和電容器13的放電中，公共線電流I2從公共節(jié)點Z流向節(jié)點Z2，并且在電容器12的放電和電容器13的充電中，公共線電流I1從節(jié)點Z2流向公共節(jié)點Z。流經(jīng)操作模式控制開關(guān)16的開關(guān)電流Is的方向是一個方向。圖8E示出了施加到負(fù)載2上的輸出DC電壓(平滑電容器4兩端的電壓)、以及作為操作模式控制開關(guān)16兩端電壓的開關(guān)電壓23。在額定操作模式中操作模式控制開關(guān)總是閉合的。
圖9A到9E示出了第二模式的操作波形，其中如下面將提到的，通過打開操作模式控制開關(guān)16，獲得了功率因子的提高。圖9A所示的輸入電壓Vin與圖8A所示的相同，并且圖9B所示的輸入電流Iin不與圖8B所示的相同。因此，提高了功率因子。如圖9C所示，電容器12兩端的電壓VC1和電容器13兩端的電壓VC2分別在每一個半周期變化。因此，電容器12和13重復(fù)充電和放電操作。通過圖9E所示的操作模式控制開關(guān)16的開/關(guān)控制，如圖9D所示，公共線電流I1’和I2’流經(jīng)公共線21。通過公共線電流I1’和I2’，在低負(fù)載操作時可以提高功率因子。
圖10示出了提高功率因子中的波形關(guān)系。波形關(guān)系示出了本發(fā)明中提供給整流電路的輸入電壓Vin(圖8A)和輸入電流Iin(圖8B)的相位關(guān)系或交疊關(guān)系。功率P表示為電壓V和電流I的乘積。瞬時功率P表示為下面的等式P＝VI將AC電源的一個周期T(＝2π/ω)期間的平均功率P表示為下面的等式，作為積分的平均值。
P＝V′*I′*cosΨ這里，V’和I’是有效值。在本發(fā)明中，輸入電流Iin是每一個半周期從電容器12或電容器13放電的放電電流。因此，電壓Vin和電流Iin在每一個半周期內(nèi)彼此同步，并且輸入電壓Vin和輸入電流Iin之間的相位差Ψ通常為零。因此，功率因子cosΨ近似為1。通過充電和放電電流，電感器7的存在消除了輸入電壓Vin和輸入電流Iin之間的相位差Ψ增加的AC延遲問題，并且相位差Ψ接近零。充電操作和放電操作的周期性切換通過抑制輸出電壓的增長解決了電磁干擾和功率因子提高的問題。即使不增加輸出電壓，通過提高功率因子，也可能實現(xiàn)輸出功率的減少，結(jié)果，可以有效地解決功率因子問題和較高的諧波問題。
操作模式控制開關(guān)16、二極管14和15以及公共線21的組合形成了半周期交替整流充電和放電電路，用于補充地增加每一個半周期內(nèi)通過電容器12和13之一的放電操作從正輸出線8流向負(fù)載2的電流，并且消除了由升壓電路產(chǎn)生雙倍電壓的必要。在這種充電和放電電路中，不要求操作模式控制開關(guān)16的方向性。單向性就足夠了，實質(zhì)上并不需要雙向性。然而，操作模式控制開關(guān)16不一定必須要具有雙向性。因此，各種技術(shù)可用于操作模式控制開關(guān)16。
圖11示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的充電和放電電路。在第二實施例中，由單向開關(guān)元件16a-1和16a-2的串聯(lián)形成了設(shè)置在電容器12和電容器13之間的操作模式控制開關(guān)16。開關(guān)元件16a-1和16a-2分別與二極管14和15并聯(lián)。開關(guān)元件16a-1和16a-2之間的節(jié)點以及二極管14和15之間的公共節(jié)點Z與公共線21相連。如上所述，例如雙極性晶體管、IGBT、FET和MOSFET的各種開關(guān)元件可以用作單向開關(guān)元件16a-1或16a-2。在第二實施例中開關(guān)元件的數(shù)目是2，比第一實施例中的開關(guān)元件數(shù)目更大。然而，二極管的數(shù)目是2，與第一實施例中相同。
圖12示出了根據(jù)本發(fā)明第三實施例的充電和放電電路。在第三實施例中，將單向或雙向開關(guān)16b-1設(shè)置在正輸出線8和電容器12之間。此外，將單向或雙向開關(guān)16b-2設(shè)置在電容器13和負(fù)輸出線9之間。第三實施例與圖11的第二實施例的元件數(shù)目相同。
圖13示出了根據(jù)本發(fā)明第四實施例的充電和放電電路。在第四實施例中，將單向或雙向開關(guān)16c-1設(shè)置在電容器12和公共節(jié)點Z之間。此外，將單向或雙向開關(guān)16c-2設(shè)置在公共節(jié)點Z和電容器13之間。第四實施例與圖11和12的實施例的元件數(shù)目相同。在第四實施例中，可以使用上述各種開關(guān)元件。
在半周期交替整流充電和放電電路的上述實施例中，切換周期(放電交替周期)與AC電源1同步(相對應(yīng))。
圖14示出了本發(fā)明和傳統(tǒng)技術(shù)之間的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備的高次諧波比較。圖14中的水平軸和垂直軸分別表示高次諧波的頻率和幅度。在每一個波形中，III示出了圖1中傳統(tǒng)技術(shù)的高次諧波的波形；II示出了圖2的傳統(tǒng)技術(shù)的高次諧波的波形；以及I示出了圖4中本發(fā)明的高次諧波的波形。零階高次諧波(基波)示出為I0、II0和III0。對于討論三次諧波和五次諧波，本發(fā)明的三次和五次諧波I3和I5比傳統(tǒng)技術(shù)的三次和五次諧波II3、II5、III3和III5有顯著的減少。由于諧振電流于電源周期同步，電源電流近似于正弦形狀，抑制了諧波的產(chǎn)生。
圖15示出了本發(fā)明和傳統(tǒng)技術(shù)之間的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備的功率因子的比較。圖15的水平軸和垂直軸分別表示時間(單位ms)和功率因子。對于每一個功率因子線，III示出了在圖1的傳統(tǒng)技術(shù)中的功率因子的變化；II示出了在圖2的傳統(tǒng)技術(shù)中的功率因子的變化；以及I示出了在圖4的本發(fā)明中的功率因子的變化。如圖14和15所示，本發(fā)明主要解決或改善了功率因子問題。因此，本發(fā)明解決或改善了高次諧波問題，并且本發(fā)明的兩個問題的全面解決度比傳統(tǒng)技術(shù)要高。結(jié)果，最終可以顯著地使功率轉(zhuǎn)換設(shè)備小型化。
圖16示出了上述功率轉(zhuǎn)換電路的等效電路。整流電路3具有在四個二極管之間的四個連接節(jié)點。四個連接節(jié)點設(shè)置為第一AC電源輸入節(jié)點Z1、第二AC電源輸入節(jié)點Z2、整流電壓正輸出節(jié)點8和整流電壓負(fù)輸出節(jié)點9。通過提供電路常數(shù)，圖16的表示與圖4的表示拓?fù)湎嗤虻刃А５谝浑娙萜?2與三個連接節(jié)點組{Z，X，Y}之中的連接節(jié)點組{Z，X}相連，并且第二電容器13與連接節(jié)點組{Z，Y}相連。如圖4所示，設(shè)置兩個公共線21作為實際上的單一公共線。在本發(fā)明中所使用的開關(guān)具有選擇性地和交替地激活包括第一電容器12的充電和放電電路51以及包括第二電容器13的充電和放電電路52的切換功能。形成這種開關(guān)，以便能夠組合短路連接線和公共線21來產(chǎn)生諧振，短路連接線具有AC電源1；全波整流電路3；電感器7；充電和放電電路51和52；以及操作模式控制開關(guān)16。通過實質(zhì)上在打開狀態(tài)中由操作模式控制開關(guān)16使交替充電和放電電路失效(圖9D和9E中電源因子提高的控制是左邊)，功率轉(zhuǎn)換設(shè)備從額定操作模式切換到低負(fù)載操作模式。與整流電路3準(zhǔn)平行(quasi-parallel)的充電和放電電路51和52的組合電路與AC電源1相連并與AC周期一致地交替重復(fù)充電和放電操作。然而，組合電路不配置為倍壓電路。
包含在該充電和放電電路中的電容器12和電容器13的電路常數(shù)(電容)被抑制到遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)技術(shù)中的電容器的電容(近似1/10)。作為配置這種電路常數(shù)的結(jié)果，本發(fā)明中完全或幾乎完全不出現(xiàn)倍壓電路。兩個電容器電壓的峰值近似等于AC電源1的峰值輸出電壓Vm。因此，減輕了電路中所有元件的高耐壓性，可以實現(xiàn)小型化和輕量。在充電和放電電路中的公共節(jié)點Z和電容器12之間的電路部分中，給定極性為電流從公共節(jié)點Z流向電容器12。在充電和放電電路中的公共節(jié)點Z和電容器13之間的電路部分中，給定極性為電流從電容器13流向公共節(jié)點Z。
如上所述，還可以通過使圖8B所示的輸入電流Iin與AC周期相對應(yīng)地或同步地具有適當(dāng)?shù)碾娐烦?shù)，而不是圖8E所示的額定操作模式中的恒定DC電壓，進(jìn)一步提高功率因子。對于功率因子提高，設(shè)計第一電容器12和第二電容器13使其具有低于傳統(tǒng)電容的電容是重要的。為了通過放電來確保諧振放電同時抑制電壓上升，適當(dāng)?shù)剡x擇電容器、電感器、開關(guān)元件、電阻和二極管的電路常數(shù)是重要的。
在本發(fā)明的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備中，盡管原理上公共線21是短路的，也不禁止添加用于控制電流的間歇開關(guān)。由間歇開關(guān)與AC電源相對應(yīng)地和尤其是同步地執(zhí)行開/關(guān)控制。原理上，在額定操作模式中開關(guān)元件是導(dǎo)通的，并且在低負(fù)載操作中是斷開的。然而，為了選擇電路常數(shù)或者為了穩(wěn)定的低電壓諧振，不禁止開關(guān)元件16持續(xù)地或間歇地在半周期的一部分中在連接線19中操作。平滑電容器4與正輸出線8和負(fù)輸出線9之間的充電和放電電路11并聯(lián)，并且可以放置在圖4的功率轉(zhuǎn)換電路10的之外的板上。在整個設(shè)備(例如空調(diào)設(shè)備)的裝配、調(diào)整或修理時替換單元是很方便的。因為在第一電容器12與負(fù)載2之間的正輸出線8中添加二極管24對于減少電路常數(shù)值同時確保諧振并且確保防止回流是有效的。此外，有效地抑制了三次和五次諧波同時，抑制了自激。
添加操作模式控制開關(guān)16。將操作模式控制開關(guān)16插入到連接線19中。操作模式控制開關(guān)16有效地用于切換額定操作的第一操作模式和低負(fù)載操作的第二操作模式。第一操作模式是在其中與AC電源1同步地交替切換第一充電和放電電路和第二充電和放電電路的充電和放電操作的操作。第二操作模式是不同于第一操作模式并且在其中整流電路3執(zhí)行整流的操作。在第一操作模式中的半個周期內(nèi)控制操作模式控制開關(guān)16的打開和閉合的優(yōu)點如上所述。操作模式控制開關(guān)16用于在半周期內(nèi)操作模式的切換和控制打開和閉合。對于該開關(guān)，可以使用單向開關(guān)或雙向開關(guān)，并且IGBT尤其適合。更具體地，優(yōu)選地，在第一操作模式中，與Ac電源的AC周期(具體地是半周期)同步地執(zhí)行節(jié)點P和節(jié)點Q之間的間歇切換控制。另一方面，優(yōu)選地，在第二操作模式中執(zhí)行節(jié)點P和節(jié)點Q的打開控制，而與AC電源1的AC周期無關(guān)。
在本發(fā)明的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備中，第一充電和放電電路具有第一極性，其中電流沿一個方向從公共節(jié)點Z流向第一電容器12，并且第二充電和放電電路具有第二極性，其中電流沿一個方向從第二電容器13流向公共節(jié)點Z。該極性簡化了電路配置。通過添加二極管14和15，進(jìn)一步簡化了該電路配置。
在圖4到7的電路表示中，如本發(fā)明的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備的優(yōu)選實施例所示，單相AC電源1通過電感器7與全波整流電路3相連；平滑電容器4連接在全波整流電路3的正和負(fù)輸出線8和9之間；并且第一電容器12和第二電容器13連接在全波整流電路3的正和負(fù)輸出線8和9之間。第一電容器12的一側(cè)與全波整流電路3的正輸出線8相連，并且第一電容器12的另一側(cè)與第一二極管14的陰極相連。第一二極管14的陽極和第二二極管15的陰極相連。第二二極管15的陽極和第二電容器的一側(cè)相連，并且第二電容器13的另一側(cè)與全波整流電路3的負(fù)輸出線相連。IGBT16連接在第一二極管14的陰極和第二二極管15的陽極之間，作為操作模式控制開關(guān)?？刂茊卧?0根據(jù)負(fù)載控制開關(guān)16。
例如，作為圖5的電路的特定示例，當(dāng)電路配置為200V的電源電壓、1.5kW地負(fù)載以及16mH地電感器時，優(yōu)選地，第一電容器12和第二電容器13具有相同的電容。為了通過交替諧振來交替地充電和放電操作，優(yōu)選地，第一電容器12和第二電容器13的電容等于或低于100uF，近似低于上述的1000uF(在1.5kW下)一位數(shù)字，優(yōu)選地，等于或小于50uF并等于或大于20uF。如果將電容增加到100uF到500uF的范圍，會導(dǎo)致產(chǎn)生從平滑電容器4到第一電容器12的回流中的電流。添加二極管24來避免上述回流。如果產(chǎn)生了回流，在低負(fù)載操作模式中難以確定地獲得圖9C所示的山形波形。在本發(fā)明中，與電源的一個周期相對應(yīng)地執(zhí)行一次交替地充電和放電操作，第一電容器12和第二電容器13必定完全放電到零電壓，如圖8C所示，并且電流繼續(xù)流動，使功率因子接近1，即使當(dāng)兩個電容器地電容相對較高時(100uF到500uF)。
執(zhí)行根據(jù)圖5中所示的本發(fā)明第一實施例的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備的操作。在該模擬中，沒有在圖5中恰當(dāng)?shù)卦O(shè)置二極管24。因為在導(dǎo)通狀態(tài)(閉合狀態(tài))中使用開關(guān)元件16，第一或第二電容器12或13的電壓和平滑電容器4的電壓是相同的。因此，不會存在任意短路電流。因此，二極管24不是必需的。
通過使用圖17所示的測量電路來執(zhí)行模擬。將輸入電感器7設(shè)置為特定值，即16mH。因此，執(zhí)行了三次模擬而同時與電感器7相對應(yīng)地改變第一電容器12和第二電容器13的電容，并且測量每一部分的電壓和電流。在第一操作模式(額定操作模式)中執(zhí)行該模擬。
這里，額定操作模式是可以處理額定負(fù)載情況的操作模式。因此，在開關(guān)元件16的開狀態(tài)中執(zhí)行模擬，即，連接線19實質(zhì)上短路。需要注意到，在額定操作模式中，負(fù)載不必總是額定負(fù)載(100％)，可以是額定負(fù)載的60％或80％。
AC電源1的頻率是典型商用周期之一的50Hz。額定電壓是200V，額定輸出是1500W，并且將負(fù)載電容器的電容設(shè)置為常用的4700uF。第一和第二電容器12和13的電容彼此相等，因為相等的或近似的電容是優(yōu)選的。在實際情況中，因為有時難以選擇具有嚴(yán)格相等電容的電容器，優(yōu)選地，選擇具有相同額定電容的電容器。在此，如果即使電容器名稱不同，實際電容值也相同，可以使用該電容器。盡管商業(yè)可用的鋁電解電容器或薄膜電容器具有+或-10％的偏差，該偏差是允許的。因此，具有相同名稱的電容器可用于多種情況中。
需要注意到，第一電容器12與圖2和3中的電容器107等效，并且第二電容器13與圖2和3中的電容器108等效。
模擬結(jié)果和考慮如下。為了本結(jié)果的一般性，使用諧振頻率f0作為對于電容器的電容和電感器7的電感的評價標(biāo)準(zhǔn)。在此，當(dāng)?shù)谝换虻诙娙萜?2的電容是C并且電感器7的電感是L時，從公知等式f0＝1/2π(LC)1/2確定諧振頻率。
圖18A到18E是第一時間內(nèi)的模擬結(jié)果，并示出了當(dāng)電容器12和13的電容是75uF、諧振頻率f0是AC電源1的三倍時的每一部分中的電壓和電流波形。在此，圖18A的輸入電壓是來自AC電源的輸入電壓并且有電壓計測量為Vin。輸入電流Iin是流經(jīng)電感器7的電流。補償電流Idc_a是流經(jīng)電容器12的電流。DC電流Idc是在平滑電容器4(下文中稱為“主要電容器”)的前部測量的DC電流。
在輸入電壓為正的第一個半周期內(nèi)，輸入電流Iin成為Iin＝Idc_a+Idc。此外，在輸入電壓為負(fù)的第二個半周期內(nèi)，輸入電流成為Iin＝Idc_a-Idc。圖18B在一個圖中示出了這些電流。圖18C只示出了輸入電流Iin。圖18D所示的補償電流Idc_b是流經(jīng)公共線21的電流。該電流等于電容器12和13中的充電電流和放電電流之和，并示出了補償電流Idc_a的兩倍。圖18E單獨示出了DC電流Idc。此外，圖的電路中的功率因子是0.83。
圖19是第二模擬結(jié)果，并示出了當(dāng)電容器12和13的電容是40uF、上述諧振頻率f0大約是AC電源1的頻率的4倍時，在每一部分中的電壓和電流波形。在這種情況下，功率因子是0.96。
此外，圖20是第三模擬結(jié)果，并示出了當(dāng)電容器12和13的電容是13uF、上述諧振頻率f0大約是AC電源1的頻率的7倍時，在每一部分中的電壓和電流波形。在這種情況下，功率因子是0.89。
從上述三個模擬結(jié)果中，可以獲得結(jié)果當(dāng)諧振頻率f0是AC電源1的頻率的4倍時功率因子是最大的。下面，將說明一般的功率因子特征。
通常，由下面的等式給出負(fù)載中的有效電功率P(ω)。該等式表示通過將施加到負(fù)載2的瞬時AC電壓V和流經(jīng)負(fù)載2的瞬時AC電流I的乘積在一個周期內(nèi)的積分值的平均，獲得有效電功率。
第一p(ω)=(1/2π)∫02πv*idωt---(1)]]>此外，由下面的等式給出負(fù)載2中的表觀功率S(ω)。
第二S(ω)=((1/2π)∫02πv2dωt×(1/2π)∫02πi2dωt)1/2---(2)]]>第一術(shù)語表觀功率S(ω)表示負(fù)載電壓的有效值，并且第二術(shù)語表示負(fù)載電流的有效值。給定功率因子(PF)為PF＝P/S。
因此，為了提高功率因子，應(yīng)該使有效電功率P較大。為此，首先需要使負(fù)載電壓和負(fù)載電流之間的相位差Ψ較小。接下來，需要使表觀功率S(ω)較小。為此，使電流的有效值較小并因此抑制電流的峰值是重要的。
綜述上面結(jié)果，為了最佳的功率因子，優(yōu)選地使負(fù)載電壓和負(fù)載電流之間的相位差為零，并且負(fù)載電流具有與正弦電壓波形相同的波形。此外，優(yōu)選地，峰值等于負(fù)載電流峰值的1.41倍。當(dāng)負(fù)載電流具有與正弦電壓波形不同的波形時，功率因子減小。此外，當(dāng)即使在相同的有效值中峰值也較高時，功率因子減小。優(yōu)選地存在周期內(nèi)的歸一(uniform)幅度。
從上面的結(jié)論中看出，在圖18A到18E中所示的第一次模擬和圖20A到20E所示的第三次模擬中輸入電流的峰值較大。因此，在圖18A到18E和圖20A到20E的輸入電流的情況下，盡管輸入功率相同，有效電流較大，因此功率因子減小。另一方面，在圖19A到19E所示的第二次模擬的情況中，減少了輸入電流的峰值。需要注意到，在圖18、19和20的情況下使用了1500W的固定電功率負(fù)載源。
此外，在圖18A到18E的情況中，補償電流過大。在圖20A到20E的情況中，補償電流過小。另一方面，在圖19A到19E的情況中，在流經(jīng)公共線21的補償電流Idc_b的峰值時刻，將DC電流切換到在圖5中設(shè)置為與負(fù)載2并聯(lián)的平滑電容器4。因此，滿足了功率因子條件。需要注意到，在每一個圖中，箭頭表示切換時間(當(dāng)對第一或第二電容器12或13端進(jìn)行充電操作時，通過由二極管自動截止，將電流路徑切換到主要電容器4)。此外，在圖19A到19E中，流經(jīng)公共線21的補償電流的最大值，即諧振電流，近似等于額定輸入電流的最大值。
在此，輸入電流是當(dāng)假設(shè)來自AC電源1的輸入電流波形是正弦波時的額定輸入電流。更具體地，是通過AC電源的額定電壓的有效值(關(guān)于正弦波的有效值)除以負(fù)載的額定電功率而獲得的正弦波電流。
另一方面，在圖18A到18E中，諧振電流的最大值過大。此外，在圖20A到20E中，諧振電流的最大值過小。因此，當(dāng)諧振電流的最大值實質(zhì)上等于輸入額定電流的最大值時，提高了功率因子。本發(fā)明的第一實施例提供了電路條件和用于滿足功率因子提高條件的方法。
需要注意到，通過在本發(fā)明中選擇電容器和電感器的適當(dāng)電路常數(shù)，“電壓VC1(電容器12)的充電周期”以及“電壓VC2(電容器13)的放電周期”實質(zhì)上彼此完全同步。即，已經(jīng)說明了事實如圖8C所示，電容器始終完全放電到零電壓，并且電流繼續(xù)流動。
在上述事實和三個檢查結(jié)果之間的關(guān)系中，確定如圖8C所示，在圖18、19和20中，盡管未示出，執(zhí)行放電操作，直到電容器兩端的電壓達(dá)到零電壓。此外，電容器12的充電周期和電容器13的放電周期彼此完全同步，即，確定充電電容器被完全放電到零電壓，然后再充電。
然而，在功率因子中存在不同的原因是諧振頻率不同。根據(jù)電感器7的電感值(L)和電容器12和13的電容值(C)來確定諧振頻率。因此，優(yōu)選地，如圖19所示，選擇電感器7的電感值(L)和電容器12和13的電感值(C)，使諧振電流的最大值近似與額定輸入電流的最大值相同。
另一方面，在常用功率轉(zhuǎn)換設(shè)備中，電感器7的電感大約10mH，電容器12和13的電容值大約1000uF或更高。在這種條件下，功率因子變小。為此，通過使用開關(guān)元件等來提高功率因子。如果使用本發(fā)明的功率轉(zhuǎn)換電路，可以獲得良好的功率因子，而不需要執(zhí)行復(fù)雜的切換操作。
在上述說明中，在特定條件下通過指定電感器7的電感值來確定電容器的電容值。因此，根據(jù)上述假設(shè)，使用后面提到的％阻抗和電感器電感值與電容器電容值的比值的平方根與％阻抗的比值，來考慮普通設(shè)計的電路常數(shù)。需要注意到，為了簡化解釋，詞“電容器”表示電容器12或電容器13之一，因為電容器12和13具有相同的電容。
變換上述諧振頻率的下面等式f0＝1/(2∏)(LC)1/2獲得下面的等式LC=1/4Π2f02]]>因此，存在滿足該條件的各種L和C的組合。例如，假設(shè)電源頻率是50Hz，從f0＝4f獲得諧振頻率是200Hz。如果電容器的電容C是20uF，電感L大約32mH。此外，假設(shè)電容C是10uF，電感L大約63mH。按照這種方式，各種組合是可能的。
如上所述，在200V的額定電壓、1500W的額定電功率和50Hz頻率下執(zhí)行模擬。在這種情況下，當(dāng)改變額定電壓、額定輸出和頻率時，可以發(fā)現(xiàn)電感器的電感和電容器的電容，以使％阻抗變?yōu)楹愣ā?br> 為了確定％阻抗(下文中表示為“％Z”)，首先從額定電壓Vn和額定輸出Pn確定額定電流In，然后從Zn＝Vn/In中確定阻抗。假設(shè)頻率是f并且從上述模擬中確定的電感器的希望電感值是La，則電感器阻抗Zr是Zr＝2∏fLa。因此，可以從模擬中所使用的Zr與Zn的比來確定％Zr(電感器的％Z)，即％Zr＝Zr/Zn。類似地，假設(shè)電感器的希望電感值是Ca，電感器電感Zc是Zc＝1/2πfCa。因此，可以從％Zc＝Zc/Zn中確定％Zc(電感器的％Z)。
通過使用確定的％Zr和％Zc，可以針對額定電壓、額定電功率和頻率的改變來設(shè)置電感器和電容器的特定電感和電容。例如，當(dāng)頻率只簡單地從50Hz變化到60Hz并且不改變其它額定值時，因為％Zr和％Zc沒有改變，不必要改變電感器的電感和電容器的電容。當(dāng)額定電壓時100V(模擬中的1/2)并且額定輸出時1000W(模擬中的2/3)時，額定電流是10A，并且Zn＝10。因此，相比于上面示例中的Zn＝200/7.5＝80/3，阻抗變?yōu)?/8倍。在這種情況下，通過分別將阻抗Zr和Zc乘以3/8來確定電感器的電感和電容器的電容。
根據(jù)按照上述檢查的額定阻抗、電感器的電感值(L)和電容器的電容值(C)的比的平方根(即(LC)1/2)來考慮通常的設(shè)計方法。這里，使用(LC)1/2作為一種量度的原因是因為，如上所述Z(r)＝2πfLa和Zc＝1/2πfCa，Zr*Zc＝La/Ca。因此，假設(shè)平方根成為一個量度。圖21和22示出了使用該平方根值和上述的額定阻抗(額定Z)在廣泛的值范圍上執(zhí)行模擬的結(jié)果。參考圖21和22，發(fā)現(xiàn)諧振頻率與AC電源頻率的乘積因子取決于(LC)1/2/額定Z。然而，當(dāng)考慮這些數(shù)據(jù)時，發(fā)現(xiàn)優(yōu)選地，諧振頻率與AC電源頻率的乘積因子在大約2.7到5.4或以下的范圍內(nèi)。換句話說，希望諧振頻率為AC電源頻率的3倍到大約5倍。
假設(shè)電源頻率是50Hz，電容器的電容值是1000uF并且電感器的電感值是16mH，在傳統(tǒng)功率轉(zhuǎn)換設(shè)備中，因為諧振頻率大約是40Hz，諧振頻率大約是AC電源頻率的0.8倍或更低。此外，盡管諧振頻率與AC電源頻率的乘積因子根據(jù)(LC)1/2/額定Z的值而變化，從減少成本考慮，優(yōu)選地電感器的電感值盡量小。此外，還優(yōu)選地，電容器的電容值在一定范圍內(nèi)較小。從圖22中可以理解，對于電容器的電容值和電感器的電感值之間的關(guān)系，(LC)1/2/額定Z的值，即電感器的電感值與電容器的電容值的比值的平方根與額定電壓除以額定電功率而獲得的額定阻抗Z的比值，優(yōu)選地在0.7到1.2的范圍內(nèi)，盡管限制了(LC)1/2/額定Z的值的適當(dāng)范圍。通常，電感器的價格隨著電感值變大而迅速變貴。因此，如果使電感值盡量小，優(yōu)選地上述范圍是0.7到1.0。在圖19(第二次模擬)的情況下，(LC)1/2/額定Z的值是0.75并且(LC)1/2/額定Z的值滿足0.7到1.0的范圍的條件。
作為本發(fā)明該實施例的修改，增加了電感器7的位置的自由度的數(shù)目。換句話說，在圖4中，電感器7被設(shè)置在AC電源1和整流電路3之間，并且在圖5、6和7中按照相同的方式將電感器7設(shè)置在AC電源1和整流電路3之間。然而，盡管未示出，可以將電感器7設(shè)置在整流電路3和充電和放電電路11之間。在這種情況下，如果未示出但是結(jié)合圖16解釋了，可以將電感器7設(shè)置在整流電路3和第一充電和放電電路51之間，更具體地，在整流電路3的正輸出線8和第一電容器12之間。
如上結(jié)合圖8等所述，本發(fā)明的特點是通過電感器7和電容器12和13的諧振電流來提高功率因子，并且在AC電源的一個周期內(nèi)電容器12和13總是放電一次到零電壓。這是提高效率的必要因素。
此外，為了提高功率因子，按照這種方式設(shè)置電感器的電感值和電容器的電容值，使諧振電流的最大值近似與額定輸入電流的最大值相同。
已經(jīng)說明的諧振頻率的特定值和％阻抗值等只是根據(jù)上述基本思想限定的示例。
圖23示出了從圖5所示的電路中省略二極管24的附加電路。在諧振模式中，在額定操作模式或低負(fù)載操作模式的情況下導(dǎo)通或斷開IGBT是足夠的，并且不必要在電源電壓的每一個周期切換一次。當(dāng)導(dǎo)通IGBT時，短路電流在平滑電容器4和諧振電容器之間流動。當(dāng)不存在二極管24時，有時IGBT會損壞。因此，如上所述，在圖5的實施例中設(shè)置了二極管24。然而，從成本的角度看，不希望為了IGBT而設(shè)置不經(jīng)常工作的二極管24。因此，如圖23所示，當(dāng)從驅(qū)動電路20’將導(dǎo)通控制信號提供給IGBT的柵極時，延遲導(dǎo)通控制信號來設(shè)置在活動區(qū)的IGBT。因此，抑制了過流流向活動區(qū)中的IGBT，即使不設(shè)置二極管24，也不會損壞IGBT。圖23中由虛線示出了這個附加電路。將附加電路20’設(shè)置在圖5所示IGBT的通用驅(qū)動電路20和IGBT 16的柵極之間。如圖23所示，電阻器R2和二極管D3的串聯(lián)電路與電阻器R1并聯(lián)設(shè)置。電阻器R1的電阻遠(yuǎn)大于電阻器R2的電阻。此外，沿相反方向?qū)⒍O管D3設(shè)置在電阻器R2和IGBT 16的柵極之間。IGBT或FET具有柵極的等效電容C5。將電路部分添加到圖5所示的驅(qū)動電路20來延遲等效電容的充電是足夠的。換句話說，因為在圖23中的等效電容的充電操作中二極管的方向性，只有高阻R1作用，等效電容的時間常數(shù)變得很大，從而充電操作較遲。當(dāng)放電時，毫無問題地執(zhí)行電阻器功能和平滑放電操作。
圖24示出了根據(jù)本發(fā)明第六實施例的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備的示例的一部分電路。在本實施例中，可以使用例如繼電器的機(jī)械開關(guān)SW來代替IGBT。在這種情況下，因為短路電流的流動，圖5、6和7所示的電路不理想。原因是如果在第一或第二電容器12和13的充電方式下斷開開關(guān)SW，電容器12和13沒有充電到主要電容器4的電壓。因此，下一次導(dǎo)通開關(guān)SW，由于與主要電容器4的電壓差，短路電路流動。因此，圖24中所示的電路是希望的。
圖24所示的電路看起來與傳統(tǒng)示例中的電路相同。然而，圖24所示的電路與傳統(tǒng)示例的不同在于下面的要點處。即，傳統(tǒng)示例中的電路通過在電源的一個周期切換開關(guān)一次來提高功率因子。然而，因為在本發(fā)明中通過諧振提高了功率因子，不需要開關(guān)SW在電源的一個周期操作一次。只當(dāng)控制了DC電壓時，必須在一個周期切換開關(guān)一次。
圖25示出了根據(jù)本發(fā)明第七實施例的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備，其中省略了傳統(tǒng)IGBT所需的、用于驅(qū)動電路的電源。盡管沒有給出參考圖5的說明，用于驅(qū)動電路中IGBT的電源需要不同于負(fù)線9的控制電源的地線，這是因為電容器C13的充電功能影響了IGBT的發(fā)射極的電壓。因此，必須從外部單元提供專用電源線。然而，這從部件數(shù)目和成本方面考慮并不是優(yōu)選的。在功率轉(zhuǎn)換電路中，IGBT連接在兩個諧振電容器12和13之間并且這些電容器12和13與整流電路3的正輸出線8和負(fù)輸出電路9相連。因為將諧振電容器13設(shè)置在IGBT的發(fā)射極和負(fù)輸出線9之間，可以看出不再使用升壓電路(當(dāng)使反相器的P側(cè)電源工作時)。然而，在本發(fā)明的本實施例中，諧振電容器12和13總是在電源的一個周期內(nèi)下降到0V一次。等效于當(dāng)導(dǎo)通IGBT時IGBT的發(fā)射極與負(fù)輸出線9相連。因此，可以由圖25所示的包括升壓電路26的驅(qū)動電路20”來驅(qū)動IGBT。即，通過在圖5所示的傳統(tǒng)驅(qū)動電路20中插入圖25的升壓電路20”來實現(xiàn)上述目的，其中電阻器和二極管串聯(lián)。
需要注意到，圖25的升壓電路26并不通過使用獨立控制電源來控制IGBT。將控制電源和控制電路17’設(shè)置在功率轉(zhuǎn)換電路中并由包含升壓電路26的圖25的整個電路共同使用。電源電壓由省略的電容器C1和C2通過控制電源的電阻和二極管施加到圖5中所示的驅(qū)動電路20，并且驅(qū)動電路20驅(qū)動IGBT的柵極。因此，可以省略傳統(tǒng)示例中所必須的IGBT獨立驅(qū)動電源。
根據(jù)本發(fā)明的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備和功率轉(zhuǎn)換方法有效地提高了功率因子。對于實施例，減少了電路元件的數(shù)目。
權(quán)利要求
1.一種功率轉(zhuǎn)換設(shè)備，包括整流電路，具有一對AC電源輸入端子和一對整流電壓輸出端子；電感器；以及充電和放電電路，連接在所述整流電壓輸出端子之間，其中，所述充電和放電電路包括第一電容器，與一個整流電壓輸出端子和一個AC電源輸入端子相連；以及第二電容器，與另一個整流電壓輸出端子和所述一個AC電源輸入端子相連，所述電感器與所述第一電容器和所述第二電容器產(chǎn)生諧振電流，以及在充電所述第一電容器的同時，第二電容器放電到零電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備，其中，在額定操作下從所述第一電容器和第二電容器之一流向所述一個AC輸入端子的電流最大值實質(zhì)上與額定輸入電流的最大值相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備，其中，確定所述第一電容器和第二電容器的電容以及所述電感器的電感，以使諧振頻率在提供給所述AC電源輸入端子的AC電源頻率的3倍到5倍的范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備，其中，當(dāng)確定額定阻抗為通過額定電壓除以額定功率的平方而獲得的值時，通過所述電容除以所述電感獲得的值的平方根在所述額定阻抗的0.7倍到1.2倍的范圍內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備，還包括機(jī)械開關(guān)，設(shè)置在公共節(jié)點和所述第一電容器之間以及所述公共節(jié)點和所述第二電容器之間。
6.一種功率轉(zhuǎn)換設(shè)備，包括整流電路，具有一對AC電源輸入端子和一對整流電壓輸出端子；電感器；以及充電和放電電路，連接在所述整流電壓輸出端子之間，其中，所述充電和放電電路包括第一充電和放電電路，與一個整流電壓輸出端子和一個AC電源輸入端子相連；以及第二充電和放電電路，與另一個整流電壓輸出端子和所述一個AC電源輸入端子相連，所述第一充電和放電電路包括第一二極管和與所述第一二極管串聯(lián)的第一電容器，所述第二充電和放電電路包括第二二極管和與所述第二二極管串聯(lián)的第二電容器，以及所述充電和放電電路還包括開關(guān)部分，與串聯(lián)連接的第一和第二二極管并聯(lián)，所述電感器與所述第一電容器和所述第二電容器產(chǎn)生諧振電流，以及在充電所述第一電容器的同時，所述第二電感器放電到零電壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備，其中，所述開關(guān)部分包括分別與所述第一和第二二極管并聯(lián)的兩個開關(guān)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備，其中，所述開關(guān)包括開關(guān)元件。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備，其中，每一個所述開關(guān)包括開關(guān)元件。
10.根據(jù)權(quán)利要求6到9之一所述的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備，其中，在額定操作下從所述第一電容器和第二電容器之一流向所述一個AC輸入端子的電流最大值實質(zhì)上與額定輸入電流的最大值相同。
11.根據(jù)權(quán)利要求6到9之一所述的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備，其中，確定所述第一電容器和第二電容器的電容和所述電感器的電感，以使諧振頻率在提供給所述AC電源輸入端子的AC電源頻率的3倍到5倍范圍內(nèi)。
12.根據(jù)權(quán)利要求6到9之一所述的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備，其中，當(dāng)確定額定阻抗為通過額定電壓除以額定功率的平方而獲得的值時，所述電容除以所述電感獲得的值的平方根在所述額定阻抗的0.7倍到1.2倍的范圍內(nèi)。
13.根據(jù)權(quán)利要求6到9之一所述的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備，還包括驅(qū)動電路，所述驅(qū)動電路包括并聯(lián)電路，設(shè)置在所述開關(guān)元件的柵極和控制電路之間，以及所述并聯(lián)電路包括具有較高電阻的電阻器電路；以及串聯(lián)電路，與所述電阻器電路并聯(lián)，并且包括具有較低電阻的電阻器以及與電阻器相連以便在對所述柵極充電時隔斷柵極電流的二極管。
14.根據(jù)權(quán)利要求6到9之一所述的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備，其中，所述開關(guān)元件通過電阻器和二極管，在其柵極接收來自所述功率轉(zhuǎn)換設(shè)備的控制電源的電壓。
15.根據(jù)權(quán)利要求6到9之一所述的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備，其中，所述第一和第二電容器在所述AC電源的一個周期內(nèi)放電一次到零電壓。
16.一種功率轉(zhuǎn)換設(shè)備，包括整流電路，具有一對AC電源輸入端子和一對整流電壓輸出端子；電感器；以及充電和放電電路，連接在所述整流電壓輸出端子之間，其中，所述充電和放電電路包括第一充電和放電電路，與一個整流電壓輸出端子和一個AC電源輸入端子相連；以及第二充電和放電電路，與另一個整流電壓輸出端子和所述一個AC電源輸入端子相連，所述第一充電和放電電路包括第一開關(guān)和與所述第一開關(guān)串聯(lián)的第一電容器，所述第二充電和放電電路包括第二開關(guān)和與所述第二開關(guān)串聯(lián)的第二電容器，所述電感器與所述第一電容器和所述第二電容器產(chǎn)生諧振電流，以及在充電所述第一電容器的同時，所述第二電容器放電到零電壓。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備，其中，確定所述第一電容器和第二電容器的電容以及所述電感器的電感，以使諧振頻率在提供給所述AC電源輸入端子的AC電源頻率的3倍到5倍范圍內(nèi)。
18.一種功率轉(zhuǎn)換方法，包括將整流電路與AC電源相連；對第一充電和放電部分進(jìn)行充電，第一充電和放電部分連接在第一輸出端子和所述整流電路的兩個AC電源輸入端子中的一個之間，所述第一輸出端子是所述整流電路的兩個第一輸出端子中的一個；與所述充電同步地從第二充電和放電部分放電，第二充電和放電部分連接在第二輸出端子和所述一個AC電源輸入端子之間，第二輸出端子是所述整流電阻的兩個第一輸出端子的另一個；在所述第一充電和放電周期的半個周期之后，對所述第二充電和放電部分進(jìn)行充電；與對所述第二充電和放電部分進(jìn)行充電同步地對所述第一充電和放電部分進(jìn)行放電；在額定操作期間，繼續(xù)將所述第一充電和放電部分的端子與所述AC電源輸入端子一側(cè)相連，并且所述第二充電和放電部分的端子與所述AC電源輸入端子的一側(cè)相連；以及在低負(fù)載操作期間，間歇地打開連接在所述AC電源輸入端子一側(cè)上的所述第一充電和放電部分的端子以及連接在所述AC電源輸入端子一側(cè)上的所述第二充電和放電部分的端子。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備，其中，所述第一充電和放電部分和所述第二充電和放電部分分別具有電容器，電感器被設(shè)置在所述AC電源輸入端子和所述整流電路之間，或設(shè)置在所述整流電路和所述第一充電和放電部分之間，以及從所述第一電容器和第二電容器之一流向所述一個AC輸入端子的電流最大值實質(zhì)上與額定輸入電流的最大值相同。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備，其中，確定所述第一電容器和第二電容器的電容和所述電感器的電感，以使諧振頻率在提供給所述AC電源輸入端子的AC電源頻率的3倍到5倍范圍內(nèi)。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備，所述第一充電和放電部分和所述第二充電和放電部分分別具有電容器，電感器被設(shè)置在所述AC電源輸入端子和所述整流電路之間，或設(shè)置在所述整流電路和所述第一充電和放電部分之間，所述第一和第二電容器中一個的充電周期與另一個電容器的放電周期彼此同步，以及在充電之后，所述一個電容器放電到零電壓。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備，其中，確定所述第一電容器和所述第二電容器的電容和所述電感器的電感，以使諧振頻率在提供給所述AC電源輸入端子的AC電源頻率的3倍到5倍范圍內(nèi)。
全文摘要
一種功率轉(zhuǎn)換設(shè)備，包括整流電路，具有一對AC電源輸入端子和一對整流電壓輸出端子；電感器；以及連接在整流電壓輸出端子之間的充電和放電電路。充電和放電電路包括第一電容器，與一個整流電壓輸出端子和一個AC電源輸入端子相連；以及第二電容器，與另一個整流電壓輸出端子和所述一個AC電源輸入端子相連。電感器與第一電容器和第二電容器產(chǎn)生諧振電流，以及在給第一電容器充電的同時，第二電容器放電到零電壓。
文檔編號H02M3/02GK1773829SQ20051011865
公開日2006年5月17日 申請日期2005年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月2日
發(fā)明者伊東洋一 申請人:恩益禧電子股份有限公司