專利名稱：高頻交流電力控制器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于發(fā)電、變電或配電設備領域，具體涉及一種可以對傳輸?shù)截撦d的 功率(或電壓)進行調(diào)節(jié)和控制的裝置。
背景技術：
無論在現(xiàn)代工業(yè)行業(yè)或者是在日常生活之中，常常需要對來自電網(wǎng)的交流電 壓或功率進行調(diào)節(jié)，然后再傳輸?shù)接秒娫O備，以達到諸如照明調(diào)光、電機調(diào)速、 各種加熱控制等目的。
目前針對交流電壓調(diào)節(jié)的技術主要有兩種可控硅SCR移相觸發(fā)調(diào)節(jié)(可控 硅調(diào)壓器)和利用電磁原理的變壓器或電感的調(diào)節(jié)，而針對輸出功率的調(diào)節(jié)則主
要采用以過零觸發(fā)的方式控制可控硅SCR在設定周期中的導通周波數(shù)的多少來
實現(xiàn)(可控硅調(diào)功器)；變頻器對交流電機的調(diào)速也是對輸出功率進行調(diào)節(jié)的一 種實現(xiàn)方式。
由于采用可控硅SCR調(diào)節(jié)輸出的電壓電流波形為斷續(xù)的、缺角的正弦波，其 波形中包含了大量的會造成電磁污染的高次諧波分量，會使電網(wǎng)波形產(chǎn)生畸變； 世界上很多地方已明文規(guī)定禁止使用SCR電源調(diào)節(jié)產(chǎn)品，故可控硅SCR調(diào)壓器、 調(diào)功器技術的應用已受到越來越多的限制。
而各種傳統(tǒng)的應用電磁原理的調(diào)壓器在電壓或功率調(diào)節(jié)的過程中必須在線圈 及鐵芯中建立電磁場，這樣要耗費大量的銅鐵原材料，體積大且笨重，調(diào)節(jié)速度 緩慢。如采用多抽頭自耦變壓器加無觸點功率開關(或有觸點繼電器、接觸器) 切換調(diào)節(jié)，成本高，可靠性和調(diào)節(jié)精度均較低。若采用碳刷、碳輪在線圈接觸面 上進行調(diào)節(jié)，故障率較高。盡管采用了一些現(xiàn)代電子技術，采用常規(guī)電磁原理的 調(diào)節(jié)方法依然無法擺脫耗材多，龐大笨重的先天不足，難以滿足現(xiàn)代功率設備對 電源調(diào)節(jié)的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種高頻交流電力控制器，其輸出連續(xù)的正弦波電壓，電磁干 擾小，具有體積小、重量輕、調(diào)節(jié)范圍廣、反應速度快的明顯特點，其主電路結 構簡單、功率元器件少，只有一次高頻能量轉換，工作損耗較小，制造成本低， 同時具有變頻器所沒有的交流電壓調(diào)節(jié)功能，達到了交流電機調(diào)速、節(jié)能的目的。
根據(jù)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種高頻交流電力控制器，其特征是其 至少包括輸入端濾波器l、高頻電力電子開關2、控制電路3和輸出濾波器4;其 中，輸入端濾波器的輸入端與電源端連接，其輸出端與高頻電力電子開關的輸入 端連接；高頻電力電子開關的輸出端與輸出濾波器連接；輸出濾波器的輸出端構 成整個控制器的輸出端；控制電路與高頻電力電子開關的控制端連接。
具體的，其輸入端濾波器由高頻濾波電容、共模和常模電感組成。
其高頻電力電子開關由兩只附帶反并聯(lián)二極管的電力電子器件組成的共發(fā)射 極電路構成，或者，由兩只不附帶二極管的電力電子器件組成的共發(fā)射極電路構 成，再外接兩只以共陽極方式串接的二極管。
其兩只高頻電力電子器件的控制極連接在一起接受來自控制電路的同一控制 信號。
其電力電子器件為功率MOSFET管(又稱功率場效應管VDMOS)、 IGBT (絕 緣柵雙極晶體管)、GTR (電力晶體管)、MCT (MOS控制晶體管)、IGCT(集成 門極換向晶體管)、IGET (絕緣柵外延生長式晶體管)、IGHT (絕緣柵同質(zhì)式結構 晶體管)或GTO (門極可關斷晶體管)。
其輸出濾波器由電感、電容組成，其控制電路為電流模式PWM控制芯片及 其相關外圍電路。
進一步的，輸入端濾波器包括電容C1 C5、共模和常模電感L1和L2;高頻 電力電子開關包括電力電子器件Tl和T2;控制電路為電流模式PWM控制芯片 包括控制芯片IC及相關外圍電路；輸出濾波器包括電感L3和電容C6;
其中，電容C1并接在電源的L端和地之間，電容C2并接在電源的N端和 地之間，電容C3并接在電源的L端和N端之間，共模電感Ll串接在電源的L 端和N端之間，其輸出端并接電容C4后與常模電感L2的輸入端連接，電感L2 的輸出端并接電容C5后構成輸入端濾波器的輸出端L'和N',其輸出端N'亦構成整 個控制器的輸出端n ; 電力電子器件Tl的輸入端與輸入端濾波器的輸出端L' 連接，構成高頻交流電子開關的輸入端，其輸出端與電力電子器件T2的輸入端
5連接，電力電子器件T2的輸出端構成高頻交流電子開關的輸出端，電力電子器
件Tl和T2的控制端并接后構成高頻交流電子開關的控制端；電感L3串接在 高頻交流電子開關的輸出端與整個控制器的輸出端I之間，電容C6并接在整個控 制器的輸出端I和n之間；控制芯片IC的控制信號輸出管腳6與高頻交流電子 開關的控制端連接，其Vo:管腳7與輸入端濾波器的輸出端L'連接，其Vc端管 腳5與輸入端濾波器的輸出端N'連接，其反饋信號輸入管腳3與整個控制器的輸 出端I連接。
在采用了上述技術方案后，本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下有益效果
1. 實現(xiàn)了采用同一控制信號的高頻電力電子技術對交流電源直接進行純正弦 波功率調(diào)節(jié)和電壓調(diào)節(jié)，并適合容性、阻性、感性及混合類型等所有負載。
2. 采用高頻PWM調(diào)制，所需器件少，產(chǎn)品結構簡單，體積小、質(zhì)量輕、自 身功耗低、反應速度快，便于模塊化和嵌入控制。 .
3. 輸出電壓為純正弦波，電磁兼容性好，無干擾諧波，可適應各種容性、阻 性、感性及混合類型等所有負載。
4. 高頻交流電子開關無開關切換時存在共態(tài)導通的可能，內(nèi)部電力電子器件 沒有內(nèi)部環(huán)流造成的浪涌電流，工作安全可靠，平均無故障時間及工作壽命更長。
5. 采用模塊化結構，符合三相四線制及單相布線規(guī)則，適用于中大功率單相 和三相四線電力穩(wěn)壓、調(diào)壓節(jié)能和調(diào)功節(jié)能。


圖1為組成所述高頻交流電力電子開關的原理方框圖； 圖2為本發(fā)明運用在單相調(diào)功器時實施例的電氣線路圖； 圖3為實施例的線路示意圖。 .
圖中l(wèi)一輸入端濾波器，2—高頻電力電子開關，3—控制電路，4一輸出濾波器。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明
如圖1所示，本控制器至少包括輸入端濾波器1、高頻電力電子開關2、控制 電路3和輸出濾波器4;其中，輸入端濾波器的輸入端與電源端連接，其輸出端
與高頻電力電子開關的輸入端連接；高頻電力電子開關的輸出端與輸出濾波器連 接；輸出濾波器的輸出端構成整個控制器的輸出端；控制電路與高頻電力電子開關的控制端連接。
其輸入端濾波器由高頻濾波電容、共模和常模電感組成，用于消除、隔離電 網(wǎng)和本發(fā)明后級的傳導電氣噪聲。
其輸出濾波器由電感、電容組成，其控制電路為電流模式PWM控制芯片包 括控制芯片IC及其相關外圍電路。
如圖2所示，高頻電力電子開關由兩只附帶反并聯(lián)二極管的電力電子器件T1 和T2組成的共發(fā)射極電路構成，或者，由兩只不附帶二極管的電力電子器件組 成的共發(fā)射極電路構成，再外接兩只以共陽極方式串接的二極管。
其兩只高頻電力電子器件的控制極連接在一起接受來自控制電路的同一控制 信號。
實施例
作為運用在單相調(diào)功器時的具體實施，采用如圖3所示的具體電氣線路。 圖中，輸入端濾波器包括電容C1 C5、共模和常模電感L1和L2;高頻電力
電子開關包括電力電子器件T1和T2;控制電路包括控制芯片IC;輸出濾波器包
括電感L3和電容C6。
其中，電容C1并接在電源的L端和地之間，電容C2并接在電源的N端和 地之間，電容C3并接在電源的L端和N端之間，共模電感Ll串接在電源的L 端和N端之間，其輸出端并接電容C4后與常模電感L2的輸入端連接，電感L2 的輸出端并接電容C5后構成輸入端濾波器的輸出端L'和N',其輸出端N'亦構成整 個控制器的輸出端n ; 電力電子器件Tl的輸入端與輸入端濾波器的輸出端L' 連接，構成高頻交流電子開關的輸入端，其輸出端與電力電子器件T2的輸入端 連接，電力電子器件T2的輸出端構成高頻交流電子開關的輸出端，電力電子器 件Tl和T2的控制端并接后構成高頻交流電子開關的控制端；電感L3串接在 高頻交流電子開關的輸出端與整個控制器的輸出端I之間，電容C6并接在整個控 制器的輸出端I和n之間；控制芯片IC的控制信號輸出管腳6與高頻交流電子 開關的控制端連接，其Vcc管腳7與輸入端濾波器的輸出端L'連接，其Vc端管 腳5與輸入端濾波器的輸出端N'連接，其反饋信號輸入管腳3與整個控制器的輸 出端I連接。
組成高頻電力電子開關的電力電子器件包括目前常用的具有優(yōu)良高頻特性的 功率MOSFET管(又稱功率場效應管VDMOS)或IGBT (絕緣柵雙極晶體管)，也可以是GTR (電力晶體管)、MCT (MOS控制晶體管)、IGCT(集成門極換向晶體 管)、IGET (絕緣柵外延生長式晶體管)、IGHT (絕緣柵同質(zhì)式結構晶體管)或 GTO (門極可關斷晶體管)等其它電力電子器件。
控制電路可以選用現(xiàn)已廣泛使用的電流模式PWM (脈沖寬度調(diào)制)控制芯 片，諸如UC3842A、 UC3843A或UCC3800等等，由于上述控制芯片已有多家生 產(chǎn)制造商可提供各種具有相同或類似功能的芯片，加上其產(chǎn)品樣本或生產(chǎn)制造商 的網(wǎng)站上均有其標準外圍電路可供選擇，故其具體線路結構、工作原理或接線方 式在此不再敘述。
具體工作過程簡述
在正半波時，高頻電力電子開關中的T2的反并聯(lián)二極管導通，控制電路控 制T1的控制端對正半波輸入進行PWM斬波；對應地，在負半波時，高頻電力電 子開關中的Tl的反并聯(lián)二極管導通，控制電路控制T2的控制端對負半波輸入進 行PWM斬波。
輸出濾波器對經(jīng)高頻電力電子開關PWM或PFM的斬波進行濾波，這樣在輸 出端得到調(diào)節(jié)后的純正弦波交流電。
輸出電壓、輸出功率經(jīng)傳感器反饋到控制電路的信號輸入端，以實現(xiàn)交流電 壓(或功率)調(diào)節(jié)的目的，以及通信和控制等操作。
目前使用可控硅SCR調(diào)節(jié)后輸出的電壓電流波形為斷續(xù)的、缺角的正弦波， 波形中包含了大量的會造成電磁污染的高次諧波分量，導致電網(wǎng)波形產(chǎn)生畸變的 缺陷和各種傳統(tǒng)的應用電磁原理的調(diào)壓器需要消耗的材料多，成本高，龐大笨重， 調(diào)節(jié)速度緩慢，可靠性和調(diào)節(jié)精度均較低，且故障率較高的問題，本發(fā)明由于輸 出連續(xù)的正弦波電壓，相對于可控硅SCR調(diào)壓器、調(diào)功器而言電磁干擾??；相對 利用常規(guī)電磁原理生產(chǎn)的交流電源產(chǎn)品具有體積小，重量輕，調(diào)節(jié)范圍廣，反應 速度快的明顯特點；而且本發(fā)明的主電路結構簡單、功率元器件少；相對變頻器 從輸入到輸出要經(jīng)歷二次高頻能量轉換(輸入端AC—DC的高頻轉換，輸出端 DC—AC的高頻轉換)，且自身工作損耗較大，制造成本較高，本發(fā)明由于只有一 次高頻能量轉換，因此工作損耗較小，且制造成本低，另外本高頻交流電力控制 器同時具有變頻器所沒有的交流電壓調(diào)節(jié)功能，達到了交流電機調(diào)速、節(jié)能的目的。
由于采用了上述技術方案，本發(fā)明之控制器所輸出的交流電壓為幅度連續(xù)可調(diào)的正弦波，可適應容性、阻性、感性及混合類型等各種類型的負載，作為高頻 電力電子技術領域中嶄新的一種綠色電源產(chǎn)品，高頻交流電力控制器可在力矩電 機/高轉差異步電動機的調(diào)速節(jié)能、照明燈光控制節(jié)電、工業(yè)加熱、金屬感應加熱、 電化學加工等領域廣泛應用，創(chuàng)造出明顯的社會效益和經(jīng)濟效益，具有較好的推 廣價值。
權利要求
1. 一種高頻交流電力控制器，其特征是 其至少包括輸入端濾波器(l)、高頻電力電子開關(2)、控制電路(3)和輸出濾波器(4);其中，輸入端濾波器的輸入端與電源端連接，其輸出端與高頻電力電子開關的輸入端連接；高頻電力電子開關的輸出端與輸出濾波器連接； 輸出濾波器的輸出端構成整個控制器的輸出端； 控制電路與高頻電力電子開關的控制端連接。
2. 如權利要求1所述的高頻交流電力控制器，其特征是所述的輸入端濾波器 由高頻濾波電容、共模和常模電感組成。
3. 如權利要求1所述的高頻交流電力控制器，其特征是所述的高頻電力電子 開關由兩只附帶反并聯(lián)二極管的電力電子器件組成的共發(fā)射極電路構成。
4. 如權利要求1所述的高頻交流電力控制器，其特征是所述高頻交流電子開 關由兩只不附帶二極管的電力電子器件組成的共發(fā)射極電路構成，再外接兩只以 共陽極方式串接的二極管。
5. 如權利要求3或4所述的高頻交流電力控制器，其特征是所述兩只高頻電 力電子器件的控制極連接在一起接受來自控制電路的同一控制信號。
6. 如權利要求3或4所述的高頻交流電力控制器，其特征是所述的電力電子 器件為功率MOSFET管、功率場效應管、絕緣柵雙極晶體管、電力晶體管、MOS 控制晶體管、集成門極換向晶體管、絕緣柵外延生長式晶體管、絕緣柵同質(zhì)式結 構晶體管或門極可關斷晶體管。
7. 如權利要求1所述的高頻交流電力控制器，其特征是所述的輸出濾波器由 電感、電容組成。
8. 如權利要求1所述的高頻交流電力控制器，其特征是所述的控制電路為電 流模式PWM控制芯片及其相關外圍電路。
9. 如權利要求1、 2、 3、 4、 5、 6、 7或8所述的高頻交流電力控制器，其特征是所述的輸入端濾波器包括電容C1 C5、共模和常模電感Ll和L2;所述的高頻電力電子開關包括電力電子器件T1和T2;所述的控制電路包括控制芯片IC;所述的輸出濾波器包括電感L3和電容C6;其中，電容Cl并接在電源的L端和地之間，電容C2并接在電源的N端和地之 間，電容C3并接在電源的L端和N端之間，共模電感L1串接在電源的L端和N 端之間，其輸出端并接電容C4后與常模電感L2的輸入端連接，電感L2的輸出 端并接電容C5后構成輸入端濾波器的輸出端L'和N',其輸出端N'亦構成整 個控制器的輸出端n;電力電子器件T1的輸入端與輸入端濾波器的輸出端L'連接，構成高頻交 流電子開關的輸入端，其輸出端與電力電子器件T2的輸入端連接，電力電子器 件T2的輸出端構成高頻交流電子開關的輸出端，電力電子器件Tl和T2的控制 端并接后構成高頻交流電子開關的控制端；電感L3串接在高頻交流電子開關的輸出端與整個控制器的輸出端I之間， 電容C6并接在整個控制器的輸出端I和n之間；控制芯片IC的控制信號輸出管腳6與高頻交流電子開關的控制端連接，其 Vo:管腳7與輸入端濾波器的輸出端L'連接，其Vc端管腳5與輸入端濾波器 的輸出端N'連接，其反饋信號輸入管腳3與整個控制器的輸出端I連接。
全文摘要
一種高頻交流電力控制器，屬于發(fā)電、變電或配電設備領域。其至少包括輸入端濾波器、高頻電力電子開關、控制電路和輸出濾波器，其輸入端濾波器的輸入端與電源端連接，其輸出端與高頻電力電子開關的輸入端連接，高頻電力電子開關的輸出端與輸出濾波器連接，輸出濾波器的輸出端構成整個控制器的輸出端，控制電路與高頻電力電子開關的控制端連接。其輸出的交流電壓為幅度連續(xù)可調(diào)的正弦波，可適應容性、阻性、感性及混合類型等各種類型的負載，作為高頻電力電子技術領域中嶄新的一種綠色電源產(chǎn)品，可廣泛應用于力矩電機/高轉差異步電動機的調(diào)速節(jié)能、照明燈光控制節(jié)電、工業(yè)加熱、金屬感應加熱、電化學加工等領域。
文檔編號H02M5/22GK101312329SQ20071004125
公開日2008年11月26日 申請日期2007年5月25日 優(yōu)先權日2007年5月25日
發(fā)明者斌 趙 申請人:上海頤湃電子科技有限公司