專利名稱：一種交流斬波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種交流變換器裝置，特別是針對通過反饋交流電源電壓極性來控制開關(guān)切換順序?qū)崿F(xiàn)功率轉(zhuǎn)換的交流斬波器裝置。
背景技術(shù)：
相控整流技術(shù)作為一種比較成熟的交流調(diào)壓技術(shù)，已在許多場合取代電磁類調(diào)壓技術(shù)，獲得了廣泛應(yīng)用。但是相控整流技術(shù)具有許多不可克服的缺陷，如受觸發(fā)角影響功率因數(shù)較低、動態(tài)響應(yīng)速度慢、輸出低次諧波豐富以及嚴重的電網(wǎng)諧波電流污染等。近年來基于直流斬波器簡單拓撲的交流斬波器成為了一個新的研究熱點。交流斬波控制調(diào)壓技術(shù)具有僅取決于負載的功率因數(shù)、動態(tài)響應(yīng)速度快、線性調(diào)壓范圍寬以及輸入輸出易于濾波和波形高度正弦化等優(yōu)點，可應(yīng)用于大功率、快速調(diào)壓等領(lǐng)域。圖1是一種現(xiàn)有的斬波器的電路示意圖，開關(guān)Kl、開關(guān)K2是一個全控開關(guān)器件，可以在任意時間開通和關(guān)斷。電感Ltl是儲能器件，M為負載。當(dāng)該斬波電路應(yīng)用于DC/DC變換時，輸入電壓與輸出電流極性均不發(fā)生變化。電路工作時，首先開關(guān)Kl開通，同時開關(guān)K2 關(guān)斷，輸入電源通過開關(guān)Kl向Ltl充電，k按指數(shù)曲線增大。然后開關(guān)Kl關(guān)斷，同時開關(guān)K2 開通，電感Ltl中的電流通過開關(guān)K2續(xù)流，k呈指數(shù)曲線下降。儲能電感Ltl越大，電流k的波動越小。在DC/DC變換中，為了簡化電路，如圖2所示，開關(guān)K2也可以是一個二極管D，二極管的陰極接到開關(guān)Kl與儲能電感Ltl之間，二極管的陽極接輸入電源的負極。這樣，開關(guān) Kl在開通對Ltl充電時，二極管D反向偏置，沒有電流流過二極管D。開關(guān)Kl關(guān)斷時，二極D 管正向偏置，L0中的電流通過二極管D續(xù)流。直流斬波電路的工作波形如圖3所示。直流斬波器是工作在輸入電壓和輸出電流的一個象限中。將斬波器應(yīng)用于AC/AC 變換時，需要斬波器工作在輸入電壓與輸出電流的四個象限中，使用的開關(guān)必須是雙向的， 這就需要更復(fù)雜的拓撲結(jié)構(gòu)和開關(guān)控制方法。目前交流斬波器已經(jīng)有很多拓撲結(jié)構(gòu)和控制方法。圖4所示的電路拓撲就是一種比較受歡迎的交流斬波器拓撲。交流斬波器的調(diào)壓對象是交流電壓，為了能在電壓的正負半波都進行調(diào)制，開關(guān)必須是雙向可控的。圖4中，開關(guān)Si、開關(guān)S2、開關(guān)S3、開關(guān)S4為單向開關(guān)，它們分別由一個IGBT和一個二極管組成，二極管并聯(lián)于IGBT的集電極和發(fā)射極之間，二極管的陰極與IGBT的集電極連接，這一端定義為開關(guān)的陰極；二極管的陽極與IGBT的發(fā)射極連接，這一端定義為開關(guān)的陽極。那么，開關(guān)就可以控制從陰極到陽極方向的電流導(dǎo)通和關(guān)斷，而開關(guān)從陽極到陰極方向由于并聯(lián)了二極管，電流在這個方向始終導(dǎo)通，因此稱它們?yōu)閱蜗蜷_關(guān)。圖4中，由開關(guān)Sl與開關(guān)S4組成一對雙向開關(guān)Tl，由開關(guān)S2與開關(guān)S3組成一對雙向開關(guān)T2。其中開關(guān)Sl的陽極與開關(guān)S2的陰極相連；開關(guān)S4的陽極與開關(guān)S3的陰極相連；開關(guān)Sl和開關(guān)S4的陰極接輸入電壓源，電感的一端接向開關(guān)Sl的陽極，電感的另一端接在負載M上，電感和負載部分稱為負載電路，負載M的另一端與開關(guān)S4的陽極連接，開關(guān)Sl的陽極和開關(guān)S4的陽極為斬波器輸出端。當(dāng)開關(guān)Sl與開關(guān)S4導(dǎo)通時，電路工作在有源模式，根據(jù)電路電流的方向，或交流電源向負載電路充電或者負載電路向交流電源饋電，電路簡化圖如圖5(a)所示。當(dāng)開關(guān)S2與開關(guān)S3導(dǎo)通時，電路工作在續(xù)流模式，電感通過負載續(xù)流放電，電路簡化圖如圖5(b) 所示。如果采用某種開關(guān)控制策略，使電路在有源模式和續(xù)流模式之間切換時，就實現(xiàn)了對輸入電壓的斬波調(diào)壓。電路從有源模式轉(zhuǎn)換為續(xù)流模式時，需要在關(guān)斷Tl的同時，開通T2。但是，由于實際的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)并非理想開關(guān)，在IGBT開通時會存儲大量電荷，存儲的電荷在IGBT關(guān)斷復(fù)位時會需要一定的時間，當(dāng)一個控制信號使一個IGBT截止同時使另一個 IGBT導(dǎo)通時，被實施截止的IGBT中的電流就會再持續(xù)一段時間，這樣就會發(fā)生Tl和T2同時導(dǎo)通而使電路短路的情形，會造成IGBT的損壞。為了防止這種情況的發(fā)生，在從圖5(a) 模式直接轉(zhuǎn)到圖5 (b)狀模式時，需要插入一小段時間使T1、T2都關(guān)斷，這段時間被稱為“死區(qū)時間”。但是，Tl和Τ2同時關(guān)斷會帶來另外一個問題，就是電路中電感電流會失去回路， 電感兩端會產(chǎn)生可能使IGBT損壞的尖峰電壓，一般通過緩沖電路抑制電壓尖峰，或筘位電路將尖峰電壓箝位，也因此而帶來了緩沖電路損耗，或筘位功率損耗，這種損耗隨著開關(guān)頻率的增高成線性增長，并隨著電壓和電流的增大成指數(shù)型增長。因此，這種方法只適用于中、小功率阻性負載交流調(diào)壓領(lǐng)域。在專利公開號為CN1967994A的專利中討論了一種與圖4類似的交流斬波器拓撲結(jié)構(gòu)，這種方法可以避免插入死區(qū)時間，但電路中每個開關(guān)與一個二極管串聯(lián)，電路電流始終要流經(jīng)開關(guān)中的串聯(lián)二極管，系統(tǒng)損耗大大增加。另外，在“Noveltopologies of AC chopper” 一文中介紹了一種與圖4類似的交流斬波器拓撲。該文章根據(jù)輸入電源電壓的極性，采取以下開關(guān)策略在輸入電源電壓正半周期，即輸入交流電源與開關(guān)Sl連接的一端為正極，開關(guān)S3、S4 —直導(dǎo)通，開關(guān)S1、S2按照某一固定占空比的PWM信號調(diào)制開通，其中當(dāng)一個開關(guān)開通時，另一個則關(guān)斷；在輸入電源電壓的負半周期，開關(guān)模式與之相反。在這種開關(guān)控制方法中，電流回路是始終存在的。因此不需要加緩沖電路或電壓箝位電路，在輸入電源電壓正半周期內(nèi)，電路分三種工作模式 有源模式、死區(qū)時間模式、續(xù)流模式。關(guān)于這幾種工作模式的具體介紹，請參考原文。專利公開號為CN1410855A的專利使用與上述方法類似的基于輸入電壓極性檢測的斬波器開關(guān)控制策略。然而，這種基于輸入電源電壓極性檢測的開關(guān)控制策略也存在著一些不足之處。 在實際應(yīng)用中，特別是應(yīng)用在快速調(diào)壓領(lǐng)域時，輸入電壓的波形會受到電壓瞬變和諧波的影響而產(chǎn)生較大畸變，如圖6所示。此外，為了避免諧波對電壓極性檢測器的干擾，在檢測電壓前需要對被測電壓進行濾波，這樣電壓極性檢測器的輸出又會產(chǎn)生一個濾波延時問題，同時電壓極性檢測器本身也是有延時的，因此電壓極性檢測器的輸出就會產(chǎn)生一個不可避免的延時，如圖6中的t所示。延時時間t會導(dǎo)致電壓極性的檢測錯誤。因此，在實際應(yīng)用中，電壓過零點的檢測不是一件很容易的事情，很容易發(fā)生電壓極性檢測錯誤。在電壓極性檢測錯誤時，輸入交流電源就會形成短路，如圖7所示。由于上述的這種開關(guān)控制策略始終保持三個開關(guān)導(dǎo)通，因此任何時候的電壓極性檢測錯誤都會導(dǎo)致交流電源側(cè)短路。因此，這種開關(guān)控制策略對電壓極性檢測的準確性要求很高。而且，這種開關(guān)控制策略由于需要連續(xù)的將電壓極性信號反饋到開關(guān)控制器中，交流電源電壓在過零點處的波動很容易引起系統(tǒng)的振蕩，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差。圖8顯示了這種開關(guān)控制策略的反饋控制方式。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于非連續(xù)的電壓極性檢測的交流斬波器裝置，斬波器在工作過程中只在有源模式和續(xù)流模式之間切換時，才獲取電壓極性信息。當(dāng)電路完全進入有源或續(xù)流模式時，開關(guān)的狀態(tài)與輸入電源電壓極性無關(guān)，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時減小了輸入電源短路的可能性。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案本發(fā)明的交流斬波器裝置，連接于交流電源1和負載電路8之間，其中包括多個開關(guān)的開關(guān)組；所述開關(guān)組包括第一單向開關(guān)Si、第二單向開關(guān)S2、第三單向開關(guān)S3、和第四單向開關(guān)S4;第一單向開關(guān)Sl和第四單向開關(guān)S4組成雙向開關(guān)Tl，第二單向開關(guān)S2和第三單向開關(guān)S3組成雙向開關(guān)T2 ；其中開關(guān)Sl的陽極與開關(guān)S2的陰極相連，開關(guān)S2的陽極與開關(guān)S3的陽極的相連，開關(guān)S3的陰極與開關(guān)S4的陽極相連；其中每一個單向開關(guān)分別包括一個開關(guān)管和一個二極管，所述二極管并聯(lián)于所述開關(guān)管的集電極和發(fā)射極之間，所述二極管的陰極與所述開關(guān)管集電極連接，這一端為所述開關(guān)的陰極；所述二極管的陽極與所述開關(guān)管發(fā)射極連接，這一端為所述開關(guān)的陽極；所述交流斬波器裝置還包括電壓極性檢測器6和開關(guān)控制邏輯單元7，其中，電壓極性檢測器6連接于所述交流電源1兩端，用于在開關(guān)切換狀態(tài)的時刻檢測出所述交流電源的電壓極性；開關(guān)控制邏輯單元接收所述電壓極性檢測器發(fā)來的電壓極性信號，并根據(jù)所述電壓極性信號向所述開關(guān)組的多個開關(guān)發(fā)出不同的控制信號，以控制所述多個開關(guān)的導(dǎo)通順序，最終使電路在續(xù)流模式與有源模式之間相互轉(zhuǎn)換，并且所述電路的兩種工作模式相互轉(zhuǎn)換時沒有所述負載電路8中的電流失去回路和所述交流電源1短路的情況發(fā)生；在開關(guān)控制邏輯單元7的控制下，所述交流電源1、所述雙向開關(guān)T1和所述負載電路8構(gòu)成第一回路，當(dāng)?shù)谝粏蜗蜷_關(guān)Sl和第四單向開關(guān)S4開通，第一回路導(dǎo)通時，電路工作在有源模式；所述雙向開關(guān)T2、和所述負載電路8構(gòu)成第二回路，其中所述負載電路8包括電感部分，當(dāng)?shù)诙蜗蜷_關(guān)S2和第三單向開關(guān)S3開通，第二回路導(dǎo)通時，負載電路8與交流電源1斷開，由于負載電路8中含有電感，負載電路8中電流不會馬上消失，電路工作在續(xù)流模式；根據(jù)電壓極性信號來控制多個開關(guān)的開通順序的開關(guān)切換方法能保證所述第一回路和所述第二回路至少有一個是導(dǎo)通的，即電路或者工作在有源模式或者工作在續(xù)流模式。所述開關(guān)管可以是雙極型晶體管、絕緣柵雙極型晶體管、金屬氧化物場效應(yīng)管晶體管、磁控管、或門控斷流器中的一種。所述開關(guān)控制邏輯單元7對所述開關(guān)組的控制包括以下模態(tài)根據(jù)電壓極性檢測器6的輸出信號，當(dāng)所述交流電源1與所述第一單向開關(guān)Sl連接的一端為正極時，電路從續(xù)流模式轉(zhuǎn)換到有源模式開關(guān)按照以下模態(tài)轉(zhuǎn)換順序進行第1模態(tài)所述第一單向開關(guān)Sl和第四單向開關(guān)S4關(guān)斷，第二單向開關(guān)S2和第三單向開關(guān)S3開通，所述第二回路導(dǎo)通，電路處于續(xù)流模式；第2模態(tài)所述第四開關(guān)S4關(guān)斷，第一單向開關(guān)Si、第二單向開關(guān)S2和第三單向開關(guān)S3開通，所述第二回路導(dǎo)通即電路工作在續(xù)流模式，當(dāng)所述負載電路8中電流使與第四開關(guān)S4相并聯(lián)的二極管正向偏置時，所述第一回路也導(dǎo)通即電路工作在有源模式；第3模態(tài)所述第三單向開關(guān)S3和第四單向S4關(guān)斷，第一單向開關(guān)Sl和第二單向開關(guān)S2開通，根據(jù)所述負載電路8中電流的方向，所述第一回路和所述第二回路中有一個導(dǎo)通，即電路或者工作在有源模式或者工作在續(xù)流模式；第4模態(tài)所述第三單向開關(guān)S3關(guān)斷，第一單向開關(guān)Si、第二單向開關(guān)S2和第四單向開關(guān)S4開通，所述第一回路導(dǎo)通即電路工作在有源模式，當(dāng)所述負載電路8中電流使與第三開關(guān)S3相并聯(lián)的二極管正向偏置時，所述第二回路也導(dǎo)通即電路工作在續(xù)流模式；第5模態(tài)所述第二單向開關(guān)S2和第三單向開關(guān)S3關(guān)斷，第一單向開關(guān)Sl和第四單向開關(guān)S4開通，只有所述第一回路導(dǎo)通，電路工作在有源模式；當(dāng)所述交流電源1與所述第一單向開關(guān)Sl連接的一端為正極時，電路從有源模式轉(zhuǎn)換到續(xù)流模式開關(guān)按照上述相反的模態(tài)轉(zhuǎn)換順序進行第5模態(tài)、第4模態(tài)、第3模態(tài)、第 2模態(tài)、第1模態(tài)；根據(jù)電壓極性檢測器6的輸出信號，當(dāng)所述交流電源1與所述第四單向開關(guān)S4連接的一端為正極時，電路從續(xù)流模式轉(zhuǎn)換到有源模式開關(guān)按照以下模態(tài)轉(zhuǎn)換順序進行第6模態(tài)所述第一單向開關(guān)Sl和第四單向開關(guān)S4關(guān)斷，第二單向開關(guān)S2和第三單向開關(guān)S3開通，所述第二回路導(dǎo)通，所述電路處于續(xù)流模式；第7模態(tài)所述第一開關(guān)Sl關(guān)斷，第二單向開關(guān)S2、第三單向開關(guān)S3和第四單向開關(guān)S4開通，所述第二回路導(dǎo)通即電路工作在續(xù)流模式，當(dāng)所述負載電路8中電流使與第一開關(guān)Sl相并聯(lián)的二極管正向偏置時，所述第一回路也導(dǎo)通即電路工作在有源模式；第8模態(tài)所述第一單向開關(guān)Sl和第二單向開關(guān)S2關(guān)斷，第三單向開關(guān)S3和第四單向S4開通，根據(jù)所述負載電路8中電流的方向，所述第一回路和所述第二回路中有一個導(dǎo)通，電路或者工作在有源模式或者工作在續(xù)流模式；第9模態(tài)所述第二單向開關(guān)S2關(guān)斷，第一單向開關(guān)Si、第三單向開關(guān)S3和第四單向開關(guān)S4開通，所述第一回路導(dǎo)通即電路工作在有源模式，當(dāng)所述負載電路8中電流使與第二開關(guān)S2相并聯(lián)的二極管正向偏置時，所述第二回路也導(dǎo)通即電路工作在續(xù)流模式；第10模態(tài)所述第二單向開關(guān)S2和第三單向開關(guān)S3關(guān)斷，第一單向開關(guān)Sl和第四單向開關(guān)S4開通，只有所述第一回路導(dǎo)通，所述電路工作在有源模式；當(dāng)所述交流電源1與所述第四單向開關(guān)S4連接的一端為正極時，電路從有源模式轉(zhuǎn)換到續(xù)流模式開關(guān)則按照上述相反的模態(tài)轉(zhuǎn)換順序進行第10模態(tài)、第9模態(tài)、第8模態(tài)、第7模態(tài)、第6模態(tài)。本發(fā)明的斬波器裝置所采用的開關(guān)切換方法與現(xiàn)有的斬波器裝置開關(guān)切換方法相比，有著明顯的優(yōu)點1、由于本發(fā)明的交流斬波器只在開關(guān)切換狀態(tài)時刻檢測輸入交流電源1電壓極性，因此輸入交流電源1電壓極性信號是非連續(xù)反饋到開關(guān)邏輯控制單元7， 系統(tǒng)不容易產(chǎn)生振蕩。2、當(dāng)電路完全工作在有源模式或續(xù)流模式時，開關(guān)的狀態(tài)與輸入交流電源1電壓極性無關(guān)，提高了系統(tǒng)的可靠性。
四

圖1是現(xiàn)有的斬波電路原理圖。圖2是現(xiàn)有的直流斬波器簡化電路原理圖。
圖3是現(xiàn)有直流斬波器關(guān)鍵工作波形示意圖。圖4是另一種現(xiàn)有交流斬波器的原理圖。圖5是現(xiàn)有交流斬波器電感充電與續(xù)流狀態(tài)示意圖。圖6是現(xiàn)有斬波器實際輸入電壓波形示意圖。圖7是一種現(xiàn)有開關(guān)控制策略在某種情況下產(chǎn)生輸入電壓短路時的示意圖。圖8是一種現(xiàn)有的基于輸入電壓極性的開關(guān)控制策略的系統(tǒng)控制示意圖。圖9是本發(fā)明的交流斬波器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖IOa 圖IOe是本發(fā)明的交流斬波器在輸入交流電源1的電壓正半周時，開關(guān)的工作狀態(tài)示意圖。圖IOf 圖IOj是本發(fā)明的交流斬波器在輸入交流電源1的電壓負半周時，開關(guān)的工作狀態(tài)示意圖。圖Ila是本發(fā)明的交流斬波器在輸入交流電源1的電壓正半周時，開關(guān)的控制時序圖。圖lib是本發(fā)明的交流斬波器在輸入交流電源1的電壓負半周時，開關(guān)的控制時序圖。
五具體實施例方式以下參照附圖對本發(fā)明的交流斬波器裝置及其斬波方法進行詳細說明。首先必須聲明的是，雖然本發(fā)明以下面的實施例進行說明，但是不能以本實施例對本發(fā)明進行限制性解釋，除以下的特殊說明外可以在權(quán)利要求書的范圍內(nèi)實施本發(fā)明。圖9是一個優(yōu)選實施例，交流電源1用于向負載電路8供電，負載電路8包括電感部分。交流斬波器連接于交流電源1和負載電路8之間，其中包括開關(guān)組，開關(guān)組由開關(guān)Si、 開關(guān)S2、開關(guān)S3、開關(guān)S4組成。開關(guān)Si、開關(guān)S2、開關(guān)S3、開關(guān)S4分別采用IGBT和二極管反并聯(lián)組成，二極管并聯(lián)于IGBT的集電極和發(fā)射極之間，二極管的陰極與IGBT的集電極連接，稱這一端為開關(guān)的陰極；二極管的陽極與IGBT的發(fā)射極連接，稱這一端為開關(guān)的陽極。 其中開關(guān)Sl的陽極與開關(guān)S2的陰極連接；開關(guān)S4的陽極與開關(guān)S3的陰極連接；開關(guān)Sl 和開關(guān)S4的陰極連接輸入交流電源1。那么，開關(guān)就可以控制從陰極到陽極方向的電流開通和關(guān)斷，而開關(guān)從陽極到陰極方向由于并聯(lián)了二極管，電流在這個方向始終導(dǎo)通，因此稱它們?yōu)閱蜗蜷_關(guān)。負載電路8與開關(guān)組連接，在開關(guān)組的控制下，電路工作可分為兩種模式有源模式和續(xù)流模式。當(dāng)開關(guān)Sl和開關(guān)S4開通時，定義為有源模式，能量由交流電源流向負載還是由負載反饋回交流電源取決于負載電路8中電流的方向。當(dāng)交流電源1連接開關(guān)Sl陰極端為正極性時，即交流電源1的正半周內(nèi)，交流電源1向負載電路8供電時，電流路徑為交流電源1 —開關(guān)Sl —負載電路8 —開關(guān)S4 —交流電源1，即圖IOa-IOe中的電流i3 ；負載電路8向交流電源1饋電時，電流路徑為負載電路8 —開關(guān)Sl —交流電源1 —開關(guān)S4 — 負載電路8，即圖IOa-IOe中的電流i4。當(dāng)交流電源1連接開關(guān)S4陰極端為正極性時，即交流電源1的負半周內(nèi)，交流電源1向負載電路8供電時，電流路徑為交流電源1 —開關(guān) S4 —負載電路8 —開關(guān)Sl —交流電源1，即圖IOf-IOj中的電流i4 ；負載電路8向交流電源1饋電時，電流路徑為負載電路8 —開關(guān)S4 —交流電源1 —開關(guān)Sl —負載電路8，即圖IOf-IOj中的電流i3。開關(guān)S2和開關(guān)S3開通，定義為續(xù)流模式，電流路徑根據(jù)負載電路 8中電流方向而不同，有負載電路8—開關(guān)S2—開關(guān)S3—負載電路8即圖IOa-IOj中的電流il ；負載電路8 —開關(guān)S3 —開關(guān)S2 —負載電路8即圖IOa-IOj中的電流i2。電路的工作模式轉(zhuǎn)換與開關(guān)組狀態(tài)變化關(guān)系詳見后述。電壓極性檢測器6，其輸入端與交流電源1并聯(lián)連接，用來檢測交流電源1的電壓極性，輸出端與開關(guān)邏輯控制單元7連接。開關(guān)控制邏輯單元7接收電壓極性檢測器6發(fā)來的電壓極性信號，然后生成不同的控制時序信號，用于控制開關(guān)組S1-S4的開通和關(guān)斷順序，詳見后述。為了便于說明開關(guān)時序與電路工作模式的對應(yīng)關(guān)系，可以將開關(guān)組S1-S4分為兩組開關(guān)Sl與開關(guān)S4組成一對雙向開關(guān)Tl，開關(guān)S2與開關(guān)S3組成一對雙向開關(guān)T2。這樣可定義交流電源1、雙向開關(guān)Tl和負載電路8構(gòu)成第一回路，第一回路導(dǎo)通時，電路工作在有源模式；而雙向開關(guān)T2、負載電路8構(gòu)成第二回路，第二回路導(dǎo)通時，電路工作在續(xù)流狀模式。通過控制開關(guān)組的切換順序，當(dāng)電路在有源模式與續(xù)流模式之間轉(zhuǎn)換時，本發(fā)明的開關(guān)切換方法能夠保證電路中的電流不失去回路。下面結(jié)合圖IOa-圖IOj和圖11a、圖lib來說明開關(guān)在切換時，電路工作在有源模式與續(xù)流模式之間的轉(zhuǎn)換過程。其中圖Ila和圖lib中開關(guān)在高電平時開通，低電平時關(guān)斷。其中開關(guān)Sl與開關(guān)S4組成一對雙向開關(guān)Tl，開關(guān)S2與開關(guān)S3組成一對雙向開關(guān) T2，為了簡化起見，Tl和T2不再標注于圖IOa-圖IOj中；前面所述第一回路即圖IOa-圖 IOj中開關(guān)Si、開關(guān)S4開通時，開關(guān)Si、開關(guān)S4與交流電源1和負載電路8構(gòu)成的回路，第二回路即圖IOa-圖IOj中開關(guān)S2、開關(guān)S3開通時，開關(guān)S2、開關(guān)S3與負載電路8構(gòu)成的回路。當(dāng)電壓極性檢測器6檢測到輸入交流電源1與開關(guān)Sl連接的一端為正極時，規(guī)定輸入交流電源1為正半周，電路工作模式從續(xù)流模式轉(zhuǎn)換到有源模式開關(guān)按照以下模態(tài)轉(zhuǎn)換順序進行第1模態(tài)如圖IOa所示，開關(guān)Sl和開關(guān)S4關(guān)斷，開關(guān)S2和開關(guān)S3導(dǎo)通，第二回路導(dǎo)通，此時負載電路中的電流按照il或i2所示方向流動，電路工作在續(xù)流模式；第2模態(tài)如圖IOb所示，開關(guān)S4關(guān)斷，開關(guān)Si、開關(guān)S2和開關(guān)S3開通，第二回路導(dǎo)通即電路工作在續(xù)流模式，此時負載電路8中的電流按照il或i2所示方向流動，當(dāng)負載電路8中電流使與開關(guān)S4相并聯(lián)的二極管正向偏置時，負載電路8中的電流也可以按照 i3所示方向流動即電路工作在有源模式，交流電源1向負載電路8供電；第3模態(tài)如圖IOc所示，開關(guān)S3和開關(guān)S4關(guān)斷，開關(guān)Sl和開關(guān)S2開通，負載電路8電流按照il或i3所示方向流動，第一回路和第二回路中有一個導(dǎo)通即電路或者工作在有源模式，或者工作在續(xù)流模式；第4模態(tài)如圖IOd所示，開關(guān)S3關(guān)斷，開關(guān)Si、開關(guān)S2和S4開通，所述第一回路導(dǎo)通即電路工作在有源模式，此時負載電路8中的電流按照i3或i4所示方向流動，交流電源1向負載電路8供電，或者負載電路8向交流電源1饋電，當(dāng)所述負載電路8中電流使與開關(guān)S3相并聯(lián)的二極管正向偏置時，負載電路8中的電流也可以按照il所示方向流動即電路工作在續(xù)流模式；第5模式如圖IOe所示，開關(guān)S2和開關(guān)S3關(guān)斷，開關(guān)Sl和開關(guān)S4開通，只有所述第一回路導(dǎo)通即電路工作在有源模式，此時負載電路8中的電流按照i3或i4所示方向流動，交流電源1向負載電路8供電，或者負載電路8向交流電源1饋電；在輸入交流電源1電壓方向相同的半個周期，電路工作模式從有源模式轉(zhuǎn)換為續(xù)流模式則按照上述相反的模態(tài)轉(zhuǎn)換順序進行第5模態(tài)、第4模態(tài)、第3模式、第2模態(tài)、第 1模態(tài)；總結(jié)上述開關(guān)模態(tài)轉(zhuǎn)換過程，在輸入交流電源1與開關(guān)Sl連接的一端電壓為正極性時的半周期內(nèi)，電路工作模式從續(xù)流模式轉(zhuǎn)換為有源模式時，開關(guān)按照圖Ila中 a-b-c-d-e的順序變換開關(guān)狀態(tài)；電路工作模式從有源模式轉(zhuǎn)換為續(xù)流模式時，開關(guān)按照圖Ila中e — d — c — b — a的順序變換開關(guān)狀態(tài)。這樣在輸入交流電源1電壓方向相同的半個周期內(nèi)，電路就在沒有電流失去回路的情況下完成續(xù)流模式與有源模式之間的完整循環(huán)轉(zhuǎn)換。當(dāng)電壓極性檢測器6檢測到輸入交流電源1與開關(guān)S4連接的一端為正極時，規(guī)定輸入交流電源1為負半周，電路工作模式從續(xù)流模式轉(zhuǎn)換到有源模式開關(guān)按照以下模態(tài)轉(zhuǎn)換順序進行第6模態(tài)如圖IOf所示，開關(guān)Sl和開關(guān)S4關(guān)斷，開關(guān)S2和開關(guān)S3開通，所述第二回路導(dǎo)通，此時負載電路8中的電流按照il或i2所示方向流動，電路工作在續(xù)流模式；第7模態(tài)如圖IOg所示，開關(guān)Sl關(guān)斷，開關(guān)S2、開關(guān)S3和開關(guān)S4開通，所述第二回路導(dǎo)通即電路工作在續(xù)流模式，此時負載電路8中的電流按照il或i2所示方向流動， 當(dāng)負載電路8中電流使與開關(guān)Sl相并聯(lián)的二極管正向偏置時，負載電路8中的電流也可以按照i4所示方向流動即電路工作在有源模式，交流電源1向負載電路供電；第8模態(tài)如圖IOh所示，開關(guān)Sl和S2關(guān)斷，開關(guān)S3和開關(guān)S4開通，負載電路電流按照i2或i4所示方向流動，第一回路和第二回路中有一個導(dǎo)通即電路或者工作在有源模式，或者工作在續(xù)流模式；第9模態(tài)如圖IOi所示開關(guān)S2關(guān)斷，開關(guān)Si、開關(guān)S3和S4開通，所述第一回路導(dǎo)通即電路工作在有源模式，此時負載電路8中的電流按照i3或i4所示方向流動，負載電路8向交流電源1饋電，或者交流電源1向負載電路8供電，當(dāng)所述負載電路8中電流使與開關(guān)S2相并聯(lián)的二極管正向偏置時，負載電路8中的電流也可以按照i2所示方向流動，電路工作在續(xù)流模式；第10模態(tài)如圖IOi所示，開關(guān)S2和開關(guān)S3關(guān)斷，開關(guān)Sl和開關(guān)S4開通，只有所述第一回路導(dǎo)通即電路工作在有源模式，此時負載電路8中的電流按照i3或i4所示方向流動，負載電路8向交流電源1饋電，或者交流電源1向負載電路8供電；在輸入交流電源1電壓方向相同的半個周期，電路工作模式從有源模式轉(zhuǎn)換為續(xù)流模式開關(guān)則按照上述相反的模態(tài)轉(zhuǎn)換順序進行第10模態(tài)、第9模態(tài)、第8模式、第7模態(tài)、第6模態(tài)；總結(jié)上述開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程，在輸入交流電源1與開關(guān)S4連接的一端電壓為正極性時的半周期內(nèi)，電路工作模式從續(xù)流模式轉(zhuǎn)換為有源模式時，開關(guān)按照圖lib中 a-b-c-d-e的順序變換開關(guān)狀態(tài)；電路工作模式從有源模式轉(zhuǎn)換為續(xù)流模式時，開關(guān)按照圖lib中e — d — c — b — a的順序變換開關(guān)狀態(tài)。這樣在輸入交流電源1電壓方向相同的半個周期內(nèi)，電路就在沒有電流失去回路的情況下完成續(xù)流模式與有源模式之間的完整循環(huán)轉(zhuǎn)換。由于本發(fā)明的交流斬波器裝置開關(guān)切換方法只在電路工作在續(xù)流模式和有源模式進行轉(zhuǎn)換時，開關(guān)組的狀態(tài)才與輸入交流電源1電壓極性信號有關(guān)，因此系統(tǒng)的安全可靠性高；而且，由于本方法的電壓極性信號是非連續(xù)反饋到開關(guān)控制邏輯單元的，因此系統(tǒng)不容易產(chǎn)生振蕩。雖然本發(fā)明已經(jīng)參考其中的具體實施例進行了描述，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員仍然可進行很多變通和改進等等。只要不超出本發(fā)明精神，都應(yīng)該在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種交流斬波器，連接于交流電源1和負載電路8之間，其中包括多個開關(guān)的開關(guān)組，開關(guān)組與所述交流電源1連接；所述開關(guān)組包括第一單向開關(guān)Si、第二單向開關(guān)S2、第三單向開關(guān)S3、和第四單向開關(guān)S4;第一單向開關(guān)Sl和第四單向開關(guān)S4組成雙向開關(guān)Tl，第二單向開關(guān)S2和第三單向開關(guān)S3組成雙向開關(guān)T2 ；其中開關(guān)Sl的陽極與開關(guān)S2的陰極相連，開關(guān)S2的陽極與開關(guān)S3的陽極的相連，開關(guān)S3的陰極與開關(guān)S4的陽極相連；其中每一個單向開關(guān)分別包括一個開關(guān)管和一個二極管，所述二極管并聯(lián)于所述開關(guān)管的集電極和發(fā)射極之間，所述二極管的陰極與所述開關(guān)管集電極連接，這一端為所述開關(guān)的陰極；所述二極管的陽極與所述開關(guān)管發(fā)射極連接，這一端為所述開關(guān)的陽極；其特征在于，所述交流斬波器裝置還包括電壓極性檢測器6和開關(guān)控制邏輯單元7， 其中，電壓極性檢測器6連接于所述交流電源1兩端，用于在開關(guān)切換狀態(tài)的時刻檢測出所述交流電源1的電壓極性；開關(guān)控制邏輯單元7接收所述電壓極性檢測器6發(fā)來的電壓極性信號，并根據(jù)所述電壓極性信號向所述開關(guān)組的多個開關(guān)發(fā)出不同的控制信號，以控制所述多個開關(guān)的狀態(tài)切換順序，最終使電路在續(xù)流模式與有源模式之間相互轉(zhuǎn)換，并且所述電路的兩種工作模式相互轉(zhuǎn)換時沒有負載電路8中的電流失去回路和所述交流電源1短路的情況發(fā)生；在開關(guān)控制邏輯單元7的控制下，所述交流電源1、所述雙向開關(guān)T1和所述負載電路8 構(gòu)成第一回路，當(dāng)?shù)谝粏蜗蜷_關(guān)Sl和第四單向開關(guān)S4開通，第一回路導(dǎo)通時，電路工作在有源模式；所述雙向開關(guān)T2和所述負載電路構(gòu)成第二回路，其中所述負載電路8包括電感部分，當(dāng)?shù)诙蜗蜷_關(guān)S2和第三單向開關(guān)S3開通，第二回路導(dǎo)通時，負載電路8與交流電源1斷開，由于負載電路8中含有電感，負載電路8中電流不會馬上消失，電路工作在續(xù)流模式；根據(jù)電壓極性信號來控制多個開關(guān)的導(dǎo)通順序的開關(guān)切換方法能保證所述第一回路和所述第二回路至少有一個是導(dǎo)通的，即電路或者工作在有源模式或者工作在續(xù)流模式。
2.如權(quán)利要求1所述的交流斬波器裝置，其特征在于，所述開關(guān)管可以是雙極型晶體管、絕緣柵雙極型晶體管、金屬氧化物場效應(yīng)管晶體管、磁控管、或門控斷流器中的一種。
3.如權(quán)利要求1所述的交流斬波器裝置，其特征在于，所述開關(guān)控制邏輯單元7對所述開關(guān)組的控制包括以下模態(tài)根據(jù)電壓極性檢測器6的輸出信號，當(dāng)所述交流電源1與所述第一單向開關(guān)Sl連接的一端為正極時，電路從續(xù)流模式轉(zhuǎn)換到有源模式開關(guān)按照以下模態(tài)轉(zhuǎn)換順序進行第1模態(tài)所述第一單向開關(guān)Sl和第四單向開關(guān)S4關(guān)斷，第二單向開關(guān)S2和第三單向開關(guān)S3開通，所述第二回路導(dǎo)通，電路處于續(xù)流模式；第2模態(tài)所述第四開關(guān)S4關(guān)斷，第一單向開關(guān)Si、第二單向開關(guān)S2和第三單向開關(guān) S3開通，所述第二回路導(dǎo)通，即電路工作在續(xù)流模式，當(dāng)所述負載電路8中電流使與第四開關(guān)S4相并聯(lián)的二極管正向偏置時，所述第一回路也導(dǎo)通，即電路工作在有源模式；第3模態(tài)所述第三單向開關(guān)S3和第四單向開關(guān)S4關(guān)斷，第一單向開關(guān)Sl和第二單向開關(guān)S2開通，根據(jù)所述負載電路8中電流的方向，所述第一回路和所述第二回路中有一個導(dǎo)通，即電路或者工作在有源模式或者工作在續(xù)流模式；第4模態(tài)所述第三單向開關(guān)S3關(guān)斷，第一單向開關(guān)Si、第二單向開關(guān)S2和第四單向開關(guān)S4開通，所述第一回路導(dǎo)通即電路工作在有源模式，當(dāng)所述負載電路8中電流使與第三開關(guān)S3相并聯(lián)的二極管正向偏置時，所述第二回路也導(dǎo)通即電路工作在續(xù)流模式；第5模態(tài)所述第二單向開關(guān)S2和第三單向開關(guān)S3關(guān)斷，第一單向開關(guān)Sl和第四單向開關(guān)S4開通，只有所述第一回路導(dǎo)通，電路工作在有源模式；當(dāng)所述交流電源1與所述第一單向開關(guān)Sl連接的一端為正極時，電路從有源模式轉(zhuǎn)換到續(xù)流模式，開關(guān)按照上述相反的模態(tài)轉(zhuǎn)換順序進行第5模態(tài)、第4模態(tài)、第3模態(tài)、第2 模態(tài)、第1模態(tài)；根據(jù)電壓極性檢測器6的輸出信號，當(dāng)所述交流電源1與所述第四單向開關(guān)S4連接的一端為正極時，電路從續(xù)流模式轉(zhuǎn)換到有源模式開關(guān)按照以下模態(tài)轉(zhuǎn)換順序進行第6模態(tài)所述第一單向開關(guān)Sl和第四單向開關(guān)S4關(guān)斷，第二單向開關(guān)S2和第三單向開關(guān)S3開通，所述第二回路導(dǎo)通，所述電路處于續(xù)流模式；第7模態(tài)所述第一單向開關(guān)Sl關(guān)斷，第二單向開關(guān)S2、第三單向開關(guān)S3和第四單向開關(guān)S4開通，所述第二回路導(dǎo)通即電路工作在續(xù)流模式，當(dāng)所述負載電路8中電流使與第一單向開關(guān)Sl相并聯(lián)的二極管正向偏置時，所述第一回路也導(dǎo)通即電路工作在有源模式； 第8模態(tài)所述第一單向開關(guān)Sl和第二單向開關(guān)S2關(guān)斷，第三單向開關(guān)S3和第四單向開關(guān)S4開通，根據(jù)所述負載電路8中電流的方向，所述第一回路和所述第二回路中有一個導(dǎo)通，即電路或者工作在有源模式或者工作在續(xù)流模式；第9模態(tài)所述第二單向開關(guān)S2關(guān)斷，第一單向開關(guān)Si、第三單向開關(guān)S3和第四單向開關(guān)S4開通，所述第一回路導(dǎo)通即電路工作在有源模式，當(dāng)所述負載電路8中電流使與第二開關(guān)S2相并聯(lián)的二極管正向偏置時，所述第二回路也導(dǎo)通即電路工作在續(xù)流模式；第10模態(tài)所述第二單向開關(guān)S2和第三單向開關(guān)S3關(guān)斷，第一單向開關(guān)Sl和第四單向開關(guān)S4開通，只有所述第一回路導(dǎo)通，所述電路工作在有源模式；當(dāng)所述交流電源1與所述第四單向開關(guān)S4連接的一端為正極時，電路從有源模式轉(zhuǎn)換到續(xù)流模式，開關(guān)按照上述相反的模態(tài)轉(zhuǎn)換順序進行第10模態(tài)、第9模態(tài)、第8模態(tài)、第7 模態(tài)、第6模態(tài)。
全文摘要
一種交流斬波器，連接于交流電源和負載電路之間，包括開關(guān)組、電壓極性檢測器以及開關(guān)控制邏輯單元。其中，電壓極性檢測器連接于交流電源兩端，用于開關(guān)切換狀態(tài)時以便檢測出斬波器輸入交流電源的電壓極性；開關(guān)控制邏輯單元接收電壓極性檢測器發(fā)來的電壓極性信號，并根據(jù)電壓極性信號向開關(guān)組發(fā)出不同的控制信號，以控制開關(guān)組的狀態(tài)切換順序，最終使電路在續(xù)流模式與有源模式之間相互轉(zhuǎn)換。由于本發(fā)明的開關(guān)切換方法只在電路續(xù)流模式和有源模式進行轉(zhuǎn)換時，開關(guān)組的狀態(tài)才與輸入交流電源電壓極性信號有關(guān)，因此系統(tǒng)的安全可靠性高；而且，由于本方法的電壓極性信號是非連續(xù)反饋到開關(guān)控制邏輯單元的，因此系統(tǒng)不容易產(chǎn)生振蕩。
文檔編號H02M5/293GK102291005SQ20101020502
公開日2011年12月21日 申請日期2010年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月18日
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