專利名稱：高功率因數(shù)電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明，總的來說，涉及電力供應(yīng)，更具體地說，涉及這樣一種電源，該電源包括有一個工作時輸入功率因數(shù)高，同時又能使其輸出端的瞬態(tài)響應(yīng)始終保持快速的交流/直流開關(guān)換流器。
一般的整流器，功率因數(shù)低，因而限制了可從交流線路上提取的電力，達(dá)到僅為線路額定值的幾分之一的程度。此外，這些一般的整流器還從交流線路上引來了高度畸變了的交流線電流，往往使其它電氣設(shè)備除受過電流和過電壓的影響外，還受這些干擾的影響。提高功率因數(shù)的方法有無源波形整形法，即采用輸入濾波器，和有源法，即采用換流器的增加或減少布局。這些獲取高功率因數(shù)的一般有源法通常采用完全分立的在前換流器(up-front converter)達(dá)到高功率因數(shù)，后面再加上直流/直流換流器來產(chǎn)生所要求的經(jīng)調(diào)節(jié)的直流輸出電壓。這樣，電力經(jīng)過兩次變換，成本既高，效率又低。而且，在前換流器還必須將所輸送的整個電力加以轉(zhuǎn)換。事實上，必須轉(zhuǎn)換的峰值功率等于所輸送的平均功率的兩倍。
1987年2月10日頒發(fā)給R.L.施泰格爾沃爾德(Steigewald)和W.P.科恩朗夫(Kornrumpf)一般經(jīng)過轉(zhuǎn)讓的美國專利4，642，745介紹了一種采用單個功率級又能在高功率因數(shù)下運行的電力變換系統(tǒng)，這里也把該專利包括進(jìn)去，以供參考。施泰格爾沃爾德和科恩朗夫?qū)＠碾娏ψ儞Q系統(tǒng)包括一個全波交流整流器，一個直流/交流換流器，一個具有初級繞組、緊密耦合的次級輸出繞組和不緊密耦合的次級升壓繞組的變壓器和一個耦合到次級升壓繞組的諧振電容器。次級輸出繞組藉脈寬調(diào)制(PWM)進(jìn)行控制，次級升壓繞組則藉調(diào)頻進(jìn)行控制，因而輸入電流和輸出電壓可以彼此獨立地進(jìn)行控制。但由于施泰格爾沃爾德和科恩朗夫?qū)＠拇渭壣龎豪@組和初級升壓繞組是彼此耦合的(雖然耦合得不緊密)，因而藉PWM控制對直流輸出電壓進(jìn)行的任何控制影響輸入電流的波形。因此，雖然上述施泰格爾沃爾德和科恩朗夫?qū)＠碾娫粗徊捎靡粋€功率級而功率因數(shù)較高，但在某些應(yīng)用場合總希望能通過將升壓變換器與電源輸出電壓完全隔絕開來(例如通過降低輸出的弱脈動電流)進(jìn)一步提高功率因數(shù)，或者提高其性能。
因此本發(fā)明的目的是提供一種新型的經(jīng)改進(jìn)的外切換電源，該電源包括有單個功率級，有兩個輸出端，工作時功率因數(shù)高。
本發(fā)明的另一個目的是提供這樣的一種線外切換電源，該電源包括有雙輸出端換流器，能從交流源提取優(yōu)質(zhì)的電流波形，同時能在快速瞬態(tài)響應(yīng)的情況下產(chǎn)生經(jīng)調(diào)節(jié)的直流輸出電壓。
本發(fā)明還有另外一個目的，即提供這樣的一種線外切換電源，該電源包括有一個雙輸出端電力變換器，變換器的一個輸出端與其輸入端串聯(lián)連接，以提供高的功率因數(shù)，變換器的另一個輸出端提供作為電源輸出的直流電壓。
本發(fā)明還有另一個目的，即提供一種高功率因素的“前端”(front-end)電源，適宜例如供電給配電系統(tǒng)的直流母線，或改裝現(xiàn)行低功率因數(shù)的切換電源。
本發(fā)明的上述和其它目的是在這樣的一種線外切換電源上實現(xiàn)的，該電源包括有一個交流整流器和一個雙輸出端的切換變換器，變換器的第一輸出端連接在自己的輸入端與交流整流器之間，以提供高的功率因數(shù)，另一個輸出端，即第二輸出端提供作為電源輸出的直流電壓。雙輸出端變換器的各輸出端彼此完全隔絕，因而可以獨立控制交流輸入電流和電源輸出電壓。
在一個最佳實施例中，有一個全波交流整流器電橋經(jīng)由一個輸入升壓換流裝置與雙輸出端電力變換器的第一輸出端串聯(lián)連接。升壓變換裝置包括一個由升壓變壓器的次級繞組和諧振電容并聯(lián)組成的線路，還包括一個升壓整流器。升壓換流裝置的輸出端接直流線路。在升壓換流裝置輸出端處的直流線路與地之間連接有一對電容值基本相同的串聯(lián)蓄能電容器。直流線路與地之間還連接有一個全橋式直流/交流換流器，供提供激勵升壓換流裝置用的第一交流信號。升壓變壓器的初級繞組與一個諧振電感串聯(lián)連接，此串聯(lián)組合電路連接在連接著兩個蓄能電容器的中間抽頭與全橋式換流器的一個橋臂之間。全橋式換流器經(jīng)由一個變壓器給一個輸出整流器提供第二交流電壓，以產(chǎn)生經(jīng)調(diào)節(jié)的直流輸出電壓。雙輸出端換流器的兩個輸出獨立受到控制。舉例說，在一個最佳實施例中，用PWM裝置控制經(jīng)調(diào)節(jié)的輸出電壓(即第二輸出)的幅值，同時通過主動控制升壓換流裝置的頻率控制交流輸入電流的幅值，從而控制第一輸出電壓。在另一個最佳實施例中，升壓換流裝置頻率的這種控制是被動的，就是說，依賴升壓換流諧振電路的增益特性。由于輸入升壓換流裝置與電源輸出電壓完全隔絕，因而本發(fā)明的線外切換電源能從交流源提取優(yōu)質(zhì)的電流波形，同時能在快速瞬時響應(yīng)的情況下產(chǎn)生經(jīng)調(diào)節(jié)的直流輸出電壓。
本發(fā)明的另一個方面，通過一個交流整流器和一個直流/交流換流器的組合，提供了一種配套的高功率因數(shù)“前端”電源，用以例如給配電系統(tǒng)的直流母線供電，或改裝現(xiàn)行低功率因數(shù)的切換電源，直流/交流換流器的輸出端與交流整流器串聯(lián)連接。在一個最佳實施例中，直流/交流換流器包括有一個全橋式換流器或半橋式換流器，換流器的輸出端經(jīng)由一個諧振升壓換流裝置與交流整流器串聯(lián)連接。這樣就可以從交流源提取優(yōu)質(zhì)的電流波形，而且可以給系統(tǒng)的負(fù)荷(例如配電系統(tǒng)中的多個直流/直流換流器)提供高功率因數(shù)的輸出電壓。
結(jié)合附圖參看下面本發(fā)明的詳細(xì)說明即可清楚了解本發(fā)明的特點和優(yōu)點。附圖中;


圖1是一般雙輸出端電源的原理示意圖;
圖2是本發(fā)明包括有雙輸出端直流/直流換流器的電源的原理示意圖;
圖3A是本發(fā)明的一個線外切換電源的一個最佳實施例的原理示意圖;
圖3B是本發(fā)明的線外切換電源中使用的升壓換流輸出電路另一個實施例的原理示意圖;
圖4是適宜控制本發(fā)明的電源的運行過程的控制系統(tǒng)的原理示意圖;
圖5是本發(fā)明的線外切換電源另一個實施例的原理示意圖。
圖1示出了本技術(shù)領(lǐng)域熟知的一種電源1，用以從交流電源2接收交流電力線路的電壓，并提供兩個可單獨加以控制的輸出電壓E出1和E出2。電源1包括有一個全波整流器10，該整器有四個二極管11-14在一起連接成全橋式結(jié)構(gòu)，用以給一般雙輸出端直流/直流換流器15提供經(jīng)整流的交流線電壓。
按照本發(fā)明，提供直流輸出電壓E出2的高功率因數(shù)電源4是通過雙輸出端換流器15的一個輸出端(例如E出1)與經(jīng)整流的交流線電壓的串聯(lián)連接實現(xiàn)的，如圖2所示。
圖3A示出了本發(fā)明用以將交流電力線路的電壓變換成經(jīng)調(diào)節(jié)的直流輸出電壓的線外切換電源的一個最佳實施例。按照圖3A的實施例，本發(fā)明的電源包括有一個連接到交流電源2的全波整流器10，該整流器具有四個二極管11-14連接在一起形成全橋式結(jié)構(gòu)。整流器10在b點與0點之間提供全波整流電壓。如圖3A所示，升壓換流器輸出電路16經(jīng)由高頻濾波電感器Lλ與全波整流器串聯(lián)連接。不然必要時也可以將高頻濾波電感器Lλ連接到整流器10的交流側(cè)。升壓換流器輸出電路16包括與諧振電容器Cr并聯(lián)連接的一個升壓變壓器Tb的一個帶中間抽頭的變壓器次級繞組18。升壓換流器輸出電路還包括一個帶中間抽頭的變壓器和由二極管20和21組成的全波升壓整流器，各二極管的正極接諧振電容器Cr的各相應(yīng)端。二極管20和21的陰極在一起連接在a點，a點則處于電位Vao，連接到直流線路。
如圖3A所示，直流/交流換流器22由全橋式連接的開關(guān)器件Q1-Q4組成，連接在直流線路與地之間。串聯(lián)組合的升壓變壓器繞組24與諧振電感器Lr連接在換流器22的開關(guān)器件Q1和Q2的連接點與一對較大的帶中間抽頭的蓄能電容器Cλ/2的連接點之間。(不然，如果電容器Cλ/2串聯(lián)組合之后與另一個較大的蓄能電容器(圖中未示出)并聯(lián)，則電容器Cλ/2也可以較小。)如圖3B所示，升壓換流器輸出電路16的另一個實施例包括一個全波橋式整流器，該整流器由二極管6-9和升壓變壓器Tb的一個次級繞組17組成。另外，雖然圖3A所示的升壓電力變換器輸出電路16是由一個并聯(lián)諧振電路組成的，不難理解，采用其它諧振電路結(jié)構(gòu)也同樣可以使本發(fā)明具有上述優(yōu)點。例如，可以采用串/并聯(lián)諧振的組合電路，在變壓器Tb的初級或次級側(cè)串聯(lián)諧振電感器Lr。又例如可以采用一個串聯(lián)一個諧振的電路結(jié)構(gòu)，在變壓器Tb的初級側(cè)或次級側(cè)將諧振電容器Cr與諧振電感器Lr串聯(lián)起來，而不是象圖3A所示的那樣并聯(lián)起來。
另一個變壓器27的初級繞組26跨接在連接全橋式換流器相應(yīng)各橋臂的開關(guān)器件Q1-Q2和Q3-Q4的連接點上。變壓器27次級繞組28的相應(yīng)端連接到二極管30和31的正極上。二極管30和31的負(fù)極連接到輸出濾波電感器32和輸出濾波電容器34上。經(jīng)調(diào)節(jié)的直流輸出電壓E出加到電容器34的兩端。
工作時，升壓換流器提供全橋式整流器10的輸出電壓｜VL｜與直流線路電壓Vao之間的瞬時電壓差。諧振升壓換流器的輸出電壓由全橋式換流開關(guān)器件Q1-Q4的開關(guān)頻率通過升壓換流器諧振電路Lr和Cr兩端產(chǎn)生的第一交流信號控制，直流輸出電壓E出則通過對變壓器27兩端產(chǎn)生的第二交流信號進(jìn)行脈寬調(diào)制(PWM)進(jìn)行控制，即通過換流器兩橋臂的彼此移相進(jìn)行控制。由于對全橋式換流器的兩個橋臂進(jìn)行移相并不影響加到諧振電路Lr和Cr的電壓，因而升壓換流器電壓Vab不受電源輸出電壓E出的影響。因此輸入升壓換流器和電源輸出電壓同時達(dá)到快速的瞬態(tài)響應(yīng)。
圖4示出了本發(fā)明的電源適當(dāng)?shù)目刂破?，在上述施泰格爾沃爾德和科恩朗夫的美國專?，642，745中介紹了這個控制器。(圖4中的各編號對應(yīng)于施泰格爾沃爾德和科恩朗夫?qū)＠械木幪?。施泰格爾沃爾德和科恩朗夫的專利介紹了用以控制經(jīng)調(diào)節(jié)的直流輸出電壓的PWM控制器，控制是在每當(dāng)在控制直流輸出電壓E＊出與實際直流輸出電壓E出之間檢測出誤差時通過調(diào)節(jié)換流器輸出信號的占空因數(shù)進(jìn)行的。此外，施泰格爾沃爾德和科恩朗夫的專利介紹了一種有效的頻率控制，即將換流器的實際輸入電流與市電線電壓同相的控制電流進(jìn)行比較，出現(xiàn)任何差別時就對頻率進(jìn)行調(diào)整，以控制升壓換流器。這里有利的一點是，由于本發(fā)明的升壓換流器與電源輸出電壓完全隔絕，因而采用施泰格爾沃爾德和科恩朗夫的控制系統(tǒng)對直流輸出電壓進(jìn)行任何調(diào)節(jié)并不影響本發(fā)明換流器的輸入電流。
此外還有另一個好處，即由于并聯(lián)諧振電路Lr和Cr的增益特性好，因而即使不對交流線電流進(jìn)行有效控制，本發(fā)明的電源也能以較高的功率因數(shù)和較低的交流峰值線電流工作。在靠近輸入交流電流波形的波谷附近，傳輸?shù)墓β实停抑C振電路負(fù)荷不大，因而升壓換流器輸出電壓能跳動上升以提供所需高的升壓，即瞬時交流線電壓｜VL｜的低值與直流線路電壓Vao之間的差值。相反，在輸入的交流電流波形的波峰附近，傳輸?shù)墓β瘦^高，且諧振電路高度抑制。因此需要稍微升壓作用。所以并聯(lián)諧振升壓換流器的增益特性必然促使電源產(chǎn)生高的功率因數(shù)。因此本發(fā)明有這樣的好處，即為了提高的功率因數(shù)，本發(fā)明的電源不需要有效控制所輸入的交流電流波形。這樣，4中控制器40的用虛線70表示的部分就可以有利地加以取消，必要時將補償器增益方框69的輸出端通過電阻器58連接到鋸齒形電壓發(fā)生器58(如虛線71所示)上，從而簡化了本發(fā)明高功率因數(shù)電源所需的控制電路。
還有另一個優(yōu)點，升壓電力變換器不需要將傳送到負(fù)荷的整個電力都加以變換。就是說，對基本上不大于交流輸入電壓(即小于兩倍交流辦入電壓的峰值)的直流線路電壓Vao來說，由于開關(guān)電源中的升壓換流器是串聯(lián)的，因而升壓電力變換器的峰值額定值小于傳輸?shù)街绷骶€路的峰值功率。舉例說，直流線路電壓Vao比交流線電壓的峰值高大約25%時，升壓換流器所變換的峰值功率約為所傳輸?shù)娜β实?8%，升壓換流器所處理的平均功率約為所傳輸?shù)恼麄€功率的59%。
圖5示出了本發(fā)明的電源特別適用于需要使用配套式交流/直流“前端”換流器以便例如供電給配電系統(tǒng)直流母線或改裝現(xiàn)行低功率因數(shù)開關(guān)電源的場合的另一個方面。如圖5所示，圖3A的帶中間抽頭的蓄能電容器Cλ/2用一個等效的蓄能電容器Cλ代替了，該電容器的兩端跨接有一個專用的諧振半橋式換流器80。(不然也可以采用圖3A所示的那種由開關(guān)器件Q1-Q4組成的全橋式換流器)。換流器80包括串聯(lián)連接的開關(guān)器件Q1和Q2連同在其連接點處由升壓初級繞組24、諧振電感Lr和電容Cb串聯(lián)組成(不然也可以如圖3A的電容器Cλ/2那樣由一對電容器Cb/2并聯(lián)連接)的諧振電路。圖5的諧振升壓換流器可由半橋式換流器開關(guān)器件Q1和Q2的開關(guān)頻率控制，上述施泰格爾沃爾德和科恩朗夫的美國專利4，642，745介紹了這種頻率控制的適當(dāng)方式。不然諧振升壓換流器也可藉適當(dāng)?shù)腜WM控制器進(jìn)行控制。
盡管本發(fā)明的電力變換器是就裝有雙輸出端換流器、換流器的各輸出或者由諧振頻率控制、或者由PWM控制、或者由兩者混合方式控制的電源進(jìn)行說明的，但不言而喻，本發(fā)明的電源是可以采用任何型式的雙輸出端電力變換器來實現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)點的。因此盡管本說明書到此為止所介紹的是本發(fā)明的一些最佳實施例，顯然這些最佳實施例僅僅是舉例而已。在不脫離本發(fā)明實質(zhì)的前提下，熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人士是可以對它們進(jìn)行各種修改和更改甚至提出另一種方案的。因此我們的意圖是，本發(fā)明僅僅只受本說明書所附權(quán)利要求書精神實質(zhì)和范圍的限制。
權(quán)利要求
1.一種提供直流輸出電壓的高功率因數(shù)電源，其特征在于，它包括交流整流裝置，連接到交流電力線路時用以提供整流的交流電壓；雙輸出端電力變換器，用以提供第一和第二輸出電壓，所述各輸出電壓可獨立加以控制，所述第一輸出電壓串聯(lián)連接在所述交流整流裝置與所述雙輸出端電力變換器的輸入端之間，且所述第一輸出電壓包括電源直流輸出電壓。
2.一種電源，其特征在于，它包括交流整流裝置，連接到交流電力線路時用以提供經(jīng)整流的交流電壓;雙輸出端換流器，包括升壓換流裝置和直流/交流換流裝置，所述升壓換流裝置包括連接在所述交流整流裝置與一個直流線路電壓之間的升壓變壓器的次級繞組，所述升壓換流裝置還包括諧振電路裝置，該諧振電路裝置則包括由一個升壓變壓器、一個諧振電感和一個諧振電容組成的電路，所述直流/交流換流裝置接收所述直流線路電壓并產(chǎn)生第一和第二交流信號，所述第一交流信號激勵所述升壓換流裝置，所述升壓換流裝置的輸入電流的幅值與所述第一交流信號的頻率有關(guān);輸出整流裝置，用以接收所述第二交流信號，并根據(jù)該交流信號產(chǎn)生經(jīng)調(diào)節(jié)的輸出直流電壓，所述經(jīng)調(diào)節(jié)的輸出直流電壓與所述諧振電路裝置的輸出電壓隔絕;和脈寬調(diào)制裝置，連接到所述輸出整流裝置上，用以通過對所述第二交流信號進(jìn)行脈寬調(diào)制控制所述經(jīng)調(diào)節(jié)的輸出直流電壓的幅值。
3.如權(quán)利要求2所述的電源，其特征在于，它還包括調(diào)頻裝置，用以控制所述第一交流信號的頻率，使所述電力變換器從所述交流電力線路提取與所述電力線路的電壓同相的基本上呈正弦波的電流。
4.如權(quán)利要求2所述的電源，其特征在于，所述升壓變壓器的次級繞組有一個中間抽頭，該中間抽頭連接到所述交流整流裝置上;且所述電力變換器還包括一個帶有中間抽頭的全波升壓整流器，連接到所述升壓變壓器的次級繞組。
5.如權(quán)利要求2所述的電源，其特征在于，它還包括一個全波升壓整流器，該整流器包括一個由兩對串聯(lián)連接的二極管并聯(lián)組成的電路，所述升壓器的次級繞組連接在相應(yīng)各對二極管的連接點之間。
6.如權(quán)利要求2所述的電源，其特征在于，所述諧振電容與升壓變壓器并聯(lián)連接，而所述諧振電感與升壓變壓器串聯(lián)連接。
7.如權(quán)利要求2所述的電源，其特征在于，所述諧振電容與所述諧振電感串聯(lián)連接，所述諧振電容與所述諧振電感串聯(lián)組成的電路與升壓變壓器串聯(lián)連接。
8.如權(quán)利要求2所述的電源，其特征在于;所述諧振電容與升壓變壓器并聯(lián)連接;所述諧振電感與升壓變壓器串聯(lián)連接;且所述諧振電路裝置還包括另一個與所述諧振電感串聯(lián)的諧振電容。
9.如權(quán)利要求2所述的電源，其特征在于，所述直流/交流換流裝置包括一個全橋式換流器。
10.一種電源，其特征在于，它包括交流整流裝置，連接到交流電力線路上時用以提供經(jīng)整流的交流電壓;升壓換流裝置，包括串聯(lián)連接在所述交流整流裝置與直流線路電壓之間的升壓變壓器的次級繞組，所述升壓換流裝置還包括諧振電路裝置，該諧振電路裝置則包括由一個升壓變壓器、一個諧振電感和一個諧振電容組成的電路;直流/交流換流裝置，用以接收所述直流線路電壓，并產(chǎn)生用以激勵所述升壓換流裝置的交流信號，所述升壓換流裝置的輸入電流的幅值與所述交流信號的頻率有關(guān)。
11.如權(quán)利要求10所述的電源，其特征在于，它還包括調(diào)頻裝置，用以控制所述交流信號的頻率，使所述電力變換器從所述交流電力線路提取與所述電力線路的電壓同相的基本上呈正弦波的電流。
12.如權(quán)利要求10所述的電源，其特征在于，所述升壓變壓器的次級繞組有一個中間抽頭，該中間抽頭連接到所述交流整裝置上;且所述電力變換器還包括一個帶有中間抽頭的全波升壓整流器，連接到所述升壓變壓器的次級繞組。
13.如權(quán)利要求10所述的電源，其特征在于，它還包括一個全波升壓整流器，該整流器包括一個由兩對串聯(lián)連接的二極管并聯(lián)組成的電路，所述升壓變壓器的次級繞組連接在相應(yīng)各對二極管的連接點之間。
14.如權(quán)利要求10所述的電源，其特征在于，所述諧振電容與升壓變壓器并聯(lián)連接，而所述諧振電感與升壓變壓器串聯(lián)連接。
15.如權(quán)利要求10所述的電源，其特征在于，所述諧振電容與所述諧振電感串聯(lián)連接，所述諧振電容與所述諧振電感串聯(lián)組成的電路與升壓變壓器串聯(lián)連接。
16.如權(quán)利要求10所述的電源，其特征在于，所述諧振電容與升壓變壓器并聯(lián)連接;所述諧振電感與升壓變壓器串聯(lián)連接;且所述諧振電路裝置還包括另一個與所述諧振電感串聯(lián)的諧振電容。
17.如權(quán)利要求10所述的電源，其特征在于，所述直流/交流換流裝置包括一個全橋式換流器。
18.如權(quán)利要求10所述的電源，其特征在于，所述直流/交流換流裝置包括一個半橋式換流器。
全文摘要
一種線外切換電源，包括一個交流整流器和一個雙輸出端開關(guān)變換器，該變換器的一個輸出端連接在其輸入端與交流整流器之間，以提供高的功率因數(shù)，另一個輸出端提供作為電源輸出的直流電壓。雙輸出變換器的各輸出彼此完全隔絕，因而可以獨立控制交流輸入電流和電源輸出電壓。在一個最佳實施例中，電力變換器的第二輸出端經(jīng)由輸入諧振升壓變換器串聯(lián)有一個全波交流整流器橋。直流線路與地之間連接有一個全橋式直流／交流換流器。
文檔編號H02M3/28GK1064178SQ9210080
公開日1992年9月2日 申請日期1992年2月7日 優(yōu)先權(quán)日1991年2月8日
發(fā)明者R·L·施泰格瓦爾德 申請人:通用電氣公司