CN101030730A

CN101030730A - 开关电源电路和逆变装置

Info

Publication number: CN101030730A
Application number: CNA200710006510XA
Authority: CN
Inventors: 中岛彻; 平贺正宏; 木村铁也; 井堀敏; 广田雅之
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2002-05-22
Filing date: 2003-05-22
Publication date: 2007-09-05
Also published as: KR20030091723A; EP1365499B1; TW200308138A; CN1309155C; EP1365499A1; US20040066661A1; CN1474501A; TWI291804B; US20070058400A1; KR100549135B1; JP2003339164A; US7151680B2; US7394668B2

Abstract

本发明提供在特别是接收电压为高电压时开关电源电路的起动电路中通过降低加到起动电路用电阻器上的电压而降低电力损失、小型化、低成本化的开关电源电路。在2个以上电容器串联连接的电容器的直流电源部和从该直流电源部接收直流电力的供给并利用PWM控制电路对变压器的初级侧进行开关控制而输出电压规格不同的直流电压的开关电源电路，其特征在于：将上述直流电压部的直流电压进行分压，通过电阻器将上述PWM控制电路的电源供给部与该分压点连接。

Description

开关电源电路和逆变装置

(本申请是2003年5月22日提出的申请号为03136874.3的同名申请的分案申请)

技术领域

本发明涉及具有至少2个以上与直流电压部串联连接的电容器的装置，特别是可以从该直流电压部得到电压规格不同的直流电压的开关电源电路的电路结构。

背景技术

作为参考的技术，作为接收交流电源得到直流电压、进而从该直流电压得到电压规格不同的直流电压的电源电路，有开关电源电路。例如，有特开2000-60118号公报的图6所示的电路。该开关电源电路是出直流电压部接收直流电力的供给、利用PWM控制电路对变压器的初级侧进行开关控制从而输出电压规格不同的直流电压的开关电源电路，但是，输入的交流电压为200V、400V等，该电压越高，直流电压部的电压也越高，在开关电源电路的起动电路使用的电阻器8、9中发生的电力损失就大致与接收电压的平方成正比地增大。作为解决这一问题的方法，在特开2000-60118号公报公开的发明中，是仅在开关电源电路起动时通过电阻器将电力供给作为上述PWM控制电路用的电源控制IC，在开关电源电路开始动作之后，切断向该电阻器流动的电流。但是，在切断控制电流的电路中需要具有与直流电压部的电压相称的耐压的有源元件，从而电路将变得复杂，成本提高。

作为解决上述问题的其他方法，如上述特开2000-60118号公报的图6所示的那样，通过串联连接2个以上的起动电力的电阻器进行分压，另外，为了将电阻器发生的热进行散热，使电阻器本身大型化，或者，即使是电阻器单体的最大容许电压以下也通过增加电阻器的串联连接数将发热源分散，或在电阻器的周围设置充分的散热空间。

上述开关电源电路在直流电压部的电压Vi上升时，加到起动电路的电阻器上的电压也上升，所以，存在以下(1)～(3)中说明的问题。

(1)在加到起动电路的电阻器上的电压或电力超过电阻器的最大容许值时，必须串联连接2个以上，电压越高，串联连接的电阻器数就越增加，从而成为可靠性降低和成本提高的原因。

(2)此外，加到电阻器上的电压越高，电力损失引起的电阻器的发热越增加，为了放热，需要充分大的空间。中央，将成为机器的大型化和成本提高的原因。

(3)作为改良上述(1)、(2)问题的特开2000-60118号公报所述的发明，在所记载的参考技术中，切断控制电流的电路需要具有与直流电压部的电压相称的耐压的有源元件，所以，特别是接收电压越高，就越需要耐压高的有源元件，从而电路将复杂，成本提高。

发明内容

本发明的目的旨在特别是在接收电压高时通过利用简单的电力结构降低加到起动电路的电阻器上的电压降低电力损失从而提供小型、低成本的开关电源电路。

为了解决上述问题，本发明利用特别是在接收电压高时必须串联连接2个以上的直流电压部的平滑电容器的情况，在具有至少串联连接2个电容器的直流电源部和从该直流电压部接收直流电流的供给、利用PWM控制电路对变压器的初级侧进行开关控制从而输出电压规格不同的直流电压的电源供给部的开关电源电路中，将上述直流电压部的直流电压分压，通过电阻器将上述PWM控制电路的电源与该分压的点连接，降低在上述起动电路用电阻器中发生的电力损失。或者，实现小型、低成本。

附图说明：

图1是表示本发明的1个实施例的开关电源装置的电路结构的图。

图2是表示本发明的起动电路的电力损失特性的图。

图3是用于说明本发明的1个实施例的等效电路的图。

图4是表示本发明的1个实施例的开关电源装置的电路结构的图。

图5是表示本发明的1个实施例的开关电源装置的电路结构的图。

图6是作为本发明的1个实施例表示通用逆变器的电源电路的例子的图。

发明的具体实施方式

下面，参照图示的实施例详细说明本发明的开关电源电路的电路结构。

图1是将本发明的开关电源电路具体化的1个实施例。在图1中，DR是将交流电源V_AC整流而得到直流电压的整流用二极管。CB1、CB2是电容器，用于使由整流二极管DR生成的直流电压进行平滑。RB1、RB2是电压平衡用的电阻器，用于使加到电容器CB1、CB2上的电压均等化。点A是电容器CB1和CB2、电阻器RB1和RB2分别串联连接的连接点。点B是出现由电容器CB1、CB2平滑后的直流电压Vi的部分。CTRL是用于对开关电源电路的变压器的初级侧进行PWM控制的PWM控制电路，具体而言，由输出PWM控制信号的电源控制IC构成，例如可以使用日立制作所制造的HA16107FP的集成电路。点C是向PWM控制电路CTRL供给必要的电力的端子。M是开关元件。CS、DS、RS分别是浪涌电压吸收用的缓冲电容器、缓冲二极管、缓冲电阻器。R1是开关电源电路起动时和起动后用于向PWM控制电路CTRL供给电力的起动电路的电阻器。在图1中，电阻器R1是1个，但是，根据需要进行串联连接并调整串联的数量。D1、D2、C1、C2分别是整流二极管和平滑用电容器。在图1中，整流二极管DR的整流方式是将单相交流进行桥式整流，但是，整流方式没有什么特别限制。

在本发明的实施例中，将电阻器R1与点A连接。在参考的技术中，将起动电路的电阻器R1与由电容器CB1、CB2平滑后的点B连接。在本发明的实施例中，点A的电压V_A比点B的电压Vi低，所以，可以降低加到电阻器R1上的电压，从而可以降低电阻器R1发生的损失。另外，可以减少电阻器的串联连接数，从而可以减小用于放热的空间。通过上述处理，可以提高可靠性，图2是表示对于PWM控制电路CTRL需要大致相同的电流时分压点A的电压V_A与电阻器R1发生的电力损失的关系的图，可以降低大致与分压点A的电压成正比的电阻器R1发生的电力损失。即，将从分压点A的直流电压V_A中减去加到PWM控制电路CTRL上的电压V_CTRL后的电压加到电阻器R1上，但是，通常加到PWM控制电路CTRL上的电压几乎在十数V以下，基本上是一定的。因此，将电阻器R1与分压点A连接而将电力供给PWM控制电路CTRL时，与分压点A的电压大致成正比地降低电力损失。

通常，将加到电容器CB1、CB2上电压进行均等化处理使分压点A的电压V_A成为点B的电压Vi的1/2时，加到电阻器R1上的电压成为参考技术的约1/2。这时，在后面所述的公式(公式1)中，可以选择RB1、RB2、R1的值，使V_A＝Vi/2。

这时，如图1所示，从将电容器CB1、CB2串联连接的分压点A向起动电路取出电流时，与电容器CB1、CB2并联连接的平衡电阻的值将发生偏离，所以，电容器CB1和CB2的电压将消散。因此，必须考虑合成阻抗以获得电压的平衡。

图3是等效地描述图1中的RB1、RB2、R1、CB1、CB2、PWM控制电路CTRL的输入阻抗R_CTRL的等效电路。这里，设V_A为将电容器串联连接的分压点A的电压、Vi为直流电压部B的电压。流过RB1的电流I₁是流过RB2的电流I₂与流过R1的电流I_R之和。RB1上的电压降决定分压点A的电压V_A，由分压点A的电压V_A和RB2、R1、R_CTRL的值决定I₂和I_R的值。根据以上的关系，可以导出以下的公式(公式1)。

【公式1】

V_{A} = \frac{1}{1 + RB 1 \frac{RB 2 + R 1 + R_{CTRL}}{RB 2 (R 1 + R_{CTRL})}} Vi

使用(公式1)可以选择电阻器RB1、RB2、R1，以使分压点A的电压V_A成为所希望的电压。但是，R_CTRL由CTRL的规格另外决定。另外，必须保持V_C＜V_A＜Vi的关系。

如上所述，通过适当地选择电阻器R1和与电容器CB1、CB2并联连接的电阻器RB1、RB2的电阻值，可以使加到电容器CB1、CB2上的电压稳定为任意的值，所以，可以使加到电容器CB1、CB2上的电压与任意的电压平衡，并且，与参考的技术相比，可以从作为电容器CB1和CB2的连接点的分压点A向控制电路CTRL供给小的电力。

图4是本发明的其他实施例，是串联连接3个电容器的例子。在图4中，CB1、CB2、CB3分别是电容器，RB1、RB2、RB3分别是与电容器并联连接的电阻器。在图3中，将R1与CB2和CB2的串联连接点连接。作为例子，如果RB1、RB2、RB3、R1的电阻值使之满足以下的公式(公式2)，则可使加到CB1、CB2、CB3上的电压均等。

【公式2】

V_{A} = \frac{1}{1 + (RB 1 + RB 2) \frac{RB 3 + R 1 + R_{CTRL}}{RB 3 (R 1 + R_{CTRL})}} V_{i}

这时，如果选定使RB1与RB2相等，则图4的分压点A的电压V_A就成为图4中B点的电压Vi的1/3。在图4所示的例子中，电容器是3个，但是，串联连接的电容器的数量不是什么特别问题，4个以上的电容器，同样也可以实现。

在图1和图4中，电路结构成为所谓的回扫变换器，但是，除此以外，也可以是例如正向变换器或半桥式、全桥式等开关电源电路方式。

图5表示本发明的其他实施例。电容器CB1、CB2串联连接，分别各连接2个电阻器RB1、RB2、RB3、RB4。如图5所示，电阻器R1与电阻器RB3和RB4的串联连接部连接。通过采用图5所示的结构，可以进一步降低加到R1上的电压。在图5中，分别与电容器CB1、CB2并联连接的电阻器各为2个，但是，电阻器的数量没有特别关系，(作为例子，是3个以上)，另外，与电容器CB1、CB2连接的电阻器的数量不一定必须相同。

另外，作为将使用本发明实施例的电源供给方法的开关电源组装到电气机器中的一例，将通用的逆变装置使用的实施例示于图6。在图6中，二极管D1～D6是三相交流的整流用二极管，构成从交流电源V_AC接收交流并变换为直流电压的整流器(变换部)。Q1～Q6是逆变器用开关元件，使用IGBT或双极性晶体管等功率晶体管。二极管FWD1～FWD6是逆变器用环流二极管，构成将直流中间电压(P-N间直流电压)变换为任意的电压可变频率可变的三相交流电压的逆变部。图6所示实施例的逆变装置至少具有上述变换部或逆变部。在图6所示的实施例中，直流中间电压(P-N间直流电压)成为使用变换部的输出的结构。但是，不限定逆变装置必须包含变换部的结构。因此，也可以是利用结构不具有变换部而从外部的电力供给源供给直流中间电压(P-N间直流电压)的逆变装置的实施例。

由半导体开关元件Thy和电阻器RD构成电流向电容器C1、C2突入的防止电路。在图6中，电容器CB1、CB2是通用逆变装置的直流中间电压部的平滑电容器。图6的情况，是将2个电容器CB1、CB2串联连接使用，电压平衡用的电阻器RB1、RB2与电容器CB1、CB2并联连接。图6的PS与图1所示的PS相同，由构成开关电源电路的PWM控制电路CTRL、开关元件M、变压器T等构成。该PS作为将控制电压供给通用逆变装置的逆变控制电路CTL的控制电源使用。在图6中，和图1一样，电阻器R1与电容器CB1、CB2的串联连接点连接，另外，变压器的初级绕组L1与图6的直流电压的正侧的点P连接(点P对PS而言相当于图1的点B)，图6的直流电压的负侧的点N与PWM控制电路CTRL或开关元件M的共同电位部连接。

在以上的实施例中，考虑了与电容器并联连接的电阻值(阻抗值)以使加到电容器CB1、CB2、…上的电压均等，但是，作为电容器CB1、CB2、…的额定电压，通常使用相同的值，所以，可以有效地利用电容器CB1、CB2、…的能力。另外，在接收高电压时，加到电容器上的电压超过了耐压时，或者接收高电压时为了使加到电容器上的电压有余量，必须将2个以上的电容器串联连接，本发明的实施例利用这些结构降低起动用电阻的电力损失。因此，不准备起动用特别的电容器等，可以用简单的结构而且低的成本实施。

按照本发明，可以降低加到用于向开关电源供给电力的电阻器上的电压，从而可以降低电力损失，减少发热。或者，可以提供小型化、低成本化的机器。

Claims

1.一种频率转换器，包括：

整流器，其用于接收AC电压；

第一平滑电容，其具有与所述整流器的第一输出端子连接的第一端子，其中V_i是所述第一平滑电容的所述第一端子的电压；

第二平滑电容，其具有与所述整流器的第二输出端子连接的第一端子，其中所述第一平滑电容的第二端子与所述第二平滑电容的第二端子连接，其中V_A是所述第一平滑电容和所述第二平滑电容的所述第二端子的电压，并且其中V_A是低于V_i的电压；

第一电阻R1，其与所述第一平滑电容并联连接；

第二电阻R2，其与所述第二平滑电容并联连接；

变压器，其具有与所述第一平滑电容的所述第一端子连接的一次绕组的第一端子；

PWM控制电路，其具有DC电源输入端，其中所述PWM控制电路执行与所述变压器的所述一次绕组的第二端子连接的开关的开关控制；

第三电阻R3，其具有与所述第一平滑电容和所述第二平滑电容的所述第二端子连接的第一端子，并具有与所述PWM控制电路的所述DC电源输入端连接的第二端子；

逆变器开关装置，其包括功率晶体管，并与所述第一平滑电容和所述第二平滑电容的所述第一端子连接；和

逆变器控制电路，其控制所述逆变器开关装置。

2.根据权利要求1所述的频率转换器，其特征在于，所述第一平滑电容的所述第一端子直接连接到所述变压器的所述一次绕组。

3.根据权利要求1所述的频率转换器，其特征在于，所述第一电阻包括第一电阻器和第二电阻器。

4.根据权利要求1所述的频率转换器，其特征在于，所述第一平滑电容包括第一电容器和第二电容器。

5.根据权利要求1所述的频率转换器，其特征在于，跨越所述第一平滑电容和所述第二平滑电容的电压基本相等。

6.根据权利要求1所述的频率转换器，其特征在于，通过选择所述第一、第二和第三电阻的值而将所述第一平滑电容和所述第二平滑电容的所述第二端子的所述电压V_A设置成指定值。

7.根据权利要求6所述的频率转换器，其特征在于，所述第一、第二和第三电阻的选择值是根据公式V_A＝[1+R1·(R2+R3+R_CTRL)/{R2·(R3+R_CTRL)}]^-1·V_i做出的，其中R_CTRL是所述PWM控制电路的电阻。

8.根据权利要求7所述的频率转换器，其特征在于，由R2、R3和R_CTRL组成的电路的电阻与所述第一电阻R1基本相等。

9.根据权利要求1所述的频率转换器，还包括：

所述变压器的三次绕组，其与所述DC电源输入端连接；和

第三平滑电容，其与所述三次绕组并联连接。

10.一种频率转换器，包括：

整流器，其用于接收AC电压；

第一电阻R1，其与所述第一平滑电容并联连接；

第二电阻R2，其与所述第二平滑电容并联连接，其中所述第二电阻R2包括多个串联连接的电阻器；

PWM控制电路，其具有DC电源输入端，其中所述PWM控制电路在变压器的一次绕组上执行开关控制；

第三电阻R3，其具有与所述第二电阻R2的所述多个电阻器中的两个之间的连接点连接的第一端子，并具有与所述PWM控制电路的所述DC电源输入端连接的第二端子；

逆变器控制电路，其控制所述逆变器开关装置。

11.根据权利要求10所述的频率转换器，其中所述第二平滑电容的所述第一端子直接连接到所述变压器的所述一次绕组。

12.根据权利要求10所述的频率转换器，其特征在于，所述第一平滑电容的所述第一端子与所述变压器的所述一次绕组连接。

13.根据权利要求10所述的频率转换器，其特征在于，所述第一平滑电容包括第一电容器和第二电容器。

14.根据权利要求10所述的频率转换器，其特征在于，跨越所述第一和第二电容的电压基本相等。

15.根据权利要求10所述的频率转换器，其特征在于，通过选择电阻的值而将所述第一平滑电容和所述第二平滑电容的所述第二端子的所述电压V_A设置成指定值。

16.根据权利要求10所述的频率转换器，其特征在于，还包括：

所述变压器的三次绕组，其与所述DC电源输入端连接；和

第三平滑电容，其与所述三次绕组并联连接。