CN101263439B - 浪涌电流限制器设备和包括该设备的功率因数控制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于限制针对可连接负载(3)的浪涌电流的浪涌电流限制器设备(4),包括:至少一个可开关的基于IGBT的限制器单元(5),用于选择性地限制浪涌电流,其具有至少一个限流导体元件,该限流导体元件用于有限引导电流,和至少一个基于IGBT的开关(Q2),其中基于IGBT的开关(Q2)用作受控电流限制器和旁通元件,和至少一个控制设备(7),用于控制基于IGBT的开关(Q2),其中控制设备(7)包括至少一个基于IGBT的开关电源(6)和用于实现选定导体元件处的输出信号的平滑侧面的装置(8)。

Description

浪涌电流限制器设备和包括该设备的功率因数控制电路
技术领域
[0001] 本发明涉及一种用于限制针对可连接负载的浪涌电流的浪涌电流限制器设备,包 括:至少一个可开关的基于IGBT(绝缘栅双极型晶体管)的限制器单元,用于选择性地限制 浪涌电流,其具有至少一个限流导体元件,该限流导体元件用于有限引导电流,和至少一个 基于IGBT的开关,其中基于IGBT(绝缘栅双极型晶体管)的开关(Q2)用作受控电流限制 器和旁通元件,和至少一个控制设备,用于控制基于IGBT的开关,其中控制设备包括至少 一个基于IGBT的开关电源和用于实现选定导体元件处的输出信号的平滑侧面的装置。 [0002] 本发明进一步涉及一种功率因数控制电路,其可连接到主电源(main fed)和负载 和/或连接在其之间,包括:具有电容缓冲单元的AC/DC转换器,和浪涌电流限制器设备。
背景技术
[0003] 该公知的功率因数控制电路和浪涌电流限制器在广泛的应用领域中使用,其 中在高的功率电平和/或电压下操作的负载需受到保护,防止浪涌电流引起损坏,如US 5, 930, 130中描述的。现代负载被最优化,通过使电功率消耗最小获得最大的电效率。不幸 的是,为了提高镇流器的效率而进行的改变减小了特定的外部电阻。这引出了新的问题:最 初施加电功率时出现了大的浪涌关断电流。该浪涌电流随着主滤波器电容器而流动,并且 镇流器充电到其稳定状态值。对于包含多个镇流器的照明电路,浪涌的组合幅度潜在地是 足够大的,以使由拱起和接触焊接引起的开关设备的接触失效。
[0004] US 6,862,201描述了一种用于控制功率因数校正控制电路中的浪涌电流的方法 和电源,其中浪涌电流包括用于分流环绕无源设备和通过有源设备的输出电流的装置。优 选地,无源设备电阻具有正温度系数(PTC)。
[0005] 为了保护负载不受浪涌电流引起的损坏,使用具有浪涌电流限制器的功率因数控 制电路。
[0006] 用于负载的公知的功率因数控制电路通常包括AC/DC转换器,其跟随有浪涌电流 限制器,该浪涌电流限制器包括由IGBT栅极电源供电的基于IGBT的开关。为了控制IGBT 开关,特别是为了开关操作,使用复杂的集成电路。传统上,导通时的浪涌电流受到NTC(负 温度系数)电阻器或功率电阻器的限制,在导通之后使用继电器或IGBT将其短接。NTC由 于其功率损耗仅可用于约低于一百瓦的较低的功率电平,而继电器具有低的损耗但是其寿 命受到限制。为了在数千瓦下使用时具有低的损耗并且具有长的寿命,使用基于IGBT的开 关是良好的解决方案,但是其从关断状态切换到导通状态的瞬间和速度是非常关键的。如 果这发生得过快或过于突然,则IGBT开关将由于导通瞬间的过度的电流和功率耗散而击 穿。
[0007] 某些非常复杂的电路和驱动器已被设计用于处理该开关操作,但是其在重复地导 通和关断时仍可能失效。另一缺陷在于,用于控制IGBT的电路是非常复杂的并且易于损 坏。
[0008] 而且,现有技术中公知的功率因数控制电路由于缺乏负载和上游配置的缓冲器之间的同步,在负载的启动周期中突然工作并且产生脱落(drop out)。 发明内容
[0009] 因此,本发明的目的在于提供一种具有基于IGBT的开关的功率因数控制电路,其 适用于实现基于IGBT的开关处的电流信号的平滑侧面(smooth flank)。而且,另一 目的在 于提供一种功率因数控制电路,其使负载和缓冲器之间的启动周期同步,其中用于控制基 于IGBT的开关的设备具有不太难懂和不太复杂的设计。
[0010] 该目的是通过根据权利要求1的浪涌电流限制器解决的。子权利要求中描述了优 选实施例。
[0011] 因此,用于限制针对可连接负载的浪涌电流的浪涌电流限制器设备包括:至少一 个可开关的基于IGBT的限制器单元,用于选择性地限制浪涌电流,其具有至少一个限流导 体元件,用于有限引导电流,和至少一个基于IGBT的开关,其中基于IGBT的开关用作受控 电流限制器和旁通元件,和至少一个控制设备,用于控制基于IGBT的开关,其中控制设备 包括至少一个基于IGBT的开关电源和用于实现选定导体元件处的输出信号的平滑侧面的 装置,其中装置(8)包括低通滤波器单元,其包括电容器(C3)、电阻器(R3)和二极管(D2), 其中绝缘栅双极型晶体管(Q2)栅极电源经由电阻器(R3)、电容器(C3)和栅极保护二极管 (D2)被连接为星形,其中电阻器(R3)由基于绝缘栅双极型晶体管的开关电源(6)提供的 准恒定电流充电,电容器(C3)接地,并且栅极保护二极管(D2)连接到绝缘栅双极型晶体管 (Q2)的发射极,其中电阻器(R3)限制电容器(C3)的充电电流,由此在电容器(C3)上存在 受限的dV/dt。
[0012] 优选地,该实现装置单独包括选自包括电阻器、电容器、二极管和/或无源部件等 的组中的元件。这实现了简单的设计,其易于生产。因此不必使用有源IC部件。术语"单 独"并未排除电缆布线或其他连接装置。
[0013] 该实现装置还可以包括选自包含集成无源电路或者网络单独地或者与前面提及 的非IC元件组合的组中的元件。
[0014] 该元件和/或单元可以至少部分地以集成的方式设置到壳体中。该壳体可以进一 步容纳如散热器等的单元。
[0015] 更优选的是,该实现装置被设置为滤波器单元,其选自包括低通滤波器单元的组, 并且耦合到基于IGBT的开关。通过该滤波器,阻止干扰信号到达基于IGBT的开关。由此 防止了导体元件的输出端处的锋利和陡峭的侧面。该低通滤波器优选地是不具有有源IC 元件的非IC低通滤波器。
[0016] 同样优选的是,滤波器单元的元件被耦合为星形。 一个导线从中心引导到基于 IGBT的开关的输入端。另一导线经由二极管,优选地是齐纳二极管,导向基于IGBT的开关 的输出端。第三个导线经由dV/dt限制电阻器耦合到IGBT栅极电源的输入端。第四个导 线将dV/dt限制电容器耦合到星形配置。整个配置表示低通滤波器。
[0017] 优选的是,浪涌电流限制器设备进一步包括可充电电容缓冲器,其设置在关于基 于IGBT的限制器单元的下游,用于形成缓冲的输出。该电容缓冲器充电直至其被完全充 电。在充满电之后,电流流向负载并且开关基于IGBT的开关,使得电流通过基于IGBT的开 关的无限制旁通导体元件部分。[0018] 同样优选的是,控制设备进一步包括用于使关于可连接负载和/或电容缓冲器的 开关同步的装置。通过提供低通滤波器实现了平滑侧面。为了防止脱落效应,必须针对填 充和负载控制开关操作。如果开关被激活,由此针对负载的电流经由限流导体元件流动并 且电容缓冲器未被完全填充,则负载将完整地使用缓冲器中存储的能量,这是因为导体元 件未向负载提供足够的能量。因此当缓冲器为空并且限流导体元件未向负载提供足够的功 率时,负载将产生脱落。为了防止脱落效应,提供了同步装置。这意味着,依赖于缓冲器的 填充状态和负载的操作模式,基于IGBT的开关单元从一个位置切换到另一位置。 [0019] 优选的是,同步装置包括至少一个开关和负载激活电路,其检测可充电电容缓冲 器的填充状态或充电并且/或者发送用于开关基于IGBT的开关的对应信号,由此基于IGBT 的开关的旁通导体元件部分是电流引导导体。
[0020] 通过该开关和负载激活电路,可以确保不会发生脱落效应。仅在缓冲器充满电之
后,负载可被操作并且开关将切换到适当的位置,由此实现了负载的充分供电。
[0021] 而且,该问题通过一种功率因数控制电路解决,其可连接到主电源和负载或者连
接在其之间,该功率因数控制电路包括:AC/DC转换器,其具有电容DC缓冲器单元,和浪涌
电流限制器设备,其包括设置在浪涌电流限制器的上游并且具有适于接合(meet)浪涌电
流限制器的调节导体的PFC电压调节单元。该电容DC缓冲器用作高频去耦单元,并且由对
应的电容器形成。
[0022] 优选地,AC/DC转换器的输出端通过导体耦合到浪涌电流限制器设备,其中一个导 体接合用于去耦和将电流存储在DC缓冲器单元的调节导体。
[0023] 基于IGBT的开关电源、用于实现平滑侧面的装置和/或同步装置可以至少部分地
集成配置。甚至与基于IGBT的限制器单元的组合也是可行的。通过这种集成配置,得到的
集成电路将适用于较小的额定功率并且适用于集成电路形式的大规模生产。
[0024] 所有元件可以离散配置或者至少部分地以集成电路形式配置。
[0025] 通过参考下面描述的实施例,本发明的这些和其他方面将是显而易见的并且将得
到说明。
附图说明
[0026] 图1示意性地示出了主电源、具有浪涌电流限制器设备的功率因数控制电路和负 载的配置,
[0027] 图2示意性地示出了浪涌电流限制器设备的更详细的视图,并且 [0028] 图3示出了电子布局的详细视图。
具体实施方式
[0029] 图1示意性地示出了本发明的设计,其中主电源1或者公共ac电源经由引线连接 到PFC电路2。 PFC电路2连接到负载3,其中该负载可以是任何负载,例如灯。PFC电路进 一步包括浪涌电流限制器设备4,其一端接地,并且自负载3获取信息,其由离开浪涌电流 限制器设备4指向负载3的箭头表示。图2中更加详细地描述了浪涌电流限制器4。 [0030] 图2示意性地示出了本发明的浪涌电流限制器设备4。浪涌电流限制器设备4包括 基于IGBT的限制器单元5,其具有无限制传导路径和受限传导路径(未详细示出),这些路
6径交替地通过对应的开关耦合。基于IGBT的限制单元由IGBT栅极电源6供电。基于IGBT 的开关5耦合到用于控制所述基于IGBT的开关5的控制设备7,控制设备7包括用于实现 选定导体元件或传导路径处的输出信号的平滑侧面的装置8和用于使关于可连接负载和/ 或电容缓冲器的开关操作同步的装置9以及IGBT栅极电源6。控制设备7耦合到负载和/ 或电容缓冲器(均未示出)。图3中示出了本发明的更详细的设计。
[0031] 在图3中详细示出了电路图。PFC电路2耦合到公共AC电源或主电源1。 PFC电 路2包括具有AC/DC变压器的传统部分,其包括(在主电源1处开始,从左到右)整流器电 桥B1、PFC输入电容器C1、PFC电感器L1、PFC感测电阻器R1、PFC M0SFET Q1、和PFC二极 管Dl。高频去耦电容器C2与该传统部分并联耦合,导致了求和点,在该点处去耦电容器C2 的信号和PFC电压调节单元VR的信号被求和。PFC电路的新的部分,即位于框4中的浪涌 电流限制器设备自该求和点开始。浪涌电流限制器设备4包括基于IGBT的限制器单元5, 其包括一个电阻受限传导路径或者具有浪涌电流限制电阻器R2的限流导体元件,以及一 个无限制传导路径或者非限流旁通导体元件部分。传导路径从受限传导路径处分出支路经 由纯粹的IGBT开关回到受限传导路径。
[0032] 浪涌电流限制器设备4进一步包括控制设备7,其包括一个基于IGBT的开关电源 6和用于实现选定导体元件处的输出信号的平滑侧面或者用于使关于可连接负载和/或电 容缓冲器C4的开关操作同步的装置8、9。基于IGBT的开关电源6被形成为公共IGBT栅极 电源。实现装置8被形成为低通滤波器,其具有dV/dt限制电阻器R3、齐纳二极管D2,其优 选地是18V的齐纳二极管、和/或dV/dt限制电容器C3。低通滤波器连接到基于IGBT的开 关限制器单元5,更精确地,连接到基于IGBT的开关Q2的输入端、IGBT栅极电源6和同步 装置9。装置9被形成为开关和负载激活电路,其包括用于与负载通信的装置。装置9连接 到低通滤波器以及连接AC/DC变压器和负载的引线。 [0033] 下面描述驱动器的原理功能。
[0034] 图的左边部分(到主电源1为止)给出了传统的PFC电路,其中主电源1被添加 用作高频去耦的存储电容器。PFC DC输出电压调节VR连接到电容器C2,而非如其正常操 作连接到大容量电容器C4。
[0035] R2是功率电阻器,当主电源1连接到放电电容器C4时,其限制浪涌电流。当PFC 开始运行时,IGBT(Q2)栅极电源变得激活。传统上,该栅极电源直接耦合到IGBT,由此可以 预见在IGBT中存在危险的和可能破坏性的峰值电流。
[0036] 这里栅极电源经由电阻器R3连接,并且电容器C3连接在IGBT栅极和地(经由电 子开关)之间。R3限制电容器C3的充电电流,由此在电容器C3上存在受限的dV/dt,并且 因此在连接到IGBT发射极的电容器C4上也存在受限的dV/dt。因此,电容器C4(穿过电 阻器R2和IGBTQ2)的充电电流也受到限制,由此不会有部件被击穿。二极管D2用作栅极 保护二极管。进入电容器C4的电流由I = dV/dt x C4确定,其中dV/dt是例如(10伏特 /R3/C3)。在电容器C3的底部连接了开关和dV/dt检测电路,其准确地在电容器C4充满电 的时刻开关负载,由此PFC电路将不会由于长时间找不到负载而重复导通和关断。同时断 开电容器C3与地的连接,由此电容器C4上的负载电压波动不会影响IGBTQ2的栅极电压。 [0037] 基于IGBT的开关电源6、实现装置8、同步装置9和/或基于IGBT的限制器单元 可以形成集成电路,其适于大规模生产并且甚至可在较低的额定功率下使用。[0038] 应当考虑,术语"包括"并未排除其他元素。而且,"一个"并未排除多个,并且单个 单元可以实现权利要求中叙述的多个装置的功能。权利要求中给出的参考标记不应被解释 为限制权利要求的范围。
[0039] 参考标记列表 [0040] 1 主电源
[0041] 2 功率因数控制(PFC)电路
[0042] 3 负载
[0043] 4 浪涌电流限制器设备
[0044] 5 基于IGBT的限制器单元
[0045] 6 基于IGBT的开关电源
[0046] 7 控制设备
[0047] 8 实现(平滑侧面)装置
[0048] 9 同步(无脱落)装置
[0049] Bl 整流器电桥
[0050] CI 输入电容器
[0051] C2 去耦电容器
[0052] C3 限制电容器
[0053] C4 输出电容器
[0054] Dl PFC 二极管
[0055] D2 齐纳二极管
[0056] 电感器
[0057] Rl 感测电阻器
[0058] R2 限制电阻器
[0059] R3 dV/dt限制电阻器
[0060] Ql M0SFET
[0061] Q2 基于IGBT的开关
[0062] VR PFC电压调节单元

Claims (6)

  1. 用于限制针对可连接负载(3)的浪涌电流的浪涌电流限制器设备(4),包括:至少一个可开关的基于绝缘栅双极型晶体管的限制器单元(5),用于选择性地限制浪涌电流,其具有:至少一个限流导体元件,用于有限引导电流,和至少一个基于绝缘栅双极型晶体管的开关(Q2),其中基于绝缘栅双极型晶体管的开关(Q2)用作受控电流限制器和旁通元件,和至少一个控制设备(7),用于控制基于绝缘栅双极型晶体管的开关(Q2),其中控制设备(7)包括:至少一个基于绝缘栅双极型晶体管的开关电源(6),和用于实现选定导体元件处的输出信号的平滑侧面的装置(8),其中装置(8)包括低通滤波器单元,该低通滤波器单元包括连接为星形的电容器(C3)、电阻器(R3)和二极管(D2),其中绝缘栅双极型晶体管栅极电源连接到低通滤波器单元,在该低通滤波器单元中,电阻器(R3)由基于绝缘栅双极型晶体管的开关电源(6)提供的准恒定电流充电,电容器(C3)接地,并且栅极保护二极管(D2)连接到绝缘栅双极型晶体管的发射极,其中电阻器(R3)限制电容器(C3)的充电电流,由此在电容器(C3)上存在受限的dV/dt。
  2. 2. 根据权利要求1的浪涌电流限制器设备(4),其中控制设备(7)进一步包括: 用于使关于可连接负载和/或电容缓冲器(C4)的开关操作同步的装置(9)。
  3. 3. 根据权利要求2的浪涌电流限制器设备(4),其中同步装置(9)包括: 至少一个开关和负载激活电路,其检测可充电电容缓冲器(C4)的填充状态/充电,以及/或者发送用于开关基于绝缘栅双极型晶体管的开关(Q2)的对应信号,由此使旁通元件 是电流引导导体。
  4. 4. 功率因数控制电路(2),其可连接在主电源(1)和负载(3)之间,包括: AC/DC转换器,其具有电容DC缓冲器单元(C2),和 根据在前权利要求1〜3其中之一的浪涌电流限制器设备(4),该功率因数控制电路(2)还包括功率因数控制电压调节单元,该功率因数控制电压调 节单元设置在浪涌电流限制器设备(4)的上游并且具有接合浪涌电流限制器设备(4)的调 节导体。
  5. 5. 根据权利要求4的功率因数控制电路(2),其中AC/DC转换器的输出端通过多个导体耦合到浪涌电流限制器设备(4),其中一个导体 接合用于去耦和将电流存储在电容DC缓冲器单元(C2)的调节导体。
  6. 6. —种包括根据权利要求1〜3其中任一个权利要求的浪涌电流限制器设备(4)或根 据权利要求4〜5其中任一个权利要求的功率因数控制电路(2)的系统,其被用于一个或 多个如下应用中:流体以及/或者硬和/或软表面的表面处理, 液体消毒和/或净化, 食物和/或饮料处理和/或消毒, 水处理和/或消毒,废水处理和/或消毒, 饮用水处理和/或消毒, 自来水处理和/或消毒, 超纯水的生产,液体或气体中的总有机碳含量的减少,气体处理和/或消毒,空气处理和/或消毒,排气处理和/或清洗,成分的裂化和/或移除,半导体表面的清洗,成分从半导体表面的裂化和/或移除,食品添加剂的清洗和/或消毒,药物的清洗和/或消毒。
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