CN102986126A - 整流装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种整流装置，其具备交流电压的相位检测单元（201）、交流电流检测单元和直流电压检测单元，通过对半导体开关进行斩波，追循所期望的目标波形，该整流装置调整直流电压（Vdc*），使得开始半导体开关的斩波的相位（θON）为所期望的相位（θON*）。并且，目标波形在交流电源半周期的前半部分为单调增加或规定值的组合，在后半部分包括为零的区间。由此，能够兼顾高次谐波电流的降低和电路损失的降低，并且，在直流电压的检测精度不高时或存在负载变动时也能够保持同一电流波形。

Description

整流装置
技术领域
本发明是涉及对家庭等的单相交流电源进行整流，使其为大致直流，驱动直流负载的整流装置，或将所得到的直流通过逆变器电路再次变换成任意频率的交流从而可变速度驱动电动机的整流装置，例如，能够通过利用压缩机压缩致冷剂构成热泵，适用于冷风、暖风、或进行食品冷冻等的装置中，涉及通过其中的电源电流中所包括的高次谐波成分的降低、改善功率因数，使输电系统的负担减轻的技术的高效率的驱动控制。
背景技术
目前，该种类的整流装置，例如，如图9所示，经由整流桥2和电抗器3a，以半导体开关3c将交流电源1短路，对电抗器3a充电，在半导体开关3c处于关闭状态时，通过利用二极管3b对负载4流通电流，在交流电源1的瞬时电压低的期间也流通电源电流。由此，电源电流的高次谐波成分减少，功率因数改善。但是，在使半导体开关3c导通/断开（ON/OFF）（以下，称为“斩波”）时，在半导体开关3c流通电流，因此，发生电路损失。为了解决该课题，提出了如下方案：不一直使半导体开关3c进行斩波，而仅在交流相位的特定期间使其进行斩波，在剩余的期间使其休止（例如，参照专利文献1）。
图9是表示专利文献1中所记载的现有的有源整流装置。该整流装置中，通过整流桥2对交流电源1进行整流，变换为包含波动的直流，经由电抗器3a、二极管3b，向平滑电容器3d和负载4供给电力。并且，能够经由电抗器3a，用半导体开关3c将上述整流桥输出短路，具有利用周知的升压斩波器电路3进行功率因数改善功能。升压斩波器电路3的控制，用检测单元6、输入电流检测部10检测输入电流，对半导体开关3c进行斩波，使得输入电流为与用输入电压检测部11所检测得到的输入电压波形（电源电压波形）相同的形状。并且，调整输入电流的大小，使得输出电压为所期望的电压。
特别是，在专利文献1的结构中，提出了通过仅在用于使高次谐波减少的最低限的区间中对半导体开关进行斩波，降低电路损失的方案。图10是表示该控制方法的控制方框图。利用电源零交叉检测单元5，检测电源电压的相位，利用脉冲计数器13a，仅在一定的期间许可图9的半导体开关3c的斩波，在除此以外的期间，使半导体开关3c断开（OFF）。利用该方案，能够几乎不增加电源高次谐波，并且实现低损失的整流装置。
另外，专利文献1的方案中需要电源电压的波形。代替这样的方法，还提出了不使用电源电压的波形，以预先确定的波形实现同样的动作的方法（例如，参照专利文献2）。并且，还提出了不具有目标电流波形而实现同样的效果的简便方法（例如，参照专利文献3）。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2005-253284号公报
专利文献2：日本特开2007-129849号公报
专利文献3：日本特开2000-224858号公报
发明内容
发明所要解决的课题
但是，上述现有的结构中，以负载确定的条件进行控制，使得输出电压一定，另外，对半导体开关进行斩波的期间也固定。因此，输出电压的检测单元存在误差，则导致电流波形发生变化。例如，将有效值200V的交流进行整流而得到约280V的直流时，直流电压仅变化1V则电流波形大幅变化。相对于280V的直流电压，1V的精度相当于0.3%，通过电阻对电压进行分压而形成低电压时，需要非常高精度的电阻。因此，存在如下课题，需要增加输出电压的检测精度，增长斩波的期间，使得即使是变化的电流也减少高次谐波，导致电路损失稍微增加。
另外，在这样的整流装置中，输出电压越低则损失越少，但是，在将输出电压设定为低于电源电压的瞬时值的电压时，即使对半导体开关进行斩波的期间的交流电压低于输出电压，在对半导体开关进行斩波的期间也出现由于升压动作而输出电压上升的现象。因此，具有难以设定为损失更少、输出电压更低的课题。
本发明是为了解决上述现有课题而提出的，目的在于提供一种整流装置，其能够与输出电压的检测精度无关地降低电源高次谐波（高谐波）电流，并且能够降低损失。
用于解决课题的技术手段
为了解决上述现有问题，本发明的整流装置设有检测交流电压的相位的单元，形成与检测得到的相位对应的目标电流波形，具有：检测交流侧的电流或从交流侧向直流侧流通的电流的单元，检测直流电压的单元，调整并控制半导体开关的斩波，使得目标电流波形与检测得到的电流波形为同一形状，并且调整目标电流波形的振幅使得直流电压为所期望的电压的单元，调节所期望的直流电压，使得实行这些控制得到的半导体开关的斩波从休止状态变为开始状态的相位为所期望的相位。
并且，具有检测目标波形和交流侧的电流或从交流侧向直流侧流通的电流的单元，检测直流电压的单元，调整并控制半导体开关的斩波，使得目标电流波形与检测得到的电流波形为同一形状，并且调整目标电流波形的振幅使得直流电压为所期望的电压的单元，其中，上述目标波形为具有与交流电压波形相同频率的相位关系，在交流相位的0～90度或者180～270度的相位为单调增加或者规定状态的组合，在交流相位90～180度、270～360度的区间中，存在目标值为零的区间，或者，上述目标波形为在交流相位的直至0～90度或者180～270度的相位中存在包含从半导体开关的所期望的斩波开始相位至斩波结束的可能性的相位，存在为单调增加或者规定状态的组合的区间，在交流相位的90～180度、270～360度的区间中，存在目标值为零的区间，调节所期望的直流电压，使得实行这些控制得到的半导体开关的斩波从休止状态变为开始状态的相位为所期望的相位。
由此，即使直流电压的检测精度存在误差，也可以将直流电压调整为相对适当的值，形成同样的电流波形，因此，能够降低损失，并且实现高次谐波电流少的整流动作。
发明的效果
本发明的整流装置，能够降低损失，并且能够实现高次谐波电流少的整流动作。
附图说明
本发明的这些方式的特征，可以从对附图的优选实施方式所相关的如下叙述而明确。
图1是表示本发明的实施方式1中整体电路结构的电路方框图。
图2是表示图1中的控制电路的内部处理的控制方框图。
图3是表示本发明的实施方式2的动作原理的波形图。
图4是表示本发明的实施方式2中能够使用的目标电流波形例的波形图。
图5是表示本发明的实施方1至4中电源相位检测原理的波形图。
图6是表示本发明的实施方式3中整体电路结构的电路方框图。
图7是表示本发明的实施方式4中整体电路结构的电路方框图。
图8是表示本发明的实施方式1的动作原理的波形图。
图9是表示现有的整流装置的整体结构的电路方框图。
图10是表示现有的整流装置的控制电路的内部处理的控制方框图。
具体实施方式
本发明设有检测交流电压的相位的单元，形成与检测得到的相位对应的目标电流波形，具有：检测交流侧的电流或从交流侧向直流侧流通的电流的单元，检测直流电压的单元，调整并控制半导体开关的斩波，使得目标电流波形与检测得到的电流波形为同一形状的单元，和调整目标电流波形的振幅使得直流电压为所期望的电压的单元，调节所期望的直流电压，使得实行这些控制得到的半导体开关的斩波从休止状态变为开始状态的相位为所期望的相位。
并且，具有检测目标波形和交流侧的电流或从交流侧向直流侧流通的电流的单元，检测直流电压的单元，调整并控制半导体开关的斩波，使得目标电流波形与检测得到的电流波形为同一形状，并且调整目标电流波形的振幅使得直流电压为所期望的电压的单元，其中，上述目标波形为具有与交流电压波形相同频率的相位关系，在交流相位的0～90度或者180～270度的相位存在为单调增加或者规定状态的组合的区间，在交流相位90～180度、270～360度的区间中，存在目标值为零的区间，或者，上述目标波形为在交流相位的直至0～90度或者180～270度的相位中存在包含从半导体开关的所期望的斩波开始相位至斩波结束的可能性的相位，存在为单调增加或者规定状态的组合的区间，在交流相位的90～180度、270～360度的区间中，存在目标值为零的区间，调节所期望的直流电压，使得实行这些控制得到的半导体开关的斩波从休止状态变为开始状态的相位为所期望的相位。
由此，即使直流电压的检测精度存在误差，也可以将直流电压调整为相对适当的值，形成同样的电流波形，因此，能够降低损失，并且实现高次谐波电流少的整流动作。
以下，参照附图，说明本发明的实施方式。此外，本发明不受该实施方式限定。
（实施方式1）
图1是表示本发明的实施方式1中的整流装置的整体结构的电路方框图。
如图1所示，整流装置中，由电抗器102和半导体开关104构成将交流电源1短路的回路（循环）。并且，设有能够检测该回路的电流的电流检测单元103，该检测结果输入控制电路100。将交流电源1短路，则电抗器102的电流增加，如果关闭半导体开关104，则流过电抗器102的电流通过二极管桥105被整流，流入平滑电容器106和负载4，驱动负载4。向负载4施加的直流电压由直流电压检测单元110检测，该检测结果输入控制电路100。并且，设有对交流电源1的电压电平进行比较的电压电平比较单元109，电压电平比较单元109将交流电源1的电压电平是否达到规定值以上进行二值化，将该信息输入控制电路100。
控制电路100中，从交流电源1是否达到规定的电压电平以上的信息检测交流电源1的相位，生成目标电流波形，对半导体开关104进行斩波，使得电流检测单元103中的检测结果与目标波形的相似形逐渐接近。并且，控制电路100中，直流电压检测单元110的电压信号，根据其偏差，调整目标电流波形的相似比例，使其为控制电路内部所具有的所期望的电压。即，如果实际的直流电压低于所期望的电压，则控制为增大目标电流指令的相似比例，形成大的电流，如果实际的整流电压高于所期望的直流电压，则控制为形成小的电流。并且，在控制电路100中，从斩波的状况，研究半导体开关104的斩波从休止状态变为开始状态的交流电压相位，研究其相位是否是所期望的值，根据相对于所期望的值的偏差，调整所期望的直流电压值。
图2是表示图1中的控制电路100中的控制信息的流动的方框图。系统的控制目标为，将从斩波休止状态切换为斩波开始状态的相位（θON *）控制为所期望的值。首先，基于将交流电源的电压电平二值化而得到的信息，利用交流相位检测单元201检测交流相位。此外，交流相位检测单元201的具体方案例在后面进行叙述。基于所得到的交流相位信息，利用目标电流波形形成单元202产生目标电流波形，输入倍增器（乘法器）208。此外，对于目标电流波形的具体内容在后面进行叙述。另一方面，在比较单元204中，根据所期望的导通交流相位信息（θON *）的信息和半导体开关的斩波信息，将从斩波休止状态向斩波开始状态变化时的相位信息与用斩波判定单元212检测得到的实际的导通交流相位信息比较。
作为比较结果的相位偏差向相位控制用的补偿运算单元205输送，进行用于稳定确保向斩波开始状态变化时的相位的补偿运算。补偿运算的结果作为输出电压的指令电压（Vdc*），向比较单元206输送。在比较单元206进行与实际的输出电压的比较，将作为比较结果的电压偏差向直流电压控制用的电压系统的补偿运算单元207输送。在电压系统的补偿运算单元207中，进行用于使实际的电压与指令电压（Vdc*）一致并且变得稳定的补偿运算。补偿运算结果向倍增器208输送，与目标电流波形进行倍增。即，如果实际的电压低于指令电压，则增大目标电流波形的振幅，如果相反，则减小目标电流波形的振幅。倍增器208的输出结果，作为瞬时的电流指令（Iac*），向比较单元209输送。
在比较单元209中，比较瞬时的电流指令（Iac*）与实际的电流值，将作为比较结果的电流偏差向电流系统的补偿运算单元210输送。在电流系统的补偿运算单元210中，进行补偿运算使得电流与指令值稳定且迅速一致。补偿运算结果向PWM单元211输送，变换为半导体开关用的导通/断开（ON/OFF）信息。并且，补偿运算结果向斩波相位判定单元212输送，检测将斩波从休止的状况向斩波变化为开始状态的相位信息，将检测得到的相位信息向相位比较单元204输送，由此，构成相位控制回路（循环）。
图8是以波形说明控制动作的图。图8中，上段的波形表示交流电压和直流电压的相对关系，中段的波形表示目标电流波形，下段的波形表示实际的电流波形。图8（a）中，表示输出电压低、半导体开关的斩波为开始状态的相位（θON）迟于所期望的相位（θON *）的情况。此时，由于交流电压高于直流电压的相位期间增加，从交流电源经由电抗器和二极管而向直流侧流入的电流增加。因此，电流波形变得尖锐，电流的高次谐波成分增加。
另一方面，图8（b）中，表示输入电压高、半导体开关的斩波为开始状态的相位（θON）早于所期望的相位（θON *）的情况。此时，由于交流电压高于直流电压的相位期间减少，从交流电源经由电抗器和二极管而向直流侧流入的电流也减少，电流的高次谐波成分减少。但是，由于图8（b）中进行半导体开关的斩波的期间增加，与图8（a）的波形相比，电路的损失稍微增加。
此外，如果交流电源中不含有变形，则在交流电源的半周期之间，从斩波休止状态向斩波开始状态变化的相位出现多次，但是，此时，通过选择与交流电源的相位的90度或者270度相近的相位，能够稳定地进行控制。另外，也能够通过选择与交流电流的瞬时值最大时的相位相近的相位代替交流电源的相位的90度或者270度，得到同样的效果。
（实施方式2）
接着，使用图3说明本发明的实施方式2的整流装置。图3是表示通过使目标电流波形为正弦波以外的波形而能够进一步降低损失的方案的动作原理的波形图。特别是，在负载较轻时，即使波形变形增加，由于高次谐波电流减少，能够进一步降低损失。图3中，上段的波形表示交流电压和直流电压的相对关系，中段的波形表示目标电流波形，下段的波形表示实际的电流波形。图3（a）中，表示输出电压低、半导体开关的斩波为开始状态的相位（θON）迟于所期望的相位（θON *）的情况。此时，由于交流电压高于直流电压的相位期间增加，从交流电源经由电抗器和二极管而向直流侧流入的电流增加。因此，电流波形变得尖锐，电流的高次谐波成分增加。
另一方面，图3（b）中，表示输入电压高、半导体开关的斩波为开始状态的相位（θON）早于所期望的相位（θON *）的情况。此时，由于交流电压高于直流电压的相位期间减少，从交流电源经由电抗器和二极管而向直流侧流入的电流也减少，电流的高次谐波成分减少。但是，由于图3（b）中进行半导体开关的斩波的期间增加，与图3（a）的波形相比，电路的损失稍微增加。
目标电流波形使用在180度期间的前半段上升、在后半段具有成为零的区间的波形。例如，在图3的中段中，表示在180度区间的前半段单调增加、在90度稍前相反地开始减少、在后半段包括零的波形。这里，在图4中表示其他的波形例。图4（a）的波形，与图3的中段所示的波形相比，取代单调减少的区间，瞬时形成为零。图4（b）的波形，在单调增加区间正弦波状地增加，在后半段具有成为零的区间。另外，如图4（c）所示，设置制约条件，也能够在90度跟前成为零。另外，如图4（d）所示，也能够在从0度开始的很短的期间为零，之后单调增加。
图4（c）、（d）中，在90度近前使目标电流为零，但是，只要在为零的相位近前设有从半导体开关的斩波停止向斩波开始的所期望的相位，也能够相同地使用。并且，本动作中，直流电压低于交流电压的最高瞬时电压，因此，在90度附近，电流从电源经由电抗器和二极管流入，由此，即使目标电流为零，电源电流也暂时持续流通，因此，能够高效地实现高次谐波成分少的电流。
图5是表示从交流电压是否达到规定电平以上的信息检测电压相位的方法的波形图。该信息通过将交流电压的瞬时电压是否超过阈值作为二值信号而得到。即使阈值变动，二值信号的周期与电源频率相同，只要求出二值信号的Hi侧或者Lo侧的中点，就能够知道交流电压相位的90度或者270度的时间。另外，90度和270度的中点为180度和0度的相位。
将这样操作得到的信息使用PLL进行倍增（将频率变换为n倍（n：自然数）），能够知道每个瞬时的相位。例如，如果进行360倍倍增，一个脉冲相当于1度，对该脉冲进行技术，能够得到单位为度的相位信息。这样，通过所得到的相位信息，可以读取每个瞬时的目标电流波形。对于使用从其他的电平比较得到的二值信息检测相位的方法，例如，在包括相同发明人的日本专利申请：特开2001-45763号公报中也有提出，并无特别的限定。
通过使用本实施方式，即使直流电压的检测精度存在误差，也能够相对地调整直流电压，使得从斩波休止状态向斩波开始状态变化的相位为所期望的相位，因此，能够形成相同的电流波形，降低损失，并且能够实现高次谐波电流少的整流动作。
（实施方式3）
图6是表示作为本发明的整流装置的其它的基本电路结构、实施方式3的整流装置的电路结构的电路图。图6的电路中，经由电抗器602，通过由半导体开关604a、604b和二极管605a、605b、605c、605d构成的桥电路，对交流电源1进行整流，驱动平滑电容器106和负载4。控制方法与图1的实施方式1的整流装置相同，能够通过同时驱动两个半导体开关604a、604b实现。
（实施方式4）
图7是表示作为本发明的整流装置的其它的基本电路结构、实施方式4的整流装置的电路结构的电路图。图7的电路中，经由电抗器702，通过由半导体开关704a、704b和二极管705a、705b、705c、705d构成的桥电路，对交流电源1进行整流，驱动平滑电容器106和负载4。控制方法基本与图1的实施方式1的整流装置相同，根据交流电源的极性，仅对任一个半导体开关进行斩波。
例如，针对交流电源的极性，在连接电抗器702的一侧高的期间，对半导体开关704b进行斩波，在连接电抗器702的一侧低的期间，对半导体开关704a进行斩波。此外，本实施方式中，如果同时导通半导体开关704a和704b，则直流输出形成短路，因此，在交流电源的极性反转的附近，有时设定为任一半导体开关均不导通。此时，在图10中，作为斩波变化为休止状态的相位，在0度和180度附近也可以发生。但是，此时，为了防止直流输出短路，有意将斩波休止，因此通过不进行本发明中的斩波变化为开始状态的相位的处理，能够容易地对应。
此外，全部实施方式共通地，斩波的状况从休止状态变化为斩波状态时，由于电路的波动或者噪声，有时一瞬再度变化为休止状态，但是，对此，通过不进行本发明中斩波变化为开始状态的相位的处理，能够容易地对应。
并且，作为本发明的实施方式，通过使用电源电压的相位信息进行了说明，但是，在电源的频率固定时，基于交流电源的零交叉等的信息，能够以时间信息进行同样的控制。同样地，取代时间的计测，也能够以实现作为斩波方法的一例的PWM控制的方式的载波信号的脉冲数进行计数的方法进行实施。
另外，通过适当组合上述各种实施方式中任意的实施方式，能够实现各自具有的效果。
本发明中，边参照附图边对于优选的实施方式进行了充分的记载，但是对于对该技术熟悉的人员来说，能够进行各种变形、修正。这样的变形、修正，只要不超出附加的权利要求的本发明的范围之外，应当理解为包含于本发明之中。
2010年7月8日申请的日本专利申请No.2010-155652号的说明书、附图和权利要求的公开内容，整体作为参照而包含于本说明书中。
工业上的可利用性
本发明的整流装置，能够兼顾高次谐波电流的抑制和电路损失的降低，因此，例如，能够通过利用压缩机压缩致冷剂构成热泵，也适用于冷风、暖风、或进行食品等的冷冻的装置中所使用的整流装置的用途。

Claims (5)

1.一种整流装置，其特征在于：
通过对半导体开关进行斩波，经由电抗器，使单相交流电源短路或开路，经由所述电抗器，电流从交流侧向直流侧供给，
所述整流装置具有：
形成与交流电压波形的频率相同的目标电流波形的单元；
检测交流侧的电流或直流侧的电流的单元；
检测直流电压的单元；
调整并控制所述半导体开关的斩波，使得所述目标电流波形与检测得到的电流波形为同一形状的单元；和
调整所述目标电流波形的振幅使得所述直流电压为所期望的电压的单元，
调节所述所期望的直流电压，使得所述半导体开关从斩波休止状态向斩波开始状态变化的相位（θON）为所期望的相位（θON *）。
2.如权利要求1所述的整流装置，其特征在于：
所述目标电流波形，在所述交流相位的0～90度或者180～270度的相位，存在为单调增加或者规定值的组合的区间，在所述交流相位的90～180度、270～360度的区间中，存在为零的区间。
3.如权利要求1所述的整流装置，其特征在于：
所述目标电流波形，在所述交流相位的0～90度或者180～270度的相位中存在包含从所述半导体开关的所期望的斩波开始相位（θON *）至斩波结束的可能性的相位，存在为单调增加或者规定值的组合的区间，在所述交流相位的90～180度、270～360度的区间中，存在为零的区间。
4.如权利要求1～3中任一项所述的整流装置，其特征在于：
检测交流电压和规定电压的大小关系并二值化，从所得到的二值信号的周期和相位推定所述交流电压的相位，从所推定的相位形成目标电流波形，基于推定的相位信息，检测半导体开关从斩波休止状态向斩波状态变化的相位（θON），并且算出该所期望的相位（θON *）。
5.如权利要求1～4中任一项所述的整流装置，其特征在于：
在所述半导体开关从斩波休止状态向斩波状态变化的相位（θON）在交流电源的一半周期之间出现多次时，使用与交流电源的90度或者270度的相位接近的相位值。
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