CN104137406A - 电源电路和具有该电源电路的空气调节机 - Google Patents

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Abstract

本发明可以提供提高轻负载时的效率的电源电路和具有该电源电路的空气调节机。所述电源电路包括：功率因数改善电路(PFC电路130)；旁路电路(RY1)，用于使功率因数改善电路(130)成为旁路；以及控制部(微处理器120)，根据负载的状态切换第一控制状态和第二控制状态，所述第一控制状态下使功率因数改善电路(130)动作，并且控制旁路电路(RY1)成为断开状态，所述第二控制状态下使功率因数改善电路(130)停止，并且利用旁路电路(RY1)使功率因数改善电路(130)成为旁路。优选的是，控制部在第一负载状态下选择第一控制状态，在与第一负载状态相比为轻负载的第二负载状态下选择第二控制状态。

Description

电源电路和具有该电源电路的空气调节机
技术领域
本发明涉及电源电路和具有该电源电路的空气调节机，特别是涉及包含对多个开关元件进行交替控制的功率因数改善电路的电源电路和具有该电源电路的空气调节机。
背景技术
开关电源电路的功率因数改善电路(以下也称功率因数改善电路为PFC(Power Factor Correction功率因数补偿)电路)将线圈、晶体管(例如IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor绝缘栅双极晶体管))和二极管作为主要电路元件。在输出功率为数kW以上的高负载机种的开关电源电路中，课题在于因电路电流增加引起的主要电路元件的大型化和抑制温度的对策。
作为上述解决方案，以往以来包含PFC电路(例如交替控制电路)的开关电源电路已实用化。以下，为了便于说明，将上述交替控制型的PFC电路称为交替PFC电路(也称为开关电源电路)。
交替PFC电路以保持功率因数改善性能为前提，具有两组上述主要电路元件，使各组的主要电路元件交替进行开关动作。由于通过使用交替PFC电路，降低了输入AC电流的脉动，并且主要电路元件的导通电流成为以往的一半，所以交替PFC电路有助于主要电路元件(例如线圈)的小型化。
日本专利公开公报特开2011-229255号(专利文献1)公开了一种技术，该技术涉及安装有上述交替PFC电路的PFC电源，并且在轻负载(也称为低负载)的状态下使PFC电源的开关频率下降。由此，通过降低轻负载时的开关损失、以及将重负载(也称为高负载)下的开关频率保持为较高，不使升压电感和输出平滑容量变大，就能够提高轻负载下的效率。
专利文献1：日本专利公开公报特开2011-229255号
由于轻负载时空气调节机整体的运转消耗电力较少，所以进行功率因数改善动作时，因PFC电路的开关损失，空气调节机的控制电路效率下降。作为解决方案实施了如下对策：使功率因数改善动作本身停止，减少开关元件的损失并提高PFC电路效率。
但是，即使不进行开关动作，线圈、二极管中也稳定地流过电流，所以因线圈的直流电阻成分和二极管的正向电压下降而产生损失。上述损失成为妨碍轻负载时效率化的主要原因。
发明内容
本发明的目的在于提供提高轻负载时的效率的电源电路和具有该电源电路的空气调节机。
本发明提供一种电源电路，其包括：功率因数改善电路；旁路电路，用于使功率因数改善电路成为旁路；以及控制部，根据负载的状态切换第一控制状态和第二控制状态，所述第一控制状态下使功率因数改善电路动作，并且控制旁路电路成为断开状态，所述第二控制状态下使功率因数改善电路停止，并且利用旁路电路使功率因数改善电路成为旁路。
优选的是，控制部在第一负载状态下选择第一控制状态，在与第一负载状态相比为轻负载的第二负载状态下选择第二控制状态。
更优选的是，功率因数改善电路包括多个电压转换电路。多个电压转换电路分别具有线圈、二极管和开关元件。在第一控制状态下，控制部根据负载的状态，使多个电压转换电路中的动作的电压转换电路数量和停止的电压转换电路数量变化。
更优选的是，控制部使多个电压转换电路中的至少两个动作时，使两个电压转换电路的开关元件交替导通。
优选的是，旁路电路包括继电器，所述继电器由控制部控制成导通状态和非导通状态。
优选的是，电源电路还包括整流电路，所述整流电路将交流电压转换成直流并向功率因数改善电路供给。
本发明还提供一种空气调节机，其包括：上述任意一种电源电路；反相器，从电源电路接收电力；以及压缩机，由反相器驱动。
按照本发明，可以提高电源电路和具有该电源电路的空气调节机的轻负载时的效率。
附图说明
图1是表示空气调节机整体构成的框图。
图2是用于说明图1的开关电源部的研究例的图。
图3是表示本实施方式的电源电路的主要构成的电路图。
图4是表示电源电路的变形例的主要构成的电路图。
图5是用于说明微处理器执行的控制的流程图。
图6是表示负载条件、旁路电路和PFC电路的动作关系的图。
附图标记说明
10、10A 电源电路，20 压缩机，30、30A、30B 输入端子，40A、40B 端子，50、50P 开关电源部，100、100P 交替控制电路，102 元件数切换控制部，104 元件驱动电路，120、120P 微处理器，121P 驱动电路，130PFC电路，140 整流电路，150 负载电流检测电路，160 平滑电路，170 反相器，1401～1404、D1、D2 二极管，1701～1706、Q1～Q4开关元件，L1、L2 线圈，RY1 继电器。
具体实施方式
下面，参照附图，对本发明进行详细说明。另外，图中相同或相当的部分采用相同的附图标记并省略了其说明。
[空气调节机的结构]
图1表示空气调节机的整体构成的框图。参照图1，空气调节机包括输入端子30、压缩机(负载装置)20、以及向压缩机20传送电力的电源电路10。
电源电路10包括：微处理器120、开关电源部50、负载电流检测电路150、整流电路140、平滑电路160和反相器(开关电路)170。在此，开关电源部50包括交替控制电路100和PFC电路130。
向输入端子30提供交流电压Vin。整流电路140将交流电压整流成直流电压。PFC电路还被称为功率因数改善电路，使整流电路140的输出升压并向平滑电路160输出。
微处理器120包括微机和存储装置。微机执行程序中描述的各处理步骤。上述存储装置例如包括：ROM(Read Only Memory只读存储器)、RAM(Random Access Memory随机存取存储器)、能够重写的非易失性存储器(EPROM(Erasable Programmable ROM)等)和硬盘等各种存储装置。
上述存储装置存储各种信息和数据等，此外存储微机执行的程序，并且提供用于执行程序的作业区域。另外，微机可以被理解成是起到与程序中描述的各处理步骤对应的各种方法的功能，或者是实现与各处理步骤对应的各种功能。此外，微处理器120并不限于此，可以通过硬件实现由微处理器120执行的各种步骤、或者是实现的各种方法或各种功能的一部分或全部。另外，在此，微处理器120包含在电源电路10中，但并不限于此，也可以使用其他微处理器来控制PFC电路130和交替控制电路100。
微处理器120能够根据负载条件，控制PFC电路130内部的开关元件的导通、断开状态，并且向交替控制电路100输出与负载条件对应的开关元件数的切换指示。
交替控制电路100根据来自微处理器120的开关元件数的切换指示的输出信号，控制PFC电路130的开关元件的导通、断开状态。
微处理器120还根据负载条件，控制后述的PFC电路130中的旁路电路。当负载条件为接近零的轻负载(低负载)时，微处理器120利用旁路电路使PFC电路中的开关元件成为旁路。
另外，为了使直流电压平滑化，在开关电源部50和反相器170之间设置有平滑电路160。
此外，反相器170在其输出侧例如与压缩机20连接。反相器170将输入的直流电压转换为交流电压，并将其提供给压缩机20。由此，驱动压缩机20。
另外，虽然未图示，但是负载电流检测电路150检测压缩机20的电流，并且将检测出的负载电流向微处理器120反馈。此外，在输入端子30和PFC电路130之间设置有整流电路140，用于对交流电压进行整流。
图2是用于说明图1的开关电源部的研究例的图。参照图2，研究例的开关电源部50P使主电路和副电路交替动作。主电路包括线圈L1、开关元件Q1和二极管D1。副电路包括线圈L2、开关元件Q2和二极管D2。
通常，微处理器120P利用驱动电路121P使开关元件Q3、Q4成为导通状态，并且交替控制电路100P使开关元件Q1、Q2进行交替导通的交替动作。
轻负载时，微处理器120P利用驱动电路121P使开关元件Q3、Q4成为非导通状态，并且交替控制电路100P使开关元件Q1、Q2成为断开状态。因此，轻负载时，由整流电路(二极管电桥)140整流后的直流电压，经由线圈L1、L2和二极管D1、D2提供给负载，所以降低了开关损失。
但是，即使开关元件Q1、Q2不进行开关动作，电流也稳定地流过线圈L1、L2和二极管D1、D2，所以因线圈的直流电阻部分和二极管的正向电压下降而产生损失(损失＝因升压用线圈L2的直流电阻部分产生的损失+因输出用二极管的正向电压下降产生的损失)。上述情况成为妨碍轻负载时效率化的主要原因。
因此，在本实施方式中，设置有在轻负载时使线圈和二极管成为旁路的旁路电路。
图3是表示本实施方式的电源电路的主要构成的电路图。参照图3，电源电路10包括：输入端子30A、30B、微处理器120、交替控制电路100、PFC电路130、端子40A、40B、反相器170、压缩机20、整流电路140和负载电流检测电路150。
(整流电路140、负载电流检测电路150)
负载电流检测电路150检测在后述的压缩机20中流动的电流，虽然未图示，但是将检测到的电流向微处理器120反馈。另一方面，整流电路140进行交流电压Vin的全波整流。在此，整流电路140包括二极管1401～1404。二极管1401、1402串联成将从接地节点朝向节点N1的方向作为正向。此外，二极管1403、1404也串联成将从接地节点朝向节点N1的方向作为正向。
输入端子30A通过负载电流检测电路150连接在二极管1401和二极管1402的连接节点上。另一方面，输入端子30B连接在二极管1403和二极管1404的连接节点上。
(PFC电路130)
PFC电路130包括：线圈L1、L2、二极管D1、D2、开关元件Q1、Q2和继电器RY1。
继电器RY1根据来自微处理器120的指令，连接节点N1和端子40A。
线圈L1连接在节点N1和节点N2之间。二极管D1连接成将从节点N2朝向端子40A的方向作为正向。线圈L2连接在节点N1和节点N3之间。二极管D2连接成将从节点N3朝向端子40A的方向作为正向。
开关元件Q1的集电极与节点N2连接，发射极与接地节点连接，利用元件驱动电路104控制控制电极。
开关元件Q2的集电极与节点N3连接，发射极与接地节点连接，利用元件驱动电路104控制控制电极。
另外，作为图4的开关元件Q1、Q2表示了NPN型双极晶体管，但是并不限于此，只要是开关元件，也可以是其他元件。例如可以是使用MOS(Metal Oxide Semiconductor)电场效应晶体管、IGBT(绝缘栅双极晶体管)、SiC(碳化硅)、GaN(氮化镓)的化合物半导体器件等。
(交替控制电路100)
交替控制电路100包括元件数切换控制部102和元件驱动电路104。元件数切换控制部102从微处理器120接收开关元件切换指示信号，来设定满足负载条件的开关元件的个数。
元件驱动电路104提供驱动电压，用于驱动设定的个数部分的开关元件。
(平滑电路160)
平滑电路(平滑电容器)160设置在端子40A、40B之间。平滑电容器160使从输入端子30A、30B通过线圈L1、L2、二极管D1、D2和继电器RY1施加的直流电压平滑化。
(反相器170、压缩机20)
反相器170的电源电压(DC电压)由整流电路140对交流电压(AC电压)Vin进行全波整流、再由电容器160对所述全波整流后的电压进行平滑处理而生成。
微处理器120使反相器170的开关元件1701～1706开关，使模拟的三相交流电流流过构成压缩机20的压缩机线圈(未图示)，从而使压缩机20转动。
如果压缩机20的转速高则负载电流变大，成为高负载条件。相反，如果转速低则负载电流变小，成为低负载条件。
微处理器120根据负载电流确定是利用继电器RY1使线圈L1、L2和二极管D1、D2成为旁路、还是以线圈L1、L2、二极管D1、D2和开关元件Q1、Q2改善功率因数。
图4是表示电源电路的变形例的主要构成的电路图。图4的电源电路10A包括继电器RY2，以继电器RY2代替图3的电源电路10的构成中的继电器RY1。
继电器RY2在微处理器120的控制下，将整流电路140的输出(节点N1)切换为与端子40A直接连接、或与线圈L1、L2连接。
此外，在利用图3所示的继电器RY1的旁路方式中，在成为旁路时，实际上电流向旁路用继电器RY1的方向和(线圈L1、L2和二极管D1、D2)的方向分流，因此成为旁路时，产生向(线圈L1、L2和二极管D1、D2)的方向分流的部分的损失。
在图4所示的构成中，由于成为旁路时将线圈L1、L2和整流电路140切断，所以能够进一步降低向线圈L1、L2分流的部分的损失。
图5是用于说明微处理器执行的控制的流程图。参照图3、图5，首先在步骤S1中，微处理器120判断负载条件是否为低负载(轻负载)。微处理器120根据负载电流检测电路150检测出的负载电流来判断负载条件。
图6是表示负载条件、旁路电路、PFC电路的动作关系的图。如图6所示，微处理器120将负载在0～A％之间判断为轻负载(低负载)，将负载在A～B％之间判断为中负载，并且将负载在B～C％时判断为重负载(高负载)。但是，A、B、C表示判断阈值，0＜A＜B＜C。
再参照图5，在步骤S1中，当判断负载条件为低负载时，在步骤S2中，微处理器120使功率因数改善电路停止并使旁路电路动作。具体地说，在图3的构成中使继电器RY1导通，在图4的构成中切换继电器RY2使节点N1与端子40A直接连接。并且，在图3、图4的构成中均将开关元件Q1、Q2固定为断开状态。
由于利用这种控制，PFC电路130不进行升压动作，所以在如图6所示的负载为轻负载时，向端子40A-40B之间输出的输出电压VDC成为对交流电压Vin进行整流后的直流电压V0。
在步骤S1中，当判断负载条件不是低负载时，使处理前进至步骤S3。在步骤S3中，旁路电路断开，功率因数改善电路动作。具体地说，在图3的构成中将继电器RY1控制成非导通，在图4的构成中切换继电器RY2使节点N1与线圈L1、L2连接。
接着，在步骤S4中，微处理器120判断负载条件是否为中负载。负载条件为中负载时，使处理前进至步骤S5，当负载条件不是中负载时(即重负载时)，使处理前进至步骤S6。
在中负载时的步骤S5中，微处理器120如图6所示使开关元件Q1动作，另一方面，使开关元件Q2的开关停止。另外，也可以使开关元件Q2动作、使开关元件Q1停止，也可以使开关元件Q1、Q2交替动作、停止。
在重负载时的步骤S6中，微处理器120如图6所示使开关元件Q1和Q2都进行开关。为了降低脉动噪声，所述开关时优选使相位偏移。此外，通过适当地控制开关元件Q1、Q2的开关频率和占空比，例如，如图6所示，向端子40A-40B之间输出的输出电压VDC伴随负载从A％增加到C％而上升。
图5中，如果步骤S2、S5、S6中任意的处理结束，则在步骤S7中，立即使处理返回主流程，再反复执行从步骤S1开始的处理。
另外，图5中，在确定旁路电路的动作、非动作之后，确定开关元件的使用元件数和频率，但是确定的顺序并不限于图5的例子。例如，可以在进行步骤S1、S4的判断之后，执行步骤S3。
如上所述，在本实施方式中，在使开关元件Q1、Q2的开关具有相位差的交替方式的电路中具有继电器RY1或RY2，上述继电器RY1或RY2切换向线圈L1、L2和二极管D1、D2的通电和向其他电路的旁路控制。由此，轻负载时使向功率因数改善电路的通电本身成为旁路，从而进一步提高轻负载时的效率。
轻负载时，通过输出来自微处理器120的控制信号使继电器RY1导通，消除因向线圈L1、L2、二极管D1、D2通电而产生的损失，与以往相比可以进一步实现高效率化。
此外，继电器RY1可以是半导体元件(例如p-MOSFET、p-IGBT、SiCFET、GaNFET等)。但是，p-MOSFET、SiCFET、GaNFET/p-IGBT的导通电压Vce(sat)优选在L1(L2)+D1(D2)的发生电压以下。(当使用不满足上述条件的p-MOS/IGBT时，旁路用的p-MOS/IGBT产生的固定损失大于PFC电路的线圈和二极管中的损失)。
最后，再参照附图，对本实施方式进行总结。参照图3，本实施方式的电源电路包括：功率因数改善电路(PFC电路130)；旁路电路(RY1、RY2)，用于使功率因数改善电路130成为旁路；以及控制部(微处理器120)，根据负载的状态切换第一控制状态和第二控制状态，上述第一控制状态下使功率因数改善电路130动作，并且控制旁路电路(RY1、RY2)成为断开状态，上述第二控制状态下使功率因数改善电路130停止，并且利用旁路电路(RY1、RY2)使功率因数改善电路130成为旁路。
优选的是，如图5、图6所示，微处理器120在第一负载状态(图6的中负载、重负载)下选择第一控制状态，在与第一负载状态相比为轻负载的第二负载状态(图6的轻负载)下选择第二控制状态。
更优选的是，功率因数改善电路130包括多个电压转换电路。多个电压转换电路分别具有线圈L1、L2、二极管D1、D2和开关元件Q1、Q2。即，线圈L1、二极管D1、开关元件Q1形成第一转换电路(升压电路)，线圈L2、二极管D2、开关元件Q2形成第二转换电路。在第一控制状态下，微处理器120根据负载的状态，使多个电压转换电路中的动作的电压转换电路数量和停止的电压转换电路数量变化。即，微处理器120使图6的中负载和重负载中开关的元件数量变化。
更优选的是，当使多个电压转换电路中的至少两个动作时，微处理器120使两个电压转换电路的开关元件Q1、Q2交替导通。即，两个开关元件Q1、Q2的开关时，使交替控制电路100进行交替控制。
优选的是，旁路电路包括继电器RY1，该继电器RY1由微处理器120控制成导通状态和非导通状态。
优选的是，电源电路还包括整流电路140，该整流电路140将交流电压Vin转换成直流并向功率因数改善电路130供给。
本发明还提供一种空气调节机，该空气调节机包括：上述任意一种电源电路；反相器170，从电源电路接收电力；以及压缩机20，由反相器170驱动。
本发明实施方式的所有内容均为举例说明，本发明并不限定于此。本发明的范围并不由以上说明的内容来表示，而是由权利要求来表示，并包含与权利要求等同的内容和在权利要求范围内的所有变更。

Claims (7)

1.一种电源电路，其特征在于包括：
功率因数改善电路；
旁路电路，用于使所述功率因数改善电路成为旁路；以及
控制部，根据负载的状态切换第一控制状态和第二控制状态，所述第一控制状态下使所述功率因数改善电路动作，并且控制所述旁路电路成为断开状态，所述第二控制状态下使所述功率因数改善电路停止，并且利用所述旁路电路使所述功率因数改善电路成为旁路。
2.根据权利要求1所述的电源电路，其特征在于，所述控制部在第一负载状态下选择所述第一控制状态，在与所述第一负载状态相比为轻负载的第二负载状态下选择所述第二控制状态。
3.根据权利要求2所述的电源电路，其特征在于，
所述功率因数改善电路包括多个电压转换电路，
所述多个电压转换电路分别具有线圈、二极管和开关元件，
在所述第一控制状态下，所述控制部根据所述负载的状态，使所述多个电压转换电路中的动作的电压转换电路数量和停止的电压转换电路数量变化。
4.根据权利要求3所述的电源电路，其特征在于，所述控制部使所述多个电压转换电路中的至少两个动作时，使两个电压转换电路的开关元件交替导通。
5.根据权利要求1所述的电源电路，其特征在于，所述旁路电路包括继电器，所述继电器由所述控制部控制成导通状态和非导通状态。
6.根据权利要求1所述的电源电路，其特征在于，所述电源电路还包括整流电路，所述整流电路将交流电压转换成直流并向所述功率因数改善电路供给。
7.一种空气调节机，其特征在于包括：
权利要求1的电源电路；
反相器，从所述电源电路接收电力；以及
压缩机，由所述反相器驱动。
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