CN1067770A - 电容变流整流和可控整流电路 - Google Patents

Abstract

本发明由交流电源，电容，整流和可控整流器件 及其触发控制电路组成，能够不用电源变压器获得低 于或高于电源电压的大功率倍流和倍压的直流电源， 获得低压直流电源时，能够达到电源电压降低几倍， 输出直流增大几倍的固定和可调直流电源。获得高 于电源电压时，能获得较大的直流输出电流。

Description

本发明属于电力电子科学电源基础电路。

本发明人发明的桥全可控整流电路（专利号CN87105504.X）和桥半（全）整流电路（专利公开号CN1045007A）、它们是有电源变压器新的整流电路，对提高现有带变压器整流电路的功率因数和控制精度，减少变压器损耗，减少谐波，增大低电压输出电流和功率都起了很好的作用。本发明是要利用电容充电储能和放电放能的特性来提高现有无变压器升压电路和降压电路的输出功率，输出直流电流和功率因数。

无变压器整流电路（包括可控整流电路）按照输出最高直流电压的高低分为：低于电源电压的降压整流电路，等于电源电压的直接电源整流电路，高于电源电压的升压整流电路三种类型。现今用交流电容降压的整流电路，其内阻很高，功率因数低，其输出直流电流不可能随输出电压的降低而成倍地增大，这是由于它们的直流输出电路是和交流输入电路相串联的，现有可控整流电路，也不可能使电流增加。是否存在有输出电压降低几倍，输出电流能增加几倍的降压倍流整流电路呢？这是电力电子科学技术领域内需要研究的极其重大的基础应用理论研究课题之一。现今的电容倍压升压整流电路只有半波倍压和全波倍压两种类型，它们在多次倍压时内阻大，即使在输出电压接近电源电压时，最大输出电流还要受到倍压电容容量所限制，是否存在着允许输出电流较大，内阻较低的其它电容升压倍压整流电路？是否存在有桥式电容倍压整流电路？这也是电源整流电路另一个重要的研究课题之一。

本发明的目的是要发明电容降压倍流整流电路和桥式电容升压倍压整流电路。前者利用电源正或负半周先对多个电容进行串联充电，充电之后再在另一半周将电源隔离，同时使所有充好电的电容在同一时间对输出两个直流端并联放电而获得降压倍流的直流电，后者利用电源的正和负半周分别对两个电容充电，再利用电源电压和电容上电压相叠加的方法而获得桥式升压倍压直流电。

本农明提供一种获得低于电源电压的电容降压倍流整流和可控整流电路的工作方法，其方法的特征在于使用几个电容，它们各自通过整流和可控器件相串联充电，每个电容上获得电源电压的 1/(n) ，在充电结束后，电源进入另一半个周或低于所要求输出的电压后，触发或控制可控器件开通，使已充好电的全部电容都通过可控器件和各自的整流器件放电回路同时向输出两端放电，从而输出两端就可得到 1/(n) 的电源充电电压和n倍电源充电电流值。这种通过整流和可控整流器件使电容串联充电并联放电提供输出电压和电流的方法，可以使用廉价的电解电容，能够达到将电源整流电压降低n倍，而使输出电流增加n倍的目的，能够起到有电源变压器整流电路相同的作用，它大大提高了现有降压整流电路的输出电流和功率因数，减少损耗，有广泛的应用价值。

本发明提供一种桥式电容升压倍压整流电路，使用方法特征在于提供输出电压等于电源电压部分由电源直接整流提供，在高于电源电压部分由偶数个电容倍压提供，这种倍压电路，其电路结构类似于整流桥，有较低内阻，较大输出电流和功率，它在接近电源电压输出时，输出电流不会受倍压电容容量的限制，可由电源直接整流输出强大的电流和功率，因此它是现有倍压整流电路和电源直接整流电路两者创造性相结合在一起的结果。

GQS电容变流整流电路与电源直接整流电路相配合，可以提供由高压到低压的各种类型的直流电源，在大功率电子、电器设备中应用可省去笨重的电源变压器，对减小设备的体积和重量以及功耗，节省大量铜材和钢材，具有很高的经济效益和社会效益。

附图1、2、3和4示出四种增流三倍的单相半波降压倍流整流电路，其中附图1和2的电路对电源零线获得一个负压直流电源U_o，而附图3和4电路对电源零线获得一个正压直流电源U_o。

附图1所示的电路由二极管D₀～D₇、电容C₁～C₄，可控器件KG（三极管、可控硅等）和负载R组成，其工作原理简述如下：当电源上端（火线）为正，下端（零线）为负时，可控器件KG不加控制信号g而阻断，电源通过D₀、C₁、D₁、C₂、D₂、C₃和D₃对电容C₁、C₂和C₃进行串联充电，当它们的电容量相同时，每个电容上获得电源峰值电压的 1/3 ，当电源电压下端为正，上端为负时，KG得到信号g使其导通，此时电源已被二极管D₀隔离，三个电容通过器件KG和各自的二极管回路同时向负载电阻R和滤波电容C₄放电，负载电阻上可获得三倍电容充电电流，其输出电压和电流也受到KG的信号g所控制。

附图2、3和4所示电路的工作原理和附图1相类似，附图2的电源充电电路是电源通过C₃、D₂、C₂、D₁、C₁和D₀进行串联充电。附图3的电源充电电路是电源通过D₃、C₃、D₂、C₂、D₁、C₁和D₀进行串联充电。附图4的充电电路是电源通过D₀、C₁、D₁、C₂、D₂和C₃进行串联充电、所有充好电压的电容放电回路都要通过控制器件KG和各自的二极管回路向负载电阻和滤波电容放电而获得倍增加电流。

为了充分利用电容的充电电流，减少降压级数，提高效率，我们还可将电源对电容串联充电的电流引到直流输出端加以利用，这在降压级数小的情况尤为重要。对于附图1和附图3的电路来说，只要将交流电源的输入零线接在二极管D₇端即可，此时附图1的电源通过D₀、C₁、D₁、C₂、D₂、C₃、D₃和C₄‖R的串联充电而利用了电源对电容的充电电流，附图3的电源通过C₄‖R、D₃、C₃、D₂、C₂、D₁、C₁和D₀串联充电而利用了电源对电容的充电电流，此时它们的输出直流电压对零线的相位也就相反。输出电流增加一级，输出电压也相应降低一级。对于附图2的电路只要增加附图所示的两个相串联的二极管D₈和D₉，并将C₃电容的正极改接在D₈和D₉的串联点上，D₃阳极接在C₄负极，D₉阴极接在C₄正极即可。对于附图4的电路只要增加附图所示的两个相串联的二极管D₈和D₉，并将C₃电容的负极改接在D₈和D₉的串联点上，D₈阴极接在C₄正极，D₉阳极接在C₄负极即可，此时整流电压降低了，输出电流也就增加了。

上述电路每增加或减小三个二极管和一个电容就可增加或减小一级，它和电容倍压整流电路相对应，一般来说可用几倍增流电路来说明其工作原理。

上述电容降压倍流电路又可分可控型和不可控型两种，不可控型电路中使用的控制器件KG多数是工作在开关状态的，使导通后内阻压降很低，电容上的电立即向负载放电到与负载相等的电压。另一种是可控型电路，可控型电路可用两种方式来调节和控制输出直流电压，第一种方式是通过控制信号g来调节KG的内阻大小，从而调节电容对负载放电电流的大小，这只有使用晶体管等可变内阻器件才能做到，这种调压方式好象是周期开关的串联型直流稳压电源，由于是串联型，在低电压输出时功耗大，效率低。另一种是将二极管D，改为可控硅，用可控充电的方式来改变电容充电电压和电流大小，从而改变输出直流电流和电压，此时器件KG可以工作在开关状态，因此降压低，功耗小、效率高。

附图5和6是两种半波半压电容降压倍流电路的实施例电路图，其中附图5获得对电源零线为负的半压直流电压，用晶体管BG作放电控制器件KG，实践证明使用二只100uf、300V的电解电容和3DD15F晶体三极管，可从市电220V交流电获得一个120V约1安的直流电流，其工作原理如下：当电源下端为正，上端为负时，三极管BG没有信号而不导通，电源通过R‖C₂，D₁、C₁和D₀对两个电容串联充电，电容C₁和C₂各得电源电压的一半，当电源为上端正、下端负时，电源通过D₃、R₁、BG的基极和发射极，电容C₁和二极管D₂形成回路电流，这电流使BG导通，此时电容C₁上的放电电流通过D₂和BG的集电极和发射极向负载R和电容C₂继续提供电流，由以上分析可知，电源提供的是半波电流，而负载R上获得的是类似于全波电流（脉动为100周），并且调节电阻R₁还可调节直流输出电压U₀，附图6能获得对电源零线为正的半压输出直流电压，其工作原理和附图5相类似，只是它的晶体管的控制信号由小型变压器次级电压所提供，这时必须注意变压器同名端的接法。附图5和6的输出电压的调节同样可采用将二极管D₀换成单向可控硅，用移相控制的方式进行输出直流电压的调节。另外附图5和6所示的电路，不使用电容C₂也能正常工作，此时负载R上所得到的电流为电容C₁和电阻R串联的电源充电电流和电容C₁对电阻R的放电电流之和。只要改变附图5和6的触发信号的相位，还可实现从半压到整个半波整流输出电压的调节。在负载R上获得这种整流电压，对附图5和6来说只要将BG的触发控制信号做到从零到360度连续可调即可达到。因此降压倍流可控调压电路本身也包含有电源直接整流电路在内，它比电源直接整流电路具有更加广泛的用途。

将上述两种单相半波电容降压倍流整流和可控整流电路以多种方式组合可以产生多种多样的单相全波电容降压倍流整流和可控整流电路，例如将附图1和4，附图1和3、附图2和3、附图2和4相组合都可以产生全波降压倍流整流，获得对称于电源零线的低压正负双电源。附图7是附图1和2相结合的全波电容降压倍流整流电路的实施例电路图之一，其工作原理分析和半波形式相同。正负半波电路的直流输出分别采用隔离二极管D₁₇和D₂₄送给负载电阻R和滤波电容C₄，以免发生相互影响。附图8是附图2和4相结合的全波电容降压倍流电路的实施例电路之一，其正负半波输出直流电压的隔离采用如附图中所示的二极管D₁₈和D₂₈。附图9和10所示的是两种负载电阻R有滤波电容C₃的最简单的半压倍流整流电路的实施例电路图。其工作原理相类似，附图10电路工作原理如下：当电源a点为正，b点为负时，电源通过C₂、D₂₁，负载（R‖C₃）和D₀₂充电，使电容C₂和滤波电容C₃上得到充电电压，可控硅SCR₂承受C₂上的充电电压。当b点为正，a点为负时，触发SCR₂使电容C₂对负载通过SCR₂和D₂₂并联放电提供电流，同时电源通过C₁、D₁₁，负载（R‖C₃）和D₀₁充电。负载R上同时又得到电源充电电压，使SCR₂承受反向电压而自动关断。当电源a点再次为正，b点为负时，触发SCR₁使C₁上的电压通过SCR₁和D₁₂向负载放电，同时电源再次对C₂和负载充电，使SCR₁承受反压而关断，如此循环负载电阻和滤波电容上获得全波降压增流的电压和电流。附图7、8、9和10中的二极管D₀₁和D₀₂都可以使用单向可控硅，此时它们就成为连续可调的降压倍流可控整流电路。

将上述的多个单相电容降压倍流整流和可控整流电路可以组合成多种形式的多相电容降压倍流整流和可控整流电路。附图11是三相半波降压增流电路的实施例电路图之一，它由三个单相半波三倍流整流电路组成，输出直流电压对电源零线为负的电压。附图12是三相半波二倍流整流电路实施例之一，输出直流电压对电源零线为正的电压。附图13是三相全波降压倍流整流电路实施例之一，输出直流电压对电源零线为负的电压，上述电路中的二极管D_OA、D_OB、D_OC都可以换成可控硅，成为输出直流电压连续可调的可控降压倍流整流电路。

总合上述，GQS电容降压倍流电路，包括一系列单相和多相整流和可控整流电路，实现这种电容降压和倍流的方法其共同的特征在于：电源通过二极管或可控器件先对一个或多个串联的降压电容充电，其充电电流可以不流过直流输出两端，也可以流过直流输出两端而成为输出电流的一部分。当电源反相之后，电源和充电电路就会被通过充电电流的二极管和可控器件相隔离，充好电的降压电容可以通过同一电容放电可控器件和各自的二极管放电回路同时向直流输出两端放电而获得降低电压和增大电流的直流输出。在充电电流通过直流输出端的降压增流电路中，控制电容放电的可控器件的触发相位，还可以在直流输出两端直接输出一部分或者全部电源直接整流电压和电流，使这种倍流整流电路能够实现输出直流电压平均值从零到电源直接整流输出电压之间连续可调，因而只要改变控制放电电容的可控器件的触发相位就能使这种降压倍流电路与电源直接整流电路相结合，因此可以说电容降压倍流整流电路包含有电源直接可控整流电路。

附图14所示的是一个双向对称的单相桥式电容五倍压整流电路，其工作原理简述如下：在电源经过上正、下负第一个周波时，电容C₆、C₃和C₂、C₇通过二极管D₃、D₁₀和D₉、D₄充电至电源峰值电压，在电源经过第二个周波时，电源正负电压与电容C₂、C₇和C₆、C₃上的电压叠加，通过D₈、D₁₁和D₂、D₅对电容C₁、C₈和C₄、C₅充电，在电源经过第三个周波时，电源正电压与电容C₂、C₅、C₇、C₄上的电压相叠加，电源负电压与电容C₆、C₁、C₃、C₈上的电压相叠加，各通过二极管D₁、D₁₂和D₇、D₆给滤波电容C_H充电而获得五倍电源倍压电压输出，由附图14可清楚看出，当负载电阻R_H阻值减小时，不论倍压电容容量大小，其最低输出直流电压都不会低于电源直接桥式整流时的输出电压，也就是说比现有半波倍压和全波倍压电路有较低内阻和较大的电流输出。由附图可知，每增加或者减小两个二极管和两个倍压电容，就可以增高或减低一次倍压，一般来说：单相桥式电容倍压整流电路其特征是由（2n+2）个整流器件和（2n-2）个倍压电容组成n次倍压电路，（2n+2）个整流器件分成两组阴极和阳极相串联，然后两组相并联的桥式整流电路。当n＝1时，整流器件为四个，无倍压电容，它就是电源直接桥式整流电路，这就把倍压电路与直接整流电路统一起来了。当n＝2时，即为整流器件6个，倍压电容2个的桥式2倍压整流电路，另外如果要使附图14桥式电容倍压整流电路输出电压连续可调电压，可将附图14中的整流二极管D₃、D₄、D₉和D₁₀部分或全部换成可控整流器件，即成为桥式电容倍压可控整流电路。

附图15所示的是三相桥式电容五倍压整流电路，其工作原理分析与单相桥式电容倍压电路相类似，一般说，m相桥式倍压整流电路是由（mn+m）个整流器件和（mn-m）个电容组成的，当m＝3、n＝1时，整流器件为六个，没有电容，其电路即为三相桥式整流电路。因此它包含有三相桥式整流电路，当m＝3，n＝2时，即为三相2倍压电路，为达到连续可调输出直流电压，也可以将二极管D₃、D₉、D₁₅和D₄、D₁₀、D₁₆换成三个或六个可控器件，就成为三相半控桥或全控桥式倍压可控整流电路。

综合上述GQS桥式电容倍压整流电路有单相和多相整流和可控整流几种形式，它们具有较低的内阻和较大的直流输出，在直流输出端的输出电压接近于电源直接整流或可控整流电路的输出电压时，都能输出电源直接整流时整流器件所能允许的最大整流电流，一般的半波倍压和全波倍压电路是达不到的，它们的直流输出端短路的最大电流也是决定于倍压电容的电容量。

晶体管是电流控制器件，极大多数都需要远低于电源直接整流的直流电源电压下工作。大功率晶体管的广泛应用，需要低压大电流直流电源，目前只有用笨重的变压器和整流电路来获得这种直流电源，本发明的GQS电容降压倍流整流和可控整流电路可以使用廉价的电解电容和器件来获得这个低压直流电源，可广泛用于晶体管音响设备、电瓶充电、直流操作电源等一切需要低压直流电源的场合，大功率电子管等设备，需要远高于电源电压的高压大功率直流电源。本发明的GQS桥式电容倍压整流和可控整流电路可以提供这种电源，可广泛用于电子管高保真音响设备，发送设备以及高频炉等需要高压大功率直流电源的场合。

Claims (5)

1、一种电容变流整流和可控整流电路，它由交流电源、二极管、电容和可控器件(包括可控硅、闸流管、晶体三极管和多极电子管)以及控制触发电路组成，其电路按相数分有：单相多相(m相)，按交流电源的利用分有：半波和全波，按输出电压是否可调分有：可控和不可控，按最大输出电压分有：降压倍流和桥式升压倍压，它们的共同特征是利用交流电源对电容充电储能和放电放能的方法来实现降低或提高输出直流电压，在电容倍流电路中，利用单相或多相电源的正、负半周对一组或两组的一个或多个电容串联充电(充电电流可通过输出两端的负载，也可以不通过负载)，然后通过控制各个电容放电的可控器件向负载并联放电而获得比电源吸入电流大n倍的降压倍流的方法，在桥式电容升压倍压电路中，其二极管和可控硅接成单相或多相桥式电路，每一个电源的输入端接有倍压电容的一个端，这些倍压电容的另一端依次接在整流桥对边一个整流臂的结点(由二个整流器件相串联点)上，使得电容上的充电电压可与电源另一半周电压相叠加的倍压电路。

2、根据权利要求1所述的电容降压倍流整流和可控整流电路，实现电容降压倍流的方法的特征在于：电源正（或负）半周对一组n个降压电容通过二极管或二极管和可控器件组合进行串联充电，电源进入负（或正）半周后，电源自动与这一组充电电路相隔离，n个已充好电的电容全部通过一个控制电容放电的可控器件同时向直流输出两端并联放电，而获得降压倍流直流电输出，其电容充电电路的结构特征是电源对二极管（或可控器件）、电容、二极管、电容、二极管……，或二极管（可控器件）、电容、二极管……负载，依次交替相串联的回路进行充电，每一组串联充电回路中的电容都通过同一可控器件向负载并联放电。

3、根据权利要求1所述的单相和多相桥式电容倍压整流和可控整流电路，其特征在于倍压桥路中使用的整流器件为：单相由（2n+2）个整流器件（可控整流时包括两只可控器件）和（2n-2）个倍压电容组成单相桥式电容倍压整流和可控整流电路，m相由（mn+m）个整流器件（可控整流时包括m只可控器件）和（mn-m）个倍压电路组成m相桥式电容倍压整流和可控整流电路，其中m和n为大于2的自然数。

4、根据权利要求1和2所述的二倍流电路，其特征在于：单相半波二倍流电路的串联充电回路为二极管（或可控硅）、电容、二极管和负载单相全波二倍流电路的串联充电回路有两组，一组是电源正半周充电回路，另一组是电源负半周充电回路，多相二倍压电路有多组电容串联充电回路，和多组电容通过各自的可控器件向负载放电回路。

5、根据权利要求1和3所述的桥式电容二倍压电路，单相由六个二极管（可控时包括两只可控硅）和二个电容组成单相桥式两倍压整流和可控整流电路。三相由九个二极管（可控时包括三个或六个可控硅）和三个电容组成三相桥式二倍压整流和可控整流电路。

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