CN1144349C

CN1144349C - 电源装置

Info

Publication number: CN1144349C
Application number: CNB001073389A
Authority: CN
Inventors: �ɳ��; 松城英夫; 小川正则
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-05-17
Filing date: 2000-05-16
Publication date: 2004-03-31
Anticipated expiration: 2020-05-16
Also published as: CN1274191A; JP2000324810A; US6215287B1; MY125348A; JP3589086B2

Abstract

本发明提供一电源装置，其可以抑制对轻负载的输出(直流电压)的升高和振荡。电源装置包括用于对负载提供直流电压的交流-直流变换器和开关操作控制器，用于校正功率因数和控制开关元件以使交流-直流变换器的输出或直流电压变成预定目标值。开关操作控制器具有可变截止频率的用于使直流电压平滑的低通带滤波器。通过改变低通带滤波器的截止频率，能够识别直流电压的上升以抑制和稳定轻负载状态下直流电压的升高和振荡。

Description

电源装置

技术领域

本发明涉及一种电源装置，其可以向工业用和生活用的电子的装置提供调节的(稳定的)直流电压。

背景技术

近年来，电子和工业的设备已经得到广泛的使用，并且随着这广泛的使用，高谐波的电流被引进电力装置。这引起问题，例如各种的装置的加热、故障等等。为了解决这些问题，需要在不同的设备中对高的谐波进行适当的测量。因此，交流电(AC)到直流(DC)变换器已经被使用作为建造于这些设备内部的电源装置。交流-直流变换器运用通过电抗器和开关元件的蓄能效应，并且校正功率因数以致提高输出电压。

日本的专利出版物No.59-198873中透露了交流-直流变换器的控制。如公告中描述的，该控制是在下列方式实现的。AC电压信号与在直流电压和它的目标值之间的电压差相乘。然后，根据通过该相乘获得的值决定导电率以校正功率因数。图10是显示上述的传统的电源装置的结构的一个电路图。

交流电源1的输出由包含二极管电桥的整流器电路2整流，然后整流的电压通过电抗器3由开关元件4转换。此外，跨在开关元件4的端子上的电压经过二极管5被平滑电容器6平滑，以使直流电压被提供到负载7。开关元件4的操作是由开关操作控制器11控制的。控制流程如下。

首先，由直流电压检测部分10获得的直流电压值被低通滤波器110平滑。电压比较器112计算在该平滑值和来自目标电压计算部分111的直流电压的目标值之间的电压差。另一方面，目标电流计算部分113通过将该电压差与从输入电压检测部分9获得的电压相乘计算目标电流。接下来，电流比较器114计算在由目标电流计算部分113计算出的目标电流值和由电流检测部分8获得的电流值之间的差别。然后，根据因此计算出的差别，通过PWM(脉宽调制)占空计算部分115确定开关元件4的导电率。开关元件4根据该导电率切换。

在AC-DC变换器中，当连接到输出端的负载变大时，如图11所示，在直流电压14中具有如交流电源的电压13两倍的频率的脉动波纹。因此，通常使用通过经过具有慢响应速度(如图12所示的具有大约1Hz固定的截止频率)的低通带滤波器110获得的一个值作为一个直流电压值，将被用于计算电压差值。

然而，在常规的具有上面的结构的交流电-直流变换器中，当在小的或轻负载状态(即连接到输出端的是小的或轻的负载)中直流电压增加时，由于经过具有慢响应速度的低通带滤波器的直流电压被用于计算在直流电压和目标值之间的电压差值，那就是说，以确定开关元件的导电比，因此由一个问题即直流电压继续提高。

为了解决这个问题，当直流电压值增加大于基于目标值预确定的一个阈值时，有一个控制以致使开关元件的操作临时停止，直到直流电压值变成该目标值为止。然而，根据这样的一个控制，如图13所示，存在一个问题，即直流电压16是在目标值18和阈值19之间振荡(在图13中，波形17显示在经过低通带滤波器之后已整流的电压值。)。

发明内容

为了解决上面的已有技术中的问题已经做出了本发明。因此，本发明的目的是提供一个电源装置，其甚至在低负载状态下也可以防止在交流-直流变换器的直流电压中产生的振荡。

为了解决该问题，本发明提供一种电源装置，其包括：交流-直流变换器，电流检测部分，输入电压检测部分，直流电压检测部分，开关操作控制器和低通带滤波器。

交流-直流变换器从交流电源转换为直流电压以提供直流电压，并至少包括一个开关元件，一个电抗线圈和二极管。

电流检测部分检测交流电源的电流值。输入电压检测部分检测交流电源的电压值。直流电压检测部分检测从交流-直流变换器输出的直流电压值。开关操作控制器基于由电流检测部分、输入电压检测部分和直流电压检测部分获得的每个值校正功率因数。开关操作控制器控制开关元件的运转以使直流值变成预定目标电压。用于使来自直流电压检测部分的直流电压平滑的低通带滤波器被包含在开关操作控制器中，而且具有可变的截止频率。截止频率可以至少根据电流检测部分的检测值、输入电压检测部分的检测值以及直流电压检测部分的检测值中的一个，或基于那些值获得的负载状态而变化。

根据本发明的另一方面，提供一种电源装置，其中包括：交流-直流变换器，用于提供从交流电源的输出转换的直流电压，交流-直流变换器包括至少一个开关元件，一个电抗线圈和一个二极管；用于检测交流电源的电流值的电流检测部分；一输入电压检测部分，用于检测交流电源的电压值；一个直流电压检测部分，用于检测从交流-直流变换器提供的直流电压值；一个开关操作控制器，用于基于由电流检测部分、输入电压检测部分和直流电压检测部分获得的每个值校正功率因数，并用于控制开关元件的操作以控制直流电压到一个目标电压；其特征在于还包括：一个低通带滤波器，用于使来自直流电压检测部分的直流电压平滑，其被包括在开关操作控制器中，并且该低通带滤波器具有相应于预定输入信号的截止频率。

利用上面的结构，即使在低负载状态也能够防止交流-直流变换器的直流电压中生成的振荡(不规则振动)，以及即使负载变高的情况中也能够执行稳定的功率因数补偿和升压操作。

这个申请是基于在日本递交的申请No.11-135297，其内容包含在此。

附图说明

图1是一电路图，其示出根据本发明的第一、第四和第五实施例的电源装置的结构。

图2是一曲线图，其示出对于由第一实施例的低通带滤波器(LPF)中的电流检测部分获得的电流值的截止频率特性。

图3是在示出第一实施例的轻负载状态中交流-直流变换器的输出(直流电压)波形的视图。

图4是一电路图，其示出根据本发明的第二实施例的电源装置的结构。

图5是一曲线图，其示出相对于由第二实施例的低通带滤波器中电压比较器获得的电压差值的截止频率特性。

图6是一电路图，其示出根据本发明的第三实施例的电源装置的结构。

图7一曲线图，其示出对于由第三实施例的目标电流计算部分获得的期望电流值的截止频率特性。

图8是第四和第五实施例的程序流程图。

图9是第四和第五实施例的直流电压值低通带滤波器计算的信号流程图。

图10是一电路图，其示出常规电源装置的结构。

图11是示出常规的电源装置的输出(直流电压)波形的视图。

图12是一曲线图，其示出截止频率固定的一个常规的低通带滤波器的滤波特性。

图13是示出常规的电源装置在轻负载状态的输出(直流电压)波形的视图。

具体实施方式

接下来将参照附图描述本发明的实施例。

(第一实施例)

在下面将参照图1、2和3描述本发明的电源装置的第一实施例。图1示出电源装置的结构的一个电路图。图2是一曲线图，其示出相对于由电流检测部分获得的电流值的截止频率特性。图3是示出在轻负载状态下电信号的波形的一个视图。

交流-直流变换器A包括：包括二极管电桥的一整流电路2，电抗线圈3，开关元件4，二极管5和滤波电容器6。交流-直流变换器A通过整流电路2整流交流电源1的输出，由开关元件4转换从整流电路2通过电抗线圈3获得的电压，并由滤波电容器6通过二极管5更进一步使通过开关元件4的电压平滑，以致向负载7提供直流电压。此外，交流-直流变换器A装备有：用于检测交流电源1的电流值的电流检测部分8，用于检测交流电源1的电压值的输入电压检测部分9，以及用于检测交流-直流变换器A的输出直流电压值的直流电压检测部分10。

开关元件4的开关操作是由开关操作控制器11控制的。控制器11包括：低通带滤波器(LPF)110a，目标电压计算部分111，电压比较器112，目标电流计算部分113，电流比较器114和PWM占空计算部分115。控制器11操作如下。首先，从直流电压检测部分10获得的直流电压由低通带滤波器110a平滑。电压比较器112计算在被平滑的值和由目标电压计算部分111获得的直流电压的目标值之间的电压差值。另一方面，目标电流计算部分113通过将该电压差值与由输入电压检测部分9获得的一个电压相乘，计算目标电流值。更进一步，电流比较器114计算在由目标电流计算部分113计算出的目标电流和由电流检测部分8获得的电流之间的差值。根据该差值，PWM占空计算部分115a确定开关元件4的导电比率。开关元件4基于该导电比率是切换。

特别是，在本发明的第一实施例中，低通带滤波器110a具有可变的截止频率。图2示出低通带滤波器110a中的截止频率特性。低通带滤波器110a基于由电流检测部分8获得的电流改变截止频率。

更具体地说，当由电流检测部分8检测的电流大于150mA时，截止频率被设置为1Hz。当检测的电流等于或不足100mA时，截止频率被设置为1kHz。更进一步，当检测的电流范围是从100mA到150mA时，截止频率被改变以致线性的和逐渐地降低。由电流检测部分8获得的电流值和负载7的大小具有彼此成比例的关系。结果，如从图2看到的截止频率特性，当负载7为大时，那就是说，在重负荷情况，低通带滤波器110a的截止频率被设定为低；而当负载7较小时，那就是说，在轻负载状态，截止频率被设定为高。

在上面描述的结构中，从如图11所示的交流-直流变换器A的特性中，在直流电压14上生成频率为交流电源1的电压13的频率两倍的脉动波纹。在使用市电情况下脉动波纹成分是100Hz或120Hz，当电流大于150mA时低通带滤波器110a的截止频率被设置为1Hz。因此可以消除脉动波纹成分。

同时，当检测负载7是轻的而且电流等于或不足100mA时，低通带滤波器110a的截止频率被设置为1kHz。然而，在负载轻的情况下几乎没有脉动波纹出现。因此，即使截止频率被设置为1kHz也没问题。

根据已有技术，在轻负载状态下，当直流电压被交流-直流变换器A的升压操作升高到目标值或更大时，如图13所示，当低通带滤波器110a的截止频率为低时，由于直流电压16的上升不能被识别，所以存在一个问题即升压操作被继续。

在第一实施例中的低通带滤波器110a具有设置为1kHz的一个截止频率，从而，即使直流电压12如图3所示的升高，也能够即时地识别电压上升，而且通过开关操作控制部分11的控制流向最后减少开关元件4的导电比率，以抑制电压上升。

当电流范围为从100mA到150mA时，低通带滤波器110a不是逐步的而是线性的改变截止频率。因此，能够保持交流-直流变换器A操作的稳定性。

如上面描述的，根据本发明的第一实施例，在轻负载状态下，通过交流-直流变换器的升压操作，直流电压值没有达到目标值或更大。例如，在第一实施例的电源装置被应用到分体式空调器的室外单元的情况下，室外单元的压缩器可以在稳定的直流电压下起动。

在图2的特性曲线图所示的设定值较好是根据使用在交流-直流变换器A中的零组件的特性、整个系统的特性等等调整。

根据第一实施例，不会有通过交流-直流变换器A的电压升压操作使直流电压升高到目标值或更高的情况。因此，直流电压可以被控制在一稳定的值，而且通常的功率因数补偿可以与电压升压操作一致。

(第二实施例)

图4是一电路图，其示出根据本发明的第二实施例的电源装置的结构。第二实施例在低通带滤波器的构造上不同于上面的第一实施例。在这种情况下，同样的参考数字被用于指明具有与第一实施例相同的结构和作用的部分。在下面将只是描述不同的部分。

低通带滤波器110b基于由电压比较器112获得的电压差值改变截止频率。图5是表示相对于该电压差值的截止频率的特性的一个曲线图。当由电压比较器112计算出的电压差值等于或大于5V时，截止频率被设置为1Hz，而当由电压比较器112计算出的电压差值等于或不足1V时，截止频率被设置为1kHz。更进一步，当电压差值范围是从1V到5V时，截止频率被改变以致线性的和逐渐地降低。

在第二实施例的交流-直流变换器A中，由直流电压检测部分10检测的直流电压被控制以趋近由目标电压计算部分111获得的直流电压的目标值。实际上，直流电压具有随着负载7变大而逐渐地从目标值减少的特性。即，在由直流电压检测部分10检测直流电压和由目标电压计算部分111获得的直流电压的目标值之间的电压差值与负载7的大小之间存在一个比例关系。

因此，具有图5所示特性的低通带滤波器110b变化截止频率，以使频率线性的和逐渐地降低，并从而像第一实施例一样，在交流-直流变换器A的升压操作中，直流电压值不会升高到目标值或大于目标值。因此，能够直流电压值在一稳定值，并执行通常的功率因数补偿和升压操作。

(第三实施例)

图6是一电路图，其示出根据本发明的第三实施例的电源装置的结构。第三实施例在低通带滤波器的构造上不同于上面的第一实施例。在这种情况下，同样的参考数字被用于指明具有与第一实施例相同的结构和作用的部分。在下面将只是描述不同的部分。

低通带滤波器110c基于由目标电流计算部分113获得的目标电流值改变截止频率。图7示出相对于目标电流值的截止频率的特性。当由目标电流计算部分113计算出的电流值等于或大于150mA时，截止频率被设置为1Hz，而当电流值等于或不足100mA时，截止频率被设置为1kHz。更进一步，当电流值范围是从100mA到150mA时，截止频率被改变以致线性的和逐渐地降低。在交流-直流变换器A中，由目标电流计算部分113获得的目标电流值和负载7的大小有比例关系。结果，如从图7所示的截止频率特性所示，当负载7为大时，那就是说，即，重负载情况中，低通带滤波器110c的截止频率被设定为低的。另一方面，当负载7较小时，即，在低负载情况下，截止频率被设为高。

在上面的结构中，如从图7所示曲线图看到的，截止频率改变以致线性的和逐渐地降低，并从而像上面的第一实施例一样，直流电压值没有通过交流-直流变换器A的升压操作升到目标值或大于目标值。因此，能够保持直流电压值在一个稳定的值之下，并执行通常的功率因数补偿和升压操作。在上面的第一到第三实施例中，通过使用由电流检测部分8、输入电压检测部分9和直流电压检测部分10获得的数值，或基于获得值计算出的一个值识别负载状态。然而，即使低通带滤波器110a、110b和110c的每一截止频率可以根据对一个逆变器(当逆变器为负载时)的控制命令值，或转动速度(当负载为电动机时)被改变，也可以获得相同的效果。

(第四实施例)

根据第四实施例，本发明的第一到第三实施例的开关操作控制器11是由微型计算机构成。图8是示出第一实施例的开关操作控制器11的操作的流程图。

首先，在步骤S1，直流电压检测部分10输入交流-直流变换器A的直流电压。在步骤S2，根据输入的直流电压值执行低通带滤波器计算。更具体地说，由具有如图2所示的相对于电流检测部分8的检测值的截止频率特性的低通带滤波器110a使输入的直流电压平滑，以便使直流电压平滑。在步骤S3，目标电压计算部分111计算目标电压值。在步骤S4，电压比较器112计算在直流电压值和由目标电压计算部分111获得的直流电压的目标值之间的电压差值。在步骤S5，输入电压是由输入电压检测部分9获得的，而在步骤S6，目标电流计算部分113通过将电压差值与由输入电压检测部分9检测的输入电压相乘计算目标电流值。随后，在步骤S7，电流检测部分8获得一个电流。在步骤S8，低通带滤波器110a的截止频率是根据电流值确定的。更进一步，在步骤S9，电流比较器114计算由目标电流计算部分113计算出的目标电流和由电流检测部分8获得的电流之间的差值。在步骤S10，根据因此计算出的差值，由PWM占空计算部分115确定开关元件4的导电比率。在步骤S11，PWM占空计算部分115输出包括导电比率的PWM信号到开关元件4。

如在上面描述的，在由电流检测部分8获得的电流的A/D变换之后，确定低通带滤波器110a的截止频率。程序进行例行的处理，然后，在低通带滤波器110a的下次计算中使用上面的截止频率。

虽然第四实施例是基于第一实施例的程序描述的，第四实施例也可以基于第二或第三实施例中相同的程序描述。

图9示出由低通带滤波器进行的直流电压的信号流的计算。由直流电压检测部分10获得的直流电压值由系数K1相乘。然后，相乘的结果被加到由系数K2相乘的低通带滤波器110a的前面的计算结果。因此获得的结果变成低通带滤波器110a的计算结果。系数K1和K2具有关系K1+K2＝1，而截止频率是由该系数值确定的。

在第四实施例中，通过改变系数K1而K2的一系列包括截止频率可变的控制的计算过程是由储存在微型计算机中的程序执行的。因此，与电源装置是由电子电路组合构成的情况相比，能够非常容易地和稳定地保持直流电压值。

(第五实施例)

根据本发明的第五实施例，在第一到第三实施例中由开关操作控制器11进行的控制是通过DSP(数字信号处理机)执行的。DSP的程序流与在上面的第四实施例中描述的图8所示的相同。DSP是一台处理器，其能够以高速执行滤波计算，并有在一个机器工作周期中处理求和以及乘积运算的能力。

在第五实施例中程序流的控制在与第四实施例中相同的。它能够通过一个非常简单的程序实现包括截止频率的可变控制在内的一系列计算。

虽然本发明已经是结合它的指定实施例进行了描述，对于本领域的熟练者来说许多其它修改、调整和应用是显而易见的。因此，本发明不是由在此处给出的具体例子限制的，而是由权利要求的范围限定的。

Claims

1.一种电源装置，其中包括：

交流-直流变换器，用于提供从交流电源的输出转换的直流电压，交流-直流变换器包括至少一个开关元件，一个电抗线圈和一个二极管；

用于检测交流电源的电流值的电流检测部分；

一输入电压检测部分，用于检测交流电源的电压值；

一个直流电压检测部分，用于检测从交流-直流变换器提供的直流电压值；

一个开关操作控制器，用于基于由电流检测部分、输入电压检测部分和直流电压检测部分获得的每个值校正功率因数，并用于控制开关元件的操作以控制直流电压到一个目标电压；

其特征在于还包括：

一个低通带滤波器，用于使来自直流电压检测部分的直流电压平滑，其被包括在开关操作控制器中并具有可变的截止频率。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于低通带滤波器根据由电流检测部分检测的电流值改变截止频率。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于开关操作控制器包括一个电压比较器，用于计算在由低通带滤波器平滑的直流电压和目标电压之间的电压差值，而且低通带滤波器根据电压比较器获得的电压差值改变截止频率。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于开关操作控制器包括一个电压比较器，用于计算在由低通带滤波器平滑的直流电压和目标电压之间的电压差值，以及一个目标电流计算部分，用于通过将来自电压比较器的电压差值乘以来自输入电压检测部分的电压计算目标电流，而在其中低通带滤波器根据来自目标电流计算部分的目标电流改变截止频率。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于开关操作控制器包括微型计算机。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于开关操作控制器包括数字信号处理机。

7.一种电源装置，其中包括：

用于检测交流电源的电流值的电流检测部分；

一输入电压检测部分，用于检测交流电源的电压值；

其特征在于还包括：

一个低通带滤波器，用于使来自直流电压检测部分的直流电压平滑，其被包括在开关操作控制器中，并且该低通带滤波器具有相应于预定输入信号的截止频率。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于预定输入信号以电流检测部分检测的电流为基础。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于预定输入信号以低通带滤波器平滑的直流电压和目标电压之间的电压差值为基础。

10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于预定输入信号以通过将低通带滤波器平滑的直流电压和目标电压之间的电压差值乘以来自输入电压检测部分的电压而获得的目标电流为基础。