CN1149784A - 电源控制及其方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种控制电源装置以转换商用交流电的控制电路，该电路包括：一个电流源；一个整流器；一个由铁氧体材料作的电感器，用于减小由整流器产生的整流电流的峰值及无功功率分量；一个平波电容器，它与电感器相串联；一个开关装置，它与电感器相串联并与平波电容器并联；一个电流检测器；第一分压器；一个运算装置；第二分压器，一个乘法器，及一个电流方式控制部分。

Description

电源控制及其方法
本发明涉及用于逆变器型空调机的递变器电路中的电源装置，更具体地涉及用于控制电源装置以便减小无功功率分量的控制电路及其方法。
传统的安装于户外的逆变器型空调机的电源装置如图1所示包括：可获得的商用交流电源Vs；噪音滤波器100，用于从电流源中滤去传导的及辐射的噪音；增强电路200，它由一个电抗器L1及一个电容器C1组成以便改善功率因数；整流器300，用于将可获得的商用交流电转换成直流电；及平波电容器Co，用于对转换了的直流电流平波。虽然图中未示出，在平波电容器Co及负载400-如压缩机之间设有一逆变器电路及逆变器控制电路。这种传统的电源装置应用于由韩国三星电子公司制造的型号为ASH-989及AS-959的空调机上。
现在来描述这种传统电源装置各部件的功能，噪音滤波器100包括一电感及一电容，以便减小作为禁用频带的0.5至2MHz的高频噪音，例如控制逆变器以对压缩机进行可变控制时由开关元件的开关引起的导电及辐射噪音。噪音滤波器具有的输出与由一电抗器L1及一电容器C1组成的功率因数增强电路200串联地连接。电抗器L1根据电流波形的连续增大来改善功率因数并因提供电流源使整流器300的峰值电流下降。整流器300由二极管D1、D2、D3、D4的桥组成并将由功率因数增强电路200提供的交流电流转换成直流电流，后者被提供给平波电容器Co减小纹波电压。
在这种传统的电源装置中，由于噪音滤波器100通常包括两个X-电容器，两个Y-电容器及两个电感器，其尺寸随着负载的开关频率及许可电流的规定范围而增加，因而使它难于安装在一个印刷电路板(PCB)上。相应地，生产成本随同缺乏合适的安装空间而增加。
此外，功率因数增强电路200的电抗器L1使用了一个铁芯，它是随着负载电流增加而增大体积及由此增加重量的原因之一。例如，用于负载电流约15〔A〕的电抗器包括一个重量约为2.2kg及尺寸约为90×90×35mm的铁芯，因此必需将其安装在空调机户外部分的下方。
另外，约重2.2kg的铁芯不仅很昂贵，而且单独使用电感将会在整个负载区域上非均匀地降低功率因数，故需要附加的费用及安装空间。尽管如此，功率因数在整个负载区域上仍具有约0.5至0.9的非均匀范围，此外，当功率因数在轻载或重载下变为不理想时，必将使开关元件、二极管、电容等受到大量无功功率分量，这将引起对这些元、器件施加的电负荷增大，而产生可靠性的下降并由此使质量下降。此外，由逆变器开关引起的电流波形失真使电流的高次谐波分量增大，它将对噪音滤波器的设计带来诸多困难。
为了减小这种高次谐波分量，日本公开专利文献No.平5-204478推荐了设计噪音滤波器及改善功率因数的措施，其中使用了设置在整流二极管及AC电源侧升压变流器之间的低通滤波器(LPF)。也就是这需要噪音滤波器与低通滤波器一起使用，这自然引起了成本问题。因而，该发明并未根本地解决在设计噪音滤波器方面所固有的问题。
本发明一个目的在于提供一种控制电源装置的控制电路以减小无功功率分量。
本发明的另一个目的是提供一种控制电源装置的控制电路，它将使电流的高次谐波频率失真降至最小，由此简化噪音滤波器的设计及维持功率因数为1，以改进可靠性。
本发明的再一目的是提供使得控制电源装置的控制电路的电抗器尺寸及重量减至最小并由此减小成本及安装空间的措施。
本发明的又一目的是提供控制电源装置的一种方法，以使改进功率因数及减小高次谐波电流。
根据本发明的一个实施例，控制电源装置以转换商用交流电的控制电路包括：
一个电流源，用于提供商用交流电；
一个整流器，用于对由电流源提供的交流电进行整流；
一个由铁氧体材料作的电感器，用于减小由整流器产生的整流电流的峰值及无功功率分量；
一个平波电容器，它与电感器相串联，用于减小整流的直流电中的纹波电压；
一个开关装置，它与电感器串联并与平波电容器并联；
一个电流检测器，用于检测流过开关装置及平波电容器的电流；
第一分压器，用于以给定值对由平波电容器供给负载的电压进行分压；
一个运算装置，用于产生参考电压与由分压器提供的电压之间的差值；
第二分压器，用于以给定值对整流器的输出电压进行分压；
一个乘法器，用于将第二分压器的输出电压乘以运算装置的输出；及
一个电流方式控制部分，用于根据乘法器的输出及电流检测器的检测电流将电流控制信号提供给开关装置的控制极端子上。
在本发明的另一方面，提供了一种控制上述电源装置的功率控制方法，它包括以下步骤：
检测负载的输出电压；
产生检测电压与参考电压之间的差值；
检测整流器的全波整流电压；
将检测的整流电压乘以差值；
检测流过电感的全波整流电流；及
根据乘积电压及检测电流，控制开关装置，以使得检测电流具有的值在最大给定值及最小给定值之间。
控制开关装置的步骤可包括将放大的差值与具有给定差值的外部灯信号相比较的步骤，或当检测电流的瞬时值相应于乘积信号时关断开关装置及然后通过与具有给定频率的外部时钟脉冲同步使开关装置导通。
现在将参照仅是示例方式的附图更具体地来描述本发明。
图1是表示传统供电装置的电路图；
图2是表示根据本发明一个实施例的控制电源装置的控制电路的电路图；
图3是表示根据本发明控制方法的一个实施例的电流及控制极信号之间关系的波形图；
图4是表示根据本发明控制方法另一实施例的电流及控制极信号之间关系的波形图；
图5是表示根据本发明控制方法又一实施例的电流及控制极信号之间关系的波形图。
参见图2，它表示出一个与整流器10相连接的可获得之商用交流电源Vs，该整流器10由多个桥式连接的二极管D1、D2、D3、D4组成并与一铁氧体材料构成的电感器20相连接。该电感20再经由一限流二极管D5与平波电容器Co相串联。一个绝缘栅双极性晶体管(IGBT)SW与电感器20相连接并与平波电容器Co并联。在电感器20及二极管D5之间设置了一个电流互感器CT2，用于检测电流。另一电流互感器CT1与晶体管SW的发射极相连接。这些电流互感器CT1，CT2将其检测电流提供给电流方式控制电路30，图中未示出其连接。
负载60、例如空调机的压缩机与平波电容器Co相并联，它的输出端与电阻R3，R4相连接。一个运算放大器50的输入端连接在电阻R3及R4之间的连接点上。运算放大器50的另一输入端上被施加参考电压。在整流器10的输出端及地之间也接有电阻R1及R2，它们的连接点再与一乘法器40的输入端相连接，该乘法器还有另一输入端，用于接收运算放大器50的输出，并且乘法器将其输出提供给电流方式控制电路30。电流方式控制电路30接收来自乘法器40的及来自电流检测器70的电流互感器CT1及CT2的输入信号，并将输出提供给IGBTSW的栅极端子。
在工作时，可获得的商用交流电经过整流器10被全波整流。整流电流的峰值被电感器20降低，以便减小无功功率分量。电感器20由铁氧体材料组成，使得有可能获得从60Hz(这是图1中的情况)增到大于20KHz的开关元件的开关频率。流过电感器20的电流iL由电流互感器CT1及CT2来检测，并输出到电流方式控制电路30。通过电感器20的电流通过平波电容器Co去除纹波分量再供给负载60。平波电容器Co的输出电压Vo借助于电阻R3及R4被分压并输出给运算放大器50，它将分压电流与参考电压之间的差值Verr进行放大并输出给乘法器40。借助于电阻R1及R2对整流器10的全波整流电压进行分压而获得的带有纹波分量的120KHz的输入电压信号Vsin被施加到乘法器40，该乘法器将Verr与Vsin相乘并产生一电流指令信号ic输出给电流方式控制电路30。
电流方式控制电路30基于电流检测器70检测的电感器电流iL及电流指令信号ic通过以三种不同方式控制IGBT SW的栅极，控制流过电感器20的电流具有正弦波形。也就是，根据输出电压Vo的变化，运算放大器50的输出信号Verr产生变化以改变电流指令信号ic的幅值并控制输出电压保持在给定值上及由此使功率因数接近于值1。
电流方式控制电路30可包括一微处理器或运算放大器等电路元件。现在参照图3至5来描述电流方式控制电路30的三种不同控制方式，图3的第一种情况规定了相对于电感器电流iL的平均值的上、下限之间的一个区域，以使得电感电流iL在与上、下限的交点时改变IGBT SW栅极信号的电压电平，由此开通/关断IGBT SW。
图4的第二种情况是放大电感器电流iL的平均值与电流指令信号iC之间的差，并将放大值与一个PWM信号发生器的PWM信号相比较，由此通过IGBT SW的导通使其与PWM信号相同步，然后在经过正比于放大值的时间后使IGBT SW关断。这使得电流iL保持与输入电压Vsin同相位，将功率因数改善到1。图5的第三种情况是，如果电感器电流iL的瞬时值等于电流指令信号iC，则使IGBT SW关断，并使其与给定频率的PWM信号或时钟脉冲同步以开通IGBT SW。以这三种方式，电流方式控制电路30产生出如图3中所示的栅极信号，提供给IGBT SW的栅极端子。
图4及5的方法使开关元件如IGBT SW的开关频率保持在给定值上，以便避免开关频率由于电感器电流iL的变化而发生变化，于是使防止了由开关频率的急剧变化引起的高次谐波电流分量的增大。因而，使用的噪音滤波器可被减至最小。
本发明的方法以电流方式控制电源，其中电流指令信号iC由运算放大器50的输出Verr与输入电压的瞬时值Vsin相乘而构成，在输入电压的半周期期间，控制电压Verr保持恒定。此外，控制电压Verr被作成反比于输出电压Vo，以使得当输出电压Vo减小时控制电压Verr增大，并因此使输入电感器电流iL增大，由此将输出电压保持在恒定值上。这也使平波电容器的纹波电压减至最小，结果是相应地减小了平波电容器的电容量。
以此方式，本发明的控制电路可使功率因数几乎保持在值1上，这使得它可使用具有的许可工作值低于传统电路中使用的值的元器件，因而降低了无功功率损耗及生产成本。此外使电流波形中包含的高次谐波分量失真减至最小可导致省去噪音滤波器及减小作用于电路元件上的负荷。
另外，电感器是由铁氧体材料作的，与传统的铁芯相比，电感器的重量从约2.2kg减小到0.2kg左右，同时不但减小了尺寸，也降低了成本，并使开关元件具有大于20KHz的开关频率。也没有必要使用功率因数改善电容器，由此使重量及尺寸显著下降并节省了元件安装空间。使用非晶材料的这种电感器磁芯具有减小由于开关使磁芯损坏的可能性的作用。

Claims (8)

1.控制电源装置以转换商用交流电的控制电路，包括：
一个电流源，用于提供商用交流电；
一个整流器，用于对由所述电流源提供的交流电进行整流；
一个由铁氧体材料作的电感器，用于减小由所述整流器产生的整流电流的峰值及无功功率分量；
一个平波电容器，它与所述电感器相串联，用于减小所述整流的直流电中的纹波电压；
一个开关装置，它与所述电感器串联并与所述平波电容器并联；
一个电流检测器，用于检测流过所述开关装置及所述平波电容器的电流；
第一分压器，用于以给定值对由所述平波电容器供给负载的电压进行分压；
一个运算装置，用于产生参考电压与由所述分压器提供的电压之间的差值；
第二分压器，用于以给定值对所述整流器的输出电压进行分压；
一个乘法器，用于将所述第二分压器的输出电压乘以所述运算装置的输出；及
一个电流方式控制部分，用于根据所述乘法器的输出及所述电流检测器的检测电流将电流控制信号提供给所述开关装置的控制极端子上。
2.根据权利要求1所述的控制电路，其中所述电感器包括一个铁氧体磁芯。
3.根据权利要求1所述的控制电路，其中所述电感器包括一个非晶材料。
4.根据权利要求1所述的控制电路，其中所述开关装置是一个绝缘栅双极性晶体管(IGBT)。
5.根据权利要求1所述的控制电路，其中所述电流方式控制部分将所述开关装置的电流与所述平波电容器的电流相加以获得流过所述电感器的电流，并且将所述乘法器的输出作为电流指令信号与流过所述电感器的输入信号相比较，以产生所述电流控制信号来使得流过所述电感器的输入电流保持与输入电压同相位。
6.在电源装置中的一种功率控制方法，该电源装置包括：一个商用交流电源，一个整流器，一个电压检测器，一个减小无功功率分量用的电感器，一个检测流过所述电感器的输入电流用的电流检测器，一个与所述电感器相串联的平波电容器，一个与所述电容器并联的负载，一个与所述电感器串联及与所述平波电容器并联的开关装置，及一个与所述电压检测器及所述电流检测器以及所述开关装置相连接的功率控制电路，该功率控制方法包括下列步骤：
检测所述负载的输出电压；
产生所述检测电压与参考电压之间的差值；
检测所述整流器的全波整流电压；
将检测的所述整流电压乘以所述差值；
检测流过所述电感器的全波整流电流；及
根据所述乘积电压及检测电流控制所述开关装置，以使得所述检测电流具有的值在最大给定值及最小给定值之间。
7.在电源装置中的一种功率控制方法，该电源装置包括：一个商用交流电源，一个整流器，一个电压检测器，一个减小无功功率分量用的电感器，一个检测流过所述电感器的输入电流用的电流检测器，一个与所述电感器相串联的平波电容器，一个与所述电容器并联的负载，一个与所述电感器串联及与所述平波电容器并联的开关装置，及一个与所述电压检测器及所述电流检测器以及所述开关装置相连接的功率控制电路，该功率控制方法包括下列步骤：
检测所述负载的输出电压；
产生所述检测电压与参考电压之间的差值；
检测所述整流器的全波整流电压；
将检测的所述整流电压乘以所述差值；
检测流过所述电感器的全波整流电流；
将所述检测输入电流的平均值与所述乘积信号相比较以产生放大的差值；及
通过将所述放大差值与具有给定差值的外部灯信号相比较来控制所述开关装置。
8.在电源装置中的一种功率控制方法，该电源装置包括；一个商用交流电源，一个整流器，一个电压检测器，一个减小无功功率分量用的电感器，一个检测流过所述电感器的输入电流用的电流检测器，一个与所述电感器相串联的平波电容器，一个与所述电容器并联的负载，一个与所述电感器串联及与所述平波电容器并联的开关装置，及一个与所述电压检测器及所述电流检测器以及所述开关装置相连接的功率控制电路，该功率控制方法包括下列步骤：
检测所述负载的输出电压；
产生所述检测电压与参考电压之间的差值；
检测所述整流器的全波整流电压；
将所述检测整流电压乘以所述差值；
检测流过所述电感器的全波整流电流；
当所述检测电流的瞬时值相应于所乘积信号时关断所述开关装置；及
通过与具有给定频率的外部时钟脉冲同步开通所述开关装置。
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