专利名称：单相输入混合整流方法
技术领域：
本发明涉及单相输入混合整流方法，以用于节省直流或交流输出装置如视频设备，音频设备，像通讯设备、计算机那样的电器，像复印机、空调那样的办公自动化设备烹调设备，灯光设备，工业电机控制器或不间断电源的电能。
现有，开关电源已普遍用于视频设备，音频设备，像计算机、空调、烹调设备、灯光设备、工业电机控制器那样的电器设备或像不间断电源那样的交流输出装置。由于开关半导体器件、专用控制大规模集成电路性能的改善或电容和磁性材料的高频特性的改善使得开关电源的需求迅速增加。然而最近已有人指出开关电源产生的谐波电流造成了对工业电力线的电磁干扰。
还指出开关电源产生的低功率因素造成了总体基础能源的损失。
这些问题目前已作为一个共同问题引起发达国家的关注。
最近IEC(国际电气技术委员会)决定限制开关电源产生的谐波电流和限制低功率因数，日本政府制定的指南也提出了这样的要求。
例如，IEC规则的相关规则第IEC1000-3-2，该规则内容分为4个部分，即关于3相输入装置的部分A，关于电机设备的部分B，关于灯光设备的部分C和关于峰值功率不超过600瓦特的专用设备的部分D。
所以，除空调类外的电气设备和几乎所有的直流输出设备都包括在部分D中。
就谐波电流而言，这些规则中的尤为重要的规则是，关于单相电容输入型整流电路，它通常用于开关电源。
图1显示了涉及欧洲市场上的电视(230V230W)使用的单相电容输入型整流电路，它的从3次谐波至19次谐波的所有奇次谐波的谐波电流值大大超出了用实线显示的IEC标准。今后具有这种形状电源的产品很可能不能出售。
到目前为止，根据规则对谐波电流的要求，作为指南，已建议了几种电路。在这些电路中通常使用输入扼流圈电路，晶体管变换方法(无输入电容方法)和有源滤波方法。
输入扼流圈电路所具有的电路构造如图2(1)所示，例如，扼流圈从交流电的输入端接入。它的构造稍微符合上述的IEC标准。例如，当扼流圈接入如图3所示的用于欧洲电视(230V，230W)上的单相电容输入型整流电路时，从3次谐波到19次谐波的所有奇次谐波的谐波电流值低于用实线所示的IEC标准。
然而，输入扼流圈电路的功率因数通常是图4所示的0.75～0.8，符合IEC标准的最低值0.75，这是很不够的，仍然存在一些视在功率。
很明显，输入扼流圈电路中出现的谐波电流是由与全波桥式整流器输出端相接的充电电容造成的。
因此，不需要大电容的脉宽调制(PWM)开关技术已经试用。
脉宽调制电路的类型分成一个晶体管变换器方法或有源滤波方法。
一个晶体管变换器方法具有如图2(2)所示的电路结构，尽管它在费用、变换效率、功率因数、电源线谐波方面有某些优点，但还是存在一些弱点，这就是当交流输入电压瞬时为零时它不能产生输出电源。
所以，只有用电设备的功率不超过300W才有可能避免上述弱点。
此外，一个晶体管变换器方法还具有一个严重的弱点，即由于缺少电源端的大电容使高速开关杂波向交流电源端漏泄(泄放)。
因此，使用一个晶体管变换器方法的开关电源在使用中受到相当大的限制。
另一方面，图2(3)显出了有源滤波方法所具有的电路结构。在这个方法中，尽管功率因数接近1，但它的缺点是①除了需要功率因数改善开关电路外还需要直流一直流变换器；②由于交流输入电压约为零时输出电压很难产生因而在整体上不能避免较低的效率；③在输出电源中出现波纹(交流分量)。
如上所述，以谐波电流限制和传统开关电源功率因数的改善为背景的指南伴随着诸如成本的增加、变换效率低或尺寸和重量增加的不利因素。
本发明提出了下面的内容，其目的是提供若干没有电源容量范围限制的单相输入混合整流方法以克服传统技术的问题并从根本上改善变换效率、功率因数和电力线谐波。
为了解决上述问题，本发明提出了单相输入基波和谐波分量混合整流方法，通过置入波纹电源整流器和把辅助整流的直流分量附加在基波直流分量的方式使该方法具有可以获得比传统单相全波桥式整流电路效率高的特性。
本发明提出了单相输入混合整流的方法，通过置入波纹电压(谐波分量)整流器和把辅助整流的直流分量附加在基波直流分量的方式使该方法具有可以获得比传统LC滤波型整流器电路效率高的性能。
此外，本发明提出的单相输入混合整流方法具有比单相全波桥式整流电路或2相半波桥式整流电路效率高的特性，该特性是通过接入由具有升压次级线圈的扼流圈和滤波电容组成的LC滤波器和通过置入与次级线圈相接的波纹电压(交流电压)整流器电路和把辅助整流的直流分量附加在基波直流分量上的方法获得的。
图1是说明传统电路中谐波电流的次数和数值之间关系的曲线圈；图2是说明传统方法的电路构造图；图3显示了说明传统方法中谐波电流的次数和数值之间关系的另一种曲线图；图4显示了说明根据传统方法的功率消耗和功率因素之间的关系的曲线图；图5显示了说明本发明实例和解释输出电压波形的电路结构；图6显示了图5所示电路的直流输出电压值和波形的说明曲线图；图7显示了基波的LC滤波整流电路与本发明改进的LC滤波型整流电路实例的比较；图8显示了输入、输出非隔离高频混合整流方法的本发明实例；图9显示了输入、输出隔离的高频混合整流方法的本发明实例，用于单晶体管型的小容量；图10显示了与图9方法相同的本发明的实例，但是它用于推挽晶体管型的大容量；
图11显示了当通常使用的100/115V和200/230V电源相兼容时，采用图6、图7和图9所示方法的电路实例。
图5显示了与传统方法相比较的本发明电路构造的实例，以解决上述问题。
本发明能够实现比传统方法高的整流效率，而且通过使用上述的单相输入混合整流方法使一些直流或交流输出设备的能量节省成为可能。
具体方法和积极效果如下面的实例所示。
图5示出了与传统方法相比较的用以解决上述问题的本发明电路构造的实例。
图5(1)是通常使用的电容输入型整流电路，正如上所述的那样，由于滤波仅由直流输出端(高)大容量电容完成和充电电流在短时间内集中在正弦交流电压的峰值使其输入功率因素较低。
图5(2)是标准的单相全波桥式整流电路，其输入功率因数为1和效率接近79％，这是因为要从理论值8/π2＝81％减去2个二极管的电压落差。
由虚线包围的图5(3)、图5(4)和图5(5)的部分是辅助整流器电路，通过电容和二极管组合的电路和通过滤除至今还忽视的波纹电源(谐波分量)来产生附加直流电源。
如图5(3)～图5(5)所示辅助整流电路产生的平滑直流输出电源并接在单相全波桥式主整流电路输出端时，只有当输入交流电压的绝对值低于辅助整流电路的输出电压值时整流电源才能从辅助整流电路向直流负载输送。
这就是说，图5(3)～图5(5)所示的辅助整流电路就像图5(1)中的滤波电容那样使整流和滤除波纹(谐波分量)的效率自动提高。
然而，图5(3)～图5(5)所示的电路能够获得比图5(1)或图5(2)的电路更高的效率，因为传统电路忽视的再整流波纹电源被辅助整流电路再次利用。
也就是说，本发明的混合整流方法可以有效地节省各种整流器的能量。
由于一些电路元件的影响，本发明的效率比图5(2)的79％的标准效率提高8～9％(当79％为标准效率时，理想的效率提高应为10～11％)。
测量值表明在与图5(1)所示的传统电容输入型整流电路的输出直流电源相同的电源值的条件下，图5(3)～图5(5)所示方法的输入交流电流(视在功率)减少27～29％。这一测量值已被根据图5(1)所示电路而变形的(类型相同的)市场上流行的直流-直流变换器与图5(5)所示方法相比较的实验所证实。
为了上述的一个晶体管变换器方法和有源滤波方法的整流电路而采用图5(3)中的本发明的整流电路而不是图5(2)中的电路，可以极大地减少包含在直流输出电压中的波纹电压和开关杂波的峰值并使输出容量范围几乎没有限制。图5(6)-(a)、(b)、(c)中所示的电路包括了辅助整流电路。
图6示出了在有效地使用图5(3)、(4)、(5)电路的条件下辅助整流器端电压与直流输出电压之间的关系。图6的A和B显示了传统单相全波桥式整流器电路的波纹电压，C和D，F和G，H和I显示了有效使用本发明方法的波纹电压。
从图6可以清楚地看出附加的电容和二极管组成的辅助整流电路减少了波纹电压。然而既使元件的数量比图6(4)的实例有所增加，由于二极管的电压降减小了效率，使电路的效率的改善被饱和。所以图6(4)的电路或具有其它附加电路的电路只适于增加成本、增大体积和减小输入电流(电功率)的情况。
辅助整流器的最低和最高耐压二极管元件需要高压元件，因为输入交流电压在电源接通时被直接接入。然而使用低电压元件而不是类似Shottkey barrier二极管那样的较低正向压降的元件能够减少二极管正向压降造成的功率损失，这是因为在其中设置了分压的中间二极管。
图7(1)示出了相对中等或具有超过100W直流输出功率的大容量整流电路，它采用于传统的和流行的LC滤波器。图7(2)～图7(8)示出了在上述电路中使用本发明整流方法的电路实例。它包含在直流输出电压中的波纹电压比图5和图6所示例子低是非常自然的。它对所有类型的直流电源都是有用的。
图7(2)显示了滤波以前完成效率的改善和波纹电压(或电源)减小的情况，这是因为图5、图6所示的辅助整流电路(虚线框中的电路)在扼流圈前级中把波纹电压转变为直流电压并把它附加在由二极管D1、D2、D3、D4组成的单相全波桥式主整流电路的输出电源上。
由于具有这一特性，就能够减少置入扼流圈的波纹电压。其减少成正比的给定扼流圈感量，并能够小型化和通过减少内部损失改善效率。由图7(2)中的虚线包围的辅助整流电路显示了图6(2)的电路方法，它几乎与图6(3)或图6(4)的电路方法相同。根据成本，体积或总效率还应该选择其它合适的方法。
图7(3)显示了一个整流电路，当出现在扼流圈两端的波纹(交流)电源通过虚线框起来的辅助电路转换为直流电源时，辅助整流器中的滤波电容和主整流电路的LC滤波电容按常规方式使用，它的体积小、元件总数最少、费用最合算。
图7(4)表明了扼流圈前级中的波纹电压比图6(4)中的直流输出波下降的情况，尽管设置了扼流圈的次级线圈并升高了包含在具有自动转换功能的单相全波桥式整流电路的输出电源中的波纹电压，但电容和二极管的数量少。此外波纹电压是通过辅助整流电路整流的。
所以，它能够使扼流圈的给定感量减小并在实际使用的现有的技术指标中保证直流输出波纹电压。
图7(5)显示了减少图7(4)电路元件并简化电路以降低成本的方法。
图7(6)示出了把由D2、D4和与其并联的D5和D6全波桥式整流后的扼流圈次级线圈产生的波纹电压放入单相全波桥式整流输出电压上的方法，所述的单相全波桥式整流由D1、D2、D3、D4完成，D2和D4通常用于主整流器和辅助整流器。
尽管D1～D6似乎与3相全波桥式整流电路相等，但不是与3相全波桥式整流电路确切地相等，因为D1～D4输入50Hz电压而D2、D4，D5和D6输入100Hz波纹(谐波分量)电压，即二次谐波电压。
图7(7)和图7(8)是变形，图7(8)是把辅助整流输出电源放入直流输出端的方法，图7(7)是把波纹电源的一半送入扼流圈前后级的方法。
如上所述，为了实现本发明效率改善的方法，说明书已提出了各种电路方法，但是这些电路方法的集合和共同的思想是通过把传统单相全波桥式整流电路忽视的波纹电压转换为直流电源并加在传统的直流输出电源上。这就是本发明的基本思想。
图5和图7的直流输出/交流输入值已被实验所证实，该数值清楚地表明了效率和功率因素的改善。
图8、图9和图10示出了另一种实例。
图8示出了输入、输出不绝缘的高频混合整流方法的例子。它具有在单相全波桥式整流电路和LC滤波器之间插入半导体开关(S)并以几KHz～几百KHz(频率)控制半导体开关(S)的关断或接通的特性。
这种方法不仅能够PWM(脉中宽度调制)控制直流输出电压而且还能够极大地减少扼流圈(L)和电容器(C)的感量、容量以及它们的重量。因此实现小型化和总体电源装置轻重量成为可能。
图9示出了输入、输出绝缘的高频整流方法的例子，它具有直流一直流变换器(用于一个晶体管的小容量)。即，当本发明的方法被用于一个晶体管型的直流-直流变换器以便靠绝缘交流输入端和直流输出端获取平滑直流输出电源时，向直流-直流变换器输入端的高容量电解电容充电的高频电流(i1)和控制直流-直流变换器输出电源的高频电流(i2)被叠加并送入开关晶体管(S)。
由于虚线所示的i1和i2流通路线受脉宽控制，所以正常波纹电压出现在直流负荷中并保持与传统直流-直流变换器性能相同的性能。
从试验结果可以看出，图8电路中的直流输出电源和交流输入电源的比率接近75％～80％，与图7的电路相比，这个比率相当低，这些区别取决于输出能力或使用的谐波分量的情况。
尽管如此，但与直流输出电源与交流输入电源的比率为50％～65％的传统开关控制器相比，其功率因数、效率还是得到明显改善。包含在输入电流中的低频段的谐波(第3～第19次)大大减小，并符合IEC标准。
图10显示了得到大容量输出电源的具有两个晶体管的通用的推挽型直流-直流变换器与本发明混合整流方法相结合的例子，这意味着本发明的混合整流方法能够有各种应用。图11(1)、(2)、(3)示出了当图6、图7和图9的电路以100/115V和200/230V兼容的通常方式应用时的电路构造。
如以上精确地说明，本发明能够以小的谐波分量实现交流到直流的变换，并能够比传统方法节省10～15％的输入电源和通过把波纹电源(交流分量)经整流的直流分量附加在基波直流分量的单相输入混合整流方法以保持多于85％的功率因数。
此外，本发明可以减少交流输入电流的谐波分量。
本发明还能够以增加很少的费用和以不受电源容量范围限制的方式实现多种类型的单相混合整流电路。
权利要求
1.单相输入(基波和谐波分量)混合整流方法，其特征在于比传统的单相全波桥式整流电路高的效率可以通过设置波纹电压(谐波分量)整流器并把辅助整流的直流分量加在基波直流分量上的方式获得。
2.单相输入混合整流方法，其特征在于比传统的LC滤波器型整流电路高的效率可以通过设置波纹电压(谐波分量)整流器并把辅助整流的直流分量加在基波直流分量上的方式获得。
3.单相输入混合整流方法，其特征在于比单相全波桥式整流电路或2相半波桥式整流电路高的效率可以通过插入内具有升压次级线圈的扼流线圈和滤波电容组成的LC滤波器和设置与次级线圈相接的波纹电压(交流电压)整流器电路并把辅助整流的直流分量附加在基波直流分量上的方式获得。
4.如权利要求2所述的单相输入混合整流方法，设置了在整流元件与LC滤波器之间的半导体开关并以比输入交流频率足够高的频率控制半导体开关的导通和关断，用控制开关率(占空因数)调整直流输出电压。
5.使用单相输入高频混合整流方法的直流-直流变换器，其特征在于用于输入、输出相互绝缘的直流-直流变换器或直流-交流逆变器的控制脉宽(开关率)的半导体开关和高频开关通常在权利要求4所述的单相输入高频混合整流方法或传统直流-交流逆变器中应用。
全文摘要
本发明提供了单相输入基波和谐波分量的混合整流方法，其特征在于比传统单相全波桥式整流电路高的效率可以通过设置波纹电源(谐波分量)整流器和把辅助整流的直流分量加在基波直流分量上的方法实现，本发明还提供了一种单相输入混合整流方法(权利要求2)其特征在于比传统的LC滤波器型整流电路高的效率可以通过设置波纹电压(谐波分量)整流器和把辅助整流的直流分量附加在基波直流分量上的方法获得。
文档编号H02M7/06GK1135678SQ95120370
公开日1996年11月13日 申请日期1995年10月27日 优先权日1994年12月29日
发明者铃木康畅, 手岛透 申请人:株式会社I-Hits研究所