专利名称：一种采用新颖调节变换方法的可控绿色电源的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种能对电网交流电源直接进行开关变换，从而产生被开关频率调制的，以 电网交流电源的工频频率为包络的高频输出电压，属于电源变换的技术领域。
背景技术：
目前，对电网交流电源(频率为50Hz或者60Hz的工频)的输入电压的开关变换都是对经 过整流、滤波后得到的直流电进行，即开关电源技术。要成为波形畸变小、功率因数高的绿 色电源还要进行功率因数校正，因而变换步骤较多，损耗较大，变换效率较低。
而在很多情况下，负载可以用工频交流电压或者以工频频率为包络(是指包络频率为工 频，但是包络波形不一定为正弦波)的高频电压供电。此时对电网交流电源直接进行开关变 换将会使变换歩骤减少，而且还可以同时进行功率因数校正，从而使变换效率得到提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种能对电网交流电源直接进行开关变换，同时进行功率因数和 电网交流电源的输入电流波形校正，从而产生被开关频率调制的、以工频频率(国内频率为
50Hz)为包络的高频输出电压(频率一般为十几kHz到几百kHz)。它可以作为输出功率可调的 以工频频率为包络的高频电源，提供给负载使用，也可以经过滤波成为与电网交流电源频率 相同的输出功率可调的电源供给负载使用。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是将电网交流电源输入的工频电压用单片机
控制的斩波电子开关(电子开关可采用MOS管，晶体管或者可关断可控硅，实施方案中用 MOS管)进行高频双向斩波，输出以工频频率为包络的高频电压或者经滤波后输出工频电压。 为了调节和控制电流，线路串联电感，还接有给电感续流的续流回路，续流回路也由电子开 关构成(实施方案中采用MOS管)。为了校正功率因数，用取样电阻对线路电流进行取样、 绝对值放大后，与用单片机经DA变换器输出的与电网交流电源的输入电压绝对值同相的正 弦绝对值电压进行比较，比较结果输入单片机，由单片机根据比较结果控制斩波电子开关的 导通时间，使电网交流电源的输入电流成为与电网交流电源的输入电压同相的正弦波。调节 取样电阻的大小或DA变换器输出的正弦绝对值电压的幅度大小可调节输出功率。为了进行 双向控制，对电网交流电源的输入电压用比较器进行正负比较取样，测定方向，输入到单片 机，决定斩波电子开关的通断时序。
作为本发明的第一种应用，本发明给出一个用滤波后输出的工频电压供电的高压钠灯电 子镇流器电路，供电电压是以工频频率为包络的高频电压经电容滤波后的工频电压，能避免 使用常规高频电子镇流器会产生的引起钠灯灯泡和电路损坏的2kHz — 100kHz的灯振。
作为本发明的第二种应用，本发明还给出一个以工频频率为包络的高频电压供电、利用 电感铁芯涡流加热的可以用于电磁感应热水器和电磁灶的电路，它的电感线圈铁芯使用高损 耗材料，以产生涡流发热。
本发明的有益效果是它对电网交流电源直接进行双向斩波，输出以工频频率为包络的 高频输出电压，开关变换步骤少，损耗少，效率高。并且可以根据负载需要形成两种不同形
式的供电方式可输出功率可调的以工频频率为包络的高频电压，提供给负载使用；也可以 经过滤波成为和电网交流电源频率相同的输出功率可调的工频电源供给负载使用。这在很多 情况下是非常有利的，例如高压钠灯常规高频电子镇流器存在一种可能会损坏钠灯灯泡和电 路的2kHz — 100kHz的灯振，而采用本发明的输出功率可调的工频电源供电可以避免这种现象。 因为两种输出方式都可控制电网交流电源的输入电流波形为正弦波且与电网交流电源的输入 电压同相，因而功率因数高，波形畸变少，是一种绿色电源。
图l为电网交流电源的电压波形区域定义图。
图1中的4个名词的定义如下①电网交流电源电压正弦曲线为正的部分称为正区；②正 弦曲线为负的部分称为负区；③正弦曲线自负到正时与零的交点称为正起始点；④正弦曲线 自正到负时与零的交点称为负起始点。
图2a为本发明的实施方案的原理图。
图2b为正区斩波过程电流流向图。
图2c为负区斩波过程电流流向图。
图2d为图2a的一种变化形式的电路图。
图3为系统运行流程图。
图4a为高压钠灯电子镇流器电路图。
图4b为高压钠灯启辉器电路图。
图5a为电热水器和电磁灶供电电路图。
图5b为电热水器的电感线圈结构示意图。
图5c为电磁灶的电感线圏结构示意图。
图5d为电热水器和电磁灶的电感线圈的等效电路图。
具体实施方案
下面结合附图对实施方案作出说明。
图2a中电感22和电容32是电网交流电源的输入滤波电路，使电网交流电源的输入电流为 工频正弦波，防止电路对电网造成影响。
电感线圈21用来进行限流和对负载续流，41表示负载，电容31为滤波电容，能将负载41 两端的以工频频率为包络的高频电压滤波成工频电压(50Hz)对负载41进行供电。
MOS管ll、 M0S管12用来进行斩波，产生高频电压，图中与ll、 12并联的二极管为M0S管的 内部二极管。
M0S管13、 M0S管14用来对电感21进行续流，图中与13、 14并联的二极管为M0S管的内部二 极管。
Gl、 G2、 G3、 G4分别为M0S管11、 M0S管12、 M0S管13、 M0S管14的控制端，用来控制MOS 管ll、 12、 13、 14的通断，实现斩波和续流。
42为电流采样电阻，其上的电流产生的压降输入到绝对值放大器62。
62为绝对值放大器，用来对采样电阻42采样得到的双极性电压进行绝对值放大，放大后 输出正极性电压，便于和DA转换器65的单方向电压比较。
63为单片机。
65为DA转换器，用来将单片机63的D端输出的数字信号转换为模拟信号，单片机63的D端 输出为按正弦绝对值规律变化的与电网交流电源的输入电压绝对值同相的幅度可调的数字信 号，经DA转换后，成为幅度可调的正弦绝对值波形电压。
64为比较器，用来比较绝对值放大器62的输出A点的电压和DA转换器65的输出电压。
43为限流电阻。
61为比较器，对电网电源两端进行采样，其输出B点的电平高低可用来判断电网电源输入 波形的正区和负区(正区、负区的定义见图l)。
51、 52为二极管，用来钳位，防止比较器61的输入过压。 71为驱动电路，用来驱动MOS管ll、 12、 13、 14的栅极G1、 G2、 G3、 G4。
系统运行的流程图如图3所示。
开机后，单片机63进行初始化，同时单片机63通过驱动电路71将MOS管11、 M0S管12、 MOS 管13、 M0S管14全部关闭，并等待电网交流电源的电压过正起始点后进入正区。
当单片机63检测到B点由低电平变为高电平时，表示电网交流电源的电压进入正区，这时 候，通过单片机63的控制，驱动电路71把M0S管12、 M0S管14开通，把M0S管13关闭。程序开始 正区斩波过程-
把M0S管11开通，这时电网交流电源的电压为正，主回路中的电流方向如图2b的I所示， 由于电感21串联在回路中，电流I随着时间增大，I在电流取样电阻42上产生压降，进入绝对 值放大器62放大后送入比较器64的正端，与比较器64负端的电压比较，比较器64负端的电压 是单片机63通过DA转换器65输出的正弦绝对值波形的电压，该电压的波形与电网交流电源的 正弦电压取绝对值后波形、频率相同，且相位相同，幅度可以根据负载要求的输出功率由单 片机63设定。当比较器64的正端电压大于负端时，比较器64的输出端C为高电平，单片机63 检测到C为高电平后通过驱动电路71控制M0S管11关断，这时I变为O，比较器64的输出端C的电 平由高变低，电感21的电流经电容31和负载41的并联电路、M0S管13的内部二极管、M0S管14 组成的回路续流，此电流即为图2b中的I1， Il逐渐减小。经单片机63延时一段时间后，由单 片机63和DA转换器65按照正弦绝对值规律输出新的数值到比较器64的负输入端，并重新开通 MOS管ll。这时电流重新由I1切换回I，且I开始增大。这时电流取样电阻42上的压降又开始增 大，通过绝对值放大器62进入比较器64的正端，与比较器64负端的正弦绝对值电压进行比较， 当正端电压大于负端时，比较器64的输出端C变为高电平，通过单片机63和驱动电路71控制M0S 管11关断，并延时一段时间。
重
复此过程，直到电网交流电源的电压过负起始点进入负区。
当单片机63检测到B点的电平由高变低时，表示电网交流电源的电压过负起始点进入负 区，这时候，单片机63通过驱动电路71把M0S管11、 M0S管13开通，把M0S管14关断，开始负区 斩波过程
把M0S管12开通，这时电网交流电源的电压为负，主回路中的电流方向如图2c中的I所示， I逐渐增大，在电流取样电阻42上产生压降，进入绝对值放大器62，放大后送入比较器64的正 端，与比较器64的负端电压比较，比较器64负端的电压是通过DA转换器65输出的正弦绝对值 波形电压。当比较器64的正端电压大于负端时，比较器64的输出端C为高电平，单片机63检测 到C为高电平后通过驱动电路71控制M0S管12关断，这时I变为O,比较器64的输出端C的电平由 高变低，电感21的电流经M0S管14的内部二极管、M0S管13、电容31和负载41的并联电路组成 的回路续流，此电流即为图2c中的I1， Il逐渐减小。经单片机63延时一段时间后，由单片机 63和DA转换器65按照正弦绝对值规律输出新的数值到比较器64的负输入端，并重新开通MOS 管12。这时电流重新由I1切换回I，且I开始增大。这时电流取样电阻42上的压降又开始增大， 通过绝对值放大器62进入比较器64的正端，与比较器64负端的正弦绝对值电压进行比较，当 正端电压大于负端时，比较器64的输出端C变为高电平，通过单片机63和驱动电路71控制M0S 管12关断，并延时一段时间。
重复此过程，直到电网交流电源的电压过正起始点进入正区。
当电网交流电源的电压过正起始点重新进入正区，B点电平由低变高时，通过单片机63 和驱动电路71把M0S管12、 M0S管14开通，把M0S管13关闭，重新开始进入正区斩波过程。
图2d给出了图2a的一种变化形式，在正区斩波过程中，当M0S管11关断时电感线圈21的电 流由电容31负载41的并联电路、二极管55、 M0S管14组成的回路续流，在负区斩波过程中，当 M0S管12关断时电感线圈21的电流由电容31负载41的并联电路、二极管54、 M0S管13组成的回 路续流。系统的运行其他过程与图2a所示电路的相应过程一致，MOS管ll、 12、 13、 14的通断 时序也与图2a所示的电路一致。
电路的输出功率大小可以通过改变电流取样电阻42的阻值来调节，也可以通过控制DA转
换器65输出的正弦绝对值电压的幅度调节。
M0S管11、12、 13、14也可以采用晶体管或可关断可控硅(没有内部二极管的要加二极管)。 在图2a中标出了各点的波形图。电网交流电源的输入电流经电感22和电容32组成的电路
平滑成为工频正弦波。由于电网交流电源的输入电压和输入电流相位是相同的，因此电路是
电阻性的，表示功率因数已经得到校正。
作为本发明应用的一个实例，图4a给出了一个能为高压钠灯供电的电子镇流器电路，与 图2a相比，负载41替换为高压钠灯411和启辉器412。系统工作时，先要运行高压钠灯启辉程 序，使高压钠灯411启辉，然后再进入正常的斩波供电过程。
启辉器412的电路如图4b所示，图中，二极管53用来整流，电阻46用来限流，电容34用来 储能，电容34上的最大电压约为300V，单片机63通过驱动电路72输出大约30微秒的脉冲到G5 开通M0S管15，使变压器23工作，变压器23的匝数比为1:10，因此能在次级产生大小为电网交 流电源电压10倍的脉冲电压，使高压钠灯411启辉。
启辉后，高压钠灯411作为负载，由电路供电，工作原理与图2a相同。由于供电电压是经 过电容31滤波后的电压，这种情况下，供电电压频率为工频(50Hz)，所以不会产生可能造成 钠灯灯泡和镇流器电路损坏的灯振现象。
作为本发明应用的另一个实例，图5a给出了一个能为电磁感应热水器和电磁灶供电的电 路，与图2a比较，负载41和电容31被去掉并用导线短接，用来续流的M0S管13、 14替换为用来 吸收电路尖峰的电容33和电阻44组成的吸收回路。电磁感应热水器的加热部分即电感线圈21， 这时电感线圈21的铁芯81由涡流损耗大的材料做成管状，如图5b所示，涡流使铁芯81发热， 从而对流过管状铁芯81的水加热。电磁灶加热部分的电感线圈21的结构如图5c所示，磁路由 铁芯82和铁锅83组成，它也是利用涡流使组成磁路一部分的铁锅83发热(而铁芯82为低损耗 材料，不会产生大的涡流)。对于电磁感应热水器或者电磁灶，因为铁芯81或者铁锅83是由涡 流损耗大的材料做成，所以线圈21都可以由图5d所示的等效变压器和等效电阻组成的电路表 示，图5d中El、 E2表示等效变压器的初级端，45表示电感线圈21的高损耗铁芯(铁锅也是线 圈的高损耗铁芯)的涡流损耗的等效电阻。图5a的工作过程与图2a相似，当电感线圈21被电 子开关ll、 12接通时，高损耗铁芯的磁通随着电流增加；当电感线圈21被断开时，由于没有 续流回路，电流立刻为0，电感线圈21的磁通经过等效电阻45的放电，也迅速减小到0。电感 线圈21反复的接通断开，使高损耗铁芯的磁通反复增加减小，从而使铁芯产生涡流，引起铁 芯发热，使电磁感应热水器或者电磁灶工作。
权利要求
1.一种新颖的绿色电源调节变换方法，其特征在于对电网交流电源直接进行双向斩波，输出以电网交流电源频率为包络的高频输出电压；它可以直接供给负载使用，也可以经过滤波成为与电网交流电源频率相同的电源供给负载使用；采用控制电网交流电源的输入电流波形为正弦波且与电网交流电源的输入电压同相的方法校正功率因数；采用控制电流幅度大小调节功率。
2. —种采用新颖调节变换方法的可控绿色电源，其特征在于由比较器(61)对电网交 流电源两端电压进行采样，比较器(61)的输出点的电平高低可用来判断电网交流电源的输 入电压的正负，单片机(63)根据比较器(61)的输出点的电平高或低，进行两种不同的控 制，实现对电网交流电源的双向斩波；由电感线圈(21)、电子开关(11、 12)、电容(31) 和负载(41)构成供电回路；由电感线圈(21)、电子开关(13、 14)、电容(31)和负载(41) 构成续流回路；由电阻(42)对电网交流电源的输入电流进行采样，形成采样电压；由绝对 值放大器(62)对采样电压进行绝对值放大；由单片机(63)和DA转换器(65)产生幅度可 调的与电网交流电源的输入电压绝对值同相的正弦绝对值电压；由比较器(64)把绝对值放 大器(62)输出的电压和DA转换器(65)输出的幅度可调的正弦绝对值电压进行比较，并由 单片机(63)根据比较结果来控制电子开关(11、 12)的通断时间，即控制供电回路的通断 时间，来控制输出电流的大小，并使电网交流电源的输入电流为正弦波且与电网交流电源的 输入电压同相，从而使电路在不同负载下有很高的功率因数和优良的电流波形。
3. —种如权利要求2所述的采用新颖调节变换方法的可控绿色电源电路的变化形式，其 特征在于正区续流采用MOS管(14)与二极管(55)串联的方式，负区续流采用MOS管(13)与二极管(54)串联的方式。
4. 一种如权利要求1、 2、 3所述的釆用新颖调节变换方法的可控绿色电源，其特征在于 电子开关(11， 12)导通时或电子开关(11、 12)关断而电子开关(13、 14)导通续流时， 电流都流过负载(41)，电流是连续的。
5. —种如权利要求1、 2、 3所述的采用新颖调节变换方法的可控绿色电源，其特征在于 对电网交流电源直接进行双向斩波，变换级数少，在调节功率的同时能实现功率因数校正和 输入电流波形的校正。
6. 采用权利要求1所述变换方法的以工频频率为包络的高频电压经过滤波的工频电源给 高压钠灯供电的电子镇流器电路，其特征在于采用经过电容(31)滤波、与电网交流电源 频率相同的输出功率可调的电压供电，能避免产生会引起钠灯灯泡和电路损坏的2kHz — 100kHz的灯振。
7. 采用权利要求1所述变换方法的以工频频率为包络的高频电源给热水器和电磁灶供电 的电路，其特征在于采用以工频频率为包络的高频电压供电，使用带有高损耗铁芯的电感 线圈(21)来产生涡流发热；使用吸收回路(33、 44)来吸收电路尖峰。
全文摘要
本发明提供了一种新颖的电源调节变换方法和采用该方法的电路。该方法直接对电网交流电源进行双向斩波，输出以电网交流电源的工频频率为包络的输出功率可调的高频电压供给负载使用，还可以经过滤波成为与电网交流电源频率相同的输出功率可调的电源供给负载使用。电路有功率因数校正和波形校正。电路变换步骤少，损耗少，效率高。
文档编号H02M5/293GK101197543SQ200710195680
公开日2008年6月11日 申请日期2007年12月6日 优先权日2007年12月6日
发明者丁鹏坤 申请人:丁鹏坤