专利名称：将三相交流转换为直流的转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于将三相交流转换为直流的转换器，这种转换器具有少量的电容器和开关。
功率因数校正电路10包括连接到三相交流电流源Vac的各相Vac1、Vac2以及Vac3上的三个电感器L1、L2以及L3，以及连接到各个电感器L1、L2以及L3的六个开关S4到S9。功率因数校正电路10中的开关S4到S9的两个公共端都连接到平滑电容器C5的两端上。
转换部件20包括与平滑电容器C5并联连接的两个开关S10和S11，以及与开关S10和S11并联连接的两个电容器C6和C7。
变压器30的初级线圈Lp的一端，连接到开关S10和S11之间的一点上，而其另一端连接到电容器C6和C7之间的一点上。变压器30的次级线圈Ls与整流电路40相连。
功率因数校正电路10将三相交流电流源Vac的输出电压升压，以产生比输入电压要高的直流电压。平滑电容器C5对升压后的电压进行平滑过渡，转换部件20将被升压后的电压转换为交流电。由转换部件20输出的交流电压，经过变压器30的变换后再由整流电路40整流，从而向电阻R1提供一个直流电压。
如上所述，传统的三相AC/DC转换器执行两步转换，即电压的升压操作，用以校正功率因数，以及DC-DC转换。对于这种转换，传统的三相AC/DC转换器都需要众多的开关S4到S11，以及电容器C5、C6和C7，同时还需要电感器L1到L3，用于存储三相电流源Vac的输入电流。
本发明的另一个目的是提供一种三相AC/DC转换器，它不需要众多的电容器和电感器，而只需要几个开关和电容器，并且具有很高的效率。
在本发明的一种情况中，提供了一个转换器，它包括三个开关，它们的一端分别连接到三相交流电流源的各相的输出端上；三个电容器，它们的一端分别连接到三相交流电流源的各相的输出端上，它们与开关并联；一个变压器，具有一个初级线圈以及与该初级线圈耦合的一个次级线圈，其中初级线圈的一端一般都连接到开关的另一端，而初级线圈的另一端一般都连接到电容器的另一端；以及一个整流电路，用于对变压器的次级线圈的输出电压进行整流。
提供了一种既简单又有效的结构，同时还使用了少量的开关以及电容器，并且也不需要将三相交流转换为直流高压的步骤。
图1是传统的三相AC/DC转换器的电路图；图2是依据本发明的三相AC/DC转换器的电路图；图3是图2所示的三相交流电流源的各相的波形图；图4是图3中的时期A中的子时期处各个开关的电压和电流的波形图；图5A到5D是依据图3中时期A内的各个开关的开关状态的变化的在各个子时期时的电路2的等效电路；图6A到6C显示了图2的开关的各种实施例；以及图7是控制电路的电路图，所述控制电路用于输出信号，来控制依据本发明的转换器内的开关。
图2是依据本发明的三相AC/DC转换器的电路图。依据本发明的三相AC/DC转换器包括三个开关S1、S2以及S3、三个电容器C1、C2和C3、一个变压器30以及一个整流器40。
各个开关S1、S2以及S3的一端连接到三相交流电流源Vac的各相Vac1、Vac2以及Vac3的输出端，各个电容器C1、C2以及C3的一端也连接到三相交流电流源Vac的各相Vac1、Vac2以及Vac3上。电容器C1、C2和C3以及开关S1、S2以及S3彼此并联排列。
变压器30具有相互耦合的一个初级线圈Lp以及一个次级线圈Ls。初级线圈Lp的一端一般连接到开关S1、S2以及S3的另一端，初级线圈Lp的另一端一般连接到电容器C1、C2以及C3的另一端。
加到初级线圈Lp上的交流电压是根据初级线圈Lp和次级线圈Ls的匝数比来进行变换的，经过变换的交流电压从次级线圈Ls输出。
整流电路40包括一对二极管D1和D2、一个电感器L4以及一个电容器C4。由一对二极管D1和D2构成的电桥将交流转换为直流，经转换的直流被存储在电感器L4内。电容器C4使电感器L4的输出电压平滑，从电容器C4两端输出的直流电压Vout加到电阻R1上。
图3是一张曲线图，它显示了图2所示的三相交流电流源的各相的输出电压Vac1、Vac2以及Vac3的波形。
输出电压Vac1、Vac2以及Vac3是都是正弦电压，其彼此之间的相位差为120度。Vac1的相位为0度，Vac2的相位滞后于Vac1 120度，Vac3的相位滞后于Vac2 120度(或超前Vac1 120度)。
为了便于说明，在图3中，输出电压Vac1、Vac2以及Vac3的一个周期被分为12个时期(时期A到时期L)，它们分别具有30度的相位宽度。如下所述，每一个时期又分为若干子时期，而每一个子时期又分为五节。
图4显示了电路内依据在周期A内的开关S1、S2和S3的开关操作控制的各部件的输出。时期A分为若干子时期，每一个子时期又包括五节。在图4中，仅仅显示了存在于时期A内的众多子时期中的两个子时期。几个子时期可以存在于一个时期中，或是成百的子时期可以存在于一个时期内。
图5A显示了图2在时期A时的等效电路，它显示了从电流源Vac到变压器30的初级线圈Lp的部分。此外，图5B到5D依据各开关S1、S2以及S3在时期A内的开关状态显示了图5A的等效电路。
如图3所示，时期A内的电压Vac1信号为正，电压Vac2信号为负，电压Vac3的信号为正。因此，图2中的电路可以表示图5A所示的等效电路，它具有三个独立的直流源V1、V2以及V3，它们排列为图5所示的极性。
在节1中，开关S2接通，开关S1和S3断开。因此，图5A内的电路变为图5B中所示的等效电路。因此，初级线圈Lp内的电流为反方向，由电流源V1和V2提供给初级线圈Lp的电流，通过次级线圈Ls和整流器40被加到电阻R1上。(以下，为了方便起见，正方向表示电流进入到初级线圈Lp虚线部分的方向，负方向表示电流从初级线圈Lp虚线部分输出的方向。)在节2，所有的开关S1、S2和S3都断开。因此，等效电路变为节2中图5A所示的电路，整流电路40内的电感器L4向电阻器R1提供电功率。
在节3，开关S1接通，开关S2和S3断开。因此，图5A内的电路变为图5C中所示的等效电路。因此，电流以正方向流入初级线圈Lp，由电流源V1和V2提供给初级线圈Lp的电流，通过次级线圈Ls和整流电路40，加到电阻器R1上。
在节4，开关S3接通，开关S1和S2断开。因此，图5A中的电路变为图5D所示的等效电路。因此，电流以负方向流入初级线圈Lp，由电流源V2和V3提供给初级线圈Lp的电流，通过次级线圈Ls和整流电路40，加到电阻器R1上。
在节5中，所有开关S1、S2以及S3都是断开的。因此，等效电路变为节5内的图5A所示的电路，整流电路40中的电感器L4向电阻器R1提供电功率。
根据上述过程，在节1中，将负电压提供给初级线圈Lp，在节3和节4中，将正电压提供给初级线圈Lp。在节2和节5中，没有电压提供给初级线圈Lp。
如此，加到初级线圈Lp上的交流电压由次级线圈Ls变换，之后，由二极管D1和D2对经过变换的电压进行整流，再由电容器C4平滑，之后，输出为直流。
在时期A内重复如上所述的节1到节5中的处理过程，其重复次数与其中的子时期数目相同。图4显示了在各个子时期内的各个节内，流过开关S1、S2和S3的电压和电流的幅度。在图4中，开关S1、S2和S3的电压被表示为Vs1、Vs2以及Vs3，开关S1、S2和S3的电流被表示为Is1、Is2以及Is3。
在时期B内的开关S1、S2以及S3的操作控制与时期A内的操作控制有些不同。如图3所示，在时期B中，电压Vac2为负，电压Vac1和Vac3为正，还有一处不同是电压Vac1的幅度要小于电压Vac2的幅度。因此，考虑到这种不同，从而对时期B内的开关S1、S2和S3的开/关状态和定时进行控制，以便与时期A稍微不同地对它们进行控制，而时期B内的开关S1、S2和S3的其他控制方法与时期A中的相同。换言之，开关S1的脉冲和开关S2的脉冲彼此反相。
依据同一原理，当在其他时期(时期C到时期L)内的开关方式与时期A内的相同时，其他时期内的开关S1、S2和S3的开关状态和定时，也是随着各相电压Vac1、Vac2和Vac3的极性和幅度而变化的。这样，就在整个周期中，执行了对开关S1、S2和S3的控制。
图6A到6C显示了这样一种三相AC/DC转换器内使用的开关S1、S2和S3的各种实施例。依据本发明，在转换器中，必须采用可以不考虑电流的流动方向而执行开关操作的双向开关作为开关S1、S2和S3。
图6A显示了采用源极彼此相连的两个MOSFET的双向开关的一个例子。控制电压加到两个MOSFET的栅极。
图6B显示了采用两个MOSFET和两个二极管的双向开关的一个例子。每一个MOSFET都用作一个开关，以便控制从其漏极流向源极的电流，其控制电压加到其栅极上。
图6C显示了双向开关的另一个例子，该双向开关是由具有四个二极管的电桥以及与该电桥中心部分相连的一个MOSFET构成的。MOSFET的通/断是由加到MOSFET栅极上的控制电压控制的，从而执行对所有开关的通/断控制。
图7是控制电路的电路图，该控制电路用于输出控制信号，以便根据本发明，控制转换器内的开关S1、S2和S3的开关操作。转换器的控制电路由比较器170、三个波形发生器110a、110b和110c、三个乘法器120a、120b和120c、一个振荡器130、一个触发器140以及一个PWM门信号发生器150构成。
输出电压Vout提供给转换器的电阻器R1，并将一个预定基准电压Vref输入到比较器170。比较器170将两个电压Vout和Vref之间的差放大，之后，将经过放大的差输入到乘法器120a、120b和120c。
波形发生器110a、110b和110c分别产生了与三相电流源Vac的各相的电压Vac1、Vac2以及Vac3同步的信号。波形发生器110a、110b和110c的输出输入到乘法器120a、120b和120c。
乘法器120a、120b和120c分别输出一个值，这些值为波形发生器110a、110b和110c分别与比较器170的输出相乘的结果。乘法器120a、120b和120c的输出输入到PWM选通信号发生器150。PWM门信号发生器150输入了振荡器130的输出，以及振荡器130的输出经由触发器140的输出。PWM门信号发生器150对振荡器130的输出以及触发器140的输出进行调制，以便产生图4所示的控制信号、以及与上述其他时期都稍有不同的开关控制信号，并使用乘法器120a、120b以及120c的输出，以便输出这样的开关控制信号。
依据本发明，不再需要众多的电容器和电感器，电路结构简单，这是因为转换器仅仅是由几个开关和电容器构成的。
此外，三相交流并没有被转换为直流高压，而是将三相交流直接转换为直流，并对功率因数进行校正。
尽管已经对本发明的最佳实施例进行了说明，但是本领域普通技术人员可以理解，本发明并不仅仅局限于上述这些最佳实施例，可以在不脱离由所附权利要求书所定义的本发明的主旨和范围的情况下，作出各种变化和修改。
权利要求
1.一种转换器，包括三个开关，其中每一个开关的一端都分别连接到三相交流电流源的各相的输出端；三个电容器，每一个电容器的一端都分别连接到三相交流电流源的各相的输出端，它们与所述开关并联；一个变压器，具有一个初级线圈和与所述初级线圈耦合的一个次级线圈，其中所述初级线圈的一端一般与所述开关的另一端相连，所述初级线圈的另一端一般与所述电容器的另一端相连；以及一个整流电路，用于对所述变压器的次级线圈的输出电压进行整流。
全文摘要
公开了一种转换器，用于将三相交流转换为直流。转换器包括与三相交流电流源的输出端相连的三个开关、与三相交流电流源的输出端相连、并与开关并联的三个电容器、具有其一端一般与开关相连而另一端一般与电容器相连的初级线圈的变压器、以及用于对变压器的次级线圈的输出电压进行整流的整流电路。由于使用了数目极少的开关和电容器，因此其结构简单，效率提高。
文档编号H02M1/14GK1466262SQ0213206
公开日2004年1月7日 申请日期2002年9月10日 优先权日2002年6月3日
发明者白炳德, 秋元教 申请人:东亚电通株式会社