电力转换装置的制作方法

专利名称：电力转换装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及把电源的交流转换为可变电压的直流或者交流的电力转换装
背景技术：
' A 、 、" 、 、 、、
在把交流电源电压转换为直流的电力转换装置中，已知通过变压器等将
交流电源和负荷绝缘的绝缘型AC—DC转换器。作为这样的绝缘型AC—DC 转换器的一例，提出了专利文献l的图1中记载的具有功率因数改善功能的一 段式转换器。根据该转换器，将两个二极管的串联电路、两个双向开关(自消 弧半导体开关和二极管的并联电路)的串联电3各、以及电容器互相并联连接， 在两个二极管的串联连接点和两个双向开关的串联连接点，经由电感器连接交 流电源，对其中一方的双向开关并联连接变压器和电感器以及电容器的串联电 路，来构成主开关电路。并且，在主开关电路的变压器的二次侧设置中心抽头 二极管整流电路，转换为直流后输出。
专利文献1的控制主开关电路的控制电路为了降低直流输出电压的指令 值和检测值的偏差改变三角波的频率，比较该三角波和恒定的基准信号(例如 三角波的峰值的1/2)，控制两个双向开关的导通关断信号的开关频率，来控制 直流输出电压。由此，因为根据交流电源电压的瞬时值流过三角波形状的输入 电流，所以能够得到功率因数改善的效果。
另外，在专利文献1的图3中记载了一种控制电路，其为了降低与两个 双向开关的串联电路并联连接的电容器的端子电压的指令值和检测值的偏差， 改变与三角波进行比较的基准信号，改变两个双向开关的导通关断的比率。
并且，在专利文献1的图9、图13中记载的主开关电路串联连接第一-第三双向开关，在该串联电路上分别并联连接两个二极管的串联电路和电容 器，在第二和第三双向开关的串联连接点和两个二极管的串联连接点之间经由 电感器连接交流电源，与第二和第三双向开关的串联电路并联连接变压器和电容器以及电容器的串联电路，来构成主开关电路。并且，在主开关电路的变压 器的二次侧设置中心抽头二极管整流电路，转换为直流后进行输出。这些双向 开关的控制电路分成第一双向开关、第二和第三双向开关两个组，与上述控制 电路相同，构成为与交流电压的极性一致交互地控制开关。特开2003 —23 775号公报
但是，根据专利文献1的图1的控制电路，两个双向开关的导通关断比 与开关频率无关，为0.5: 0.5的恒定比率。另一方面，根据图3的控制电路， 两个双向开关的导通关断比变化。无论哪种情况，专利文献1的转换器的输入 电流在双向开关的导通期间，流动与电源的瞬时电压大体成比例的电流，在关 断期间成为减小为零的三角波状的断续的脉冲波形的电流。如果三角波脉冲电 流的零期间是无限短的临界模式，则通过低通滤波器得到的电流波形为完美的 正弦波。但是，为了控制输出直流电压开关频率发生变化，所以存在产生三角 波脉冲电流的零期间，输入电流波形失真的问题。另外，在电力较小时，即使 在这样的电流断续模式下，也能够进行功率因数改善，但是当电力变大时，三 角波脉冲电流的峰值变大。因此，存在需要电感器不饱和那样的大的铁芯，为 了切断大的峰值电流，开关电路的开关损失增加的问题。
这些问题不限于绝缘型AC—DC转换器，在一边进行电源交流的功率因 数改善控制， 一边转换为可变电压的交流的电力转换装置中也存在共同的问 题。

发明内容
本发明要解决的课题在于提供一种电力转换装置，该电力转换装置能够 在使输入电流连续的模式下一边进行功率因数改善一边控制输出电力，并且能 够减低与电力转换有关的开关损失。
为了解决上述i果题，本发明的电力转换装置的第一形态的特征为，具有 第一以及第二开关臂，把反并联连接半导体开关元件和二极管而构成的两个开 关电路，以使所述二极管相互反极性的方式串联连接而形成；第一电感器，其 串联地插入将第一开关臂与交流电源并联连接的电路中；第一电容器，其串联 地插入将第二开关臂与第一开关臂并联连接的电路中；和输出电路，其具有与 第一开关臂和第二开关臂中的某一方并联连接的第二电容器和第二电感器的串联电路，由此来构成主开关电路。
通过构成这样的主开关电路，并且通过如下地构成对各半导体开关元件 进行导通关断控制的控制电路，能够在使输入电流连续的模式下一边进行功率 因数改善一边控制输出电力，并且能够减低与电力转换有关的开关损失。
即，对各半导体开关元件的导通关断进行控制的控制电路可以根据输出 电路的输出指令值和输出检测值的误差以及交流电源的电压极性，在第一和第
二开关臂的半导体开关元件(Ql、 Q2、 Q3、 Q4)中，使承担输入电流以及输 出控制的半导体开关元件(例如Q1、 Q3)交互地导通关断，使另一方的半导 体开关元件(Q2、 Q4)导通。具体地说，可以求出输出电路的输出指令值和 输出检测值的误差，对该误差乘以交流电源的电压检测值的绝对值来生成输入 电流指令值，并求出输入电流指令值和来自交流电源的输入电流检测值的绝对 值的误差，将该误差和PWM载波进行比较来生成PWM信号，根据该PWM 信号和所述交流电源的电压极性，在第一和第二开关臂的半导体开关元件中， 使承担输入电流以及输出控制的半导体开关元件交互地导通关断，使另 一方的 半导体开关元件导通。
如此，使第一和第二开关臂的半导体开关元件(例如Q1、 Q3)交互地动 作，使另外的半导体开关元件(Q2、 Q4)导通，由此，能够消除输入电流为 零的期间，以连续电流模式进行功率因数的改善，同时能够对输出电路输出的 电压或者电流进行可变控制。另外，因为不需要设置大铁芯的电感器，所以能 够实现电感器的小型化，能够减低与电力转换有关的开关损失。
另外，在第一方式中，输出电路包括第二电容器和第二电感器的串联 电路，该第二电感器至少包含变压器的一次线圏；以及与变压器的二次线圈连 接的整流电路，可以输出由整流电路进行整流后的直流。此时，变压器具有两 个二次线圈，整流电路具有两个整流电路，它们分别对两个二次线圈的电压 进行整流；和第三电容器，其用于使该两个整流电路的输出电压平滑，可以将 该第三电容器的端子电压作为直流输出。
另外，在第一方式中，作为输出电路的第二电感器，可以使用作为负载 的感应加热线圈，由此能够得到可变电流的交流输出。此时的控制电路可以检 测流过感应加热线圏的输出电流来代替上述的控制电路的输出电路的输出电压，在第一放大单元中对测检到的输出电流和输出电流指令值的误差进行放 大。
关于本发明的电力转换装置的第二方式，具有整流臂，将第一二极管 和第二二极管顺极性地串联连接而形成；第一开关臂，把反并联连接半导体开
关元件和二极管而形成的第一和第二开关电路，以使所述二极管相互反极性的 方式串联连接而形成；第二开关臂，在将半导体开关元件和二极管反并联连接 而形成的第三开关电路上串联连接第一电容器而形成；以及输出电路，其具有 第二电容器和第二电感器的串联电路，将所述整流臂和第一开关臂并联连接， 在所述整流臂的第一二极管和第二二极管的连接点、与第一开关臂的第一和第 二开关电路的连接点之间，经由第一电感器连接交流电源，将第二电容器和第 二电感器的串联电路与所述整流臂和第一开关臂并联连接，第二开关臂与所述 整流臂和第一开关臂并联连接，或者与所述输出电路的第二电感器并联连接来 构成主开关电路。并且，还具有控制电路，其对所述各半导体开关元件的导通 关断进行控制，所述控制电路具有输出控制系统，其根据所述输出电路的输 出指令值和输出检测值的输出电压误差，使第一和第二开关电路的半导体开关 元件导通关断；以及功率因数改善控制系统，其根据对所述输出电压误差乘以 所述交流电源的电压检测值生成的输入电流指令值和来自所述交流电源的输 入电流检测值的输入电流误差、以及所述输出电压误差的较大一方的误差，使 第一和第二开关电路的半导体开关元件导通关断，在第一和第二开关电路的半
导体开关元件的至少一方关断的期间，使第三开关电路的半导体开关元件导 通。此外，输出电路可以和第一方式的结构相同。
根据第二方式，通过根据输入电流误差和输出电压误差中较大一方的误 差控制第一和第二开关电路的半导体开关元件的导通关断，并且通过使输出 (电压或电流)控制系统比功率因数改善控制系统优先进行控制，能够使输出 (电压或电流)稳定，结果能够抑制输入电流波形的失真。另外，与第一方式 相同，能够在使输入电流连续的模式下一边进行功率因数改善一边控制输出电 力，并且减低与电力转换有关的开关损失。
根据本发明，能够在使输入电流连续的模式下一边进行功率因数改善一 边控制输出电力，并且能够减低与电力转换有关的开关损失。


图l是应用本发明实施例1的第一方式的电力转换装置的电路结构图。
图2是实施例1的动作波形。
图3是实施例1的动作模式说明图。
图4是应用本发明实施例2的第一方式的电力转换装置的电路结构图。
图5是应用本发明实施例3的第二方式的电力转换装置的电路结构图。
图6说明实施例4的控制动作。
图7说明实施例4的控制动作。
图8是实施例4的动作模式说明图。
图9是实施例4的动作模式说明图。
图10是应用本发明实施例4的第二方式的电力转换装置的电路结构图。 图11是应用本发明实施例5的第二方式的电力转换装置的电路结构图。 符号说明
AC交流电源，Ll、 L2电感器，Q1~Q4开关元件，Dl-D6、 Dll、 D12…二极管，Cl-C3电容器，Tl变压器，N1 N3线圈，10开关电路， Lr感应加热线圈，71输入电压检测电路，72输出电压检测电路，73、 80电 流传感器，74输入电流检测电路，75驱动电路，76正负判别电路，77、 79比 较放大器，78乘法器，81输出电流检测电路，卯功率因数改善控制系统， 91、 92绝对值电路，93最大值电路，94、 96 PWM信号生成电路，95输出 电压控制系统，97驱动信号生成电路
具体实施例方式
下面，对本发明的电力转换装置的实施方式进行说明。
图1表示应用了本发明的电力转换装置的第一方式的实施例1的电路结 构图。如图l所示，开关电路10具有双向的第一开关臂和双向的第二开关臂， 关于双向的第一开关臂，将分别反并联连接了二极管D1、 D2的两个半导体开 关元件Q1、 Q2构成的双向开关电路，以使二极管D1、 D2相互反极性的方式 串联连接而形成，关于双向的第二开关臂，将分别反并联地连接了二极管D3、 D4的两个半导体开关元件Q3、 Q4构成的双向开关电路，以使二极管D3、 D4相互反极性的方式串联连接而形成。
第一开关臂经由电感器L1与交流电源AC并联连接。第二开关臂经由电 容器C1与第一开关臂并联连接。另外，在第一开关臂上并联连接了电感器L2 和变压器Tl的一次线圏以及电容器C2的串联电路。此外，该串联电路也可 以与第二开关臂并联连接。另外，电感器L2也可以利用变压器T1的漏感。
在变压器T1上设置两个二次线圈N2、 N3。各二次线圏N2、 N3通过电 容器C3使分别由二极管D5、 D6整流后的电压平滑，然后向负载RL输出直 流电压。本实施例的输出电路包括电感器L2和变压器Tl的一次线圈以及电 容器C2的串联电路、变压器Tl的二次线圈N2、 N3、以及二极管D5、 D6和 电容器C3构成的整流电路。
由第一、第二开关臂构成的开关电路10通过驱动电路75驱动。驱动电 路75对从控制电路输出的驱动信号Ql ~ Q4 - Duty进行放大，控制各半导体 开关元件Ql ~ Q4的导通关断。
本实施例的控制电路包括输入电压检测电路71、电流传感器73、输入电 流检测电路74、正负判别电路76、输出电压检测电路72、 PWM信号生成电 路94、驱动信号生成电路97。
输入电压检测电路71检测交流电源AC的交流电压，输入给绝对值电路 91入。绝对值电路91求出交流电压检测值的绝对值，输入给乘法器78。电流 传感器73检测流过交流电源AC的输入电流，输入给输入电流检测电路74。 输入电流才企测电路74向绝对值电路92输入输入电流。绝对值电路92求出输 入电流检测值的绝对值，输入给放大器79。正负判别电路76在输入电压检测 电路71的输出为正时，输出"H"信号，在为负时输出"L"信号。
输出电压检测电路72检测输出电路的电容器C3的端子电压，将输出电 压检测值输入给比较放大器77。比较放大器77比较输出电压指令值和输出电 压检测值来求出误差，对该误差进行放大后输入给乘法器78。乘法器78对输 出电压指令值和输出电压检测值的误差乘以交流电压检测值的绝对值，作为输 入电流指令值输入给比较放大器79。比较放大器79比较输入的输入电流指令 值和输入电流检测值的绝对值来求出误差，放大该误差后输入给PWM信号生 成电路94。PWM信号生成电路94对从比较放大器79输出的输入电流指令值和输入 电流检测值的误差与PWM载波进行比较，生成PWM信号，然后输入给驱动 信号生成电路97。驱动信号生成电路97由多个逻辑门构成，根据从PWM信 号生成电路94输入的PWM信号，生成各开关元件Ql ~ Q4的驱动信号Ql ~ Q4-Duty。即，与从正负判别电路76输出的交流电源AC的电压极性为正"H" 的半个周期、以及为负"L"的半个周期一致，生成在第一和第二开关臂的开 关元件Q1 Q4中，使承担输入电流以及输出控制的开关元件(Ql、 Q3)或 (Q2、 Q4)交互地导通关断，使另一方的开关元件(Q2、 Q4)或(Ql、 Q3 ) 导通的驱动信号。
下面，对如此构成的实施例1的动作进行说明。图2表示交流电源AC 的电压V (AC)和输入电流I (AC)以及开关电路10的各开关元件的驱动信 号。驱动信号生成电路97在交流电源AC的电压极性为正时，使开关元件Q2、 Q4成为导通状态，使开关元件Q1和Q3交互地导通关断。反之，在极性为负 时，使开关元件Ql和Q3为导通状态，使开关元件Q2和Q4交互地导通关断。
图3表示交流电源AC的电压极性为正时，各开关元件的驱动信号和元 件电流以及电感器L1的电流和二次侧整流二极管D5的电流波形I (D5)。当 开关元件Ql导通时在AC—LI—Ql—Q2的路径中流过电流I (Ql)，在电感 器L1中存储能量I(L1)。另一方面，在DC—DC转换器一侧，通过电容器 C2的存储电荷，在C2—N1—L2—Q1—Q2的路径中流过电流I ( Q2 ),在变 压器T1中存储能量。这里，开关元件Q2成为同步整流动作，通过使用即使 为高耐压导通电阻小的超结(superjunction)构造的M0SFET，可以減小导通 损失。
然后，当Ql关断时，通过电感器L1、 L2的存储能，在L1一Q4—D3 — CI—AC的路径和L2—Q4—D3—CI—C2—Nl的路径中流过回流电流。在该 期间当Q3导通时，在L1—Q4—Q3—C1一AC的路径和L2—Q4—Q3—C1 — C2—N1的5^径中流过电流I (Q3)。因为Q3在D3导通的状态，即元件电压 为零伏特的状态下导通，所以成为零伏特开关(以后称为ZVS)动作，不发 生导通损失。
另一方面，在二次侧通过变压器Tl的存储能在N2—D5—C3的路径中流过电流，通过回扫动作向输出侧提供电力。如此，在AC的电压极性为正时，
在N1和N2之间进行电力的提供和接收。当L2的存储能成为零时，通过L1 的存储能在AC—L1—L2—N1—C2的路径中继续流过电流。另一方面，在DC —DC转换器一侧，通过电容器C1的存储电荷在C1一Q3—Q4—L2—N1—C2 的路径中流过电流I (Q3 )。然后，当Q3关断时，通过L2的存储能在L2— N1—C2—Q2—Dl的i 各径中流过电流，在此期间通过^f吏Ql导通可以实现ZVS 动作。
当L2的存储能成为零时，返回在上述的L1、 Tl中存储能量的模式，以 后在AC的电压极性为正的期间，重复该动作。在AC的电压极性为负时，分 别将Q2、 Q4的作用与开关元件Ql、 Q3进行替换，在变压器Tl的Nl和N3 之间进行电力的提供和接收。这样，在L1的电流连续流动的电流连续模式中， 通过使用电感器L2的存储能，能够对开关元件Ql至Q4以ZVS动作进行驱 动。
如上所述，在本实施例中，根据由比较放大器77求出的输出电压指令值 和输出电压检测值的输出电压误差、以及从正负判别电路76输出的交流电源 的电压极性，在第一和第二开关臂的半导体开关元件(Ql、 Q2、 Q3、 Q4)中， 使承担输入电流以及输出控制的半导体开关元件(例如Q1、 Q3)交互地导通 关断，使另一方的半导体开关元件(Q2、 Q4)导通，因此没有输入电流为零 的期间，能够在电流连续模式下进行功率因数改善，同时能够对作为电容器 C3的端子电压的输出电压进行可变控制。另外，因为不需要设置大铁芯的电 感器，所以能够实现电感器的小型化，能够减低与电力转换有关的开关损失。
此外，在本实施例中，电感器L2、 一次线圏N1、电容器C2的串联电路 即使和第二双向开关臂并联连接，也和上述相同连续流过L1的电流，并且可 以进行全部开关元件的ZVS动作。
另外，虽然图1中未图示，但通过在各开关元件Ql-Q4上连接緩冲电 容器，并且通过各开关元件关断时的切断电流，对緩冲电容器进行充电或者放 电，由此能够抑制对元件施加的电压的变化，减低关断损失。另外，緩冲电容 器即使在第 一或者第二开关臂之间连接也可以得到相同的效果。
另外，在图1中，作为开关元件使用了 MOSFET，但是也可以代替它使用IGBT或晶体管。
另外，也可以使用反并联连接的具有反向耐压功能的功率半导体开关元
件构成第一或者第二开关臂。
进而，二极管D5、 D6也可以置换为使用MOSFET的同步整流电路。 另外，在本实施例中，表示了第二开关臂经由电容器C1与第一开关臂并
联连接的例子，但是也可以将电容器Cl 一侧与变压器Tl和电容器C2的连接
点连接。即，可以把第二开关臂经由电容器C1与电感器L2和变压器T1的串
联电路并联连接。 [实施例2]
图4表示应用本发明的电力转换装置的第一方式的实施例2的电路结构 图。如图4所示，本实施例在把交流电力转换为交流电力这一点上和实施例1 不同。对于与图l相同的部分赋予相同的符号，并省略说明。
本实施例是在感应加热线圈Lr中流过高频交流电流，对金属的被加热物 进行电磁感应加热的电力转换装置的例子。被加热物虽然未图示，但与感应加 热线圈Lr^兹耦合。
如图所示，本实施例的输出电路由第二电容器C2和感应加热线圈Lr的 串联电路构成。然后，通过电流传感器80和输出电流检测电路81检测流过感 应加热线圏Lr的输出电流，在比较放大器77中求出与输出电流指令的误差并 进行放大，为了降低该误差，对开关元件Q1 Q4进行开关控制。
因此，通过本实施例，能够得到和实施例1相同的效果，此外，能够将 感应加热线圈Lr提供的输出电流控制为指令值。
图5表示应用本发明的电力转换装置的第二方式的实施例3的电路结构 图。如图5所示，整流臂通过顺极性地串联连接二极管Dll和二极管D12而 形成。关于第一开关臂，把分别反并联连接了半导体开关元件Q1、 (^2和二极 管D1、 D2而形成的第一和第二开关电路，以使二极管D1、 D2相互反极性的 方式串联连接而形成。关于第二开关臂，通过在反并联连接半导体开关元件 Q3和二极管D3形成的第三开关电路上串联连接电容器Cl而形成。
整流臂和第一以及第二开关臂相互并联连接。通过第一和第二开关臂形成开关电路10。在整流臂的二极管Dll和二极管D12的连接点与第一开关臂 的开关元件Q1、 Q2的连接点之间，经由电感器L1连接了交流电源AC。
另外，在第一开关臂上并联连接了电感器L2和变压器T1的一次线圈以 及电容器C2的串联电路。另外，电感器L2也可以利用变压器T1的漏感。在 变压器Tl内设置二次线圈N2。 二次线圈N2通过电容器C3使由二极管D5 整流后的电压平滑，然后向负载RL输出直流电压。也可以把二极管D5置换 为使用了 MOSFET的同步整流电路。
控制开关电路10的各开关元件Ql ~ Q3导通关断的控制电路具有检测电 容器C3的端子电压的输出电压检测电路72;求出由输出电压检测电路72检 测到的输出电压检测值和输出电压指令值的输出电压误差，然后将其放大的比 较放大器77;比较输出电压误差和PWM载波，生成PWM信号的第一PWM 信号生成电路96。
另外，具有检测交流电源AC的输入电压的输入电压检测电路71;和检 测输入电流的电流传感器73以及输入电流检测电路74。输入电压检测电路71 ;险测交流电源AC的交流电压，然后输入给绝对值电^各91。绝对值电^各91求 出交流电压检测值的绝对值，然后输入给乘法器78。电流传感器73检测流过 交流电源AC的输入电流，然后输入给输入电流检测电路74。输入电流检测 电路74向绝对值电路92输入输入电流。绝对值电路92求出输入电流检测值 的绝对值，然后输入给放大器79。正负判别电路76在输入电压检测电路71 的输出为正时输出"H"的信号，在为负时输出"L"的信号。
本实施例的生成各开关元件Q1 Q3的驱动信号的控制系统具有输出电 压控制系统95和功率因数改善控制系统90。输出电压控制系统95具有第一 PWM信号生成电路，其比较由比较放大器77求出的输出电压误差和PWM载 波，来生成PWM信号。另一方面，功率因数改善控制系统90具有乘法器78, 其对比较放大器77输出的输出电压误差乘以从绝对值电路91输出的交流电压 检测值的绝对值。乘法器78的输出作为输入电流指令值被输入给比较放大器 79。比较放大器79比较输入的输入电流指令值和从绝对值电路92输出的输入 电流检测值的绝对值，来求出输入电流误差并进行放大。从比较放大器79输 出的输入电流误差被输入给最大值电路93。最大值电路93比较从比较放大器79输出的输入电流误差和从比较放大器77输出的输出电压误差，将大的一方 输入给第二 PWM信号生成电路94。 PWM信号生成电路94比较从最大值电 路93输出的输出电压误差或输入电流误差和PWM载波，来生成PWM信号。
由PWM信号生成电路94和PWM信号生成电^各96生成的PWM信号分 别被输入给驱动信号生成电路97。驱动信号生成电路97由多个逻辑门构成， 根据从PWM信号生成电路94、 96输入的PWM信号生成各开关元件Ql ~ Q3 的驱动信号Ql - Q3 - Duty。即，与从正负判別电路76输出的交流电源AC 的电压极性为正"H，，的半个周期以及为负"L，，的半个周期一致，生成驱动 信号，该驱动信号使第一开关臂的开关元件Ql、 Q2导通关断，在开关元件 Ql、 Q2中的至少一方关断时，使第二开关臂的开关元件Q3导通。
下面说明如此构成的实施例3的动作。在实施例1中，无法分别分开控 制功率因数改善控制和输出电压控制的开关元件。因此，存在以下的问题当 使功率因数改善控制优先时，输出电压的变动变大；当使输出电压控制优先时， 输入电流波形失真，无法得到正弦波状的波形。即，图6表示在本实施例中应 用实施例1的控制电路时的动作波形。在该图中，用V (AC)表示交流电源 AC的电压，用I (AC)表示输入电流，用V (C3)表示输出电压，用V(77) 表示放大器77的电压，用V (79)表示放大器79的电压。在图中，在箭头表 示的期间，对于作为输出电压的误差量的V (77),输入电流波形的误差量V (79)的增减关系不一致。即，因为功率因数改善控制和输出电压控制无法兼 得，所以结果可知输入电流I (AC)失真，输出电压V (C3)的变动也变大。
因此，在本实施例中，在交流电源AC的电压极性为正时，使开关元件 Ql作为输入电流波形控制，即功率因数改善控制的主元件，使开关元件Q2 作为输出电压控制的主元件。因此，能够兼得输入电流波形控制和输出电压控 制的功能。此外，在交流电源AC的电压极性为负时，对于交替开关元件Q1 和Q2的作用同样能够满足性能。
具体地说，在本实施例中，与实施例1的不同点在于，作为功率因数改 善控制系统90把输出比较放大器77和比较放大器79的最大值的最大值电路 93设置在PWM信号生成电路94的前段，以及作为输出电压控制系统95设 置根据比较放大器77的输出生成PWM信号的PWM信号生成电路96。PWM信号生成电路94、 96根据同步信号分别同步输出PWM信号。驱 动信号生成电路97根据PWM信号生成电路94、 96和正负判别电路76的输 出，生成从Q1到Q3的驱动信号。在本实施例中，使输出电压控制系统95优 先于功率因数改善控制系统90来控制开关元件Q1和Q2，在其外侧构筑进行 功率因数改善控制的系统。
图7是与图6进行对比表示的本实施例的动作波形，用V (AC)表示交 流电源AC的电压，用I (AC)表示输入电流，用V (C3)表示输出电压，用 V (77)表示放大器77的电压，用V (79)表示放大器79的电压。在图中， 因为使作为输出电压误差的V (77)优先来控制开关元件Q1、 Q2,所以输出 电压V (C3)稳定，结果得到输入电流I (AC)的失真也被抑制的波形。
图8表示交流电源AC的电压极性为正时各开关元件的驱动信号和元件 电流以及电感器L1、 L2的电流和二次侧整流二极管D5的电流波形。在开关 元件Ql和Q2为导通状态时，在AC—L1一D11—Q1的路径中流过在电感器 Ll中存储能量的电流，以及通过电容器C2的存储电荷在C2—N1—L2—Q1 —Q2的路径中流过在变压器T2中存储能量的电流。
本实施例如上所述，把开关元件Q1作为输入电流波形控制的主元件，把 开关元件Q2作为输出电压控制的主元件。因此，在Ql关断的定时晚于Q2 关断的定时的条件下，功率因数改善控制和输出电压控制成立。即，在Q1和 Q2同为导通状态时控制输出电压，在Ql导通Q2关断的状态时控制输入电流 波形。当Q2关断时，通过电感器L2的存储能在L2—D3—C1—C2—Nl的路 径中流过回流电流。在该期间当Q3导通时，因为回流电流在L2—Q3—C1一 C2—N1的路径上流过，所以Q3成为同步整流动作，如果使用高耐压但导通 电阻小的超结构造的MOSFET,则导通损失变小。因为Q3在D3为导通状态， 即元件电压为零伏特的状态下导通，所以成为ZVS动作，不发生导通损失。
另一方面，在二次侧通过变压器T1的存储能在N2—D5—C3的路径上流 过电流，通过回扫动作向输出侧供给电力。在Q1关断前L2的存储能成为零 时，通过电容器Cl的存储电荷在C1—Q3—L2—Nl—C2的路径中流过电流。 然后当Q1关断时，通过电感器L1的存储能，Ll的电流继续流动，但是由于 电感器L2阻碍电流路径，所以在L1—D11—Q3—C1—D2—AC的路径中流过电流。当电感器L2的电流达到电感器L1的电流时，通过L1的存储能在AC —L1一D11—L2—Nl—C2—D2的路径中继续流过电流。
另一方面，在DC—DC转换器一侧，通过电容器C1的存储电荷在C1一 Q3—L2—N1—C2的路径中流过电流。然后，当Q3关断时通过L2的存储能 在L2—N1—C2—D2—Dl的路径中流过电流。在该期间通过使Q1、 Q2导通 能够实现ZVS动作。
如图9所示，通过与Ql的关断定时同步地使Q2导通，也能够使Q2同 步整流。当L2的存储能成为零时，返回在上述的L1、 Tl中存储能量的模式， 以后在AC的电压极性为正的期间，重复该动作。在AC的电压极性为负时， 开关元件Q1和Q2互换作用。如此，在L1的电流连续流动的电流连续模式中， 通过利用电感器L2的存储能，能够以ZVS动作驱动开关元件Ql至Q3。
如上所述，根据本实施例，与实施例1相同，能够在使输入电流连续的 模式下一边进行功率因数改善一边控制输出电力，并且能够降低与电力转换有 关的开关损失。
特别地，根据本实施例，通过根据输入电流误差和输出电压误差大的一 方的误差，控制半导体开关元件Q1 (或Q2)的导通关断，并且通过使输出电 压控制系统优先于功率因数改善控制系统进行控制，能够使输出电压稳定，结 果还能够抑制输入电流波形的失真。
图10表示应用本发明的电力转换装置第二方式的实施例4的电路结构 图。对于和图5相同的部分赋予相同的符号并省略说明。在图10中，与实施 例3的不同点在于，把开关元件Q3和电容器Cl的串联电路与电感器L2和一 次线圈Nl的串联电路并联连接。动作和实施例3大体相同，但是不同点在于， 电感器Ll的回流电流经由电容器C2进行流动，以及电容器C2不在电感器 L2的电流经由Q3或D3流动的路径中。
本实施例的结构也可以在实施例1中应用。
图11表示应用本发明的电力转换装置第二方式的实施例5的电路结构 图。如图11所示，本实施例在把交流电力转换为交流电力这一点上与实施例3不同。对于和图5相同的部分赋予相同的符号并省略"i兌明。
本实施例是在感应加热线圈Lr中流过高频交流电流，对金属的被加热物 进行电磁感应加热的电力转换装置的例子。被加热物虽然未图示，但与感应加 热线圈Lr》兹耦合。
如图所示，本实施例的输出电路由第二电容器C2和感应加热线圈Lr的 串联电路构成。并且，通过电流传感器80和输出电流检测电路81检测流过感 应加热线圈Lr的输出电流，在比较放大器77中求出与输出电流指令的误差并 进行放大，为了降低该误差，对开关元件Q1-Q3进行开关控制。
因此，根据本实施例，能够得到与实施例3相同的效果，此外，能够把 感应加热线圈Lr供给的输出电流控制为指令值。对于和图5相同的部分赋予 相同的符号并省略说明。动作与实施例3的一次侧的动作相同，省略说明。
本发明可以作为把用于家电、民生设备或业务的交流电源作为输入的绝 缘型AC—DC使用，或者可以作为一般家庭以及业务上使用的感应加热烹调 器、温水产生、低温 高温水蒸气产生装置、金属的熔解、复印机调色剂定影 用热复制滚筒等多个领域的热源的电源来使用。
权利要求
1.电力转换装置，其特征在于，具有第一以及第二开关臂，把反并联连接半导体开关元件和二极管而构成的两个开关电路，以使所述二极管相互反极性的方式串联连接而形成；第一电感器，其串联地插入将第一开关臂与交流电源并联连接的电路中；第一电容器，其串联地插入将第二开关臂与第一开关臂并联连接的电路中；和输出电路，其具有与第一开关臂和第二开关臂中的某一方并联连接的第二电容器和第二电感器的串联电路。
2. 根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于， 还具有控制电路，其对所述各半导体开关元件的导通关断进行控制， 该控制电路根据所述输出电路的输出指令值和输出检测值的误差以及所述交流电源的电压极性，使第 一和第二开关臂的半导体开关元件中的承担输入 电流以及输出控制的半导体开关元件交互地导通关断，使另一方的半导体开关 元件导通。
3. 根据权利要求l所述的电力转换装置，其特征在于， 还具有控制电路，其对所述各半导体开关元件的导通关断进行控制， 该控制电路求出所述输出电路的输出指令值和输出检测值的误差，对该误差乘以所述交流电源的电压检测值的绝对值来生成输入电流指令值，并求出 该输入电流指令值和来自所述交流电源的输入电流检测值的绝对值的误差，将 该误差和PWM载波进行比较来生成PWM信号，根据该PWM信号和所述交 流电源的电压极性，在第一和第二开关臂的半导体开关元件中，使承担输入电 流以及输出控制的半导体开关元件交互地导通关断，使另一方的半导体开关元 件导通。
4. 根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于， 所述输出电路包括第二电容器和第二电感器的串联电路，该第二电感器至少包含变压器的一次线圈；以及与所述变压器的二次线圈连接的整流电 路，输出由该整流电路进行整流后的直流。
5. 根据权利要求4所述的电力转换装置，其特征在于， 所述变压器具有两个二次线圈，所述整流电^各具有两个整流电路，它们分别对所述两个二次线圈的电 压进行整流；和第三电容器，其用于使该两个整流电路的输出电压平滑， 将该第三电容器的端子电压作为直流输出。
6. 根据权利要求4所述的电力转换装置，其特征在于， 还具有控制电路，其对所述各半导体开关元件的导通关断进行控制， 该控制电路具有输入电压检测电路，用于检测所述交流电源的输入电压；输入电流检测电路，用于检测输入电流；输出电压检测电路，用于检测所 述输出电路的输出电压；第一比较单元，用于求出由该输出电压检测电路检测 到的输出电压检测值和输出电压指令值的误差；输入电流指令单元，用于根据 第一比较单元的输出和由所述输入电压检测电路检测到的输入电压检测值的 绝对值生成输入电流指令值；第二比较单元，用于求出由所述输入电流检测电 路#全测到的输入电流;险测值的绝对值和所述输入电流指令值的误差；PWM信 号生成电路，用于比较第二比较单元的输出和PWM载波，来生成PWM信号； 以及驱动信号生成电路，其根据从该PWM信号生成电路输出的PWM信号和 由所述输入电压检测电路检测到的交流电源的电压极性，生成所述各半导体开 关元件的驱动信号，该驱动信号生成电路生成通过所述PWM信号，使所述各开关臂的半导 体开关元件中根据所述电压极性承担输入电流以及输出控制的半导体开关元 件导通关断，使另一方的半导体开关元件导通的驱动信号。
7. 根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于， 所述输出电路是第二电容器和至少包括感应加热线圈的第二电感器的串联电路，输出流过所述感应加热线圏的交流电流。
8. 根据权利要求7所述的电力转换装置，其特征在于， 还具有控制电路，其对所述各半导体开关元件的导通关断进行控制， 该控制电路具有输入电压检测电路，用于检测所述交流电源的输入电压；输入电流检测电路，用于检测输入电流；输出电流检测电路，用于检测所述输出电路的输出电流；第一比较单元，用于求出由该输出电流检测电路检测 到的输出电流检测值和输出电流指令值的误差；输入电流指令单元，用于根据 第 一 比较单元的输出和由所述输入电压4企测电路^r测到的输入电压4企测值的 绝对值生成输入电流指令值；第二比较单元，用于求出由所述输入电流;险测电 if各检测到的输入电流检测值的绝对值和所述输入电流指令值的误差；PWM信 号生成电路，用于比较第二比较单元的输出和PWM载波，来生成PWM信号； 以及驱动信号生成电路，用于根据从该PWM信号生成电路输出的PWM信号 和由所述输入电压检测电路检测到的交流电源的电压极性，生成第一和第二开 关臂的各半导体开关元件的驱动信号，该驱动信号生成电路生成通过所述PWM信号，使所述各开关臂的半导 体开关元件中根据所述电压极性承担输入电流以及输出控制的半导体开关元 件导通关断，使另一方的半导体开关元件导通的驱动信号。
9. 一种电力转换装置，其特征在于，具有整流臂，将第一二极管和第二二极管顺极性地串联连接而形成；第一开关臂，把反并联连接半导体开关元件和二极管而形成的第一和第 二开关电路，以使所述二极管相互反极性的方式串联连接而形成；第二开关臂，在将半导体开关元件和二极管反并联连接而形成的第三开 关电路上串联连接第一电容器而形成；以及输出电路，其具有第二电容器和第二电感器的串联电路，将所述整流臂和第一开关臂并联连接，在所述整流臂的第一二极管和第二二极管的连接点、与第 一开关臂的第 一和第二开关电路的连接点之间，经由第 一电感器连接交流电源，将第二电容器和第二电感器的串联电路与所述整流臂和第一开关臂并联连接，第二开关臂与所述整流臂和第一开关臂并联连接，或者与所述输出电路的第二电感器并联连接。
10. 根据权利要求9所述的电力转换装置，其特征在于， 还具有控制电路，其对所述各半导体开关元件的导通关断进行控制，所述控制电路具有输出控制系统，其根据所述输出电路的输出指令值和输出检测值的输出电压误差，使第一和第二开关电路的半导体开关元件导通关断；以及功率因数改善控制系统，其根据对所述输出电压误差乘以所述交流 电源的电压检测值生成的输入电流指令值和来自所述交流电源的输入电流检 测值的输入电流误差、以及所述输出电压误差的较大一方的误差，使第一和第 二开关电路的半导体开关元件导通关断，在第一和第二开关电路的半导体开关元件的至少一方关断的期间，使第 三开关电路的半导体开关元件导通。
11. 根据权利要求9所述的电力转换装置，其特征在于， 所述输出电路包括第二电容器和第二电感器的串联电路，该第二电感器至少包含变压器的一次线圏；以及与所述变压器的二次线圏连接的整流电 路，输出由该整流电路进行整流后的直流。
12. 根据权利要求11所述的电力转换装置，其特征在于， 所述变压器具有两个二次线圈，所述整流电路具有两个整流电路，它们分别对所述两个二次线圈的电 压进行整流；和笫三电容器，其用于使该两个整流电路的输出电压平滑， 将该第三电容器的端子电压作为直流输出。
13. 根据权利要求IO所述的电力转换装置，其特征在于， 所述控制电路具有输出电压检测电路，用于检测所述输出电路的输出电压；第一比较单元，用于求出由该输出电压4企测电3各冲企测到的输出电压和输 出电压指令值的输出电压误差；第一 PWM信号生成电路，用于比较所述输出电压误差和PWM载波来生 成PWM信号；输入电压检测电路，用于检测所述交流电源的输入电压； 输入电流检测电路，用于检测输入电流；输入电流指令单元，用于根据所述输出电压误差生成输入电流指令值； 第二比较单元，用于求出该输入电流指令值和所述输入电流检测电路检 测到的输入电流检测值的输入电流误差；第二 PWM信号生成电路，用于比较所述输入电流误差和PWM载波来生 成PWM信号；以及驱动信号生成电路，其根据从第一PWM信号生成电路输出的PWM信号， 生成使第二开关电路的半导体开关元件导通关断的驱动信号，并且根据从第二 PWM信号生成电路输出的PWM信号生成使第一开关电路的半导体开关元件 导通关断的驱动信号，并且生成在第一和第二开关电路的半导体开关元件的至 少一方被关断的期间，使第三开关电路的半导体开关元件导通的驱动信号。
14. 根据权利要求9所述的电力转换装置，其特征在于， 所述输出电路是第二电容器和至少包括感应加热线圈的第二电感器的串联电路，输出流过所述感应加热线圈的交流电流。
15. 根据权利要求14所述的电力转换装置，其特征在于， 所述控制电路具有输出电流检测电路，用于检测所述输出电路的输出电流；第一比4支单元，用于求出由该输出电流检测电路;险测到的输出电流和输 出电流指令值的误差；第一PWM信号生成电路，用于比较第一比较单元的输出和PWM载波来 生成PWM信号；输入电压检测电路，用于检测所述交流电源的输入电压；输入电流检测电路，用于检测输入电流；输入电流指令单元，用于根据由所述输入电压检测电路检测到的输入电 压检测值和第一比较单元的输出，生成输入电流指令值；第二比较单元，用于求出该输入电流指令值和由所述输入电流检测电路 检测到的输入电流检测值的误差；第二 PWM信号生成电路，其根据所述输入电流误差和所述输出电压误 差的较大一方的误差，和PWM载波进行比较来生成PWM信号；以及驱动信号生成电路，其根据从第一PWM信号生成电路输出的PWM信号， 生成使第二开关电路的半导体开关元件导通关断的驱动信号，并且根据从第二 PWM信号生成电路输出的PWM信号生成使第一开关电路的半导体开关元件 导通关断的驱动信号，并且生成在第一和第二开关电路的半导体开关元件的至 少一方被关断的期间，使第三开关电路的半导体开关元件导通的驱动信号。
全文摘要
本发明的电力转换装置可以在使输入电流连续的模式下一边进行功率因数改善一边控制输出电压，并且可以降低与电力转换有关的开关损失。具有第一以及第二开关臂，反并联连接开关元件和二极管，并且以二极管相互反极性的方式串联连接而形成；电感器，其被串联地插入将第一开关臂与交流电源AC并联连接的电路中；电容器，其被串联地插入将第二开关臂与第一开关臂并联连接的电路中；以及输出电路，其具有与第一开关臂并联连接的电容器和电感器的串联电路，根据输出指令值和输出检测值的误差以及电压极性，在开关元件中，使承担输入电流以及输出控制的开关元件交互地导通关断，使另一方开关元件导通。
文档编号H02M5/22GK101309047SQ20081010782
公开日2008年11月19日 申请日期2008年5月14日 优先权日2007年5月15日
发明者叶田玲彦, 庄司浩幸 申请人:日立空调·家用电器株式会社