自动补偿的转换器的制作方法

专利名称：自动补偿的转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及所谓“自动补偿”的电子转换器。该种转换器由交流电网供电，能够在输出端送出一个幅度基本上稳定不变的高频率信号，而在所述的电网上取出的电流基本上保持为正弦电流，并由于对预先转换的高频能量的适当的一部分按所谓的能量转移(英文为“energytransfer”)方式进行恢复而和电压同相。
现有技术已经说明了的这种装置中性能最好的被表示在此处的附

图1上。此图表示出已在美国专利n°5134556中要求申请专利的最引人注意的实现方式。按照此种典型现有技术的实现方式，转换器A的输出端B经电隔离电容器C将高频率的被转换能量传送出去，电容器C的数值选取得使它在该所述的高频率处呈现的阻抗对包含有电感D、输出负载E和相位调整电容器F的输出振荡电路的谐振频率基本上不发生干扰。和电容器C不同，电容器F应该在此去耦的高频率下呈现出适当的阻抗，以使在其端子间发生的交变信号的幅度达到一个选定值。此信号被加到整流桥I的非偏置的输入端子之一上，可以在电容器H的端子间对一个低频整流信号的包络进行恢复。
该整流桥I的各偏置输出端和电力网整流桥J的各个偏置输出端作串联连接，以使存在于电容器H的端子之间的上述低频包络被加到电力网的整流信号上。这可以改善取自网上的电流的功率因数。
这样和输出负载E中通过的电流成比例地恢复一部分被转换的高频能量，只能得到对取自网上的电流的功率因数的很近似的补偿以及影响电网的谐波电流的比例的虚假下降。
为此，必需使用一种补充电路，在和输出负载E中通过的电流成比例的上述信号上加上一个与该输出负载E的各端子间存在的高频电压成比例的第二个整流信号。
此电路包含有电容器G，该电容器G的根据上述的高频率所选取的阻抗许可向该整流桥I的非偏置输入端的第二个端子送去一个适当幅度的电压信号。
经整流之后，在电容器H的端子之间这时有一个新的低频包络可供使用来加到先前被恢复的电流的包络上。
只有这三种包络的相加才使得这样一个装置能满足与取自电网的电流有关的各项规范。
一个这样的装置尽管有好的能量效率并且外表简单，但有一些缺点，它们将在下面提出。
1)需要准确调节在电容器H的端子之间如此被恢复的电流和电压的各个包络的幅度。
2)需要使用一种补充保护装置。该装置应能吸收在电容器H的各端子之间特别是在转换器A运行时可能形成的而其能量在某些情况下能引起此电容器立即损坏的瞬时过电压。
按照本发明的装置在缓解这些缺点的同时能够使用很简单的设施对取自电网的电流得到接近于1的功率因数，而影响该功率因数的总的谐波失真即所述的“THD”约为5％，这个数值远未被按照现有技术建造的最精心设计建造的装置达到。
附图2说明按照本发明的该装置的一种普通的实现方式。
此装置包含有一个使用称为“电容半桥式”结构的高频自激振荡器。该结构从由一个去耦电容器8旁路的偏置的公共端子8a和8b进行直流供电。
此桥式转换器的有源分支包含有串联安装的转换开关装置1’和1”。
如此组成的串联电路的各个无负载端子分别被连接到端子8a和8b。此桥式转换器的无源分支包含有也是被串联安装的电容器3a和3b。
如此组成的串联电路的各个无负载的端子分别被连接到端子8a和8b。在上述的有源分支的中点1和上述的无源分支的中点3之间连接有能接收转换的高频能量的输出负载2。
在这种情况下，若一个幅度足够大的直流电压一加到端子8a和8b之间而一个此处未画的控制装置保持转换开关装置1’和1”的周期交替导通，则这时一个高频去耦电流可以通过负载2并经电容器3a和3b而闭合。电容器3a和3b在上述高频率的电抗被计算时要使在中点3和端子8a和8b之中任何一个之间所形成的交变电压不为零，而相反有一个选定大小的幅度。
这样在中点3和各个公共偏置端子之一之间形成的高频交变电压这时经直流缓冲电压源4被加到包含有二极管5a和5b的全波整流桥的非偏置输入端子5上。
事实上可能会这样，即缓冲直流电压电源4对如此产生的高频交变电流的阻抗小得可以忽略，而存在于端子3和5之间的幅度几乎不变的直流电压甚至可能会很大。
被该去耦电容器6旁路的该所述的双桥的偏置输出电路在被适当取向之后，和电力网整流桥7的偏置输出电路串联连接。电网整波桥7的各非偏置输入端子7a和7b被连接到该电力网。
从端子7a和7b加上电压后，电力网的整流电流可以通过适当偏置的二极管5a和5b向去耦电容器8充电。
转换开关装置1’和1”的周期交替导通一旦建立，一个高频交变电流便通过输出负载2。
由于电容器3a和3b在所述高频率的电抗而不能通过的此电流的预先确定的部分，经直流电压缓冲直流源4向上述的双倍桥的输入端子5充电。
在此电流整流之后，这时在去耦电容器6的端子间又恢复得到一个低频包络，其幅度和通过负载2的高频电流成比例。
此低频包络这时在端子7c和8b之间和整流的电力网电流的低频包络相加。
虽然此两个低频包络的最大幅度相互之间必定有很大的相位差，至少不只是它们的幅度仍然还是同样地相互成比例。
事实上，来自整流的电力网电流的包络除开各种损耗外是正比于输出负载2所吸收的转换的能量的。另一方面，被加在端子5上的高频交变电压的幅度也正比于转换能量。
因此，在整流后在电容器6的端子之间的低频包络的幅度也仍然正比于来自整流的电力网电流的低频包络。
在这种情况下，如果对应于如此恢复和整流的高频电流的低频包络有一适当幅度，在电容器6的端子之间将其单独加到对应于整流的电力网电流的信号上，将足以几乎完全地纠正电容器8的大容抗对取自电力网的电流的线性所产生的影响。
为了从此装置得到最佳结果，需要遵照的唯一限制仅是建立一个对上述高频交变电流的阻抗可以忽略、而送出一个没有低频寄生调制的直流电压V3的缓冲直流源4。
电压V3的值和在中点1和公共端子8a或8b中之一之间所形成的直流电压V2的值，以及和端子5和公共端子8b之间所形成的直流电压V4的值有直接联系。
此值可以利用关系式V3＝(V2-V4)计算而得到近似值。
为了确定这些想法，例如可以使去耦电容器8以直流电压V1的370V充电。
由于V1≈2×V2，则电压V2大致等于370V÷2，为185V。
在这种情况下，端子7c和8b之间的直流电压V5约为160V。
由于V5≈V4×2，则在端子5和8b之间形成的直流电压大致等于160V÷2，约为80V。
那么在缓冲直流源4的端子3和5之间应该保持的平均直流电压将为185V-80V，约为105V。
观察此简单规律，有可能对按照本发明的该装置实现完全适配，并不用补充电路而对从电网取得的电流的功率因数和谐波失真获得几乎完全的校正。
如此建造的本装置可以不需要任何特别调整而对从电网取得的电流典型地获得0.995的功率因数和7％的总谐波失真系数，而在公共端子8a和8b之间存在的电压只受到可以忽略不计的调制系数的影响。
在公共端子8a和8b之间存在的电压的低调制表现在通过输出负载2的高频电流的包络的低调制系数和通过电容器8中的电流的很有限的幅度上。
附图3表示本发明的一种如后将指出的不同于前例的实际应用方式。
在本发明的实现该目的的装置的此种实现方式中，使用了一种使用电容器的半桥式转换器。此转换器一方面有用作有源分支的晶体管1a和1b、或所有其他的串联安装的能够起转换开关装置作用的半导体器件，另一方面有用作无源分支的对上述高频交变电流表现出一定电抗的串联安装的电容器3a和3b。
在桥的这些分支的中点1和3之间连接有被耦合到磁路9的代替上述的输出负载2的初级9a。
适当取向并被耦合到磁路9的次级9b和9c对控制晶体管1a和1b的周期交替导通的控制。
该各所述的次级分别经限流电阻11a和11b向晶体管1a和1b的控制结送出一个能保证这些晶体管周期交替导通的、幅度和相位适当的信号。
在端子3和偏置的公共端子8a和8b之中任何一个之间所形成的恢复的高频交变电压经适当偏置的大容量电容器15被加到包含有适当偏置的二极管5a和5b的双整流桥的非偏置输入端5。
和前面一样，所述的整流桥的各偏置的输出端子7c和8b被该滤波电容器旁路。
如此被整流和恢复的高频电流呈现出一种低频包络的形式。如前面指出的，此低频包络在和被整流桥7整流的电力网电流对应的包络相加后可以对从非偏置的输入端子7a和7b在电力网上取得的电流进行补偿。
分别和晶体管1a和1b反向并联联接的适当偏置的二极管10a和10b能保证在中点1和偏置的公共端子9a和9b之中的任何一个之间电流的双重循环。
在该装置加电压后，如此做成的转换器的周期导通的起动通常由集中包含了电阻14a、电容器14d、抑制二极管14b和电压阈值装置14c的起动装置来保证，使晶体管1b的控制电极被一适当信号激励。
在这种情况下，被耦合到磁路9的绕组9d向连接在其端子之间的接收器12按照一种称为“电压转移”的电压转移方式传送转换能量。
和接收器12并联安装的电容器13完成如下的功能。
首先，在构造一个磁路9使之只有一个尽可能缩小的气隙的情况下，电容器13的功能将是限制漏电感影响如此构成的变压器。
第二点，在有意配备一个大气隙的磁路9的情况下，电容器13将有和次级9d的电感构成一个并联谐振电路的功能，该并联谐振电路的过电压效应可以在接收器12的供电中得到利用。
在此电路接法中，代替上述的缓冲直流电压源4的大容量电容器15的电压的施加是从该整流桥7的偏置输出端子8a和7c之间存在的整流的电力网电压自动得到的。
事实上，电容器15的充电可以通过包含有晶体管1a、初级9a、可以限制充电开始时的过电流的电阻15a和能将端子3和5之间存在的电压保持在一个对应于上述电压V3的恒定不变值的二极管5a的串联电路来进行。
在这种情况下，端子3和5之间存在的直流电压将受到一种低频波动的影响。该波动系数基本上取决于电容器15能够连续积累的电荷。
因此尽可能地给予该电容器15一个高容量将是有好处的。
涉及当前的低功率应用，通过给予电容器15一个数十微法拉的值，端子3和5之间存在的直流电压V3的波动系数实际上仍然是可以忽略不计的。
同时，有这样大小的值的电容器对从端子1至端子5通过的高频的恢复电流呈现的阻抗同样仍然是可以忽略不计的。
大容量电容器15这时的作用如同一个幅度几乎恒定的缓冲直流电压源，可以使在这样的装置中形成的不同电位互相适配。
在这种情况下，该电容器15这时完全完成属于上述缓冲直流电压源4的功能。
如此按照本发明制造的该装置可以获得对电网上取得的电流的功率因数的很好的补偿，以及极低水平的影响电网的谐波电流系数。
另外，影响公共端子8a和8b之间存在的直流电压的低频波动保持在一个很低的水平，这确定性地表现在加到接收器12上的高频电流的包络的低的波动系数以及通过电容器8中的低频波动电流的幅度的小的偏移上。
附图4表示实现本发明的目的的装置的另一种实现方式。
这最后一种方式，按照较早已说明的，和前述的不同之处有后面指出的几点。
首先，初级9a的电感和与其串联连接的电容器16构成一个串联振荡电路，其谐振发生在与保持晶体管1a和1b所保证的周期性导通而发生的频率接近的频率。
在此装置中，高频转换能量的取出是由所谓的“能量转移”方式获得的。
事实上，在这里向直接连接在电容器16的各端子之间的接收器12施加了此电容器的端子间形成的高频交变电位。
这样连接的此接收器分流出在端子1和端子3之间通过的高频电流的一个适当部分。
按这样的方式加到具有已知阻抗的接收器12上的转换能量的部分这时将被限制成一个决定初级9a的阻抗和电容器16的电抗的适当值。
对影响这两个元件的值合理地进行选择，可以容易地获得对此电流的幅度的准确调整。
在接收器包含有一个电介质隔离的情况下，和该所述的接收器12及电容器16并联连接的电阻17的功能是保证电容器15的充电所必需的直流电流的通过。
在这种情况下，电阻17同样可以被连接在端子8a和端子3之间，这使得可以像前面一样对电容器15连续进行充电。
此电阻还可以由一个电阻17a和17b的桥来代替，该桥建立在公共端子8a和8b之间且其中点和端子3共用。
这样，也可以得到代替缓冲直流电压源4的电容器15的幅度基本上稳定不变的直流电压充电。
适当偏置并和电容器15并联连接的二极管18有可选的改善在端子3和5之间通过的高频交变电流的传输的作用。
事实上，此二极管只许可电容器15通过该所述的高频恢复电流的半个周期。
附图5表示出实现本发明的目的的装置的另一个实施例。
此实现方式和以往各种实施方式的不同之处在于这一事实，即一个补充电感19和电容器16作串联安装从而该电容器形成一个串联振荡电路。
在该图上的这种情况下，初级9a的阻抗基本上不再干预所述的振荡电路的谐振频率，因为此初级和次级9b及9c相联，其作用只是构成一个能保证控制晶体管1a和1b的周期交替导通的独立变压器。
在此种实现方式中，电容器3a和3b被单独一个电容器3c所代替。电容器3c的固有电容量是前面两个电容器的每一个的单独电容量的两倍。
这样，在该所述的高频率，此独有的一个电容器的电抗仍然基本上等于另外两个容抗的总和，这样在实现节省一个元件的同时可以获得完全同样的性能。
这里如前面所指出的，电阻17可以从端子8a和7c向电压储存电容器15充电，同时减轻输出接收器12可能表现出的电隔离或非线性特性所引起的问题。
电力网输入端子7a和7b加上电压时引起电压储存电容器15充电的吸入电流(courant d′appel)的限流电阻15a在这里和构成上述有源桥分支的晶体管1a和1b作串联连接。
附图6表示出按照本发明的该装置的最后一个实施例。
此种实现方式和前面由附图2表示的实现方式的不同之处在于取代缓冲直流电压源4的电压储存电容器15不再被安装在端子3和5之间，而是在端子1和3之间，和输出负载2串联。
在这种情况下，端子3和端子5被连接在一起。
和电容器15串联连接的低数值电阻15a在加电压时对此电容器的吸入电流进行限制。
被连接在端子8a和端子1之间的高值电阻17c使得可能在该所述的转换器起动和转换开关装置1’导通之前保证对电容器15进行直流电压预充电以及对漏电流引起的影响整个电容器的自动放电进行补偿。
如前面所述的，在输出负载2具有和例如负电阻或非线性电阻相对应的电隔离或不连续性特性的情况下，高值电阻17c能保证对电压储存电容器15进行直流充电的电路的闭合。
在这种实现方式中，和在以前的各种实现方式中一样，对于包含在10至50瓦之间的转换功率，可以例如给各关键元件赋予如下数值8 电解电容器10μF/350V15 电解电容器47μF/100V15a 电阻 0.25w/10欧姆17/17c 电阻 0.25w/470千欧姆在这些条件下，在整流桥7的偏置输出端子8a和7c之间可使用的整流的电力网电压对电容器15在稳定不变的直流电压下进行充电，该稳定直流电压在100或120Hz处的剩余波动实际上仍可忽略不计，这里考虑到了由于这样安装的此大容量电容器的放电电流小到可以忽略不计。
这样，由于高数值的储存电容器15在该整流的电力网的低频之处只有很低的阻抗，通过该电容器的转换的高频交变电流实际上没有受到100或120Hz的任何调制。
这一特性基本上将被用作一个非调制的缓冲直流电压源的电容器15的功能和附图1的电容器C具有的功能区分开来，电容器C在各端子间只有一个电隔离的作用，转换的高频电流在电容器C的两端之间受到100或120Hz的调制，调制幅度可以等于二极管桥J的各输出端子间可使用的整流的电力网电压的幅度。
刚说明的这种按照本发明的该装置几乎能完全修正功率因数以及影响在该电力网上取得的电流的谐波失真系数。
只在电力网的整流电流的上述包络上加上源于被转换的高频能量的一个给定部分的修正值的低频包络便可以得到此结果。这和按照现有技术的装置不同，为了达到较低的结果，那些装置需要加上对两个都是从被转换的高频能量中提取的信号一个电流信号和一个电压信号进行整流分别得出的不同的两个低频包络。
另外，和附图1表示的装置不同，按照本发明的该装置能够在电容器8和6的各端子间抑制电容器H和K能经受住的危险的过电压。过电压的主要原因要在大大超过转换电流的100或120Hz的过调制中去寻找。
按照本发明的构造简单且不需要任何令人厌烦的调节的该装置能够纠正按照现有技术的装置所具有的各个缺点。
按照本发明的该装置能够以低廉价格很好地使用在应能满足与电网取得电流有关的，如电力网供电、电子变压器、电子镇流器、紧凑型荧光灯等各种规格的所有应用中。
如前所推论并且显然地，本发明决不仅限于被比较详尽地考虑过的各种应用方式和实现方式，相反，它包括所有各种变动形式。
权利要求
1.由包含有一个桥式转换器的交流电力网供电的装置，其桥式转换器的有源分支包含有转换开关装置(1’)和(1”)，而无源分支包含有电容器(3a)和(3b)，这时此半桥向一个输出负载(2)传送一个幅度基本上恒定的高频交变电流，而从电网取得的电流则由于按照对在该所述的无源分支的中点(3)和该偏置的公共端子(8a)和(8b)之间因对该所述的无源分支的电抗而形成的一部分高频能量进行恢复的能量转换方式，基本上仍保持为正弦电流并且和该电压同相，这使得有可能在使用一个包含有二极管(5a)和(5b)的双半波整流桥对此部分能量进行整流之后，在一个去耦电容器(6)的端子之间得到一个低频包络，此低频包络和在一个电力网整流桥(7)的一个偏置输出端子(7c)和偏置公共端子之一(8a)之间存在的电力网整流电流的信号相加可以对一个去耦电容器(8)的低阻抗的影响进行补偿，这表现在偏置的公共端子(8a)和(8b)之间的低的剩余波动系数上以及对从电网取得的电流的功率因数和谐波失真的几乎完全的补偿上，该装置的特征在于一个幅度基本上恒定的直流电压缓冲源(4)和输出负载(2)形成一个连接在该有源分支的中点(1)和该双倍半波整流桥(5a、5b)的一个非偏置输入端子(5)之间的串联电路，此电压源(4)对于上述高频交流电流的通过只有小得可以忽略不计的阻抗。
2.按照权利要求1的装置，其特征在于，在构成缓冲电压源(4)的端子的该无源分支的中点(3)和该双倍半波整流桥(5a、5b)的一个非偏置输入端子(5)之间形成的直流电压的幅度(V3)近似等于在该有源分支的中点(1)和偏置的公共端子(8a、8b)中之一之间形成的电压的幅度(V2)和在该非偏置输入端子(5)和该各所述的偏置的公共端子中之一之间的电压幅度(V4)之间的差，这样可以使上述装置所使用的各个不同电位能很好适配。
3.按照权利要求1和2的装置，其特征在于，该直流电压缓冲电源(4)由一个大容量的储存电容器(15)构成，该电容器的充电从偏置公共端子之一(8a)和该电力网整流桥(7)的偏置输出端子(7c)进行。
4.按照权利要求1、2和3的装置，其特征在于，一个低值电阻(15a)和储存电容器(15)的充电电路作串联安装，以限制此装置在加电压时引起的此储存电容器的吸入电流。
5.按照权利要求1、2、3和4的装置，其特征在于，一个高值电阻(17)或高值电阻(17a)和(17b)组成的一个电阻桥将在各偏置端子(8a)或(7c)和该储存电容器(15)的各端子之间存在的和整流电力网对应的电位的一部分分出来，以使影响此电容器的漏电流一直得到补偿，而在此电容器的各端子间存在的直流电压仍然保持基本上恒定不变。
6.按照权利要求1、2、3、4和5的装置，其特征在于，该储存电容器(15)或该直流电压缓冲电源(4)和输出负载(2)组成一个串联电路，被连接在有源分支的中点(1)和该无源分支的中点(3)之间。
7.按照权利要求1、2、3、4、5和6的装置，其特征在于，构成桥的上述无源分支的各个电容器(3a)和(3b)被减少为单独一个电容器(3c)，其固有电容量大致是前面两个电容器的单个电容量的两倍。
8.按照权利要求1、2、3、4、5、6和7的装置，其特征在于，转换开关装置(1’)和(1”)是适于作转换开关使用的任何类型的半导体器件。
9.按照权利要求1、2、3、4、5、6、7和8的装置，其特征在于，负载(2)由一个变压器的初级(9a)构成，该变压器的次级(9b)和(9c)保证控制转换开关装置(1’)和(1”)的周期交替导通，而其次级(9d)保证按照电压转移方式将输出接收器(12)上的高频转换能量排出。
10.按照权利要求9的装置，其特征在于，连接在次级(9d)的各个端子之间的一个电容器(13)和此次级构成一个在上述高频处谐振的并联振荡电路。
11.按照权利要求1、2、3、4、5、6、7和8的装置，其特征在于，串联安装的初级(9a)的电感和一个电容器(16)的容抗组成一个在上述高频率谐振的串联振荡电路，从此振荡电路可以按能量转移方式取出被加到连接在电容器(16)的端子之间的输出接收器(12)上的被转换能量；而通过磁路(9)耦合到初级(9a)的次级(9b)和(9c)可以保证控制转换开关装置(1a)和(1b)的周期交替导通。
12.按照权利要求11的装置，其特征在于，磁路(9)和初级(9a)及次级(9b)和(9c)只构成一个适用于保证控制转换开关装置(1a)和(1b)周期交替导通的变压器，一个独立电感(19)承担和电容器(16)一起组成在上述高频率谐振的上述串联振荡电路。
13.按照权利要求3的装置，其特征在于，适当偏置的一个二极管(18)被连接在储存电容器(15)的端子之间。
14.按照权利要求3的装置，其特征在于，该储存电容器(15)是一种所谓的电解类型的电容器。
全文摘要
由一个交流电网供电的此转换器,从电网上取得的电流的功率因数接近于1而总的谐波失真系数接近于5%,这时加到输出负载(2)上的电流的幅度基本上仍然保持恒定。该转换器包含有一种桥式结构,使用转换开关装置(1’、1”)和电容器(3a、3b)。其去耦频率时的电抗被选取得使被转换能量的一部分在整流之后在电容器(6)的端子之间由桥(7)被加到电力网整流电流上。缓冲电源(4)有幅度基本上恒定的直流电压,能够平衡产生的电位因而消除任何无法控制的过电压造成结构破坏的危险。
文档编号H02M1/00GK1266548SQ9880769
公开日2000年9月13日 申请日期1998年7月23日 优先权日1997年7月28日
发明者亨利·库里埃·德米尔 申请人:H·B·工业公司, 亨利·库里埃·德米尔