CN1064178A - 高功率因数电源 - Google Patents

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Abstract

一种线外切换电源，包括一个交流整流器和一个 双输出端开关变换器，该变换器的一个输出端连接在 其输入端与交流整流器之间，以提供高的功率因数， 另一个输出端提供作为电源输出的直流电压。双输 出变换器的各输出彼此完全隔绝，因而可以独立控制 交流输入电流和电源输出电压。在一个最佳实施例 中，电力变换器的第二输出端经由输入谐振升压变换 器串联有一个全波交流整流器桥。直流线路与地之 间连接有一个全桥式直流／交流换流器。

Description

本发明，总的来说，涉及电力供应，更具体地说，涉及这样一种电源，该电源包括有一个工作时输入功率因数高，同时又能使其输出端的瞬态响应始终保持快速的交流/直流开关换流器。
一般的整流器，功率因数低，因而限制了可从交流线路上提取的电力，达到仅为线路额定值的几分之一的程度。此外，这些一般的整流器还从交流线路上引来了高度畸变了的交流线电流，往往使其它电气设备除受过电流和过电压的影响外，还受这些干扰的影响。提高功率因数的方法有无源波形整形法，即采用输入滤波器，和有源法，即采用换流器的增加或减少布局。这些获取高功率因数的一般有源法通常采用完全分立的在前换流器（up-front  converter）达到高功率因数，后面再加上直流/直流换流器来产生所要求的经调节的直流输出电压。这样，电力经过两次变换，成本既高，效率又低。而且，在前换流器还必须将所输送的整个电力加以转换。事实上，必须转换的峰值功率等于所输送的平均功率的两倍。
1987年2月10日颁发给R.L.施泰格尔沃尔德（Steigewald）和W.P.科恩朗夫（Kornrumpf）一般经过转让的美国专利4，642，745介绍了一种采用单个功率级又能在高功率因数下运行的电力变换系统，这里也把该专利包括进去，以供参考。施泰格尔沃尔德和科恩朗夫专利的电力变换系统包括：一个全波交流整流器，一个直流/交流换流器，一个具有初级绕组、紧密耦合的次级输出绕组和不紧密耦合的次级升压绕组的变压器和一个耦合到次级升压绕组的谐振电容器。次级输出绕组藉脉宽调制（PWM）进行控制，次级升压绕组则藉调频进行控制，因而输入电流和输出电压可以彼此独立地进行控制。但由于施泰格尔沃尔德和科恩朗夫专利的次级升压绕组和初级升压绕组是彼此耦合的（虽然耦合得不紧密），因而藉PWM控制对直流输出电压进行的任何控制影响输入电流的波形。因此，虽然上述施泰格尔沃尔德和科恩朗夫专利的电源只采用一个功率级而功率因数较高，但在某些应用场合总希望能通过将升压变换器与电源输出电压完全隔绝开来（例如通过降低输出的弱脉动电流）进一步提高功率因数，或者提高其性能。
因此本发明的目的是提供一种新型的经改进的外切换电源，该电源包括有单个功率级，有两个输出端，工作时功率因数高。
本发明的另一个目的是提供这样的一种线外切换电源，该电源包括有双输出端换流器，能从交流源提取优质的电流波形，同时能在快速瞬态响应的情况下产生经调节的直流输出电压。
本发明还有另外一个目的，即提供这样的一种线外切换电源，该电源包括有一个双输出端电力变换器，变换器的一个输出端与其输入端串联连接，以提供高的功率因数，变换器的另一个输出端提供作为电源输出的直流电压。
本发明还有另一个目的，即提供一种高功率因素的“前端”（front-end）电源，适宜例如供电给配电系统的直流母线，或改装现行低功率因数的切换电源。
本发明的上述和其它目的是在这样的一种线外切换电源上实现的，该电源包括有一个交流整流器和一个双输出端的切换变换器，变换器的第一输出端连接在自己的输入端与交流整流器之间，以提供高的功率因数，另一个输出端，即第二输出端提供作为电源输出的直流电压。双输出端变换器的各输出端彼此完全隔绝，因而可以独立控制交流输入电流和电源输出电压。
在一个最佳实施例中，有一个全波交流整流器电桥经由一个输入升压换流装置与双输出端电力变换器的第一输出端串联连接。升压变换装置包括一个由升压变压器的次级绕组和谐振电容并联组成的线路，还包括一个升压整流器。升压换流装置的输出端接直流线路。在升压换流装置输出端处的直流线路与地之间连接有一对电容值基本相同的串联蓄能电容器。直流线路与地之间还连接有一个全桥式直流/交流换流器，供提供激励升压换流装置用的第一交流信号。升压变压器的初级绕组与一个谐振电感串联连接，此串联组合电路连接在连接着两个蓄能电容器的中间抽头与全桥式换流器的一个桥臂之间。全桥式换流器经由一个变压器给一个输出整流器提供第二交流电压，以产生经调节的直流输出电压。双输出端换流器的两个输出独立受到控制。举例说，在一个最佳实施例中，用PWM装置控制经调节的输出电压（即第二输出）的幅值，同时通过主动控制升压换流装置的频率控制交流输入电流的幅值，从而控制第一输出电压。在另一个最佳实施例中，升压换流装置频率的这种控制是被动的，就是说，依赖升压换流谐振电路的增益特性。由于输入升压换流装置与电源输出电压完全隔绝，因而本发明的线外切换电源能从交流源提取优质的电流波形，同时能在快速瞬时响应的情况下产生经调节的直流输出电压。
本发明的另一个方面，通过一个交流整流器和一个直流/交流换流器的组合，提供了一种配套的高功率因数“前端”电源，用以例如给配电系统的直流母线供电，或改装现行低功率因数的切换电源，直流/交流换流器的输出端与交流整流器串联连接。在一个最佳实施例中，直流/交流换流器包括有一个全桥式换流器或半桥式换流器，换流器的输出端经由一个谐振升压换流装置与交流整流器串联连接。这样就可以从交流源提取优质的电流波形，而且可以给系统的负荷（例如配电系统中的多个直流/直流换流器）提供高功率因数的输出电压。
结合附图参看下面本发明的详细说明即可清楚了解本发明的特点和优点。附图中;
图1是一般双输出端电源的原理示意图;
图2是本发明包括有双输出端直流/直流换流器的电源的原理示意图;
图3A是本发明的一个线外切换电源的一个最佳实施例的原理示意图;
图3B是本发明的线外切换电源中使用的升压换流输出电路另一个实施例的原理示意图;
图4是适宜控制本发明的电源的运行过程的控制系统的原理示意图;
图5是本发明的线外切换电源另一个实施例的原理示意图。
图1示出了本技术领域熟知的一种电源1，用以从交流电源2接收交流电力线路的电压，并提供两个可单独加以控制的输出电压E出1和E出2。电源1包括有一个全波整流器10，该整器有四个二极管11-14在一起连接成全桥式结构，用以给一般双输出端直流/直流换流器15提供经整流的交流线电压。
按照本发明，提供直流输出电压E出2的高功率因数电源4是通过双输出端换流器15的一个输出端（例如E出1）与经整流的交流线电压的串联连接实现的，如图2所示。
图3A示出了本发明用以将交流电力线路的电压变换成经调节的直流输出电压的线外切换电源的一个最佳实施例。按照图3A的实施例，本发明的电源包括有一个连接到交流电源2的全波整流器10，该整流器具有四个二极管11-14连接在一起形成全桥式结构。整流器10在b点与0点之间提供全波整流电压。如图3A所示，升压换流器输出电路16经由高频滤波电感器Lλ与全波整流器串联连接。不然必要时也可以将高频滤波电感器Lλ连接到整流器10的交流侧。升压换流器输出电路16包括与谐振电容器Cr并联连接的一个升压变压器Tb的一个带中间抽头的变压器次级绕组18。升压换流器输出电路还包括一个带中间抽头的变压器和由二极管20和21组成的全波升压整流器，各二极管的正极接谐振电容器Cr的各相应端。二极管20和21的阴极在一起连接在a点，a点则处于电位Vao，连接到直流线路。
如图3A所示，直流/交流换流器22由全桥式连接的开关器件Q1-Q4组成，连接在直流线路与地之间。串联组合的升压变压器绕组24与谐振电感器Lr连接在换流器22的开关器件Q1和Q2的连接点与一对较大的带中间抽头的蓄能电容器Cλ/2的连接点之间。（不然，如果电容器Cλ/2串联组合之后与另一个较大的蓄能电容器（图中未示出）并联，则电容器Cλ/2也可以较小。）
如图3B所示，升压换流器输出电路16的另一个实施例包括一个全波桥式整流器，该整流器由二极管6-9和升压变压器Tb的一个次级绕组17组成。另外，虽然图3A所示的升压电力变换器输出电路16是由一个并联谐振电路组成的，不难理解，采用其它谐振电路结构也同样可以使本发明具有上述优点。例如，可以采用串/并联谐振的组合电路，在变压器Tb的初级或次级侧串联谐振电感器Lr。又例如可以采用一个串联一个谐振的电路结构，在变压器Tb的初级侧或次级侧将谐振电容器Cr与谐振电感器Lr串联起来，而不是象图3A所示的那样并联起来。
另一个变压器27的初级绕组26跨接在连接全桥式换流器相应各桥臂的开关器件Q1-Q2和Q3-Q4的连接点上。变压器27次级绕组28的相应端连接到二极管30和31的正极上。二极管30和31的负极连接到输出滤波电感器32和输出滤波电容器34上。经调节的直流输出电压E出加到电容器34的两端。
工作时，升压换流器提供全桥式整流器10的输出电压｜VL｜与直流线路电压Vao之间的瞬时电压差。谐振升压换流器的输出电压由全桥式换流开关器件Q1-Q4的开关频率通过升压换流器谐振电路Lr和Cr两端产生的第一交流信号控制，直流输出电压E出则通过对变压器27两端产生的第二交流信号进行脉宽调制（PWM）进行控制，即通过换流器两桥臂的彼此移相进行控制。由于对全桥式换流器的两个桥臂进行移相并不影响加到谐振电路Lr和Cr的电压，因而升压换流器电压Vab不受电源输出电压E出的影响。因此输入升压换流器和电源输出电压同时达到快速的瞬态响应。
图4示出了本发明的电源适当的控制器，在上述施泰格尔沃尔德和科恩朗夫的美国专利4，642，745中介绍了这个控制器。（图4中的各编号对应于施泰格尔沃尔德和科恩朗夫专利中的编号）。施泰格尔沃尔德和科恩朗夫的专利介绍了用以控制经调节的直流输出电压的PWM控制器，控制是在每当在控制直流输出电压E＊ 出与实际直流输出电压E出之间检测出误差时通过调节换流器输出信号的占空因数进行的。此外，施泰格尔沃尔德和科恩朗夫的专利介绍了一种有效的频率控制，即将换流器的实际输入电流与市电线电压同相的控制电流进行比较，出现任何差别时就对频率进行调整，以控制升压换流器。这里有利的一点是，由于本发明的升压换流器与电源输出电压完全隔绝，因而采用施泰格尔沃尔德和科恩朗夫的控制系统对直流输出电压进行任何调节并不影响本发明换流器的输入电流。
此外还有另一个好处，即由于并联谐振电路Lr和Cr的增益特性好，因而即使不对交流线电流进行有效控制，本发明的电源也能以较高的功率因数和较低的交流峰值线电流工作。在靠近输入交流电流波形的波谷附近，传输的功率低，而且谐振电路负荷不大，因而升压换流器输出电压能跳动上升以提供所需高的升压，即瞬时交流线电压｜VL｜的低值与直流线路电压Vao之间的差值。相反，在输入的交流电流波形的波峰附近，传输的功率较高，且谐振电路高度抑制。因此需要稍微升压作用。所以并联谐振升压换流器的增益特性必然促使电源产生高的功率因数。因此本发明有这样的好处，即为了提高的功率因数，本发明的电源不需要有效控制所输入的交流电流波形。这样，4中控制器40的用虚线70表示的部分就可以有利地加以取消，必要时将补偿器增益方框69的输出端通过电阻器58连接到锯齿形电压发生器58（如虚线71所示）上，从而简化了本发明高功率因数电源所需的控制电路。
还有另一个优点，升压电力变换器不需要将传送到负荷的整个电力都加以变换。就是说，对基本上不大于交流输入电压（即小于两倍交流办入电压的峰值）的直流线路电压Vao来说，由于开关电源中的升压换流器是串联的，因而升压电力变换器的峰值额定值小于传输到直流线路的峰值功率。举例说，直流线路电压Vao比交流线电压的峰值高大约25%时，升压换流器所变换的峰值功率约为所传输的全功率的78%，升压换流器所处理的平均功率约为所传输的整个功率的59%。
图5示出了本发明的电源特别适用于需要使用配套式交流/直流“前端”换流器以便例如供电给配电系统直流母线或改装现行低功率因数开关电源的场合的另一个方面。如图5所示，图3A的带中间抽头的蓄能电容器Cλ/2用一个等效的蓄能电容器Cλ代替了，该电容器的两端跨接有一个专用的谐振半桥式换流器80。（不然也可以采用图3A所示的那种由开关器件Q1-Q4组成的全桥式换流器）。换流器80包括串联连接的开关器件Q1和Q2连同在其连接点处由升压初级绕组24、谐振电感Lr和电容Cb串联组成（不然也可以如图3A的电容器Cλ/2那样由一对电容器Cb/2并联连接）的谐振电路。图5的谐振升压换流器可由半桥式换流器开关器件Q1和Q2的开关频率控制，上述施泰格尔沃尔德和科恩朗夫的美国专利4，642，745介绍了这种频率控制的适当方式。不然谐振升压换流器也可藉适当的PWM控制器进行控制。
尽管本发明的电力变换器是就装有双输出端换流器、换流器的各输出或者由谐振频率控制、或者由PWM控制、或者由两者混合方式控制的电源进行说明的，但不言而喻，本发明的电源是可以采用任何型式的双输出端电力变换器来实现本发明的优点的。因此尽管本说明书到此为止所介绍的是本发明的一些最佳实施例，显然这些最佳实施例仅仅是举例而已。在不脱离本发明实质的前提下，熟悉本技术领域的人士是可以对它们进行各种修改和更改甚至提出另一种方案的。因此我们的意图是，本发明仅仅只受本说明书所附权利要求书精神实质和范围的限制。

Claims (18)

1、一种提供直流输出电压的高功率因数电源，其特征在于，它包括：
交流整流装置，连接到交流电力线路时用以提供整流的交流电压；
双输出端电力变换器，用以提供第一和第二输出电压，所述各输出电压可独立加以控制，所述第一输出电压串联连接在所述交流整流装置与所述双输出端电力变换器的输入端之间，且所述第一输出电压包括电源直流输出电压。
2、一种电源，其特征在于，它包括：
交流整流装置，连接到交流电力线路时用以提供经整流的交流电压;
双输出端换流器，包括升压换流装置和直流/交流换流装置，所述升压换流装置包括连接在所述交流整流装置与一个直流线路电压之间的升压变压器的次级绕组，所述升压换流装置还包括谐振电路装置，该谐振电路装置则包括由一个升压变压器、一个谐振电感和一个谐振电容组成的电路，所述直流/交流换流装置接收所述直流线路电压并产生第一和第二交流信号，所述第一交流信号激励所述升压换流装置，所述升压换流装置的输入电流的幅值与所述第一交流信号的频率有关;
输出整流装置，用以接收所述第二交流信号，并根据该交流信号产生经调节的输出直流电压，所述经调节的输出直流电压与所述谐振电路装置的输出电压隔绝;和
脉宽调制装置，连接到所述输出整流装置上，用以通过对所述第二交流信号进行脉宽调制控制所述经调节的输出直流电压的幅值。
3、如权利要求2所述的电源，其特征在于，它还包括调频装置，用以控制所述第一交流信号的频率，使所述电力变换器从所述交流电力线路提取与所述电力线路的电压同相的基本上呈正弦波的电流。
4、如权利要求2所述的电源，其特征在于，所述升压变压器的次级绕组有一个中间抽头，该中间抽头连接到所述交流整流装置上;且所述电力变换器还包括一个带有中间抽头的全波升压整流器，连接到所述升压变压器的次级绕组。
5、如权利要求2所述的电源，其特征在于，它还包括一个全波升压整流器，该整流器包括一个由两对串联连接的二极管并联组成的电路，所述升压器的次级绕组连接在相应各对二极管的连接点之间。
6、如权利要求2所述的电源，其特征在于，所述谐振电容与升压变压器并联连接，而所述谐振电感与升压变压器串联连接。
7、如权利要求2所述的电源，其特征在于，所述谐振电容与所述谐振电感串联连接，所述谐振电容与所述谐振电感串联组成的电路与升压变压器串联连接。
8、如权利要求2所述的电源，其特征在于;
所述谐振电容与升压变压器并联连接;
所述谐振电感与升压变压器串联连接;且
所述谐振电路装置还包括另一个与所述谐振电感串联的谐振电容。
9、如权利要求2所述的电源，其特征在于，所述直流/交流换流装置包括一个全桥式换流器。
10、一种电源，其特征在于，它包括：
交流整流装置，连接到交流电力线路上时用以提供经整流的交流电压;
升压换流装置，包括串联连接在所述交流整流装置与直流线路电压之间的升压变压器的次级绕组，所述升压换流装置还包括谐振电路装置，该谐振电路装置则包括由一个升压变压器、一个谐振电感和一个谐振电容组成的电路;
直流/交流换流装置，用以接收所述直流线路电压，并产生用以激励所述升压换流装置的交流信号，所述升压换流装置的输入电流的幅值与所述交流信号的频率有关。
11、如权利要求10所述的电源，其特征在于，它还包括调频装置，用以控制所述交流信号的频率，使所述电力变换器从所述交流电力线路提取与所述电力线路的电压同相的基本上呈正弦波的电流。
12、如权利要求10所述的电源，其特征在于，所述升压变压器的次级绕组有一个中间抽头，该中间抽头连接到所述交流整装置上;且所述电力变换器还包括一个带有中间抽头的全波升压整流器，连接到所述升压变压器的次级绕组。
13、如权利要求10所述的电源，其特征在于，它还包括一个全波升压整流器，该整流器包括一个由两对串联连接的二极管并联组成的电路，所述升压变压器的次级绕组连接在相应各对二极管的连接点之间。
14、如权利要求10所述的电源，其特征在于，所述谐振电容与升压变压器并联连接，而所述谐振电感与升压变压器串联连接。
15、如权利要求10所述的电源，其特征在于，所述谐振电容与所述谐振电感串联连接，所述谐振电容与所述谐振电感串联组成的电路与升压变压器串联连接。
16、如权利要求10所述的电源，其特征在于，
所述谐振电容与升压变压器并联连接;
所述谐振电感与升压变压器串联连接;且
所述谐振电路装置还包括另一个与所述谐振电感串联的谐振电容。
17、如权利要求10所述的电源，其特征在于，所述直流/交流换流装置包括一个全桥式换流器。
18、如权利要求10所述的电源，其特征在于，所述直流/交流换流装置包括一个半桥式换流器。
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