CN1801589A - 直流电源装置及其调节输出功率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及直流电源装置制领域，尤其涉及一种具备功率因数校正能力的直流电源装置及其调节输出功率的方法。一种直流电源装置包括交流电源、整流电路、连接在整流电路直流输出端的滤波电容、连接在交流电源与整流电路交流输入端之间的电抗器、强制对电抗器进行通电的短路电路、过零检测环节、栅极驱动环节、检测所述整流电路直流输出端电压值的Vdc检测环节、上述Vdc检测环节的分压网络、产生正弦波参考信号的正弦波参考信号发生器、产生三角波信号的三角波振荡器、比较环节和控制芯片。本发明直流电源装置通过在规定的时间内强制性的使电抗器与交流电源短路通电，提高电路的功率因数，降低电源的高次谐波。

Description

直流电源装置及其调节输出功率的方法

【技术领域】

本发明涉及直流电源装置领域，尤其涉及一种具备功率因数校正能力的直流电源装置及其调节输出功率的方法。

【背景技术】

目前应用在空调器上的直流电源装置，绝大多数采用桥式整流电路加滤波电容的方式。将交流电源产生的交流电信号转换成直流电信号，进而通过后续电路将该直流电信号转换为脉宽调制(PWM)电信号，并将PWM电信号提供给驱动空调器压缩机的变频器主回路。请参阅图1和图2所示，在没有滤波电容C的情况下，交流电Va输入桥式整流电路后得到如Vb的波形。经过滤波电容C的储能作用之后，得到近似稳定的直流电压Vc，观察Vc波形上的时段A(阴影部分)Vc＝Vb，此即表示Vb有电流流向Vc，同时对电容C充电以保持住电压，故Vb有电流j流向电容及负载，同时Va亦有电流ι。而进入时段B，Vc电压由于有电容保持，开始接近峰值电压，随后因负载的消耗功率而有缓慢下降的趋势，但是此时的Vc电压仍高于Vb，故此时段Vb的电流j＝0，相对的Va的电流ι＝0。由此可知，Va点的电源只在时段A才有电流，故电流波形呈狭窄的脉冲状，导致向电源侧漏电的高次谐波增大，而且会带来其它危害：一是负载加重，由于输入端必需提高功率，而在时段B时电流j＝0，因此在时段A，电流ι的峰值必须增加，这就要求整流元件的耐流值也要相应增加，使得电路成本也随之增加；二是电容C加大，电容的放电速度减慢，时段B随之增长而时段A缩短，显然电流的峰值必须增加才能满足功率不变的要求。

为了防止发生这种情况，通常是在输入电路上连接电抗器，以此可以提高电源的功率因数，同时降低电源的高次谐波。但是采用这种方法提高功率因数的效果是有限的，如果要进一步的提高功率因数，降低电源的高次谐波，就需要更大电感量的电抗器，这就带来了整个装置体积庞大，费用高昂的问题。而且由于电抗器的电感量在确定之后就不能改变，因此只能在某一个功率区间内取得较好的功率因数校正效果，在其它功率区间内的功率因数就无法得到保证。更为严重的是采用较大电感量的电抗器后，从电源输入的电流相位落后很多，直流输出的电压降变大，整个装置的最大输出功率将受到限制。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种既能够提高电源功率因数的直流电源装置。

本发明的另一目的在于提供一种能够调节输出功率的直流电源装置。

本发明的再一目的在于提供一种上述直流电源装置调节输出功率的方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种直流电源装置，包括交流电源、对交流电源输出的交流电进行整流的整流电路、连接在整流电路直流输出端的滤波电容、连接在交流电源与整流电路交流输入端之间的电抗器、将交流电源短路，强制对电抗器进行通电的短路电路、检测交流电源频率及交流电源电压过零点的过零检测环节、栅极驱动环节、检测所述整流电路直流输出端电压值的Vdc检测环节、上述Vdc检测环节的分压网络、产生可控振幅的三角波信号的三角波振荡器、产生正弦波参考信号的正弦波参考信号发生器、将正弦波参考信号发生器产生的正弦波信号和三角波振荡器产成的三角波信号进行比较的比较环节和连接过零检测环节、栅极驱动环节以及Vdc检测环节的控制芯片。

所述短路电路包括一个功率开关元件和两个二极管，功率开关元件的集电极和两个二极管的阴极连接。

所述整流电路是桥式整流电路，桥式整流电路的共阳极接功率开关器件的发射极，二极管的阴极接功率开关器件的集电极，滤波电容E1接在桥式整流电路的共阴极与共阳极之间。

所述控制芯片可以是数字信号处理器或者是单片机。

所述功率开关元件可以是绝缘栅双极晶体管、门极可关断晶闸管或者场效应晶体管。

所述电抗器的总电感量选择在10mH～20mH之间，用两个或者三个电抗器串联，所述电抗器的电感量相等。

所述直流电源装置还包括一过流检测环节与控制芯片连接。

所述包括直流电源装置还包括一缓冲保护电路与功率开关元件两端并联。

所述缓冲保护电路包括一个电容。

所述缓冲保护电路还包括一个与上述电容串联的电阻。

所述缓冲保护电路还包括一个与上述电阻并联的二极管。

所述直流电源装置还包括一过流检测环节与控制芯片连接。

所述过流检测环节可以采取在功率开关器件上串联电阻或电流互感器来检测集电极电流的方式，也可以采取检测集电极-发射极饱和电压VCE(sat)的方式。

一种调节直流电源装置输出功率的方法，包括：

第一步：对控制芯片进行调节，设定PWM的占空比一个限制值；

第二步：当电机运转时，实际PWM信号的占空比小于限制值，此时可以将电源的工作模式设置为功率因数优先模式，以取得功率因数校正效果为优先目的来设定脉冲触发时刻Δt(或Δt1，Δt2，Δt3……)及脉冲宽度ΔT(或ΔT1，ΔT2，ΔT3……)；

第三步：当实际PWM占空比超出预设的限制值，将电源的工作模式设置为最大输出功率优先模式，以提高直流输出端的电压值Vdc为优先目的来设置脉冲触发时刻及脉冲宽度。

所述直流电压值由Vdc检测环节进行检测，可配合控制芯片进行闭环调节，通过调节Vdc的值来将PWM信号的占空比降至预设的限制值以下。

与现有技术相比，本发明直流电源装置通过在规定的时间内强制性的使电抗器与交流电源短路通电，从而改善交流输入的电流波形，提高电路的功率因数，降低电源的高次谐波，获得较好的功率因数校正效果。另外通过采用升压式(Boost)的电路结构，因此具备调节输出端直流电压值和功率的能力。

【附图说明】

图1是现有技术桥式整流电路示意图；

图2是图1电路中各节点的电压及电流波形图；

图3是本发明直流电源装置单脉冲实施方式的电路结构示意图；

图4是三种过流检测环节实施方式的电路图；

图5是功率开关器件的浪涌电压波形图；

图6是三种功率开关器件缓冲保护电路的示意图；

图7是RCD缓冲电路的作用分析曲线图；

图8是采用RCD缓冲电路后，功率开关器件关断时的负载曲线图；

图9是本发明直流电源装置的部分电路工作过程的示意图；

图10是本发明直流电源装置多脉冲实施方式的电路结构示意图；

图11是本发明直流电源装置多脉冲实施方式下，三角波信号以及正弦波参考信号与交流输入电压信号相位关系的示意图；

图12是本发明直流电源装置多脉冲实施方式下所补偿的脉冲信号的示意图；

图13是本发明直流电源装置多脉冲实施方式下的电源电流波形示意图。

【具体实施方式】

为了便于说明介绍本发明的内容，下面本申请人通过介绍直流电源装置在空调系统中的应用来说明直流电源装置及其调节输出功率的方法。

请参阅图3所示，本发明直流电源装置包括交流电源Vin、对交流电源输出的交流电进行整流的整流电路、连接在整流电路直流输出端的滤波电容E1、连接在交流电源Vin与整流电路交流输入端之间的电抗器L、将交流电源短路，强制对电抗器进行通电的短路电路、检测交流电源频率及交流电源电压过零点的过零检测环节、栅极驱动环节、检测整流电路直流输出端电压值的Vdc检测环节、上述Vdc检测环节的分压网络A’与滤波电容E1并联和连接过零检测环节、栅极驱动环节以及Vdc检测环节的控制芯片。在本实施方式中，整流电路是利用桥式整流电路。短路电路包括一个功率开关元件G1和两个二极管D5、D6。

电抗器L、二极管D5、D6、滤波电容E1和功率开关器件G1构成了升压式变换电路。在本实施方式中，功率开关器件G1是绝缘栅双极晶体管IGBT，当然功率开关器件G1也可以是门极可关断晶闸管GTO或者是功率场效应晶体管MOSFET。

桥式整流电路的共阳极接功率开关器件G1的发射极，二极管D5、D6的共阴极接功率开关器件G1的集电极，滤波电容E1接在桥式整流电路的共阴极与共阳极之间。Vdc检测环节的分压网络A’以及功率驱动电路并联在输出滤波电容E1的两端。

为避免由于补偿的脉冲宽度过宽而导致电路器件损坏的情况发生，可以通过过流检测环节实时检测功率开关器件集电极的异常电流信号，当出现异常电流信号时，由控制芯片执行对功率开关器件G1的关断操作，以达到保护功率开关器件的目的。图4给出了三种过流检测环节的具体实现方案，其中(a)方式是在功率开关器件上串联检测电阻来检测集电极电流的方式，检测到的电流信号通过比较器与预设的限制值进行比较，当超出预设的限制值时，比较器向控制芯片输入异常电流信号，上述比较器集成在控制芯片中；(b)方式是将一只电流互感器取代检测电阻来对集电极电流进行检测，检测到的电流信号通过比较器与预设的限制值进行比较，当超出预设的限制值时，比较器向控制芯片输入异常电流信号，上述比较器集成在控制芯片中；(c)方式是通过检测集电极-发射极饱和电压VCE(sat)的方式来间接的检测异常电流信号：因为VCE(sat)＝Ic×RCE(sat)，当Ic增大时，VCE(sat)也随之增大，若栅极电压为高电平，而VCE为高，这种情况下就有过流情况发生，此时与门输出高电平，向控制芯片输入异常电流信号。

请参阅图5所示，因为电路中分布电感的存在，当功率开关器件的开关速度达到KHz以上时，在功率开关器件关断时及与之并接的反向恢复二极管逆向恢复时，就会产生浪涌电压Ldi/dt，威胁功率开关器件的安全。图中Vce为功率开关器件集电极-发射极间的电压波形；ic为功率开关器件的集电极电流；Ud为输入功率开关器件的直流电压；VCESP＝UCE+Ldic/dt，为浪涌电压峰值。如果VCESP超出功率开关器件的集电极-发射极间耐压值VCES，就会损坏功率开关器件。因此可以加装缓冲保护电路，抑制电压上升率du/dt及电流上升率di/dt。

请参阅图6所示，其中(a)是C缓冲电路，采用薄膜电容Cs；(b)是RC缓冲电路，在C缓冲电路的基础上增加一个与薄膜电容Cs串联的电阻Rs；(c)是RCD缓冲电路，在RC缓冲电路的基础上增加一个与电阻Rs并联的二极管Ds。

在本实施方式中，本发明直流电源装置是采用RCD缓冲电路。请参阅图7所示，如不加缓冲电路时，当功率开关器件G1导通时电流迅速上升，di/dt很大；当G1关断时du/dt很大，并出现很高的浪涌电压。增加了缓冲电路后，G1导通时：Cs通过Rs向G1放电，使ic先上一个台阶，之后由于前端电感的影响，ic上升速度减慢；当G1关断时，负载电流通过Ds向Cs分流，减轻了G1的负担，抑制了du/dt及过高的浪涌电压。请参阅图8所示，无缓冲电路时，Uce迅速上升，L感应电压使Ds导通，负载曲线从A段移至B段，之后ic才下降到漏电流的大小，负载曲线随之移至C段；有缓冲电路时，Cs分流使ic在UCE开始上升时就下降，负载曲线经过D段到达C段，负载曲线ADC较为安全可靠，且经过的都是小电流或小电压的区域，其关断损耗也大大降低。

控制芯片可以是数字信号处理器(DSP)，也可以是单片机。控制芯片通过过零检测环节检测交流输入电源的频率以及交流输入电压的相位，通过Vdc检测环节检测直流输出端的电压值，通过过流检测环节检测功率开关器件的集电极是否存在异常的过流信号，并且根据以上的检测信息，通过栅极驱动环节输出脉冲信号，通过马达驱动环节向功率驱动电路输出PWM信号，该功率驱动电路借助于对开关元件组的通断控制，将本直流电源装置输出的直流电压变换为脉冲宽度调制(PulseWidth Modulation)电压，来驱动空调器压缩机电机进行工作。

本发明直流电源装置是按如下步骤工作的，首先通过过零检测环节检测交流电源电压的过零点，在得到多个过零点的时刻之后，通过控制芯片计算相邻两个过零点时刻之间的差值，以此来判断交流电源的输出频率(例如：50Hz或者是60Hz)，并将此电源频率值作为已知量存储在控制芯片中，作为之后脉冲控制的基础。

之后通过过零检测环节对交流输入电压进行过零检测，当检测到交流电压过零点后，控制芯片延迟1ms后，通过栅极驱动环节输出脉冲信号，触发对功率开关器件G1的导通操作，使得交流电源通过电抗器L进行短路操作，强制给电抗器L充电。延迟1ms后，关断功率开关器件G1，并通过电抗器L续流。如此循环往复，以此来增加交流输入电源电流的导通角，以达到增大电源的功率因数，抑制电源高次谐波的目的。在本实施方式中，延迟时间是1ms，上述延迟时间需要根据电源频率以及输出功率的情况进行调整，输出功率越高，需要的充电时间越长。例如电源频率为50Hz，根据输出功率的不同，延迟时间可以选择0.7ms～2.5ms之间。

请参阅图9所示，给出了在补偿某一功率因数改善脉冲的过程中，部分电路的工作过程：以输入电源电压的正半周为例。a表示升压式变换电路的功率开关器件G1导通，此时电源向电抗器L充电，电抗器L中的电流逐渐增加，电流通过二极管D5、功率开关器件G1和二极管D3流通；b表示升压式变换电路的功率开关器件G1关断，此时电抗器L为电路供电，此阶段电抗器L中的电流逐渐减小，电流通过二极管D2和二极管D3流通；c表示升压式变换电路的功率开关器件G1仍然关断，并且当电抗器L中的电流降为零之后，由电容E1继续向负载供电。

在本实施方式中，采用的是单脉冲的空调器直流电源装置。电抗器的总电感量选择在10mH～20mH之间为宜。为了减少噪声，可以选取多个较小电感量的电抗器串联来代替一个较大电感量电抗器。譬如说，可以选两个8mH小电感量的电抗器串联，或者选三个5.5mH小电感量的电抗器串联，来替代一个16mH的大电感量的电抗器。最好选择电感量相同的电抗器，电抗器的数目以两个或三个为宜。

图10所示是本发明直流电源装置的另外一种实施方式，即采用多脉冲的实施方式来进行功率因数校正。在本实施方式中，直流电源装置包括三角波振荡器、正弦波参考信号发生器以及将三角波振荡器产生的三角波信号和正弦波参考信号发生器产生的正弦波信号进行比较的比较环节，其他元件与第一实施方式相同，故不赘述。

根据过零检测环节测得的交流电源电压相位，正弦波参考信号发生器产生一系列与交流电源同相位，频率为交流电源频率2倍，例如100Hz或120Hz的正半轴正弦波信号。同时三角波振荡器在每个交流电源周期的0～π/2相位和π～3π/2相位的区间内产生一系列振幅可调的三角波信号，三角波信号的频率可以根据需要来具体设定，例如可选择为在每π/2相位区间内产生10个三角波信号。之后将产生的三角波信号和正弦波参考信号送入比较器内进行比较，根据比较结果，由控制芯片产生一系列PWM信号通过栅极驱动环节驱动功率开关器件G1，对电源进行短路操作。

请参阅图11所示，正弦波参考信号与交流电压信号同相位。图(a)～(d)表示负载电流依次增大的情况。三角波振荡器只在交流电压每个周期的0～π/2相位和π～3π/2相位的区间内产生一系列振幅可调的三角波信号，可以看出，当负载电流增大时，三角波信号的振幅也随之增大。将正弦波参考信号记为VSine，三角波信号记为VTria，并将两个信号送入比较器中进行比较，当VTria＞VSine时，输出的信号是将功率开关器件G1设定为导通状态的『1』；当VSine＞VTria时，输出的信号是将功率开关器件G1设定为关断状态的『0』。请参阅图12所示，在每一个π/2相位的区间内，随着相位角的逐渐增大，补偿的脉冲宽度逐渐减小；而随着负载电流的逐渐增大，所补偿脉冲的总宽度也是逐渐增大的。

同等条件下，在多脉冲实施方式中，如果选择电抗器的电感量小于单脉冲实施方式选择电抗器的电感量，那么采用多脉冲实施方式的直流电源装置的功率因数会大于单脉冲的实施方式的直流电源装置的功率因数。例如在单脉冲的实施方式中，选择两个8mH的电抗器串联时，多脉冲的实施方式中，可以选择一个6mH的电抗器。

请参阅图13所示，对于220Vac/50Hz的交流电源，采用8mH电抗器，1000μF滤波电容的电路，采用上述多脉冲的实施方式，相比较单脉冲实施方式的电流波形，多脉冲实施方式的电流的导通角进一步增大，而且电流波形更接近于正弦波。在实际的应用中，采用上述多脉冲实施方式的空调器直流电源装置的功率因数可以大于0.98，总的谐波失真(THD)小于20％，并且各次谐波电流值均可以满足3C/IEC标准的限制。

无论是单脉冲的实施方式还是多脉冲的实施方式，由于采用了升压式(Boost)的电路结构，因此都具备调节输出端直流电压值的能力。一种通过增大直流电源装置的直流输出电压值来提高空调器的最大输出功率的方法包括，第一步：对控制芯片进行调节，设定PWM的占空比一个限制值；第二步：当电机运转时，实际PWM信号的占空比小于限制值，此时可以将电源的工作模式设置为功率因数优先模式，以取得功率因数校正效果为优先目的来设定脉冲触发时刻Δt(或Δt1，Δt2，Δt3……)及脉冲宽度ΔT(或ΔT1，ΔT2，ΔT3……)；第三步：当实际PWM占空比超出预设的限制值，将电源的工作模式设置为最大输出功率优先模式，以提高直流输出端的电压值Vdc为优先目的来设置脉冲触发时刻及脉冲宽度。直流电压值由Vdc检测环节进行检测，可配合控制芯片进行闭环调节，通过调节Vdc的值来将PWM信号的占空比降至预设的限制值以下。

本发明介绍了在空调系统中应用的直流电源装置及其调节输出功率的方法，这不能被认为是对本发明权利要求的限制。如果本领域的技术人员依据本发明作出了非实质性的、显而易见的改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (20)

1、一种直流电源装置，包括交流电源、对交流电源输出的交流电进行整流的整流电路、连接在整流电路直流输出端的滤波电容、连接在交流电源与整流电路交流输入端之间的电抗器，其特征在于：所述直流电源装置还包括将交流电源短路，强制对电抗器进行通电的短路电路、检测交流电源频率及交流电源电压过零点的过零检测环节、栅极驱动环节、检测所述整流电路直流输出端电压值的Vdc检测环节、与滤波电容E1并联的Vdc检测环节的分压网络和连接过零检测环节、栅极驱动环节以及Vdc检测环节的控制芯片。

2、根据权利要求1所述的直流电源装置，其特征在于：所述短路电路包括一个功率开关元件和两个二极管，功率开关元件的集电极和两个二极管的阴极连接。

3、根据权利要求2所述的直流电源装置，其特征在于：所述整流电路是桥式整流电路，桥式整流电路的共阳极接功率开关器件的发射极，二极管的阴极接功率开关器件的集电极，滤波电容E1接在桥式整流电路的共阴极与共阳极之间。

4、根据权利要求1所述的直流电源装置，其特征在于：所述控制芯片可以是数字信号处理器或者是单片机。

5、根据权利要求2所述的直流电源装置，其特征在于：所述功率开关元件可以是绝缘栅双极晶体管、门极可关断晶闸管或者场效应晶体管。

6、根据权利要求1所述的直流电源装置，其特征在于：所述电抗器的总电感量选择在10mH～20mH之间，用两个或者三个电抗器串联。

7、根据权利要求6所述的直流电源装置，其特征在于：所述电抗器的电感量相等。

8、根据权利要求1所述的直流电源装置，其特征在于：所述直流电源装置还包括一过流检测环节与控制芯片连接。

9、根据权利要求8所述的直流电源装置，其特征在于：所述过流检测环节采用在功率开关器件上串联电阻或电流互感器来检测集电极电流的方式，也可以采取检测集电极-发射极饱和电压VCE(sat)的方式。

10、根据权利要求2所述的直流电源装置，其特征在于：所述包括直流电源装置还包括一缓冲保护电路与功率开关元件两端并联。

11、根据权利要求10所述的直流电源装置，其特征在于：所述缓冲保护电路包括一个电容。

12、根据权利要求11所述的直流电源装置，其特征在于：所述缓冲保护电路包括一个与上述电容串联的电阻。

13、根据权利要求12所述的直流电源装置，其特征在于：所述缓冲保护电路包括一个与上述电阻并联的二极管。

14、一种直流电源装置，包括交流电源、对交流电源输出的交流电进行整流的整流电路、连接在整流电路直流输出端的滤波电容、连接在交流电源与整流电路交流输入端之间的电抗器，其特征在于：所述直流电源装置还包括将交流电源短路，强制对电抗器进行通电的短路电路、检测交流电源频率及交流电源电压过零点的过零检测环节、栅极驱动环节、检测所述整流电路直流输出端电压值的Vdc检测环节、根据所述过零检测环节检测的电源电压相位、与滤波电容并联的分压网络、产生正弦波参考信号的正弦波参考信号发生器、产生三角波信号的三角波振荡器、将正弦波参考信号发生器产生的正弦波信号和三角波振荡器产成的三角波信号进行比较的比较环节和连接过零检测环节、栅极驱动环节以及Vdc检测环节的控制芯片。

15、根据权利要求14所述的直流电源装置，其特征在于：所述直流电源装置还包括一过流检测环节与控制芯片连接。

16、根据权利要求14所述的直流电源装置，其特征在于：所述短路电路包括一个功率开关元件和两个二极管，功率开关元件的集电极和两个二极管的阴极连接。

17、根据权利要求15所述的直流电源装置，其特征在于：所述过流检测环节可以采取在功率开关器件上串联电阻或电流互感器来检测集电极电流的方式，也可以采取检测集电极-发射极饱和电压VCE(sat)的方式。

18、根据权利要求16所述的直流电源装置，其特征在于：所述包括直流电源装置还包括一缓冲保护电路与功率开关元件连接。

19、一种根据权利要求1-18项任一项所述的直流电源装置调节输出功率的方法，包括：

第一步：对控制芯片进行调节，设定PWM的占空比一个限制值；

第二步：当电机运转时，实际PWM信号的占空比小于限制值，此时可以将电源的工作模式设置为功率因数优先模式，以取得功率因数校正效果为优先目的来设定脉冲触发时刻Δt(或Δt 1，Δt2，Δt3……)及脉冲宽度ΔT(或ΔT1，ΔT2，ΔT3……)；

第三步：当实际PWM占空比超出预设的限制值，将电源的工作模式设置为最大输出功率优先模式，以提高直流输出端的电压值Vdc为优先目的来设置脉冲触发时刻及脉冲宽度。

20、根据权利要求19所述的直流电源装置调节输出功率的方法，其特征在于：所述直流电压值由Vdc检测环节进行检测，可配合控制芯片进行闭环调节，通过调节Vdc的值来将PWM信号的占空比降至预设的限制值以下。

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