專利名稱：自動補償的轉換器的制作方法
技術領域：
本發明涉及所謂“自動補償”的電子轉換器。該種轉換器由交流電網供電，能夠在輸出端送出一個幅度基本上穩定不變的高頻率信號，而在所述的電網上取出的電流基本上保持為正弦電流，并由于對預先轉換的高頻能量的適當的一部分按所謂的能量轉移(英文為“energytransfer”)方式進行恢復而和電壓同相。
現有技術已經說明了的這種裝置中性能最好的被表示在此處的附
圖1上。此圖表示出已在美國專利n°5134556中要求申請專利的最引人注意的實現方式。按照此種典型現有技術的實現方式，轉換器A的輸出端B經電隔離電容器C將高頻率的被轉換能量傳送出去，電容器C的數值選取得使它在該所述的高頻率處呈現的阻抗對包含有電感D、輸出負載E和相位調整電容器F的輸出振蕩電路的諧振頻率基本上不發生干擾。和電容器C不同，電容器F應該在此去耦的高頻率下呈現出適當的阻抗，以使在其端子間發生的交變信號的幅度達到一個選定值。此信號被加到整流橋I的非偏置的輸入端子之一上，可以在電容器H的端子間對一個低頻整流信號的包絡進行恢復。
該整流橋I的各偏置輸出端和電力網整流橋J的各個偏置輸出端作串聯連接，以使存在于電容器H的端子之間的上述低頻包絡被加到電力網的整流信號上。這可以改善取自網上的電流的功率因數。
這樣和輸出負載E中通過的電流成比例地恢復一部分被轉換的高頻能量，只能得到對取自網上的電流的功率因數的很近似的補償以及影響電網的諧波電流的比例的虛假下降。
為此，必需使用一種補充電路，在和輸出負載E中通過的電流成比例的上述信號上加上一個與該輸出負載E的各端子間存在的高頻電壓成比例的第二個整流信號。
此電路包含有電容器G，該電容器G的根據上述的高頻率所選取的阻抗許可向該整流橋I的非偏置輸入端的第二個端子送去一個適當幅度的電壓信號。
經整流之后，在電容器H的端子之間這時有一個新的低頻包絡可供使用來加到先前被恢復的電流的包絡上。
只有這三種包絡的相加才使得這樣一個裝置能滿足與取自電網的電流有關的各項規范。
一個這樣的裝置盡管有好的能量效率并且外表簡單，但有一些缺點，它們將在下面提出。
1)需要準確調節在電容器H的端子之間如此被恢復的電流和電壓的各個包絡的幅度。
2)需要使用一種補充保護裝置。該裝置應能吸收在電容器H的各端子之間特別是在轉換器A運行時可能形成的而其能量在某些情況下能引起此電容器立即損壞的瞬時過電壓。
按照本發明的裝置在緩解這些缺點的同時能夠使用很簡單的設施對取自電網的電流得到接近于1的功率因數，而影響該功率因數的總的諧波失真即所述的“THD”約為5％，這個數值遠未被按照現有技術建造的最精心設計建造的裝置達到。
附圖2說明按照本發明的該裝置的一種普通的實現方式。
此裝置包含有一個使用稱為“電容半橋式”結構的高頻自激振蕩器。該結構從由一個去耦電容器8旁路的偏置的公共端子8a和8b進行直流供電。
此橋式轉換器的有源分支包含有串聯安裝的轉換開關裝置1’和1”。
如此組成的串聯電路的各個無負載端子分別被連接到端子8a和8b。此橋式轉換器的無源分支包含有也是被串聯安裝的電容器3a和3b。
如此組成的串聯電路的各個無負載的端子分別被連接到端子8a和8b。在上述的有源分支的中點1和上述的無源分支的中點3之間連接有能接收轉換的高頻能量的輸出負載2。
在這種情況下，若一個幅度足夠大的直流電壓一加到端子8a和8b之間而一個此處未畫的控制裝置保持轉換開關裝置1’和1”的周期交替導通，則這時一個高頻去耦電流可以通過負載2并經電容器3a和3b而閉合。電容器3a和3b在上述高頻率的電抗被計算時要使在中點3和端子8a和8b之中任何一個之間所形成的交變電壓不為零，而相反有一個選定大小的幅度。
這樣在中點3和各個公共偏置端子之一之間形成的高頻交變電壓這時經直流緩沖電壓源4被加到包含有二極管5a和5b的全波整流橋的非偏置輸入端子5上。
事實上可能會這樣，即緩沖直流電壓電源4對如此產生的高頻交變電流的阻抗小得可以忽略，而存在于端子3和5之間的幅度幾乎不變的直流電壓甚至可能會很大。
被該去耦電容器6旁路的該所述的雙橋的偏置輸出電路在被適當取向之后，和電力網整流橋7的偏置輸出電路串聯連接。電網整波橋7的各非偏置輸入端子7a和7b被連接到該電力網。
從端子7a和7b加上電壓后，電力網的整流電流可以通過適當偏置的二極管5a和5b向去耦電容器8充電。
轉換開關裝置1’和1”的周期交替導通一旦建立，一個高頻交變電流便通過輸出負載2。
由于電容器3a和3b在所述高頻率的電抗而不能通過的此電流的預先確定的部分，經直流電壓緩沖直流源4向上述的雙倍橋的輸入端子5充電。
在此電流整流之后，這時在去耦電容器6的端子間又恢復得到一個低頻包絡，其幅度和通過負載2的高頻電流成比例。
此低頻包絡這時在端子7c和8b之間和整流的電力網電流的低頻包絡相加。
雖然此兩個低頻包絡的最大幅度相互之間必定有很大的相位差，至少不只是它們的幅度仍然還是同樣地相互成比例。
事實上，來自整流的電力網電流的包絡除開各種損耗外是正比于輸出負載2所吸收的轉換的能量的。另一方面，被加在端子5上的高頻交變電壓的幅度也正比于轉換能量。
因此，在整流后在電容器6的端子之間的低頻包絡的幅度也仍然正比于來自整流的電力網電流的低頻包絡。
在這種情況下，如果對應于如此恢復和整流的高頻電流的低頻包絡有一適當幅度，在電容器6的端子之間將其單獨加到對應于整流的電力網電流的信號上，將足以幾乎完全地糾正電容器8的大容抗對取自電力網的電流的線性所產生的影響。
為了從此裝置得到最佳結果，需要遵照的唯一限制僅是建立一個對上述高頻交變電流的阻抗可以忽略、而送出一個沒有低頻寄生調制的直流電壓V3的緩沖直流源4。
電壓V3的值和在中點1和公共端子8a或8b中之一之間所形成的直流電壓V2的值，以及和端子5和公共端子8b之間所形成的直流電壓V4的值有直接聯系。
此值可以利用關系式V3＝(V2-V4)計算而得到近似值。
為了確定這些想法，例如可以使去耦電容器8以直流電壓V1的370V充電。
由于V1≈2×V2，則電壓V2大致等于370V÷2，為185V。
在這種情況下，端子7c和8b之間的直流電壓V5約為160V。
由于V5≈V4×2，則在端子5和8b之間形成的直流電壓大致等于160V÷2，約為80V。
那么在緩沖直流源4的端子3和5之間應該保持的平均直流電壓將為185V-80V，約為105V。
觀察此簡單規律，有可能對按照本發明的該裝置實現完全適配，并不用補充電路而對從電網取得的電流的功率因數和諧波失真獲得幾乎完全的校正。
如此建造的本裝置可以不需要任何特別調整而對從電網取得的電流典型地獲得0.995的功率因數和7％的總諧波失真系數，而在公共端子8a和8b之間存在的電壓只受到可以忽略不計的調制系數的影響。
在公共端子8a和8b之間存在的電壓的低調制表現在通過輸出負載2的高頻電流的包絡的低調制系數和通過電容器8中的電流的很有限的幅度上。
附圖3表示本發明的一種如后將指出的不同于前例的實際應用方式。
在本發明的實現該目的的裝置的此種實現方式中，使用了一種使用電容器的半橋式轉換器。此轉換器一方面有用作有源分支的晶體管1a和1b、或所有其他的串聯安裝的能夠起轉換開關裝置作用的半導體器件，另一方面有用作無源分支的對上述高頻交變電流表現出一定電抗的串聯安裝的電容器3a和3b。
在橋的這些分支的中點1和3之間連接有被耦合到磁路9的代替上述的輸出負載2的初級9a。
適當取向并被耦合到磁路9的次級9b和9c對控制晶體管1a和1b的周期交替導通的控制。
該各所述的次級分別經限流電阻11a和11b向晶體管1a和1b的控制結送出一個能保證這些晶體管周期交替導通的、幅度和相位適當的信號。
在端子3和偏置的公共端子8a和8b之中任何一個之間所形成的恢復的高頻交變電壓經適當偏置的大容量電容器15被加到包含有適當偏置的二極管5a和5b的雙整流橋的非偏置輸入端5。
和前面一樣，所述的整流橋的各偏置的輸出端子7c和8b被該濾波電容器旁路。
如此被整流和恢復的高頻電流呈現出一種低頻包絡的形式。如前面指出的，此低頻包絡在和被整流橋7整流的電力網電流對應的包絡相加后可以對從非偏置的輸入端子7a和7b在電力網上取得的電流進行補償。
分別和晶體管1a和1b反向并聯聯接的適當偏置的二極管10a和10b能保證在中點1和偏置的公共端子9a和9b之中的任何一個之間電流的雙重循環。
在該裝置加電壓后，如此做成的轉換器的周期導通的起動通常由集中包含了電阻14a、電容器14d、抑制二極管14b和電壓閾值裝置14c的起動裝置來保證，使晶體管1b的控制電極被一適當信號激勵。
在這種情況下，被耦合到磁路9的繞組9d向連接在其端子之間的接收器12按照一種稱為“電壓轉移”的電壓轉移方式傳送轉換能量。
和接收器12并聯安裝的電容器13完成如下的功能。
首先，在構造一個磁路9使之只有一個盡可能縮小的氣隙的情況下，電容器13的功能將是限制漏電感影響如此構成的變壓器。
第二點，在有意配備一個大氣隙的磁路9的情況下，電容器13將有和次級9d的電感構成一個并聯諧振電路的功能，該并聯諧振電路的過電壓效應可以在接收器12的供電中得到利用。
在此電路接法中，代替上述的緩沖直流電壓源4的大容量電容器15的電壓的施加是從該整流橋7的偏置輸出端子8a和7c之間存在的整流的電力網電壓自動得到的。
事實上，電容器15的充電可以通過包含有晶體管1a、初級9a、可以限制充電開始時的過電流的電阻15a和能將端子3和5之間存在的電壓保持在一個對應于上述電壓V3的恒定不變值的二極管5a的串聯電路來進行。
在這種情況下，端子3和5之間存在的直流電壓將受到一種低頻波動的影響。該波動系數基本上取決于電容器15能夠連續積累的電荷。
因此盡可能地給予該電容器15一個高容量將是有好處的。
涉及當前的低功率應用，通過給予電容器15一個數十微法拉的值，端子3和5之間存在的直流電壓V3的波動系數實際上仍然是可以忽略不計的。
同時，有這樣大小的值的電容器對從端子1至端子5通過的高頻的恢復電流呈現的阻抗同樣仍然是可以忽略不計的。
大容量電容器15這時的作用如同一個幅度幾乎恒定的緩沖直流電壓源，可以使在這樣的裝置中形成的不同電位互相適配。
在這種情況下，該電容器15這時完全完成屬于上述緩沖直流電壓源4的功能。
如此按照本發明制造的該裝置可以獲得對電網上取得的電流的功率因數的很好的補償，以及極低水平的影響電網的諧波電流系數。
另外，影響公共端子8a和8b之間存在的直流電壓的低頻波動保持在一個很低的水平，這確定性地表現在加到接收器12上的高頻電流的包絡的低的波動系數以及通過電容器8中的低頻波動電流的幅度的小的偏移上。
附圖4表示實現本發明的目的的裝置的另一種實現方式。
這最后一種方式，按照較早已說明的，和前述的不同之處有后面指出的幾點。
首先，初級9a的電感和與其串聯連接的電容器16構成一個串聯振蕩電路，其諧振發生在與保持晶體管1a和1b所保證的周期性導通而發生的頻率接近的頻率。
在此裝置中，高頻轉換能量的取出是由所謂的“能量轉移”方式獲得的。
事實上，在這里向直接連接在電容器16的各端子之間的接收器12施加了此電容器的端子間形成的高頻交變電位。
這樣連接的此接收器分流出在端子1和端子3之間通過的高頻電流的一個適當部分。
按這樣的方式加到具有已知阻抗的接收器12上的轉換能量的部分這時將被限制成一個決定初級9a的阻抗和電容器16的電抗的適當值。
對影響這兩個元件的值合理地進行選擇，可以容易地獲得對此電流的幅度的準確調整。
在接收器包含有一個電介質隔離的情況下，和該所述的接收器12及電容器16并聯連接的電阻17的功能是保證電容器15的充電所必需的直流電流的通過。
在這種情況下，電阻17同樣可以被連接在端子8a和端子3之間，這使得可以像前面一樣對電容器15連續進行充電。
此電阻還可以由一個電阻17a和17b的橋來代替，該橋建立在公共端子8a和8b之間且其中點和端子3共用。
這樣，也可以得到代替緩沖直流電壓源4的電容器15的幅度基本上穩定不變的直流電壓充電。
適當偏置并和電容器15并聯連接的二極管18有可選的改善在端子3和5之間通過的高頻交變電流的傳輸的作用。
事實上，此二極管只許可電容器15通過該所述的高頻恢復電流的半個周期。
附圖5表示出實現本發明的目的的裝置的另一個實施例。
此實現方式和以往各種實施方式的不同之處在于這一事實，即一個補充電感19和電容器16作串聯安裝從而該電容器形成一個串聯振蕩電路。
在該圖上的這種情況下，初級9a的阻抗基本上不再干預所述的振蕩電路的諧振頻率，因為此初級和次級9b及9c相聯，其作用只是構成一個能保證控制晶體管1a和1b的周期交替導通的獨立變壓器。
在此種實現方式中，電容器3a和3b被單獨一個電容器3c所代替。電容器3c的固有電容量是前面兩個電容器的每一個的單獨電容量的兩倍。
這樣，在該所述的高頻率，此獨有的一個電容器的電抗仍然基本上等于另外兩個容抗的總和，這樣在實現節省一個元件的同時可以獲得完全同樣的性能。
這里如前面所指出的，電阻17可以從端子8a和7c向電壓儲存電容器15充電，同時減輕輸出接收器12可能表現出的電隔離或非線性特性所引起的問題。
電力網輸入端子7a和7b加上電壓時引起電壓儲存電容器15充電的吸入電流(courant d′appel)的限流電阻15a在這里和構成上述有源橋分支的晶體管1a和1b作串聯連接。
附圖6表示出按照本發明的該裝置的最后一個實施例。
此種實現方式和前面由附圖2表示的實現方式的不同之處在于取代緩沖直流電壓源4的電壓儲存電容器15不再被安裝在端子3和5之間，而是在端子1和3之間，和輸出負載2串聯。
在這種情況下，端子3和端子5被連接在一起。
和電容器15串聯連接的低數值電阻15a在加電壓時對此電容器的吸入電流進行限制。
被連接在端子8a和端子1之間的高值電阻17c使得可能在該所述的轉換器起動和轉換開關裝置1’導通之前保證對電容器15進行直流電壓預充電以及對漏電流引起的影響整個電容器的自動放電進行補償。
如前面所述的，在輸出負載2具有和例如負電阻或非線性電阻相對應的電隔離或不連續性特性的情況下，高值電阻17c能保證對電壓儲存電容器15進行直流充電的電路的閉合。
在這種實現方式中，和在以前的各種實現方式中一樣，對于包含在10至50瓦之間的轉換功率，可以例如給各關鍵元件賦予如下數值8 電解電容器10μF/350V15 電解電容器47μF/100V15a 電阻 0.25w/10歐姆17/17c 電阻 0.25w/470千歐姆在這些條件下，在整流橋7的偏置輸出端子8a和7c之間可使用的整流的電力網電壓對電容器15在穩定不變的直流電壓下進行充電，該穩定直流電壓在100或120Hz處的剩余波動實際上仍可忽略不計，這里考慮到了由于這樣安裝的此大容量電容器的放電電流小到可以忽略不計。
這樣，由于高數值的儲存電容器15在該整流的電力網的低頻之處只有很低的阻抗，通過該電容器的轉換的高頻交變電流實際上沒有受到100或120Hz的任何調制。
這一特性基本上將被用作一個非調制的緩沖直流電壓源的電容器15的功能和附圖1的電容器C具有的功能區分開來，電容器C在各端子間只有一個電隔離的作用，轉換的高頻電流在電容器C的兩端之間受到100或120Hz的調制，調制幅度可以等于二極管橋J的各輸出端子間可使用的整流的電力網電壓的幅度。
剛說明的這種按照本發明的該裝置幾乎能完全修正功率因數以及影響在該電力網上取得的電流的諧波失真系數。
只在電力網的整流電流的上述包絡上加上源于被轉換的高頻能量的一個給定部分的修正值的低頻包絡便可以得到此結果。這和按照現有技術的裝置不同，為了達到較低的結果，那些裝置需要加上對兩個都是從被轉換的高頻能量中提取的信號一個電流信號和一個電壓信號進行整流分別得出的不同的兩個低頻包絡。
另外，和附圖1表示的裝置不同，按照本發明的該裝置能夠在電容器8和6的各端子間抑制電容器H和K能經受住的危險的過電壓。過電壓的主要原因要在大大超過轉換電流的100或120Hz的過調制中去尋找。
按照本發明的構造簡單且不需要任何令人厭煩的調節的該裝置能夠糾正按照現有技術的裝置所具有的各個缺點。
按照本發明的該裝置能夠以低廉價格很好地使用在應能滿足與電網取得電流有關的，如電力網供電、電子變壓器、電子鎮流器、緊湊型熒光燈等各種規格的所有應用中。
如前所推論并且顯然地，本發明決不僅限于被比較詳盡地考慮過的各種應用方式和實現方式，相反，它包括所有各種變動形式。
權利要求
1.由包含有一個橋式轉換器的交流電力網供電的裝置，其橋式轉換器的有源分支包含有轉換開關裝置(1’)和(1”)，而無源分支包含有電容器(3a)和(3b)，這時此半橋向一個輸出負載(2)傳送一個幅度基本上恒定的高頻交變電流，而從電網取得的電流則由于按照對在該所述的無源分支的中點(3)和該偏置的公共端子(8a)和(8b)之間因對該所述的無源分支的電抗而形成的一部分高頻能量進行恢復的能量轉換方式，基本上仍保持為正弦電流并且和該電壓同相，這使得有可能在使用一個包含有二極管(5a)和(5b)的雙半波整流橋對此部分能量進行整流之后，在一個去耦電容器(6)的端子之間得到一個低頻包絡，此低頻包絡和在一個電力網整流橋(7)的一個偏置輸出端子(7c)和偏置公共端子之一(8a)之間存在的電力網整流電流的信號相加可以對一個去耦電容器(8)的低阻抗的影響進行補償，這表現在偏置的公共端子(8a)和(8b)之間的低的剩余波動系數上以及對從電網取得的電流的功率因數和諧波失真的幾乎完全的補償上，該裝置的特征在于一個幅度基本上恒定的直流電壓緩沖源(4)和輸出負載(2)形成一個連接在該有源分支的中點(1)和該雙倍半波整流橋(5a、5b)的一個非偏置輸入端子(5)之間的串聯電路，此電壓源(4)對于上述高頻交流電流的通過只有小得可以忽略不計的阻抗。
2.按照權利要求1的裝置，其特征在于，在構成緩沖電壓源(4)的端子的該無源分支的中點(3)和該雙倍半波整流橋(5a、5b)的一個非偏置輸入端子(5)之間形成的直流電壓的幅度(V3)近似等于在該有源分支的中點(1)和偏置的公共端子(8a、8b)中之一之間形成的電壓的幅度(V2)和在該非偏置輸入端子(5)和該各所述的偏置的公共端子中之一之間的電壓幅度(V4)之間的差，這樣可以使上述裝置所使用的各個不同電位能很好適配。
3.按照權利要求1和2的裝置，其特征在于，該直流電壓緩沖電源(4)由一個大容量的儲存電容器(15)構成，該電容器的充電從偏置公共端子之一(8a)和該電力網整流橋(7)的偏置輸出端子(7c)進行。
4.按照權利要求1、2和3的裝置，其特征在于，一個低值電阻(15a)和儲存電容器(15)的充電電路作串聯安裝，以限制此裝置在加電壓時引起的此儲存電容器的吸入電流。
5.按照權利要求1、2、3和4的裝置，其特征在于，一個高值電阻(17)或高值電阻(17a)和(17b)組成的一個電阻橋將在各偏置端子(8a)或(7c)和該儲存電容器(15)的各端子之間存在的和整流電力網對應的電位的一部分分出來，以使影響此電容器的漏電流一直得到補償，而在此電容器的各端子間存在的直流電壓仍然保持基本上恒定不變。
6.按照權利要求1、2、3、4和5的裝置，其特征在于，該儲存電容器(15)或該直流電壓緩沖電源(4)和輸出負載(2)組成一個串聯電路，被連接在有源分支的中點(1)和該無源分支的中點(3)之間。
7.按照權利要求1、2、3、4、5和6的裝置，其特征在于，構成橋的上述無源分支的各個電容器(3a)和(3b)被減少為單獨一個電容器(3c)，其固有電容量大致是前面兩個電容器的單個電容量的兩倍。
8.按照權利要求1、2、3、4、5、6和7的裝置，其特征在于，轉換開關裝置(1’)和(1”)是適于作轉換開關使用的任何類型的半導體器件。
9.按照權利要求1、2、3、4、5、6、7和8的裝置，其特征在于，負載(2)由一個變壓器的初級(9a)構成，該變壓器的次級(9b)和(9c)保證控制轉換開關裝置(1’)和(1”)的周期交替導通，而其次級(9d)保證按照電壓轉移方式將輸出接收器(12)上的高頻轉換能量排出。
10.按照權利要求9的裝置，其特征在于，連接在次級(9d)的各個端子之間的一個電容器(13)和此次級構成一個在上述高頻處諧振的并聯振蕩電路。
11.按照權利要求1、2、3、4、5、6、7和8的裝置，其特征在于，串聯安裝的初級(9a)的電感和一個電容器(16)的容抗組成一個在上述高頻率諧振的串聯振蕩電路，從此振蕩電路可以按能量轉移方式取出被加到連接在電容器(16)的端子之間的輸出接收器(12)上的被轉換能量；而通過磁路(9)耦合到初級(9a)的次級(9b)和(9c)可以保證控制轉換開關裝置(1a)和(1b)的周期交替導通。
12.按照權利要求11的裝置，其特征在于，磁路(9)和初級(9a)及次級(9b)和(9c)只構成一個適用于保證控制轉換開關裝置(1a)和(1b)周期交替導通的變壓器，一個獨立電感(19)承擔和電容器(16)一起組成在上述高頻率諧振的上述串聯振蕩電路。
13.按照權利要求3的裝置，其特征在于，適當偏置的一個二極管(18)被連接在儲存電容器(15)的端子之間。
14.按照權利要求3的裝置，其特征在于，該儲存電容器(15)是一種所謂的電解類型的電容器。
全文摘要
由一個交流電網供電的此轉換器,從電網上取得的電流的功率因數接近于1而總的諧波失真系數接近于5%,這時加到輸出負載(2)上的電流的幅度基本上仍然保持恒定。該轉換器包含有一種橋式結構,使用轉換開關裝置(1’、1”)和電容器(3a、3b)。其去耦頻率時的電抗被選取得使被轉換能量的一部分在整流之后在電容器(6)的端子之間由橋(7)被加到電力網整流電流上。緩沖電源(4)有幅度基本上恒定的直流電壓,能夠平衡產生的電位因而消除任何無法控制的過電壓造成結構破壞的危險。
文檔編號H02M1/00GK1266548SQ9880769
公開日2000年9月13日 申請日期1998年7月23日 優先權日1997年7月28日
發明者亨利·庫里埃·德米爾 申請人:H·B·工業公司, 亨利·庫里埃·德米爾