CN101622778B - 直流电源设备 - Google Patents

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Abstract

第一和第二整流电路通过电抗器连接到商用AC电源。负载连接在第一整流电路的正侧输出端与第二整流电路的负侧输出端之间。当商用AC电源的电压保持为正电平时，电流流过由第一整流电路的二极管中的一个和第二整流电路的二极管中的一个构成的路径。当商用AC电源的电压保持为负电平时，电流也流过由第一整流电路的二极管中的一个和第二整流电路的二极管中的一个构成的路径。

Description

直流电源设备
技术领域
本发明涉及一种提高电源的功率因数的直流电源设备。 
背景技术
直流电源设备是公知的，其中整流电路通过电抗器连接到交流(AC)电源(例如，参见日本专利No.3570834)。在这种直流电源设备中，仅仅在AC电源的电压经过了过零点之后的短时间，经由电抗器形成AC电源的短路路径，从而提高电源的功率因数。 
发明内容
上面提及的整流电路具有四个桥接二极管，并且对交流电源的电压执行全波整流。在该整流电路中，电流在商用AC电源保持为正电平时同时流过两个二极管，而在商用AC电源保持为负电平时同时流过其他两个二极管。 
当电流同时地流过整流电路的二极管中的两个时，整流电路产生的热量增大。因此，整流电路需要大型散热装置。然而，如果提供大型散热装置，则直流电源设备将更大并且其成本将上升。 
本发明的目的是提供一种直流电源设备，其中可以减少整流电路产生的热量并且其由此减小用于散热的装置的尺寸或者不需要用于对来自整流电路的热量进行散热的装置。 
一种在这里公开的直流电源设备，包括： 
电抗器； 
第一整流电路，其具有一对通过电抗器连接到交流电源的输入端、多个被设置用于对施加到输入端的电压进行整流的二极管、以及一对被设置用于输出由二极管整流的电压的输出端，输出端中的一个被设置成连接到负载的一端； 
第二整流电路，其具有一对通过电抗器连接到交流电源的输入端、多个被设置用于对施加到输入端的电压进行整流的二极管、以及一对被设置用于输出由二极管整流的电压的输出端，输出端中的一个被设置成连接到负载的另一端； 
开关元件，其被设置成与电抗器、第一整流电路的二极管中的一个和第二整流电路的二极管一起构成交流电源的短路路径；以及 
控制单元，其被配置成在交流电源的电压经过了过零点之后的短时间导通开关元件，从而形成短路路径；并且 
其中负载连接在第一整流电路的正侧输出端与第二整流电路的负侧输出端之间。 
附图说明
图1是示出本发明的第一实施例的配置的框图； 
图2是示出本发明的第二实施例的配置的框图； 
图3是示出本发明的第三实施例的配置的框图； 
图4是示出本发明的第四实施例的配置的框图； 
图5是示出本发明的第五实施例的配置的框图；以及 
图6是示出本发明的第六实施例的配置的框图。 
具体实施方式
第一实施例 
将描述本发明的第一实施例。 
如图1所示，第一整流电路13的一对输入端13a和13b经由电抗器12连接到商用AC电源11。第一整流电路13具有一对输入端13a和13b，四个用于实现全波整流的桥接二极管D1、D2、D3和D4，正侧输出端13c和负侧输出端13d。第一整流电路13对输入到输入端13a和13b的交流电压进行整流并且从输出端13c和13d输出由此整流的电压。 
第二整流电路16的一对输入端16a和16b经由电抗器12连接到商用AC电源11。第二整流电路16具有一对输入端16a和16b，四个用于实 现全波整流的桥接二极管D1、D2、D3和D4，正侧输出端16c和负侧输出端16d。第二整流电路16对输入到输入端16a和16b的交流电压进行整流并且从输出端16c和16d输出由此整流的电压。 
在第一整流电路13的正侧输出端13c与第二整流电路16的负侧输出端16d之间，连接平滑电容器14和负载15。 
当商用AC电源11的交流电压保持为正电平时，通过由商用AC电源11的一端、电抗器12、第一整流电路13的一个输入端13a、第一整流电路13的二极管D1和第一整流电路13的正侧输出端13c构成的路径，电流流过平滑电容器14和负载15。在流过平滑电容器14和负载15之后，通过由第二整流电路16的负侧输出端16d、第二整流电路16的二极管D4和第二整流电路16的另一输入端16b构成的路径，电流流到商用AC电源11的另一端。 
当商用AC电源11的交流电压保持为负电平时，通过由商用AC电源11的另一端、第一整流电路13的另一输入端13b、第一整流电路13的二极管D2和第一整流电路13的正侧输出端13c构成的路径，电流流过平滑电容器14和负载15。在流过平滑电容器14和负载15之后，通过由第二整流电路16的负侧输出端16d、第二整流电路16的二极管D3、第二整流电路16的输入端16a的一端、以及电抗器12构成的路径，电流流到商用AC电源11的一端。 
开关元件连接到第二整流电路16的正侧输出端16c。例如，晶体管17的集电极连接到正侧输出端16c。晶体管17的发射极连接到第一整流电路13的负侧输出端13d。晶体管17可以是双极性晶体管、IGBT或MOSFET。被设计成驱动和控制晶体管17从而提高功率因数的控制单元20连接到商用AC电源11。 
电抗器12、第一整流电路13、平滑电容器14、第二整流电路16和控制单元20构成直流电源设备。 
仅仅在从商用AC电源11施加的交流电压经过了过零点之后的短时间，控制单元20导通晶体管17。如果晶体管17保持导通，则形成商用AC电源11的短路路径。该短电流路径包括电抗器12、第二整流电路16的二极管中的一个、晶体管17和第一整流电路13的二极管中的一个。 
也就是说，如果从商用AC电源11施加的交流电的交流电压从正电平降低到负电平并且经过过零点，则仅仅在交流电压经过了过零点之后的 短时间，导通晶体管17。当晶体管17保持导通时，短路电流流过单点虚线箭头，通过由以下构成的路径而从商用AC电源11的一端流到商用AC电源11的另一端：电抗器12、第二整流电路16的一个输入端16a、第二整流电路16的二极管D1、第二整流电路16的正侧输出端16c、晶体管17的集电极-发射极路径、第一整流电路13的负侧输出端13d、第一整流电路13的二极管D4和第一整流电路13的另一输入端13b。 
如果从商用AC电源11施加的交流电压从负电平上升到正电平并且经过过零点，则也仅仅在电压经过了过零点之后的短时间，导通晶体管17。在该情况下，当晶体管17保持导通时，短路电流通过由以下构成的路径而从商用AC电源11的另一端流到商用AC电源11的一端：第二整流电路16的另一输入端16b、第二整流电路16的二极管D2、第二整流电路16的正侧输出端16c、晶体管17的集电极-发射极路径、第一整流电路13的负侧输出端13d、第一整流电路13的二极管D3、第一整流电路13的一个输入端13a、电抗器12和商用AC电源11的一端。 
因此，仅仅在从商用AC电源11施加的交流电压经过了过零点之后的短时间，短暂形成短路路径。这提高了电源的功率因数。这里将不描述由形成短路引起的电源功率因数的提高，因为如从上面提及的出版物可以清楚，它是本技术领域的公知常识。 
如上所示，当商用AC电源11的交流电压保持为正电平时，电流仅仅流过二极管D1即第一整流电路13的四个二极管中的一个，并且仅仅流过二极管D4即第二整流电路16的四个二极管中的一个。当商用AC电源11的交流电压保持为负电平时，电流仅仅流过二极管D2即第一整流电路13的四个二极管中的一个，并且仅仅流过二极管D3即第二整流电路16的四个二极管中的一个。如果形成短路路径以提高电源功率因数，则电流流过第二整流电路16的四个二极管中的一个，并且流过第一整流电路13的四个二极管中的一个。 
由于电流仅仅流过第一整流电路13的四个二极管中的一个并且仅仅流过第二整流电路16的四个二极管中的一个，因此可以减少整流电路13和16产生的热量。因此，不需要为整流电路13和16提供大型散热装置。 
由于不需要为整流电路13和16提供大型散热装置，因此可以防止直流电源设备变得更大并且防止其成本上升。 
[第二实施例] 
将参考图2描述本发明的第二实施例。与图1所示的组件相同的组件用相同标号指定并且将不详细描述。 
如图2所示，第一整流电路13不具有与二极管D3和D4等效的元件。换句话说，第一整流电路13仅仅由两个二极管D1和D2组成。当所输入的交流电压保持为正电平时，电流从输入端13a经过二极管D1流到正侧输出端13c。当所输入的交流电压保持为负电平时，电流从另一输入端13b经过二极管D2流到正侧输出端13c。 
结果，将第二整流电路16的正侧输出端16c连接到晶体管17的集电极。因此，将晶体管17的发射极连接到第二整流电路16的负侧输出端。 
当控制单元20导通晶体管17时，为商用AC电源11形成短路路径。该短路路径由电抗器12、第二整流电路16的二极管中的一个、晶体管17和第二整流电路16的另一二极管构成。 
因此，如果商用AC电源11的交流电压从负电平上升到正电平并且经过过零点，则也仅仅在电压经过了过零点之后的短时间，导通晶体管17。当如此导通晶体管17时，如由单点虚线所示，短路电流通过由以下构成的路径从商用AC电源11的一端流到商用AC电源11的另一端：电抗器12、第二整流电路16的一个输入端16a、第二整流电路16的二极管D1、第二整流电路16的正侧输出端16c、晶体管17的发射极-集电极路径、第二整流电路16的负侧输出端16d、第二整流电路16的二极管D4和第二整流电路16的另一输入端16b。 
当商用AC电源11的交流电压从正电平降低到负电平并且经过过零点时，仅仅在电压经过了过零点之后的短时间，导通晶体管17。当晶体管17保持导通时，短路电流通过由以下构成的路径从商用AC电源11的另一端流到商用AC电源11的一端：第二整流电路16的另一输入端16b、第二整流电路16的二极管D2、第二整流电路16的正侧输出端16c、第二整流电路16的负侧输出端16d、第二整流电路16的二极管D3、第二整流电路16的一个输入端16a和电抗器12。 
因此，仅仅在商用AC电源11的交流电压经过了过零点之后的短时间，为商用AC电源11短暂形成短路路径。 
如上所述，当商用AC电源11的交流电保持为正电平时，电流仅仅流过二极管D1即第一整流电路13的两个二极管中的一个，并且仅仅流过二极管D4即第二整流电路16的四个二极管中的一个。当商用AC电源11的交流电保持为负电平时，电流仅仅流过二极管D2即第一整流电路13的两个二极管中的一个，并且仅仅流过二极管D3即第二整流电路16的四个二极管中的一个。
由于电流仅仅流过第一整流电路13的一个二极管并且电流仅仅流过第二整流电路16的一个二极管，因此可以减少整流电路13和16中的每个产生的热量。 
如果形成短路路径以增大电源的功率因数，则电流实际上同时流过第二整流电路16的四个二极管中的两个。但是，在交流电压经过了过零点之后的短时间，存在为了增大电源的功率因数而形成的该短路路径。因此在电流流过两个二极管时产生的热量很小。 
因此，在整流电路13或整流电路16上不需要提供大型散热装置。这可以防止直流电源设备变得更大并且防止其成本上升。 
[3][第三实施例] 
将描述本发明的第三实施例。 
第三实施例是第二实施例的变型。 
如图3所示，第一整流电路13如同第一实施例中一样包括四个二极管D1、D2、D3和D4。在所有其他结构方面和操作上，第三实施例与第二实施例相同。因此，将不更详细地描述第三实施例。 
[4][第四实施例] 
将参考图4描述本发明的第四实施例。与图1所示的组件相同的组件用相同标号指定并且将不详细描述。 
如图4所示，第二整流电路16没有两个二极管D1和D2。也就是说，第二整流电路16仅仅包括两个二极管D3和D4。当施加到其的交流电压保持为负电平时，二极管D3使电流从负侧输出端16d流到一个输入端16a。当施加到其的交流电压保持为正电平时，二极管D4使电流从负侧输出端16d流到另一输入端16b。 
晶体管17的集电极连接到第一整流电路13的正侧输出端13c。晶体管17的发射极连接到第一整流电路13的负侧输出端13d。 
当控制单元20导通该晶体管17时，电抗器12和第一整流电路13的二极管中的一个、晶体管17和第一整流电路13的另一二极管构成商用AC电源11的短路路径。 
也就是说，商用电源11的AC电压从负电平上升到正电平并且经过过零点，并且在交流电压经过了过零点之后的短时间，导通晶体管17。当晶体管17保持导通时，如由图4的单点虚线箭头所示，短路电流通过由以下构成的路径而从商用电源11的一端流到商用电源11的另一端：电抗器12、第一整流电路13的输入端13a、第一整流电路13的二极管D1、第一整流电路13的正侧输出端13c、晶体管17的发射极-集电极路径、第一整流电路13的负侧输出端13d、第一整流电路13的二极管D4和第一整流电路13的另一输入端13b。 
当商用AC电源11的交流电压从正电平降低到负电平并且经过过零点时，仅仅在交流电压经过了过零点之后的短时间，导通晶体管17。在该情况下，短路电流也通过由以下构成的路径从商用电源11的一端流到商用电源11的首先提及的一端：第一整流电路13的另一输入端13b、第一整流电路13的二极管D2、第一整流电路13的正侧输出端13c、晶体管17的发射极-集电极路径、第一整流电路13的负侧输出端13d、第一整流电路13的二极管D3、第一整流电路13的输入端13a和电抗器12。 
因此，仅仅在交流电压经过了过零点之后的短时间，为商用AC电源11短暂形成短路路径。这增大电源的功率因数。 
如上所述，当商用AC电源11的交流电压保持为正电平时，电流流过二极管D1即第一整流电路13的四个二极管中的一个，并且电流流过二极管D4即第二整流电路16的两个二极管中的一个。当商用AC电源11的交流电压保持为负电平时，电流流过二极管D2即第一整流电路13的四个二极管中的一个，并且电流流过二极管D3即第二整流电路16的两个二极管中的另一个。 
由于电流仅仅流过第一整流电路13的一个二极管并且电流仅仅流过第二整流电路16的一个二极管，因此可以减少每个整流电路产生的热量。 
如果形成短路路径以增大电源的功率因数，则电流实际上同时流过第二整流电路16的四个二极管中的两个。但是，在交流电压经过了过零点之后的短时间内，存在被形成用于增大电源的功率因数的该短路路径。因此在电流流过两个二极管时产生的热量很小。 
因此，不需要在整流电路13或整流电路16上提供大型散热装置。这可以防止直流电源设备变得更大并且防止其成本上升。 
[第五实施例] 
将描述本发明的第五实施例。 
第五实施例是第四实施例的变型。 
如图6所示，第二整流电路16如同第一实施例中一样包括四个二极管D1、D2、D3和D4。在所有其他结构方面和操作上，第五实施例与第四实施例相同。因此，将不更详细地描述第五实施例。 
[第六实施例] 
将描述本发明的第六实施例。 
如图6所示，由两个平滑电容器14和18组成的串行电路连接在第一整流电路13的正侧输出端13c与第二整流电路16的负侧输出端16d之间。平滑电容器14和18的连接点连接到商用AC电源11的一端。 
第一整流电路13、第二整流电路16以及平滑电容器14和18构成二倍压整流电路。 
当商用AC电源11的交流电压保持为正电平时，如由图6的实线箭头所示，电流通过由以下构成的路径从商用AC电源11的一端流到平滑电容器14：电抗器12、第一整流电路13的一个输入端13a、第一整流电路13的二极管D1和第一整流电路13的正侧输出端13c。在流过平滑电容器14之后，电流通过平滑电容器14和18的连接点流到商用AC电源11的另一端。从而，对平滑电容器14进行充电。 
当商用AC电源11的交流电压保持为负电平时，电流通过平滑电容器14和18的连接点从商用AC电源11的另一端流到平滑电容器18。在流过平滑电容器18之后，通过第二整流电路16的负侧输出端16d、第二整流电路16的二极管D3、第二整流电路16的一个输入端16a和电抗器12，电流流到商用AC电源11的一端。从而，对平滑电容器18进行充电。 
由此，交替地对平滑电容器14和18进行充电。因此，将接近两倍于商用AC电源11的电压的直流电压施加到负载15。 
在所有其他结构方面和操作上，第六实施例与第一实施例相同。因此，将不更详细地描述第六实施例。 
[工业应用] 
根据本发明的任何直流电源设备可以用于各种要求直流电压的电气设备中。 

Claims (9)

1.一种直流电源设备，其特征在于包括：
电抗器；
第一整流电路，其具有通过所述电抗器连接到交流电源的输入端、多个被设置用于对施加到所述输入端的电压进行整流的二极管、以及被设置用于输出由所述二极管整流的电压的输出端，所述输出端中的一个被设置成连接到负载的一端；
第二整流电路，其具有通过所述电抗器连接到所述交流电源的输入端、多个被设置用于对施加到所述输入端的电压进行整流的二极管、以及被设置用于输出由所述二极管整流的电压的输出端，所述输出端中的一个被设置成连接到所述负载的另一端；
开关元件，其被设置成与所述电抗器、所述第一整流电路和所述第二整流电路当中的两个二极管一起构成所述交流电源的短路路径；以及
控制单元，其被配置成在所述交流电源的电压经过了过零点之后的短时间导通所述开关元件，从而形成所述短路路径；并且
其中所述负载连接在所述第一整流电路的正侧输出端与所述第二整流电路的负侧输出端之间。
2.根据权利要求1所述的直流电源设备，其特征在于还包括平滑电容器，所述平滑电容器连接到所述第一整流电路的正侧输出端和所述第二整流电路的负侧输出端。
3.根据权利要求1所述的直流电源设备，其特征在于所述第一整流电路的所述多个二极管是彼此桥接以实现全波整流的四个二极管；所述第二整流电路的所述多个二极管是彼此桥接以实现全波整流的四个二极管；并且所述开关元件连接在所述第二整流电路的正侧输出端与所述第一整流电路的负侧输出端之间。
4.根据权利要求1所述的直流电源设备，其特征在于：所述第一整流电路的所述多个二极管是两个二极管，其中一个在所述交流电源的电压保持为正电平时使电流从所述第一整流电路的一个输入端流到所述第一整流电路的正侧输出端，并且其中另一个在所述交流电源的电压保持为负电平时使电流从所述第一整流电路的另一输入端流到所述第一整流电路的正侧输出端；所述第二整流电路的所述多个二极管是桥接以实现全波整流的四个二极管；并且所述开关元件连接于在所述第二整流电路的正负侧分别设置的输出端之间。
5.根据权利要求1所述的直流电源设备，其特征在于：所述第一整流电路的所述多个二极管是桥接以实现全波整流的四个二极管；所述第二整流电路的所述多个二极管是桥接以实现全波整流的四个二极管；并且所述开关元件连接于在所述第二整流电路的正负侧分别设置的输出端之间。
6.根据权利要求1所述的直流电源设备，其特征在于：所述第一整流电路的所述多个二极管是桥接以实现全波整流的四个二极管；所述第二整流电路的所述多个二极管是两个二极管，其中一个在所述交流电源的电压保持为正电平时使电流从所述第二整流电路的负侧输出端流到所述第二整流电路的另一输入端，并且其中另一个在所述交流电源的电压保持为负电平时使电流从所述第二整流电路的负侧输出端流到所述第二整流电路的一个输入端；并且所述开关元件连接于在所述第一整流电路的正负侧分别设置的输出端之间。
7.根据权利要求1所述的直流电源设备，其特征在于：所述第一整流电路的所述多个二极管是桥接以实现全波整流的四个二极管；所述第二整流电路的所述多个二极管是桥接以实现全波整流的四个二极管；并且所述开关元件连接于在所述第一整流电路的正负侧分别设置的输出端之间。
8.根据权利要求1所述的直流电源设备，其特征在于还包括由两个平滑电容器组成的串联电路，其连接在所述第一整流电路的正侧输出端与所述第二整流电路的负侧输出端之间，具有连接到所述交流电源的一端的连接点，并且与所述第一和第二整流电路一起形成二倍压整流电路。
9.根据权利要求8所述的直流电源设备，其特征在于：所述第一整流电路的所述多个二极管是桥接以实现全波整流的四个二极管；所述第二整流电路的所述多个二极管是桥接以实现全波整流的四个二极管；并且所述开关元件连接于在所述第二整流电路的正负侧分别设置的输出端之间。
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