CN1168748A - 电源整流电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于电源设备尤其是开关模式电源设备的电源整流电路，该电路具有一个连接至电源电压的全波整流器(D1...D4)，和连接至所述全波整流器的下游的充电电容器(CL)，其中，该充电电容器通过一升压电感(LB)和一二极管(DS)的该串接充电，其中升压电感和二极管间的接点通过受控开关(SB)连接到底座(frame)受控开关具有明显高于电源频率的时钟频率；充电电容器(CL)以及负载电阻(SNT)均接至全波整流器(D1...D4)；通过辅助整流器(D1′、D2′)升压电感和二极管的串接连接到充电电容器，而该开关由控制电路(AB)控制，以在整流半周的过零点时间范围内向充电电容器通过升压电感提供附加的充电电流。

Description

电源整流电路
本发明涉及一种用于电源设备尤其是用于开关模式(switched-mode)电源的电源整流电路，该电路具有一个连接至电源电压的全波整流器，并具有一个连接至所述全波整流器的下游(down-stream)的平滑电容器，此平滑电容器通过由一个升压电感和一个二极管组成的串联电路，以明显高于电源频率的时钟频率充电，在这种串联电路情况下，升压电感和二极管之间的连接点通过一个受控开关接地。
电源设备尤其是用于连接至AC电源的开关模式电源，在最简单情况下是具有一个整流器，此整流器的下游连接一个电解电容器。电容器的充电电流分布在电源上引起严重的谐波，并且使所述电源承受高的视在功率。由于这些原因，在最近的20年内，电源设备的大量使用已经在电源网(grids)中导致严重的问题。
对这些问题的简要说明以及为达到平衡的电源负载而提出的各种解决建议可在以下文章中找到：“用于在电源***中限制谐波失真的标准和电源设计方案的比较”，Key和Lai发表于“电气与电子工程师协会(IEEE)工业应用学报”第20卷，第4期，1993年7/8月，第688-695页。其中描述的并且还被实际应用的电路之一对应于权利要求的前序部分，并且具有一个所谓的“升压变换器”。借助于一个复杂的控制器，采用所述的升压变换器，甚至可以实现实质上正弦的输入电流分布。但是，正如在这篇文章中所指出的，由附加元器件导致的较高的成本和较差的可靠性妨碍了广泛推向市场。
本发明的目的是要提供一种简单且具有高的成本效益的解决方案，它使得谐波含量显著降低并且使得功率因数提高。
这个目的是通过本文开始时提及的类型的电路实现的，根据本发明，其中平滑电容器和负载连接至全波整流器，设有一个辅助整流器，由升压电感和二极管组成的串联电路从该辅助整流器连接至平滑电容器，并且开关是通过一个驱动电路控制的，以便在整流的半周的过零点附近的时间期限内，通过升压电感向平滑电容器提供附加充电电流。
尽管在带有一个平滑电容器的纯整流电路情况下，电流峰值仅仅产生在整流的半周的峰值的区域，但是在正常负载情况下，由于本发明采用简单的装置，部分充电电流偏移，特别是偏移至在另外情况下没有电流流动的过零点附近的区域。在这种情况下，附加元器件的成本绝对会维持在限度之内。实现了输入电流中谐波含量的降低以及效率和功率因数的提高。
如果将一个辅助电容器直接连接至辅助整流器的下游，将是有益的。受控开关的时钟频率适当地处于kHZ范围内。
辅助整流器最好是由两个二极管组成的，它们相对于全波整流器连接成一个半桥(half-bridge)。
这个目的还可以通过一种用于电源设备尤其是用于开关模式电源的电源整流电路实现，该电路具有一个连接至电源电压的全波整流器，并具有一个平滑电容器，此平滑电容器通过由一个升压电感和一个二极管组成的串联电路，以明显高于电源频率的时钟频率充电，在这种串联电路情况下，升压电感和二极管之间的连接点通过第一受控开关接地，充电电压选择为高于电源电压的峰值，根据本发明，在这种情况下，负载连接至全波整流器，设有一个辅助整流器，由升压电感和二极管组成的串联电路从此辅助整流器连接至平滑电容器，第一开关是通过一个驱动电路控制的，以便在整流的半周的过零点附近的时间期限内，通过升压电感向平滑电容器提供充电电流，并且设有第二受控开关，负载通过此第二受控开关连接至平滑电容器，第二受控开关是通过第二驱动电路控制的，以便它在整流的半周的过零点附近的时间期限内，以两倍于电源频率的速率周期性地闭合。采用与电源同步脉动的第二开关使得在降低谐波含量情况下进一步改善了输入电流分布。
下文将参照两个示范性实施例，对本发明及其它优点进行详细阐述，实施例在附图中示出，其中：
图1以简要电路图示出本发明的第一实施例；
图2采用两幅图分别示出在图1的电路结构情况下输出电压和输入电流随时间的分布；
图3以简要电路图示出本发明的第二实施例；
图4采用三幅图分别示出在图3的电路结构情况下对于两种负载的输出电压和输入电流随时间的分布。
图1示出一种电源整流电路，它用于开关模式电源SNT，SNT仅在这里示出并且在下文中还被称为“负载”。全波整流器D1...D4连接至电源电压UE，并且它由四个二极管D1、D2、D3和D4组成，这四个二极管布置成一个桥式整流电路。负载或者开关模式电源SNT以及平滑电容器CL，可能通过一个滤波器或者滤波元件，直接连接至全波整流器D1...D4的输出。还设有一个辅助整流器，它包括两个附加二极管D1′、D2′和二极管D3、D4。这个辅助整流器的输出通过由升压电感LB和二极管DS组成的串联电路连接至平滑电容器CL，二极管DS是正向布置的。还有一个辅助电容器CH直接连接至辅助整流器D1′、D2′的下游(down-stream)。
升压电感LB和二极管DS之间的连接点通过一个受控开关SB接地。这个开关SB是通过一个驱动电路AB控制的，以便平滑电容器CL在整流的半周的过零点附近的时间期限内，以比电源频率高得多的时钟频率被另外充电，充电电压选择为高于电源电压的峰值。
开关SB可以设计成例如采用一个场效应晶体管，并且它是以kHZ范围的频率，典型情况是以处于20kHZ和100kHZ之间的频率脉动的，但不是象正常情况那样在整个半周内而是仅仅在过零点附近的预选时间内脉动的。因此，串联电感(在这种情况下为升压电感LB)的额定功率以及晶体管开关SB的额定功率，还有整个电路的功率损失，均降低了。与带有平滑电容器的简单桥式整流电路相比，输入电流IE的谐波含量可以大为降低，因为电流现在还在电压最大值以外的范围产生，所以电压最大值区域的电流峰值可以相应地减小。
图2a示出在特定负载情况下输出电压UA的分布，其中整流的半周是以虚线示出的。相关的输入电流可从图2b中看到。图中可以看到电压最大值区域的电流脉冲(充电电流通过整流器D1...D4)以及电压最小值附近的三角形电流脉冲，这种电流脉冲是由升压电路的效应引起的。
如果为了进一步提高电源负载而准备接受稍多的成本，可以采用根据图3的电路，此电路另外设有一个第二开关，此开关是与电源同步脉动的。
按照与图1相同的方式，负载或者开关模式电源SNT，可能通过一个滤波器或者滤波元件，直接连接至全波整流器D1...D4的输出。辅助整流器D1′、D2′(D3、D4)的输出通过由升压电感LB和二极管DS组成的串联电路连接至平滑电容器CL。也还有一个辅助电容器CH直接连接至辅助整流器D1′、D2′的下游。升压电感LB和二极管DS之间的连接点通过第一受控开关SB接地。这个第一开关SB是通过第一驱动电路AB控制的，以便平滑电容器CL在整流的半周的过零点附近的时间期限内，以比电源频率高得多的时钟频率被充电，充电电压选择为高于电源电压的峰值。
平滑电容器CL通过第二受控开关ST连接至负载SNT，此第二受控开关ST是通过第二驱动电路AT控制的，以便它在整流的半周的过零点附近的时间期限内以两倍于电源频率的速率周期性闭合。升压电路LB-SB-DS的工作方式已结合图1作了说明。
在整流的半周的过零点附近，在一个选择的半周期的子周期(sub-period)内，平滑电容器CL借助于第二受控开关ST向负载SNT放电，于是开关ST以两倍于电源频率的速率周期性地闭合和打开，例如在电压过零点的+/-45°范围内，也就是说，现在部分电流另外产生于正常整流电路的峰值前后。
以两倍于电源频率的速率脉动的开关ST起到展宽电压最大值区域的电流脉冲的作用。整体上讲，正如可从图4中看到的，在整个周期内实现了电流的良好分布。图4a示出输出电压的分布，其中可以清楚地看到在过零点区域中由升压变换器LB、SB、DS和CL(升压变换器)在CL上引起的电压上冲(overshoot)。图4a和4b涉及具有“100％额定负载”的工作情况，并且从图4b中可以看到，除了过零点外，输入电流总是流动的。图4c涉及仅有25％的额定负载的情况。在这种情况下，具有多个其间没有输入电流流动的时间间隔，但电流总量是较低的。
因此，根据图3的电路在低谐波含量和功率因数方面有了进一步的改进，而且没有造成任何显著的附加成本。受控开关SB和ST各自仅需承受部分总开关功率，因为经过负载的电流的部分还直接通过整流桥。因此，总体上讲，可以为功率半导体(power semiconductor)选择更高成本效益的电路类型。

Claims (5)

1.用于电源设备尤其是用于开关模式电源的电源整流电路，该电路具有一个连接至电源电压的全波整流器(D1...D4)，并具有一个连接至所述全波整流器(D1...D4)的下游的平滑电容器(CL)，此平滑电容器通过由一个升压电感(LB)和一个二极管(DS)组成的串联电路，以明显高于电源频率的时钟频率充电，在这种串联电路情况下，升压电感和二极管之间的连接点通过一个受控开关(SB)接地，其特征在于：
a)平滑电容器(CL)和负载(SNT)连接至全波整流器(D1...D4)，
b)设有一个辅助整流器(D1′、D2′)，由升压电感和二极管组成的串联电路从此辅助整流器连接至平滑电容器，和
c)开关是通过一个驱动电路(AB)控制的，以便在整流的半周的过零点附近的时间期限内，通过升压电感向平滑电容器提供附加充电电流。
2.根据权利要求1的电源整流电路，其特征在于：
一个辅助电容器(CH)直接连接至辅助整流器(D1′、D2′)的下游。
3.根据权利要求1或2的电源整流电路，其特征在于：
受控开关(SB)的时钟频率处于kHZ范围内。
4.根据权利要求1-3中的一项的电源整流电路，其特征在于：
辅助整流器是由两个二极管(D1′、D2′)组成的，它们相对于全波整流器(D1...D4)连接成一个半桥。
5.用于电源设备尤其是开关模式电源的电源整流电路，该电路具有一个连接至电源电压的全波整流器(D1...D4)，并具有一个平滑电容器(CL)，此平滑电容器通过由一个升压电感(LB)和一个二极管(DS)组成的串联电路，以明显高于电源频率的时钟频率充电，在这种串联电路情况下，升压电感和二极管之间的连接点通过第一受控开关(SB)接地，充电电压选择为高于电源电压的峰值，其特征在于：
a)将负载(SNT)连接至全波整流器(D1...D4)，
b)设有一个辅助整流器(D1′、D2′)，由升压电感(LB)和二极管组成的串联电路从此辅助整流器连接至平滑电容器，和
c)第一开关(SB)是通过一个驱动电路(AB)控制的，以便在整流的半周的过零点附近的时间期限内，通过升压电感向平滑电容器(CL)提供充电电流，并且以使提供第二受控开关(ST)，负载(SNT)通过此第二受控开关连接至平滑电容器(CL)，第二受控开关是通过第二驱动电路(AT)控制的，以便它在整流的半周的过零点附近的时间期限内，以两倍于电源频率的速率周期性地闭合。
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