專利名稱：一種采用新穎調節(jié)變換方法的可控綠色電源的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種能對電網交流電源直接進行開關變換，從而產生被開關頻率調制的，以 電網交流電源的工頻頻率為包絡的高頻輸出電壓，屬于電源變換的技術領域。
背景技術：
目前，對電網交流電源(頻率為50Hz或者60Hz的工頻)的輸入電壓的開關變換都是對經 過整流、濾波后得到的直流電進行，即開關電源技術。要成為波形畸變小、功率因數高的綠 色電源還要進行功率因數校正，因而變換步驟較多，損耗較大，變換效率較低。
而在很多情況下，負載可以用工頻交流電壓或者以工頻頻率為包絡(是指包絡頻率為工 頻，但是包絡波形不一定為正弦波)的高頻電壓供電。此時對電網交流電源直接進行開關變 換將會使變換歩驟減少，而且還可以同時進行功率因數校正，從而使變換效率得到提高。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種能對電網交流電源直接進行開關變換，同時進行功率因數和 電網交流電源的輸入電流波形校正，從而產生被開關頻率調制的、以工頻頻率(國內頻率為
50Hz)為包絡的高頻輸出電壓(頻率一般為十幾kHz到幾百kHz)。它可以作為輸出功率可調的 以工頻頻率為包絡的高頻電源，提供給負載使用，也可以經過濾波成為與電網交流電源頻率 相同的輸出功率可調的電源供給負載使用。
本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是將電網交流電源輸入的工頻電壓用單片機
控制的斬波電子開關(電子開關可采用MOS管，晶體管或者可關斷可控硅，實施方案中用 MOS管)進行高頻雙向斬波，輸出以工頻頻率為包絡的高頻電壓或者經濾波后輸出工頻電壓。 為了調節(jié)和控制電流，線路串聯(lián)電感，還接有給電感續(xù)流的續(xù)流回路，續(xù)流回路也由電子開 關構成(實施方案中采用MOS管)。為了校正功率因數，用取樣電阻對線路電流進行取樣、 絕對值放大后，與用單片機經DA變換器輸出的與電網交流電源的輸入電壓絕對值同相的正 弦絕對值電壓進行比較，比較結果輸入單片機，由單片機根據比較結果控制斬波電子開關的 導通時間，使電網交流電源的輸入電流成為與電網交流電源的輸入電壓同相的正弦波。調節(jié) 取樣電阻的大小或DA變換器輸出的正弦絕對值電壓的幅度大小可調節(jié)輸出功率。為了進行 雙向控制，對電網交流電源的輸入電壓用比較器進行正負比較取樣，測定方向，輸入到單片 機，決定斬波電子開關的通斷時序。
作為本發(fā)明的第一種應用，本發(fā)明給出一個用濾波后輸出的工頻電壓供電的高壓鈉燈電 子鎮(zhèn)流器電路，供電電壓是以工頻頻率為包絡的高頻電壓經電容濾波后的工頻電壓，能避免 使用常規(guī)高頻電子鎮(zhèn)流器會產生的引起鈉燈燈泡和電路損壞的2kHz — 100kHz的燈振。
作為本發(fā)明的第二種應用，本發(fā)明還給出一個以工頻頻率為包絡的高頻電壓供電、利用 電感鐵芯渦流加熱的可以用于電磁感應熱水器和電磁灶的電路，它的電感線圈鐵芯使用高損 耗材料，以產生渦流發(fā)熱。
本發(fā)明的有益效果是它對電網交流電源直接進行雙向斬波，輸出以工頻頻率為包絡的 高頻輸出電壓，開關變換步驟少，損耗少，效率高。并且可以根據負載需要形成兩種不同形
式的供電方式可輸出功率可調的以工頻頻率為包絡的高頻電壓，提供給負載使用；也可以 經過濾波成為和電網交流電源頻率相同的輸出功率可調的工頻電源供給負載使用。這在很多 情況下是非常有利的，例如高壓鈉燈常規(guī)高頻電子鎮(zhèn)流器存在一種可能會損壞鈉燈燈泡和電 路的2kHz — 100kHz的燈振，而采用本發(fā)明的輸出功率可調的工頻電源供電可以避免這種現象。 因為兩種輸出方式都可控制電網交流電源的輸入電流波形為正弦波且與電網交流電源的輸入 電壓同相，因而功率因數高，波形畸變少，是一種綠色電源。
圖l為電網交流電源的電壓波形區(qū)域定義圖。
圖1中的4個名詞的定義如下①電網交流電源電壓正弦曲線為正的部分稱為正區(qū)；②正 弦曲線為負的部分稱為負區(qū)；③正弦曲線自負到正時與零的交點稱為正起始點；④正弦曲線 自正到負時與零的交點稱為負起始點。
圖2a為本發(fā)明的實施方案的原理圖。
圖2b為正區(qū)斬波過程電流流向圖。
圖2c為負區(qū)斬波過程電流流向圖。
圖2d為圖2a的一種變化形式的電路圖。
圖3為系統(tǒng)運行流程圖。
圖4a為高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器電路圖。
圖4b為高壓鈉燈啟輝器電路圖。
圖5a為電熱水器和電磁灶供電電路圖。
圖5b為電熱水器的電感線圈結構示意圖。
圖5c為電磁灶的電感線圏結構示意圖。
圖5d為電熱水器和電磁灶的電感線圈的等效電路圖。
具體實施方案
下面結合附圖對實施方案作出說明。
圖2a中電感22和電容32是電網交流電源的輸入濾波電路，使電網交流電源的輸入電流為 工頻正弦波，防止電路對電網造成影響。
電感線圈21用來進行限流和對負載續(xù)流，41表示負載，電容31為濾波電容，能將負載41 兩端的以工頻頻率為包絡的高頻電壓濾波成工頻電壓(50Hz)對負載41進行供電。
MOS管ll、 M0S管12用來進行斬波，產生高頻電壓，圖中與ll、 12并聯(lián)的二極管為M0S管的 內部二極管。
M0S管13、 M0S管14用來對電感21進行續(xù)流，圖中與13、 14并聯(lián)的二極管為M0S管的內部二 極管。
Gl、 G2、 G3、 G4分別為M0S管11、 M0S管12、 M0S管13、 M0S管14的控制端，用來控制MOS 管ll、 12、 13、 14的通斷，實現斬波和續(xù)流。
42為電流采樣電阻，其上的電流產生的壓降輸入到絕對值放大器62。
62為絕對值放大器，用來對采樣電阻42采樣得到的雙極性電壓進行絕對值放大，放大后 輸出正極性電壓，便于和DA轉換器65的單方向電壓比較。
63為單片機。
65為DA轉換器，用來將單片機63的D端輸出的數字信號轉換為模擬信號，單片機63的D端 輸出為按正弦絕對值規(guī)律變化的與電網交流電源的輸入電壓絕對值同相的幅度可調的數字信 號，經DA轉換后，成為幅度可調的正弦絕對值波形電壓。
64為比較器，用來比較絕對值放大器62的輸出A點的電壓和DA轉換器65的輸出電壓。
43為限流電阻。
61為比較器，對電網電源兩端進行采樣，其輸出B點的電平高低可用來判斷電網電源輸入 波形的正區(qū)和負區(qū)(正區(qū)、負區(qū)的定義見圖l)。
51、 52為二極管，用來鉗位，防止比較器61的輸入過壓。 71為驅動電路，用來驅動MOS管ll、 12、 13、 14的柵極G1、 G2、 G3、 G4。
系統(tǒng)運行的流程圖如圖3所示。
開機后，單片機63進行初始化，同時單片機63通過驅動電路71將MOS管11、 M0S管12、 MOS 管13、 M0S管14全部關閉，并等待電網交流電源的電壓過正起始點后進入正區(qū)。
當單片機63檢測到B點由低電平變?yōu)楦唠娖綍r，表示電網交流電源的電壓進入正區(qū)，這時 候，通過單片機63的控制，驅動電路71把M0S管12、 M0S管14開通，把M0S管13關閉。程序開始 正區(qū)斬波過程-
把M0S管11開通，這時電網交流電源的電壓為正，主回路中的電流方向如圖2b的I所示， 由于電感21串聯(lián)在回路中，電流I隨著時間增大，I在電流取樣電阻42上產生壓降，進入絕對 值放大器62放大后送入比較器64的正端，與比較器64負端的電壓比較，比較器64負端的電壓 是單片機63通過DA轉換器65輸出的正弦絕對值波形的電壓，該電壓的波形與電網交流電源的 正弦電壓取絕對值后波形、頻率相同，且相位相同，幅度可以根據負載要求的輸出功率由單 片機63設定。當比較器64的正端電壓大于負端時，比較器64的輸出端C為高電平，單片機63 檢測到C為高電平后通過驅動電路71控制M0S管11關斷，這時I變?yōu)镺，比較器64的輸出端C的電 平由高變低，電感21的電流經電容31和負載41的并聯(lián)電路、M0S管13的內部二極管、M0S管14 組成的回路續(xù)流，此電流即為圖2b中的I1， Il逐漸減小。經單片機63延時一段時間后，由單 片機63和DA轉換器65按照正弦絕對值規(guī)律輸出新的數值到比較器64的負輸入端，并重新開通 MOS管ll。這時電流重新由I1切換回I，且I開始增大。這時電流取樣電阻42上的壓降又開始增 大，通過絕對值放大器62進入比較器64的正端，與比較器64負端的正弦絕對值電壓進行比較， 當正端電壓大于負端時，比較器64的輸出端C變?yōu)楦唠娖剑ㄟ^單片機63和驅動電路71控制M0S 管11關斷，并延時一段時間。
重
復此過程，直到電網交流電源的電壓過負起始點進入負區(qū)。
當單片機63檢測到B點的電平由高變低時，表示電網交流電源的電壓過負起始點進入負 區(qū)，這時候，單片機63通過驅動電路71把M0S管11、 M0S管13開通，把M0S管14關斷，開始負區(qū) 斬波過程
把M0S管12開通，這時電網交流電源的電壓為負，主回路中的電流方向如圖2c中的I所示， I逐漸增大，在電流取樣電阻42上產生壓降，進入絕對值放大器62，放大后送入比較器64的正 端，與比較器64的負端電壓比較，比較器64負端的電壓是通過DA轉換器65輸出的正弦絕對值 波形電壓。當比較器64的正端電壓大于負端時，比較器64的輸出端C為高電平，單片機63檢測 到C為高電平后通過驅動電路71控制M0S管12關斷，這時I變?yōu)镺,比較器64的輸出端C的電平由 高變低，電感21的電流經M0S管14的內部二極管、M0S管13、電容31和負載41的并聯(lián)電路組成 的回路續(xù)流，此電流即為圖2c中的I1， Il逐漸減小。經單片機63延時一段時間后，由單片機 63和DA轉換器65按照正弦絕對值規(guī)律輸出新的數值到比較器64的負輸入端，并重新開通MOS 管12。這時電流重新由I1切換回I，且I開始增大。這時電流取樣電阻42上的壓降又開始增大， 通過絕對值放大器62進入比較器64的正端，與比較器64負端的正弦絕對值電壓進行比較，當 正端電壓大于負端時，比較器64的輸出端C變?yōu)楦唠娖?，通過單片機63和驅動電路71控制M0S 管12關斷，并延時一段時間。
重復此過程，直到電網交流電源的電壓過正起始點進入正區(qū)。
當電網交流電源的電壓過正起始點重新進入正區(qū)，B點電平由低變高時，通過單片機63 和驅動電路71把M0S管12、 M0S管14開通，把M0S管13關閉，重新開始進入正區(qū)斬波過程。
圖2d給出了圖2a的一種變化形式，在正區(qū)斬波過程中，當M0S管11關斷時電感線圈21的電 流由電容31負載41的并聯(lián)電路、二極管55、 M0S管14組成的回路續(xù)流，在負區(qū)斬波過程中，當 M0S管12關斷時電感線圈21的電流由電容31負載41的并聯(lián)電路、二極管54、 M0S管13組成的回 路續(xù)流。系統(tǒng)的運行其他過程與圖2a所示電路的相應過程一致，MOS管ll、 12、 13、 14的通斷 時序也與圖2a所示的電路一致。
電路的輸出功率大小可以通過改變電流取樣電阻42的阻值來調節(jié)，也可以通過控制DA轉
換器65輸出的正弦絕對值電壓的幅度調節(jié)。
M0S管11、12、 13、14也可以采用晶體管或可關斷可控硅(沒有內部二極管的要加二極管)。 在圖2a中標出了各點的波形圖。電網交流電源的輸入電流經電感22和電容32組成的電路
平滑成為工頻正弦波。由于電網交流電源的輸入電壓和輸入電流相位是相同的，因此電路是
電阻性的，表示功率因數已經得到校正。
作為本發(fā)明應用的一個實例，圖4a給出了一個能為高壓鈉燈供電的電子鎮(zhèn)流器電路，與 圖2a相比，負載41替換為高壓鈉燈411和啟輝器412。系統(tǒng)工作時，先要運行高壓鈉燈啟輝程 序，使高壓鈉燈411啟輝，然后再進入正常的斬波供電過程。
啟輝器412的電路如圖4b所示，圖中，二極管53用來整流，電阻46用來限流，電容34用來 儲能，電容34上的最大電壓約為300V，單片機63通過驅動電路72輸出大約30微秒的脈沖到G5 開通M0S管15，使變壓器23工作，變壓器23的匝數比為1:10，因此能在次級產生大小為電網交 流電源電壓10倍的脈沖電壓，使高壓鈉燈411啟輝。
啟輝后，高壓鈉燈411作為負載，由電路供電，工作原理與圖2a相同。由于供電電壓是經 過電容31濾波后的電壓，這種情況下，供電電壓頻率為工頻(50Hz)，所以不會產生可能造成 鈉燈燈泡和鎮(zhèn)流器電路損壞的燈振現象。
作為本發(fā)明應用的另一個實例，圖5a給出了一個能為電磁感應熱水器和電磁灶供電的電 路，與圖2a比較，負載41和電容31被去掉并用導線短接，用來續(xù)流的M0S管13、 14替換為用來 吸收電路尖峰的電容33和電阻44組成的吸收回路。電磁感應熱水器的加熱部分即電感線圈21， 這時電感線圈21的鐵芯81由渦流損耗大的材料做成管狀，如圖5b所示，渦流使鐵芯81發(fā)熱， 從而對流過管狀鐵芯81的水加熱。電磁灶加熱部分的電感線圈21的結構如圖5c所示，磁路由 鐵芯82和鐵鍋83組成，它也是利用渦流使組成磁路一部分的鐵鍋83發(fā)熱(而鐵芯82為低損耗 材料，不會產生大的渦流)。對于電磁感應熱水器或者電磁灶，因為鐵芯81或者鐵鍋83是由渦 流損耗大的材料做成，所以線圈21都可以由圖5d所示的等效變壓器和等效電阻組成的電路表 示，圖5d中El、 E2表示等效變壓器的初級端，45表示電感線圈21的高損耗鐵芯(鐵鍋也是線 圈的高損耗鐵芯)的渦流損耗的等效電阻。圖5a的工作過程與圖2a相似，當電感線圈21被電 子開關ll、 12接通時，高損耗鐵芯的磁通隨著電流增加；當電感線圈21被斷開時，由于沒有 續(xù)流回路，電流立刻為0，電感線圈21的磁通經過等效電阻45的放電，也迅速減小到0。電感 線圈21反復的接通斷開，使高損耗鐵芯的磁通反復增加減小，從而使鐵芯產生渦流，引起鐵 芯發(fā)熱，使電磁感應熱水器或者電磁灶工作。
權利要求
1.一種新穎的綠色電源調節(jié)變換方法，其特征在于對電網交流電源直接進行雙向斬波，輸出以電網交流電源頻率為包絡的高頻輸出電壓；它可以直接供給負載使用，也可以經過濾波成為與電網交流電源頻率相同的電源供給負載使用；采用控制電網交流電源的輸入電流波形為正弦波且與電網交流電源的輸入電壓同相的方法校正功率因數；采用控制電流幅度大小調節(jié)功率。
2. —種采用新穎調節(jié)變換方法的可控綠色電源，其特征在于由比較器(61)對電網交 流電源兩端電壓進行采樣，比較器(61)的輸出點的電平高低可用來判斷電網交流電源的輸 入電壓的正負，單片機(63)根據比較器(61)的輸出點的電平高或低，進行兩種不同的控 制，實現對電網交流電源的雙向斬波；由電感線圈(21)、電子開關(11、 12)、電容(31) 和負載(41)構成供電回路；由電感線圈(21)、電子開關(13、 14)、電容(31)和負載(41) 構成續(xù)流回路；由電阻(42)對電網交流電源的輸入電流進行采樣，形成采樣電壓；由絕對 值放大器(62)對采樣電壓進行絕對值放大；由單片機(63)和DA轉換器(65)產生幅度可 調的與電網交流電源的輸入電壓絕對值同相的正弦絕對值電壓；由比較器(64)把絕對值放 大器(62)輸出的電壓和DA轉換器(65)輸出的幅度可調的正弦絕對值電壓進行比較，并由 單片機(63)根據比較結果來控制電子開關(11、 12)的通斷時間，即控制供電回路的通斷 時間，來控制輸出電流的大小，并使電網交流電源的輸入電流為正弦波且與電網交流電源的 輸入電壓同相，從而使電路在不同負載下有很高的功率因數和優(yōu)良的電流波形。
3. —種如權利要求2所述的采用新穎調節(jié)變換方法的可控綠色電源電路的變化形式，其 特征在于正區(qū)續(xù)流采用MOS管(14)與二極管(55)串聯(lián)的方式，負區(qū)續(xù)流采用MOS管(13)與二極管(54)串聯(lián)的方式。
4. 一種如權利要求1、 2、 3所述的釆用新穎調節(jié)變換方法的可控綠色電源，其特征在于 電子開關(11， 12)導通時或電子開關(11、 12)關斷而電子開關(13、 14)導通續(xù)流時， 電流都流過負載(41)，電流是連續(xù)的。
5. —種如權利要求1、 2、 3所述的采用新穎調節(jié)變換方法的可控綠色電源，其特征在于 對電網交流電源直接進行雙向斬波，變換級數少，在調節(jié)功率的同時能實現功率因數校正和 輸入電流波形的校正。
6. 采用權利要求1所述變換方法的以工頻頻率為包絡的高頻電壓經過濾波的工頻電源給 高壓鈉燈供電的電子鎮(zhèn)流器電路，其特征在于采用經過電容(31)濾波、與電網交流電源 頻率相同的輸出功率可調的電壓供電，能避免產生會引起鈉燈燈泡和電路損壞的2kHz — 100kHz的燈振。
7. 采用權利要求1所述變換方法的以工頻頻率為包絡的高頻電源給熱水器和電磁灶供電 的電路，其特征在于采用以工頻頻率為包絡的高頻電壓供電，使用帶有高損耗鐵芯的電感 線圈(21)來產生渦流發(fā)熱；使用吸收回路(33、 44)來吸收電路尖峰。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種新穎的電源調節(jié)變換方法和采用該方法的電路。該方法直接對電網交流電源進行雙向斬波，輸出以電網交流電源的工頻頻率為包絡的輸出功率可調的高頻電壓供給負載使用，還可以經過濾波成為與電網交流電源頻率相同的輸出功率可調的電源供給負載使用。電路有功率因數校正和波形校正。電路變換步驟少，損耗少，效率高。
文檔編號H02M5/293GK101197543SQ200710195680
公開日2008年6月11日 申請日期2007年12月6日 優(yōu)先權日2007年12月6日
發(fā)明者丁鵬坤 申請人:丁鵬坤