專利名稱：電容變流整流和可控整流電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力電子科學(xué)電源基礎(chǔ)電路。
本發(fā)明人發(fā)明的橋全可控整流電路(專利號CN87105504.X)和橋半(全)整流電路(專利公開號CN1045007A)、它們是有電源變壓器新的整流電路，對提高現(xiàn)有帶變壓器整流電路的功率因數(shù)和控制精度，減少變壓器損耗，減少諧波，增大低電壓輸出電流和功率都起了很好的作用。本發(fā)明是要利用電容充電儲能和放電放能的特性來提高現(xiàn)有無變壓器升壓電路和降壓電路的輸出功率，輸出直流電流和功率因數(shù)。
無變壓器整流電路(包括可控整流電路)按照輸出最高直流電壓的高低分為低于電源電壓的降壓整流電路，等于電源電壓的直接電源整流電路，高于電源電壓的升壓整流電路三種類型?，F(xiàn)今用交流電容降壓的整流電路，其內(nèi)阻很高，功率因數(shù)低，其輸出直流電流不可能隨輸出電壓的降低而成倍地增大，這是由于它們的直流輸出電路是和交流輸入電路相串聯(lián)的，現(xiàn)有可控整流電路，也不可能使電流增加。是否存在有輸出電壓降低幾倍，輸出電流能增加幾倍的降壓倍流整流電路呢？這是電力電子科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)需要研究的極其重大的基礎(chǔ)應(yīng)用理論研究課題之一?，F(xiàn)今的電容倍壓升壓整流電路只有半波倍壓和全波倍壓兩種類型，它們在多次倍壓時(shí)內(nèi)阻大，即使在輸出電壓接近電源電壓時(shí)，最大輸出電流還要受到倍壓電容容量所限制，是否存在著允許輸出電流較大，內(nèi)阻較低的其它電容升壓倍壓整流電路？是否存在有橋式電容倍壓整流電路？這也是電源整流電路另一個(gè)重要的研究課題之一。
本發(fā)明的目的是要發(fā)明電容降壓倍流整流電路和橋式電容升壓倍壓整流電路。前者利用電源正或負(fù)半周先對多個(gè)電容進(jìn)行串聯(lián)充電，充電之后再在另一半周將電源隔離，同時(shí)使所有充好電的電容在同一時(shí)間對輸出兩個(gè)直流端并聯(lián)放電而獲得降壓倍流的直流電，后者利用電源的正和負(fù)半周分別對兩個(gè)電容充電，再利用電源電壓和電容上電壓相疊加的方法而獲得橋式升壓倍壓直流電。
本農(nóng)明提供一種獲得低于電源電壓的電容降壓倍流整流和可控整流電路的工作方法，其方法的特征在于使用幾個(gè)電容，它們各自通過整流和可控器件相串聯(lián)充電，每個(gè)電容上獲得電源電壓的 1/(n) ，在充電結(jié)束后，電源進(jìn)入另一半個(gè)周或低于所要求輸出的電壓后，觸發(fā)或控制可控器件開通，使已充好電的全部電容都通過可控器件和各自的整流器件放電回路同時(shí)向輸出兩端放電，從而輸出兩端就可得到 1/(n) 的電源充電電壓和n倍電源充電電流值。這種通過整流和可控整流器件使電容串聯(lián)充電并聯(lián)放電提供輸出電壓和電流的方法，可以使用廉價(jià)的電解電容，能夠達(dá)到將電源整流電壓降低n倍，而使輸出電流增加n倍的目的，能夠起到有電源變壓器整流電路相同的作用，它大大提高了現(xiàn)有降壓整流電路的輸出電流和功率因數(shù)，減少損耗，有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
本發(fā)明提供一種橋式電容升壓倍壓整流電路，使用方法特征在于提供輸出電壓等于電源電壓部分由電源直接整流提供，在高于電源電壓部分由偶數(shù)個(gè)電容倍壓提供，這種倍壓電路，其電路結(jié)構(gòu)類似于整流橋，有較低內(nèi)阻，較大輸出電流和功率，它在接近電源電壓輸出時(shí)，輸出電流不會受倍壓電容容量的限制，可由電源直接整流輸出強(qiáng)大的電流和功率，因此它是現(xiàn)有倍壓整流電路和電源直接整流電路兩者創(chuàng)造性相結(jié)合在一起的結(jié)果。
GQS電容變流整流電路與電源直接整流電路相配合，可以提供由高壓到低壓的各種類型的直流電源，在大功率電子、電器設(shè)備中應(yīng)用可省去笨重的電源變壓器，對減小設(shè)備的體積和重量以及功耗，節(jié)省大量銅材和鋼材，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
附

圖1、2、3和4示出四種增流三倍的單相半波降壓倍流整流電路，其中附圖1和2的電路對電源零線獲得一個(gè)負(fù)壓直流電源Uo，而附圖3和4電路對電源零線獲得一個(gè)正壓直流電源Uo。
附圖1所示的電路由二極管D0～D7、電容C1～C4，可控器件KG(三極管、可控硅等)和負(fù)載R組成，其工作原理簡述如下當(dāng)電源上端(火線)為正，下端(零線)為負(fù)時(shí)，可控器件KG不加控制信號g而阻斷，電源通過D0、C1、D1、C2、D2、C3和D3對電容C1、C2和C3進(jìn)行串聯(lián)充電，當(dāng)它們的電容量相同時(shí)，每個(gè)電容上獲得電源峰值電壓的 1/3 ，當(dāng)電源電壓下端為正，上端為負(fù)時(shí)，KG得到信號g使其導(dǎo)通，此時(shí)電源已被二極管D0隔離，三個(gè)電容通過器件KG和各自的二極管回路同時(shí)向負(fù)載電阻R和濾波電容C4放電，負(fù)載電阻上可獲得三倍電容充電電流，其輸出電壓和電流也受到KG的信號g所控制。
附圖2、3和4所示電路的工作原理和附圖1相類似，附圖2的電源充電電路是電源通過C3、D2、C2、D1、C1和D0進(jìn)行串聯(lián)充電。附圖3的電源充電電路是電源通過D3、C3、D2、C2、D1、C1和D0進(jìn)行串聯(lián)充電。附圖4的充電電路是電源通過D0、C1、D1、C2、D2和C3進(jìn)行串聯(lián)充電、所有充好電壓的電容放電回路都要通過控制器件KG和各自的二極管回路向負(fù)載電阻和濾波電容放電而獲得倍增加電流。
為了充分利用電容的充電電流，減少降壓級數(shù)，提高效率，我們還可將電源對電容串聯(lián)充電的電流引到直流輸出端加以利用，這在降壓級數(shù)小的情況尤為重要。對于附圖1和附圖3的電路來說，只要將交流電源的輸入零線接在二極管D7端即可，此時(shí)附圖1的電源通過D0、C1、D1、C2、D2、C3、D3和C4‖R的串聯(lián)充電而利用了電源對電容的充電電流，附圖3的電源通過C4‖R、D3、C3、D2、C2、D1、C1和D0串聯(lián)充電而利用了電源對電容的充電電流，此時(shí)它們的輸出直流電壓對零線的相位也就相反。輸出電流增加一級，輸出電壓也相應(yīng)降低一級。對于附圖2的電路只要增加附圖所示的兩個(gè)相串聯(lián)的二極管D8和D9，并將C3電容的正極改接在D8和D9的串聯(lián)點(diǎn)上，D3陽極接在C4負(fù)極，D9陰極接在C4正極即可。對于附圖4的電路只要增加附圖所示的兩個(gè)相串聯(lián)的二極管D8和D9，并將C3電容的負(fù)極改接在D8和D9的串聯(lián)點(diǎn)上，D8陰極接在C4正極，D9陽極接在C4負(fù)極即可，此時(shí)整流電壓降低了，輸出電流也就增加了。
上述電路每增加或減小三個(gè)二極管和一個(gè)電容就可增加或減小一級，它和電容倍壓整流電路相對應(yīng)，一般來說可用幾倍增流電路來說明其工作原理。
上述電容降壓倍流電路又可分可控型和不可控型兩種，不可控型電路中使用的控制器件KG多數(shù)是工作在開關(guān)狀態(tài)的，使導(dǎo)通后內(nèi)阻壓降很低，電容上的電立即向負(fù)載放電到與負(fù)載相等的電壓。另一種是可控型電路，可控型電路可用兩種方式來調(diào)節(jié)和控制輸出直流電壓，第一種方式是通過控制信號g來調(diào)節(jié)KG的內(nèi)阻大小，從而調(diào)節(jié)電容對負(fù)載放電電流的大小，這只有使用晶體管等可變內(nèi)阻器件才能做到，這種調(diào)壓方式好象是周期開關(guān)的串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源，由于是串聯(lián)型，在低電壓輸出時(shí)功耗大，效率低。另一種是將二極管D，改為可控硅，用可控充電的方式來改變電容充電電壓和電流大小，從而改變輸出直流電流和電壓，此時(shí)器件KG可以工作在開關(guān)狀態(tài)，因此降壓低，功耗小、效率高。
附圖5和6是兩種半波半壓電容降壓倍流電路的實(shí)施例電路圖，其中附圖5獲得對電源零線為負(fù)的半壓直流電壓，用晶體管BG作放電控制器件KG，實(shí)踐證明使用二只100uf、300V的電解電容和3DD15F晶體三極管，可從市電220V交流電獲得一個(gè)120V約1安的直流電流，其工作原理如下當(dāng)電源下端為正，上端為負(fù)時(shí)，三極管BG沒有信號而不導(dǎo)通，電源通過R‖C2，D1、C1和D0對兩個(gè)電容串聯(lián)充電，電容C1和C2各得電源電壓的一半，當(dāng)電源為上端正、下端負(fù)時(shí)，電源通過D3、R1、BG的基極和發(fā)射極，電容C1和二極管D2形成回路電流，這電流使BG導(dǎo)通，此時(shí)電容C1上的放電電流通過D2和BG的集電極和發(fā)射極向負(fù)載R和電容C2繼續(xù)提供電流，由以上分析可知，電源提供的是半波電流，而負(fù)載R上獲得的是類似于全波電流(脈動為100周)，并且調(diào)節(jié)電阻R1還可調(diào)節(jié)直流輸出電壓U0，附圖6能獲得對電源零線為正的半壓輸出直流電壓，其工作原理和附圖5相類似，只是它的晶體管的控制信號由小型變壓器次級電壓所提供，這時(shí)必須注意變壓器同名端的接法。附圖5和6的輸出電壓的調(diào)節(jié)同樣可采用將二極管D0換成單向可控硅，用移相控制的方式進(jìn)行輸出直流電壓的調(diào)節(jié)。另外附圖5和6所示的電路，不使用電容C2也能正常工作，此時(shí)負(fù)載R上所得到的電流為電容C1和電阻R串聯(lián)的電源充電電流和電容C1對電阻R的放電電流之和。只要改變附圖5和6的觸發(fā)信號的相位，還可實(shí)現(xiàn)從半壓到整個(gè)半波整流輸出電壓的調(diào)節(jié)。在負(fù)載R上獲得這種整流電壓，對附圖5和6來說只要將BG的觸發(fā)控制信號做到從零到360度連續(xù)可調(diào)即可達(dá)到。因此降壓倍流可控調(diào)壓電路本身也包含有電源直接整流電路在內(nèi)，它比電源直接整流電路具有更加廣泛的用途。
將上述兩種單相半波電容降壓倍流整流和可控整流電路以多種方式組合可以產(chǎn)生多種多樣的單相全波電容降壓倍流整流和可控整流電路，例如將附圖1和4，附圖1和3、附圖2和3、附圖2和4相組合都可以產(chǎn)生全波降壓倍流整流，獲得對稱于電源零線的低壓正負(fù)雙電源。附圖7是附圖1和2相結(jié)合的全波電容降壓倍流整流電路的實(shí)施例電路圖之一，其工作原理分析和半波形式相同。正負(fù)半波電路的直流輸出分別采用隔離二極管D17和D24送給負(fù)載電阻R和濾波電容C4，以免發(fā)生相互影響。附圖8是附圖2和4相結(jié)合的全波電容降壓倍流電路的實(shí)施例電路之一，其正負(fù)半波輸出直流電壓的隔離采用如附圖中所示的二極管D18和D28。附圖9和10所示的是兩種負(fù)載電阻R有濾波電容C3的最簡單的半壓倍流整流電路的實(shí)施例電路圖。其工作原理相類似，附圖10電路工作原理如下當(dāng)電源a點(diǎn)為正，b點(diǎn)為負(fù)時(shí)，電源通過C2、D21，負(fù)載(R‖C3)和D02充電，使電容C2和濾波電容C3上得到充電電壓，可控硅SCR2承受C2上的充電電壓。當(dāng)b點(diǎn)為正，a點(diǎn)為負(fù)時(shí)，觸發(fā)SCR2使電容C2對負(fù)載通過SCR2和D22并聯(lián)放電提供電流，同時(shí)電源通過C1、D11，負(fù)載(R‖C3)和D01充電。負(fù)載R上同時(shí)又得到電源充電電壓，使SCR2承受反向電壓而自動關(guān)斷。當(dāng)電源a點(diǎn)再次為正，b點(diǎn)為負(fù)時(shí)，觸發(fā)SCR1使C1上的電壓通過SCR1和D12向負(fù)載放電，同時(shí)電源再次對C2和負(fù)載充電，使SCR1承受反壓而關(guān)斷，如此循環(huán)負(fù)載電阻和濾波電容上獲得全波降壓增流的電壓和電流。附圖7、8、9和10中的二極管D01和D02都可以使用單向可控硅，此時(shí)它們就成為連續(xù)可調(diào)的降壓倍流可控整流電路。
將上述的多個(gè)單相電容降壓倍流整流和可控整流電路可以組合成多種形式的多相電容降壓倍流整流和可控整流電路。附圖11是三相半波降壓增流電路的實(shí)施例電路圖之一，它由三個(gè)單相半波三倍流整流電路組成，輸出直流電壓對電源零線為負(fù)的電壓。附圖12是三相半波二倍流整流電路實(shí)施例之一，輸出直流電壓對電源零線為正的電壓。附圖13是三相全波降壓倍流整流電路實(shí)施例之一，輸出直流電壓對電源零線為負(fù)的電壓，上述電路中的二極管DOA、DOB、DOC都可以換成可控硅，成為輸出直流電壓連續(xù)可調(diào)的可控降壓倍流整流電路。
總合上述，GQS電容降壓倍流電路，包括一系列單相和多相整流和可控整流電路，實(shí)現(xiàn)這種電容降壓和倍流的方法其共同的特征在于電源通過二極管或可控器件先對一個(gè)或多個(gè)串聯(lián)的降壓電容充電，其充電電流可以不流過直流輸出兩端，也可以流過直流輸出兩端而成為輸出電流的一部分。當(dāng)電源反相之后，電源和充電電路就會被通過充電電流的二極管和可控器件相隔離，充好電的降壓電容可以通過同一電容放電可控器件和各自的二極管放電回路同時(shí)向直流輸出兩端放電而獲得降低電壓和增大電流的直流輸出。在充電電流通過直流輸出端的降壓增流電路中，控制電容放電的可控器件的觸發(fā)相位，還可以在直流輸出兩端直接輸出一部分或者全部電源直接整流電壓和電流，使這種倍流整流電路能夠?qū)崿F(xiàn)輸出直流電壓平均值從零到電源直接整流輸出電壓之間連續(xù)可調(diào)，因而只要改變控制放電電容的可控器件的觸發(fā)相位就能使這種降壓倍流電路與電源直接整流電路相結(jié)合，因此可以說電容降壓倍流整流電路包含有電源直接可控整流電路。
附圖14所示的是一個(gè)雙向?qū)ΨQ的單相橋式電容五倍壓整流電路，其工作原理簡述如下在電源經(jīng)過上正、下負(fù)第一個(gè)周波時(shí)，電容C6、C3和C2、C7通過二極管D3、D10和D9、D4充電至電源峰值電壓，在電源經(jīng)過第二個(gè)周波時(shí)，電源正負(fù)電壓與電容C2、C7和C6、C3上的電壓疊加，通過D8、D11和D2、D5對電容C1、C8和C4、C5充電，在電源經(jīng)過第三個(gè)周波時(shí)，電源正電壓與電容C2、C5、C7、C4上的電壓相疊加，電源負(fù)電壓與電容C6、C1、C3、C8上的電壓相疊加，各通過二極管D1、D12和D7、D6給濾波電容CH充電而獲得五倍電源倍壓電壓輸出，由附圖14可清楚看出，當(dāng)負(fù)載電阻RH阻值減小時(shí)，不論倍壓電容容量大小，其最低輸出直流電壓都不會低于電源直接橋式整流時(shí)的輸出電壓，也就是說比現(xiàn)有半波倍壓和全波倍壓電路有較低內(nèi)阻和較大的電流輸出。由附圖可知，每增加或者減小兩個(gè)二極管和兩個(gè)倍壓電容，就可以增高或減低一次倍壓，一般來說單相橋式電容倍壓整流電路其特征是由(2n+2)個(gè)整流器件和(2n-2)個(gè)倍壓電容組成n次倍壓電路，(2n+2)個(gè)整流器件分成兩組陰極和陽極相串聯(lián)，然后兩組相并聯(lián)的橋式整流電路。當(dāng)n＝1時(shí)，整流器件為四個(gè)，無倍壓電容，它就是電源直接橋式整流電路，這就把倍壓電路與直接整流電路統(tǒng)一起來了。當(dāng)n＝2時(shí)，即為整流器件6個(gè)，倍壓電容2個(gè)的橋式2倍壓整流電路，另外如果要使附圖14橋式電容倍壓整流電路輸出電壓連續(xù)可調(diào)電壓，可將附圖14中的整流二極管D3、D4、D9和D10部分或全部換成可控整流器件，即成為橋式電容倍壓可控整流電路。
附圖15所示的是三相橋式電容五倍壓整流電路，其工作原理分析與單相橋式電容倍壓電路相類似，一般說，m相橋式倍壓整流電路是由(mn+m)個(gè)整流器件和(mn-m)個(gè)電容組成的，當(dāng)m＝3、n＝1時(shí)，整流器件為六個(gè)，沒有電容，其電路即為三相橋式整流電路。因此它包含有三相橋式整流電路，當(dāng)m＝3，n＝2時(shí)，即為三相2倍壓電路，為達(dá)到連續(xù)可調(diào)輸出直流電壓，也可以將二極管D3、D9、D15和D4、D10、D16換成三個(gè)或六個(gè)可控器件，就成為三相半控橋或全控橋式倍壓可控整流電路。
綜合上述GQS橋式電容倍壓整流電路有單相和多相整流和可控整流幾種形式，它們具有較低的內(nèi)阻和較大的直流輸出，在直流輸出端的輸出電壓接近于電源直接整流或可控整流電路的輸出電壓時(shí)，都能輸出電源直接整流時(shí)整流器件所能允許的最大整流電流，一般的半波倍壓和全波倍壓電路是達(dá)不到的，它們的直流輸出端短路的最大電流也是決定于倍壓電容的電容量。
晶體管是電流控制器件，極大多數(shù)都需要遠(yuǎn)低于電源直接整流的直流電源電壓下工作。大功率晶體管的廣泛應(yīng)用，需要低壓大電流直流電源，目前只有用笨重的變壓器和整流電路來獲得這種直流電源，本發(fā)明的GQS電容降壓倍流整流和可控整流電路可以使用廉價(jià)的電解電容和器件來獲得這個(gè)低壓直流電源，可廣泛用于晶體管音響設(shè)備、電瓶充電、直流操作電源等一切需要低壓直流電源的場合，大功率電子管等設(shè)備，需要遠(yuǎn)高于電源電壓的高壓大功率直流電源。本發(fā)明的GQS橋式電容倍壓整流和可控整流電路可以提供這種電源，可廣泛用于電子管高保真音響設(shè)備，發(fā)送設(shè)備以及高頻爐等需要高壓大功率直流電源的場合。
權(quán)利要求
1.一種電容變流整流和可控整流電路，它由交流電源、二極管、電容和可控器件(包括可控硅、閘流管、晶體三極管和多極電子管)以及控制觸發(fā)電路組成，其電路按相數(shù)分有單相多相(m相)，按交流電源的利用分有半波和全波，按輸出電壓是否可調(diào)分有可控和不可控，按最大輸出電壓分有降壓倍流和橋式升壓倍壓，它們的共同特征是利用交流電源對電容充電儲能和放電放能的方法來實(shí)現(xiàn)降低或提高輸出直流電壓，在電容倍流電路中，利用單相或多相電源的正、負(fù)半周對一組或兩組的一個(gè)或多個(gè)電容串聯(lián)充電(充電電流可通過輸出兩端的負(fù)載，也可以不通過負(fù)載)，然后通過控制各個(gè)電容放電的可控器件向負(fù)載并聯(lián)放電而獲得比電源吸入電流大n倍的降壓倍流的方法，在橋式電容升壓倍壓電路中，其二極管和可控硅接成單相或多相橋式電路，每一個(gè)電源的輸入端接有倍壓電容的一個(gè)端，這些倍壓電容的另一端依次接在整流橋?qū)呉粋€(gè)整流臂的結(jié)點(diǎn)(由二個(gè)整流器件相串聯(lián)點(diǎn))上，使得電容上的充電電壓可與電源另一半周電壓相疊加的倍壓電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容降壓倍流整流和可控整流電路，實(shí)現(xiàn)電容降壓倍流的方法的特征在于電源正(或負(fù))半周對一組n個(gè)降壓電容通過二極管或二極管和可控器件組合進(jìn)行串聯(lián)充電，電源進(jìn)入負(fù)(或正)半周后，電源自動與這一組充電電路相隔離，n個(gè)已充好電的電容全部通過一個(gè)控制電容放電的可控器件同時(shí)向直流輸出兩端并聯(lián)放電，而獲得降壓倍流直流電輸出，其電容充電電路的結(jié)構(gòu)特征是電源對二極管(或可控器件)、電容、二極管、電容、二極管……，或二極管(可控器件)、電容、二極管……負(fù)載，依次交替相串聯(lián)的回路進(jìn)行充電，每一組串聯(lián)充電回路中的電容都通過同一可控器件向負(fù)載并聯(lián)放電。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單相和多相橋式電容倍壓整流和可控整流電路，其特征在于倍壓橋路中使用的整流器件為單相由(2n+2)個(gè)整流器件(可控整流時(shí)包括兩只可控器件)和(2n-2)個(gè)倍壓電容組成單相橋式電容倍壓整流和可控整流電路，m相由(mn+m)個(gè)整流器件(可控整流時(shí)包括m只可控器件)和(mn-m)個(gè)倍壓電路組成m相橋式電容倍壓整流和可控整流電路，其中m和n為大于2的自然數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的二倍流電路，其特征在于單相半波二倍流電路的串聯(lián)充電回路為二極管(或可控硅)、電容、二極管和負(fù)載單相全波二倍流電路的串聯(lián)充電回路有兩組，一組是電源正半周充電回路，另一組是電源負(fù)半周充電回路，多相二倍壓電路有多組電容串聯(lián)充電回路，和多組電容通過各自的可控器件向負(fù)載放電回路。
5.根據(jù)權(quán)利要求1和3所述的橋式電容二倍壓電路，單相由六個(gè)二極管(可控時(shí)包括兩只可控硅)和二個(gè)電容組成單相橋式兩倍壓整流和可控整流電路。三相由九個(gè)二極管(可控時(shí)包括三個(gè)或六個(gè)可控硅)和三個(gè)電容組成三相橋式二倍壓整流和可控整流電路。
全文摘要
本發(fā)明由交流電源，電容，整流和可控整流器件及其觸發(fā)控制電路組成，能夠不用電源變壓器獲得低于或高于電源電壓的大功率倍流和倍壓的直流電源，獲得低壓直流電源時(shí)，能夠達(dá)到電源電壓降低幾倍，輸出直流增大幾倍的固定和可調(diào)直流電源。獲得高于電源電壓時(shí)，能獲得較大的直流輸出電流。
文檔編號H02M5/04GK1067770SQ9110389
公開日1993年1月6日 申請日期1991年6月6日 優(yōu)先權(quán)日1991年6月6日
發(fā)明者龔秋聲, 龔穎臻, 蔡方英, 龔穎波 申請人:龔秋聲