專利名稱：將三相交流轉(zhuǎn)換為直流的轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于將三相交流轉(zhuǎn)換為直流的轉(zhuǎn)換器，這種轉(zhuǎn)換器具有少量的電容器和開關(guān)。
功率因數(shù)校正電路10包括連接到三相交流電流源Vac的各相Vac1、Vac2以及Vac3上的三個電感器L1、L2以及L3，以及連接到各個電感器L1、L2以及L3的六個開關(guān)S4到S9。功率因數(shù)校正電路10中的開關(guān)S4到S9的兩個公共端都連接到平滑電容器C5的兩端上。
轉(zhuǎn)換部件20包括與平滑電容器C5并聯(lián)連接的兩個開關(guān)S10和S11，以及與開關(guān)S10和S11并聯(lián)連接的兩個電容器C6和C7。
變壓器30的初級線圈Lp的一端，連接到開關(guān)S10和S11之間的一點上，而其另一端連接到電容器C6和C7之間的一點上。變壓器30的次級線圈Ls與整流電路40相連。
功率因數(shù)校正電路10將三相交流電流源Vac的輸出電壓升壓，以產(chǎn)生比輸入電壓要高的直流電壓。平滑電容器C5對升壓后的電壓進行平滑過渡，轉(zhuǎn)換部件20將被升壓后的電壓轉(zhuǎn)換為交流電。由轉(zhuǎn)換部件20輸出的交流電壓，經(jīng)過變壓器30的變換后再由整流電路40整流，從而向電阻R1提供一個直流電壓。
如上所述，傳統(tǒng)的三相AC/DC轉(zhuǎn)換器執(zhí)行兩步轉(zhuǎn)換，即電壓的升壓操作，用以校正功率因數(shù)，以及DC-DC轉(zhuǎn)換。對于這種轉(zhuǎn)換，傳統(tǒng)的三相AC/DC轉(zhuǎn)換器都需要眾多的開關(guān)S4到S11，以及電容器C5、C6和C7，同時還需要電感器L1到L3，用于存儲三相電流源Vac的輸入電流。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種三相AC/DC轉(zhuǎn)換器，它不需要眾多的電容器和電感器，而只需要幾個開關(guān)和電容器，并且具有很高的效率。
在本發(fā)明的一種情況中，提供了一個轉(zhuǎn)換器，它包括三個開關(guān)，它們的一端分別連接到三相交流電流源的各相的輸出端上；三個電容器，它們的一端分別連接到三相交流電流源的各相的輸出端上，它們與開關(guān)并聯(lián)；一個變壓器，具有一個初級線圈以及與該初級線圈耦合的一個次級線圈，其中初級線圈的一端一般都連接到開關(guān)的另一端，而初級線圈的另一端一般都連接到電容器的另一端；以及一個整流電路，用于對變壓器的次級線圈的輸出電壓進行整流。
提供了一種既簡單又有效的結(jié)構(gòu)，同時還使用了少量的開關(guān)以及電容器，并且也不需要將三相交流轉(zhuǎn)換為直流高壓的步驟。


圖1是傳統(tǒng)的三相AC/DC轉(zhuǎn)換器的電路圖；圖2是依據(jù)本發(fā)明的三相AC/DC轉(zhuǎn)換器的電路圖；圖3是圖2所示的三相交流電流源的各相的波形圖；圖4是圖3中的時期A中的子時期處各個開關(guān)的電壓和電流的波形圖；圖5A到5D是依據(jù)圖3中時期A內(nèi)的各個開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)的變化的在各個子時期時的電路2的等效電路；圖6A到6C顯示了圖2的開關(guān)的各種實施例；以及圖7是控制電路的電路圖，所述控制電路用于輸出信號，來控制依據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器內(nèi)的開關(guān)。
圖2是依據(jù)本發(fā)明的三相AC/DC轉(zhuǎn)換器的電路圖。依據(jù)本發(fā)明的三相AC/DC轉(zhuǎn)換器包括三個開關(guān)S1、S2以及S3、三個電容器C1、C2和C3、一個變壓器30以及一個整流器40。
各個開關(guān)S1、S2以及S3的一端連接到三相交流電流源Vac的各相Vac1、Vac2以及Vac3的輸出端，各個電容器C1、C2以及C3的一端也連接到三相交流電流源Vac的各相Vac1、Vac2以及Vac3上。電容器C1、C2和C3以及開關(guān)S1、S2以及S3彼此并聯(lián)排列。
變壓器30具有相互耦合的一個初級線圈Lp以及一個次級線圈Ls。初級線圈Lp的一端一般連接到開關(guān)S1、S2以及S3的另一端，初級線圈Lp的另一端一般連接到電容器C1、C2以及C3的另一端。
加到初級線圈Lp上的交流電壓是根據(jù)初級線圈Lp和次級線圈Ls的匝數(shù)比來進行變換的，經(jīng)過變換的交流電壓從次級線圈Ls輸出。
整流電路40包括一對二極管D1和D2、一個電感器L4以及一個電容器C4。由一對二極管D1和D2構(gòu)成的電橋?qū)⒔涣鬓D(zhuǎn)換為直流，經(jīng)轉(zhuǎn)換的直流被存儲在電感器L4內(nèi)。電容器C4使電感器L4的輸出電壓平滑，從電容器C4兩端輸出的直流電壓Vout加到電阻R1上。
圖3是一張曲線圖，它顯示了圖2所示的三相交流電流源的各相的輸出電壓Vac1、Vac2以及Vac3的波形。
輸出電壓Vac1、Vac2以及Vac3是都是正弦電壓，其彼此之間的相位差為120度。Vac1的相位為0度，Vac2的相位滯后于Vac1 120度，Vac3的相位滯后于Vac2 120度(或超前Vac1 120度)。
為了便于說明，在圖3中，輸出電壓Vac1、Vac2以及Vac3的一個周期被分為12個時期(時期A到時期L)，它們分別具有30度的相位寬度。如下所述，每一個時期又分為若干子時期，而每一個子時期又分為五節(jié)。
圖4顯示了電路內(nèi)依據(jù)在周期A內(nèi)的開關(guān)S1、S2和S3的開關(guān)操作控制的各部件的輸出。時期A分為若干子時期，每一個子時期又包括五節(jié)。在圖4中，僅僅顯示了存在于時期A內(nèi)的眾多子時期中的兩個子時期。幾個子時期可以存在于一個時期中，或是成百的子時期可以存在于一個時期內(nèi)。
圖5A顯示了圖2在時期A時的等效電路，它顯示了從電流源Vac到變壓器30的初級線圈Lp的部分。此外，圖5B到5D依據(jù)各開關(guān)S1、S2以及S3在時期A內(nèi)的開關(guān)狀態(tài)顯示了圖5A的等效電路。
如圖3所示，時期A內(nèi)的電壓Vac1信號為正，電壓Vac2信號為負，電壓Vac3的信號為正。因此，圖2中的電路可以表示圖5A所示的等效電路，它具有三個獨立的直流源V1、V2以及V3，它們排列為圖5所示的極性。
在節(jié)1中，開關(guān)S2接通，開關(guān)S1和S3斷開。因此，圖5A內(nèi)的電路變?yōu)閳D5B中所示的等效電路。因此，初級線圈Lp內(nèi)的電流為反方向，由電流源V1和V2提供給初級線圈Lp的電流，通過次級線圈Ls和整流器40被加到電阻R1上。(以下，為了方便起見，正方向表示電流進入到初級線圈Lp虛線部分的方向，負方向表示電流從初級線圈Lp虛線部分輸出的方向。)在節(jié)2，所有的開關(guān)S1、S2和S3都斷開。因此，等效電路變?yōu)楣?jié)2中圖5A所示的電路，整流電路40內(nèi)的電感器L4向電阻器R1提供電功率。
在節(jié)3，開關(guān)S1接通，開關(guān)S2和S3斷開。因此，圖5A內(nèi)的電路變?yōu)閳D5C中所示的等效電路。因此，電流以正方向流入初級線圈Lp，由電流源V1和V2提供給初級線圈Lp的電流，通過次級線圈Ls和整流電路40，加到電阻器R1上。
在節(jié)4，開關(guān)S3接通，開關(guān)S1和S2斷開。因此，圖5A中的電路變?yōu)閳D5D所示的等效電路。因此，電流以負方向流入初級線圈Lp，由電流源V2和V3提供給初級線圈Lp的電流，通過次級線圈Ls和整流電路40，加到電阻器R1上。
在節(jié)5中，所有開關(guān)S1、S2以及S3都是斷開的。因此，等效電路變?yōu)楣?jié)5內(nèi)的圖5A所示的電路，整流電路40中的電感器L4向電阻器R1提供電功率。
根據(jù)上述過程，在節(jié)1中，將負電壓提供給初級線圈Lp，在節(jié)3和節(jié)4中，將正電壓提供給初級線圈Lp。在節(jié)2和節(jié)5中，沒有電壓提供給初級線圈Lp。
如此，加到初級線圈Lp上的交流電壓由次級線圈Ls變換，之后，由二極管D1和D2對經(jīng)過變換的電壓進行整流，再由電容器C4平滑，之后，輸出為直流。
在時期A內(nèi)重復如上所述的節(jié)1到節(jié)5中的處理過程，其重復次數(shù)與其中的子時期數(shù)目相同。圖4顯示了在各個子時期內(nèi)的各個節(jié)內(nèi)，流過開關(guān)S1、S2和S3的電壓和電流的幅度。在圖4中，開關(guān)S1、S2和S3的電壓被表示為Vs1、Vs2以及Vs3，開關(guān)S1、S2和S3的電流被表示為Is1、Is2以及Is3。
在時期B內(nèi)的開關(guān)S1、S2以及S3的操作控制與時期A內(nèi)的操作控制有些不同。如圖3所示，在時期B中，電壓Vac2為負，電壓Vac1和Vac3為正，還有一處不同是電壓Vac1的幅度要小于電壓Vac2的幅度。因此，考慮到這種不同，從而對時期B內(nèi)的開關(guān)S1、S2和S3的開/關(guān)狀態(tài)和定時進行控制，以便與時期A稍微不同地對它們進行控制，而時期B內(nèi)的開關(guān)S1、S2和S3的其他控制方法與時期A中的相同。換言之，開關(guān)S1的脈沖和開關(guān)S2的脈沖彼此反相。
依據(jù)同一原理，當在其他時期(時期C到時期L)內(nèi)的開關(guān)方式與時期A內(nèi)的相同時，其他時期內(nèi)的開關(guān)S1、S2和S3的開關(guān)狀態(tài)和定時，也是隨著各相電壓Vac1、Vac2和Vac3的極性和幅度而變化的。這樣，就在整個周期中，執(zhí)行了對開關(guān)S1、S2和S3的控制。
圖6A到6C顯示了這樣一種三相AC/DC轉(zhuǎn)換器內(nèi)使用的開關(guān)S1、S2和S3的各種實施例。依據(jù)本發(fā)明，在轉(zhuǎn)換器中，必須采用可以不考慮電流的流動方向而執(zhí)行開關(guān)操作的雙向開關(guān)作為開關(guān)S1、S2和S3。
圖6A顯示了采用源極彼此相連的兩個MOSFET的雙向開關(guān)的一個例子?？刂齐妷杭拥絻蓚€MOSFET的柵極。
圖6B顯示了采用兩個MOSFET和兩個二極管的雙向開關(guān)的一個例子。每一個MOSFET都用作一個開關(guān)，以便控制從其漏極流向源極的電流，其控制電壓加到其柵極上。
圖6C顯示了雙向開關(guān)的另一個例子，該雙向開關(guān)是由具有四個二極管的電橋以及與該電橋中心部分相連的一個MOSFET構(gòu)成的。MOSFET的通/斷是由加到MOSFET柵極上的控制電壓控制的，從而執(zhí)行對所有開關(guān)的通/斷控制。
圖7是控制電路的電路圖，該控制電路用于輸出控制信號，以便根據(jù)本發(fā)明，控制轉(zhuǎn)換器內(nèi)的開關(guān)S1、S2和S3的開關(guān)操作。轉(zhuǎn)換器的控制電路由比較器170、三個波形發(fā)生器110a、110b和110c、三個乘法器120a、120b和120c、一個振蕩器130、一個觸發(fā)器140以及一個PWM門信號發(fā)生器150構(gòu)成。
輸出電壓Vout提供給轉(zhuǎn)換器的電阻器R1，并將一個預(yù)定基準電壓Vref輸入到比較器170。比較器170將兩個電壓Vout和Vref之間的差放大，之后，將經(jīng)過放大的差輸入到乘法器120a、120b和120c。
波形發(fā)生器110a、110b和110c分別產(chǎn)生了與三相電流源Vac的各相的電壓Vac1、Vac2以及Vac3同步的信號。波形發(fā)生器110a、110b和110c的輸出輸入到乘法器120a、120b和120c。
乘法器120a、120b和120c分別輸出一個值，這些值為波形發(fā)生器110a、110b和110c分別與比較器170的輸出相乘的結(jié)果。乘法器120a、120b和120c的輸出輸入到PWM選通信號發(fā)生器150。PWM門信號發(fā)生器150輸入了振蕩器130的輸出，以及振蕩器130的輸出經(jīng)由觸發(fā)器140的輸出。PWM門信號發(fā)生器150對振蕩器130的輸出以及觸發(fā)器140的輸出進行調(diào)制，以便產(chǎn)生圖4所示的控制信號、以及與上述其他時期都稍有不同的開關(guān)控制信號，并使用乘法器120a、120b以及120c的輸出，以便輸出這樣的開關(guān)控制信號。
依據(jù)本發(fā)明，不再需要眾多的電容器和電感器，電路結(jié)構(gòu)簡單，這是因為轉(zhuǎn)換器僅僅是由幾個開關(guān)和電容器構(gòu)成的。
此外，三相交流并沒有被轉(zhuǎn)換為直流高壓，而是將三相交流直接轉(zhuǎn)換為直流，并對功率因數(shù)進行校正。
盡管已經(jīng)對本發(fā)明的最佳實施例進行了說明，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解，本發(fā)明并不僅僅局限于上述這些最佳實施例，可以在不脫離由所附權(quán)利要求書所定義的本發(fā)明的主旨和范圍的情況下，作出各種變化和修改。
權(quán)利要求
1.一種轉(zhuǎn)換器，包括三個開關(guān)，其中每一個開關(guān)的一端都分別連接到三相交流電流源的各相的輸出端；三個電容器，每一個電容器的一端都分別連接到三相交流電流源的各相的輸出端，它們與所述開關(guān)并聯(lián)；一個變壓器，具有一個初級線圈和與所述初級線圈耦合的一個次級線圈，其中所述初級線圈的一端一般與所述開關(guān)的另一端相連，所述初級線圈的另一端一般與所述電容器的另一端相連；以及一個整流電路，用于對所述變壓器的次級線圈的輸出電壓進行整流。
全文摘要
公開了一種轉(zhuǎn)換器，用于將三相交流轉(zhuǎn)換為直流。轉(zhuǎn)換器包括與三相交流電流源的輸出端相連的三個開關(guān)、與三相交流電流源的輸出端相連、并與開關(guān)并聯(lián)的三個電容器、具有其一端一般與開關(guān)相連而另一端一般與電容器相連的初級線圈的變壓器、以及用于對變壓器的次級線圈的輸出電壓進行整流的整流電路。由于使用了數(shù)目極少的開關(guān)和電容器，因此其結(jié)構(gòu)簡單，效率提高。
文檔編號H02M1/14GK1466262SQ0213206
公開日2004年1月7日 申請日期2002年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月3日
發(fā)明者白炳德, 秋元教 申請人:東亞電通株式會社