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CN101039079B - 供应直流电源的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种供应直流电源的装置和方法，其能够通过增加和减小负载变化所需的能量来补偿输入电源的功率因数，该装置包括：输入电流检测单元，用于检测输入电流量，以确定负载大小；开关控制单元，用于基于所确定的负载大小输出开关控制信号，以补偿输入电源的功率因数；滤波/整流单元，用于减少输入电流的谐波，并对输入交流电压进行整流；功率因数补偿单元，用于基于该开关控制信号将所充入的能量供应至负载；平滑单元，用于将整流的输入交流电压平滑为直流电压；及逆变器，用于将平滑后的直流电压转换为交流电压，并输出转换得到的交流电压以驱动负载。由此，尽管负载增大，也能够满足功率因数补偿标准，并通过使用低容量的电抗而能够降低制造成本。

Description

供应直流电源的装置和方法
相关申请 
本申请涉及2006年3月14日申请的在先韩国申请No.10-2006-0023713中包含的主题，在此通过援引并入其全部内容。 
技术领域
本发明涉及一种供应电源的装置和方法，更具体地，涉及一种供应用于驱动空调压缩机的直流电源的装置和方法。 
背景技术
目前，空调使用三相马达作为压缩机的驱动马达。三相马达的电源供应装置将商用电源的交流电(AC)转换为直流电(DC)，随后使用逆变器将所转换的直流电再次转换为交流电。然后，再次转换得到的交流电被施加至三相马达以对其进行驱动。 
以下参照图1和图2来说明根据现有技术的供应直流电源的装置。 
图1为根据现有技术的供应直流电源的装置的电路图。 
如图1所示，根据现有技术的供应直流电源的装置包括：转换器110，其设置有有源滤波器111和平滑电容C，用以将从商用电源输入的AC电压转换为DC电压；以及有源滤波器控制单元120，用于控制有源滤波器111。 
转换器110将转换得到的DC电压输出至逆变器130。逆变器130将来自转换器110的DC电压转换为AC电压，从而将其供应至三相马达140以驱动压缩机。 
有源滤波器控制单元120包括：同步信号发生器121，用于通过检测从商用电源输入的DC电压的零电压来产生同步信号；以及开/关控制器122，用于产生控制信号，所述控制信号通过与从同步信号发生器121产生的同步信号同步，用以驱动有源滤波器111的功率半导体器件Q1和Q2。 
有源滤波器111包括电抗(reactor)L以及功率半导体器件Q1和Q2， 从而将输入电流的波形相位形成为近似于输入AC电压的波形相位(即形成为正弦波)。因此，有源滤波器111控制输入电流以允许进行谐波消除和功率因数补偿(PFC)。 
平滑电容C将有源滤波器111的输出电压平滑成为DC电压，并将平滑后的DC电压供应至逆变器130。 
图2A和图2B为根据现有技术的供应直流电源的装置的输入电流的波形图。 
如图2A所示，在根据现有技术的供应直流电源的装置中，功率半导体器件Q1和Q2在半周期内交替驱动一次并持续特定时间，从而，基于商用电源的AC电压去往平滑电容C输入电流波形具有大的电流峰值和窄的导通宽度(conducting width)。 
如图2B所示，对于在根据现有技术的供应直流电源的装置中使用小电抗，由于随负载的变化而变化的输入电流量并不充足，所以与根据现有技术未使用小电抗的图2A的波形相比，输入电流的波形波动更大。 
但是，根据现有技术的供应直流电源的装置是在不考虑负载变化的情况下驱动有源滤波器111的，因此在高负载的情况下难以满足PFC规格。 
此外，在低负载的情况下，根据现有技术的供应直流电源的装置由于PFC操作而在功率半导体器件处发生能量损失。 
另外，根据现有技术的供应直流电源的装置由于使用了用于谐波消除和PFC的大容量电抗L而增加了制造成本。 
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种供应直流电源的装置和方法，其能够通过检测依负载变化的输入电流量来确定负载大小，从而补偿输入电源的功率因数，基于所确定的负载大小控制功率因数，以及改变供应至负载的电流量，并且还能够通过使用小容量的电抗来降低制造成本。 
为获得这些以及其它优点，并且根据本发明的意图，如在此具体实施及广泛描述的，本发明提供一种供应直流(DC)电源的装置，包括：输入电流检测单元，用于检测输入电流量，以确定负载大小；开关控制单元，用于基于所确定的负载大小输出开关控制信号，以补偿输入电源的功率因数；滤波 /整流单元，用于减少输入电流的谐波，并对输入交流电压进行整流；功率因数补偿单元，用于基于该开关控制信号将所充入的能量供应至负载；平滑单元，用于将整流的输入交流电压平滑为直流电压；及逆变器，用于将平滑后的直流电压转换为交流电压，并输出转换得到的交流电压以驱动负载。 
为获得这些以及其它优点，并且根据本发明的意图，本发明提供一种供应直流(DC)电源的方法，包括步骤：检测输入电流量，以确定负载大小；输出开关控制信号，以补偿输入电源的功率因数；减少输入电流的谐波并对输入交流电压进行整流；基于该开关控制信号将所充入的能量供应至负载；将整流的输入交流电压平滑为直流电压；以及将平滑后的直流电压转换为交流电压，以驱动负载。 
通过以下结合附图对于本发明的具体描述，本发明的前述以及其它目的、特征、方案和优点将更为明显。 
附图说明
附图包含在说明书中并构成说明书的一部分，用以提供对于本发明的进一步理解，附图示出本发明的实施例，并与说明书一起用于解释发明原理。 
在附图中： 
图1为根据现有技术的供应直流电源的装置的电路图； 
图2A和图2B为根据现有技术的供应直流电源的装置的电流波形图； 
图3为根据本发明的供应直流电源的装置的实施例的电路图； 
图4为根据本发明实施例当控制功率因数时的电流波形图； 
图5为根据本发明的供应直流电源的方法的实施例的流程图； 
图6A和图6B分别为根据本发明实施例在低负载情况下的平滑电容的电压和电抗的电流波形图；以及 
图7A和图7B分别为根据本发明实施例在高负载情况下的平滑电容的电压和电抗的电流波形图。 
具体实施方式
现在参照附图详细说明本发明。 
以下参照图3至图5详细说明根据本发明的供应直流电源的装置和方法 的优选实施例。 
如图3所示，供应直流电源的装置300包括：输入电流检测单元310，用于检测输入电流量，以确定并输出负载大小；开关(switching)控制单元320，用于输出开关控制信号，以基于所确定的负载大小来补偿输入电源的功率因数；滤波/整流单元330，用于减少输入电流的谐波以及对输入交流(AC)电压进行整流；功率因数补偿单元340，用于基于开关控制信号来供应充入的能量；平滑单元350，用于将整流后的输入AC电压平滑为DC电压；以及逆变器360，用于将平滑后的DC电压转换为AC电压以及将转换得到的AC电压输出以驱动负载。 
输入电流检测单元310还包括存储器，用于存储通过实验所得的数据表，该数据表显示输入电流量与对应的负载大小之间的关系。输入电流检测单元310基于使用该数据表检测到的输入电流量来确定负载大小。 
此外，输入电流检测单元310可检测直流环节电流(DC-link current)来确定负载大小。 
开关控制单元320包括：同步信号发生器321，用于检测输入电源的零交叉时刻并基于所检测到的零交叉时刻来产生同步信号；以及开/关控制器322，用于基于所确定的负载大小输出开关控制信号来控制开关S1。 
这里，开关控制信号与同步信号同步。 
同步信号发生器321检测零交叉时刻(即输入电源变为零电压的时刻)。同步信号发生器321基于所检测到的零交叉时刻产生同步信号，以将其输出至开/关控制器322。这里，在输入电源的正(+)半周期或负(-)半周期的起始时刻，对同步信号进行同步。 
开/关控制器322基于负载大小改变开关S1的导通时间和导通延迟时间Td。负载增大使开关S1的导通时间Ton增加。 
此外，开/关控制器322确定开关控制信号的脉冲宽度调制(PWM)比，使其与负载大小成比例。 
滤波/整流单元330包括：小电抗331，用于减少输入电流的谐波及防止浪涌电流流入；以及二极管桥电路332，用于对输入AC电压进行整流。 
也就是说，小电抗331减少输入电流的谐波，防止浪涌电流流入，并将输入电流的波形形成为近似于输入AC电压的波形。二极管桥电路332对从商用电源供应的AC电压进行完全整流。
功率因数补偿单元340包括：第一电容Cr1和第二电容Cr2，用于充入及释放能量；第一至第四二极管D1、D2、D3及D4，用于形成充入/释放能量的路径；以及开关S1，用于形成将能量供应至负载的路径。 
此外，功率因数补偿单元340基于开关控制信号交替地充入及释放能量，从而补偿输入电源的功率因数。 
更具体而言，在功率因数补偿单元340中，当导通开关S1时，在输入电源的正(+)半周期的起始时刻导通第一和第三二极管D1和D3并关断第二和第四二极管D2和D4，从而第一电容Cr1充入能量而第二电容Cr2释放能量；反之，在输入电源的负(-)半周期的起始时刻关断第一和第三二极管D1和D3并导通第二和第四二极管D2和D4，从而第一电容Cr1释放能量而第二电容Cr2充入能量。 
这里，功率因数补偿单元340中包含的各电容Cr1和Cr2均可通过实验而构成为具有适当容量。如果电容Cr1和Cr2的容量大于该适当容量，则输入电流的波形的波动更大，而如果它们的容量小于该适当容量，则输入电流的波形可能得不到改善。 
图4为根据本发明即使在负载波动时的输入电流波形图，该输入电流波形被形成为近似于线电压的波形，用于补偿功率因数，从而与根据现有技术的电流波形相比改善了输入电流的波形。 
如图5所示，根据本发明的供应直流电源的方法包括：检测输入电流量来确定并输出负载大小(S510)，基于所确定的负载大小输出开关控制信号来补偿输入电源的功率因数(S531)，减少输入电流的谐波并对输入AC电压进行整流(S530和S540)，基于开关控制信号将所充入的能量供应至负载(S532)，将整流后的输入AC电压平滑为DC电压(S550)，以及将平滑后的DC电压转换为AC电压以驱动负载(S560)。 
确定并输出负载大小(S510)包括使用存储有对应于输入电流量的负载大小的数据表。 
此外，确定并输出负载大小(S510)包括通过检测直流环节电流来确定负载大小。 
输出开关控制信号包括：检测输入电源的零交叉时刻，以根据检测到的零交叉时刻来产生同步信号，并基于所确定的负载大小输出用于功率因数补偿的开关控制信号。 
这里，通过与同步信号同步而产生开关控制信号。 
输出开关控制信号(S531)包括基于负载大小改变开关S1的导通时间Ton和导通延迟时间Td。 
此外，输出开关控制信号(S531)包括确定开关控制信号的脉冲宽度调制(PWM)比，使其与负载大小成比例。 
减少输入电流的谐波并对输入AC电压进行整流(S530和S540)包括：减少输入电流的谐波并防止浪涌电流流入，以及对输入AC电压进行整流。 
在供应能量至负载(S532)的步骤中，通过根据开关控制信号交替地充入及释放能量来补偿输入电源的功率因数。 
更具体而言，在供应能量至负载(S532)的步骤中，当导通开关S1时，在输入电源的正(+)半周期的起始时刻导通第一和第二二极管D1和D2并关断第三和第四二极管D3和D4，从而第一电容Cr1充入能量而第二电容Cr2释放能量；反之，在输入电源的负(一)半周期的起始时刻关断第一和第二极管D1和D2并导通第三和第四二极管D3和D4，从而第一电容Cr1释放能量而第二电容Cr2充入能量。 
也就是说，在供应能量至负载(S532)的步骤中，基于开关控制信号，相应于输入电源的半周期交替地在电容中充入能量以及将能量释放给负载，从而输入AC电压升压，并且功率因数得到补偿，同时，通过将输入电流的波形形成为输入AC电压的波形(即正弦波)，输入电流的波形得以改善。 
图6A和图6B分别为在低负载情况下经平滑后的电压和输入电流的波形图，图7A和图7B分别为在高负载情况下经平滑后的电压和输入电流的波形图。 
图6B和图7B分别为根据本发明实施例在低负载情况下和在高负载情况下的小电抗的电流波形图。能够注意到，与图2A及图2B所示根据现有技术的输入电流的波形相比，小电抗的电流波形形成为更加近似于作为理想波形的正弦波。 
如上所述，在本发明中，能够基于检测到的输入电流量确定负载大小，并且能够根据所确定的负载大小控制功率因数补偿单元进行的能量充入/释 放操作，从而供应最佳的能量来驱动负载；由此，尽管负载变化，也能够满足功率因数补偿标准，并且通过进行功率因数补偿能够有效地补偿输入电源的功率因数。 
此外，在本发明中，尽管使用了低容量的电抗，但通过进行功率因数补偿能够防止输入电流的波动，而由于使用低容量的电抗，有效降低了制造成本。 
由于本发明可以具体实施为多种形式而不脱离其精神或实质特征，因此应当理解：除非另有规定，上述实施例不受限于任何前述细节，而应在随附权利要求书所限定的精神和范围内被广泛地解释；因此，落入权利要求书的界限或其等效范围内的全部变化和修改都应被随附权利要求书所涵盖。 

Claims (9)

1.一种供应直流电源的装置，包括：
输入电流检测单元，用于检测输入电流量，以确定负载大小；
开关控制单元，用于基于所确定的负载大小输出开关控制信号，以补偿输入电源的功率因数；
滤波/整流单元，用于减少输入电流的谐波，并对输入交流电压进行整流；
功率因数补偿单元，用于从输入电源充入能量并且基于该开关控制信号将所充入的能量供应至所述负载；
平滑单元，用于将整流的输入交流电压平滑为直流电压；以及
逆变器，用于将平滑后的直流电压转换为交流电压，并输出转换得到的交流电压以驱动所述负载，
其中，该功率因数补偿单元包括：
第一和第二电容，用于充入及释放能量；
第一至第四二极管，用于形成第一和第二电容的充入/释放路径；以及
开关，基于该开关控制信号，形成将能量供应至所述负载的路径，其中所述开关的一端连接至所述第二二极管和所述第三二极管的公共连接点，所述开关的另一端连接至所述负载，
其中当导通所述开关时，随着在该输入电源的正半周期的起始时刻导通所述第一和第三二极管并关断所述第二和第四二极管，从而所述第一电容通过所述第一二极管充入能量而所述第二电容通过所述第三二极管和所述开关形成的路径对所述负载释放能量；以及
当导通所述开关时，随着在该输入电源的负半周期的起始时刻关断所述第一和第三二极管并导通所述第二和第四二极管，从而所述第一电容通过所述第二二极管和所述开关形成的路径对所述负载释放能量而所述第二电容通过所述第四二极管充入能量。
2.如权利要求1所述的装置，其中该输入电流检测单元通过检测直流环节电流来确定所述负载大小。
3.如权利要求1所述的装置，其中该开关控制单元包括：
同步信号发生器，用于检测该输入电源的零交叉时刻，并基于检测到的零交叉时刻产生同步信号；以及
开/关控制器，用于根据所确定的负载大小输出开关控制信号，以补偿功率因数。
4.如权利要求3所述的装置，其中该开关控制信号是通过与该同步信号同步而产生的。
5.如权利要求3所述的装置，其中该开/关控制器基于所述负载大小改变开关的导通时间和导通延迟时间。
6.如权利要求3所述的装置，其中该开/关控制器随所述负载大小增加而增加开关的导通时间。
7.如权利要求3所述的装置，其中该开/关控制器确定该开关控制信号的脉冲宽度调制比，使其与所确定的负载大小成比例。
8.如权利要求1所述的装置，其中该滤波/整流单元包括：
小电抗，用于减少该输入电流的谐波，并防止浪涌电流流入；以及
二极管桥电路，用于对该输入交流电压进行整流。
9.如权利要求1所述的装置，其中该功率因数补偿单元通过根据该开关控制信号交替地充入及释放能量来补偿该输入电源的功率因数。
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