确定电感器的所需电感-电流关系的方法.pdf

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摘要
申请专利号:

CN01822276.5

申请日:

2001.09.13

公开号:

CN1488187A

公开日:

2004.04.07

当前法律状态:

撤回

有效性:

无权

法律详情:

发明专利申请公布后的视为撤回|||实质审查的生效|||公开

IPC分类号:

H02M1/00

主分类号:

H02M1/00

申请人:

美蓓亚株式会社;

发明人:

J·莱斯滕; B·李斯; S·多兹

地址:

日本长野县北佐久郡

优先权:

2000.11.27 GB 0028868.8

专利代理机构:

中国专利代理(香港)有限公司

代理人:

杨凯;张志醒

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内容摘要

一种用于确定将整流电路中的各谐波电流波形的幅度保持在预定的电平之下所需的电感的方法,整流电路包括电感器和电容器,可从可变电源中抽取功率并将功率提供给负载,所述方法包括以下步骤:采用谐振分析法根据电感器的电感计算在将预定的输入电压波形加到整流电路上时整流电路中的输入电流波形的表达式,电容器具有预定的电容,负载从整流电路中抽取预定的电流;确定构成整流电路中的所计算出的输入电流波形的谐波电流波形的幅度;以及为整流电路中的电感器提供这样的电感值,在该电感值下,构成整流电路中的所计算出的输入电流波形的各谐波电流波形的幅度没有一个超过预定的电平。

权利要求书

1: 一种确定将整流电路中的各谐波电流波形的幅度保持在预定的 电平之下所需的电感的方法,所述整流电路包括电感器和电容器、可 从可变电源中抽取功率且将功率提供给负载,所述方法包括以下步 骤: 采用谐振分析法根据所述电感器的电感来计算在将预定的输入电 压波形加到所述整流电路上时所述整流电路中的输入电流波形的表达 式,所述电容器具有预定的电容,而所述负载从所述整流电路中抽取 预定的电流; 确定构成所述整流电路中的所述计算的输入电流波形的谐波电流 波形的幅度;以及 为所述整流电路中所述电感器提供这样的电感值,在所述电感值 下,构成所述整流电路中所述计算的输入电流波形的所述各谐波电流 波形的幅度没有一个超过所述预定的电平。
2: 如权利要求1所述的方法,其特征在于:由所述负载从所述整 流电路中抽取的所述预定电流是所述负载可从所述整流电路中抽取的 最大电流。
3: 如权利要求1或2所述的方法,其特征在于:所述采用谐振分 析法的步骤包括将所述电源的负载周期分成第一和第二时间间隔的步 骤,其中,在所述第一时间间隔中电流从所述电源流向所述电容器, 而在所述第二时间间隔中没有电流从所述电源流向所述电容器。
4: 如权利要求3所述的方法,其特征在于所述方法还包括以下步 骤: 为每一个所述时间间隔设定流过所述电感器的电流的初始值和最 终值;以及 使每一个所述时间间隔中流过所述电感器的所述电流的最终值与 在所述另一时间间隔中流过所述电感器的所述电流的初始值相等。
5: 如权利要求4所述的方法,其特征在于所述方法还包括以下步 骤:对于每一个所述时间间隔,利用所述输入电压波形的相角列出流 过所述电感器的所述电流的电流微分方程。
6: 如权利要求5所述的方法,其特征在于所述方法还包括求解所 述电流微分方程以提供所述输入电流波形的步骤。
7: 如权利要求6所述的方法,其特征在于:求解所述电流微分方 程的步骤包括采用拉普拉斯分析法的步骤
8: 如权利要求6或7所述的方法,其特征在于所述方法还包括以 下步骤:利用所述电流微分方程的解答来确定所述第一和第二时间间 隔的起始点和终止点。
9: 如权利要求3到8中任一项所述的方法,其特征在于所述方法 还包括以下步骤:为每一个所述时间间隔设定所述电容器两端的所述 电压的初始值和最终值;以及使每一个所述时间间隔中的所述电容器 两端的所述电压的所述最终值与所述另一时间间隔中所述电容器两端 的所述电压的所述初始值相等。
10: 如权利要求9所述的方法,其特征在于所述方法还包括以下 步骤:对于每一个所述时间间隔,利用所述输入电压波形的相角列出 所述电容器两端的所述电压的电压微分方程。
11: 如权利要求10所述的方法,其特征在于所述方法还包括求解 所述电压微分方程的步骤。
12: 如上述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于:确定构 成所述整流电路中所述计算的输入电流波形的所述各谐波电流波形幅 度的所述步骤包括对所述输入电流波形应用傅立叶分析的步骤。
13: 如上述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于所述方法 还包括确定所述整流电路的稳态工作点的步骤。
14: 如权利要求13所述的方法,其特征在于确定所述整流电路的 所述稳态工作点的所述步骤包括以下步骤:当在所述输入电压的每一 个全波形的末端存储在所述整流电路中的能量与在所述输入电压的每 一个全波形的末端存储在所述整流电路中的能量相等时建立所述整流 器的工作。
15: 如权利要求14所述的方法,其特征在于:当在所述输入电压 的每一个全波形的末端存储在所述整流电路中的能量与在所述输入电 压的每一个全波形的末端存储在所述整流电路中的能量相等时建立所 述整流器的工作的所述步骤包括将存储在所述电感器和电容器中的能 量考虑在内的步骤。
16: 如上述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于:为所述 电感器提供这样的电感值、在该电感值下构成所述整流电路中所述计 算的输入电流波形的所述各谐波电流波形的幅度没有一个超过所述预 定的电平的步骤包括以下步骤:为所述电感器提供这样的电感值、在 该电感值下构成所述整流电路中所述计算的输入电流波形的所述各谐 波电流波形的第三谐波不超过所述预定的电平。
17: 一种确定电感器的电感和流过所述电感器的电流之间的所需 的关系的方法,所述包括以下步骤: 重复用于多个输入电压波形或负载电流的如上述权利要求1到16 中任一项所述的方法,所述多个输入电压波形或负载电流中的每一个 在其负载周期期间使不同的电流流过所述电感器;以及 对于所述多个输入电压波形或负载电流中的每一个,确定将所述 整流电路中各谐波电流波形幅度保持在预定的电平之下所需的电感。
18: 一种包括电感器和电容器的整流电路,通过下述步骤来构成 所述整流电路: 确定所述电容器的电容; 确定负载从所述整流电路中抽取的预定电流; 采用谐振分析法根据所述电感器的电感、所述电容器的电容、加 到所述整流电路上的预定输入电压波形和由所述负载从所述整流电路 中抽取的所述预定电流来计算所述整流电路中的所述输入电流波形的 表达式; 确定构成所述整流电路中所述计算的输入电流波形的所述谐波电 流波形的幅度; 为所述电感器提供这样的电感值,在该电感值下,构成所述整流 电路中所述计算的输入电流波形的所述各谐波电流波形的幅度没有一 个超过预定的电平的值;以及 构成包括具有所述提供的电感值的电感器的所述整流电路。
19: 如权利要求18所述的整流器,其特征在于:所述电感器具有 随流过所述电感器的电流而变化的电感。
20: 一种基本上如以上参考附图所描述的方法。
21: 一种基本上如以上参考附图所描述的整流电路。
22: 任何这里所公开的新颖特征或特征组合。

说明书


确定电感器的所需电感-电流关系的方法

    本发明涉及确定电感器的所需电感-电流关系地方法,详细地说,涉及确定整流器中要求与各谐波电流调整率一致的无源PFC电感器的所需电感-电流关系。

    在附图的图1中显示在电源中(尤其在大多数个人计算机的电源中)使用的整流器的示意图。整流器包括到电源(例如市电电源)的连接和到负载的连接,即,由整流器形成其一部分的装置抽取的电源。电源和负载通过二极管整流桥相互连接,此二极管整流桥只允许电流从电源流向负载,而不允许反向的流动。两个串联的大容量电容器(bulk capacitor)与负载并联。

    在两个大容量电容器和二极管整流桥的输入端之间连接了(通常为机械式的)电压选择开关。整流器可以在“标准整流方式”(例如在英国的230V市电电源下使用)和“电压倍增方式”(例如在日本的100V市电电源下使用)之间切换。

    虽然这种整流器的灵活性较强且易于建造,然而它仍具有一定的缺点。由于电源通过正向偏置的二极管整流桥与大容量电容器和负载相连,因此仅仅当电源电压超过大容量电容器两端的电压时,电流才从电源流向大容量电容器和负载。在其它时刻,没有电流从所述电源中流出。结果,整流器从电源中抽取固有非正弦的电流,这就将电流谐波引入了电源中。这种谐波的引入是不希望有的,因为它在整流器中引起了更大的均方根(即加热)电流,并使保护装置在比通常发生的更低的额定功率下跳闸。如果许多用户连接到同一电源上且都将电流谐波引入电源中时,这个问题会更加严重。

    在二极管整流桥和大容量电容器之间配置电感器(称为无源功率因数校正(PFC)电感器)具有降低引入到电源中的电流谐波的幅度的效果。然而,希望在整流电路中引入尺寸和重量最小的电感器,以便降低整流器的制造和运输成本。

    为了实现最小尺寸和重量的无源PFC电感器,并能有效地降低输入电压范围内的电流谐波,所述电感器必须具有随流过其中的电流变化的电感。

    然而,很难预计这样一种电感-电流关系、使得无源PFC电感器必然遵守与最小电流谐波引入有关的给定调整。预计所需的关系的先有方法涉及将来自多次模拟运行的数据相关联,以便产生经验设计方程,例如由Redl所得到的方程。在产生这些方程时,Redl假定大容量电容器足够大,使得它们两端的波纹电压(由电容器的连续充电和放电所引起)可被忽略。除了产生经验方程所需的大量时间之外,所述方法的另一缺点是在许多实际情况下,大容量电容器两端的波纹电压很大,无法忽略。

    本发明的一个目的是提供一种确定电感-电流关系的方法,无源PFC电感器需要采用这种关系来将由整流器(此电感器为该整流器的一部分)引入到电源中的谐波电流波形的幅度保持在预定的电平之下,同时仍具有最小的尺寸和重量。

    因此,本发明的一个方面是提供一种确定将整流电路中的谐波电流波形的幅度保持在预定的电平之下所需的电感的方法,所述整流电路包括电感器和电容器,从可变电源中抽取功率并将功率提供给负载,所述方法包括步骤:采用谐振分析法根据电感器的电感来计算在将预定输入电压波形加到整流电路上时整流电路中的输入电流波形的表达式,所述电容器具有预定的电容,所述负载从整流电路中抽取预定的电流;确定构成整流电路中所述计算的输入电流波形的谐波电流波形的幅度;以及为整流电路中的电感器提供这样的电感值,在该电感值下、构成整流电路中所述计算的输入电流波形的各谐波电流波形的幅度没有一个超过所述预定的电平。

    由负载从整流电路中抽取的预定电流最好是负载可从整流电路中抽取的最大电流。所述采用谐振分析法的步骤最好包括将电源的负载周期分成第一和第二时间间隔的步骤,其中电流在第一时间间隔中从电源流向电容器,而在第二时间间隔中没有电流从电源流向电容器。

    所述方法最好还包括以下步骤:为在每一个时间间隔内流过电感器的电流设定初始值和最终值;以及使在每一个时间间隔内流过电感器的电流的最终值与在另一时间间隔内流过电感器的电流的初始值相等。

    所述方法最好还包括以下步骤:利用输入电压波形的相角,列出每一个时间间隔内流过电感器的电流的电流微分方程。

    所述方法最好还包括求解所述电流微分方程以便提供输入电流波形的步骤。

    所述求解电流微分方程的步骤最好还包括利用拉普拉斯分析法的步骤。

    所述方法最好还包括以下步骤:利用电流微分方程的解来定义所述第一和第二时间间隔的起始点和终止点。

    所述方法最好还包括步骤:设定在每一个时间间隔内所述电容器两端的电压的初始值和最终值;以及使每一个时间间隔内所述电容器两端的电压的最终值与另一时间间隔内所述电容器两端的电压的初始值相等。

    所述方法最好还包括以下步骤:利用输入电压波形的相角,列出每一个时间间隔内电容器两端电压的电压微分方程。

    所述方法最好还包括求解所述电压微分方程的步骤。

    所述确定构成整流电路中计算的输入电流波形的谐波电流波形的幅度的步骤最好包括对输入电流波形应用傅立叶分析的步骤。

    所述方法最好还包括确定整流电路的稳态工作点的步骤。

    所述确定整流电路的稳态工作点的步骤包括以下步骤:当在输入电压的每个全波形的末端存储在整流电路中的能量与在输入电压的每个全波形的末端存储在整流电路中的能量相等时建立整流器的工作。

    所述当在输入电压的每个全波形的末端存储在整流电路中的能量与在输入电压的每个全波形的末端存储在整流电路中的能量相等时建立整流器的工作的步骤包括将存储在电感器和电容器中的能量考虑在内的步骤。

    所述为电感器提供这样的电感值、在该电感值下构成整流电路中计算的输入电流波形的各谐波电流波形的幅度没有一个超过预定的电平的步骤最好包括以下步骤:为电感器提供这样的电感值、在该电感值下构成整流电路中计算的输入电流波形的各谐波电流波形中的第三谐波不超过预定的电平。

    本发明的另一方面是提供一种确定电感器的电感和流过电感器的电流之间的所需的关系的方法,所述方法包括以下步骤:重复用于多个输入电压波形或负载电流的上述方法,所述多个输入电压波形或负载电流中的每一个使得在其负载周期期间不同的电流流过电感器;以及对于所述多个输入电压波形或负载电流中的每一个,确定将整流电路中的谐波电流波形幅度保持在预定的电平之下所需的电感。

    本发明的再一个方面是提供一种包括电感器和电容器的整流电路,通过以下步骤来构成所述整流电路:确定电容器的电容;确定负载从整流电路中抽取的预定电流;采用谐振分析法、根据电感器的电感、电容器的电容、加到整流电路上的预定输入电压波形和由负载从整流电路中抽取出的预定电流来计算整流电路中的输入电流波形的表达式;确定构成整流电路中的计算的输入电流波形的谐波电流波形的幅度;为电感器提供这样的电感值,在该电感值下,构成整流电路中计算的输入电流波形的各谐波电流波形的幅度没有一个超过预定的电平;以及构成包含具有所提供的电感值的电感器的整流电路。

    所述电感器最好具有随流过其中的电流而变化的电感。

    为了更容易地理解本发明,下面将通过示例并参考附图来描述本发明的实施例,在附图中:

    图1是传统整流器的电路图;

    图2是具有附加的无源PFC电感器的图1所示整流器的电路图;

    图3是显示图2所示整流器的输入电压、电流波形和电容器两端的电压随时间的变化的曲线图;

    图4是图2所示整流器的第一工作时间间隔的等效电路的电路图;

    图5是图2所示整流器的第二工作时间间隔的等效电路的电路图;以及

    图6是在其替代的工作过程中图2所示整流器的电路图。

    如上所述,图1显示在大多数个人计算机电源中使用的传统的整流器1。整流器1包括具有正弦输入电压波形的电源2(如市电电源),它通过正向偏置的二极管整流桥4与负载3相连,此二极管整流桥只允许电流从电压输入端2流向负载3,而不允许反向的流动。两个串联的大容量电容器5与负载3并联连接。在从两个大容量电容器5到二极管整流桥4的输入端之间的某一位置处连接了电压选择开关6。可采用电压选择开关6来确定整流器是以“标准整流方式”(此时电压选择开关6断开)还是以“电压倍增方式”(此时电压选择开关6接通)工作。

    如上所述,整流器1的价格便宜并提供了使用上的灵活性。然而,它不符合谐波输入电流的要求。为了降低由整流器1引入到电源2中的电流谐波,可在二极管整流桥4和大容量电容器5之间引入无源PFC电感器,如图2所示。无源PFC电感器7包括两个绕组,每一个绕组与负载3的各端子之一串联连接。

    如果采用具有足够大电感的无源PFC电感器7,就可以将由整流器1引入到电源2中的谐波降低到预定的电平(例如通过适当的调整来设定所述电平)以下。然而,电感器本质上是体积较大的,希望采用可能的最小和最轻的电感器以降低整流器1的生产和运输成本。因此,重要的是知道将与整流器1一起使用的无源PFC电感器7所必须具有的性能。如上所述,如果无源PFC电感器7将在一定范围内的输入电压和/或负载电流下使用,那么其电感必须随流过其中的电流而变化。

    如上所述,整流器1从电源2中抽取固有的非正弦的电流,只有当电源2两端的电压超过大容量电容器5两端的电压时,电流才从电源2流向负载3和大容量电容器5。如果要精确地计算通过此电流的不规则流动而引入到电源中的电流谐波,那么就需要输入电流波形的表达式。此输入电流波形由大容量电容器5、无源PFC电感器7的物理性能以及电源的输入电压波形来确定。确定输入电流波形的一种方法是建立电流随时间或随输入电压波形的相角而变化的微分方程。可对这些微分方程进行求解以得到实际的输入电流波形。

    在本发明的实施例中,一旦已经建立输入电流波形,那么就需要计算构成输入电流波形的单个谐波电流波形。理论上存在这种谐波波形的无穷系列,然而实际上此系列的低次模式(即具有较长波长的波形)对电源电流具有更大的影响。因此,如果低次模式的谐波波形的幅度低于所需的电平,那么高次模式通常可忽略。可将输入电流波形还原成分量谐波波形的一种方法是采用傅立叶分析。

    无源PFC电感器7的电感必须选择成使得最强的谐波电流波形的幅度保持在所需的电平之下。显然,一旦其得以实现,就不会有其它的谐波电流波形具有高于所需电平的幅度。

    在本发明的一个实施例中,电源的负载周期分成两个时间间隔以供分析:第一时间间隔,其中电流从电源2流向负载3和大容量电容器5;第二时间间隔,其中没有电流从电源2中流出。在采用这种分析方法时,整流器1的“标准整流方式”工作被视为处于第一时间间隔。

    在图3中显示电源输入电压、流过无源PFC电感器7的电流(由I表示)和大容量电容器5两端的电压(由V表示)相对于时间的示意性表示。应当指出,当电源输入电压是光滑的和正弦的时,电流以短“尖峰”的形式流过无源PFC电感器7并流到大容量电容器5和负载3上。大容量电容器5两端的电压随着大容量电容器在电流从电源2流向负载3的期间充电而升高,随着大容量电容器5在没有此电流时在负载3上放电而降低,导致了在大容量电容器5上存在波纹电压(由图3中的Vr表示)。在图3上,各电源输入电压的半个负载周期中的电流从电源2流向负载3的那一部分标识为时间间隔1,而电源2的所述半个负载周期的剩余部分标识为时间间隔2。

    来看第一时间间隔,第一时间间隔始于电源输入电压的幅度超过大容量电容器5两端的电压。当这种情况发生时,二极管整流桥4开始导电,在无源PFC电感器7和大容量电容器5之间产生能量的谐振转移。当流过无源PFC电感器7(以及因而流过整流器1)的电流下降到零时,第一时间间隔结束。

    在图4中显示第一时间间隔的等效电路8,所述等效电路包括彼此串联的电源2、单个二极管9、无源PFC电感器7和负载3,以及与负载3并联的单个大容量电容器5。这些只是在第一时间间隔中所必须考虑的部件,这种等效电路的结构便于对整流器的性能进行分析。

    在第一时间间隔中流过无源PFC电感器7的归一化电流ii1n的初始状态为:

    ii1n(0)=0                              (1)

    其中

    ii1n(θ)=ii1(θ)vpkLeCe...(2)]]>

    ii1(θ)是在相角θ下流过无源PFC电感器7的实际(即未归一化的)电流,vpk是电源输入的峰值电压,Le是无源PFC电感器的有效电感(在标准整流方式下为4L,其中L是无源PFC电感器7的各绕组的实际电感),而Ce是大容量电容器5的有效电容(在标准整流方式下为C/2,其中C是大容量电容器5的实际电容)。

    此初始状态是自解释的,这是因为第一时间间隔于瞬时电流开始流过无源PFC电感器7时开始。

    在第一时间间隔开始时大容量电容器5两端的归一化电压vc1n的相应初始状态为:

    vc1n=vc0n                          (3)

    其中

    vc1n(θ)=vc1(θ)vpk...(4)]]>

    vc0n是大容量电容器两端的归一化初始电压,而vc1(θ)是在相角θ下的大容量电容器5两端的未归一化电压。

    如上所述,在第一时间间隔的末端,流过无源PFC电感器7的电流将再次下降到零,此归一化电流的最终状态为:

    ii1n(θ1)=0                               (5)

    其中θ1是第一时间间隔的角持续量(angular duration)。在第一时间间隔的最后,大容量电容器5两端的电压的最终状态为:

    vc1n(θ1)=vc1n                            (6)

    可以利用相角来建立关于流过无源PFC电感器7的电流和大容量电容器5两端的电压的变化率的微分方程,用于图4所示等效电路的归一化微分方程为:

    ddθii1n(θ)=sin(γ,θ+γ·θsc)-vc1n(0)...(7)]]>

    和

    ddθvc1n(θ)=ii1n(θ)-I1n...(8)]]>

    其中

    γ=ω/ωr                                 (9)

    ω是电源输入电压的角频率,ωr是整流器1的固有频率

    (ωr=1LC),θsc=1γ·asin(vc0n),]]>而I1n是归一化负载电流(假定为恒定的),其中

    I1n=I1vpkLeCe...(10)]]>

    I1是实际负载电流。在上述计算中关于负载电流I为恒定的假定一般说来在半个电源负载周期的时间量程上是成立的。在较长的时间量程上,由负载抽取的电流是可变的,对于计算机来说,此电流根据计算机内的硬盘驱动器的数量或计算机的处理器的动作而变化。显然,由负载3所抽取的电流幅度影响了流过整流器1的电流,对负载3可抽取的所有可能的电流来说,无源PFC电感器7必须将电流谐波抑制到预定的电平以下。

    方程7和8可采用拉普拉斯分析来求解,得到:

    ii1n(θωr)=cos(θ)[-I1n-cos(γ·θsc)(1γ-γ)]+sin(θ)[sin(γ·θsc)1-γ2-vc0n]+cos(γ·θ+γ·θsc∞)1γ-γ+Ipl(11)]]>

    和

    vc1n(θωr)=sin(θ)[-I1n-cos(γ·θsc)(1γ-γ)]-cos(θ)[sin(γ·θsc)1-γ2-vc0n]+sin(γ·θ+γ·θsc)1γ-γ2--(12)]]>

    如上所述,当流过无源PFC电感器7的电流下降到零(方程3)时第一时间间隔结束。θ1可通过将方程7设定为等于零来数值式地确定:

    θ1=ωrT1                          (13)

    其中T1为第一时间间隔的持续时间。

    再来看第二时间间隔,第二时间间隔在第一时间间隔结束时立刻开始。在第二时间间隔中,大容量电容器5由负载电流充电,如上所述,假定负载电流在输入电压波形的半个周期的持续时间内为恒定的。当电源输入电压升高到大容量电容器5两端的电压之上(即第一时间间隔再次开始)时,第二时间间隔结束。

    在图5中显示第二时间间隔的等效电路10,所述等效电路包括在负载3上放电的大容量电容器5,它们只是在第二时间间隔中必须考虑的部件。

    在第二时间间隔中流过无源PFC电感器7的电流的初始状态为:

    ii2n(0)=0                            (14)

    并且大容量电容器5两端的归一化电压的相应初始状态为:

    vc2n(0)=vc1n                         (15)

    应当指出,第二时间间隔的电流和电压的初始值与第一时间间隔的这些量的最终值相等。

    第二时间间隔的流过无源PFC电感器7的电流的最终状态为:

    ii2n(θ2)=0                          (16)

    其中θ2是时间间隔2的角持续量。实际上,对于本领域的技术人员来说很明显,根据定义,在整个第二时间间隔内此电流均为零。

    大容量电容器5两端的电压的最终状态为:

    vc2n(θ2)=vc2n                       (17)

    在第二时间间隔中利用相角的上述归一化电流和电压的变化率的归一化微分方程比上述第一时间间隔中的方程简单得多,其分别为:

    ddθii2n(θ)=0...(18)]]>

    和

    ddθvc2n(θ)=-I1n...(19)]]>

    求解这些微分方程,得到:

    ii2n(θωr)=0...(20)]]>

    和

    vc1n(θωr)=vc1n-I1n-θ...(21)]]>

    其中在第二时间间隔中流过无源PFC电感器7的归一化电流由下式给出:

    ii2n(θ)=ii2(θ)vpkLeCe...(22)]]>

    而大容量电容器5两端的归一化电压由下式给出:

    vc2n=vc2(θ)vpk...(23)]]>

    上面的方程以与第一时间间隔中所述的类似方式给出。

    当电源输入电压升高到大容量电容器5两端的电压之上以使二极管整流桥4开始导电时第二时间间隔结束,此条件可表达为:

    sin(γ·θsc+γ·θ1+γ·θ2)=vc2n(θ)    (24)

    因此,第二时间间隔(θ2)的角持续量为:

    θ2=ωrT2                                 (25)

    其中T2为第二时间间隔的持续时间。

    在整流器1的正常工作中,整流器1将处于稳态工作状态。当在电源2的输入电压波形的每一个半负载周期的末端存储在整流器1中的能量等于在此半负载周期的开始时所存储的能量时,可以实现稳态工作。在第二时间间隔中,流过无源PFC电感器7的电流总是为零,因此只须考虑存储在大容量电容器5中的能量。因此,如果在时间间隔2结束时大容量电容器5两端的电压等于时间间隔1开始时大容量电容器5两端的电压,那么稳态工作的条件即满足。根据方程(17)和(2),此条件可表达为:

    vc2n(θ2/ωr)=vc0r                       (26)

    在这种情况下,方程24可简化为:

    θ2=π/γ-θ1                            (27)

    假定已知γ和归一化负载电流的值,可对方程5,26和27进行数值求解,确定稳态工作点。

    一旦已经找到整流器1的稳态工作点,就可推导出相应的电源输入电流波形。此电源输入电流波形的归一化谐波分量可以通过方程11的傅立叶展开来确定:

    an(h)=2γπ(∫0θ1ii1n(θ)·cos(h.ω.θ)dθ)2+(∫0θ1ii1n(θ)·sin(h.ω.θ)dθ)2...(28)]]>

    其中an(h)是所述序列的第h次谐波的幅度。

    为了保证引入到电源中的电流谐波低于预定的电平,由方程28所确定的各谐波电流分量必须小于此预定的电平。实际上,最大电流谐波通常是第三谐波,几乎在所有的情况下只须考虑此谐波以建立可用于实现与给定调整相一致的最小电感值。为了符合适当的调整,必须满足下述条件:

    anRMS(3)≤Ilimn(h)·Pinn            (29)

    其中Ilimn是引入谐波电流的归一化极限,Pinn是传送给负载的归一化功率。

    因此,第三谐波的边界条件(即刚刚实现相符性的无源PFC电感)可表达为:

    Ilim(h)·Pinn=anRMS(h)             (30)

    其中

    Ilimn(h)=Ilim(h).2.230v...(31)]]>

    因子用于将此解答归一化。从此结果中可以计算出无源PFC电感器必须保证使输入电流谐波的幅度保持在所需电平之下的电感。

    因此可以看出,本发明的实例并未受到假定可忽略大容量电容器两端的波纹电压的上述缺点的影响,其采用建立流过无源PFC电感器7的电流和大容量电容器5两端的电压的模型的谐振方法。根据二极管整流桥的导电状态把每个半负载周期分成两个工作时间间隔,并且产生定义这些时间间隔中每一时间间隔的电路工作的微分方程。最好利用每个时间间隔的等效电路以便于产生这些微分方程。求解所定义的微分方程,使时间间隔边界上的所有状态变量的初始和最终条件等同起来,得到描述每个半负载周期上的整流器1的工作的方程组。最后,通过保证每个电源半负载周期末端的状态变量与此电源半负载周期开始时的初始值相等,计算出稳态工作点。

    应当指出,所述方法可以高精度地计算电源输入电流,并因此可以高精度地计算无源PFC电感器的所需电感-电流关系。

    应当指出,在上述分析中,假定:负载3从大容量电容器5中抽取的电流是稳定的;二极管桥是理想的,正向电压降为零且无开关损耗;所有无功分量都是理想的,不存在寄生损耗;并且电源阻抗为零。这些假定在正常工作中是有效的,只会带来非常小的不准确度。如果需要的话,在上述方法中可包括对任何这些假设的校正,应用这些校正属于本领域的普通技术人员的知识范围内。

    从上述计算出的稳态解答中可以确定用于无源PFC电感器7和负载3的许多重要设计参数。

    首先,可以计算出平均大容量电容器电压。这个量是很重要的,因为它使得能够计算传送给负载3的功率,所述功率是可以用来驱动整流器1为其中一部分的装置的功率。大容量电容器5两端的平均电压vcav由下式给出:

    vcav=ωπ(∫0θ1vc1(t)dt+∫0θ1vc2(t)dt)...(32)]]>

    因此,归一化的平均大容量电容器电压由下式给出:

    vcavn=γπ[∫0θ1vc1n(θ)dθ+(vc1n(θ1)-vc0n)2].(πγ-θ1)...(33)]]>

    传送给负载3的归一化功率(P1n)可表达为:

    P1n=Vcavn·I1n                   (34)

    其中

    P1n=p1vpk2LeCe...(35)]]>

    P1为负载3从大容量电容器5中抽取的实际功率,单位为瓦。

    在时间间隔1开始后的某种情况(θpk)下出现流过无源PFC电感器7的峰值电流。通过使流过无源PFC电感器7的电流相对于时间的一阶导数等于零,可以得到θpk:

    ddθii1n(θpk)=0...(36)]]>

    因此,归一化的峰值电流Iipkn可由下式给出:

    Iipkn=Ii1n(θpk)               (37)

    流过无源PFC电感器7的归一化均方根(RMS)电流IiRMS也可如下地确定:

    IiRMS=2T·in(t)2dt...(38)]]>

    因此,归一化RMS电流IiRMSn可由下式给出:

    IiRMSn=γπ∫0θ1ii1n(t)2dθ...(39)]]>

    其中

    IiRMSn=IiRMSvpkLeCe...(40)]]>

    最后,大容量电容器5两端的波纹电压可通过确定最小和最大的大容量电容器电压来计算,在第一时间间隔开始之后的某些情况下(θcmin和θcmax)、在流过无源PFC电感器7的电流等于传送给负载3的恒定电流时出现所述最小和最大的大容量电容器电压:

    Ii1n(θcmin,θcmax=Iin              (41)

    这样,最小和最大的大容量电容器电压vcmin,vcmax可由下式给出:

    vcmin=vc1n(θcmin)                   (42)

    和

    vcmax=vc1n(θcmax)                   (43)

    应当指出,上述量在整流器1的设计和制造中是很重要的,这是因为部件必须能承受可能在整流器1中产生的峰值电压和电流,然而必须又不能过大或过重。

    下面将描述对“电压倍增方式”下的整流器1的分析。如上所述,整流器1的电压倍增方式由接通电压选择开关6来选择。

    电压倍增方式下的整流器1包括两个半波整流电路11,12,如图6所示。每个半波整流电路11,12包括一个大容量电容器5,包含在第一和第二整流电路11和12中的所述大容量电容器5在图6中分别以标号5a和5b表示。在电源负载周期的正半周期中,第一半波整流电路11对其中的大容量电容器5a进行充电;而在电源负载周期的负半周期中第二半波整流电路12对大容量电容器5b进行充电。由第二半波整流器12所产生的输出电压与由第一半波整流器11所产生的输出电压相同,然而具有相反的极性且相移为180度。

    每个半波整流器11,12的等效电路与图4和5中所示的相同。因此,针对用于整流器1的标准整流方式的第一和第二时间间隔而推导出的所有上述方程均适用于这些等效电路,例外之处是由于无源PFC电感器绕组和大容量电容器5a,5b不再串联,因此情况为下述:

    Le=L                         (44)

    和

    Ce=C                         (45)

    如上所述,当在每个电源的半负载周期的末端所存储的能量等于在此半负载周期开始时所存储的能量时,可以实现稳态工作。此条件可表达为:

    vc2n(θ2ωr)=vc0n...(46)]]>

    在这种情况下,方程19可简化为:

    θ2=π/γ-θ1                (47)

    采用与上述类似的方式对方程5,41和42进行数值求解,确定稳态工作点,这里假定已知γ和负载电流的值。

    采用从求解这些方程所得到的值,可求解方程28以得到电源输入电流波形的归一化谐波分量,并且如上所述,可以确定与给定调整相一致所需的无源PFC电感器7的电感。采用与上述类似的方式可以从上述方法所得到的稳态解答中计算出整流器1的设计所需的重要参数,对本领域的普通技术人员来说很明显,可以容易地计算出输入功率、峰值和RMS电感器电流以及大容量电容器的电压幅度。

    应当指出,一旦对标准整流方式和电压倍增方式进行了上述分析,就可容易地确定无源PFC电感器7必须与任一方式的谐波电流调整相一致的电感-电流关系,这样就可在整流器1中包括具有在适当值的输入电流下为最小电感(因而具有最小的尺寸和重量)的无源PFC电感器。

    虽然上述示例描述了本发明在特定情况下的应用,然而对于本领域的普通技术人员来说很明显,所述方法也可用于任何输入电压波形和幅度,可以容易地计算出对于给定范围内的电源输入而言的无源PFC电感器7的所需电感和流过其中的电流之间的关系。

    在此说明书中,“包括”(comprises)指“包含或由...构成”,而comprising也指“包含或由...构成”。

    在上述说明书、所附权利要求书或附图中公开的以它们的具体形式或针对用于执行所公开功能的方式来表达的特征以及用于实现所公开结果的方法或过程在适当的时候可单独地或作为这些特征的组合而用于以多种形式来实现本发明。

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一种用于确定将整流电路中的各谐波电流波形的幅度保持在预定的电平之下所需的电感的方法,整流电路包括电感器和电容器,可从可变电源中抽取功率并将功率提供给负载,所述方法包括以下步骤:采用谐振分析法根据电感器的电感计算在将预定的输入电压波形加到整流电路上时整流电路中的输入电流波形的表达式,电容器具有预定的电容,负载从整流电路中抽取预定的电流;确定构成整流电路中的所计算出的输入电流波形的谐波电流波形的幅度;。

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