由交流电源供电的设备和方法 本发明涉及了电压变换器领域，更具体而言是将交流电压转换为连续电压或直流电压这一领域。更确切地说，本发明涉及了测量最小输入电压的装置和方法，变压器TR1的电流主要由两个填谷电路12，14中的电容供给。
IEC1000-3-2是公开由交流电压源向等级为A的装置供电的电压输入和电流输入特性的标准。这样的装置在DE-A-4 243 943和其他的一些出版物中进行了详述。这些出版物中描述的电路包括一个电容，当电源电压绝对值超过电容上的电压时对该电容充电，当电源电压绝对值低于该电压时该电容放电。
另一个实现上述标准要求的装置在文章“具有快速调节输出电压功能的单阶隔离功率因数调整器的新家族”中论述了，作者R．Rdell，L．Balogh，N．O．Sokal，PESC94，第1137-1144页。该文献主要涉及了如何将两个开关合并成一个开关。该文献公开了一些不同的变换器电路。这些电路之一是一个电压变换器，它包括整流桥，其一个输出端接线圈，该线圈依次地接到填谷电路。填谷电路连接到一个有三个绕组的回扫变换器。可控开关连接在整流桥的另一输出端和线圈与填谷电路的结点之间。该电路地功能是当开关关断时，电源电压向两个电容充电。当开关闭合时，线圈的一端接地，整个电源的电压在此刻加到线圈之上。两个电容同时并联地通过它们相应的绕组放电，这样在第三个绕组上产生一个电压，该电压用来产生直流电压。在该电路中，线圈是以间断导通方式(DCM)驱动的，换句话说，它将存储的所有能量传送到两个电容上。如果绕组以连续导通方式(CCM)工作，并且变换器连接到只吸收少量电流的负载上，那么电容的放电速度不会与其通过线圈充电的速度相同。这使得电容上有升压，相应地影响了控制开关的脉宽。电容上电压可能会很大，需要使用大容量和大功率电容，或需几个备用电容。另一方面，还需要大电压保护以限制该电压。这些方法所描绘的电路相对昂贵。这个问题还可以通过进一步使用控制回路来调整，虽然这个方法需要进一步控制开关，该开关与第一个开关比较需要不同的控制。这也增加了装置的费用。
本发明通过以下事实解决了这个问题，即在变换器中包括变压器，至少一个电感，至少一个填谷电路来获得大功率因数，并且同时，在小负载情况下的连续导通方式很好地实现了由交流电源向以IEC1000-3-2为标准的装置提供输入电压和输入电流的要求。
通过在变压器初级绕组相同的电流回路中连接一个可控开关的方法来解决这个问题，这样，传送到初级绕组的能量不只来自于填谷电路而且通过电感器来自电源。这使得向填谷电路中的电容充电的电压在小负载和连续导通方式下可控制，使其不会过大。
本发明的目的是提供一个由交流电源供电的电路和方法，该方法可提供大功率因数并实现了IEC1000-3-2标准要求的输入电压和输入电流的特性，其功能在连续导通方式和小负载情况下可很好实现。
本发明的电路装置包括至少一个连接在整流桥和第一填谷电路之间的电感，和一个变换器。变换器包括一个变压器，该变压器的初级绕组在这样一个回路中，即由整流桥的一个输出端连接到电感和填谷电路之间的结点。该回路还包括一个可控开关。
根据本发明，当电源电压的绝对值大于或等于最大过渡电压时，向含有一个初级绕组的变换器供能的方法包括几个步骤。在电源的正半周期时，过渡电压包括第一电容串联电路中至少一个第一电容上的电压。第一电容还包括在第一填谷电路中，该电路包括至少两个电容。在第一填谷电路中的每个这样的电容还包含于相应的电容串联电路中。在电源的正半个周期里，该方法包括以下几步：a1)向至少一个电感，和任选的第一填谷电路中串联的电容提供能量，d1)由电源通过电感向初级绕组供能，其与初级绕组上的电压有关，并且由获得最大过渡电压的所有电容串联电路并联地向初级绕组供能，这样由电源提供的能量总量与初级绕组上的电压有关。
本发明的另一个目的是提供这样一个装置和方法，即提供给变换器一个软模式，通过这种方法使输入电流产生较少的谐波，更有效地给变换器供能。
本装置还包括一个第三电容，它并联在前述的回路中。
在本方法中，步骤a1)还包括给不含于填谷电路中的第三电容供能，当第三电容上的电压高于最大过渡电压时，还有步骤b1)，它包括由第三电容和由电源通过电感向初级绕组供能，直到第三电容上的电压降至最大过渡电压。步骤d1)还包括由电容串联电路与第三电容并联地提供能量。
本发明的另一目的是提供一个装置，该装置根据前述的原则实现其功能，当一个电源的电压值约为另一个电源的电压值的一半时，由两个互补的不同的交流电压源传送给变换器基本上相同的电压。
本目的可以由这样一个发明装置实现，即该装置在整流桥的另一输出端和回路之间连接第二个电感，在第一填谷电路的第二端和回路与第二电感的结点之间至少连接一个第二填谷电路，在整流桥输入端和两个填谷电路的结点之间再连接一个开关。
本发明的优点是发明的装置中填谷电路上的电压通过第一和可选的第二电感上的电流控制，这样在小负载和连续工作方式下电压不会波动。
另一优点是发明的装置中的变压器只有两个绕组，不需要有大电压保护或附加电容来保护电路过量程，当装置工作于小负载连续导通方式下，该装置较价廉。
填谷电路由一些电容组成，它们以这样的方式连接，即所有电容彼此串联地同时充电，但当每个电容上的电压相同时，它们并联地放电。电容串联电路是由电容组成的电路，其中每个电容包含于相应的填谷电路中。电容串联电路可以只包含一个电容或包含几个电容。最大过渡电压是指电容串联电路中的一个电容或所有电容上的电压高于或等于其他电容串联电路上相应电压的电压。
本发明的详述参照相应的附图，其中：
图1的电路图说明了本发明电路的第一个实施方案。
图2A所示曲线说明了图1的电路中的可控开关上的电压在开关频率下随时间的变化。
图2B所示曲线说明了与图2A的电压相应的电流随时间的变化。
图2C所示曲线说明了图1所示的第三电容上的电压随时间的变化，这些曲线对应图2A和图2B所示的曲线。
图3A所示的曲线说明了在电源频率下由交流电源向图1的电路供电的全波整流输入电压和输入电流随时间的变化。
图3B所示的曲线说明了在电源频率下电源的全波整流输入电压和第三电容上的电压随时间的变化。
图4的电路图说明了本发明的装置的第二个实现方案。
图1说明了本发明的装置的第一个实现方案。该装置包括整流桥D1，其两个输入端接交流电源，得到输入电压Vin。整流桥D1的一个输出端经过电感L1接到填谷电路10的第一端，另一输出端接填谷电路10的第二端。电感L1也称为泵式扼流圈，最好由线圈构成，填谷电路或相应的充放电电路包括串联充电并联放电的电容。在本实现方案中，填谷电路10包括第一电容C1，它经过第一二极管D3与第二电容C2连接。第一电容C1连接到填谷电路10的第一连接端，第二电容C2接电路的第二连接端。第二二极管D2连接在填谷电路的第一连接端和第一二极管D3与第二电容C2的结点之间，第三二极管D4连接在填谷电路10的第二连接端和第一电容C1与第一二极管D3的结点之间。当整流桥D1输入端上的电压的绝对值和电感L1上的电压之和大于第一电容C1和第二电容C2上的电压之和时，两个电容为串联，而当该电压低于相应的电容C1和C2上的电压时，两个电容接为并联。
第三电容C3接在填谷电路10的两端，第三电容C3并联接于回路中。该回路包括变压器TR1的初级绕组和可控开关SW1。可控开关SW1最好为PWM可控的三极管。变压器TR1的次级绕组的两端接第四二极管D5和与其串联的第四电容C4之间。变压器TR1、第四二极管D5和第四电容C4一起组成了一个回扫型变压器。当该装置与交流电压源连接时，在整流桥D1输入端得到电压Vin。当电压Vin与填谷电路10中连接的二极管D2，D3，D4相同时，电压使装置中的输入电流Iin升高，该电流以箭头表示在整流桥D1和电感L1之间。输入电流Iin主要流向第一电容C1和第二电容C2，并由电容C1，C2的电流给变压器TR1，D5和C4供能，这样在第四电容C4两端得到直流电压Vout，C4用来给连接于该发明的电路的负载提供电流。图1中还示出了第三电容C3上的电压VC3和流经可控开关SW1的电流ISW1和可控开关SW1上的电压VSW1。这些参数将在下面叙述电路功能时详细叙述。
图2A所示为变换器在恒定频率下几组互补的不同幅度的输入电压情况下，可控开关SW1上的电压VSW1与时间t的关系。在图中两个电压电平以虚线表示，最大输入电压U在上方显示，最大输入电压的一半1／2U在下方显示。该图说明了开关SW1导通和关断的开关结果。当开关导通时，电压为0V，当开关关断时，开关上有相对高的电压。由图中可见，由于PMW可控，开关的电流导通时间随着开关上的电压Vsw1变化。当开关为关断时，由于存在回扫变换器的输出电压的镜象结果产生的附加分布电压，使开关SW1上的电压Vsw1有时高于最大输出电压U。当开关为关断，电压首先瞬间立即增加到超过电压源输出电压的最大值一半1／2U，然后随着时间以一定的曲线线性地增加。电压线性增加之后是第三电容C3放电，下面将详述。
图2B所示的是在不同的开关导通时间下流经可控开关的电流Isw1与时间t的关系。只有当开关导通时，可控开关SW1导通，在每个周期内，由每个电流脉冲向变换器传递的能量总量基本相同。
图2C所示为第三电容C3上的电压VC3与时间t的关系。图中所示是该电压的最大值在电源的最大电源电压一半1／2U和最大电压U之间的变化，虽然在实际中由于第一电感L1上存储了能量，可能会使电压稍高于U。除了图2A中由于有镜像分布的结果存在了较高电平，当开关SW1电流导通时，第三电容C3上的电压VC3较慢地降到最大输入电压的一半1／2U，而开关SW1上的电压立即降为0V，由于存在这一特性使图2A和2C中的电压曲线有所不同。
所有曲线显示了与可控开关SW1开和关情况下的不同时间间隔的关系，这些时间点在所有的图中以垂直的虚线表示。图中所示的时间间隔比电压源的时间周期短。相应地，为了说明在不同的恒定输入电压值情况下的变化，图中还示出了一些不同的电压和电流曲线。
图3A说明了交流电压源的输入电压绝对值(Vin(和输入电流Iin随时间的变化。当然，这一绝对值就是整流桥的输出端上得到的电压值。输入电压绝对值在图中以虚线表示，输入电流绝对值以实线表示。耗电电流相对较大，导致较大的功率因数，本文中的功率因数约为0．92，图中还以点线示出了最大电源电压电平U和最大电压的一半1／2U。图3B示出了相同的输入电压的绝对值和电容C3上的电压VC3与时间的关系。与图2不同，图3所示为电压源的频率间隔下的电容C3上的电压VC3随时间的变化，即图中示出了电压的周期T，其中图2C中所示的电压变化在图3B中以垂直的虚线表示。图2和图3中所示的所有曲线在装置中连接一个相同的负载。
图1中的装置的功能描述可参照图2和图3。
图1中所示的第一和第二电容C1和C2有相同的电容值，且比C3的电容值大得多。例如，C3的电容值比第一和第二电容的电容值小1000倍。假设装置工作于稳定方式，换句话说，第一和第二电容C1和C2都已充电到电源的最大电压值的一半，电路将根据以下相互连续的步骤工作：
a1)当电源电压的绝对值(Vin(大于电源电压的最大值的一半1／2U，并且开关SW1关断时，电源向装置供给电流。第三电容C3和可能还有第一和第二电容C1和C2直接由电源的能量和早先存储在电感L1上的能量充电。当电源电压的绝对值(Vin(足够大，其与L1上的电压的总和高于第一和第二电容C1和C2上的电压时，第三电容C3将充电至该电压值，并且第一二极管D3导通向第一和第二电容C1和C2充电，如图2C中上方的三条电压曲线所示。当输入电压的绝对值(Vin(在最大输入电压一半1／2U和最大输入电压U之间时，第一和第二电容C1和C2被放开，只有第三电容C3被充电，如图2C中下面第二条曲线所示。
a2)当开关SW1导通时，变压器TR1最初吸收的电流来自于电源并经过第一电感L1和第三电容C3。第三电容C3上的电压VC3下降。如果VC3上的电压保持为足够高，即不会降到最大输入电压的一半1／2U，那么，能量只由电源经电感L1和第三电容C3传向变压器TR1和变换器，如图2C中上方的两条电压曲线所示。
b)另一方面，如果电压VC3在开关SW1的状态再次改变以前降到最大电源电压一半1／2U，如图2C中的第二、第三条曲线所示，第二和第三二极管D2和D4将导通，第一和第二电容C1和C2也将向变压器TR1传送电流。
变压器所需的电流量与跨接在第四电容C4的两端的负载大小有关，并且第三电容C3上的电压下降速度随其变化。对应于电源电压绝对值(Vin(和第三电容上的电压VC3之间的差电压加在第一电感L1上。该电压的最大值为电源电压最大值的一半1／2U。这样，能量存储在第一电感L1上并且该能量或该能量的一部分随后给C1、C2和C3三个电容充电。该能量将根据第三电容C3上的电压即变换器输入上的电压变化，并且当可控开关SW1关断时，电容C3上的电压VC3越高，该值将降低。当然，电压VC3与电容C3上的电流量有关。这防止了向C1、C2、C3三个电容充电的电压波动。
当输入电压的绝对值(Vin(瞬时地低于最大输入电压的一半1／2U时，电源的能量不传送出，如图3A和图3B所示。在整个的开关周期内第二和第三二极管D2和D4保持导通，第一和第二电容C1、C2并联。当可控开关SW1为导通时，由第三电容C3和并联的第一和第二电容C1、C2向变压器TR1传递能量。这样，第三电容C3上的电压将保持为最大输入电压的一半1／2U，如图3B和图2C中最下方的曲线所示。
正如图3A中所见的，输入电流的特性很好地满足了标准IEC1000-3-2的要求。
正如上面提到的，图3B说明了图2B中所示的电压在电源频率下相应的电压值。正如图中可见到的，当输入电压低于1／2U时，第三电容C3上的电压VC3基本恒定在最大输入电压的一半1／2U。同时，当输入电压绝对值大于最大输入电压一半1／2U时，第三电容C3上的电压VC3由最初的最大输入电压一半1／2U的这一最低值相对缓慢地变化到最大电源电压一半1／2U和稍大于最大输入电压U之间的较高值。电压值会高于最大输入电压U的原因是电感L1将电压推到高于此电压的电压值。电压VC3在这些不同的值之间变化相对快，如垂直的虚线所示。电压的最低值在一半周期T／2的中间位置有一波峰，即电压上升到高于最大输入电压的一半。该波峰的特性与第三电容C3的大小有关。C3值大，波峰较宽，C3较小，波峰较小。在一些情况下，第三电容C3可以省去。这样就没有波峰，电压将立刻降到最大输入电压的一半1／2U。图2C所示的相应的曲线的特性也会不同。当导通开关SW1时，对应于VC3的电压将立即降到最大输入电压的一半。
本发明的装置的另一可想到的变化是，第一和第二电容不是相同的，而是有不同的电容值。这样，由于电容上有不同的电压值，一个电容将在另一个之前导通。其结果是在上述方法中的步骤b1)和d1)之间增加了步骤c1)。该步骤c1)是当第三电容上的电压降到(例如)第一电容上的最大过渡电压时，第一电容和第三电容并联导通，直到第一电容上的电压(和第三电容上的电压)由于第一电容导通降到第二电容上的电压之后，第一、第二、第三电容并联地给负载供电。
另一个变化是填谷电路包含几个电容，它们串联充电，并联放电。例如，当第一二极管连接在第二电容C2和填谷电路10的第二个接点之间且串联一个电容，并且当第二和第三二极管分别由填谷电路的第一、第二接点接到第一二极管和电容之间的结点和第二电容C2和第一二极管之间的结点时，填谷电路的三个电容串联充电，并联放电。
当然，填谷电容同样地可包含更多的电容。但是，当三个电容大小一样或电容值一样时，该电路中第三电容C3上的电压在电源的最大电压和最大电压的三分之一之间变化。但是如果用四个电容，其电压将在最大电源电压和最大电压的1／4之间变化，以此类推。
当然，在填谷电路中可以用三个或更多个不同电容值的电容。
另外，可以在整流桥两输出端增加一个滤波电容以防止来自电源的纹波。
图4说明了本发明的进一步的实施方案。该装置用于欧洲和美国供电网，在两种情况下传送给变压器TR1的电流基本相同。如图1所示的实施方案，本装置包括一个整流桥D1，它的一个输出端经第一电感L2连接到第一填谷电路12的第一端。类似于图1中的填谷电路10，填谷电路12包括两个电容C5，C6和三个二极管D7，D6和D8，它们分别对应于第一、第二电容C1、C2和第一、第二和第三二极管D3，D2和D4。第二填谷电路14的第一端接第一填谷电路12的第二端，其中第二填谷电路14与第一填谷电路12相似，包括两个电容C7和C8和三个二极管D10、D9和D11，它们对应于第一、第二电容C1和C2，和第一、第二、第三二极管D3、D2和D4。第二填谷电路14的第二端经第二电感L3与整流桥D1的第二输出端相连。电感L2和L3可绕在同一铁芯上。第三电容C3接在第一填谷电路12的第一端和第二填谷电路14的第二端之间，它比填谷电路12、14中的电容小得多。包含变压器TR1初级绕组和可控开关SW1的回路与第三电容C3并联耦合。类似于图1的变压器，变压器TR1包括一个回扫型变换器，它也包括一个二极管D5和电容C4。第二开关SW2也接在整流桥D1的输入端和第一、第二填谷电路12、14的结点之间。
图4所示的装置的功能将叙述如下。第二开关SW2为一个手动开关，当装置连接到以前未设置的电压源时，它可改变位置或状态。当装置连接到欧洲供电网时，第二开关SW2关断，当其连接美国供电网时，第二开关导通。
当第二开关SW2关断时，装置的功能与图案所描述的电路相同，其中第一、第二填谷电路12、14的功能与单个的填谷电路相同。填谷电路中的所有电容串联充电，虽然当电容放电时，第二填谷电路中的电容C8、C7彼此并联放电，但是它们与第一填谷电路12中的电容C5、C6串联，而且C5、C6也彼此并联放电。可见，虽然第一填谷电路中的每个电容与第二填谷电路中的相应电容一起组成了电容串联电路，但是，这些电容串联电路彼此并联放电，与图1中的电容放电的方法相同。当这个观点应用于第一实施方案时，可以这样说，第一实施方案包括几个电容串联电路，但是每个电容串联电路只包含一个电容。
当第二开关SW2导通时，电路的工作稍有不同。例如，在电源周期的第一个半周期内，第一填谷电路12激活，在电源周期的第二个负半周期内，第二填谷电路14激活。如果第一填谷电路12以静态方式激活，第二填谷电路14恒定输出的电压为最大输入电压的一半。第一填谷电路12中的每个电容充电到最大输入电压一半的电压值，当输入电压基本达到最大值时，这些电容充电，当输入电容为最大输入电压的一半时，电容放电。虽然输入电压的关系不同，第三电容C3上的电压变化特性与图2和图3中叙述的相同。电压在输入电压峰值的1．5倍的最大电压值和约等于输入电压的峰值电压之间变化。当输入电压高于最大输入电压的一半时，装置以下面几个步骤顺序工作：
a1)当第一开关SW1关断时，第三电容C3和可能还有第一填谷电路12中的电容C5、C6由主电网经两个电感L2和L3充电。
b1)当第一开关SW1导通时，第三电容C3及电源经电感L2和L3向变压器TR1提供电流。
d1)当第三电容C3上的电压降为近似于第一填谷电路12中电容上的电压与第二填谷电路14中的电容上的电压之和时，变换器由主电网经两个电感L2、L3供电，还由第三电容和两个填谷电路中的所有电容供电，其供电特性就是当第二开关SW2关断时，装置中的两个填谷电路中所有电容的放电的方式。
当输入电压低于最大输入电压的一半并大于零时，变压器TR1供电电流主要来自两个填谷电路12、14中的电容。
当输入电压低于0V并且低于最小输入电压一半时，装置按下列步骤工作：
a2)当第一开关SW1关断时，第三电容C3和可能还有第二填谷电路中的电容C7、C8由主电网经两个电感L2和L3充电。
b2)当第一开关SW1导通时，变压器TR1由第三电容C3及电源经电感L2和L3提供电流。
d2)当第三电容C3上的电压降到约等于第一填谷电路12中的电容电压与第二填谷电路14中的电容电压之和时，变换器由主电网经两个电感12、13供电，还由第三电容和第一、第二填谷电路中的所有电容供电，其供电特性就是当第二开关SW2关断时，装置中的两个填谷电路中所有电容的放电的方式。
当输入电压低于0V和小于最小输入电压的一半时，变压器TR1的电流主要由两个填谷电路12、14中的电容供给。
当然，图4中说明的装置可以用图1装置中提及的同样的方法改变，但是，如果该实施方案用HF滤波电容，在整流桥D1的输出端接两个串联电容，其中两个电容之间的结点连接到整流桥D1的输入端，该端与第二开关SW2连接。而且，在整流桥输出端之间还可连接多于两个填谷电路。很显然，本发明不限制只使用回扫式变换器这一类型，其他类型的变换器也可用，如推挽式变换器或前向式变换器。
图4装置的更进一步的变化，即除去第二开关SW2和与其连接的整流桥的接腿。这样，两个填谷电路的结点直接与交流电压源的一端相连。
很显然，最后所述的电路不局限于美国供电网。