專利名稱：節(jié)能電力控制裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及節(jié)能電控制器。具體來講，本發(fā)明涉及降低電感-損 耗型(inductive陽dissipative)負(fù)荷及電感-電阻型(inductive-resistive)負(fù)荷的電能損耗的節(jié)能電能控制裝置和方法。
背景技術(shù)：
在當(dāng)今社會，保護(hù)和合理使用能源是極其重要的。具體來講，對 于電力而言，需求在持續(xù)增加，并且在許多地區(qū)資源己變得緊張。因 此，近幾年來己經(jīng)開發(fā)了許多裝置來減少用電負(fù)荷的電力消耗。當(dāng)使用諸如鎮(zhèn)流式(ballasted)氣體放電燈或者電動機(jī)之類的電 感損耗型負(fù)荷的時候，去除交流基波功率的每一半周期中的一部分會 在功率系數(shù)方面引起顯著下降。功率系數(shù)是有效功率與表觀功率的比 值，其可以表示為t[r,/,—")]功率系數(shù)=^-汰人]0其中V。二諧波n的電壓， 1。4皆波n的電流，9 n =諧波n中的電壓和電流之間的相角， n-諧波次數(shù)。在純電阻性的負(fù)荷中，電壓和電流始終同相，因此功率系數(shù)不是
問題。然而，在電感損耗型負(fù)荷和電感電阻型負(fù)荷(包括具有電感負(fù) 荷性質(zhì)的電路，諸如鎮(zhèn)流熒光燈及其他氣體放電燈系統(tǒng))中，線路電 壓和負(fù)荷電流在一定程度上幾乎始終異相，因此即使是在供給電源不 中斷的情況下功率系數(shù)也通常小于l。隨著功率系數(shù)減少，電感損耗 型和電感電阻型負(fù)荷的效率也隨之減少。這一點(diǎn)對于商業(yè)和工業(yè)用電 用戶尤其重要，因?yàn)槌涣脊β氏禂?shù)對于功率消耗的消極影響以外， 許多電力公司在功率系數(shù)低于規(guī)定級別的時候按更高費(fèi)率來收費(fèi)。例如1995年10月3日授予Hajagos等人的第5455491號美國專利描 述了一種供鎮(zhèn)流熒光燈使用的節(jié)能控制電路，該專利通過引用并入此 處，以供參考。該電路包括可連接到替代電路電源的電力電路，以及 控制電路，其包括用于對電力電路中的雙向開關(guān)的操作進(jìn)行定時的裝 置，從而在電源的每一半周期期間，該開關(guān)向負(fù)荷提供預(yù)定時間的電 力，并且在每一半周期期間內(nèi)將供給負(fù)荷的電力切斷一次。這種電路 減少了功率消耗，因?yàn)樵诿恳话胫芷诘那袛嚯娏Φ拈g隔期間，負(fù)荷不 消耗來自電源的功率。然而，在Hajagos等人的方案中，所述開關(guān)電路 在電源頻率的每一半周期期間僅僅中斷電源一次。盡管該切換電路對 于定時有相當(dāng)大的余地并且是很基本的，但該控制電路系統(tǒng)的有效性 受到限制。在1982年9月21日授予Spira等人的第4350935號美國專利也描述了 一種供放電燈使用的節(jié)能控制電路，該專利通過引用并入此處，以供 參考。Spira等人的發(fā)明按與Hajagos等人發(fā)明非常類似的方式來工作， 但是Spira等人在電源的每一半周期期間多次中斷電源。這是一種比 Hajagos等人描述的電路更加有效的控制電路，然而其引起了切換問 題。 一般來講，很重要的是要確保在對負(fù)荷供電的時候，用于在中斷 間隔期間將電流循環(huán)回到該負(fù)荷的開關(guān)的不相配元件不導(dǎo)通足夠長的 時間，這是因?yàn)闆_擊電流將破壞電路元件。因此，必須在不僅考慮電 源和中斷間隔的持續(xù)時間、而且還考慮開關(guān)裝置的延遲時間(latency) 的情況下，對切換進(jìn)行非常仔細(xì)地定時。這是使得Spira等人的控制電 路難以如所述的那樣實(shí)現(xiàn)的一個實(shí)際問題。因此，有益的是提供一種用于電感損耗型負(fù)荷或者電感電阻型負(fù) 荷的控制電路，其可以在電源的每一半周期期間多次中斷電源，而不 會產(chǎn)生在由于定時重疊或開關(guān)延遲時間特性引起切換時破壞電路元件 的風(fēng)險。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供了一種用電負(fù)荷控制器，其降低電感損耗型負(fù)荷或者 電感電阻型負(fù)荷的電能損耗，而不在功率系數(shù)方面產(chǎn)生任何大幅度減 少，所述負(fù)荷例如包括熒光燈，并且包括已經(jīng)與電感器耦合的純電阻 負(fù)荷。本發(fā)明的方法和裝置在交流主電源頻率的每一半周期之內(nèi)的多 個間隔期間中斷對于該負(fù)荷的交流電源供應(yīng)。在電感損耗型負(fù)荷或者 電感電阻型負(fù)荷的情況中，交流電源的每一次中斷都會使負(fù)荷產(chǎn)生瞬 時電壓浪涌，除非為該電流建立一條路徑，在中斷間隔期間，由此將 電流循環(huán)到該負(fù)荷。如在現(xiàn)有技術(shù)中那樣，本發(fā)明通過提供用于控制到負(fù)荷的電壓的 雙向電力開關(guān)以及雙向電流循環(huán)開關(guān)來實(shí)現(xiàn)這一 目的，該雙向電流循 環(huán)開關(guān)選擇性地導(dǎo)通電流循環(huán)開關(guān)的相配元件，在電壓中斷間隔期間 使電流經(jīng)過該負(fù)荷循環(huán)。提供控制模塊，該控制模塊包括按照等于交 流主電源頻率的選定倍數(shù)的頻率工作的振蕩器，具有用于去活(deactivate)電力開關(guān)的工作周期控制電路以及附加電路，該附加電 路用于大致在負(fù)荷的電壓和電流兩者具有相同極性的期間確定和激活(active)所述電流循環(huán)開關(guān)的相配元件。根據(jù)本發(fā)明，僅僅在瞬時電壓和瞬時電流具有相同極性的交流主 電源頻率部分期間執(zhí)行切換。在包含電壓和電流交叉點(diǎn)的間隔期間，電力開關(guān)可以在兩個方向上處于"導(dǎo)通"，該間隔期間內(nèi)電壓和電流 具有相反極性，在這里被稱為"交叉滯后區(qū)域"?；蛘咛鎿Q地，電力
開關(guān)也可以按照振蕩器頻率來切換，電流循環(huán)開關(guān)的兩個元件被相反 地切換，從而在交叉滯后區(qū)域期間不產(chǎn)生足夠大的"導(dǎo)通"時間重疊。同時，因?yàn)樵诮徊鏈髤^(qū)域外部，僅僅是電流循環(huán)開關(guān)的相配元 件在電源"導(dǎo)通"間隔期間保持導(dǎo)通，因此不可能存在經(jīng)由電流循環(huán) 開關(guān)的電源短路。另外，因已經(jīng)可用循環(huán)電流開關(guān)使循環(huán)電流流動， 在電力開關(guān)從"導(dǎo)通"向"切斷"轉(zhuǎn)換的時候，不會產(chǎn)生瞬變電壓。在交叉滯后區(qū)域內(nèi)部，電壓和電流的水平很低，以至于交叉?zhèn)鲗?dǎo) 電流和/或瞬變沖擊電壓通常不足以影響開關(guān)電路組件。在交叉滯后區(qū)域外部，同時將電力開關(guān)切換為"導(dǎo)通"并令相配 的循環(huán)開關(guān)元件處于"導(dǎo)通"，這使得當(dāng)電力開關(guān)被切斷的時候無縫 切換到"切斷"狀態(tài)，這與延遲時間完全無關(guān)，因此這顯著地簡化了 開關(guān)驅(qū)動器的定時電路。應(yīng)理解的是，電源和電流循環(huán)開關(guān)的相配元件的"導(dǎo)通"狀態(tài)可 以略微延伸到交叉滯后區(qū)域中，并且本發(fā)明將以相同的方式來工作。只要電源和電流循環(huán)開關(guān)的相配元件同時處于"導(dǎo)通"狀態(tài)的起 點(diǎn)和終點(diǎn)均被選擇在這樣的電壓和電流波形位置之內(nèi)，其中電壓和電 流充分低以致交叉?zhèn)鲗?dǎo)電流和瞬變沖擊電壓不足以影響開關(guān)電路組 件，則本發(fā)明將如所述那樣來工作，以減少負(fù)荷的功率損耗。此外，本發(fā)明的裝置動態(tài)地對負(fù)荷方面的變化(例如，隨著開燈 或關(guān)燈)作出反應(yīng)，并自動地調(diào)節(jié)新的功率系數(shù)。因此，本發(fā)明提供了一種用于連接到具有電源頻率的交流主供電 電源和交流負(fù)荷的電能控制裝置，其包括雙向電力開關(guān)，其能夠按 作為電源頻率倍數(shù)的切換頻率來切換，串聯(lián)連接在交流主電源和負(fù)荷 之間，并具有兩個串聯(lián)連接但極性方向相反的開關(guān)元件，每一開關(guān)元 件均具有"切斷"狀態(tài)，在該狀態(tài)中開關(guān)元件基本上阻塞一個方向上 的電流；雙向電循環(huán)開關(guān)，其能夠按所述切換頻率切換，并聯(lián)地連接 到負(fù)荷，包括兩個串聯(lián)連接但極性方向相反的開關(guān)元件，每一開關(guān)元 件具有"切斷"狀態(tài)，在該狀態(tài)中該開關(guān)元件基本上阻塞一個方向上 的電流；以及控制模塊，用于控制所述各開關(guān)，包括按所述切換頻率 工作的振蕩器，控制振蕩器的工作周期控制電路，所述工作周期由基 準(zhǔn)信號控制并且具有高部分和低部分，電力開關(guān)驅(qū)動器，配置其用于 在工作周期的高和低部分的其中之一期間將電力開關(guān)的一個元件"導(dǎo) 通"，而在工作周期的高和低部分的另一個期間將電力開關(guān)的所述一 個元件"切斷"，以及循環(huán)開關(guān)驅(qū)動器，配置其用于當(dāng)電力開關(guān)被導(dǎo) 通的時候?qū)⒀h(huán)開關(guān)的一個元件"切斷"，而在電力開關(guān)被"切斷" 的時候，將循環(huán)開關(guān)的所述一個元件"導(dǎo)通"，并且在包含電壓和電 流的零交叉點(diǎn)的、其間電壓和電流具有相反極性的交叉滯后間隔期 間，電力開關(guān)的兩個元件均被切換到"導(dǎo)通"狀態(tài)，當(dāng)正電流流入負(fù) 荷的時候所述循環(huán)開關(guān)的一個元件被切換到"導(dǎo)通"狀態(tài)，而當(dāng)負(fù)電 流流入負(fù)荷的時候，所述循環(huán)開關(guān)的另一個元件被切換到"導(dǎo)通"狀 態(tài)，借此，在給予負(fù)荷的主電源中斷的間隔期間，所述循環(huán)開關(guān)可操 作地用于向負(fù)荷提供循環(huán)電流。在本發(fā)明的電能控制裝置的又一方面所述電力開關(guān)包括兩個場 效應(yīng)晶體管，該場效應(yīng)晶體管具有以反向串聯(lián)連接布置的嵌入反并聯(lián) 二極管；振蕩器以固定頻率工作；工作周期控制電路具有可調(diào)節(jié)的工 作周期；所述工作周期由外部信號控制；所述外部信號由來自電位計 (potentiometer)的電壓提供；電力開關(guān)驅(qū)動器或者循環(huán)開關(guān)驅(qū)動器 被配置用于提供一個開關(guān)的"切斷"狀態(tài)和另一個開關(guān)的"導(dǎo)通"狀 態(tài)之間的延遲；工作周期的低部分在長度上、以及其在AC主供電電源 內(nèi)的位置方面都是可調(diào)節(jié)的；工作周期的高部分在長度上、以及其在 AC主供電電源內(nèi)的位置方面均是可調(diào)節(jié)的；振蕩器同步到電源頻率； 所述開關(guān)包括具有反并聯(lián)二極管的雙極性晶體管；和/或所述開關(guān)包括
具有反并聯(lián)二極管的絕緣柵雙極性晶體管。本發(fā)明還提供了一種方法，用于控制將電力從具有電源頻率的交 流主供電電源提供到交流負(fù)荷，包括以下步驟a.按作為電源頻率的 倍數(shù)的切換頻率來生成具有高和低部分的工作周期，b.在工作周期的 一部分中，中斷從主電源到負(fù)荷的電力供應(yīng)，并且將循環(huán)電路連接到 負(fù)荷，其中所述循環(huán)電路把由中斷向負(fù)荷供電而產(chǎn)生的電流再循環(huán)到 該負(fù)荷，C.在工作周期的另一個部分中，恢復(fù)從主電源到負(fù)荷的電力供應(yīng)，并將循環(huán)電路與負(fù)荷斷開，以及d.在包含電壓和電流的零交叉點(diǎn)、并且其間電壓和電流具有相反的極性的交叉滯后間隔期間，將電 力開關(guān)的兩個元件都切換到"導(dǎo)通"狀態(tài)，并且當(dāng)正電流流入負(fù)荷的 時候?qū)⒀h(huán)開關(guān)的一個元件切換到"導(dǎo)通"狀態(tài)，而當(dāng)負(fù)電流流入負(fù) 荷的時候?qū)⒀h(huán)開關(guān)的另一個元件切換到"導(dǎo)通"狀態(tài)，借此，在給 予負(fù)荷的主電源供應(yīng)被中斷的時候，循環(huán)開關(guān)被操作用于向負(fù)荷提供 循環(huán)電流。在本發(fā)明的方法的又一方面工作周期具有固定頻率；所述工作 周期是可調(diào)節(jié)的；所述方法包括使用外部信號控制工作周期的子步 驟；在一個開關(guān)的"切斷"狀態(tài)和另一個開關(guān)的"導(dǎo)通"狀態(tài)之間存 在延遲；工作周期的低部分在長度上、以及其在AC主供電電源內(nèi)部的位置方面是可調(diào)節(jié)的；工作周期的高部分在長度上、以及其在AC主供 電電源內(nèi)部的位置方面是可調(diào)節(jié)的；和/或所述工作周期被同步到電源 頻率。


在以舉例的方式僅僅對本發(fā)明的一個最佳實(shí)施例進(jìn)行圖示的附圖中，圖l是圖示出典型的為電感損耗負(fù)荷或者電感-電阻負(fù)荷提供的60 赫茲交流(AC)主電源的電壓和電流波形的圖，其具有小于l的功率 系數(shù)。
圖2A是圖示出在本發(fā)明的電力電路輸出的60赫茲交流電力波形的圖。圖2B是圖示出在圖2A的60赫茲交流電力的波形內(nèi)的中斷間隔的圖表。圖3是圖示出本發(fā)明的最佳實(shí)施例的電路圖。圖4A是圖示出用于控制圖3中的開關(guān)的控制模塊的示意圖。圖4B是圖示出在具體實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的電路中的不同點(diǎn)處產(chǎn)生的波形的圖。
具體實(shí)施方式
在電力控制裝置用于控制提供給鎮(zhèn)流熒光燈的電力的情況下來說 明本發(fā)明的最佳實(shí)施例，其表現(xiàn)出類似電路中的電感損耗型負(fù)荷的性 質(zhì)。應(yīng)理解的是，本發(fā)明可以同樣地應(yīng)用其他的電感和類電感負(fù)荷， 包括電動機(jī)、壓縮機(jī)、變速傳動裝置等等。本發(fā)明還可以與電阻負(fù)荷 一起使用，然而本發(fā)明最有益的是與電感和類電感負(fù)荷一起使用。圖1圖示出了典型的60赫茲交流主電源的電壓波形。在每一周期 內(nèi)有一個正半周期和一個負(fù)半周期，它們分別在連續(xù)的零交叉點(diǎn)之間 定義。依照本發(fā)明，交流主電源在每一半周期內(nèi)的多個間隔6期間被 中斷。圖2A和2B圖示出了由本發(fā)明產(chǎn)生的修正后的電力供應(yīng)的一個范 例。該電力波形是由圖3中圖示出的本發(fā)明的電能控制裝置10的優(yōu)選 實(shí)施例產(chǎn)生的，該電能控制裝置10包括與交流主供電電源2耦合的電 源電路12，以及與交流負(fù)荷4耦合的負(fù)荷電流電路14。交流負(fù)荷4可以 是能夠由交流電供電的任何類型的負(fù)荷，但是本發(fā)明最有益的是與電 感損耗負(fù)荷或者電感電阻負(fù)荷一起工作，諸如鎮(zhèn)流熒光燈。電力開關(guān)20被串聯(lián)插入到電力電路12里。在優(yōu)選實(shí)施例中，電力 開關(guān)20包括雙向電力開關(guān)，該雙向電力開關(guān)具有顯著小于交流主電源頻率的延遲時間。例如，電力開關(guān)20可以包括一對絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 21、 22，該雙極晶體管具有以反向串聯(lián)連接布置的集成反并 聯(lián)二極管?？商娲?，該IGBT也可以與獨(dú)立的二極管(未示出) 一起 使用。電力開關(guān)20的第一端經(jīng)由導(dǎo)體12與電源2的第一端連接。電力 開關(guān)20的第二端經(jīng)由接頭13、經(jīng)過電流傳感器50、并經(jīng)由導(dǎo)體14連接 到負(fù)荷4的第一端。電源2第二側(cè)電路經(jīng)由導(dǎo)體15直接連接到負(fù)荷4的 第二端。類似地，循環(huán)電流開關(guān)30是雙向電力開關(guān)，該雙向電力開關(guān)具有 顯著小于交流主電源的頻率的延遲時間，并且類似地是，優(yōu)選包括一 對IGBT 31、 32，該IGBT具有以反向串聯(lián)連接的集成反并聯(lián)二極管。 循環(huán)開關(guān)30的第一端經(jīng)由接頭13、經(jīng)過電流傳感器50、并經(jīng)由導(dǎo)體14 連接到負(fù)荷4的第一端。循環(huán)開關(guān)30的第二端經(jīng)由導(dǎo)體15與負(fù)荷4的第 二端連接。圖4A中圖示出了電能控制裝置40的一個優(yōu)選實(shí)施例，該電能控制 裝置40包括具有脈寬可控制工作周期的振蕩器42，例如脈寬調(diào)制器控 件Motorola SG3525 401，其與Motorola MC14071B的或門404 1/4耦合， 按作為交流電源頻率的倍數(shù)(盡管不一定是整數(shù)倍)的選定頻率工作； 工作周期控制電路44提供基準(zhǔn)信號45，例如來自電位計416的電壓； 電力開關(guān)驅(qū)動器46，用于激活和去活電力開關(guān)20;以及循環(huán)開關(guān)驅(qū)動 器48，用于激活和去活循環(huán)開關(guān)30的相配元件。電力開關(guān)驅(qū)動器46和 循環(huán)開關(guān)驅(qū)動器48相反地工作，這樣，每當(dāng)電力開關(guān)20被切換到"導(dǎo) 通"時，循環(huán)開關(guān)30的相配元件被切換到"切斷"，反之亦然。當(dāng)正 電流(從13流到14)流入負(fù)荷的時候，循環(huán)開關(guān)30的相配元件是IGBT 32，并且當(dāng)負(fù)電流(從14流到13)流入負(fù)荷的時候，循環(huán)開關(guān)30的相 配元件是IGBT31。在優(yōu)選實(shí)施例中，振蕩器以等于交流主電源頻率 的350倍的頻率工作?；鶞?zhǔn)信號45可以具有固定值，或者可以是動態(tài)可變的，例如通過 產(chǎn)生甚高頻信號，隨后使用與頻率-電壓轉(zhuǎn)換器連接的偽隨機(jī)分頻器對 該甚高頻信號分頻，來提供在有關(guān)固定點(diǎn)附近的抖動基準(zhǔn)，并隨之引 起在有關(guān)固定點(diǎn)附近的抖動可變的工作周期，這在減少"交流聲"方 面是很有益的。基準(zhǔn)信號45還可以是反饋系統(tǒng)的結(jié)果，可用這樣的反 饋系統(tǒng)，通過測量工作電壓并且將其與運(yùn)算放大器中的設(shè)定點(diǎn)比較來生成用于45的信號。在電力開關(guān)20和循環(huán)開關(guān)30的不相配元件的"導(dǎo)通"狀態(tài)之間沒有 足夠大的重疊，因這會經(jīng)由循環(huán)開關(guān)30將電源2短路。在一個優(yōu)選實(shí) 施例中，在電力開關(guān)20和循環(huán)開關(guān)30的"切斷"狀態(tài)之間也沒有足夠 大的重疊，大的重疊會導(dǎo)致向負(fù)荷4供應(yīng)電力的破壞性中斷，然而， 可以有這樣的實(shí)施例，其中有益的是在一個開關(guān)20或者30 "切斷"狀 態(tài)和另一個開關(guān)30或者20的"導(dǎo)通"狀態(tài)之間提供略微的延遲。在優(yōu) 選實(shí)施例中，工作周期的高和低部分在長度上、以及它們在AC主供電 電源的位置(相位)方面都是可調(diào)節(jié)的。本發(fā)明起到緩和這種影響的作用，借此，當(dāng)包含其中流動電流的 電感器的電路是開路(open)的時候，該電感器產(chǎn)生保持電流流動所 需的任何電壓。因此，除非為該電流提供更替路徑，電源的突然失效 可能令電感器產(chǎn)生大的沖擊電壓，特別是在最大瞬間負(fù)荷電流流動時 的周期部分期間。經(jīng)由電力開關(guān)20和循環(huán)開關(guān)30的適當(dāng)同步化，電流 可以被再循環(huán)到負(fù)荷4，以便在已經(jīng)切斷交流電源的瞬間間隔6期間為 負(fù)荷4供電。因此，如圖2B中所示，負(fù)荷4處的電壓的結(jié)果波形接近類 似于圖l的未中斷電源波形，圖2A中的波形中的中斷時間6得到由電感 或者類電感負(fù)荷隨著每次主電源2中斷而產(chǎn)生的循環(huán)電流的補(bǔ)充。電力開關(guān)20和循環(huán)開關(guān)30的同步化可能是很困難的。根據(jù)本發(fā)明 的優(yōu)選實(shí)施例，在交流主電源周期中瞬時電壓和瞬時電流具有相同極 性的那些部分期間進(jìn)行切換。因此，在包含電壓交叉點(diǎn)和電流交叉點(diǎn) 兩者的間隔(此處被稱為"交叉滯后區(qū)域")期間，在該期間內(nèi)電壓 和電流具有相反的極性，這時電力開關(guān)20在雙向被切換到"導(dǎo)通"狀
態(tài)(即，兩個IGBT21、 22都是被接通的)。替代地，電力開關(guān)20也 可以按振蕩器頻率來切換，讓電流循環(huán)開關(guān)30的相對端以相反的方式 切換，從而在交叉滯后區(qū)域內(nèi)兩個電流循環(huán)IGBT 31、 32之間，沒有 足夠大的"導(dǎo)通"時間重疊。在交叉滯后區(qū)域外部，在電源"導(dǎo)通" 的間隔，僅僅是電流循環(huán)開關(guān)30的相配端保持導(dǎo)通，因此不可能發(fā)生 經(jīng)由電流循環(huán)開關(guān)30的電源短路。另外，在電力開關(guān)20從"導(dǎo)通"轉(zhuǎn) 變?yōu)?切斷"期間不會產(chǎn)生瞬變電壓，因?yàn)檠h(huán)電流開關(guān)30的相配元 件已經(jīng)導(dǎo)通以使電流可繼續(xù)經(jīng)由負(fù)荷循環(huán)。這顯著地簡化了開關(guān)驅(qū)動器46、 48的定時電路。在交叉滯后區(qū)域 內(nèi)部，電壓和電流的水平很低，以至于交叉?zhèn)鲗?dǎo)電流和/或瞬變沖擊電 壓通常不足以影響開關(guān)電路組件，因此該切換方法基本不引起損壞電 路組件的風(fēng)險。同時，在交叉滯后區(qū)域外部將電力開關(guān)20切換為"導(dǎo) 通'并且令相配的循環(huán)開關(guān)31或者32處于"導(dǎo)通"，使得當(dāng)電力開關(guān)20 被切斷時無縫切換到"切斷"狀態(tài)，其與延遲時間完全無關(guān)。通過在電壓交叉?zhèn)鞲须娐?5中耦合小電容性電抗436，可以實(shí)現(xiàn)在 交叉滯后區(qū)域之前將電力開關(guān)20切換到"導(dǎo)通"狀態(tài)，如圖4A中所示。 交叉預(yù)感器電路45中的電壓比所施加的電壓超前該電抗所確定的量， 因此可以定時開關(guān)驅(qū)動器46、 48，以便在零交叉點(diǎn)處將開關(guān)20、 30切 換到適當(dāng)狀態(tài)。負(fù)荷電路13/14中的電流傳感器50為了交叉滯后區(qū)域的 端點(diǎn)檢測電流零交叉點(diǎn)。電流傳感器50在圖4A中被示為電流互感器， 然而應(yīng)理解的是，電流傳感器50可以是變流器或者任何其他的功能類 似裝置，并且可以被設(shè)置于該負(fù)荷電路中的任何位置。圖4A中的電路邏輯被更加完整地描述如下振蕩器42的輸出504是在零和近似20，000周/秒峰頂之間的方波， 并具有可變的工作周期(例如在100%到50%之間)。因此，該信號經(jīng) 由或門405和高速光隔離器420 (例如Toshiba TLP 250)饋送以便相應(yīng) 地驅(qū)動電力開關(guān)20。這形成了對電力開關(guān)20的基線驅(qū)動(base line drive)，并且始終 操作該開關(guān)。反相器412的輸出512是一方波，其正部分比主電源電壓 的正弦波的正部分稍微提前，并且其零部分比主電源電壓的正弦波的 負(fù)部分稍微提前。類似地，反相器408的輸出508是一方波，其正部分 比負(fù)荷電流的正部分稍微滯后，而其零部分比負(fù)荷電流的負(fù)部分稍微 滯后。這兩個信號由與門413組合，以提供513處的正值?；驹谒矔r 電壓和電流均為正時的負(fù)荷功率部分期間，513處的該正值經(jīng)由光隔 離器432驅(qū)動IGBT32為"導(dǎo)通"。類似地，508和512分別通過反相器409和411反向，并且隨后由與 門410組合，以提供510處的正值?；驹谒矔r電壓和電流均為負(fù)時的 負(fù)荷功率部分期間，510處的正值經(jīng)由光隔離器431驅(qū)動IGBT31為"導(dǎo)通"o510和513處的值在或門406處組合，然后由407反向，以提供507 處的信號，507處的信號基本在電流和電壓的瞬時值極性相反時的負(fù) 荷功率波形部分期間為高。然后，這重置對電力開關(guān)20的基線驅(qū)動， 在電流和電壓的瞬時值極性相反時的時間期間使開關(guān)20連續(xù)導(dǎo)通。從而，這意味著開關(guān)驅(qū)動器46、 48作出響應(yīng)，以便令各開關(guān)20、 30的開關(guān)元件21、 22和31、 32切換到適當(dāng)狀態(tài)。應(yīng)該理解的是，電力開關(guān)20和電流循環(huán)開關(guān)30的相配端31或者32 的"導(dǎo)通"的狀態(tài)可以稍微延伸到交叉滯后區(qū)域中，并且本發(fā)明將以 相同的方式來工作。只要電力開關(guān)20和電流循環(huán)開關(guān)30的相配端31或 者32同時處于"導(dǎo)通"狀態(tài)的起點(diǎn)和終點(diǎn)均被選擇在這樣的電壓和電 流波形的位置內(nèi)，其中電壓和電流充分低以致交叉?zhèn)鲗?dǎo)電流和瞬變沖 擊電壓不足以影響開關(guān)電路組件，則本發(fā)明將如所述那樣工作來減少 負(fù)荷引起的功率損耗。 只要電力開關(guān)20和循環(huán)開關(guān)30的切換基本上同時地發(fā)生，則電源 電路12是在工作周期的高端或低端中斷是無關(guān)緊要的。在實(shí)施例中， 電力開關(guān)20和循環(huán)開關(guān)30分別在工作周期的高端接通和切斷，并且分 別在工作周期的低端切斷和接通，本發(fā)明如下工作當(dāng)提供給負(fù)荷4的交流電源首先被啟用的時候，交流主電源2以固 定頻率將交流電源傳送給控制模塊40，并且經(jīng)由電力開關(guān)20傳送給負(fù) 荷4。參考電壓驅(qū)動振蕩器42，其定義了工作周期的高、低間隔的持 續(xù)時間，該參考電壓可以根據(jù)交流電源導(dǎo)出(在這種情況下，該參考 電壓往往是固定頻率)，或者可替代地可以由一外部電源(以固定或 者可變的頻率)提供。參考電壓可以是以模擬信號或者數(shù)字流的形式， 唯一的限制是工作周期的頻率必須高于、并且優(yōu)選的是顯著地高于交 流主電源的頻率。在所示出的實(shí)施例中，振蕩器42用于在工作周期的高端導(dǎo)通電力 開關(guān)20。振蕩器42的相位可以(但不是必要地)同步到交流電源功率 的零交叉點(diǎn)。在第一中斷間隔6處，振蕩器42 (502)變低。電力開關(guān)驅(qū)動器46 將IGBT的21、 22切換為"切斷"，并且循環(huán)開關(guān)驅(qū)動器48已經(jīng)將IGBT 32切換為"導(dǎo)通"(因?yàn)樵诮涣麟娫粗芷谥羞@一點(diǎn)，電壓和電流均為 正)。對負(fù)荷4供電的突然消失使得負(fù)荷4周圍的電磁場減弱，這延續(xù) 了導(dǎo)體14或者15中的電流。隨著循環(huán)開關(guān)30的"導(dǎo)通"，電流在工作 周期的低部分的整個期間內(nèi)，電流圍繞導(dǎo)體14和15循環(huán)。因此，經(jīng)由電流循環(huán)開關(guān)30循環(huán)的電流在振蕩器工作周期的低(中 斷)部分的整個期間內(nèi)為負(fù)荷4供電。在工作周期的低部分的末尾， 工作周期控制電路42變高。作為響應(yīng)，電力開關(guān)驅(qū)動器46將IGBT的21、 22切換回"導(dǎo)通"，取代循環(huán)電流，并且恢復(fù)從主電源2到負(fù)荷4的正 常電源供應(yīng)。
這一周期重復(fù)直到電壓交叉預(yù)感器電路45中的電壓的零交叉點(diǎn)為止，在該點(diǎn)處，電力開關(guān)20的兩側(cè)21、 22在交叉滯后區(qū)域的整個時期 內(nèi)均被切換到"導(dǎo)通"。在電壓和電流兩個都為正的間隔期間內(nèi)，電 流循環(huán)開關(guān)30的IGBT 32被切換為"導(dǎo)通"(IGBT31保持切斷)，并 且在電壓和電流兩個都為負(fù)的間隔期間內(nèi)，電流循環(huán)開關(guān)30的IGBT31 被切換為"導(dǎo)通"(IGBT 32保持切斷)。用這種方式，不會產(chǎn)生瞬 變電壓，并且因?yàn)樵诿恳唤徊鏈髤^(qū)域期間僅僅將電流循環(huán)開關(guān)30的 相配端31或者32導(dǎo)通，因此，由于在電力開關(guān)20的"切斷"狀態(tài)期間 沒有讓電流循環(huán)開關(guān)直接導(dǎo)通負(fù)荷電流，不可能發(fā)生電流交叉導(dǎo)通(經(jīng) 由開關(guān)20和30的電源短路)或者產(chǎn)生破壞性電壓瞬變的情形。在優(yōu)選實(shí)施例中，隔離的直流電源49包括電源l VO至V十12VDC 50mA持續(xù) 100mA沖擊電源2V20至V2十 15VDC 電源2 V2-至V20 5VDC2mA持續(xù) 100u庫侖沖擊 2mA持續(xù) 100u庫侖沖擊電源3V30至V3十 15VDC 電源2 V3-至V30 5VDC2mA持續(xù) 100u庫侖沖擊 2mA持續(xù) 100u庫侖沖擊正如圖2A所示出的，在交流電源的每一半周期期間，工作周期重 復(fù)多次。因此，從負(fù)荷4角度來看，電源是恒定的在工作周期的高 部分，負(fù)荷4由交流電源經(jīng)由電源電路12供電；在工作周期的低部分， 負(fù)荷4由流經(jīng)電流循環(huán)開關(guān)30的電流供電。結(jié)果得到的功率損耗波形 是交流電源功率的原始正弦波的粗略近似，如圖2B中所示。在本發(fā)明的優(yōu)選改型中，在主電源的每一半周期期間，主電源中 斷多次，差別在電源中斷間隔的位置和持續(xù)時間方面。已經(jīng)依據(jù)能夠提供期望功能性的電路組件來說明了本發(fā)明的裝
置。對于本領(lǐng)域中技術(shù)人員顯而易見的是，可替換地，該功能性可以 編程到將以同樣方式操作的微控制器中，而無需使用所示出的多個分 立的電路部件。為簡單起見，已經(jīng)依據(jù)單相電路描述了本發(fā)明的裝置。但對于本 領(lǐng)域中技術(shù)人員清楚明白的是，通過增加相關(guān)的電路裝置，本發(fā)明同 樣地適用于多相電路。應(yīng)理解的是，依照本發(fā)明，也可以獲得同步的和異步的許多其他改型，并且通過在電力開關(guān)20的元件以及循環(huán)開關(guān)30的元件的導(dǎo)通和 切斷位置之間進(jìn)行適當(dāng)定時，結(jié)果是相同的。還應(yīng)理解的是，當(dāng)指出 電力開關(guān)20和循環(huán)開關(guān)30的"導(dǎo)通"狀態(tài)之間不應(yīng)有足夠大重疊時， 極輕微的重疊是容許的，但是一般來講是不希望的。已經(jīng)以舉例的方式詳細(xì)說明了本發(fā)明的各實(shí)施例，對于本領(lǐng)域中 的技術(shù)人員顯而易見的是，可以作出改型和改進(jìn)而不脫離本發(fā)明。本 發(fā)明包括屬于所附權(quán)利要求書范圍的所有這類改型和改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種電能控制裝置，用于連接至具有電源頻率的交流主供電電源和交流負(fù)荷，該裝置包括雙向電力開關(guān)，能夠按作為電源頻率的倍數(shù)的切換頻率來進(jìn)行切換，串聯(lián)連接于該交流主電源和負(fù)荷之間，并且包括兩個串聯(lián)連接并且以相反極性設(shè)置方向的開關(guān)元件，每一開關(guān)元件均具有“切斷”狀態(tài)，在該“切斷”狀態(tài)中，所述開關(guān)元件基本阻塞沿一個方向的電流流動，雙向電循環(huán)開關(guān)，能夠按所述切換頻率進(jìn)行切換，并聯(lián)連接至所述負(fù)荷，并且包括兩個串聯(lián)連接并且以相反極性設(shè)置方向的開關(guān)元件，每一開關(guān)元件均具有“切斷”狀態(tài)，在所述“切斷”狀態(tài)中，所述開關(guān)元件基本阻塞沿一個方向的電流流動；以及用于控制所述各開關(guān)的控制模塊，包括以所述切換頻率工作的振蕩器，控制所述振蕩器的工作周期控制電路，所述工作周期由基準(zhǔn)信號控制，并且具有高部分和低部分，電力開關(guān)驅(qū)動器，被設(shè)置為在所述的工作周期的高和低部分的其中之一期間將該電力開關(guān)的至少一個元件置為“導(dǎo)通”，而在所述的工作周期的高和低部分的另一個期間將電力開關(guān)的該元件置為“切斷”，以及循環(huán)開關(guān)驅(qū)動器，被設(shè)置為當(dāng)正電流流入負(fù)荷的時候?qū)⒀h(huán)開關(guān)的一個元件置為“導(dǎo)通”狀態(tài)，而當(dāng)負(fù)電流流入負(fù)荷的時候?qū)⒀h(huán)開關(guān)的另一個元件置為置為“導(dǎo)通”狀態(tài)，以及在包含電壓和電流的零交叉點(diǎn)、并且在其間電壓和電流具有相反極性的交叉滯后區(qū)域期間，將電力開關(guān)的兩個元件均切換到“導(dǎo)通”狀態(tài)，從而在對負(fù)荷供電的主電源中斷的間隔期間，循環(huán)開關(guān)可用于向該負(fù)荷提供循環(huán)電流。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的電能控制裝置，其中，所述電力開關(guān)包括兩 個場效應(yīng)晶體管，該場效應(yīng)晶體管具有以反向串聯(lián)連接布置的嵌入反 并聯(lián)二極管。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的電能控制裝置，其中，所述循環(huán)開關(guān)包括兩 個場效應(yīng)晶體管，該場效應(yīng)晶體管具有以反向串聯(lián)連接布置的嵌入反 并聯(lián)二極管。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l的電能控制裝置，其中，所述振蕩器以固定頻率工作。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l的電能控制裝置， 路具有可調(diào)節(jié)的工作周期。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l的電能控制裝置，其中，所述工作周期控制電信號控制。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6的電能控制裝置， 自電位計的電壓提供的。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l的電能控制裝置， 其中，所述外部信號是由來其中，設(shè)置所述電力開關(guān)驅(qū) 個開關(guān)的"切斷"狀態(tài)和另動器或者所述循環(huán)開關(guān)驅(qū)動器，用于在-一個開關(guān)的"導(dǎo)通"狀態(tài)之間提供延遲。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l的電能控制裝置，其中，所述工作周期的低部 分在長度、以及其在交流主供電電源內(nèi)的位置方面是可調(diào)節(jié)的。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l的電能控制裝置，其中，所述工作周期的高 部分在長度、以及其在交流主供電電源內(nèi)的位置方面是可調(diào)節(jié)的。
11. 根據(jù)權(quán)利要求l的電能控制裝置，其中，所述振蕩器被同步 到電源頻率。
12. 根據(jù)權(quán)利要求l的電能控制裝置，其中，所述開關(guān)包括具有 反并聯(lián)二極管的雙極性晶體管。
13. 根據(jù)權(quán)利要求l的電能控制裝置，其中，所述開關(guān)包括具有 反并聯(lián)二極管的絕緣柵雙極性晶體管。
14. 一種方法，用于控制把電力從具有電源頻率的交流主供電電 源提供到交流負(fù)荷的方法，包括以下步驟a. 按作為電源頻率的倍數(shù)的切換頻率來生成具有高和低部分的工 作周期，b. 在所述工作周期的一個部分，中斷從主電源到負(fù)荷的電力供 應(yīng)，并且將循環(huán)電路連接到負(fù)荷，其中所述循環(huán)電路把因?qū)ω?fù)荷供電 的中斷而產(chǎn)生的電流再循環(huán)到該負(fù)荷，c. 在所述工作周期的另一個部分中，恢復(fù)從主電源到負(fù)荷的電力 供應(yīng)，以及d. 在包含電壓和電流的零交叉點(diǎn)、并且其間電壓和電流具有相反 的極性的交叉滯后區(qū)域期間，將電力開關(guān)的兩個元件都切換到"導(dǎo)通" 狀態(tài)，并且當(dāng)正電流流入負(fù)荷的時候?qū)⒀h(huán)開關(guān)的一個元件切換到"導(dǎo) 通"狀態(tài)，而當(dāng)負(fù)電流流入負(fù)荷的時候?qū)⒀h(huán)開關(guān)的另一個元件切換 到"導(dǎo)通"狀態(tài)，借此，在向負(fù)荷供電的主電源被中斷的時候，該循環(huán)開關(guān)可用于 向負(fù)荷提供循環(huán)電流。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中，所述工作周期具有固定頻率。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中，所述工作周期是可調(diào)節(jié)的。
17. 根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中，包括使用外部信號控制工作 周期的子步驟。
18. 根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中，在一個開關(guān)的"切斷"狀態(tài) 和另一個開關(guān)的"導(dǎo)通"狀態(tài)之間存在延遲。
19. 根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中，工作周期的低部分在長度、 以及其在交流主供電電源內(nèi)的位置方面是可調(diào)節(jié)的。
20. 根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中，工作周期的高部分在長度、 以及其在交流主供電電源內(nèi)的位置方面是可調(diào)節(jié)的。
21. 根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中，所述工作周期被同步到電 源頻率。
全文摘要
公開了用電負(fù)荷電能控制裝置(10)，其減少了電感性和電感損耗負(fù)荷(4)的功率損耗，例如包括熒光燈。本發(fā)明的電力電路在交流主信號頻率的每一半周期內(nèi)部的多個間隔期間中斷向負(fù)荷提供交流電源(40)供應(yīng)，同時在中斷期間為電流流動提供替代路徑，以維持到負(fù)荷的類正弦電流。在包括電壓和電流的零交叉點(diǎn)并且其間電壓和電流具有相反極性的交叉滯后區(qū)域期間，將電力開關(guān)(20)的兩個元件均切換到“導(dǎo)通”狀態(tài)，當(dāng)正電流流入負(fù)荷的時候?qū)⒀h(huán)開關(guān)(30)的一個元件切換到“導(dǎo)通”狀態(tài)，而當(dāng)負(fù)電流流入負(fù)荷的時候?qū)⒀h(huán)開關(guān)的另一個元件切換到“導(dǎo)通”狀態(tài)?？梢岳硐氲匦拚稍撠?fù)荷呈現(xiàn)的功率系數(shù)以及諸如波形系數(shù)和總諧波失真之類的其他電流參數(shù)。在優(yōu)選實(shí)施例中，振蕩器(42)具有工作周期控制電路，其在振蕩器的工作周期的預(yù)定部分期間去活電力開關(guān)。工作周期建立了功率減少量。
文檔編號H02M5/293GK101156306SQ200480009499
公開日2008年4月2日 申請日期2004年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月9日
發(fā)明者J·艾倫·吉布森 申請人:賽尼泰克公司