节能电力控制装置和方法

专利名称：节能电力控制装置和方法
技术领域：
本发明涉及节能电控制器。具体来讲，本发明涉及降低电感-损 耗型(inductive陽dissipative)负荷及电感-电阻型(inductive-resistive)负荷的电能损耗的节能电能控制装置和方法。
背景技术：
在当今社会，保护和合理使用能源是极其重要的。具体来讲，对 于电力而言，需求在持续增加，并且在许多地区资源己变得紧张。因 此，近几年来己经开发了许多装置来减少用电负荷的电力消耗。当使用诸如镇流式(ballasted)气体放电灯或者电动机之类的电 感损耗型负荷的时候，去除交流基波功率的每一半周期中的一部分会 在功率系数方面引起显著下降。功率系数是有效功率与表观功率的比 值，其可以表示为t[r,/,—")]功率系数=^-汰人]0其中V。二谐波n的电压， 1。4皆波n的电流，9 n =谐波n中的电压和电流之间的相角， n-谐波次数。在纯电阻性的负荷中，电压和电流始终同相，因此功率系数不是
问题。然而，在电感损耗型负荷和电感电阻型负荷(包括具有电感负 荷性质的电路，诸如镇流荧光灯及其他气体放电灯系统)中，线路电 压和负荷电流在一定程度上几乎始终异相，因此即使是在供给电源不 中断的情况下功率系数也通常小于l。随着功率系数减少，电感损耗 型和电感电阻型负荷的效率也随之减少。这一点对于商业和工业用电 用户尤其重要，因为除不良功率系数对于功率消耗的消极影响以外， 许多电力公司在功率系数低于规定级别的时候按更高费率来收费。例如1995年10月3日授予Hajagos等人的第5455491号美国专利描 述了一种供镇流荧光灯使用的节能控制电路，该专利通过引用并入此 处，以供参考。该电路包括可连接到替代电路电源的电力电路，以及 控制电路，其包括用于对电力电路中的双向开关的操作进行定时的装 置，从而在电源的每一半周期期间，该开关向负荷提供预定时间的电 力，并且在每一半周期期间内将供给负荷的电力切断一次。这种电路 减少了功率消耗，因为在每一半周期的切断电力的间隔期间，负荷不 消耗来自电源的功率。然而，在Hajagos等人的方案中，所述开关电路 在电源频率的每一半周期期间仅仅中断电源一次。尽管该切换电路对 于定时有相当大的余地并且是很基本的，但该控制电路系统的有效性 受到限制。在1982年9月21日授予Spira等人的第4350935号美国专利也描述了 一种供放电灯使用的节能控制电路，该专利通过引用并入此处，以供 参考。Spira等人的发明按与Hajagos等人发明非常类似的方式来工作， 但是Spira等人在电源的每一半周期期间多次中断电源。这是一种比 Hajagos等人描述的电路更加有效的控制电路，然而其引起了切换问 题。 一般来讲，很重要的是要确保在对负荷供电的时候，用于在中断 间隔期间将电流循环回到该负荷的开关的不相配元件不导通足够长的 时间，这是因为冲击电流将破坏电路元件。因此，必须在不仅考虑电 源和中断间隔的持续时间、而且还考虑开关装置的延迟时间(latency) 的情况下，对切换进行非常仔细地定时。这是使得Spira等人的控制电 路难以如所述的那样实现的一个实际问题。因此，有益的是提供一种用于电感损耗型负荷或者电感电阻型负 荷的控制电路，其可以在电源的每一半周期期间多次中断电源，而不 会产生在由于定时重叠或开关延迟时间特性引起切换时破坏电路元件 的风险。发明内容本发明提供了一种用电负荷控制器，其降低电感损耗型负荷或者 电感电阻型负荷的电能损耗，而不在功率系数方面产生任何大幅度减 少，所述负荷例如包括荧光灯，并且包括已经与电感器耦合的纯电阻 负荷。本发明的方法和装置在交流主电源频率的每一半周期之内的多 个间隔期间中断对于该负荷的交流电源供应。在电感损耗型负荷或者 电感电阻型负荷的情况中，交流电源的每一次中断都会使负荷产生瞬 时电压浪涌，除非为该电流建立一条路径，在中断间隔期间，由此将 电流循环到该负荷。如在现有技术中那样，本发明通过提供用于控制到负荷的电压的 双向电力开关以及双向电流循环开关来实现这一 目的，该双向电流循 环开关选择性地导通电流循环开关的相配元件，在电压中断间隔期间 使电流经过该负荷循环。提供控制模块，该控制模块包括按照等于交 流主电源频率的选定倍数的频率工作的振荡器，具有用于去活(deactivate)电力开关的工作周期控制电路以及附加电路，该附加电 路用于大致在负荷的电压和电流两者具有相同极性的期间确定和激活(active)所述电流循环开关的相配元件。根据本发明，仅仅在瞬时电压和瞬时电流具有相同极性的交流主 电源频率部分期间执行切换。在包含电压和电流交叉点的间隔期间，电力开关可以在两个方向上处于"导通"，该间隔期间内电压和电流 具有相反极性，在这里被称为"交叉滞后区域"。或者替换地，电力
开关也可以按照振荡器频率来切换，电流循环开关的两个元件被相反 地切换，从而在交叉滞后区域期间不产生足够大的"导通"时间重叠。同时，因为在交叉滞后区域外部，仅仅是电流循环开关的相配元 件在电源"导通"间隔期间保持导通，因此不可能存在经由电流循环 开关的电源短路。另外，因已经可用循环电流开关使循环电流流动， 在电力开关从"导通"向"切断"转换的时候，不会产生瞬变电压。在交叉滞后区域内部，电压和电流的水平很低，以至于交叉传导 电流和/或瞬变冲击电压通常不足以影响开关电路组件。在交叉滞后区域外部，同时将电力开关切换为"导通"并令相配 的循环开关元件处于"导通"，这使得当电力开关被切断的时候无缝 切换到"切断"状态，这与延迟时间完全无关，因此这显著地简化了 开关驱动器的定时电路。应理解的是，电源和电流循环开关的相配元件的"导通"状态可 以略微延伸到交叉滞后区域中，并且本发明将以相同的方式来工作。只要电源和电流循环开关的相配元件同时处于"导通"状态的起 点和终点均被选择在这样的电压和电流波形位置之内，其中电压和电 流充分低以致交叉传导电流和瞬变冲击电压不足以影响开关电路组 件，则本发明将如所述那样来工作，以减少负荷的功率损耗。此外，本发明的装置动态地对负荷方面的变化(例如，随着开灯 或关灯)作出反应，并自动地调节新的功率系数。因此，本发明提供了一种用于连接到具有电源频率的交流主供电 电源和交流负荷的电能控制装置，其包括双向电力开关，其能够按 作为电源频率倍数的切换频率来切换，串联连接在交流主电源和负荷 之间，并具有两个串联连接但极性方向相反的开关元件，每一开关元 件均具有"切断"状态，在该状态中开关元件基本上阻塞一个方向上 的电流；双向电循环开关，其能够按所述切换频率切换，并联地连接 到负荷，包括两个串联连接但极性方向相反的开关元件，每一开关元 件具有"切断"状态，在该状态中该开关元件基本上阻塞一个方向上 的电流；以及控制模块，用于控制所述各开关，包括按所述切换频率 工作的振荡器，控制振荡器的工作周期控制电路，所述工作周期由基 准信号控制并且具有高部分和低部分，电力开关驱动器，配置其用于 在工作周期的高和低部分的其中之一期间将电力开关的一个元件"导 通"，而在工作周期的高和低部分的另一个期间将电力开关的所述一 个元件"切断"，以及循环开关驱动器，配置其用于当电力开关被导 通的时候将循环开关的一个元件"切断"，而在电力开关被"切断" 的时候，将循环开关的所述一个元件"导通"，并且在包含电压和电 流的零交叉点的、其间电压和电流具有相反极性的交叉滞后间隔期 间，电力开关的两个元件均被切换到"导通"状态，当正电流流入负 荷的时候所述循环开关的一个元件被切换到"导通"状态，而当负电 流流入负荷的时候，所述循环开关的另一个元件被切换到"导通"状 态，借此，在给予负荷的主电源中断的间隔期间，所述循环开关可操 作地用于向负荷提供循环电流。在本发明的电能控制装置的又一方面所述电力开关包括两个场 效应晶体管，该场效应晶体管具有以反向串联连接布置的嵌入反并联 二极管；振荡器以固定频率工作；工作周期控制电路具有可调节的工 作周期；所述工作周期由外部信号控制；所述外部信号由来自电位计 (potentiometer)的电压提供；电力开关驱动器或者循环开关驱动器 被配置用于提供一个开关的"切断"状态和另一个开关的"导通"状 态之间的延迟；工作周期的低部分在长度上、以及其在AC主供电电源 内的位置方面都是可调节的；工作周期的高部分在长度上、以及其在 AC主供电电源内的位置方面均是可调节的；振荡器同步到电源频率； 所述开关包括具有反并联二极管的双极性晶体管；和/或所述开关包括
具有反并联二极管的绝缘栅双极性晶体管。本发明还提供了一种方法，用于控制将电力从具有电源频率的交 流主供电电源提供到交流负荷，包括以下步骤a.按作为电源频率的 倍数的切换频率来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，中断从主电源到负荷的电力供应，并且将循环电路连接到 负荷，其中所述循环电路把由中断向负荷供电而产生的电流再循环到 该负荷，C.在工作周期的另一个部分中，恢复从主电源到负荷的电力供应，并将循环电路与负荷断开，以及d.在包含电压和电流的零交叉点、并且其间电压和电流具有相反的极性的交叉滞后间隔期间，将电 力开关的两个元件都切换到"导通"状态，并且当正电流流入负荷的 时候将循环开关的一个元件切换到"导通"状态，而当负电流流入负 荷的时候将循环开关的另一个元件切换到"导通"状态，借此，在给 予负荷的主电源供应被中断的时候，循环开关被操作用于向负荷提供 循环电流。在本发明的方法的又一方面工作周期具有固定频率；所述工作 周期是可调节的；所述方法包括使用外部信号控制工作周期的子步 骤；在一个开关的"切断"状态和另一个开关的"导通"状态之间存 在延迟；工作周期的低部分在长度上、以及其在AC主供电电源内部的位置方面是可调节的；工作周期的高部分在长度上、以及其在AC主供 电电源内部的位置方面是可调节的；和/或所述工作周期被同步到电源 频率。


在以举例的方式仅仅对本发明的一个最佳实施例进行图示的附图中，图l是图示出典型的为电感损耗负荷或者电感-电阻负荷提供的60 赫兹交流(AC)主电源的电压和电流波形的图，其具有小于l的功率 系数。
图2A是图示出在本发明的电力电路输出的60赫兹交流电力波形的图。图2B是图示出在图2A的60赫兹交流电力的波形内的中断间隔的图表。图3是图示出本发明的最佳实施例的电路图。图4A是图示出用于控制图3中的开关的控制模块的示意图。图4B是图示出在具体实现本发明的电路中的不同点处产生的波形的图。
具体实施方式
在电力控制装置用于控制提供给镇流荧光灯的电力的情况下来说 明本发明的最佳实施例，其表现出类似电路中的电感损耗型负荷的性 质。应理解的是，本发明可以同样地应用其他的电感和类电感负荷， 包括电动机、压縮机、变速传动装置等等。本发明还可以与电阻负荷 一起使用，然而本发明最有益的是与电感和类电感负荷一起使用。图1图示出了典型的60赫兹交流主电源的电压波形。在每一周期 内有一个正半周期和一个负半周期，它们分别在连续的零交叉点之间 定义。依照本发明，交流主电源在每一半周期内的多个间隔6期间被 中断。图2A和2B图示出了由本发明产生的修正后的电力供应的一个范 例。该电力波形是由图3中图示出的本发明的电能控制装置10的优选 实施例产生的，该电能控制装置10包括与交流主供电电源2耦合的电 源电路12，以及与交流负荷4耦合的负荷电流电路14。交流负荷4可以 是能够由交流电供电的任何类型的负荷，但是本发明最有益的是与电 感损耗负荷或者电感电阻负荷一起工作，诸如镇流荧光灯。电力开关20被串联插入到电力电路12里。在优选实施例中，电力 开关20包括双向电力开关，该双向电力开关具有显著小于交流主电源频率的延迟时间。例如，电力开关20可以包括一对绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 21、 22，该双极晶体管具有以反向串联连接布置的集成反并 联二极管。可替代地，该IGBT也可以与独立的二极管(未示出) 一起 使用。电力开关20的第一端经由导体12与电源2的第一端连接。电力 开关20的第二端经由接头13、经过电流传感器50、并经由导体14连接 到负荷4的第一端。电源2第二侧电路经由导体15直接连接到负荷4的 第二端。类似地，循环电流开关30是双向电力开关，该双向电力开关具有 显著小于交流主电源的频率的延迟时间，并且类似地是，优选包括一 对IGBT 31、 32，该IGBT具有以反向串联连接的集成反并联二极管。 循环开关30的第一端经由接头13、经过电流传感器50、并经由导体14 连接到负荷4的第一端。循环开关30的第二端经由导体15与负荷4的第 二端连接。图4A中图示出了电能控制装置40的一个优选实施例，该电能控制 装置40包括具有脉宽可控制工作周期的振荡器42，例如脉宽调制器控 件Motorola SG3525 401，其与Motorola MC14071B的或门404 1/4耦合， 按作为交流电源频率的倍数(尽管不一定是整数倍)的选定频率工作； 工作周期控制电路44提供基准信号45，例如来自电位计416的电压； 电力开关驱动器46，用于激活和去活电力开关20;以及循环开关驱动 器48，用于激活和去活循环开关30的相配元件。电力开关驱动器46和 循环开关驱动器48相反地工作，这样，每当电力开关20被切换到"导 通"时，循环开关30的相配元件被切换到"切断"，反之亦然。当正 电流(从13流到14)流入负荷的时候，循环开关30的相配元件是IGBT 32，并且当负电流(从14流到13)流入负荷的时候，循环开关30的相 配元件是IGBT31。在优选实施例中，振荡器以等于交流主电源频率 的350倍的频率工作。基准信号45可以具有固定值，或者可以是动态可变的，例如通过 产生甚高频信号，随后使用与频率-电压转换器连接的伪随机分频器对 该甚高频信号分频，来提供在有关固定点附近的抖动基准，并随之引 起在有关固定点附近的抖动可变的工作周期，这在减少"交流声"方 面是很有益的。基准信号45还可以是反馈系统的结果，可用这样的反 馈系统，通过测量工作电压并且将其与运算放大器中的设定点比较来生成用于45的信号。在电力开关20和循环开关30的不相配元件的"导通"状态之间没有 足够大的重叠，因这会经由循环开关30将电源2短路。在一个优选实 施例中，在电力开关20和循环开关30的"切断"状态之间也没有足够 大的重叠，大的重叠会导致向负荷4供应电力的破坏性中断，然而， 可以有这样的实施例，其中有益的是在一个开关20或者30 "切断"状 态和另一个开关30或者20的"导通"状态之间提供略微的延迟。在优 选实施例中，工作周期的高和低部分在长度上、以及它们在AC主供电 电源的位置(相位)方面都是可调节的。本发明起到缓和这种影响的作用，借此，当包含其中流动电流的 电感器的电路是开路(open)的时候，该电感器产生保持电流流动所 需的任何电压。因此，除非为该电流提供更替路径，电源的突然失效 可能令电感器产生大的冲击电压，特别是在最大瞬间负荷电流流动时 的周期部分期间。经由电力开关20和循环开关30的适当同步化，电流 可以被再循环到负荷4，以便在已经切断交流电源的瞬间间隔6期间为 负荷4供电。因此，如图2B中所示，负荷4处的电压的结果波形接近类 似于图l的未中断电源波形，图2A中的波形中的中断时间6得到由电感 或者类电感负荷随着每次主电源2中断而产生的循环电流的补充。电力开关20和循环开关30的同步化可能是很困难的。根据本发明 的优选实施例，在交流主电源周期中瞬时电压和瞬时电流具有相同极 性的那些部分期间进行切换。因此，在包含电压交叉点和电流交叉点 两者的间隔(此处被称为"交叉滞后区域")期间，在该期间内电压 和电流具有相反的极性，这时电力开关20在双向被切换到"导通"状
态(即，两个IGBT21、 22都是被接通的)。替代地，电力开关20也 可以按振荡器频率来切换，让电流循环开关30的相对端以相反的方式 切换，从而在交叉滞后区域内两个电流循环IGBT 31、 32之间，没有 足够大的"导通"时间重叠。在交叉滞后区域外部，在电源"导通" 的间隔，仅仅是电流循环开关30的相配端保持导通，因此不可能发生 经由电流循环开关30的电源短路。另外，在电力开关20从"导通"转 变为"切断"期间不会产生瞬变电压，因为循环电流开关30的相配元 件已经导通以使电流可继续经由负荷循环。这显著地简化了开关驱动器46、 48的定时电路。在交叉滞后区域 内部，电压和电流的水平很低，以至于交叉传导电流和/或瞬变冲击电 压通常不足以影响开关电路组件，因此该切换方法基本不引起损坏电 路组件的风险。同时，在交叉滞后区域外部将电力开关20切换为"导 通'并且令相配的循环开关31或者32处于"导通"，使得当电力开关20 被切断时无缝切换到"切断"状态，其与延迟时间完全无关。通过在电压交叉传感电路45中耦合小电容性电抗436，可以实现在 交叉滞后区域之前将电力开关20切换到"导通"状态，如图4A中所示。 交叉预感器电路45中的电压比所施加的电压超前该电抗所确定的量， 因此可以定时开关驱动器46、 48，以便在零交叉点处将开关20、 30切 换到适当状态。负荷电路13/14中的电流传感器50为了交叉滞后区域的 端点检测电流零交叉点。电流传感器50在图4A中被示为电流互感器， 然而应理解的是，电流传感器50可以是变流器或者任何其他的功能类 似装置，并且可以被设置于该负荷电路中的任何位置。图4A中的电路逻辑被更加完整地描述如下振荡器42的输出504是在零和近似20，000周/秒峰顶之间的方波， 并具有可变的工作周期(例如在100%到50%之间)。因此，该信号经 由或门405和高速光隔离器420 (例如Toshiba TLP 250)馈送以便相应 地驱动电力开关20。这形成了对电力开关20的基线驱动(base line drive)，并且始终 操作该开关。反相器412的输出512是一方波，其正部分比主电源电压 的正弦波的正部分稍微提前，并且其零部分比主电源电压的正弦波的 负部分稍微提前。类似地，反相器408的输出508是一方波，其正部分 比负荷电流的正部分稍微滞后，而其零部分比负荷电流的负部分稍微 滞后。这两个信号由与门413组合，以提供513处的正值。基本在瞬时 电压和电流均为正时的负荷功率部分期间，513处的该正值经由光隔 离器432驱动IGBT32为"导通"。类似地，508和512分别通过反相器409和411反向，并且随后由与 门410组合，以提供510处的正值。基本在瞬时电压和电流均为负时的 负荷功率部分期间，510处的正值经由光隔离器431驱动IGBT31为"导通"o510和513处的值在或门406处组合，然后由407反向，以提供507 处的信号，507处的信号基本在电流和电压的瞬时值极性相反时的负 荷功率波形部分期间为高。然后，这重置对电力开关20的基线驱动， 在电流和电压的瞬时值极性相反时的时间期间使开关20连续导通。从而，这意味着开关驱动器46、 48作出响应，以便令各开关20、 30的开关元件21、 22和31、 32切换到适当状态。应该理解的是，电力开关20和电流循环开关30的相配端31或者32 的"导通"的状态可以稍微延伸到交叉滞后区域中，并且本发明将以 相同的方式来工作。只要电力开关20和电流循环开关30的相配端31或 者32同时处于"导通"状态的起点和终点均被选择在这样的电压和电 流波形的位置内，其中电压和电流充分低以致交叉传导电流和瞬变冲 击电压不足以影响开关电路组件，则本发明将如所述那样工作来减少 负荷引起的功率损耗。 只要电力开关20和循环开关30的切换基本上同时地发生，则电源 电路12是在工作周期的高端或低端中断是无关紧要的。在实施例中， 电力开关20和循环开关30分别在工作周期的高端接通和切断，并且分 别在工作周期的低端切断和接通，本发明如下工作当提供给负荷4的交流电源首先被启用的时候，交流主电源2以固 定频率将交流电源传送给控制模块40，并且经由电力开关20传送给负 荷4。参考电压驱动振荡器42，其定义了工作周期的高、低间隔的持 续时间，该参考电压可以根据交流电源导出(在这种情况下，该参考 电压往往是固定频率)，或者可替代地可以由一外部电源(以固定或 者可变的频率)提供。参考电压可以是以模拟信号或者数字流的形式， 唯一的限制是工作周期的频率必须高于、并且优选的是显著地高于交 流主电源的频率。在所示出的实施例中，振荡器42用于在工作周期的高端导通电力 开关20。振荡器42的相位可以(但不是必要地)同步到交流电源功率 的零交叉点。在第一中断间隔6处，振荡器42 (502)变低。电力开关驱动器46 将IGBT的21、 22切换为"切断"，并且循环开关驱动器48已经将IGBT 32切换为"导通"(因为在交流电源周期中这一点，电压和电流均为 正)。对负荷4供电的突然消失使得负荷4周围的电磁场减弱，这延续 了导体14或者15中的电流。随着循环开关30的"导通"，电流在工作 周期的低部分的整个期间内，电流围绕导体14和15循环。因此，经由电流循环开关30循环的电流在振荡器工作周期的低(中 断)部分的整个期间内为负荷4供电。在工作周期的低部分的末尾， 工作周期控制电路42变高。作为响应，电力开关驱动器46将IGBT的21、 22切换回"导通"，取代循环电流，并且恢复从主电源2到负荷4的正 常电源供应。
这一周期重复直到电压交叉预感器电路45中的电压的零交叉点为止，在该点处，电力开关20的两侧21、 22在交叉滞后区域的整个时期 内均被切换到"导通"。在电压和电流两个都为正的间隔期间内，电 流循环开关30的IGBT 32被切换为"导通"(IGBT31保持切断)，并 且在电压和电流两个都为负的间隔期间内，电流循环开关30的IGBT31 被切换为"导通"(IGBT 32保持切断)。用这种方式，不会产生瞬 变电压，并且因为在每一交叉滞后区域期间仅仅将电流循环开关30的 相配端31或者32导通，因此，由于在电力开关20的"切断"状态期间 没有让电流循环开关直接导通负荷电流，不可能发生电流交叉导通(经 由开关20和30的电源短路)或者产生破坏性电压瞬变的情形。在优选实施例中，隔离的直流电源49包括电源l VO至V十12VDC 50mA持续 100mA冲击电源2V20至V2十 15VDC 电源2 V2-至V20 5VDC2mA持续 100u库仑冲击 2mA持续 100u库仑冲击电源3V30至V3十 15VDC 电源2 V3-至V30 5VDC2mA持续 100u库仑冲击 2mA持续 100u库仑冲击正如图2A所示出的，在交流电源的每一半周期期间，工作周期重 复多次。因此，从负荷4角度来看，电源是恒定的在工作周期的高 部分，负荷4由交流电源经由电源电路12供电；在工作周期的低部分， 负荷4由流经电流循环开关30的电流供电。结果得到的功率损耗波形 是交流电源功率的原始正弦波的粗略近似，如图2B中所示。在本发明的优选改型中，在主电源的每一半周期期间，主电源中 断多次，差别在电源中断间隔的位置和持续时间方面。已经依据能够提供期望功能性的电路组件来说明了本发明的装
置。对于本领域中技术人员显而易见的是，可替换地，该功能性可以 编程到将以同样方式操作的微控制器中，而无需使用所示出的多个分 立的电路部件。为简单起见，已经依据单相电路描述了本发明的装置。但对于本 领域中技术人员清楚明白的是，通过增加相关的电路装置，本发明同 样地适用于多相电路。应理解的是，依照本发明，也可以获得同步的和异步的许多其他改型，并且通过在电力开关20的元件以及循环开关30的元件的导通和 切断位置之间进行适当定时，结果是相同的。还应理解的是，当指出 电力开关20和循环开关30的"导通"状态之间不应有足够大重叠时， 极轻微的重叠是容许的，但是一般来讲是不希望的。已经以举例的方式详细说明了本发明的各实施例，对于本领域中 的技术人员显而易见的是，可以作出改型和改进而不脱离本发明。本 发明包括属于所附权利要求书范围的所有这类改型和改进。
权利要求
1.一种电能控制装置，用于连接至具有电源频率的交流主供电电源和交流负荷，该装置包括双向电力开关，能够按作为电源频率的倍数的切换频率来进行切换，串联连接于该交流主电源和负荷之间，并且包括两个串联连接并且以相反极性设置方向的开关元件，每一开关元件均具有“切断”状态，在该“切断”状态中，所述开关元件基本阻塞沿一个方向的电流流动，双向电循环开关，能够按所述切换频率进行切换，并联连接至所述负荷，并且包括两个串联连接并且以相反极性设置方向的开关元件，每一开关元件均具有“切断”状态，在所述“切断”状态中，所述开关元件基本阻塞沿一个方向的电流流动；以及用于控制所述各开关的控制模块，包括以所述切换频率工作的振荡器，控制所述振荡器的工作周期控制电路，所述工作周期由基准信号控制，并且具有高部分和低部分，电力开关驱动器，被设置为在所述的工作周期的高和低部分的其中之一期间将该电力开关的至少一个元件置为“导通”，而在所述的工作周期的高和低部分的另一个期间将电力开关的该元件置为“切断”，以及循环开关驱动器，被设置为当正电流流入负荷的时候将循环开关的一个元件置为“导通”状态，而当负电流流入负荷的时候将循环开关的另一个元件置为置为“导通”状态，以及在包含电压和电流的零交叉点、并且在其间电压和电流具有相反极性的交叉滞后区域期间，将电力开关的两个元件均切换到“导通”状态，从而在对负荷供电的主电源中断的间隔期间，循环开关可用于向该负荷提供循环电流。
2. 根据权利要求l的电能控制装置，其中，所述电力开关包括两 个场效应晶体管，该场效应晶体管具有以反向串联连接布置的嵌入反 并联二极管。
3. 根据权利要求2的电能控制装置，其中，所述循环开关包括两 个场效应晶体管，该场效应晶体管具有以反向串联连接布置的嵌入反 并联二极管。
4. 根据权利要求l的电能控制装置，其中，所述振荡器以固定频率工作。
5. 根据权利要求l的电能控制装置， 路具有可调节的工作周期。
6. 根据权利要求l的电能控制装置，其中，所述工作周期控制电信号控制。
7. 根据权利要求6的电能控制装置， 自电位计的电压提供的。
8. 根据权利要求l的电能控制装置， 其中，所述外部信号是由来其中，设置所述电力开关驱 个开关的"切断"状态和另动器或者所述循环开关驱动器，用于在-一个开关的"导通"状态之间提供延迟。
9. 根据权利要求l的电能控制装置，其中，所述工作周期的低部 分在长度、以及其在交流主供电电源内的位置方面是可调节的。
10. 根据权利要求l的电能控制装置，其中，所述工作周期的高 部分在长度、以及其在交流主供电电源内的位置方面是可调节的。
11. 根据权利要求l的电能控制装置，其中，所述振荡器被同步 到电源频率。
12. 根据权利要求l的电能控制装置，其中，所述开关包括具有 反并联二极管的双极性晶体管。
13. 根据权利要求l的电能控制装置，其中，所述开关包括具有 反并联二极管的绝缘栅双极性晶体管。
14. 一种方法，用于控制把电力从具有电源频率的交流主供电电 源提供到交流负荷的方法，包括以下步骤a. 按作为电源频率的倍数的切换频率来生成具有高和低部分的工 作周期，b. 在所述工作周期的一个部分，中断从主电源到负荷的电力供 应，并且将循环电路连接到负荷，其中所述循环电路把因对负荷供电 的中断而产生的电流再循环到该负荷，c. 在所述工作周期的另一个部分中，恢复从主电源到负荷的电力 供应，以及d. 在包含电压和电流的零交叉点、并且其间电压和电流具有相反 的极性的交叉滞后区域期间，将电力开关的两个元件都切换到"导通" 状态，并且当正电流流入负荷的时候将循环开关的一个元件切换到"导 通"状态，而当负电流流入负荷的时候将循环开关的另一个元件切换 到"导通"状态，借此，在向负荷供电的主电源被中断的时候，该循环开关可用于 向负荷提供循环电流。
15. 根据权利要求14的方法，其中，所述工作周期具有固定频率。
16. 根据权利要求14的方法，其中，所述工作周期是可调节的。
17. 根据权利要求14的方法，其中，包括使用外部信号控制工作 周期的子步骤。
18. 根据权利要求14的方法，其中，在一个开关的"切断"状态 和另一个开关的"导通"状态之间存在延迟。
19. 根据权利要求14的方法，其中，工作周期的低部分在长度、 以及其在交流主供电电源内的位置方面是可调节的。
20. 根据权利要求14的方法，其中，工作周期的高部分在长度、 以及其在交流主供电电源内的位置方面是可调节的。
21. 根据权利要求14的方法，其中，所述工作周期被同步到电 源频率。
全文摘要
公开了用电负荷电能控制装置(10)，其减少了电感性和电感损耗负荷(4)的功率损耗，例如包括荧光灯。本发明的电力电路在交流主信号频率的每一半周期内部的多个间隔期间中断向负荷提供交流电源(40)供应，同时在中断期间为电流流动提供替代路径，以维持到负荷的类正弦电流。在包括电压和电流的零交叉点并且其间电压和电流具有相反极性的交叉滞后区域期间，将电力开关(20)的两个元件均切换到“导通”状态，当正电流流入负荷的时候将循环开关(30)的一个元件切换到“导通”状态，而当负电流流入负荷的时候将循环开关的另一个元件切换到“导通”状态。可以理想地修正由该负荷呈现的功率系数以及诸如波形系数和总谐波失真之类的其他电流参数。在优选实施例中，振荡器(42)具有工作周期控制电路，其在振荡器的工作周期的预定部分期间去活电力开关。工作周期建立了功率减少量。
文档编号H02M5/293GK101156306SQ200480009499
公开日2008年4月2日 申请日期2004年4月6日 优先权日2003年4月9日
发明者J·艾伦·吉布森 申请人:赛尼泰克公司