一种交流斩波电路及单相交流电机驱动系统的制作方法

1.本发明涉及电子领域，具体但不限于涉及一种交流斩波电路及单相交流电机驱动系统。


背景技术：

2.单相电机，一般是指由市电交流电提供的单相交流电源进行供电的异步电动机。因为市电电源供电非常方便经济，为家庭生活用电，所以单相电机不但在生产上用量大，而且也与人们日常生活密切相关。尤其是随着人民生活水平的日益提高，用于家用电器设备如电风扇等的单相电机的用量，也越来越大。单相电机通过调速电路来调节电机的转速。
3.第一种单相电机的调速方法为电感机械开关调速，通过调节串接的电感大小来调节辅助绕组与主绕组电感机械配比来实现调速方案，但是该方案调速范围有限，难以实际低速启动或调节。
4.第二种单相电机的调速方法为串电抗无级调速，能实现平滑调速，但是调速范围有限，且电抗尺寸大，系统效率低。
5.第三种方法为可控硅调速，通过双向可控硅开关来完成对电机端电压的斩波控制而实现调压。该方法成本低、实现简单，因而目前被广泛应用。然而，可控硅在低速调速时由于波形被斩波较多，变形较大，因而功率因数(pf)过低，不符合电源要求。且转矩脉动大，噪音大。
6.第四种方法为交流斩波器调速，该类调速电路往往需要多路相互隔离的辅助电源，且采用大量的高压元器件，如通常需要8个高压二极管和2个高压双向开关，且高压器件不共地，因此电路设计复杂，高压器件和控制单元之间需要相互隔离，且需要多个隔离电源，很难实现系统集成。因为整体系统复杂，成本较高。这种高成本的隔离驱动和辅助供电方案难以在像单相电机驱动这样对成本敏感的应用中推广。
7.第五种控制方法是变频逆变器调速，包括将交流电源进行整流滤波以获得直流稳压电源的交流-直流变换电路和对方波信号进行变频斩波的斩波电路等，虽然具有同时调幅调频、灵活应用的优势，但是需要在输入整流电路后采用大电容或交流-直流开关变换电路来获取直流稳压源，且采用复杂的变频逆变电路来产生交流变频电压源。其体积大，成本高,系统操作复杂。且因为输入整流滤波电容的存在，其功率因数较低，如半载功率因数经常为0.5至0.6之间。因此对于大功率逆变器往往需要增加额外的前级功率因数校正(pfc)电路。但这也增加了系统成本和引入额外的损耗。
8.另有一种方法采用有桥交流斩波，将输入交流电源通过整流桥整形成半波电压，再通过高频桥式电路实现斩波，并将负半周翻折复原。该种斩波器可以有效克服可控硅斩波的缺点，实现低谐波和较低的成本。但该方案中的整流桥需承受较大的电流，整流桥带来了较大的导通损耗，增大了散热难度，且降低了效率，增大了成本。
9.有鉴于此，需要提供一种更加优良的电路拓扑或控制方法，以期解决上述至少部分问题。


技术实现要素：

10.针对上述方案中的一个或多个问题，本发明提出了一种交流斩波电路及单相交流电机驱动系统。
11.根据本发明的一个方面，一种交流斩波电路，包括：开关电路，具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，其中第一输入端耦接交流电源的第一端，第二输入端耦接交流电源的第二端，第一输出端耦接负载的第一端、第二输出端耦接负载的第二端；同步信号发生电路，用于提供与交流电源极性相关的同步信号；开关驱动电路，基于同步信号控制开关电路；以及辅助电源电路，耦接开关电路，辅助电源电路基于开关电路上的电压信号产生辅助电源电压，用于为开关驱动电路供电。
12.在一个实施例中，开关电路具有一参考端，开关电路参考端耦接辅助电源电路及开关驱动电路，开关电路参考端作为辅助电源电路及开关驱动电路的参考地。
13.在一个实施例中，开关电路具有一参考端，参考端耦接辅助电源电路作为辅助电源电路的参考地，辅助电源电路借助开关电路用于形成电流回路。
14.在一个实施例中，交流斩波电路进一步包括第一电容，耦接在开关电路的第一输入端和第二输入端之间。
15.在一个实施例中，开关电路包括：第一开关管，耦接在开关电路的第一输入端和开关电路的第一输出端之间；第二开关管，耦接在开关电路的参考端和开关电路的第一输出端之间；第三开关管，耦接在开关电路的第二输入端和开关电路的第二输出端之间；以及第四开关管，耦接在开关电路的参考端和第二输出端之间。
16.在一个实施例中，开关驱动电路包括：第一半桥驱动电路，用于驱动第一开关管和第二开关管，其中第一半桥驱动电路支持同时将第一开关管和第二开关管导通；以及第二半桥驱动电路，用于驱动第三开关管和第四开关管，其中第二半桥驱动电路支持同时将第三开关管和第四开关管导通，其中第一半桥驱动电路和第二半桥驱动电路为非隔离型驱动电路。
17.在一个实施例中，第一开关管包括并联的第一体二极管，其中第一体二极管的阳极耦接开关电路的第一输出端，第一体二极管的阴极耦接开关电路的第一输入端；第二开关管包括并联的第二体二极管，其中第二体二极管的阳极耦接开关电路的参考端，第二体二极管的阴极耦接开关电路的第一输出端；第三开关管包括并联的第三体二极管，其中第三体二极管的阳极耦接开关电路的第二输出端，第二体二极管的阴极耦接开关电路的第二输入端；以及第四开关管包括并联的第四体二极管，其中第四体二极管的阳极耦接开关电路的参考端，第四体二极管的阴极耦接开关电路的第二输出端。
18.在一个实施例中，辅助电源电路具有输入端、输出端和参考端，其中辅助电源电路的输入端耦接开关电路的第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端之中至少一个，辅助电源电路的输出端耦接开关驱动电路用于为开关驱动电路和同步信号发生电路供电，辅助电源电路的参考端耦接开关电路的参考端用于在辅助电源电路的输入端、辅助电源电路的参考端和开关电路之间形成电流回路。
19.在一个实施例中，辅助电源电路包括：第五二极管，其阳极耦接开关电路的第一输入端，和/或，第六二极管，其阳极耦接开关电路的第二输入端；以及电压变换电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中电压变换电路的第一输入端耦接第五二极管的阴极
和/或第六二极管的阴极，电压变换电路的第二输入端耦接开关电路的参考端，电压变换电路的输出端提供辅助电源。
20.在一个实施例中，辅助电源电路包括：第五二极管，其阳极耦接开关电路的第一输出端，和/或，第六二极管，其阳极耦接开关电路的第二输出端；以及电压变换电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中电压变换电路的第一输入端耦接第五二极管的阴极和/或第六二极管的阴极，电压变换电路的第二输入端耦接开关电路的参考端，电压变换电路的输出端提供辅助电源。
21.在一个实施例中，辅助电源电路进一步包括：第七二极管，其阳极耦接电压变换电路的第二输入端，其阴极耦接第五二极管的阳极；和/或第八二极管，其阳极耦接电压变换电路的第二输入端，其阴极耦接第六二极管的阳极。
22.在一个实施例中，辅助电源电路进一步包括第二电容，耦接在电压变换电路的第一输入端和第二输入端之间。
23.在一个实施例中，辅助电源电路包括：第一电阻，其第一端耦接开关电路的第一输入端；第二电阻，其第一端耦接开关电路的第二输入端，其第二端耦接第一电阻的第二端；以及电压变换电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中电压变换电路的第一输入端耦接第一电阻的第二端，电压变换电路的第二输入端耦接供电电路的参考端，电压变换电路的输出端提供辅助电源。
24.在一个实施例中，当同步信号表征正半周工作区时，开关电路的第一输入端电压小于开关电路的第二输入端电压，开关驱动电路控制第一开关管和第二开关管导通，第三开关管以占空比进行开关动作，第四开关管工作在整流状态；以及当同步信号表征负半周工作区时，开关电路的第一输入端电压大于开关电路的第二输入端电压，开关驱动电路控制第三开关管和第四开关管导通，第一开关管以占空比进行开关动作，第二开关管工作在整流状态。
25.在一个实施例中，当同步信号表征死区时，开关驱动电路控制第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管中的至少两个开关管关断；开关驱动电路进一步控制一或两个开关管导通，用于为负载提供续流回路。
26.在一个实施例中，在死区期间内，开关驱动电路控制第一开关管和第三开关管导通，第二开关管和第四开关管关断。
27.在一个实施例中，在死区期间内，开关驱动电路控制第二开关管和第四开关管导通，第一开关管和第三开关管关断。
28.在一个实施例中，同步信号发生电路包括：差分放大电路，基于交流电源产生以开关电路的参考端为参考的交流信号；第一比较电路，其第一输入端耦接差分放大电路的输出端，其第二输入端耦接第一阈值信号，其输出端提供第一同步信号；以及第二比较电路，其第一输入端耦接差分放大电路的输出端，其第二输入端耦接第二阈值信号，其输出端提供第二同步信号。
29.在一个实施例中，同步信号包括第一同步信号和第二同步信号，其中：当交流电源电压大于第一阈值信号时时，第一同步信号呈第一状态，第二同步信号呈第二状态；当交流电源电压小于第二阈值信号时，第一同步信号呈第二状态，第二同步信号呈第一状态；以及当交流电源电压小于第一阈值信号并大于第二阈值信号时，同时将第一同步信号和第二同
步信号设置为第一状态或第二状态，其中第一阈值信号为正电压信号，第二阈值信号为负电压信号。
30.在一个实施例中，辅助电源电路具有输入端、输出端和参考地端，其中辅助电源电路的输入端耦接开关电路的第一端，辅助电源电路的参考地端耦接开关电路的第二端，辅助电源电路的输出端用于为开关驱动电路供电，其中开关电路的第二端至第一端之间通过开关电路的至少一个体二极管形成电流通路。
31.根据本发明的另一个方面，一种单相交流电机驱动系统包括如上任一实施例所述的交流斩波电路以及电机，其中交流斩波电路用于驱动电机。
32.本发明提出的交流斩波电路及单相交流电机驱动系统，具有简单的结构和较高的效率，同时具有较高的功率因数。
附图说明
33.图1示出了根据一实施例的交流斩波系统框图示意图；
34.图2示出了根据本发明一实施例的交流斩波系统电路示意图；
35.图3示出了根据本发明一实施例的同步信号发生电路示意图；
36.图4示出了根据本发明一实施例的波形示意图；
37.图5示出了根据本发明一实施例的辅助电源电路示意图；
38.图6示出了根据本发明另一实施例的辅助电源电路示意图；
39.图7示出了根据本发明又一实施例的辅助电源电路示意图；
40.图8示出了根据本发明又一实施例的辅助电源电路的示意图。
具体实施方式
41.为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
42.该部分的描述只针对几个典型的实施例，本发明并不仅局限于实施例描述的范围。不同实施例的组合、不同实施例中的一些技术特征进行相互替换，相同或相近的现有技术手段与实施例中的一些技术特征进行相互替换也在本发明描述和保护的范围内。
43.说明书中的“耦接”或“连接”既包含直接连接，也包含间接连接。间接连接为通过中间媒介进行的连接，如通过电传导媒介如导体的连接，其中电传导媒介可含有寄生电感或寄生电容，也可通过说明书中实施例所描述的中间电路或部件的连接；间接连接还可包括可实现相同或相似功能的基础上通过其他有源器件或无源器件的连接，如通过信号放大电路等电路或部件的连接。“a和/或b”既包含同时包括a和b的情况，也包含仅包括a或仅包括b的情况。
44.图1示出了根据一实施例的单向交流电机驱动系统框图示意图。单向交流电机驱动系统包括：交流电源vac，交流斩波电路和交流负载m，交流斩波电路基于交流电源vac将交流电源vac进行斩波变换提供输出交流驱动信号用于驱动交流负载m。优选地，交流负载m为交流电机m。交流斩波电路提供一种无桥交流斩波功能，将交流电源直接加载在开关电路的桥臂上，根据输入电压的极性交替斩波，使得交流电源和开关电路之间消除了整流桥电
路，从而消除了整流桥带来额外的导通损耗，为更大功率的模块集成提供了更优的方向。交流斩波电路包括开关电路11、同步信号发生电路12、开关驱动电路13和辅助电源电路14。开关电路11的输入端直接接收交流电源vac，基于开关电路11的开关动作，在开关电路11的输出端提供经转换的交流输出电压vo用于驱动电机m。交流输出电压vo为交流斩波信号，其中通过控制开关电路11中部分开关的开关动作的占空比，可以对开关电路输出端的输出电压vo的交流斩波信号的占空比进行调节，从而对输出电压vo的幅值平均值进行调节，从而实现对电机m的无级调速。该拓扑在交流电源vac和开关电路11之间消除了整流电路，进一步简化了系统，减少了无源器件的数量，体积小，效率高，易于更大功率模块的集成。开关电路11具有第一输入端111、第二输入端112、第一输出端113和第二输出端114，其中第一输入端111耦接交流电源vac的第一端，第二输入端112耦接交流电源vac的第二端，第一输出端113耦接电机m的第一端、第二输出端114耦接电机m的第二端。同步信号发生电路12耦接交流电源vac的第一端和第二端，并在同步信号发生电路12的输出端提供与交流电源vac极性相关的同步信号is。在另外的实施例中，同步信号发生电路也可在其他部位获得表征交流电源vac状态的信号，如耦接交流电源的emi滤波器的输出端等。优选地，交流电源vac为市电电源，如其频率为50hz、幅值为220v或频率为60hz、幅值为110v的正弦交流电信号。在一个实施例中，同步信号is在交流电源vac处于正弦波正半周期时输出第一状态，即正半周工作信号，在交流电源vac处于正弦波负半周期时输出第二状态，即负半周工作信号，其中在正半周期，开关电路的第一输入端111电压小于开关电路的第二输入端112电压，在负半周期开关电路的第一输入端111电压大于开关电路的第二输入端112电压，第一状态不同于第二状态。优选地，同步信号is包括正半周工作信号，负半周工作信号，并在正半周工作信号和负半周工作信号之间设置死区信号。
45.开关驱动电路13基于同步信号is产生开关控制信号pwm1-pwm4用于控制开关电路11，开关驱动电路13产生用于对开关电路11中至少部分开关以第二频率进行斩波的脉冲宽度(pwm)信号，其中第二频率高于交流电源的第一频率，使得开关电路11中至少部分开关以第二频率的开关动作进行斩波，使得开关电路在第一输出端113和第二输出端114之间形成交流斩波信号vo，其中交流斩波信号vo的包络线与正弦交流电源vac的波形同步。并通过控制第二频率的pwm信号的占空比对输出交流信号vo进行调节。开关驱动电路13可进一步基于电流检测信号等反馈信号产生开关控制信号pwm1-pwm4，以更精确控制pwm信号的占空比。在一个实施例中，第二频率为交流电源频率的10倍以上。
46.辅助电源电路14耦接开关电路11，基于开关电路11上的电压信号产生辅助电源电压vaux，用于为开关驱动电路13和同步信号发生电路12提供辅助电源。优选地，开关电路11具有参考端rg，参考端rg耦接辅助电源电路14和开关驱动电路13用于作为辅助电源电路14和开关驱动电路13的参考地，辅助电源电路14通过获取开关电路11上的电压信号和耦接参考地，借助开关电路用于形成辅助电源电路14的电流回路为辅助电源电路14供电。优选地，将开关电路的一参考端rg作为系统参考地，便于实现系统的非隔离控制。在一个实施例中，辅助电源电路14具有输入端141、参考地端142和输出端143，其中辅助电源电路14的输入端141耦接开关电路11的第一端115，辅助电源电路14的参考地端142耦接开关电路11的第二端116，辅助电源电路14的输出端143用于提供辅助电源电压vaux为开关驱动电路13和同步信号发生电路12供电。优选地，开关电路11的第二端116至第一端115之间通过开关电路11
的至少一个体二极管形成电流通路，或者通过开关电路11的导通的开关状态形成电流通路，在开关电路11和辅助电源电路14之间构建了电流回路，实现基于开关电路11上的电压为辅助电源电路14供电，产生辅助电源电压vaux。使得辅助电源电路14不需要复杂的电器隔离即能实现。
47.交流斩波电路通过无桥交流斩波拓扑可用于实现电机的无级调速，同时具有体积小，效率高，易于更大功率模块的集成的优点。
48.在一个实施例中，开关电路11具有一参考端rg，参考端rg耦接同步信号发生电路12、开关驱动电路13和辅助电源电路14，作为同步信号发生电路12、开关驱动电路13和辅助电源电路14共同的参考地，用于实现系统的运行。
49.优选地，交流斩波电路用于驱动交流电机，如单相交流电机。本技术的交流斩波电路也可以驱动其它类型的负载。
50.图2示出了根据本发明一实施例的交流斩波系统电路示意图。其中开关电路包括第一开关管q1、第二开关管q2、第三开关管q3和第四开关管q4。第一开关管q1耦接在第一输入端211和第一输出端213之间，第二开关管q2耦接在第一输出端213和参考端rg之间，第三开关管q3耦接在第二输入端212和第二输出端214之间，第四开关管q4耦接在第二输出端214和参考端rg之间。其中每个开关管包括一个并联的体二极管。第一开关管q1包括并联的第一体二极管d1，其中第一体二极管d1的阳极耦接开关电路的第一输出端213，第一体二极管d1的阴极耦接开关电路的第一输入端211。第二开关管q2包括并联的第二体二极管d2，其中第二体二极管d2的阳极耦接开关电路的参考端rg，第二体二极管d2的阴极耦接开关电路的第一输出端213。第三开关管q3包括并联的第三体二极管d3，其中第三体二极管d3的阳极耦接开关电路的第二输出端214，第二体二极管d2的阴极耦接开关电路的第二输入端212。第四开关管q4包括并联的第四体二极管d4，其中第四体二极管d4的阳极耦接开关电路的参考端rg，第四体二极管d4的阴极耦接开关电路的第二输出端214。开关管q1-q4可包括场效应晶体管如金属氧化物半导体场效应管(mosfet)，结型场效应晶体管(jfet)，或绝缘栅双极型晶体管(igbt)等。优选地，开关管q1-q4包括寄生的体二极管，用于实现非同步(的)整流功能。在另一个实施例中，开关管q1-q4可也各自并联分立的二极管。开关管q1-q4中的每一个可各自由多个开关管组合或开关管与二极管的组合代替。
51.同步信号发生电路22耦接交流电源vac的第一端和第二端，即开关电路的第一输入端211和第二输入端212，并在同步信号发生电路22的输出端提供同步信号is1和is2。在图示的实施例中，同步信号包括第一同步信号is1和第二同步信号is2。第一同步信号is1和第二同步信号is2也可以根据如图1所示的同步信号is生成。
52.开关驱动电路基于第一同步信号is1和第二同步信号is2产生开关控制信号pwm1-pwm4，用于控制开关电路中的开关管q1-q4。其中开关驱动电路可包括如图2所示的驱动逻辑电路231、第一半桥驱动电路232和第二半桥驱动电路233。第一半桥驱动电路232和第二半桥驱动电路233用于将驱动逻辑电路231输出的逻辑信号进行放大，提供适于驱动开关管q1-q4的驱动信号。
53.第一半桥驱动电路232耦接第一开关管q1和第二开关管q2的控制端用于驱动第一开关管q1和第二开关管q2。第二半桥驱动电路233耦接第三开关管q3和第四开关管q4的控制端用于驱动第三开关管q3和第四开关管q4。与其它驱动h类开关桥的半桥驱动电路不能
同时导通同一边桥臂不同的是，第一半桥驱动电路232不具有导通互锁电路，能支持将第一开关管q1和第二开关管q2导通，第二半桥驱动电路233支持同时将第三开关管q3和第四开关管q4导通。且与其它交流-交流斩波电路不同的是，基于开关电路参考端rg的选取并作为开关驱动电路、同步信号发生电路22和辅助电源电路24的参考地，本实施例的第一半桥驱动电路232和第二半桥驱动电路233可采用非隔离型的驱动电路，无需变压器等隔离器件的采用。进一步降低了系统复杂度，减小了系统体积和成本。具体的，第一半桥驱动电路232可用于在正半周工作区期间将第一开关管q1和第二开关管q2同时导通，第二半桥驱动电路233可用于在负半周工作区期间同时将第三开关管q3和第四开关管q4导通。辅助电源电路24耦接开关电路的第一输入端211和/或第二输入端212，用于为开关驱动电路和同步信号发生电路提供辅助电源vaux，为其供电。辅助电源电路24包括一参考端rg2，该参考端rg2作为辅助电源电路24的参考地，与开关电路的参考地rg耦接。在一个实施例中，辅助电源电路24具有第一输入端、第二输入端、输出端和参考端，其中辅助电源电路24的第一输入端和第二输入端分别耦接开关电路的第一输入端211和第二输入端212或分别耦接开关电路的第一输出端213和第二输出端214，辅助电源电路24的输出端耦接开关驱动电路用于为开关驱动电路供电，辅助电源电路24的参考端rg2耦接开关电路的参考端rg用于在辅助电源电路24和开关电路之间形成电流回路。开关电路或交流电源vac可以实现在交流电源vac的正半周和负半周同时为辅助电源电路24中的电容充电。在一个实施例中，辅助电源电路仅具有一个输入端耦接开关电路，如辅助电源电路的输入端耦接开关电路的第一输入端211、第二输入端212、第一输出端213和第二输出端214中的任意一个，开关电路或交流电源仅在交流电源vac的正半周或负半周实现为辅助电源电路24中的电容充电。
54.在图2所示的实施例中，交流斩波电路进一步包括第一电容c1，耦接在开关电路的第一输入端211和第二输入端212之间。第一电容c1可用于吸收高频谐波。在一个实施例中，交流斩波电路进一步包括emi滤波器，耦接在交流电源vac的第一端和第二端之间，第一电容c1和emi滤波器包含的电容可以共用，进一步降低了电容的数量和体积。在另一个实施例中，交流斩波电路包括两个电容，分别和开关电路的两个桥臂并联，即第一个电容的第一端耦接开关电路的第一输入端211，第二端耦接开关电路的参考端rg；第二个电容的第一端耦接开关电路的第二输入端212，第二端耦接开关电路的参考端rg。
55.图3示出了根据本发明一实施例的同步信号发生电路示意图30。为了保证不同工作区的模式的切换，需要获取表征交流电源vac状态的信号。同步信号发生电路30具有两个输入端、参考端和两个输出端，其中两个输入端分别耦接交流电源vac的两个输出端，两个输出端提供第一同步信号is1和第二同步信号is2。在图示的实施例中同步信号发生电路30包括：差分放大电路31、第一比较电路32和第二比较电路33。交流电源vac的第一端和第二端为浮地端口，经过差分放大电路31的运算，用于消除交流电源共模信号的影响，得到一个与输入交流电源vac同步的相对于开关电路参考端rg的偏置交流信号，以方便后续处理。在图示的实施例中，差分放大电路31具有第一输入端、第二输入端、偏置端和输出端，其中差分放大电路31的第一输入端耦接开关电路的第一输入端311、差分放大电路31的第二输入端耦接开关电路的第二输入端312，差分放大电路31的偏置端接收基于供电电路参考端rg的偏置电压voffset，差分放大电路31的输出端提供偏置交流信号。在图示的实施例中，差分放大电路31包括电阻r1-r4以及运算放大电路35，其中电阻r1耦接在差分放大电路31的
第一输入端和运算放大电路35的第一输入端之间，电阻r2耦接在运算放大电路35的第一输入端和运算放大电路35的输出端之间，电阻r3耦接在差分放大电路31的第二输入端和运算放大电路35的第二输入端之间，电阻r4耦接在运算放大电路35的第二输入端和偏置电压voffset之间。运算放大电路35的输出端提供偏置交流信号。当设置r1＝r3，r2＝r4时，偏置交流信号值为：
[0056][0057]
其中vacp为交流电源的第二端的电压，vacn为交流电源的第一端的电压。
[0058]
第一比较电路32的同相输入端耦接差分放大电路31的输出端，反相输入端耦接第一阈值信号vth1，其输出端提供第一同步信号is1。第二比较电路33的反相输入端耦接差分放大电路31的输出端，同相输入端耦接第二阈值信号vth2，其输出端提供第二同步信号is2。其中第一阈值信号vth1和第二阈值信号vth2可以为以开关电路的参考端rg为参考地的电压信号。
[0059]
其中电阻r1-r4也可由其他串并联等效电阻代替。
[0060]
表1示出了根据本发明一实施例的第一同步信号is1和第二同步信号is2的状态表。
[0061]
表1
[0062]
is1is2工作区00死区10正半周01负半周11故障
[0063]
在交流电源vac处于正弦波正半周期时，开关电路第二输入端312电压大于第一输入端311的电压，当交流电源vac大于第一阈值信号vth1时，第一同步信号is1呈第一状态(例如高电平状态，或“1”值)，第二同步信号is2呈第二状态(例如低电平状态，或“0”值)，将该状态设置为正半周工作区。在交流电源vac处于正弦波负半周期时，当交流电源电压小于第二阈值信号vth2时，其中第一阈值信号为正电压信号，第二阈值信号为负电压信号，第一同步信号is1呈第二状态(“0”值)，第二同步信号is2呈第一状态(“1”值)，将该状态设置为负半周工作区。当交流电源vac在正半周期和负半周期之间时，如当交流电源电压小于第一阈值信号vth1并大于第二阈值信号vth2时，第一同步信号is1和第二同步信号is2设置为第二状态(“0”值)，将该状态设置为死区。当交流电源vac出现故障时，同时将第一同步信号is1和第二同步信号设置为第一状态(“1”值)。当然也可以在当交流电源在正半周期和负半周期之间的死区时将is1和is2同时设置为第一状态(“1”值)并在交流电源vac出现故障时，同时将第一同步信号is1和第二同步信号设置为第二状态(“0”值)。在一个实施例中，vth1＝-vth2。
[0064]
图4示出了根据本发明一实施例的波形示意图。下面将结合图2和图3对交流斩波电路的功能予以说明。图4所示信号从上至下分别为交流电源信号vac，交流斩波输出电压
vo，第一同步信号is1、第二同步信号is2、死区信号以及分别代表四个开关管开关状态或其开关控制信号状态的信号pwm1-pwm4。根据输入的交流电源vac的极性，该交流斩波方案分为三种工作区间，即正半周工作区t1，负半周工作区t2以及死区t0。工作区可通过第一同步信号is1、第二同步信号is2来指示。在一个实施例中，当输入电压vac高于第一比较阈值vth的工作时间段定义为正半周工作区t1；输入电压vac低于第一比较阈值vth而高于第二比较阈值-vth的工作时间段定义为死区t0；输入电压低于第二比较阈值-vth的工作区间定义为负半周工作区t2。
[0065]
在正半周工作区t1，交流电源处于正半周期(vac》0)，开关电路的第一输入端电压211小于开关电路的第二输入端电压212，此时pwm1和pwm2信号为高，pwm3信号为具有第二频率的pwm信号，pwm4信号为与pwm3信号互补的pwm信号，其中第二频率大于交流电源vac的第一频率。开关驱动电路控制包括第一开关管q1和第二开关管q2的第一桥臂导通，第二桥臂的第三开关管q3在pwm信号的控制下以设定的占空比进行开关动作，第四开关管q4工作在整流状态，与第三开关管q3的开关动作呈互补状态，即当第三开关管q3导通时，第四开关管q4关断，当第三开关管q3关断时，第四开关管q4导通。第四开关管q4控制端的控制信号可以为低值，第四开关管q4通过其体二极管导通并流过电流，使第四开关管q4工作在非同步整流状态。第四开关管q4控制端的控制信号也可以为与第三开关管q3控制端信号互补的pwm控制信号，使第四开关管q4工作在同步整流状态。
[0066]
在负半周工作区t2，交流电源vac处于负半周期(vac《0)，开关电路的第一输入端211电压大于开关电路的第二输入端212电压，此时控制pwm3和pwm4信号为高电平，pwm1信号为第二频率的pwm信号，pwm2信号为与pwm1信号互补的pwm信号。开关驱动电路控制包括第三开关管q3和第四开关管q4的第二桥臂导通。第一桥臂的第一开关管q1在pwm信号的控制下以设定占空比进行开关动作，第二开关管q2工作在整流状态，与第一开关管q1的开关动作呈互补状态。
[0067]
通过上述控制，开关电路第一输出端213和第二输出端214之间的压差即开关电路的输出电压vo呈现交流斩波信号，其具有与控制第三开关管q3或第一开关管q1的pwm信号相对应的第二频率和占空比，且交流斩波信号vo的包络线形状跟随交流电源vac的形状，在开关电路的输出端产生包络和输入电压波形一样而幅值平均值与占空比成正比的电压信号正向地施加在负载m上。因此，通过这样的控制，其输出电压vo可以通过改变pwm信号的占空比进行调节，从而可以对电机实现无级调速。同时因其输出电压vo的包络线与交流电源的形状相对应，系统具有较高的功率因数。
[0068]
当交流电源vac在切换状态的前后期间，设置开关死区t0，当工作在死区t0时，即在正半周工作区t1和负半周工作区t2之间，开关管q1-q4中至少两个开关管关断，但开关管q1-q4不能同时关断，否则感性负载不仅会感应出高压击穿开关管，而且电流波形容易畸变影响总谐波失真(thd)。因此需要给出适当的驱动信号，为感性负载提供续流回路。开关驱动电路控制第一开关管q1、第二开关管q2、第三开关管q3和第四开关管q4中的一至两个开关管同时导通。在图示的实施例中，在死区t0期间内，开关驱动电路控制第二开关管q2和第四开关管q4导通，第一开关管q1和第三开关管q3关断，负载m与参考端rg之间构成续流回路。
[0069]
在另一个实施例中，在死区期间t0内，开关驱动电路控制第一开关管q1和第二开
关管q2导通，第三开关管q3和第四开关管q4关断，或者第三开关管q3和第四开关管q4导通，第一开关管q1和第二开关管q2关断。导通的桥臂对应的输出端被钳位到开关电路的参考端rg电位，另一个桥臂的两个开关给关断信号，感性负载的残余电流会迫使被关断桥臂的其中一个开关管的体二极管导通，形成续流回路。
[0070]
在又一个实施例中，在死区期间t0内，开关驱动电路控制第一开关管q1和第三开关管q3导通，第二开关管q2和第四开关管q4关断，交流电源vac与负载m之间构成续流回路。
[0071]
图5示出了根据本发明一实施例的辅助电源电路50示意图。辅助电源电路50具有第一输入端51、第二输入端52、输出端53和参考端54，其中辅助电源电路50的第一输入端51和第二输入端52分别耦接开关电路的第一输入端511和第二输入端512，辅助电源电路50的输出端53提供辅助电源vaux用于为开关驱动电路和同步信号发生电路供电，辅助电源电路50的参考端rg2耦接开关电路的参考端rg用于在辅助电源电路50的第一输入端51、辅助电源电路的参考端rg2、开关电路和辅助电源电路的第二输入端52之间形成电流回路。辅助电源电路50包括：第五二极管d5，其阳极耦接开关电路的第一输入端511；第六二极管d6，其阳极耦接开关电路的第二输入端512；第二电容c2，其第一端耦接第五二极管d5的阴极和第六二极管d6的阴极，其第二端耦接开关电路的参考端rg；以及电压变换电路55，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中电压变换电路55的第一输入端第五二极管d5的阴极和/或第六二极管d6的阴极，电压变换电路55的第二输入端耦接开关电路的参考端rg，电压变换电路55的输出端提供辅助电源vaux。电压变换电路55可包括线性稳压电路(ldo)或直流-直流开关模式电压变换电路，如降压电路(buck)、升压电路(boost)或降压-升压电路(buck-boost)等。
[0072]
如图所示，当交流电源vac处于正半周时，输入交流电源通过辅助电源电路50的第五二极管d5、公共的参考端rg2、开关电路中的开关管q2和q1构成电流回路给dc/dc变换器55的输入供电。当交流电源vac处于负半周时，输入交流电源vac通过辅助电源的第六二极管d6、公共的参考端rg2、开关电路的开关管q4和q3构成回路给dc/dc变换器55的输入供电。当电路系统在初始化上电时，四个主开关内部的体二极管d1，d2，d3，d4和辅助电源的二极管d5和/或d6构成整流桥，在正半周交流电源通过辅助电源电路50的第五二极管d5、公共的参考端rg2、体二极管d2和d1构成电流回路给dc/dc变换器55的输入供电。在负半周交流电源vac通过辅助电源的第六二极管d6、公共的参考端rg2、开关电路的体二极管d4和d3构成回路给辅助电源的dc/dc变换器供电。
[0073]
而且通过将辅助电源的参考地rg2与开关电路的参考端rg耦接，当开关电路中的开关管全部关断时，感性负载中的电流依旧可通过开关电路的体二极管和辅助电源构成的电流回路中续流。例如当开关q1-q4全部断开时，若感性负载中电流从第二输出端514流出，经过体二极管d3、二极管d5、rg2和体二极管d2构成续流回路；若感性负载中电流从第一输出端513流出，经过体二极管d1、二极管d5、rg2和体二极管d4构成续流回路，从而降低电压尖刺，避免在同时关断的极端情况下造成电路的损坏。
[0074]
在另一个实施例中，辅助电源电路50可不包括第六二极管d6，辅助电源电路50仅在交流电源vac的正半周内被交流电源vac输入供电。
[0075]
在另一个实施例中，辅助电源电路可不包括第二电容c2，交流电源直接向dc/dc变换器55供电用于进一步提供辅助电源。在一个实施例中，第二电容c2构成电压变换电路55
的一部分，或者第二电容c2由其他形式的储能器件代替。
[0076]
图6示出了根据本发明另一实施例的辅助电源电路60示意图。相比图5中的辅助电源电路50，辅助电源电路60进一步包括旁路器件：第七二极管d7，其阳极耦接电压变换电路的第二输入端，其中电压变换电路的第一输入端耦接二极管d5或d6的阴极，d7的阴极耦接第五二极管d5的阳极。辅助电源电路60可进一步包括旁路器件：第八二极管d8，其阳极耦接电压变换电路的第二输入端，其阴极耦接第六二极管d6的阳极。在一个实施例中，辅助电源电路包括二极管d5和d8，不包含d6和d7。在一个实施例中，辅助电源电路包含二极管d6和d7，不包含d5和d8。在一个实施例中，辅助电源电路同时包括二极管d5、d6、d7和d8。在这些实施例中，辅助电源电路的参考地端可不需要耦接开关电路即可形成电流回路，如在交流电源的正半周，通过d5、c2和d8形成电流回路；在交流电源的负半周，通过d6、c2和d7形成电流回路。在图6所示的实施例中，虽然辅助电源电路引入了4个二极管，但由于辅助电源电路所需电流较低，相比较耦接在交流输入电源vac和开关电路之间的整流桥的方案，其二极管的功率大为降低，对二极管d5-d8的规格要求也较低，体积较小。
[0077]
图7示出了根据本发明又一实施例的辅助电源电路70示意图。与图5中实施例相比，辅助电源电路70的第一输入端71和/或第二输入端72分别耦接开关电路的第一输出端711和/或第二输出端712。辅助电源电路70从开关电路的输出端获取电源。
[0078]
图8示出了根据本发明又一实施例的辅助电源电路80示意图。其中辅助电源电路80包括：第一电阻r1，第一端耦接开关电路的第一输入端811，和/或，第二电阻r2，第一端耦接开关电路的第二输入端812；以及电压变换电路85，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中电压变换电路85的第一输入端耦接第一电阻r1的第二端和/或第二电阻r2的第二端，电压变换电路85的第二输入端耦接开关电路的参考端rg，电压变换电路85的输出端提供辅助电源vaux。
[0079]
通过将辅助电源电路的参考地端与供电电路的参考端rg耦接，可以实现从开关电路的输入或输出取电，并借助开关电路中开关的体二极管，构建辅助电源回路，简化了辅助电源的设计和成本。
[0080]
本领域技术人员应当知道，上述逻辑控制中的“高电平”与“低电平”、“同相”与“反相”等逻辑控制可相互调换或改变，通过调节后续逻辑控制而实现与上述实施例相同的功能或目的。
[0081]
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。说明书中所涉及的效果或优点等相关描述可因具体条件参数的不确定或其它因素影响而可能在实际实验例中不能体现，效果或优点等相关描述不用于对发明范围进行限制。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。