CN100346560C - 具有功率因数校正的电路配置及其相关装置 - Google Patents

Abstract

一种电路配置具有电源连接(NA)、电源开关(S1)和包含用于功率因数校正的功率因数线圈(NS)的开关电源。并且继电器(R1)的开关触点(3)与电源开关(S1)的第一开关触点(1)并行安置，并且继电器(R1)的控制线圈(ST)被连接到开关电源的输出电压。由于开关电源的输出电压的每一个都被电容器缓冲，所以继电器在该配置被关断之后仍然断开一定的时间。通过继电器、通过所述线圈抽取消除经过继电器的来自所述电源开关的能量所需的电流而消除存储在功率因数线圈中的能量。

Description

具有功率因数校正的电路配置及其相关装置

技术领域

本发明以具有开关电源的电路配置以及具有相应电路配置的装置为基础。

背景技术

开关电源在干线电源系统上产生高脉冲负载，这导致在该干线电源系统中的谐波电流。这一负载发生在正弦电源电压的电压最大限度的区域内，在该最大限度处，开关电源内储存能量的电容器被再次充电。因此，诸如具有相对较大阴极射线管的电视机的具有相对较高功耗的装置必须针对谐波电流进行特定的调整。在这种情况下，由一个装置引起的干线电源系统上的谐波负载可以由所谓的功率因数指出。

差动电路的概念用于改善功率因数已广泛公知，例如在DE-A-196 10762、EP-A-0 700 145和US 5,986,898中所披露的。这包含了具有在电源整流器和变压器初级绕组之间的一个线圈的第二电流路径，该线圈电感的作用类似于一个电流泵，所述第二电流路径受开关晶体管的控制，并且这样扩大了开关电源中的脉动电流流动。

改善开关电源功率因数的另一种可能的途径是在该开关电源的输入区域中使用线圈。该线圈也被称之为50Hz线圈、电源频率线圈或功率因数线圈。为了避免与其它线圈混淆，本描述总是对该线圈使用术语功率因数线圈。但是，该功率因数线圈的缺点在于当启动电源开关以便使所述装置截止时，该功率因数线圈中的电流被突然地中断。然而，存储在该线圈中的能量必须被清除。由于断开装置开关表示电路的最高阻抗，所以，在电源开关开关触点两端将引发非常高的电压，并且这将导致电弧。这意味着电源开关将非常迅速地老化，并且，由于在最坏的情况下这是一个潜在的火源，所以该开关表示了一种安全风险。

其中断开开关触点的速率较低的其它电源开关也存在类似的风险。在这种情况下，虽然触点两端的电压不是非常高，但是，也将产生电弧和燃烧，直到相应的电源半周期结束为止。这也将导致在该开关中大量的能量被损失，进而导致迅速的老化。

发明内容

本发明的目的是给定一种前述类型电路配置以及相应的装置，这种电路配置具有高度的可靠性并具有尽可能经济的电路复杂性。

根据本发明的一个方面，提供一种电路配置，包括电源连接、具有第一开关触点和第二开关触点的电源开关、具有第三开关触点的开关元件、以及开关电源，所述开关电源包含：具有初级绕组的变压器；整流器装置，其耦合到电源连接，用于为初级绕组提供经整流的电压；存储能量的电容器，其利用一端耦合到整流器装置和初级绕组；开关晶体管，其耦合到初级绕组；驱动器电路，用来生成用于开关晶体管的控制电压；以及用于功率因数校正的功率因数线圈，其耦合在电源连接和存储能量的电容器之间，其中，第一开关触点被安置在电源连接和整流器装置之间；第二开关触点被耦合到用于驱动器电路的电源电压，以便关断用于开关晶体管的控制电压，以及第三开关触点被与电源开关的第一开关触点并联地安置，用于在通过所述电源开关关断所述电路配置之后保持电流。

根据本发明的第二方面，提供一种装置，所述装置具有上述电路配置。

根据本发明的第三方面，提供一种电路配置，包括电源连接、具有第一开关触点和第二开关触点的电源开关、具有第三开关触点的开关元件、以及开关电源，所述开关电源包含：具有初级绕组的变压器；整流器装置，其为初级绕组提供经整流的电压；存储能量的电容器，其利用一端耦合到整流器装置和初级绕组；开关晶体管，其耦合到初级绕组；驱动器电路，用来生成用于开关晶体管的控制电压；以及用于功率因数校正的功率因数线圈，其耦合在电源连接和存储能量的电容器之间，其中，第一开关触点被安置在电源连接和整流器装置之间；第二开关触点被耦合到用于驱动器电路的控制电压，以便关断用于开关晶体管的控制电压，以及第三开关触点被与电源开关的第一开关触点并联地安置，用于在通过所述电源开关关断所述电路配置之后保持电流。

根据本发明的电路配置具有一个电源连接、一个电源开关和一个开关电源，该开关电源包含一个用于功率因数校正的功率因数线圈。在这种情况下的电源开关具有两个开关触点，其中的一个被安置在电源连接和开关电源之间的电源线中，并以这种方式将50Hz线网络的相位或中线导体转换为截止或导通。第二个开关触点被安置在用于开关电源的驱动器电路的电源中，并当通过关断控制或电源电压使该电路配置被关断时使开关电源中的开关晶体管截止。

继电器的开关触点与电源开关的第一开关触点平行地安置，该继电器的控制线圈被连接到开关电源的输出电压。由于该开关电源输出电压的每一个都被电容器缓冲，所以在该配置已经被关断后该继电器还将闭合一段时间。通过继电器、通过所述线圈抽取消除经过继电器的来自所述电源开关的能量所需的电流从而消除存储在功率因数线圈中的能量。在继电器两端存在的输出电压下降之前，继电器一直没有断开，从而从所述电源连接流出的电流完全被中断。

附图说明

下面将结合附图使用范例性实施例借助于举例来详细描述本发明。其中：

图1示出了具有电源开关、继电器和开关电源的一种配置。

图2示出了具有继电器的一种配置，该继电器具有一个用于退磁线圈的附加开关触点，和

图3示出了在关断时所述电路配置的电流和电压曲线。

具体实施方式

图1简要示出了一种开关电源，该开关电源具有一个整流器装置，在这个例子中，该整流器装置是一个具有4个二极管的桥式整流器BR，该开关电源还具有一个存储能量的电容器C1以及变压器TR，该变压器TR具有安置在初级侧的初级绕组W1、辅助绕组W2以及安置在次级侧的次级绕组W3、W4和W5。在这种情况下，存储能量的电容器C1被安置在桥式整流器BR和初级绕组W1之间。由来自驱动器电路DC的控制电压DS控制的开关晶体管T1与初级绕组W1串联。用于启动开关电源的电源电压VCC被提供给驱动器电路DC，并经过辅助绕组W2、二极管D1和电容器C2产生。

图1所示开关电源是以下电路配置的一部分，除了电源连接NA和电源开关S1以外，所述电路配置还具有两个开关触点1和2。所述电路配置例如是被集成在电视机中。

为了控制该开关电源，驱动器电路DC被提供有一个控制信号RS，该控制信号RS得自例如电视机中的系统电压的次级侧上电源电压U4，并经未示出的光耦合器或绝缘变压器发送给开关电源的初级侧。所谓的缓冲器网络SN与初级绕组W1并联配置并被用于缓冲电压尖峰脉冲，该尖峰脉冲是开关晶体管T1截止时发生的。

该开关电源还包含一个起始电路(starting circuit)AS，该电路(在其中集成有该电路配置的装置被导通之后)将用于开关电源起始阶段的功率提供给驱动器级DC。该起始电路AS通常是一个高阻抗电阻器链，该电阻器链在桥式整流器BR和电容器C2之间产生一个连接，以便生成电源电压VCC。然后，在工作期间，电源电压VCC由辅助绕组W2以及二极管D1和滤波器电容器C2生成。

虽然其它的电路原理同样是可能的，但图1所示的开关电源最好工作于逆向变换器(flyback converter)原理。逆向变换器最好被用在例如电视机和视频记录器的接纳电子的装置中。在这种情况下，当逆向变换器中的开关晶体管T1导通时，能量被存储在变压器TR中并随后在该开关晶体管截止阶段被发送给次级绕组W3-W5，并被发送给初级辅助绕组W2。逆向变换器既被用做AC/DC转换器，也被用做DC/DC转换器。

当桥式整流器BR的输出电压大于存储能量的电容器C1两端的电压值时，由于存储能量的电容器C1仅能够在50Hz电源电压的电压最大限度和最小限度的区域中再次充电，所以这种开关电源具有很低的功率因数。改善开关电源功率因数的一个简单的可能性是使用连接在电源连接NA和存储能量电容器C1之间的电源频率线圈或功率因数线圈NS。在这个范例性实施例中，它被连接在电源开关S1和电源整流器BR之间。

由于例如50mH的功率因数线圈NS的电感使得流经该线圈的电流逐渐上升并以衰减方式再次下降，所以，该线圈展宽和移动用于对存储能量的电容器C1再充电的脉动电流的相位。在这种情况下对电感的适当选择能够实现与需求一致的功率因数。

由于功率因数线圈NS被安置在电源开关S1的电流路径中，所以，当开关触点1断开时，该功率因数线圈NS的相对高的电感引起一个高电压，并且这将导致在开关触点1处产生电弧。根据本发明，电源开关S1具有两个开关触点1和2，其中第一开关触点1被连接到电源中的电源连接NA，第二开关触点2被耦合到用于驱动器电路DC的电源或控制电压上。电源连接NA的第二连接b被连接到桥式整流器BR上而无需被转换。

通过使用驱动器电路直接或间接地切断用于转换晶体管T1的转换电压DS，第二开关触点2被以这种方式用于使开关晶体管T1截止。开关触点2例如可以被连接在连接点c’和d’之间，从而在截止处理期间驱动器电路DC与电源VCC断开连接。然后，仅仅在几个转换周期之后，开关晶体管T1便完全截止。

一个电容器(未示出)最好也被从连接c’连接到地并被用于避免该开关的开关触点2的反跳，还用于提供对到电源开关S1的长电源线的滤波。在这种情况下，电容器的电容也影响转换周期的数量，在这些数量的转换周期之后，开关晶体管T1完全截止。

但是，例如是用于驱动器电路DC的控制电压的另一个电压也可以通过开关触点2以相应的方式被关断，或者可以使用开关触点2保证控制信号RS处于预定的电压值，从而使开关晶体管T1同样持久地处于截止状态。

与电源开关S1的开关触点1并行地安置了一个桥接该开关触点的旁路。虽然也可以使用诸如开关晶体管的其它转换元件，但该旁路最好是一个具有电源绝缘的继电器R1。当继电器R1被用于电源绝缘时，次级侧上的输出电压U2可以在连接e处被直接施加到继电器R1的控制线圈ST上。在这种情况下，该电源绝缘是由图1所示线N指出的。

当电源开关S1被断开时，开关触点2在短时间内直接或间接使开关晶体管T1截止，从而没有能量被从变压器TR传输给次级绕组W2-W5。但是，一电流仍然可以流经过所述旁路、流过继电器R1的开关触点3，由此，功率因数线圈NS中的磁场可以借助于流经继电器R1的电流消散而不会在电源开关S1开关触点1的两端形成任何电弧。这极大地改善了电源开关S1的寿命。

输出电压U2例如是被整流和平滑的电压，该电压是借助于一个二极管和一个相对较大滤波器电容器(未示出)从电源电压U3获得的。由于该大电容器的放电相对开关晶体管的转换周期有明显的延迟，所以，继电器R1的开关触点3的断开与开关触点1和2相比较有一延迟。在这种情况下，该时间常数取决于这个电容器的电容和由负载产生的负荷。在此之后的一段时间内，电源连接NA的连接a没有与开关电源完全断开。

当通过按压电源开关S1导通该装置时，开关触点1和2被闭合，由于在相同的时间处驱动器电路DC经过开关触点2再次准备好工作，所以，可以经过开关触点1启动开关电源。一旦该开关电源被启动，那么，继电器R1的开关触点3由于输出电压U2而再次被闭合，从而使该装置可以被再次关断而不会在电源开关S1中产生任何电弧。在导通期间，开关电源以与在传统装置中使用电源开关S1时正好相同的方式运转。

其中配置了开关电源的装置具有正常模式和备用模式，也被称之为准备模式，然后，它有益地使用作为电压U2的输出电压，该输出电压在次级侧产生并在备用模式中被关断。然后，在备用模式下，该继电器被关断并不消耗任何能量。随后开关触点3被断开。但是，由于在备用模式下该装置的功耗非常低以至在该电源开关的开关触点1的两端不会形成任何电弧，所以，当处于备用模式时，在关断所述装置的过程中不会出现不利情况。

图2示出了具有两个开关触点1和2的电源开关，其连接状态如图1所示。但是，这里继电器R2被用做所述继电器，该继电器R2具有与开关触点3并联的第二开关触点4。在这种情况下，开关触点4被有益地用于驱动去磁线圈(未示出)，所述去磁线圈通常被用于具有阴极射线管的电视机或相应的计算机监视器中。在这种情况下，对继电器R2控制线圈ST的驱动相当于对图1所示继电器R1的驱动。继电器R2同样具有由线N指出的电源绝缘。在这种情况下被用于图2中相同的参考符号的进一步的连接和元件对应于图1中的等效连接和元件。

在电视机或计算机监视器中使用的阴极射线管需要经常地去磁，以便保持该阴极射线管的颜色纯正。这是借助于在所述装置的转换处理期间通常被提供有AC电压的去磁线圈实现的。220V电压意味着在这种情况下该电压被用做AC电压并在导通时产生大的电流浪涌，该电流浪涌然后逐渐下降。这种下降是借助于所谓的正温度系数热敏电阻PS产生的，该电阻PS被大电流加热，从而使其阻抗在处理过程中变高。

但是，由于正温度系数热敏电阻PS被持久地加热，所以一旦电流冲击下降，它随后所消耗的功率基本上约为1瓦特。由于例如对于电视机来讲其备用损耗希望越低越好，所以，上述情况对于装置的备用模式来讲是不好的。在该备用模式下，继电器因此被频繁地用于使去磁线圈截止。

在本发明的一种改进中，正温度系数热敏电阻PS的一个连接目前被连接到继电器R2的第二开关触点4上，并且该正温度系数热敏电阻PS的第二连接被连接到电源连接NA的连接b上。去磁线圈(未示出)被连接到连接i、J上。次级电压被用做控制电压U2并在备用模式下被关断，从而在该备用模式下所述去磁线圈同样被开关触点4所关断。这避免了该继电器用于关断去磁线圈，并避免了对该继电器的相应驱动。

因此，电压U2可以仅存在于正常模式下，并且必须是在阴极射线管中开始偏转处理之前可用，以便避免由去磁处理所引起的图像扰动。但是，在电视机中已经有适当的电压可用，因此，继电器R2不仅可以避免在电源开关中由于电弧效应所导致的损坏，而且还意味着在备用模式下所述去磁线圈被关断。

下面将使用图3所示的电流和电压图详细解释图1所示的电路操作。在这种情况下，I1是流经电源开关S1的开关触点1的电流，I2是流经继电器R1的开关触点3的电流。U1是施加到驱动器电路DC的连接c’的电压，U2是施加到连接e和f上的次级电压。

在时间t1之前，开关电源工作于正常模式。这清楚地表明当存储能量的电容器C1被再次充电时电流I1和I2中的50Hz电流脉动被功率因数校正线圈NS所缓冲。由于该电流是由电源开关S1和继电器R1所共享，所以，在这种情况下，电流I1和I2具有相等的幅值。

在时间t1，电源开关S1被启动，所述装置因此被关断。用于驱动器电路DC的电源电压、即电压U1因此而立即下降。流经开关触点1的电流I1同样被立即中断。由于电容器C1被再次完全充电，所以，两倍于电流I2的电流流经继电器R1的开关触点3。但是，当处理继续时，电流I2被减弱，这种减弱意味着校正线圈NS中的磁场也被消除。

但是，由于用于次级电压U2的滤波器电容器仅仅是逐渐的放电，所以，电压U2只是在时间t1之后逐渐降低。继电器R1的触点3在时间t2之前不打开，当电压U2下降得低于一个规定阈值时，电源连接NA的连接a在此时之后与所述电源连接完全绝缘。在这种情况下，时间t2在时间t1之后出现近似100毫秒，从而无论是在继电器R1的开关触点1的两端还是在开关触点3的两端都不会产生电弧。在时间t2处可以看到没有更多的电流流经继电器R1。

本发明的其它改进之处都落入本领域普通技术人员的能力之内。特别是，诸如晶体管的其它适当的开关装置可以被用做继电器。由适当装置中的高压变压器产生的电源也可以被用做继电器R1或R2的控制电压。如果在该配置中使用一定数量的开关电源，例如是用于正常模式的第一开关电源和用于备用模式的第二开关电源，那么，由于备用开关电源的功耗可以被忽略，所以，使用开关触点2就足以使第一开关电源关断。如上面已经解释的，本发明同样也不局限于逆向变换器，并且可以被用于需要功率因数校正的其它开关电源原理。

Claims (10)

1.一种电路配置，包括电源连接(NA)、具有第一开关触点(1)和第二开关触点(2)的电源开关(S1)、具有第三开关触点(3)的开关元件、以及开关电源，

所述开关电源包含：具有初级绕组(W1)的变压器(TR)；整流器装置(BR)，其耦合到电源连接(NA)，用于为初级绕组(W1)提供经整流的电压；存储能量的电容器(C1)，其利用一端耦合到整流器装置(BR)和初级绕组(W1)；开关晶体管(T1)，其耦合到初级绕组(W1)；驱动器电路(DC)，用来生成用于开关晶体管(T1)的控制电压(DS)；以及用于功率因数校正的功率因数线圈(NS)，其耦合在电源连接(NA)和存储能量的电容器(C1)之间，所述电路配置特征是：

第一开关触点(1)被安置在电源连接(NA)和整流器装置(BR)之间；和

第二开关触点(2)被耦合到用于驱动器电路(DC)的电源电压(VCC)，以便关断用于开关晶体管(T1)的控制电压(DS)，以及

第三开关触点(3)被与电源开关(S1)的第一开关触点(1)并联地安置，用于在通过所述电源开关关断所述电路配置之后保持电流。

2.根据权利要求1所述的电路配置，其特征是：

变压器(TR)具有用来生成用于驱动器电路(DC)的电源电压(VCC)的辅助绕组(W2)，并且第二开关触点(2)被安置在该辅助绕组(W2)和驱动器电路(DC)之间，以便关断所述电源电压(VCC)。

3.根据权利要求2所述的电路配置，其特征是：

整流二极管(D1)耦合在电容器(C2)和用于产生电源电压(VCC)的辅助绕组(W2)的一个连接之间，并且第二开关触点被安置在电容器(C2)和驱动器电路(DC)之间。

4.根据权利要求1、2或3所述的电路配置，其特征是：

所述开关元件是继电器(R1、R2)。

5.根据权利要求4所述的电路配置，其特征是：

来自开关电源的经整流和滤波的输出电压(U2)被施加到继电器(R1、R2)的控制线圈(ST)的一个连接(e)上，从而使得如果输出电压(U2)下降则继电器(R1、R2)的第三开关触点(3)被断开，以及当该配置被关断时，电源电压(VCC)或控制电压比该开关电源的输出电压(U2)更快地下降。

6.根据权利要求5所述的电路配置，其特征是：

该开关电源具有正常模式和备用模式，输出电压(U2)是由安置在开关电源的次级侧的绕组(W3-W5)生成的，以及在备用模式下，所述输出电压(U2)被关断。

7.根据权利要求6所述的电路配置，其特征是：

继电器(R1、R2)具有第四开关触点(4)，其被安置在电源连接(NA)和去磁线圈之间，从而使在备用模式下该去磁线圈被关断。

8.根据权利要求1所述的电路配置，其特征是：

电源频率线圈(NS)被安置在第一开关触点(1)和整流器装置(BR)之间。

9.一种装置，其特征是：所述装置具有根据前述权利要求之一所述的电路配置。

10.一种电路配置，包括电源连接(NA)、具有第一开关触点(1)和第二开关触点(2)的电源开关(S1)、具有第三开关触点(3)的开关元件、以及开关电源，

所述开关电源包含：具有初级绕组(W1)的变压器(TR)；整流器装置(BR)，其为初级绕组(W1)提供经整流的电压；存储能量的电容器(C1)，其利用一端耦合到整流器装置(BR)和初级绕组(W1)；开关晶体管(T1)，其耦合到初级绕组(W1)；驱动器电路(DC)，用来生成用于开关晶体管(T1)的控制电压(DS)；以及用于功率因数校正的功率因数线圈(NS)，其耦合在电源连接(NA)和存储能量的电容器(C1)之间，所述电路配置特征是：

第一开关触点(1)被安置在电源连接(NA)和整流器装置(BR)之间；和

第二开关触点(2)被耦合到用于驱动器电路(DC)的控制电压，以便关断用于开关晶体管(T1)的控制电压(DS)，以及

第三开关触点(3)被与电源开关(S1)的第一开关触点(1)并联地安置，用于在通过所述电源开关关断所述电路配置之后保持电流。

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