CN100435457C - 用于功率因数校正（pfc）的方法和电路 - Google Patents

Abstract

为了交流电压/直流电压电源转换器中的功率因数校正，电感(301)被提供已整流的输入交流电压。因此电感(301)通过开关(306)被选择性地充电或放电。根据输出直流电压和固定的参考电压的比较结果，控制开关(306)的闭合时间间隔和随之电感(301)的充电时间。因此，开关(306)被断开以使电感(301)放电，直到通过电感(301)的电流下降到零。根据本发明，在开关(306)断开时间间隔期间，使用测量点(308)处的信号来导出输出直流电压和通过电感(301)电流的过零点(zero crossing)。

Description

用于功率因数校正（PFC）的方法和电路

技术领域

本发明涉及用于功率因数校正(PFC)的方法和装置。

本发明的技术领域特别是关于交流(a.c.)电压/直流(d.c.)电压电源转换器的功率因数校正。

背景技术

功率因数校正影响电气设备从电源获取电流的方式。正如已知的，电源交流电压具有正弦时间形式。理想地，从电源获取的电流同样也应该具有正弦时间形式。但是，并不总是这种理想情况，该电流甚至会相当地偏离正弦包络线。如果获取的电流不是正弦形式，那么在电源中会产生谐波。通过功率因数校正电路来降低电源中的这些谐波电流。

为了得到与电源交流电压同相的正弦输入电流，现有技术提出了使用具有上变频器拓扑的有源功率因数校正。

图1中示出了这种已知的基于上变频器拓扑的功率因数校正电路125。滤波电容器104过滤已整流的输入交流电压，通过分压器105、106测量该输入交流电压。输入交流电压被传递到电感101，次级绕组102由此确定通过电感101的电流的过零点(zero crossing)。另外，晶体管107源线中的电流测量电阻(分路)108使检测电感峰值电流成为可能，以能够确定可能的过电流情况。第二分压器109、110与输出电容器111并联布置，以测量输出直流电压，并能够确定例如由负载跳跃所造成的过电流情况。

通过控制电路116的四个测量输入117、118、119和120来执行上述发生在功率因数校正电路125中的四个测量。控制电路116额外还有输出121，经过输出121控制开关107。于是，在集成电路中，仅对于功率因数校正就总共占用5个管脚。

图2示出了在公告DE-10032846A1公开的、进一步改进的功率因数校正电路216。电感的次级绕组202确定通过电感201的电流的过零点。使用分压器206、207测量输出直流电压。

由控制电路210执行如下两个测量：电感电流的过零点和输出直流电压。为了控制开关205，控制电路210具有输出213。另外两个输入214、215用于为控制电路210供电。

在该功率因数校正电路216中，已整流的输入交流电压馈电给电感201。该电感通过开关205被选择性地充电或者放电。因此，根据输出直流电压与固定参考电压的比较结果，控制开关205的闭合时间间隔(time period)和随之电感201的充电时间。断开开关205以使电感201放电，直到通过电感201的电流下降为零。

根据该现有技术，同样已知在没有测量输入交流电压的情况下，获得正弦的、与输入交流电压同相的输入电流。这是根据功率因数校正电路216的运行方式和如下事实进行的：开关205以远高于电源频率、因而远高于输入直流电压频率(通常为100赫兹)的频率闭合和断开。相应地，对应于输入电流的、通过电感201的电流的包络线自然跟随输入交流电压。

发明内容

本发明的初衷和目的是提供一种减少成本的有源功率因数校正。这尤其意味着为了确保功率因数校正，需要执行多个但却尽可能少的测量，以便减少例如集成电路中占用的管脚数量。

而且，也指出一种新的确定输入电流的过零点的方法。

根据本发明，由独立权利要求的特征来实现该目的。从属权利要求进一步以特别有益的方式扩展了本发明的关键概念。

本发明的关键之处在于单个测量点足以获得有源功率因数校正。

同时，根据本发明，仅具有单个测量点的功率因数校正电路也可以防止过电流。

根据本发明的第一方面，提供一种用于交流电压/直流电压电源转换器中功率因数校正的方法。在这种方法中，已整流的输入交流电压馈电给电感，该电感通过开关被选择性地充电或放电。根据输出直流电压和固定的参考电压的比较结果，控制开关的闭合时间间隔和随之电感的充电时间。并且开关被持续断开以使电感放电，直到通过电感的电流下降到零。根据本发明，在开关断开时间间隔期间，使用测量点处的信号来导出输出直流电压和通过电感电流的过零点。

由此，测量点可以位于例如与开关并联安装的分压器中。

根据最大允许电感电流和输入交流电压，可以计算开关的最大闭合时间间隔。

为此，可以计算当前存在的输入交流电压。

例如，根据输出直流电压、闭合时间间隔和在开关断开后流过电感301的电流下降到零的时间间隔，可以计算当前存在的输入交流电压。

根据本发明的另一方面，提供一种用于交流电压/直流电压电源转换器中功率因数校正的方法，由此通过检测开关电压来导出电感电流的过零点。

根据本发明又一方面，提供一种用于交流电压/直流电压电源转换器的功率因数校正电路。该功率因数校正电路具有提供有已整流的输入交流电压的电感。提供用于控制电感充放电的开关。进一步提供用于控制该开关的控制电路，由此控制电路断开开关直到通过电感的电流下降到零。根据本发明，该功率因数校正电路具有与控制电路相连接的测量点，该测量点在开关的断开时间间隔期间，用于确定输出直流电压和通过电感的电流的过零点。

根据本发明再一方面，提供一种用于交流电压/直流电压电源转换器的功率因数校正电路，其中该控制电路仅具有单个测量输入，该测量输入被连接到与开关并联安装的分压器。

根据本发明又一方面，提供一种用于交流电压/直流电压电源转换器的功率因数校正电路，其中该控制电路通过检测开关电压导出电感电流的过零点。

由此，至少部分地经由测量输入实现控制电路的电压提供。

附图说明

下面参照附图更加详细地解释根据本发明的典型实施例。

图1示出了现有技术已知的用于交流电压/直流电压电源转换器的功率因数校正电路；

图2示出了另一已知的用于交流电压/直流电压电源转换器的功率因数校正电路；

图3示出了根据本发明的结构用于交流电压/直流电压电源转换器的功率因数校正电路；和

图4示出了根据图3的功率因数校正电路的时序图。

具体实施方式

图3中，示出了根据本发明的功率因数校正电路314的结构。

输入交流电压V_in由滤波电容器303滤波，并被馈电给电感301，也就是线圈。在输入端315和输出端318之间，电感301串联连接在二极管302之前。在输入端315提供输入交流电压V_in，而在输出端318可以得到输出直流电压V_out。输出直流电压电容器307连接在输出端318和地之间。可控制开关306连接在位于电感301和二极管302之间的连接317处。

当开关306闭合时，电感301短路到地，并且二极管302截止。然后电感301被充电，从而能量存储在电感301中。

另一方面，当开关306断开时，二极管302导通。然后，电感301经二极管302放电到输出直流电压电容器307中。从而使能量传送到输出直流电压电容器307。

开关306由控制电路309控制。为此，控制电路309具有输出311，控制信号经过输出311被传递到开关306。控制信号的频率(通常至少为10kHz)和开关306闭合及断开的频率显著地大于电源电压的频率(通常为50Hz)和已整流的输入交流电压的频率(通常为100Hz)。

为了确定开关306的闭合时间间隔或者断开时间间隔，控制电路309需要关于输出直流电压和通过电感301的电流过零点的信息。这是因为开关306的闭合时间间隔和电感301的充电时间是根据输出直流电压和固定的参考电压的比较结果来进行控制的，并且也根据控制电路309断开开关306的条件进行控制，控制持续到通过电感的电流降到零。

根据本发明，为了确定该信息，如图3所示，仅需要一个单独的测量点308。测量点308位于与开关306并联布置的分压器304、305处。测量点308连接到控制电路309的测量输入310，从而相应的测量信号可以传递到控制电路309。

断开开关306，通过测量点308测量输出直流电压。使用该信息，控制电路309可以确定开关306的下一次闭合时间间隔，这是根据测定的输出直流电压和固定参考电压的比较结果进行的。

例如，该比较可以由电容器进行。从开关306的闭合时间点，电容器由电流源充电。这导致电容器电压上升。只要电容器电压达到测定的输出直流电压，开关306闭合，并且电容器放电。

除此之外，如果除此点之外的测量点也起到集成电路电压提供功能，可以进一步减少所需管脚的数量。

图4中，示出了根据图3的功率因数校正电路314的时序图。

这里表示各种电压和电流的时间特性，即：

-控制电路309的输出311的控制信号电压V_control，

-开关306的电压V_S和电流I_S，

-电感301的电压V_L和电流I_L，和

-二极管302的电压V_D和电流I_D。

在开关306闭合时间间隔t_on，通过电感301的电流I_L线性地增加。

在时间间隔t_on之后，如果开关306断开，该开关的电压取值为输出直流电压V_out。除此之外，通过电感301的电流I_L从开关断开的时间点又线性地降低。

当通过电感301的电流I_L已经放电到零时，通过二极管302的电流I_D同样等于零。从该时间点，二极管302的电压V_D和开关的电压V_S下降。

控制电路309通过测量点308来测量开关306的电压V_S。因此，控制电路309可以检测到电压V_S下降及其原因，即通过电感301的电流的过零点。立即响应于此，控制电路309闭合开关306。与开关306的断开时间间隔t_off相比，电感301电流的过零点和开关306的断开之间的时间间隔t_gap保持较小。

也应该防止功率因数校正电路304输入电流的过电流。为此，通过电感301的电流的测量值是有限制的。这种限制保证开关306的闭合时间间隔t_on不超过最大闭合时间间隔t_on max。

电感电压由如下等式定义：

$V_L=L\·\frac{{\∂I}_L\left(t\right)}{\∂t}$ (式1)

其中L是电感301的电感因数。

在解该式时，具有最大闭合时间间隔t_on max：

$t_{\mathrm{on}\max }=L\·\frac{I_{\max }}{V_{\mathrm{in}}}$ (式2)

其中该最大输入电流I_max对应于预定的最大允许电感电流。

为了计算输入交流电压V_in当前存在值，使用式1。假设在时间点t＝0闭合开关306。接着在时间点t＝t_on再断开开关306。从时间点t＝t_on开始，电感电流线性地下降并在时间点t＝t_on+t_off1达到0，其中t_off1＝t_off-t_gap。对式1积分后，由系统产生并确定：

$V_{\mathrm{in}}=L\·\frac{I_L\left(t_{\mathrm{on}}\right)}{t_{\mathrm{on}}}$ (式3)

$V_{\mathrm{in}}-V_{\mathrm{out}}=L\·\frac{-I_L\left(t_{\mathrm{on}}\right)}{t_{\mathrm{off}1}}$ (式4)

据此，输入交流电压和输出直流电压之间存在如下关系：

$V_{\mathrm{in}}=V_{\mathrm{out}}\·\frac{t_{\mathrm{off}1}}{t_{\mathrm{on}}+t_{\mathrm{off}1}}$ (式5)

根据式(5)，控制电流309根据上次测得的输出直流电压V_out、上次测得的闭合时间间隔t_on和上次测得的时间间隔t_off1，计算输入交流电压的当前存在值V_in。

Claims (16)

1、用于交流电压/直流电压电源转换器中功率因数校正的方法，其中已整流的输入交流电压馈电给电感(301)，该电感(301)通过开关(306)被选择性地充电或放电，根据输出直流电压和固定的参考电压的比较结果，控制开关(306)的闭合时间间隔和随之电感(301)的充电时间，并且开关(306)被断开以使电感(301)放电，直到通过该电感(301)的电流下降到零，

其特征在于，

在该开关(306)的断开时间间隔期间，使用测量点(308)处的信号来导出该输出直流电压和通过该电感(301)的电流的过零点，其中所述测量点(308)用于测量开关(306)的电压。

2、根据权利要求1的方法，其特征在于，

该测量点(308)被连接到与开关(306)并联安装的分压器(304，305)。

3、根据权利要求1至2任一项的方法，其特征在于，以 $t_{\mathrm{on}\max }=L\·\frac{I_{\max }}{V_{\mathrm{in}}}$ 计算开关(306)的最大闭合时间间隔t_on max，其中I_max是最大允许电感(301)电流，V_in是该输入交流电压，L是所述电感(301)的电感值。

4、根据权利要求1的方法，其特征在于，以 $V_{\mathrm{in}}=V_{\mathrm{out}}\·\frac{t_{\mathrm{off}1}}{t_{\mathrm{on}}+t_{\mathrm{off}1}}$ 计算当前存在的输入交流电压V_in，其中V_out是该输出直流电压，t_on是闭合时间间隔，t_off1是在开关断开后流过电感(301)的电流下降到零的时间间隔。

5、用于交流电压/直流电压电源转换器中功率因数校正的方法，其中已整流的输入交流电压馈电给电感(301)，该电感(301)通过开关(306)被选择性地充电或放电，根据输出直流电压和固定的参考电压的比较结果，控制开关(306)的闭合时间间隔和随之电感(301)的充电时间，并且开关(306)被断开以使电感(301)放电，直到通过电感(301)的电流下降到零，

其特征在于，

通过检测开关(306)的电压确定该电感(301)电流的过零点。

6、集成电路，其特征在于，

该集成电路适于执行根据前述任一权利要求的方法。

7、用于交流电压/直流电压电源转换器的功率因数校正电路，具有：

提供有已整流的输入交流电压的电感(301)，

用于控制该电感(301)的充电和放电的开关(306)，和

用于控制该开关(306)的控制电路(309)，其中该控制电路(309)断开开关(306)，直到通过该电感(301)的电流下降到零，

其特征在于，

与控制电路(309)连接的测量点(308)，用于确定输出直流电压和通过电感(301)的电流的过零点，其中所述测量点(308)用于测量开关(306)的电压。

8、根据权利要求7的功率因数校正电路，其特征在于，

该测量点(308)被连接到与开关(306)并联安装的分压器(304，305)。

9、根据权利要求7或8中任一项的功率因数校正电路，其特征在于，该控制电路(309)以 $t_{\mathrm{on}\max }=L\·\frac{I_{\max }}{V_{\mathrm{in}}}$ 计算开关(306)的最大闭合时间间隔t_on max，其中I_max是最大允许电感(301)电流，V_in是所述输入交流电压，L是所述电感(301)的电感值。

10、根据权利要求7或8中任一项的功率因数校正电路，其特征在于，

该控制电路(309)以 $V_{\mathrm{in}}=V_{\mathrm{out}}\·\frac{t_{\mathrm{off}1}}{t_{\mathrm{on}}+t_{\mathrm{off}1}}$ 计算该当前存在的输入交流电压V_in，其中V_out是该输出直流电压，t_on是以输出直流电压和固定的参考电压的比较结果为基础控制的开关(306)的闭合时间间隔及随之电感(301)的充电时间，t_off1是在开关断开后流过电感(301)的电流下降到零的时间间隔。

11、用于交流电压/直流电压电源转换器的功率因数校正电路，具有：

提供有已整流的输入交流电压的电感(301)，

用于控制该电感(301)的充电和放电的开关(306)，和

用于控制开关(306)的控制电路(309)，其中该控制电路(309)断开开关(306)，直到通过该电感(301)的电流下降到零，

其特征在于，

该控制电路(309)仅具有单个测量输入(301)，该测量输入被连接到与开关(306)并联安装的分压器(304，305)。

12、用于交流电压/直流电压电源转换器的功率因数校正电路，具有：

提供有已整流的输入交流电压的电感(301)，

用于控制该电感(301)的充电和放电的开关(306)，和

用于控制开关(306)的控制电路(309)，其中该控制电路(309)断开开关(306)，直到通过该电感(301)的电流下降到零，

其特征在于，

该控制电路(309)通过检测开关(306)的电压确定电感(301)电流的过零点。

13、用于交流电压/直流电压电源转换器的功率因数校正电路，具有：

提供有已整流的输入交流电压的电感(301)，

用于控制该电感(301)的充电和放电的开关(306)，和

用于控制开关(306)的控制电路(309)，其中该控制电路(309)断开开关(306)，直到通过该电感(301)的电流下降到零，

其特征在于，

与该控制电路(309)相连接的测量点(308)，用于确定通过电感(301)的电流的过零点，其中该测量点(308)被连接到与开关(306)并联安装的分压器(304，305)。

14、根据权利要求13的功率因数校正电路，其特征在于，

至少部分地经由测量输入(310)实现该控制电路(309)的电压提供。

15、用于灯具的操作装置，具有根据权利要求8至16中任一项的功率因数校正电路。

16、用于气体放电灯的电子镇流器，具有根据权利要求8至16中任一项的功率因数校正电路。

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