CN101427450B - 升压型功率因数校正电路（升压型pfc） - Google Patents

Abstract

升压型功率因数校正电路(升压型PFC)。本发明涉及功率因数校正电路(PFC)，所述功率因数校正电路包括充电线圈(L1)，所述充电线圈(L1)的放电电流通过受控电路(M1)对存储电容进行充电。通过电子控制和调节单元对所述电路(M1)进行接通和断开，所述控制和调节单元在所述电路(M1)被接通时每隔一段时间在入口处直接或间接地检测经过所述电路(M1)的电流，并且在所述开关被断开时每隔一段时间检测所述升压型PFC电路的额外操作参数。

Description

升压型功率因数校正电路(升压型PFC)

技术领域

本发明总体上涉及所谓的升压型功率因数校正电路(升压型PFC)。

背景技术

此类电路用于对馈入该类电路的直流(DC)或者交流(AC)电压进行升压。同时，可以将此类电路布置为形成功率因数接近1的消耗装置(功率因数校正)。

举例来说，此类电路用于照明装置的操作设备，例如气体放电灯的电子控制装置(ECG)。如果要在高频下操作该照明装置，则通过逆变器将来自升压型PFC的DC输出电压(通常也称为“总线电压”)升压为高频AC电压。

因为升压型PFC通常没有短路保护，所以对此类电路的操作是由控制和调节电路来控制的，由供电电压、升压型PFC电路和/或(包含照明装置的)负载电路向该控制和调节电路供应参数。

在现有技术中，向控制和调节电路供应这些测量参数造成了例如用作控制和调节电路的ASIC的很多管脚被占用的结果。

图1示出了现有技术中已知的升压型PFC电路。向该电路馈入AC或者DC电压V_IN。充电线圈L1串联至续流二极管D1。可以通过开关M1选择性地将续流二极管和充电线圈L1之间的连接点接地。可以通过续流二极管D1对充电电容器C1进行充电。这样，随着开关M1的切换，通常高于馈入的电压V_IN的振幅的输出电压V_bus自身形成在充电电容器C1的高压侧。

已经知道通过例如位于ASIC的管脚PV_in处的分压器R5、R6来检测所施加的供电电压V_IN。

还已知的是检测经过充电线圈L1(管脚PV_L1)的电流，这样来识别流经该充电线圈的电流的零交叉。

还可以利用位于管脚PI_M1处的测量分路R1来检测在开关M1闭合的条件下经过该开关的电流。

最后，还可以利用分压器R7、R8在管脚PV_bus处检测输出电压V_bus。

发明内容

本发明的目的是减少用于测量信号的检测点的数量，例如，充当控制和调节电路的ASIC上需要的管脚数量。

为了实现这个目标，本发明的中心理念是要将检测流经开关的电流的功能和另一功能进行组合从而能够省去一个管脚。

例如，可以将检测开关电流的功能与识别电流零交叉的功能进行组合，因为只能按顺序而不能同时进行这些功能的触发。

另选的是，还可以将检测开关电流或者识别经过开关的过量电流与检测输出电压、输入电压或者半桥电流的功能组合起来。当PFC FET接通时，可以利用比较器和分路电阻器来检测过量电流。相反，如果PFCFET断开，则没有电流流经分路并且电压等于零。在此期间，可以测量输入电压、半桥电流或者将被调节的输出电压。

因此，建议仅将ASIC电路的单个管脚用于两个测量信号。这种在同一测量点但在不同时间点对多个参数的组合检测是通过电绝缘来进行的，也就是说是通过利用耦合元件或者解耦元件来进行的。

上述目的是根据本发明通过独立权利要求的特点来实现的。从属权利要求以特别有利的方式进一步发展了本发明的中心概念。

本发明的第一方面提供了一种操作升压型功率因数校正电路(升压型PFC)的方法，其中该电路具有与续流二极管相串联的充电线圈，该充电线圈的放电电流通过受控开关对充电电容器进行充电。在这种结构中，开关是通过电子控制和/或调节单元来闭合和打开的，该电子控制和/或调节单元在单个输入处：在该开关(M1)闭合期间直接或者间接地检测经过该开关(M1)的电流，并且在该开关(M1)打开期间检测升压型PFC电路的另一操作参数。

优选的是，将控制和/或调节单元的输入与对升压型PFC电路的另一的操作参数的检测解耦。

例如，检测的另一操作参数可以是流经充电线圈(L1)的电流的零交叉。

可以例如电感地检测流经充电线圈的电流的零交叉。

可以利用电感耦合到充电线圈的检测线圈来确定流经该充电线圈的电流的零交叉，其中电压沿在零交叉时在检测线圈处是明显的。(这个沿是负还是正取决于检测线圈相对于充电线圈的缠绕方向。)

例如可以利用二极管将控制和/或调节单元的输入与电感检测解耦。

另选的是，检测的另一操作参数还可以是升压型PFC电路的输出电压。

检测的另一操作参数同样可以是升压型PFC电路的输入电压或者设置在升压型PFC电路的输出处的半桥的半桥电流。

在经过充电线圈的电流出现零交叉时，控制和调节单元可以将已经与电源断开的开关再次闭合。

可以将经过开关的电流或者表示该电流的变量与阈值进行比较。之后只要达到或超过该阈值就再次打开该开关。

本发明的另一个方面提供了一种例如ASIC的控制和/或调节单元，该控制和/或调节单元被构造为执行上述类型的方法。

本发明还涉及一种用于控制气体放电灯的具有此类电子控制和/或调节单元的电子控制装置。

本发明的另一个方面涉及一种升压型功率因数校正电路(升压型PFC)。

最后，本发明还涉及一种用于具有此类升压型PFC电路的气体放电灯的电子控制装置。

附图说明

现在将参照附图对本发明的其它特点、优点和特性做更加详细的说明。

图1示出了现有技术中已知的升压型PFC电路，

图2示出了根据本发明的出于例示目的与诸如气体放电灯的电子控制装置的、用于照明装置的操作设备一起示出的电路，

图3示出了根据本发明的其中能够在电路的同一点(PV_L1，PI_M1)上同时测量充电线圈的电流的零交叉和开关电流的电路，

图4示出了例如出现在图3的电路的限定点上的信号曲线，

图5和图6以示例的方式示出了图3的根据本发明的电路的变型，

图7示出了根据本发明的其中能够在电路的同一点(PV_BUS，PI_M1)上测量开关电流和输出电压的电路，

图8示出了根据本发明的其中能够在电路的同一点(PV_in，PI_M1)上测量开关电流和输入电压的电路的另一实施方式，而

图9示出了根据本发明的其中能够在电路的同一点(PI_hb，PI_M1)上测量开关电流和半桥电流的电路。

具体实施方式

图2示出了如何能够将PFC升压型电路与适当的控制和/或调节单元一同使用来操作照明装置。

如图所示，可以从包括供电电压、PFC升压型电路和负载电路(照明装置是该负载电路的一部分)的区域在内的电路的各个不同区域向根据本发明的控制和/或调节单元馈入测量变量。

例如，可以利用带有两个均由控制和/或调节单元触发的开关M2、M3的逆变器将PFC升压型电路的输出电压PV_bus转换为用于负载电路的高频操作电压V_AC。控制和/或调节单元因而能够对负载电路(开关M2、M3)和PFC升压型电路(开关M1)执行控制动作。

在图2中所示的根据本发明的示例中，利用检测线圈L2和电阻器R2以电感方式检测通过PFC升压型电路的充电线圈L1的电流。顺便提及，这种通过检测线圈L2对经过充电线圈L1的电流的电感检测体现了本发明可以独立于对充电线圈电流和开关电流的检测而应用的这一本身具有优势的方面。

可以将这种对经过充电线圈L2的电流的电感式检测与图3中所示的电路进行组合，这是具有优势的，但并不是必需的。

在电路上的单个点PV_L1，PI_M1处检测经过闭合的开关M1的电流I_M1和经过充电线圈L1的电流的零交叉。图3中的该点PV_L1，PI_M1可以例如表示ASIC电路的管脚或者可以连接至这类管脚。

通过诸如所示的二极管D2的解耦元件将线圈电流L1的电感式检测L2与检测管脚PV_L1，PI_M1断开。

因此，在开关M1打开期间，可在该点PV_L1，PI_M1处检测线圈电流l_M1的零交叉。在开关M1例如被控制和/或调节单元触发而闭合期间，特别为了避免过量的高电流，可以在该点利用测量电阻器R1来测量经过开关M1的电流I_M1(也就是说，高于限定的阈值的电流I_M1)。

因此，诸如所示的二极管D2的解耦元件用于将这两个功能(对开关电流的测量和对线圈电流的零交叉的测量)分开。

图4示出了图3的电路中出现的各种不同电压和电流的曲线。

这里，I_L1表示经过充电线圈L1的电流。

V(GS)_M1表示由控制和/或调节单元输出的用于触发开关M1的触发电压。

VL_{1_SEC}表示检测线圈L2处的电压的曲线。V_RefZX表示第一阈值。

V_RefCS表示第二阈值。

V_M1表示代表开关电流的值，该值可以与阈值V_RefZX和V_RefCS相比较。

时段T1是开关M1被连接从而线圈电流I_L1增大的时段。

时段T2表示开关打开从而存储在线圈L1中的磁场的能量通过二极管D1释放到充电电容器C1的时间段。

当经过阻抗L1的电流I_L1增大时，经过的电流I_M1或者代表该电流的变量V_M1也同时增大。

作为保护功能，将该开关电流V_M1与阈值V_RefCS进行比较。如果超过了该基准V_RefCS，则(临时)将开关M1打开。图4中不发生此类情况。更准确地说，在该情况下以规则间隔来打开开关M1。

在时段T1中，也就是开关闭合的时段中，由于检测线圈L2的电压V_{L1_SEC}为负，所以二极管D1提供了阻断。

如果之后控制和调节单元打开了开关M2(时段T2)，则经过阻抗L1的电流I_L1跌落。检测线圈L2处的电压V_{L1_SEC}变为正并且在出现充电线圈电流I_L1的零交叉之前一直保持为正。当经过充电线圈L1的电流I_L1出现零交叉时，经过检测线圈L2的电压V_{L1_SEC}的沿(在本例中为负)是明显的。

这可以例如通过确定这样的事实来检测：在该时间点上，经过检测线圈L2的电压V_{L1_SEC}下降到限定的基准值V_RefZX以下。在线圈电流I_L1出现零交叉的时刻，控制和调节单元再次将开关闭合，并且紧随其后的是开关M1闭合的时段T1，在时段T1中线圈电流再次继续增大。

因此，例如二极管D2形式的解耦元件确保了例如通过由二极管D2实施阻断，将线圈电流的检测与开关M2解耦开，从而能够以隔离方式来测量经过开关的电流。可以按照可与二极管D2相比较的方式设置晶体管或者电容式解耦元件，于是这些元件在开关M1打开的情况下发生作用，以电的方式将开关M1与检测线圈L2分离开。

图5和图6示出了图3的电路的变型，这些变型是解偶元件D2和电阻器R1、R3和R4的外壳内的结构。

无论如何变型，在图5和图6中的电路中，根据本发明的对线圈电流的电感式检测和/或对线圈电流与开关电流M1的检测也可以在一个管脚ZX/ZS上进行。

图7示出了根据本发明的PFC升压型电路的另一实施方式。

形成该实施方式的基础的电路包括被馈入交流输入电压V_IN的充电线圈L1。充电线圈L1与续流二极管D1的上游相串联，在充电线圈L1和续流二极管D1之间的连接点上连接有可控开关M1。

当开关M1被闭合时，充电线圈L1对地短路并且续流二极管D1被阻断。于是充电线圈L1进行充电，从而能量被存储在充电线圈L1中。

另一方面，当开关M1被打开时，续流二极管D1导电。于是充电线圈通过续流二极管D1向充电电容器C1放电，充电电容器C1将续流二极管D1接地并且在输出电压V_bus的作用下生效。

开关M1的电源线中的电流测量分路R1使得能够在开关M1被闭合(closed)的情况下检测流经该开关M1的电流，从而能够例如识别任何过量电流的情况。

为了在管脚P_Vbus，PI_M1处测量直流输出电压V_bus并且相应地能够将过压情况识别为例如负载中步骤变化的结果，与充电电容器C1并行地设置有分压器R7′、R8′。分压器R7′、R8′设置在开关M1的电源线与提供输出电压V_bus的输出点之间。

当开关M1打开时，可以通过管脚PV_bus，PI_M1利用扩展的分压器R7′、R8′和R1来测量输出电压Vbus。将测量值馈入控制和/或调节单元，于是后者能够通过闭合和打开开关M1来适当调节总线电压。

因此，在PFC升压型电路上的单个点(P_Vbus，PI_M1)处检测了经过闭合开关M1的电流I_M1和PFC升压型电路的输出电压Vbus这两者。图7中的该点PV_bus，PI_M1可以例如表示ASIC电路的管脚，或者可被连接至此类管脚。

优选地利用例如所示的二极管D3的解偶元件将输出电压Vbus的检测与检测点PV_bus，PI_M1断开。二极管D3设置在电阻器R7′与管脚PV_bus，PI_M1之间。

因此在开关M1打开的时间内，可以在该点PV_LI，PI_M1处测量输出电压Vbus。

在开关M1例如被控制和/或调节单元触发为闭合的时段内，特别为了避免过量的高电流，可以在该点测量经过开关M1的电流I_M1(也就是说，高于限定的阈值的电流I_M1)。

因此，诸如所示的二极管D3的解偶元件用于将对开关电流的测量和对输出电压的测量这两种功能分离开来。

图8示出了根据本发明的PFC升压型电路的另一实施方式。

该电路与图7中所示电路的区别在于，在开关M1分别被打开和闭合时，在此情况下能够在单个管脚或点PV_in，PI_M1处交替地测量PFC升压型电路的输入电压Vin和开关电流I_M1。

对这两个参数的测量是在电绝缘的情况下进行的，其中诸如二极管D4的解偶元件设置在检测管脚PV_in，PI_M1和电阻器R5′之间。

图9示出了根据本发明的PFC升压型电路的另一实施方式，其中利用具有两个均由控制和/或调节单元触发的开关M2、M3的逆变器将PFC升压型电路的输出电压Vbus转换为用于负载电路的高频操作电压VAC。

利用管脚PI_M3，PI_M1的与开关M3串联设置的电阻R9来检测半桥电流Im3。

通过解偶元件优选通过二极管D5将对电流Im3的检测与检测点PI_M3，PI_M1分离开。

Claims (17)

1.一种操作升压型功率因数校正电路的方法，

其中该电路具有与续流二极管（D1）相串联的充电线圈（L1），该充电线圈（L1）的放电电流通过受控开关（M1）对充电电容器（C1）进行充电，

其中，该开关（M1）是通过电子控制和/或调节单元来闭合和打开的，该电子控制和/或调节单元在单个输入处：

-在该开关（M1）闭合期间直接或者间接地检测经过该开关（M1）的电流，并且

-在该开关（M1）打开期间检测该升压型功率因数校正电路的另一操作参数，其中检测的另一操作参数是流经该充电线圈（L1）的电流的零交叉。

2.根据权利要求1所述的方法，

其中将该控制和/或调节单元的输入与对该升压型功率因数校正电路的另一操作参数的检测解耦。

3.根据权利要求1或2所述的方法，

其中流经该充电线圈（L1）的电流的零交叉是经由电绝缘检测的。

4.根据权利要求3所述的方法，

其中流经该充电线圈（L1）的电流的零交叉是以电感方式检测的。

5.根据权利要求1所述的方法，

其中利用电感耦合到该充电线圈（L1）的检测线圈（L2）来确定流经该充电线圈（L1）的电流的零交叉，其中在零交叉时该检测线圈（L2）处的电压呈现出沿。

6.根据权利要求4所述的方法，

其中将该控制和/或调节单元的输入与电感方式的检测解耦。

7.根据权利要求1或2所述的方法，

其中，在经过该充电线圈（L1）的电流出现零交叉的时刻，该控制和/或调节单元将该开关（M1）再次闭合。

8.根据权利要求1或2所述的方法，

其中将经过该开关（M1）的电流或者表示该电流的变量与阈值进行比较，并且只要达到或者超过该阈值就再次打开该开关（M1）。

9.一种控制和/或调节单元，

该控制和/或调节单元被构造为执行根据前面任一权利要求所述的方法。

10.一种用于气体放电灯的电子控制装置，该电子控制装置具有根据权利要求9所述的控制和/或调节单元。

11.一种升压型功率因数校正电路，

其中该电路具有与续流二极管（D1）相串联的充电线圈（L1），该充电线圈（L1）的放电电流通过受控开关（M1）对充电电容器（C1）进行充电，

其中，该开关（M1）是通过电子控制和/或调节单元来闭合和打开的，该电子控制和/或调节单元在单个输入处：

-在该开关（M1）闭合期间直接或者间接地检测经过该开关（M1）的电流，并且

-在该开关（M1）打开期间检测该升压型功率因数校正电路的另一操作参数，其中检测的另一操作参数是流经该充电线圈（L1）的电流的零交叉。

12.根据权利要求11所述的电路，

其中将该控制和/或调节单元的输入与对该升压型功率因数校正电路的另一操作参数的检测解耦。

13.根据权利要求11或12所述的电路，

其中流经该充电线圈（L1）的电流的零交叉是经由电绝缘检测的。

14.根据权利要求13所述的电路，

其中流经该充电线圈（L1）的电流的零交叉是以电感方式检测的。

15.根据权利要求11或12所述的电路，

其中，在经过该充电线圈（L1）的电流出现零交叉的时刻，该控制和/或调节单元将该开关（M1）再次闭合。

16.根据权利要求11或12所述的电路，

其中将经过该开关（M1）的电流或者表示该电流的变量与阈值进行比较，并且只要达到或者超过该阈值就再次打开该开关（M1）。

17.一种用于气体放电灯的电子控制装置，该电子控制装置具有根据权利要求11-16中任一权利要求所述的电路。

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