CN101427451B

CN101427451B - 升压型功率因数校正电路（升压型pfc）

Info

Publication number: CN101427451B
Application number: CN2007800143395A
Authority: CN
Inventors: 于尔根·芬克
Original assignee: Tridonicatco GmbH and Co KG
Current assignee: Tridonicatco GmbH and Co KG
Priority date: 2006-04-21
Filing date: 2007-04-20
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2027-04-20
Also published as: WO2007121944A3; DE102006018577A1; WO2007121944A2; EP2011217B1; EP2011217A2; CN101427451A

Abstract

本发明涉及功率因数校正电路(PFC)，该功率因数校正电路包括充电线圈，该充电线圈的放电电流用于利用受控电路对存储电容器进行充电。利用电子控制和调节单元来闭合和打开该开关，在该开关闭合期间在输入处直接或者间接地检测经过该开关的电流，而在该开关打开期间检测该升压型PFC电路的另一操作参数。在检测流经该开关的电流时，将输入电压V_IN或者输出电压V_out的实际值考虑在内。

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修正电路(升压型PFCs)、操作此类电路的方法，以及用于具有此类电路的照明装置的操作设备。

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(管脚PV_L1)的电流的零交叉。

还可以利用位于管脚PV_M1或者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M1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

本发明的目的是降低此类电路的电路系统的复杂性。

本发明所建议的是仅将ASIC电路的单个管脚用于两个测量信号。这种在相同的测量点而不同的时间点对多个参数的合并检测是利用基准来进行的。将该基准包括在测量中，并且无需将使用耦合元件来电绝缘。

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拓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串联的充电线圈，该充电线圈的放电电流通过受控的开关对电容器进行充电。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：在该开关闭合期间直接或者间接地检测经过该开关的电流，并且在该开关打开期间检测升压型PFC电路的另一操作参数。

因此，这种检测现在只占用了集成评估电路的一个管脚。在检测经过开关的电流的过程中，将输入电压V_IN或者输出电压V_out在那一时刻的值考虑在内。

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。只要达到或者超过该阈值就再次打开该开关。

可以直接测量或者间接确定给定时刻的输入电压或者输出电压的值。

具体来讲，检测到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，其中检测线圈处的电压沿(flank)在零交叉时是明显的。(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。)

另选的是，检测的另一操作参数可以是升压型PFC电路的输出电压或者输入电压，或者是设置在该升压型PFC电路的输出处的半桥的半桥电流。

在通过充电线圈的电流出现零交叉的时刻，控制和调节单元可以将之前打开的开关再次闭合。

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/或调节单元被构造用于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升压型PFC电路，

图3示出了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升压型PFC电路，

图4示出了例如出现在图3的升压型PFC电路的限定点上的信号曲线，

图5示出了根据本发明的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升压型PFC电路，

图6示出了例如出现在图5的根据本发明的升压型PFC电路的限定点上的信号曲线，

图7示出了例如出现在图5的根据本发明的升压型PFC电路的限定点上的信号曲线，

图8示出了根据本发明的能够在电路的同一点(PV_BUS，PI_M1)上测量输出电压和开关电流的升压型PFC电路的另一实施方式，

图9示出了例如出现在图8的升压型PFC电路的限定点上的信号曲线，

图10示出了根据本发明的能够在电路的同一点(PV_IN，PI_M1)上测量输入电压和开关电流的升压型PFC电路的另一实施方式，

图11示出了根据本发明的能够在电路的同一点(PI_M3，PI_M1)上测量半桥电流和开关电流的升压型PFC电路的另一实施方式。

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。照明装置是负载电路的一部分。

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或者图5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分离开。

因此，在开关M1打开(open)期间，可在该点PV_L1，PI_M1处检测线圈电流I_M1的零交叉。

具体来讲，该检测可以包括与阈值进行比较或者确实在那一时刻对电流的值的实际检测。

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。

V_{L1_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_RefZX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。在出现线圈电流I_L1的零交叉的时刻，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闭合(switch on)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。

如上所述，出于安全原因，如果是在开关闭合的条件下监控经过该开关的电流，则对充电线圈电流的零交叉和经过开关的电流的检测需要零交叉检测的电断开。而根据本发明，对线圈电流的零交叉检测是基于对沿的检测因此不需要绝对测量，这对于要与阈值进行比较的开关电流是已知的，意味着必须测量开关电流的绝对值。

图5的实施方式示出了甚至在无需对线圈电流的零交叉检测和开关电流的检测之间进行电断开的情况下也能进行开关电流的绝对测量的可能性。

从图5可以看出，在该情况下，没有设置任何可与图3的二极管D2相比的解耦元件。

因而，为了检测开关电流，一方面要测量实际的开关电流，另一方面也要测量经检测线圈变压了的输入电压V_IN所造成的影响。

已经知道该输入电压可以是DC电压或者特别是以正弦方式变化的交流电压。

根据本发明，如在下面所指出的，目前已经接受了经变压的输入电压V_IN对开关电流测量有影响的事实，但是在以下的评估中考虑到了这种影响：

在开关电流测量期间，比较器将施加在检测点P_ZXCS上的电压与代表了最大允许开关电流的基准值进行比较。

根据本发明，该基准值(阈值)作为输入电压V_IN在那一时刻的值的函数而发生变化，结果，可以通过将基准值改变为接近实时来模仿经变压的输入电压V_IN对开关电流测量的影响并由此对测量进行补偿。

因此，设置了一种比较器，其基准值由控制和/或调节单元以例如数字方式预先确定，之后从数字转换到模拟。在这种情况下，基准值在进行测量时发生变化。

例如可以如图5所示那样测量输入电压，或者确实可以间接地确定输入电压。

通过从充电线圈L1到充电线圈L2的已知变压比(例如，1：10)知道了输入电压在测量开关电流中的贡献，因而能够在任何时候根据输入电压V_IN在那一时刻的值来计算。

如果针对正弦输入电压V_IN的每个半波检测开关电流例如至少100次，则可以相应地更改用于检测开关M1的过量电流的基准阈值。

如已经阐述的那样，可以直接测量输入电压，但是也可以间接地计算输入电压。例如可以根据FET开关M1的闭合/打开时段来进行间接计算。

根据本发明，可以将例如用于控制和/或调节单元(例如，ASIC)的供电电压的低电压施加在点V_DD上。电压V_DD因而产生了与检测点P_ZXCS有关的恒定偏置，这样避免了在测量过程中出现必须在零值区域以相应不稳定的基准来进行测量的情形。

图6示出了线圈电流V_L1、开关电流I_M1和开关触发电压的测量的时间曲线。

图7示出了如何在图5的实施方式中在点P_ZXCS处测量电压，该电压的主要分量与输入电压V_IN的曲线同步。测量开关电流VZS时，基准值必须因此持续地相应变化。根据图7显见，测量开关电源时，应当只测量开关电流的比输入电流V_IN的频率更高的部分V_ZS。应当注意的是，为了在图7中更好地例示，将实际上彼此重叠的两条曲线各自的原点进行了移位。

图8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PV_bus，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。

当开关M1闭合时，控制和/或调节电路同样使用检测到的输出电压或者总线电压Vbus来检测开关电流I_M1。实际上，当开关闭合时，是通过将开关电流与阈值或基准值进行比较来检测过量电流的。在测量开关电流的过程中，比较器将施加在检测点PV_bus，PI_M1上的电压与代表最大允许开关电流的该基准值进行比较。

为了进行这种开关闭合情况下的测量，总线电压Vbus为电流测量提供了已知量，结果，该基准值根据本发明作为总线电压Vbus在该时刻的值的函数而变化。可以通过将基准值改变为接近实时来相应地模仿总线电压对开关电流测量的影响并且可以针对开关M1闭合期间的测量来对这种影响进行相应补偿。

设置了一种比较器，该比较器的基准电压或基准值由控制和/或调节单元以例如数字方式预先确定，之后从数字转换为模拟。

将上一次测量的总线电压用作动态基准。

这里，基准电压是恒定的(while)。

这里，进行总线电压测量时基准电压优选地发生变化使得不考虑流经开关M1的电流的量。

优选地通过相应的“采样Vbus”信号来控制基准电压的更新，并且从图9可见，优选地在开关M1打开的时段Toff中t＝Tsample时进行更新。为了确保在M1的开关打开期间基准值发生改变，在开关M1被打开后立刻进行更新是有利的；参见图9。

按照1/200μs的典型扫描速率，对总线电压Vbus的调节与开关M1闭合的典型时段Ton(25μs)相比相对较慢。因此，也可以将闭合时段Ton中的总线电压视为恒定。在该时段Ton中盲目进行总线电压实际值的检测这种事实是不重要的。

图9中示出了图8的电路中出现的各种电压和电流的曲线。

PFCout是由控制或调节单元输出的用于触发开关M1的切换的触发电压。

另外，IL1表示经过充电线圈L1的电流，该电流在开关M1的闭合时段Ton中增大而在打开时段Toff中下降到零。

在管脚PV_BUS，PI_M1处测得的电压是由基本恒定的电阻器R8′的电压V_R8’和电压V_R1构成的。后一电压，即电阻器R1的电压V_R1在开关M1闭合时立即增大，并且反映了流经开关M1的电流的增大。

图10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，当开关M1分别闭合和打开时，在这种情况下能够在单个管脚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。

利用分压器R5′、R6′对施加的输出电压或者供电电压Vin进行检测。这种对电压的检测是在升压型开关M1打开的时段Toff中进行的，这与在图8所示的PFC电路中检测输出电压Vbus类似。

当开关M1闭合时，通过将开关电流与基准值进行比较来检测开关电流。如在图8中所示的电路中的那样，优选地在开关M1打开期间的每个切换循环中建立该基准值，并且在出现输出电压Vbus时将其改变为所建立的值。

在图11所示的根据本发明的PFC升压型电路的实施方式中，对流经升压型开关M1的电流和经过被馈入了输出电压Vbus的半桥(M2，M3)的电流进行检测。这些检测过程按顺序地在不同的时间在同一管脚PI_M1，PI_M3处进行。

如果开关M1打开，则可以通过管脚PI_M1，PI_M3直接检测半桥电流IM3。

如果开关M1闭合，则可以在将半桥电流I_M3考虑在内的情况下检测经过该开关M1的电流。

为此，类似于上述实施方式，将在管脚PI_M1，PI_M3处测得的值与基准值(即，上一次检测到的半桥电流IM3)进行比较。

Claims

1.一种操作升压型功率因数校正电路的方法，其中向该电路供应输入电压，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可控开关对充电电容器进行充电，

其中通过电子控制和/或调节单元来闭合和打开该开关，该电子控制和/或调节单元在输入处

-在该开关闭合期间直接或者间接地检测经过该开关的电流，并且

-在该开关打开期间检测另一参数，

其中，在检测经过该开关的电流的过程中，将该输入电压或者输出电压在那一时刻的值考虑在内，

其中，在与所述电流经过所述开关的同一所述输入处检测所述另一参数，所述另一参数是以下参数中的一个：

流经该充电线圈（L1）的电流的零交叉，

该升压型功率因数校正电路的输出电压，

该升压型功率因数校正电路的输入电压，以及

设置在该升压型功率因数校正电路的输出处的半桥的半桥电流。

2.根据权利要求1所述的方法，

其中将经过该开关的电流或者表示该电流的变量与阈值进行比较，该阈值是该输入电压或者输出电压在那一时刻时的值的函数。

3.根据权利要求2所述的方法，

其中只要达到或者超过该阈值就再次打开该开关。

4.根据前面任一权利要求所述的方法，

其中直接测量或者间接确定该输入电压或者输出电压在给定时刻的值。

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的检测线圈来确定流经该充电线圈的电流的零交叉，其中在零交叉时电压沿在该检测线圈处是明显的。

6.根据权利要求1-3中的任意一项所述的方法，

其中，在经过该充电线圈的电流出现零交叉的时刻，该电子控制和/或调节单元将该开关再次闭合。

7.一种电子控制和/或调节单元，

该电子控制和/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。

8.一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7所述的电子控制和/或调节单元。

9.一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相串联的充电线圈，该充电线圈的放电电流通过可控开关对充电电容器进行充电，

其中可通过电子控制和/或调节单元来闭合和打开该开关，该电子控制和/或调节单元在输入处

-在该开关打开期间检测另一参数，

其中，在检测流经该开关的电流的过程中，将输入电压或者输出电压在那一时刻的值考虑在内，

流经该充电线圈（L1）的电流的零交叉，

该升压型功率因数校正电路的输出电压，

该升压型功率因数校正电路的输入电压，以及

10.根据权利要求9所述的电路，

其中该电子控制和/或调节单元将经过该开关的电流或者表示该电流的变量与阈值进行比较，该阈值是该输入电压或者输出电压在那一时刻时的值的函数。

11.根据权利要求10所述的电路，

其中该电子控制和/或调节单元被构造为，只要达到或者超过该阈值就再次打开该开关。

12.根据权利要求9-11中任一项所述的电路，

其中直接测量或者间接确定该输入电压在给定时刻的值。

13.根据权利要求9所述的电路，

该电路具有用于电感检测流经该充电线圈的电流的零交叉的装置。

14.根据权利要求9或13所述的电路，

15.根据权利要求9-11中任一项所述的电路，

其中在经过该充电线圈的电流出现零交叉的时刻，该电子控制和/或调节单元将该开关再次闭合。

16.一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9-15中任一项所述的电路。