CN101741234A - 功率因数改善电路的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种功率因数改善电路的控制系统。为了将升压后的直流输出电压(Vo)控制为一定电压，控制电路设置有对直流输出电压(Vo)和直流输出电压指令值(Vref)之差进行放大的电压误差放大器(11)，用乘法器(12)计算电压误差放大器(11)的输出信号和整流桥(3)的输出电压(Vd)的检测电压之积，生成用于将输入电流(Iin)控制为正弦波状的电流指令值(Vi)。此外，设置有对检测流过开关元件(6)的感应电流的电流检测电阻(9)的产生电压和乘法器(12)的输出信号(Vi)的大小进行比较的比较器(13)、和在由根据电压(Vd)设定开关元件(6)的断开期间的定时器电路(15)设定的断开期间结束后，设定开关元件(6)的断开定时的R-S FF电路(14)。

Description

功率因数改善电路的控制系统

技术领域

本发明涉及用于从交流电源得到稳定的直流输出的开关电源，特别涉及抑制流向交流电源的高次谐波电流的功率因数改善(PFC：PowerFactor Correction)电路的控制方式。

背景技术

在开关电源中，为了抑制流向交流电源的高次谐波电流，广泛地应用功率因数改善电路，该功率因数改善电路使用具备整流桥、电感器(inductor)、开关元件、二极管或同步整流用开关元件、电容器的升压斩波器(chopper)。特别是，在数百瓦级别的开关电源中，一般采用如下方式，即，控制开关元件的接通(on)断开(off)定时，使得在流过电感器的电流极性总为正的连续模式下动作的方式。在历来的连续模式动作的功率因数改善电路中，主要进行利用平均电流控制方式、峰值电流控制方式等的控制。

图4表示历来的平均电流控制方式的控制电路。在该方式中，为了在使直流输出电压Vo稳定的同时将流向交流电源1侧的电流控制为正弦波状，利用电压误差放大器11生成直流输出电压Vo和电压指令值Vref的电压误差放大信号，令利用乘法器12将该电压误差放大信号和整流桥的输出电压Vd相乘而得到的信号为电流指令值Vi。

此外，利用电流误差放大器17生成由电流检测电阻9检测电感器电流IL得到的电感器电流信号和电流指令值Vi的电流误差放大信号，利用比较器18比较该电流误差放大信号与载波信号生成电路19生成、输出的频率一定的锯齿状或三角波的载波信号的大小关系，生成施加在开关元件6的栅极上的控制信号Vg，由此控制开关元件6的接通断开定时。此外，在图4的电压误差放大器11和电流误差放大器17上在其输入输出之间连接有反馈常数设定电路，但是在图4中省略了反馈常数设定电路的记载。

接着，图5表示现有的峰值电流控制方式的控制电路。此外，作为与图5所示的峰值电流控制方式的控制电路相当的公知的例子，能够举出下面所示的专利文献1。图4所示的平均电流控制方式与图5所示的峰值电流控制方式的结构的不同之处在于：前者(图4所示的平均电流控制方式)通过电流误差放大信号和作为载波信号生成电路19的输出的载波信号的大小比较，决定开关元件6的接通断开定时；与此相对，后者(图5所示的峰值电流控制方式)利用一定频率的脉冲产生电路20的输出信号使开关元件6接通，利用比较器13检测出由电流检测电阻9检测电感器电流IL而得到的电感器电流信号已达到电流指令值Vi的情况，使开关元件6断开，在图5所示的峰值电流控制方式中，不需要图4所示的电流误差放大器17。此外，在图5所示的峰值电流控制方式中，与电压误差放大器11连接的反馈常数设定电路与图4同样地省略了其记载。

在上述的图5所示的峰值电流控制方式的控制电路中，令脉冲产生电路20的输出信号为一定频率的情况下，存在发生称为次谐波振荡的不稳定振荡动作这样的问题，在专利文献2中作为其对策进行与输入电压相应的斜率补偿。

另一方面，在专利文献3中，公开了通过固定开关元件的断开时间，不进行斜率补偿就能够进行稳定的振荡动作的控制方式。在该方式中，检测电感器电流信号超过电流指令值的时刻，在该时刻利用单稳态多谐振荡器生成固定时间宽度的微小断开时间。

此外，在专利文献4中公开了一种AC-DC变换器，其提高功率因数，并且使开关的断开时间在交流输入电压的整流电压大时较长，在整流电压小时较短。该AC-DC变换器是在交流电源频率的1个周期内时时刻刻改变开关的断开时间的器件，实时地测定整流电压，与其对应地变更开关的断开时间。

专利文献1：日本特开2001-28877号公报

专利文献2：日本实开平5-9187号公报(图1)

专利文献3：日本特公平8-32182号公报(图1)

专利文献4：日本特开平8-168248号公报

在上述图4所示的现有的平均电流控制方式中，需要2个误差放大器，存在控制电路的规模大、以及反馈常数的调整复杂这样的问题。

此外，在图5所示的现有的峰值电流控制方式中，误差放大器为1个，能够减小控制电路的规模，但是在连续模式下动作的情况下，为了使得进行稳定的振荡动作，必须根据交流电源的电压改变斜率补偿值，存在电路变得复杂这样的问题。

此外，在上述专利文献3的控制方式中，开关频率根据交流电源的相位θ变化。在电流连续模式下，在令交流电源的电压有效值为Vac，直流输出电压为Vo，开关元件接通时的接通期间为Ton，开关元件断开时的断开期间为Toff的情况下，在电感器电流总为零以上的连续模式下，当忽视1个开关周期中的输入电压Vin、输出电压Vo的变化时，接通期间Ton的电感器电流增加的量与断开期间Toff的电感器电流减少的量一致，因此以下式(1)、(2)成立。此外，以下

指的是2的平方根。

Ton·Vin＝Toff·(Vo-Vin)        (1)

此外，

$\mathrm{Vin}=\sqrt{2}\·\mathrm{Vac}\·\sin \mathrm{\θ}---\left(2\right)$

另一方面，开关频率fs成为以下式(3)。

fs＝1/(Ton+Toff)                (3)

于是，如果将式(1)、(2)代入式(3)中，则开关频率fs如下式(4)那样表示。

$\mathrm{fs}=(\sqrt{2}\·\mathrm{Vac}\·\sin \mathrm{\θ}/\mathrm{Vo})\×(1/\mathrm{Toff})---\left(4\right)$

根据上述式(4)可知，当相位(θ)为0°时fs为最小，当相位为90°时fs为最大。特别是，因为断开期间Toff固定，所以存在交流电源电压越高，则最大开关频率越增大，变换效率降低的问题。为了提高变换效率，希望无论对于怎样的交流电源电压(例如100V系统或200V系统)，最大频率均不变，但是利用上述专利文献3的控制方式不能实现这个目标。

此外，在上述专利文献4中，完全没有阐述在交流电源的电压为100V的系统或200V的系统中，即使进一步由于某些干扰(trouble)，交流电源的电压发生变动，也能够使得最高频率不变的方法，以及为了使得最高频率不变而对供给的交流电源的峰值和平均值进行检测的必要性。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种功率因数改善电路的控制系统，该方式能够使振荡动作稳定，并且抑制开关频率的变动，特别是抑制由交流电源的有效值的变化引起的变动。

本发明提供一种功率因数改善电路的控制系统，该功率因数改善电路在对交流电源电压进行全波整流的整流桥的输出端连接有包括电感器、开关元件、二极管或同步整流用开关元件、和电容器的升压电路，通过上述开关元件、或上述开关元件和上述同步整流用开关元件的接通断开将来自交流电源侧的输入电流控制为正弦波状，该功率因数改善电路的控制系统的特征在于，包括：

电压误差放大器，其输出将上述升压电路的直流输出电压或其分压与基准电压之差放大而得到的电压误差信号；

电流指令值生成电路，其根据上述电压误差信号和上述整流桥的输出电压输出用于将上述输入电流控制为正弦波状的信号；

比较器，其对检测流过上述电感器的电流得到的电感器电流信号与上述电流指令值生成电路的输出信号的大小进行比较；

定时器电路(timer circuit)，其设定上述开关元件的断开期间；和

RS触发器(reset-set type(复位-置位型)flip-flop)电路，其在由该定时器电路设定的断开期间结束后设定上述开关元件的接通定时，当根据上述比较器的输出信号检测出上述电感器电流信号已达到上述电流指令值生成电路的输出信号的情况时，设定上述开关元件的断开定时，其中，

上述定时器电路生成与上述整流桥的输出电压的峰值、平均值、和上述交流电源的有效值中的任一个成比例的断开期间。

此外，本发明的特征在于：在上述功率因数改善电路的控制系统中，作为上述定时器电路的一个方式，还设置有限制上述开关元件的开关频率的最大值的最大频率限制电路。

此外，本发明的特征在于：在上述功率因数改善电路的控制系统中，作为上述定时器电路的一个方式，进一步设置有限制上述开关元件的开关频率的最小值的最小频率限制电路。

发明的效果

根据本发明，能够利用简单的控制电路进行稳定的振荡动作。此外，根据本发明，能够抑制开关频率的变动，特别是抑制由交流电源的峰值、平均值或有效值的变化引起的变动。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式的功率因数改善电路的控制系统的电路结构的图。

图2是表示图1所示的定时器电路的具体的结构例的图。

图3是表示图2所示的定时器电路的动作波形的图。

图4是表示现有的连续模式动作的功率因数改善电路中的平均值电流控制方式的控制电路例的图。

图5是表示现有的连续模式动作的功率因数改善电路中的峰值电流控制方式的控制电路例的图。

符号的说明

1交流电源

2噪声滤波器(Noise Filter)

3整流桥(Rectifier Bridge)

4电容器(Capacitor)

5电感器(Inductor)

6开关元件(Switching Element)

7二极管(Diode)

8平滑电容器(Smoothing Capacitor)

9电流检测电阻(Current Detecting Resistor)

10负载(Load)

11电压误差放大器(Voltage Error Amplifier)

12乘法器(Multiplier)

13比较器(Comparator)

14RS触发器电路(Reset Set Type Flip-Flop)

15定时器电路(Timer Circuit)

16驱动器(Driver)

17电流误差放大器(Current Error Amplifier)

18比较器(Comparator)

19载波信号生成电路(Carrier Signal Generator)

20脉冲产生电路(Pulse Generator)

15a、15b电阻

15c峰值保持电路

15d比较器

15e开关元件

15f恒流源

15g、15c4电容器

15c1、15c2运算放大器

15c3二极管

Vac交流电源的有效值

Vd整流桥的输出电压

Vg开关元件接通断开控制信号

Vi电流指令值

Vo直流输出电压

Vref直流输出电压指令值

Iin输入电流

IL电感器电流

具体实施方式

下面，参照附图，说明用于实施本发明的优选方式。

图1是表示本发明的实施方式的功率因数改善电路的控制系统的电路结构的图。在图1中，应用功率因数改善的开关电源的主电路在对经噪声滤波器2输入的交流电源1的电压进行全波整流的整流桥3的输出端连接有包括电感器5、开关元件6、二极管7和平滑电容器8的升压电路而构成。此外，电容器4用于吸收由开关元件6的开关引起的开关噪声，电流检测电阻9检测流过开关元件6的电流。此外，也可以用同步整流用晶体管置换二极管7。在此情况下，只要使该同步整流用晶体管与开关元件6相辅地接通断开即可。

为了将升压后的直流输出电压Vo控制为一定电压，控制电路设置有对直流输出电压Vo的检测电压(Vo本身，或进行分压等使Vo的电平移位而得到的电压)与直流输出电压指令值Vref之差进行放大的电压误差放大器11，在乘法器12计算电压误差放大器11的输出信号和整流桥3的输出电压Vd的检测电压(Vd本身，或进行分压等使Vd的电平移位而得到的电压)之积，生成用于将输入电流Iin控制为正弦波状的电流指令值Vi。

此外，设置有比较器13、RS触发器(reset-set type(复位-置位型)flip-flop)电路14、定时器电路15和驱动器16。该比较器13将由于电感器5的电感器电流流过电流检测电阻9而在电流检测电阻9产生的电压作为电感器电流信号，对该电感器电流信号和上述的乘法器12的输出信号Vi的大小进行比较。该RS触发器电路14在由设定开关元件6的断开期间的定时器电路15设定的断开期间结束后，设定开关元件6的接通定时，当根据比较器13的输出信号检测出上述电感器电流信号已达到上述电流指令值生成电路的输出信号的情况时，设定开关元件6的断开定时。此外，在图1中，省略了与电压误差放大器11连接的反馈常数设定电路(例如，C、R的串并联电路)的记载。此外，电流检测电阻9如果能够检测出从开关元件6接通至断开的期间的电感器电流，则也可以变更连接位置。此外，也可以采用代替电流检测电阻9而利用电流互感器(current transformer)(未图示)检测电感器电流的结构。

这里，对利用定时器电路15设定的断开期间Toff进行说明，在本发明的实施方式的功率因数改善电路的控制系统中，通过根据整流桥3的输出电压Vd改变上述的式(4)右边的断开期间Toff，能够进行上述的式(4)所示的开关频率fs的控制。在后面叙述该定时器电路15的具体的结构例。

此外，从上述的式(4)可知，通过与交流电源的有效值Vac成比例地增减断开期间Toff，能够使相位90°的频率、即最高频率不依赖于有效值Vac地保持一定。此外，因为令整流桥3为全波整流桥，所以整流桥3的输出电压Vd的有效值与交流电源的有效值Vac相等，这是不言而喻的。

此外，整流桥3的输出电压Vd的平均值Vav能够用以下的式(5)表示。

$\mathrm{Vav}=\sqrt{2}\·\mathrm{Vac}\×(2/\mathrm{\π})---\left(5\right)$

此外，整流桥3的输出电压Vd的峰值Vp能够用以下的式(6)表示。

$\mathrm{Vp}=\sqrt{2}\·\mathrm{Vac}---\left(6\right)$

因为由上述式(5)、式(6)表示的Vav、Vp均与有效值Vac成比例，所以可知只要使断开期间Toff与交流电源的有效值Vac、整流桥3的输出电压Vd的平均值、峰值中的任一个成比例即可。此外，作为使得与整流桥3的输出电压Vd成比例的方法，能够适当地采用使用模拟运算的方法，或使用利用A/D变换器的数字(digital)运算的方法。

图2是表示图1所示的定时器电路15的具体的结构例的图。此外，图3是表示图2所示的定时器电路15的动作波形的图。

在图2中，定时器电路设置有峰值保持电路15c，取出利用电阻15a、15b分割整流桥3的输出电压Vd而得到的电压Vdm，将它施加给峰值保持电路15c保持峰值，输出峰值保持值Vp。峰值保持电路15c设置运算放大器15c1、15c2、二极管15c3和电容器15c4而构成。在比较器15d比较从峰值保持电路15c输出的峰值保持值Vp和电容器15g充电的充电电压Vc，当充电电压Vc比峰值保持值Vp高时将置位(set)脉冲Vs输出至图1所示的RS触发器电路(RS FF)14。恒流源15f向电容器15g供给充电电流，当开关元件15e导通时使电容器15g中充电的电荷放电。使开关元件15e与令图1所示的开关元件6接通断开的控制信号Vg同步地接通断开。

在图1中的交流电源电压变动的情况下，电阻分割整流桥3的输出电压Vd得到的电压Vdm也变动，峰值保持电路15c在变动的最大值进行峰值保持，输出峰值保持值Vp。

利用图3所示的定时器电路的动作波形对它进行说明。在相对于图3所示的现在的峰值保持值Vp，由于上述的变动而使得峰值保持值Vp变高的情况下，电容器15g中充电的充电电压Vc超过已变高的峰值保持值Vp的时刻向右偏移，结果，置位脉冲Vs和使开关元件6接通断开的控制信号Vg也向右偏移，使开关元件6接通断开的控制信号Vg的低(Low)电平期间变长。即，开关元件6的断开期间Toff变长，从上述式(4)可知，开关频率fs下降。相反，在相对于图3所示的现在的峰值保持值Vp，由于上述的变动而使得峰值保持值Vp变低的情况下，使开关元件6接通断开的控制信号Vg的低电平期间缩短，开关元件6的断开期间Toff变短，由此，开关频率fs上升。

这样构成的图1所示的定时器电路15设定开关元件6的断开期间，从而能够控制开关频率fs。

此外，在交流电压变动频发的情况下，设置2个图2所示的峰值保持电路15c，在每半个交流周期交替地使电容器15c4放电，选择未放电的电容器15c4的输出作为峰值保持值Vp并输出，以这种方式构成即可。为了该放电，与上述电容器15c4并联连接复位晶体管(未图示)即可。

此外，对图2所示的定时器电路15检测峰值进行控制的情况进行了说明，但是在根据平均值进行控制的情况下，只要代替图2所示的定时器电路的峰值保持电路15c，设置低通滤波器即可。

进一步，作为使得与整流桥3的输出电压Vd成比例的方法，如上所述，作为使用A/D变换器进行数字(digital)运算的方法的例子，利用A/D变换器(未图示)读取图2所示的定时器电路中的信号Vp或Vdm，此后用包括DSP(Digital Signal Processor：数字信号处理器)(未图示)的微处理器(未图示)进行处理。此外，在读取信号Vdm的情况下，也利用微处理器(未图示)进行求取平均值或最大值的运算处理，当经过通过处理求得的时间(断开期间Toff)时，从微处理器的端口将置位脉冲Vs输向上述的RS触发器电路14即可。

总结以上说明的内容，上述式(4)的成立是在连续模式，当为轻负载而成为断续模式(不连续模式)时，开关频率最大为1/Toff。因此，通过在定时器电路15中设置限制开关频率的最大值的电路，能够抑制由开关损失增加引起的变换效率的降低。例如，设置生成与最大频率对应的最小周期的最小周期生成定时器，将取该最小周期生成定时器的输出T1和输向上述图2所示的RS触发器电路14的置位脉冲Vs的逻辑积(AND逻辑)而得到的信号Vs2，重新作为输向RS触发器电路14的置位脉冲Vs2即可。

此外，在上述的式(4)中，因为在相位0°附近频率大致为零，所以当开关频率低于噪声滤波器2的截止频率时，降低噪声的效果消失。因此，通过在定时器电路15中设置限制开关频率的最小值的电路，能够抑制开关频率的极端降低。例如，设置生成与最小频率对应的最大周期的最大周期生成定时器，将取该最大周期生成定时器的输出T2和输向上述的RS触发器电路14的置位脉冲Vs2的逻辑和(OR逻辑)而得到的信号Vs3，重新作为输向RS触发器电路14的置位脉冲Vs3即可。或者，也可以最初取输向RS触发器电路14的置位脉冲Vs和上述的最大周期生成定时器的输出T2的逻辑和(OR逻辑)，接着利用逻辑和(OR逻辑)输出和最小周期生成定时器的输出T1取逻辑积(AND逻辑)。

Claims (3)

1.一种功率因数改善电路的控制系统，该功率因数改善电路在对交流电源电压进行全波整流的整流桥的输出端连接有包括电感器、开关元件、二极管或同步整流用开关元件、和电容器的升压电路，通过所述开关元件、或所述开关元件和所述同步整流用开关元件的接通断开将来自交流电源侧的输入电流控制为正弦波状，该功率因数改善电路的控制系统的特征在于，包括：

电压误差放大器，其输出将所述升压电路的直流输出电压或其分压与基准电压之差放大而得到的电压误差信号；

电流指令值生成电路，其根据所述电压误差信号和所述整流桥的输出电压输出用于将所述输入电流控制为正弦波状的信号；

比较器，其对检测流过所述电感器的电流得到的电感器电流信号与所述电流指令值生成电路的输出信号的大小进行比较；

定时器电路，其设定所述开关元件的断开期间；和

RS触发器电路，其在由该定时器电路设定的断开期间结束后设置所述开关元件的接通定时，当根据所述比较器的输出信号检测出所述电感器电流信号已达到所述电流指令值生成电路的输出信号的情况时，设置所述开关元件的断开定时，其中，

所述定时器电路生成与所述整流桥的输出电压的峰值、平均值、和所述交流电源的有效值中的任一个成比例的断开期间。

2.根据权利要求1所述的功率因数改善电路的控制系统，其特征在于：

所述定时器电路包括限制所述开关元件的开关频率的最大值的最大频率限制电路。

3.根据权利要求1或2所述的功率因数改善电路的控制系统，其特征在于：

所述定时器电路包括限制所述开关元件的开关频率的最小值的最小频率限制电路。

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