CN102318173A - 用于发光装置的电子镇流器的功率因数校正电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及可配置的功率因数校正电路(PFC)(1)，其由升压变换器和降压变换器组成并且包含配置装置(2)，该配置装置确保该PFC(1)在升压运行模式下或在降压运行模式下工作。这样的可配置的PFC(1)尤其适合用于电子荧光灯镇流器中，使该电子镇流器自身是可配置的。

Description

用于发光装置的电子镇流器的功率因数校正电路
技术领域
本发明涉及一种尤其是用于发光装置的电子镇流器中的功率因数校正电路(Power Factor Controller(功率因数控制器)，缩写PFC)。
背景技术
在非线性的耗电器、诸如在具有随后的电源平滑的整流器中，尽管输入电压是正弦形的，但输入电流相对于输入电压在其相位方面偏移并且非正弦形地失真。这样的输入电流由较高频的分量、也即具有谐波的这种分量的总和构成，这些谐波在供电网和其他电气设备中可能引起干扰。这可以通过功率因数校正来抵消，该功率因数校正消除非线性的电流消耗并且对输入电流整形，使得输入电流基本上是正弦形的。功率因数校正通过在相应的设备中前置的功率因数校正电路来进行。用于有源(定时)功率因数校正电路的广为传播的英语术语是Power Factor Controller或缩写PFC。
例如，采用所谓的升压变换器或降压变换器作为PFC。已知的升压变换器在图1中被示出。已知的降压变换器在图2中被示出。它们的区别主要在于：在升压变换器的情况下输出电压高于输入电压，而在降压变换器的情况下输出电压低于输入电压。这两种变换器类型的结构和功能的更精确的说明稍后进行。
用于发光装置的利用电网电压运行的电子镇流器包含整流器并且随后包含逆变器，利用该逆变器来驱动发光装置。这样的镇流器必然是非线性的。如果发光装置是气体放电灯，尤其如果是荧光灯，则发光装置的特性曲线在任何情况下同样是非线性的。尤其是因为在电流消耗时通过标准调节谐波到网络中的回送，因此PFC也适合用于电子镇流器。
必须根据要由电子镇流器供电的发光装置、尤其是发光装置的电压需求不同地设计电子镇流器(EVG)。在此，应前置的PFC的选择可能是有帮助的。
发明内容
因此，本发明所基于的任务在于，提供一种PFC，其为了适配于不同的使用目的而是可变的。其尤其应能够根据负载状态或者供电电压或供电电流的状态而改变或适配其工作方式。
根据本发明，该任务通过配置装置来解决，该配置装置允许配置PFC，使得该PFC能够
(a)在降压运行模式下，或
(b)在升压运行模式下运行。也应可以在两种运行方式之间转变，就这一方面而言也应可以混合运行。
升压变换器和降压变换器组合作为降压-升压PFC，例如根据US2006/0255776A1、Gerd K.Anders和Fredl Blaabjerg在IEEE Transactionson Industries Electronics(第53卷，第1期，2006年2月)中发表的题目为“Current Programmed Control of a Single-Face Two-SwitchBuck-Boost Power Factor Correct ion Circuit”的公开文献、以及JingquanChen，Dragan Maksimovic和Robert W.Erickson在IEEE Transactions onPower Electronics(第21卷，第2期，2006年3月)中发表的题目为“Analysisand Design of Low-Stress Buck-Boost-Converter in Universal-Input PFCApplications”的公开文献，是已知的。
在这些公开文献中，降压变换器和升压变换器共同运行。与此不同，根据本发明的PFC应能够选择性地切换到两种运行方式之一中，以便因此能够实现替代的运行，也即升压运行或降压运行。
除了首先提及的方面或其替代方面，根据本发明的一个方面，PFC的适配能力局限于选择性地
c)在具有连续电流的运行模式(连续导通模式)下，或
d)在具有不连续电流的运行模式(不连续导通模式)下，或
e)在连续电流和不连续电流之间的边界范围内的运行模式(临界导通模式或边界运行模式)下运行PFC。
各种运行方式以及其优缺点在L.Rosetti，G.Spiazzi和P.Tenti在Proc.of PEMC 94(Warsaw，Poland，第1310-1318页，1994)中发表的题目为“Control techniques for power factor correct ion converters”的公开文献中进行了描述。
上述运行方式开创了利用不同的测量点、例如扼流圈电流、扼流圈处的电流过零、输出电压以及不同的控制回路的附加可能性。
涉及PFC的适配能力的另一改进方案可以在于，由配置装置根据
f)用于AC运行或DC运行的供电电压，或
g)在输出端处所识别出的负载，或
h)输入电压，和/或
i)调光水平
来进行配置PFC。
此外应可能的是，配置装置与用于PFC的受控的电流/电压源耦合并且(根据所设置的运行模式)引起在电压控制、电流控制或混合控制之间的转换。
根据本发明的PFC的改进方案是权利要求5和6的主题。
本发明还涉及用于发光装置的电子镇流器(EVG)，在该电子镇流器中采用根据本发明的可配置的PFC。
涉及根据本发明的EVG的改进方案可以在于，使所包含的切换单元可配置，使得该切换单元能够
(h)在半桥运行模式下，或
(i)在全桥运行模式下，或
(j)在脉宽调制运行模式(PWM运行模式)下运行。
根据本发明的EVG的改进方案是权利要求8-12和14-18的主题。
附图说明
随后借助附图来描述本发明的实施例。
图1示出按照现有技术的升压变换器；
图2示出按照现有技术的降压变换器；
图3示出可配置的PFC；
图4示出具有可配置的PFC的EVG；以及
图5示出具有可配置的PFC的EVG，其中在信号抽头处进行组合测量。
具体实施方式
在图1中示出的升压变换器具有电感L、整流二极管D1、开关S1和平滑电容器C。当在升压变换器的输入端处施加交流电压时，则在输出端处产生脉冲直流电压，该脉冲直流电压按照电容器C的标注值或多或少被平滑。为了使升压变换器的电流消耗尽可能正弦形地成形，可以对开关S1相应地进行定时。在几乎是正弦形的电流消耗的情况下，谐波到网络中的反射少。输出端处的直流电压的峰值高于位于输入端处的交流电压的幅值。因此，升压变换器也被称为升压器。
在图2中示出的降压变换器具有与升压变换器相同的元件，然而这些元件被以不同方式布置。这些元件是开关S2、整流二极管D2、电感L和平滑电容器C。当在输入端处施加交流电压时，该交流电压在降压变换器中也被整流。在降压变换器的输出端处同样出现脉冲直流电压，该脉冲直流电压按照电容器C的标注值或多或少很好地被平滑。输出端处的直流电压的峰值在降压变换器的情况下低于位于输入端处的交流电压的幅值。通过对开关S2的适当地定时，在降压变换器的情况下也实现使输入电流尽可能正弦形地成形，并且结果是谐波到网络中的反射相对少。
图1和2中所述类型的变换器由于所述的特性而经常被连接在非线性网络之前，以便能够满足用于限制谐波反射的标准。这也并且尤其是适用于发光装置的电子镇流器。不同的发光装置在此具有相应地不同的电压需求。因此，例如荧光灯为了点燃和运行而需要高频电压，而卤素灯、尤其是低压卤素灯用远远低于1000V的交流电压就够了。发光二极管装置需要低于100V的电压，并且单个发光二极管甚至仅仅需要小电压。
考虑到图1和2中所示类型的变换器用作非线性网络的前置滤波器以达到减少谐波的目的，这些变换器也被称作功率因数校正电路或者功率因数控制器(英语Power Factor Controller)或缩写PFC。
在图3中示出了可配置的PFC 1，其实际上由串联的降压变换器和升压变换器组成。PFC是可配置的，使得该PFC仅仅作为具有降低的输出电压的降压变换器或者仅仅作为具有升高的输出电压的升压变换器工作。为了保证这一点，开关S3与降压变换器的整流二极管D2串联，并且开关S4与升压变换器的整流二极管D1并联。此外，可配置的PFC设置有配置装置2，该配置装置承担开关S1和S2的定时并且接通或关断开关S3和S4。为此，将相应的控制信号输送给配置装置2。如果PFC应仅仅作为升压变换器工作，则开关S3和S4(如所示的那样)被断开。而如果PFC 1应仅仅作为降压变换器工作，则开关S3和S4被闭合。
开关S3和S4不一定是必需的。当开关S3被持续地闭合或者不存在(被桥接)时和/或当开关S4被持续地断开或者被省略时，可配置的PFC 1也起作用。其仅仅用于降低开关损耗。
PFC 1可以选择性地在具有连续电流的运行模式(连续导通模式“continuous conduction mode”)下、在具有不连续电流的运行模式(不连续导通模式“discontinuous conduction mode”)下或在连续电流和不连续电流之间的边界范围内的运行模式(临界导通模式“critical conductionmode”或边界运行模式)下工作。对于随后的说明，为了简单起见，请直接参考开头所提及的Rossetto、Spiazzi和Tenti的公开文献。在该公开文献中，代表连续运行模式的电路在图2(峰值电流控制)、图3(平均电流控制)和图4(滞后控制)中被示出。代表在边界范围内的运行模式(边界控制)的电路在图5(边界控制)中被示出。并且不连续运行模式在图6(不连续电流PWM控制)中被示出。
随后的说明此外涉及本申请的图3。
对于具有连续电流的运行模式，从扼流圈电流传感器SE2将关于流过开关S2的扼流圈电流的信息以及从测量点SE1将关于输出电压的信息输送给配置装置2。配置装置2还包含未示出的正弦参考发生器。输入电流具有通过锯齿波来近似的正弦形状。可替代地，正弦参考信号也可以通过测量点SE5来截取。根据测量点SE1处的输出电压的大小并且根据正弦参考信号的幅值，确定通过开关S2的最大允许的电流作为控制参数。通过扼流圈电流传感器SE2来监控该电流。一旦通过扼流圈电流传感器SE2的电流已达到其最大允许的值，就断开开关。在具有连接电流的运行模式期间，PFC可以固定的频率工作。根据由在扼流圈电流传感器SE2处达到关断条件所给定的关断时刻，基于预先给定的周期持续时间得出关断时间。在预先给定的周期持续时间到期之后，开关S2再次被接通。
为了PFC 1也能够选择性地在具有不连续电流的运行模式下工作，从测量点SE1将关于输出电压的信息输送给配置装置2就足够了。配置装置进一步包含未示出的脉宽调制器以及同样未示出的电压偏差比较器，该电压偏差比较器将从测量点SE1接收的PFC 1的输出电压的测量信号与参考电压进行比较并且将比较结果输送给脉宽调制器的一个输入端。锯齿波被输送给PFC1的另一输入端。利用脉宽调制器的输出信号对开关S2进行定时。在这种情况下PFC 1的输入电流由从零出发的不连续的锯齿波组成，其中其幅值的包络线模拟正弦形状。
对于在连续电流和不连续电流之间的边界范围内的运行模式，从扼流圈L处的测量线圈SE3将关于扼流圈电流的过零的信息并且从测量点SE1再次将关于PFC 1的输出电压的信息输送给配置装置2。为此，配置装置2附加地包含下列未示出的电路部分：电流比较器，扼流圈电流传感器SE2的测量信号和乘法器的输出信号被输送给该电流比较器；电流偏差检测器，在测量线圈SE 3处检测到的扼流圈电流过零信号被输送给该电流偏差检测器；与门，该与门对开关S3定时，并且电流比较器的输出信号和电流偏差检测器的输出信号被输送给该与门的输入端。正弦参考发生器的输出信号和电压偏差比较器的输出信号被输送给乘法器的输入端。在这种情况下，输入电流由从零出发的准连续成串的锯齿波组成，其中其幅值的包络线近似正弦形状。
例如，配置装置2可以被构造为控制和/或调节单元、诸如集成电路ASIC等。在此，控制和/或调节单元可以例如被实施为数字单元。数字实施提供以下优点，即在控制和/或调节单元中可以根据所选择的运行方式转换所需的参考值。例如可以在表格中存放参考值列表。测量点SE1-SE5的测量值的采集可以分别被输送给配置装置2的一个连接端子。配置装置2可以通过一个或多个模数变换器来采集测量值。
在测量点SE1-SE5处所采集的测量值也可以通过一个或多个共同的连接端子被输送给配置装置2。测量点可以通过耦合元件相互连接，并且根据测量的时刻，可以在考虑当前运行状态的情况下评价测量值。这样的耦合元件例如可以是二极管或者也可以是高欧姆电阻。当例如开关S2被断开时，可以没有电流流过扼流圈电流传感器SE2为出发点。根据关于当前时刻和电路的状态的信息，可以使一个或多个参考值适配于切换状态。该适配可以不仅考虑当前切换状态而且也可以考虑所选择的运行方式。由此可以将用于采集测量值的连接端子也用于分别仅在某一运行方式下所使用的两个测量点的耦合。例如，在具有连续电流的运行模式下所使用的扼流圈电流传感器SE2可以与在连续电流和不连续电流之间的边界范围内的运行模式下所使用的扼流圈L处的测量线圈SE3相组合。
通过布置相应的耦合元件，可以将一个连接端子处的两个测量值相组合。其例子在图5中被示出。
在连续电流和不连续电流之间的边界范围内的运行模式下，可以基于所进行的扼流圈L的去磁来识别测量值的跳跃。通过设置作为耦合元件的二极管D3，可以在开关S2被闭合期间在测量线圈SE3的测量路径上不施加电压，因为扼流圈L的次级绕组上的电压是负的，因此二极管D3截止。
由此可以在具有连续电流的运行模式下根据关于开关S2是被断开还是被闭合的信息来评价作为扼流圈电流传感器SE2处的幅值的测量值。
图4示出用于发光装置的电子镇流器3，通过使用如结合图1所述的PFC1可配置该电子镇流器。PFC 1又包含配置装置2，其功能和作用已结合图3进行了阐述。可配置的EVG 3还包含控制单元4和可配置的切换单元5。
可配置的EVG 3的输入端可以通过开关10的相应转换选择性地与交流电压网(AC电网)11或与直流电压紧急照明电源(DC紧急照明)12相连接。可配置的EVG 3的输出端可以借助转换开关7选择性地转换到主输出电路或紧急照明输出电路上。主输出电路具有电感29、谐振电容器9和耦合电容器6。荧光灯13与谐振电容器9并联。紧急照明输出电路包含与平滑电容器8并联的发光二极管14。
输出电路通过开关S7的选择性激活仅仅是可选的。也可以去激活(不点燃)气体放电灯13。如果应运行LED 14，则可以利用开关附加地连接该LED。在LED运行的情况下，也可以去激活用于气体放电灯13的现有的加热电路。
由可配置的切换单元5将相应的运行电压输送给两个输出电路，该切换单元可以在半桥运行模式、全桥运行模式和脉宽调制运行模式(PWM运行模式)之间转换、也即是可配置的。半桥运行模式或全桥运行模式对于具有荧光灯13的主输出电路来说是相关的。而PWM运行模式对于具有发光二极管14的紧急照明输出电路来说是相关的。
可配置的切换单元5是逆变器，其将由PFC 1提供的或多或少被平滑的脉冲直流电压转换为交流电压，通过PFC 1和切换单元在适配于相应的输出电路方面的配置可以确定该交流电压的频率和电压。
可配置的EVG 3还包含电流/电压源23，其通过与PFC的输入端连接的线路31、也即从AC电网11或从DC紧急照明12获得其输入能量。电源23通过线路25、26和27给PFC 1、控制单元4和可配置切换单元5供应相应的运行电压或相应的运行电流。
控制单元4控制开关10、PFC 1、电流/电压源23、可配置切换单元5和开关7，如通过线路30、20、28、21和22所示的。与图3相比，PFC 1的配置装置2通过线路20从控制单元获得控制信号。
控制单元4在其侧从两个输入电路、两个输出电路和PFC 1的输入端获得信息，如通过虚线16、17、18、19和15所示的。
在正常运行中，AC电网电压11通过转换开关10与可配置的PFC 1的输入端连接并且将电网电压导向该输入端。通过以虚线所示的线路16将此通知控制单元。相应地，该控制单元通过以虚线所示的线路20切换开关7，使得可配置的切换单元5与主输出电路连接。此外，该控制单元通过以虚线所示的线路21切换可配置的切换单元，使得该可配置的切换单元在半桥运行模式下工作。通过以虚线所示的线路20，由控制单元4对PFC 1的配置装置2施加控制信号，该控制信号导致该PFC作为升压变换器工作。通过线路31提供电网电压给电流/电压源23。控制单元4通过虚线所示的线路28切换电流/电压源23，使得合适的运行电压或电流被输送给可配置的切换单元5中的半桥和PFC 1。
如果现在AC电网11失效，则控制单元4通过以虚线所示的线路16获悉这一点。该控制单元于是促使开关10将PFC 1的输入端转换到DC紧急照明12。此外，控制单元4通过虚线所示的线路22转换开关7，使得从现在起紧急照明输出电路连接到可配置的切换单元5的输出端上。通过以虚线所示的线路21，控制单元4将可配置的切换单元5转换到PWM运行模式。从现在起由DC紧急照明12供应直流电压的电源23也被转换，使得可配置的切换单元可以在PWM运行模式下工作。最后，控制单元4通过以虚线所示的线路20转换PFC 1，使得PFC 1仅在降压运行模式下工作。
降压运行模式不仅仅对于LED使用来说是有利的，而且当气体放电灯13以非常低的调光电平被驱动时也是有利的。
半桥(例如在LED的情况下降压运行模式，在气体放电灯的情况下推挽运行模式)和PFC(例如升压或降压、或者具有连续电流、不连续电流的运行模式或在连续和不连续电流之间的边界范围内的运行模式)可以根据负载的类型或供电状态来调整其工作方式。
所连接的负载的识别可以例如通过测试测量(例如通过灯丝识别或功率测量)来进行或者通过从外部输送的信息(例如借助关于接口的信息)来进行。
此外应注意，在功率低于25W的情况下存在针对谐波和所提取的电网电流的质量的其他标准。因此在小负载(例如低调光电平)的情况下，可以舍弃PFC功能，并且PFC可以在替代的运行方式(例如降压运行模式)下运行。
此外，还应注意，电流/电压源23可以按照运行模式在电压控制、电流控制、功率控制或混合控制之间转换。
PFC 1可以被构造，使得其在降压模式下运行时承担对接通电流峰值的限制(所谓的突入限制)。为此，例如开关S2可以在降压运行方式的情况下为了中断电流而被短时间地断开。同时，对接通电流峰值的限制可以在所有所述的运行方式情况下被应用。

Claims (18)

1.一种定时功率因数校正电路，尤其是用于发光装置(13，14)的电子镇流器(3)，其特征在于，
配置装置(2)附加地允许配置PFC(1)，使得该PFC能够选择性地
a)在具有连续电流的运行模式下，
b)在具有不连续电流的运行模式下，
c)在连续电流和不连续电流之间的边界范围内的运行模式下运行。
2.如权利要求1所述的功率因数校正电路，其特征在于，
所述配置装置(2)允许配置所述PFC(1)，使得该PFC能够
d)在降压运行模式下，或
e)在升压运行模式下运行。
3.如前述权利要求之一所述的功率因数校正电路，其特征在于，
由所述配置装置引起的所述PFC(1)的配置根据
f)用于AC运行或DC运行的供电电压，
g)在输出端处所识别出的负载，
h)输入电压，和/或
i)调光水平来进行。
4.如前述权利要求之一所述的功率因数校正电路，其特征在于，
所述配置装置(2)与用于所述PFC(1)的受控的电流/电压源(23)耦合，并且根据所设置的运行模式引起在电压控制、电流控制、功率控制或混合控制之间的转换。
5.如前述权利要求之一所述的功率因数校正电路，其特征在于，
所述PFC(1)被构造，使得其在降压模式下运行时承担对接通电流峰值的限制。
6.如权利要求1至4之一所述的功率因数校正电路，具有降压开关S2，
其特征在于，
所述PFC(1)具有用于限制接通电流峰值的控制装置，该控制装置在接通电网供电电压的情况下首先断开降压开关S2，然后按照定时方式将降压开关S2闭合、断开等。
7.一种用于发光装置(13，14)的电子镇流器EVG，其特征在于，
该电子镇流器(3)包含具有配置装置(2)的功率因数校正电路PFC(1)，该配置装置允许配置PFC，使得该PFC能够选择性地
-在具有连续电流的运行模式下，
-在具有不连续电流的运行模式下，或
-在连续电流和不连续电流之间的边界范围内的运行模式下运行。
8.如权利要求7所述的电子镇流器，其特征在于，
所述配置装置(2)附加地允许配置所述PFC，使得该PFC能够选择性地
a)在降压运行模式下，或
b)在升压运行模式下运行。
9.如权利要求7或8所述的电子镇流器，其特征在于，
由所述配置装置(2)引起的所述PFC的配置根据
f)用于AC运行或DC运行的供电电压，
g)在输出端处所识别出的负载，
h)输入电压，和/或
i)调光水平来进行。
10.如权利要求7至9之一所述的电子镇流器，其特征在于，
所述配置装置(2)与用于所述PFC(1)的受控的电流/电压源(23)耦合，并且根据所设置的运行模式引起在电压控制、电流控制、功率控制或混合控制之间的转换。
11.如权利要求7至10之一所述的电子镇流器，其特征在于，
所述PFC(1)被构造使得其在降压模式下运行时承担对接通电流峰值的限制。
12.如权利要求7至11之一所述的电子镇流器，其特征在于，
所述PFC(1)具有用于限制接通电流峰值的控制装置，该控制装置在接通电网供电电压的情况下首先断开降压开关S2，然后按照定时方式将降压开关(S2)闭合、断开等。
13.如权利要求7至12之一所述的用于发光装置(13，14)的电子镇流器EVG，具有被定时的切换单元(5)，其特征在于，
切换单元(5)是可配置的，使得该切换单元能够
j)在半桥运行模式下，或
k)在全桥运行模式下，或
l)在脉宽调制运行模式下运行。
14.如权利要求7至12之一所述的电子镇流器，其特征在于，
识别所使用的发光装置(13，14)的控制单元(4)将用于配置的调节信息输送给所述PFC(1)的配置装置(2)或可配置的切换单元(5)。
15.如权利要求13或14之一所述的电子镇流器，其特征在于，
所述可配置的切换单元(5)与用于所述EVG(3)的受控的电流/电压源(23)耦合，并且根据所设置的运行模式引起在电压控制、电流控制、功率控制或混合控制之间的转换。
16.如权利要求7至15之一所述的电子镇流器，其特征在于，
在具有LED(14)和在降压运行模式下工作的PFC(1)的EVG(3)运行时，所述PFC(1)承担对被输送给负载电路的电压的幅值控制/调节，并且附加地，针对半桥运行模式所配置的切换单元(5)承担对被输送给负载电路的电压的频率控制/调节。
17.如权利要求7至16之一所述的电子镇流器，其特征在于，
至少一个荧光灯、至少一个高压卤素灯或低压卤素灯、至少一个发光二极管(LED)或发光二极管装置被用作发光装置(13，14)。
18.如权利要求13所述的电子镇流器，其特征在于，
可配置的切换单元(5)是半桥电路、全桥电路或脉宽调制切换单元。
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