CN102318173B - 具有功率因数校正电路的电子镇流器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有可配置的功率因数校正电路PFC(1)的电子镇流器，该功率因数校正电路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。

Description

具有功率因数校正电路的电子镇流器
技术领域
本发明涉及用于发光装置的电子镇流器，其包括由控制单元主动定时的功率因数校正电路(或者功率因数控制器,缩写为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发生偏移，并且输入电流非正弦形地失真。这样的输入电流由较高频的分量、也即具有谐波的那些分量的总和构成，所述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器来抵消，该功率因数校正器对非线性的电流消耗进行整流并且对输入电流整形，使得输入电流基本上是正弦形的。通过与相应的设备串联连接的功率因数校正电路来进行功率因数校正。用于有源(定时)功率因数校正电路的广为使用术语是功率因数控制器或缩写为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。这两种变换器之间的主要在于：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操作的更精确的说明稍后进行。
用于发光装置的、利用电源电压运行的电子镇流器包含整流器和与其连接的逆变器，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无论如何同样也是非线性的。因此，PFC也适合用于电子镇流器，尤其是因为在电流消耗的情况下，通过标准来控制谐波到网络中的回送。
必须根据要由电子镇流器供电的发光装置、尤其是根据发光装置的电压需求来不同地配置电子镇流器(EVG)。因此，对串联连接的PFC的选择可能是有帮助的。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有PFC的电子镇流器，该PFC为了适配于不同的应用是可变的。尤其是根据PFC的负载状态或者供电电压或供电电流的状态，能够改变或适配PFC的工作方式。
根据本发明，利用具有配置装置的电子镇流器来实现上述目的，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。也应可以在上述两种运行方式之间转变，就这一方面而言混合运行也应可以。
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 Transactions onIndustries 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-Switch Buck-BoostPower Factor Correction Circuit”的公开文献、以及Jingquan Chen,DraganMaksimovic和Robert W.Erickson在IEEE Transactions on Power Electronics(第21卷，第2期，2006年3月)中发表的题目为“Analysis and Design ofLow-Stress Buck-Boost-Converter in Universal-Input PFC Applications”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能够选择性地切换到两种运行模式之一中，以因此允许替代的运行，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，电子镇流器中的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即连续导通模式下，或
d)在具有不连续电流的运行模式即不连续导通模式下，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即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“Controltechniques for power factor correction converters”的公开文献中进行了描述。
上述运行方式提供了利用不同的测量点，诸如扼流圈电流、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具有如下情况，根据
f)用于AC运行或DC运行的供电电压，或
g)在输出端处所检测出的负载，或
h)输入电压，和/或
i)调光水平
由配置装置进行对PFC的配置。
此外，还可能的是，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，配置装置在电压控制、电流控制或混合控制之间进行转换。
附图说明
下文中，借助附图来描述本发明的示例性实施例。
图1示出现有技术的升压变换器；
图2示出现有技术的降压变换器；
图3示出可配置的PFC；
图4示出根据本发明的、具有可配置的PFC的电子镇流器；以及
图5示出具有可配置的PFC的电子镇流器，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包括电感L、整流二极管D1、开关S1和平滑电容器C。如果在升压变换器的输入端处施加交流电压，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的额定值或多或少被平滑。为了尽可能地以正弦曲线方式配置升压变换器的电流消耗，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包括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。如果在输入端处施加交流电压，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的额定值或多或少地被平滑。降压变换器中的输出端处的直流电压的峰值低于位于输入端处的交流电压的幅值。通过对开关S2适当地定时，降压变换器也成功地以基本上是正弦曲线的方式配置输入电流，结果是谐波到网络中的反射相对少。
由于所描述的通常的非线性网络的特性，图1和2中所述类型的变换器被串联连接，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几伏电压。
考虑到图1和2中所示类型的变换器用作非线性网络的串联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或缩写为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以这样的方式配置，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仅仅作为升压变换器工作，则开关S3和S4被断开，如图所示。相反，如果PFC 1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可以选择性地在连续导通模式下、在不连续导通模式下或在临界导通模式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。
随后的说明继续参考本申请的图3。
对于连续导通模式，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波形。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处的输出电压的电平并且根据正弦参考信号的幅值，将通过开关S2的最大允许的电流设定为控制参数。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。在连续导通运行期间，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。
为了确保PFC 1也能够选择性地在不连续导通模式下工作，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PFC 1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。
对于临界导通运行，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还从测量点SE1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还包含下列未示出的电路部件：
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SE3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。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甚至是高欧姆电阻。当例如开关S2被断开时，可以认为没有电流流过扼流圈电流传感器SE2。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，在连续导通模式下所使用的扼流圈电流传感器SE2可以与在临界导通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，可以在一个连接端子处将两个测量值相组合。这样的一个实例在图5中被示出。
在临界导通模式下，可以基于所进行的扼流圈L的去磁来检测测量值的跳跃。通过设置二极管D3作为耦合元件，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，在连续导通模式下，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，通过使用结合图1所述的PFC 1可配置该电子镇流器。PFC 1又包含配置装置2，其操作和作用已结合图3进行了阐述。可配置的电子镇流器3还包含控制单元4和可配置的切换单元5。
利用开关10的相应切换，可配置的电子镇流器3的输入端可以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。借助转换开关7，可配置的电子镇流器3的输出端可以选择性地切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。
通过开关S7选择性激活输出电路仅仅是可选的。也可以去激活(不点燃)气体放电灯13。如果应运行LED 14，则可以利用开关连接至该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、全桥运行和脉宽调制运行(PWM运行)之间转换、也即是可配置的。半桥运行或全桥运行与具有荧光灯13的主输出电路是相关的。相反，PWM运行与具有发光二极管14的紧急照明输出电路是相关的。
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。
可配置的电子镇流器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和可配置的切换单元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、可配置的切换单元5和开关7，如线路30、20、28、21和22所示。与图3相比，PFC 1的配置装置2通过线路20从控制单元接收控制信号。
控制单元4在其侧从两个输入电路、两个输出电路和PFC 1的输入端接收信息，如虚线16、17、18、19和15所示。
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，并且将电网电压供给该输入端。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。于是，该控制单元促使开关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切换开关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。
可以根据负载的类型或供电状态来调整半桥(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、或者连续导通、不连续导通或临界导通运行模式)的工作方式。
可以例如通过测试测量(例如通过灯丝检测或功率测量)，或者通过外部输送的信息(例如借助关于接口的信息)来检测所连接的负载。
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。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，根据运行模式，电流/电压源23可以在电压控制、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 (12)

1.一种用于发光装置(13，14)的电子镇流器(3)，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)，所述配置装置(2)将PFC(1)配置成能够选择性地运行于 
a)连续导通运行模式， 
b)不连续导通运行模式， 
c)临界导通运行模式下，所述临界导通运行模式是在连续电流和不连续电流之间的边界范围内的运行模式， 
其中，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)在输出端处所检测出的负载， 
h)输入电压，和/或 
i)调光水平 
来进行。 
2.如权利要求1所述的电子镇流器，其特征在于， 
所述配置装置(2)还允许配置所述PFC，使得该PFC能够选择性地运行于 
d)在降压运行模式下，或 
e)在升压运行模式下。 
3.如权利要求1或2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，所述配置装置(2)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。 
4.如权利要求1或2所述的电子镇流器，其特征在于， 
所述PFC(1)被如此构造，使得其在降压运行模式下运行时承担对接通电流峰值的限制。 
5.如权利要求1或2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。 
6.如权利要求1或2所述的电子镇流器，所述电子镇流器具有定时切换单元(5)，其特征在于， 
所述定时切换单元(5)能够被如此配置，使得该定时切换单元可以运行于 
j)半桥运行模式，或 
k)全桥运行模式，或 
l)脉宽调制运行模式。 
7.如权利要求6所述的电子镇流器，其特征在于， 
控制单元(4)识别所使用的发光装置(13，14)，并且将用于配置的控制信息输送给所述PFC(1)的配置装置(2)或可配置的定时切换单元(5)。 
8.如权利要求6所述的电子镇流器，其特征在于， 
可配置的定时切换单元(5)与用于所述电子镇流器(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，所述可配置的定时切换单元(5)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。 
9.如权利要求6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)的电子镇流器(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，其特征还在于，针对半桥运行模式所配置的定时切换单元(5)承担对被输送给负载电路的电压的频率控制/调节。 
10.如权利要求1或2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)。 
11.如权利要求6所述的电子镇流器，其特征在于， 
可配置的定时切换单元(5)是半桥电路、全桥电路或脉宽调制定时切换单元。 
12.如权利要求7所述的电子镇流器，其特征在于， 
所述可配置的定时切换单元(5)与用于所述电子镇流器(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，所述可配置的定时切换单元(5)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。 
CN200880021183.8A 2007-06-22 2008-06-19 具有功率因数校正电路的电子镇流器 Active CN102318173B (zh)

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