CN102664517A

CN102664517A - 一种功率因数校正电路

Info

Publication number: CN102664517A
Application number: CN2012101420326A
Authority: CN
Inventors: 姚晓莉; 俞杭冬
Original assignee: Inventronics Hangzhou Co Ltd
Current assignee: Inventronics Hangzhou Co Ltd
Priority date: 2012-05-08
Filing date: 2012-05-08
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2032-05-08
Also published as: CN102664517B

Abstract

本发明实施例提供一种功率因数校正电路，包括：整流桥、Buck型PFC主电路、Buck型PFC控制电路、滤波电容以及谐波补偿电路。根据本发明实施例提供的功率因数校正电路，在整流桥的输出正端和Buck型PFC控制电路的控制端之间连接一谐波补偿电路，该谐波补偿电路能够将整流桥的输出电压转换为谐波电流，并将该谐波电流注入到Buck型PFC控制电路的控制端，以降低功率因数校正电路的谐波含量，从而提高功率因数值并降低其THD值。

Description

一种功率因数校正电路

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种功率因数校正电路。

背景技术

通常，电网电压经过整流桥整流后，需要进一步通过功率因数校正（PowerFactor Correction，PFC）电路进行校正得到一个较为稳定的输出电压，以输入后一级的电路。如图1所示，是现有技术中较为常用的一种功率因数校正电路，电网电压经过整流桥BD后，将整流后的正弦半波电压输入Buck型PFC主电路，Buck型PFC主电路在输入电压Vin高于输出电压Vo的时间段内，输入电流Iin不为零，Buck型PFC主电路的主开关管S1在Buck型PFC控制电路的控制下，使不为零的输入电流Iin尽量跟随输入电压Vin的相位变化，以提高整个电路的功率因数值（Power Factor，PF）和降低总谐波失真（TotalHarmonic Distortion，THD）；同时，使输出电压Vo稳定在某一个设定值（图1所示的电路中Vo的稳压值为Vref设定的值）。

然而，由于整流桥BD的输入端（即电路的输入端）或输出端往往设置有滤波电容，如图1中的电容C1和电容C2，由于电容C1和电容C2是容性负载，导致输入电流Iin与输入电压Vin之间产生相位差，实际的输入电流Iin与输入电压Vin的波形图如图2所示，其中，横坐标为时间，纵坐标为输入电流Iin或者输入电压Vin，从图2中可以看出，输入电流Iin波形的波峰超前于输入电压Vin波形的波峰，输入电流与输入电压之间的相位差较大，导致功率因数校正电路的PF值较低而THD较高，使得图1所示的功率因数校正电路不能够符合某些场合的要求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种输入电流与输入电压之间的相位差较小的功率因数校正电路，以提高功率因数校正电路的PF值并降低其THD值。

为实现上述目的，本发明的一个实施例提供一种功率因数校正电路，包括：整流桥、Buck型PFC主电路、Buck型PFC控制电路、滤波电容以及谐波补偿电路；其中，

所述Buck型PFC主电路通过所述整流桥与电网连接，以输出稳定的直流电压；

所述滤波电容并联在所述整流桥的输入端的两端和/或输出端的两端；

所述Buck型PFC控制电路的控制端连接第一电容的一端，输入端接收所述Buck型PFC主电路输出电压的反馈信号，输出端连接所述Buck型PFC主电路中的主开关管的控制端，用于控制所述Buck型PFC主电路中的主开关管；

所述谐波补偿电路的一端连接所述整流桥的输出正端，另一端连接所述Buck型PFC控制电路的控制端，用于将整流桥的输出电压转换为谐波电流，并将所述谐波电流注入到所述Buck型PFC控制电路的控制端，以降低功率因数校正电路的谐波含量，提高功率因数值。

优选地，所述第一电容的另一端接地。

优选地，所述Buck型PFC主电路包括二极管、主开关管以及电感；

所述Buck型PFC控制电路包括恒流源、放大器、比较器以及驱动控制电路，其中，所述放大器的同相输入端接电压基准信号，反相输入端接所述Buck型PFC主电路的输出电压的反馈信号；所述比较器的同相输入端接所述放大器的输出信号，反相输入端接所述Buck型PFC控制电路的控制端处的电压；所述比较器的输出信号通过所述驱动控制电路控制所述主开关管。

优选地，所述谐波补偿电路包括串联的第二电容和第一电阻。

优选地，所述第二电容和第一电阻的值满足：

\tan θ = \frac{1}{ωCR};

其中，θ为相位上所述谐波补偿电路的注入电流的波形超前于所述整流桥的输出电压的波形的角度，ω为所述功率因数校正电路的输入电压的频率，C为第二电容的值，R为第一电阻的值。

优选地，所述第二电容为一个或者多个。

优选地，所述第一电阻为一个或者多个。

优选地，所述驱动控制电路检测流过所述Buck型PFC主电路中所述电感的电流，当该电流降为零时，控制所述主开关管导通。

优选地，所述Buck型PFC控制电路采用集成电路或者模拟电路。

根据本发明实施例提供的功率因数校正电路，在整流桥的输出正端和Buck型PFC控制电路的控制端之间连接一谐波补偿电路，该谐波补偿电路能够将整流桥的输出电压转换为谐波电流，并将该谐波电流注入到Buck型PFC控制电路的控制端，以降低功率因数校正电路的谐波含量，从而提高功率因数值并降低其THD值，本发明实施例提供的功率因数校正电路能够满足大多数某些场合的应用要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中的功率因数校正电路的电路结构图；

图2是采用图1中的功率因数校正电路后输入电流与输入电压的波形图；

图3是本发明实施例提供的功率因数校正电路的电路结构图；

图4是本发明实施例的一个具体示例提供的功率因数校正电路的电路结构示意图；

图5是本发明实施例的一个具体示例的功率因数校正电路的电路图；

图6是采用图5中的功率因数校正电路后的谐波电流与整流输入电压的波形图；

图7是采用图5中的功率因数校正电路后补偿前输入电流、补偿后输入电流以及输入电压的波形图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

滤波电容C1和C2的存在，使得图1所示的功率因数校正电路的输入电流Iin与输入电压Vin之间产生相位差（参见图2所示），造成功率因数校正电路的PF值较低而THD值较高。

为解决现有技术中功率因数校正电路中由于滤波电容存在而使输入电流与输入电压之间存在较大相位差从而导致PF值较低而THD值较高的问题，发明人经过仔细分析，提出了一种减小输入电流与输入电压之间的相位差从而提高PF值且降低THD值的功率因数校正电路。如图3所示，为本发明实施例提供的功率因数校正电路的电路结构示意图，该功率因数校正电路包括整流桥、Buck型PFC主电路、Buck型PFC控制电路、滤波电容以及谐波补偿电路；其中，Buck型PFC主电路通过整流桥BD的输出端与电网连接，以输出稳定的直流电压；滤波电容并联在整流桥BD的输入端的两端和/或输出端的两端，例如，图3中的滤波电容包括并联在整流桥BD的输出端的两端的滤波电容C1和并联在整流桥BD的输入端两端的滤波电容C2；Buck型PFC控制电路的控制端连接第一电容Ct的一端（Ct的另一端可以接地），输入端接收Buck型PFC主电路输出电压Vo的反馈信号Vf，输出端连接Buck型PFC主电路中的主开关管的控制端（图中未示出），用于控制Buck型PFC主电路；具体地，反馈信号Vf可以与输出电压Vo成正比，或者，反馈信号Vf可以随输出电压Vo的增大而增大或随输出电压Vo的减小而减小。另外，Buck型PFC控制电路的功能可以由一块芯片（即集成电路）实现，也可以由多块芯片相互连接实现，即Buck型PFC控制电路可以采用集成电路或者模拟电路实现。

谐波补偿电路的一端连接整流桥BD的输出正端，另一端连接Buck型PFC控制电路的控制端；该谐波补偿电路能够将整流桥的输出电压转换为谐波电流，并将该谐波电流注入到Buck型PFC控制电路的控制端，以降低功率因数校正电路的谐波含量，从而提高功率因数值。

下面以一些示例对本发明实施例的技术方案进行详细阐述，需要说明的是，下述示例仅用于解释本发明实施例，而不是对本发明实施例的限制，所有在本发明实施例构思的基础上能够实现本发明目的的技术方案都在本发明的保护范围内。

在本发明实施例的一个具体示例中，功率因数校正电路的电路图如图4所示，其中，Buck型PFC主电路包括二极管D1、主开关管S1以及电感L1。主开关管S1的第一端连接至整流桥BD的输出负端，第二端通过电感L1连接至Buck型PFC主电路的输出负端，二极管D1的正极连接至主开关管S1的第二端，负极连接至Buck型PFC主电路的输出正端，并与整流桥BD的输出正端相连。

Buck型PFC控制电路包括恒流源Id、放大器U1、比较器U2以及驱动控制电路。其中，放大器U1的同相输入端接电压基准信号Vref，反相输入端接Buck型PFC主电路的输出电压Vo的反馈信号Vf，且其反相输入端和输出端之间连接有补偿网络，通常补偿网络由一个电阻和一个电容的串联支路构成，或者由该串联支路和一个电容并联构成，该补偿网络可以在闭环调节中使功率因数校正电路处于稳定的工作状态；比较器U2的同相输入端接放大器U1的输出信号，反相输入端接Buck型PFC控制电路的控制端处的电压Vra；比较器U2的输出信号通过驱动控制电路控制主开关管S1，当比较器U2的反相输入端的信号Vra不小于同相输入端的信号时，通过驱动器控制电路控制主开关管S1关断。另外，在临界控制模式中，驱动控制电路还可以检测流过Buck型PFC主电路中的电感L1的电流，当该电流降为零时，控制主开关管S1导通。

图4中所示的功率因数校正电路的工作原理如下：通过放大器U1将输出电压Vo的反馈信号Vf与电压基准信号Vref的差值进行放大，放大器U1的输出信号Vrf输入至比较器U2的同相输入端，比较器U2将放大器U1的输出信号Vrf与反相输入端的Buck型PFC控制电路的控制端处的电压Vra进行比较，当Buck型PFC控制电路的控制端处的电压Vra不小于放大器U1输出信号Vrf时，比较器U2的输出信号通过驱动控制电路控制Buck型PFC主电路中的主开关管S1关断。其中，图4中，第一电容Ct的另一端接地，此时，Buck型PFC控制电路的控制端处的电压即为第一电容Ct上的电压。

具体地，从主开关管S1从截止状态转换为导通状态时刻开始，通过恒流源Id和谐波补偿电路为其充电，使第一电容Ct上的电压Vra为一锯齿波电压，其充电斜率由恒流源Id的幅值和谐波补偿电路注入的谐波电流Ix决定，而当电压Vra不小于放大器U1输出信号Vrf时控制主开关管S1关断，因此，第一电容Ct上的电压Vra的充电速率决定了主开关管的导通时间Ton。

由于谐波补偿电路的谐波电流Ix是通过整流桥后的电压信号Vdc转换而来的，且在整流输入电压Vdc的一个周期内，在前半周期谐波电流Ix为正，在后半周期谐波电流Ix为负。通过该谐波电流Ix对第一电容Ct的充电，改变了Buck型PFC主电路的主开关管S1的导通时间Ton（与不添加谐波补偿电路相比），也即，在整流输入电压Vdc的周期的前半周期内的导通时间Ton变短，在后半周期的导通时间变长，使Buck型PFC主电路的输入电流在前半周期内较小（相比于未添加谐波补偿电路时的输入电流），在后半周期内较大，使添加了谐波补偿电路之后的输入电流的相位滞后，从而减小了由于滤波电容C1和C2的存在而引起的输入电流与输入电压间的相位差。

因此，添加谐波补偿电路之后的功率因数校正电路的输入电流Iin’，与未添加谐波补偿电路的功率因数校正电路的输入电流Iin相比较，在前半周期Iin’小于Iin，在后半周期Iin’大于Iin。

通过谐波补偿电路向Buck型PFC控制电路的控制端注入一谐波电流Ix，通过第一电容Ct控制Buck型PFC主电路的主开关管S1的导通时间，由于Buck型PFC主电路的输入电流Iin为主开关管S1电流的平均电流，即在Buck型PFC控制电路的控制端注入的谐波电流Ix可以改变Buck型PFC主电路的输入电流Iin的谐波含量，提高Buck型PFC主电路的PF值并降低其THD值。

在本发明的具体实施例中，谐波补偿电路可以有多种结构，并且，谐波补偿电路与功率因数校正电路的连接方式也可以有多种，在此，具体以一种结构的谐波补偿电路为例对本发明实施例进行详细说明，需要说明的是，下述描述仅仅用于解释本发明实施例的技术方案，而不是对本发明实施例的技术方案的限制。本领域技术人员可以通过下述描述得到其他结构的功率因数校正电路。

具体地，在本发明实施例的一个具体示例中，谐波补偿电路可以由串联的第二电容C3和第一电阻R3组成，如图5所示，是该具体示例的功率因数校正电路的电路结构图；其中，谐波补偿电路中的电容C3和电阻R3的上下顺序可以置换，这不影响谐波补偿电路的性能和作用。

在该具体示例中，电阻R3和电容C3可以在Buck型PFC控制电路的控制端注入一谐波电流Ix。

整流输入电压Vdc（其大小即为输入电压Vin的绝对值）可以表示为时间t的函数：

Vdc=|sin（ωt）|；

其中，ω为该功率因数校正电路的输入电压的频率Vin，即其中T为电网电压的一个周期，其波形图可以如图6所示。

谐波电流Ix可以表示为：

Ix = \frac{Vdc - Vra}{R_{3} + 1 / jω C_{3}} = \frac{ω C_{3}}{1 + ω^{2} {R_{3}}^{2} {C_{3}}^{2}} \cdot (ω C_{3} R_{3} + j) \cdot [| \sin (ωt) | - Vra];

其中，j为虚数单位，ω为该功率因数校正电路的输入电压Vin的频率。

在实际应用过程中，整流输入电压Vdc通常会比第一电容Ct上的电压Vra大几个数量级，例如，Vdc可以为几百伏，而Vra仅为几伏，所以，通常可以将Vra忽略不计。若忽略第一电容Ct上的锯齿波电压Vra对谐波电流Ix的影响，则从上式可以看出：整流输入电压Vdc的一个周期内，在前半周期谐波电流Ix为正，在后半周期谐波电流Ix为负，该谐波电流Ix注入到Buck型PFC控制电路的控制端，使Buck型PFC主电路的主开关管S1在前半周期（整流输入电压Vdc的周期）的导通时间变短，在后半周期的导通时间变长，即，使Buck型PFC主电路的输入电流在前半周期内较小（相比于未添加谐波补偿电路时的输入电流），在后半周期内较大，因此，添加谐波补偿电路之后，功率因数校正电路的输入电流Iin’，与未添加谐波补偿电路的功率因数校正电路的输入电流Iin相比较，在前半周期Iin’小于Iin，在后半周期Iin’大于Iin，参见图6。

在整流输入电压Vin的一个周期内，谐波电流Ix的波形与整流输入电压Vdc的波形相似，假设在相位上谐波电流Ix的波形比整流输入电压Vdc的波形超前的角度为θ，该角度θ与电阻R3和电容C3有如下的关系：

\tan θ = \frac{1}{ω C_{3} R_{3}};

一般来说，功率因数校正电路的输入电压Vin的频率ω通常是不变的，所以，角度θ的大小一般只与电阻R3和电容C3的值有关。当降低电阻R3的值和/或电容C3的值时，角度θ的值就会增大，谐波电流Ix与整流输入电压Vdc的相位差也增大。

在图6中，在整流输入电压Vdc的相邻两个过零点之间，谐波电流Ix的曲线近似于sin（ωt）在90°~270°之间的曲线；由于Ix的函数表达式中的对sin（ωt）取绝对值，因此，在整流输入电压Vdc的过零附近，谐波输入电流较陡。

该谐波电流Ix作用于Buck型PFC控制电路的控制端，经第一电容Ct，使主开关管S1的导通时间在半个电网电压周期内的前半部分降低，在半个电网电压周期内的后半部分升高，使补偿后的输入电流Iin’的相位滞后于原输入电流Iin，从而减小了补偿后的输入电流Iin’与输入电压Vin之间的相位差。

如图7所示，为本发明实施例（即采用图5中）的功率因数校正电路的输入电流Iin、Iin’与输入电压Vin的波形图；其中，Iin为原输入电流，Iin’为添加谐波补偿电路之后的输入电流。可以看出，添加谐波补偿电路后的输入电流Iin’的相位滞后于原输入电流Iin，与输入电压的相位相近，可见，谐波补偿电路的加入降低了输入电流Vin’的畸变程度，提高了功率因数校正电路的PF值，同时降低了其THD值。

具体地，电阻R3和电容C3的值可以随滤波电容C1和C2的大小变化，从而改变谐波电流Ix与整流输入电压Vdc之间的相位差θ，使补偿后的输入电流Iin的相位尽量与输入电压Vin的相位相近，以进一步提高功率因数校正电路的PF值并降低其THD值。

此外，本发明实施例中的电容C3可以由一个或者多个串联而成的电容替换，只要串联后的电容值与C3的值相等即可；同理，本发明实施例中的电阻R3可以由一个或者多个串联而成的电阻替换，只要串联后的电阻值与R3的值相等即可。谐波补偿电路可以由串联的一个电阻与多个电容或者一个电容与多个电阻或者多个电阻与多个电容组成，并且，电阻与电容的上下前后顺序不受限制。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种功率因数校正电路，其特征在于，包括：整流桥、Buck型PFC主电路、Buck型PFC控制电路、滤波电容以及谐波补偿电路；其中，

2.根据权利要求1所述的功率因数校正电路，其特征在于，所述第一电容的另一端接地。

3.根据权利要求1或2所述的功率因数校正电路，其特征在于，

所述Buck型PFC主电路包括二极管、主开关管以及电感；

4.根据权利要求3所述的功率校正电路，其特征在于，所述谐波补偿电路包括串联的第二电容和第一电阻。

5.根据权利要求4所述的功率校正电路，其特征在于，所述第二电容和第一电阻的值满足：

\tan θ = \frac{1}{ωCR};

6.根据权利要求4所述的功率因数校正电路，其特征在于，所述第二电容为一个或者多个。

7.根据权利要求4所述的功率因数校正电路，其特征在于，所述第一电阻为一个或者多个。

8.根据权利要求3所述的功率校正电路，其特征在于，所述驱动控制电路检测流过所述Buck型PFC主电路中所述电感的电流，当该电流降为零时，控制所述主开关管导通。

9.根据权利要求3所述的功率校正电路，其特征在于，所述Buck型PFC控制电路采用集成电路或者模拟电路。