CN103368372A - 功率因数校正电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率因数校正电路，包括对电网电压进行整流的整流电路，所述整流电路的输出端与升压电路的输入端对应连接；且所述整流电路的输入端和/或输出端之间连接滤波电路；所述升压电路，在控制电路的控制下实现升压及功率因数校正；所述控制电路，具有反馈信号输入端，用于控制所述升压电路中的开关管；谐波补偿电路，用于将电网电压整流后的电压信号转换为谐波电流信号，并将所述谐波电流信号注入给所述控制电路，以降低所述功率因数校正电路的输入电流的谐波失真，提高功率因数。本发明功率因数校正电路，适用于开关型电源电路。

Description

功率因数校正电路

技术领域

本发明涉及电子技术领域，特别涉及一种功率因数校正电路。

背景技术

功率因数校正电路，用于校正开关电源的功率因数。例如：带有功率因数校正电路的开关电源或电源变换器。

现有的功率因数校正电路，如图1所示，包括连接在整流电路、滤波电路后级的

升压电路，在控制电路的控制下实现升压及功率因数校正功能；

控制电路，用于控制所述升压电路中的开关管S10；

其中，整流电路，一般采用整流桥B或者全波整流二极管；

其中，升压电路，包括串接在整流电路的输出正端的电感L10和二极管D10，且所述二极管D10的阳极与电感L10连接；所述二极管D10的阴极为升压电路的输出正端V_OO+；所述电感L10与二极管D10的公共交点通过开关管S10漏源极、采样电阻R_S0接地交于升压电路的输出负端V_OO-；

其中，控制电路，包括第一取样电路、基准参考电压信号Vr、运算放大器U10、补偿网络、第二取样电路、乘法器M10、电压比较器U20、驱动控制电路；

所述基准参考电压信号Vr，为所述运算放大器U10提供基准电压；

所述第一取样电路，从所述升压电路输出端采集输出电压信号，并输出第一取样信号V_F0送给运算放大器U10的反相输入端，其中，运算放大器U10的反相输入端作为所述控制电路的反馈信号输入端F0；其电路连接结构为并联在所述升压电路的输出正端与输出负端之间的由分压电阻R10和分压电阻R20构成的串联支路，所述电阻R10与电阻R20的公共交点连接所述控制电路的反馈信号输入端F0；

所述运算放大器U10，用于将所述第一取样信号V_F0与基准参考电压信号Vr进行比较放大后输出误差信号V_E0；其电路连接结构为运算放大器U10的同相输入端连接基准参考电压信号Vr、反相输入端连接第一取样信号V_F0；所述运算放大器U10的输出端与反相输入端之间连接有补偿网络，所述补偿网络可以为RC串联电路；

第二取样电路，用于采集所述整流电路的输出电压作为第二取样信号V_S2；

乘法器，用于将所述第二取样信号V_S2与所述误差信号V_E0进行相乘运算；

所述电压比较器U20，将所述乘法器M10的输出信号与所述升压电路的开关管S10的电流采样信号

进行比较后去控制所述驱动控制电路；其电路连接结构为电压比较器U20的同相输入端与所述乘法器M10的输出端连接、反相输入端连接开关管S10与采集电阻RS1的公共交点，所述公共交点的电压信号为所述开关管S10的电流采样信号

所述驱动控制电路，用于根据电压比较器U20的输出信号控制所述升压电路的开关管S10的关断；其电路连接结构为驱动控制电路的输出端与升压电路的开关管S10的栅极连接；

上述功率因数校正电路的工作原理是：将第一取样电路采集的升压电路输出端的第一取样信号V_F0与基准电压参考信号Vr进行比较放大后，输出误差信号V_E0送给乘法器M10，作为乘法器M10的第一个输入信号；再将第二取样电路采集整流电路的输出端的第二取样信号V_S2送给乘法器M10，作为乘法器M10的第二个输入信号；乘法器M10将上述两个输入信号相乘后与开关管S10的电流采样信号

进行比较后去控制驱动控制电路，当开关管S10的电流采样信号

大于或等于乘法器M10的输出信号时，电压比较器U20输出控制信号，并通过驱动控制电路控制开关管S10导通。由于与开关管S10的电流比较的信号来自乘法器的输出信号，而乘法器的输出信号为第一输入信号与第二输入信号的乘积，因此，开关管S10的电流峰值跟随第一输入信号的变化，也即跟随整流电路的输出电压信号，从而使输入电流Iin跟随输入电压Vin的变化，提高电路的功率因数。如图2所示，整流电路输入端的理想电压波形Vin和理想电流波形Iin，但是在实际的功率因数校正电路中，为了实现电磁兼容，一般在整流电路的输入和/或输出端设置有滤波电路C10和/或C20时，整流电路输入端的电流波形在过零点附近就会产生畸变，其电流波形产生谐波失真，从而使电路的功率因数变低，如图3所示。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上不足，提供一种能够提高功率因数以及降低谐波失真的功率因数校正电路。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种功率因数校正电路，包括对电网电压进行整流的整流电路，所述整流电路的输出端与升压电路的输入端对应连接；且所述整流电路的输入端和/或输出端之间连接滤波电路；

所述升压电路，在控制电路的控制下实现升压及功率因数校正功能；

所述控制电路，用于控制所述升压电路中的开关管；

谐波补偿电路，用于将电网电压整流后的电压信号转换为谐波电流信号，并将所述谐波电流信号注入给所述控制电路，以降低所述功率因数校正电路的输入电流的总谐波失真，提高功率因数。

进一步的，所述升压电路，包括串接在所述整流电路和滤波电路后级的第一电感和第一二极管，所述第一电感与第一二极管的公共交点通过开关管漏源极、采样电阻接地。

进一步的，所述控制电路，包括第一取样电路、基准参考电压信号、运算放大器、补偿网络、第二取样电路、乘法器、电压比较器、驱动控制电路；

所述基准参考电压信号，输入到所述运算放大器的正相输入端；

所述第一取样电路，采样所述升压电路的输出电压，并输出第一取样信号V_F送给运算放大器的反相输入端，其中，运算放大器的反相输入端作为所述控制电路的反馈信号输入端；

所述运算放大器，用于将所述第一取样信号与基准参考电压信号进行比较后输出误差信号；

第二取样电路，用于采样所述整流电路的输出电压，并输出第二取样信号V_S；

乘法器，用于将所述第二取样信号与所述误差信号进行相乘运算；

所述电压比较器，将所述乘法器的输出信号与所述升压电路的开关管的电流采样信号进行比较后去控制所述驱动控制电路；

所述驱动控制电路，用于根据电压比较器的输出信号控制所述升压电路的开关管的关断。

进一步的，所述驱动控制电路，还用于检测所述升压电路中的第一电感电流的过零时刻；当检测到电流的过零时刻时，输出驱动信号用于控制升压电路的开关管的导通。

进一步的，所述第一取样电路为并联在所述升压电路的输出正端与输出负端之间的第一电阻和第二电阻，所述第一电阻与第二电阻的公共交点为反馈信号输入端。

进一步的，所述运算放大器的输出端与其反相输入端之间连接有补偿网络。

进一步的，所述谐波补偿电路，连接在所述整流电路输出正端与所述控制电路的反馈信号输入端之间，将所述整流电路的输出电压转换为谐波电流信号，并通过所述控制电路的反馈信号输入端将所述谐波电流信号注入到所述控制电路中。

进一步的，所述谐波补偿电路包括依次串联的第三电阻和第三电容。

本发明功率因数校正电路的工作原理是：第一取样电路采集的升压电路输出端的第一取样信号与谐波补偿电路产生的谐波电流信号叠加后送给运算放大器，与运算放大器的基准电压参考信号进行比较放大后送给乘法器，作为乘法器的第一个输入信号；再将第二取样电路采集整流电路的输出端的第二取样信号送给乘法器，作为乘法器的第二个输入信号；乘法器将上述两个输入信号相乘后与开关管的电流采样信号进行比较，通过控制驱动控制电路来控制开关管，使开关管的电流峰值跟随输入电压的变化，从而使功率因数校正电路的输入电流跟随输入电压的变化，提高功率因数、降低谐波失真。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过谐波补偿电路，采集所述整流电路输出的谐波电流信号，并将所述谐波电流信号与第一取样电路的第一取样信号注入给所述控制电路，以降低功率因数校正电路的总谐波失真，从而提高功率因数。

本发明还提供一种利用所述的功率因数校正电路制作的集成电路，其优点是：集成化，便于安装调试、受外界干扰少。

本发明还提供一种利用所述的功率因数校正电路制作的开关电源，其优点是：能够提高开关电源的功率因数。

附图说明

图1是现有的功率因数校正电路的原理图；

图2是现有的功率因数校正电路输入端理想电压电流波形图；

图3是现有的设置有滤波电路的功率因数校正电路的输入端的实际电压电流波形图；

图4是本发明实施例功率因数校正电路的方框原理图；

图5是本发明实施例功率因数校正电路的电路原理图；

图6是本发明实施例谐波电流信号的波形图；

图7是本发明实施例功率因数校正电路输入端的电压电流流形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细描述：

如图4、图5所示，本发明实施例功率因数校正电路(Power Factor Correction，PFC)，包括对电网电压进行整流的整流电路，所述整流电路的输出端与升压电路的输入端对应连接；且所述整流电路的输入端和/或输出端之间连接滤波电路；

所述升压电路，在控制电路的控制下实现升压及功率因数校正；其电路连接结构，包括串接在所述整流电路输出正端的第一电感L1和第一二极管D1，所述第一电感L1与第一二极管D1的公共交点通过开关管S1漏源极、采样电阻R_S接地；当开关管S1导通时，电网经整流、滤波后为第一电感L1提供能量；当开关管S1断开时，第一二极管D1导通，电网与第一电感L1向输出端释放能量，以升高所述整流电路的输出电压；

所述控制电路，用于控制所述升压电路中的开关管S1，从而校正功率因数校正电路的功率因数，提高功率因数校正电路输入端的功率因数；其电路连接结构包括，包括第一取样电路、基准参考电压信号Vref、运算放大器U1、补偿网络、第二取样电路、乘法器M1、电压比较器U2、驱动控制电路；

所述基准参考电压信号Vref，输入到所述运算放大器U1的正相输入端；

所述第一取样电路，采样所述升压电路的输出电压，并输出第一取样信号V_F送给运算放大器U1的反相输入端，其中，运算放大器U1的反相输入端作为所述控制电路的反馈信号输入端F；本实施例中的第一取样电路，采用并联在所述升压电路的输出正端V_O+与输出负端V_O-之间的、串联的第一电阻R1和第二电阻R2，所述第一电阻R1与第二电阻R2的公共交点连接反馈信号输入端F；

所述运算放大器U1，用于将所述第一取样信号V_F与基准参考电压信号Vref进行比较后输出误差信号V_E；该误差信号V_E的大小随着第一取样信号V_F与基准参考电压信号Vref之间的差值大小变化而变化；

所述运算放大器U1的输出端与其反相输入端之间连接有补偿网络；所述补偿网络可以采用RC串联电路；

第二取样电路，用于采样所述整流电路的输出电压，并输出第二取样信号V_S；

乘法器，用于将所述第二取样信号V_S与所述误差信号V_E进行相乘运算；

所述电压比较器U2，将所述乘法器M1的输出信号与所述升压电路的开关管S1的电流采样信号进行比较后去控制所述驱动控制电路；

所述驱动控制电路，用于根据电压比较器U2的输出信号控制所述升压电路的开关管S1。

具体地，在电压比较器U2中，当电流采样信号

大于或等于乘法器M1输出信号时，所述电压比较器U2输出控制信号，通过驱动控制电路控制所述升压电路的开关管S1关断。

另外，当所述控制电路为临界控制方式时，所述的驱动控制电路检测所述升压电路中的第一电感L1电流的过零时刻；当检测到电流的过零时刻时，输出驱动信号用于控制升压电路的开关管S1的导通。

谐波补偿电路，用于将电网电压整流后的电压信号转换为谐波电流信号Ix，并将所述谐波电流信号Ix注入给所述控制电路，以降低所述功率因数校正电路的输入电流的总谐波失真，提高功率因数；如图5所示，本发明实施例中的谐波补偿电路，连接在所述整流电路输出正端V_DC+与反馈信号输入端F之间，所述谐波补偿电路包括依次串联的第三电阻R3和第三电容C3，将所述整流电路的输出电压转换为谐波电流信号Ix，并通过所述反馈信号输入端F注入到所述控制电路的运算放大器U1中。

本发明功率因数校正电路的工作原理是：第一取样电路采样升压电路输出电压，并输出第一取样信号V_F，该第一取样信号V_F与谐波补偿电路产生的谐波电流信号Ix叠加后送给运算放大器U1，与运算放大器U1的基准电压参考信号Vref进行比较放大后输出误差信号V_E送给乘法器M1，作为乘法器M1的第一个输入信号；再通过第二取样电路采样整流电路的输出电压，并输出第二取样信号V_S送给乘法器M1，作为乘法器M1的第二个输入信号；乘法器M1将上述两个输入信号相乘后与开关管S1的电流采样信号V_RS进行比较，通过控制驱动控制电路来控制开关管S1，使开关管S1的电流峰值跟随输入电压的变化，从而使功率因数校正电路的输入电流跟随输入电压的变化，提高功率因数、降低谐波失真。

由于与升压电路的开关管S1的电流采样信号V_RS相比较的信号是来自乘法器M1的输出信号，而乘法器的输出信号由运算放大器U1的输出信号与采样整流电路输出电压的第二取样信号相乘得到，因此，在控制电路的控制下，所述升压电路的输入电流，既跟随整流电路输出电压的变化，又跟随升压电路输出电压采样信号V_F与基准电压参考信号Vref的差值的变化，也即，升压电路在控制电路的控制下，既实现了功率因数校正的功能，又实现其输出电压稳在基准电压参考信号Vref设定的电压值。同时，该基准电压设定的输出电压高于升压的电路的输入电压，因此称为升压电路。

其中，整流电路可以采用整流桥或者全波整流二极管，本实施例采用整流桥BD。

其中，谐波电流信号Ix为：

$\mathrm{Ix}=\frac{\mathrm{Vdc}-\mathrm{Vref}}{R_3+1/{\mathrm{j\ωC}}_3}=\frac{{\mathrm{\ωC}}_3}{1+{\mathrm{\ω}}^2{R_3}^2{C_3}^2}\·({\mathrm{\ωC}}_3{R}_3+j)\·\left[\right|\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)|-\mathrm{Vref}]$

其中，整流电路输出电压V_DC的波形，对于时间t的函数可以表示为：V_DC＝|sin(ωt)|

如图6所示，并参考上述Ix的公式可知：在整流电路的输出电压的一个周期内，即在整流电路输出电压V_DC的相邻两个过零点之间，谐波电流信号Ix的曲线近似于sin(ωt)在90°～270°之间的曲线；谐波电流信号波形与整流电路输出电压在相位上谐波电流信号波形超前角度θ，该角度θ与电阻R3和电容C3有如下的关系：

$\tan \mathrm{\θ}=\frac{1}{{\mathrm{\ωC}}_3{R}_3}$

即，当降低电阻R3的阻值和/或电容C3的容值时，角度θ的值就会增大，谐波电流信号与整流电路输出电压的相位差也增大。

从上述tanθ的公式中可见，谐波电流信号波形与整流输出电压的相位差角度θ＜90°。

如图6所示，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。

谐波电流信号Ix作用于运算放大器U1的反相输入端，经运算放大器U1输出后，其输出端的信号使功率因数补偿电路其输入端的输入电流Iin’的峰值附近的值比未增加谐波补偿电路的输入端的输入电流Iin的峰值降低了，过零附近的电流值升高了(请参考图6)，减小了输入电流的畸变程度，提高了功率因数，降低了总谐波失真；另外，在过零附近幅值近似不变的时间段电流波形的失真度减小，即增加谐波补偿电路之前，输入端的输入电流波形Iin’的幅值近似不变的时间段为t4-t1和t8-t5时间段范围内，增加谐波补偿电路之后，其功率因数校正电路输入端的输入电流波形Iin’的幅值近似不变的时间段为t3-t2和t7-t6时间段范围内，其中，t1＜t2＜t3＜t4＜t5＜t6＜t7＜t8，由此可知，增加谐波补偿电路后，进一步提高了功率因数，降低了总谐波失真(Total Harmonic Distortion，THD)降低了。

因此，本发明功率因数校正电路能够提高的功率因数、降低功率因数校正电路输入端的输入电流的总谐波失真。

本发明还提供了一种利用上述的功率因数校正电路制作的集成电路，其优点是：集成化，便于安装调试、受外界干扰少。

本发明又提供了一种利用上述的功率因数校正电路制作的开关电源，所述开关电路，包括整流电路、滤波电路、以及上述实施例中的功率因数校正电路。本发明利用上述的功率因数校正电路制作的开关电源，能够提高开关电源输入端的功率因数。

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

Claims (10)

1.一种功率因数校正电路，包括对电网电压进行整流的整流电路，所述整流电路的输出端与升压电路的输入端对应连接；且所述整流电路的输入端和/或输出端之间连接滤波电路；

所述升压电路，在控制电路的控制下实现升压及功率因数校正功能；

所述控制电路，具有反馈信号输入端，用于控制所述升压电路中的开关管(S1)；

其特征在于，还包括

谐波补偿电路，用于将电网电压整流后的电压信号转换为谐波电流信号(Ix)，并将所述谐波电流信号(Ix)注入给所述控制电路，以降低所述功率因数校正电路的输入电流的谐波失真，提高功率因数。

2.如权利要求1所述的功率因数校正电路，其特征在于，所述升压电路，包括串接在所述整流电路和滤波电路后级的第一电感(L1)和第一二极管(D1)，所述第一电感(L1)与第一二极管(D1)的公共交点通过开关管(S1)漏源极、采样电阻(RS)接地。

3.如权利要求1所述的功率因数校正电路，其特征在于，所述控制电路，包括第一取样电路、基准参考电压信号(Vref)、运算放大器(U1)、补偿网络、第二取样电路、乘法器(M1)、电压比较器(U2)、驱动控制电路；

所述基准参考电压信号(Vref)，输入到所述运算放大器(U1)的正相输入端；

所述第一取样电路，采样所述升压电路的输出电压，并输出第一取样信号(V_F)送给运算放大器(U1)的反相输入端，其中，运算放大器(U1)的反相输入端作为所述控制电路的反馈信号输入端(F)；

所述运算放大器(U1)，用于将所述第一取样信号(V_F)与基准参考电压信号(Vref)进行比较放大后输出误差信号(V_E)； 

第二取样电路，用于采样所述整流电路的输出电压，并输出第二取样信号(V_S)；

乘法器(M1)，用于将所述第二取样信号(V_S)与所述误差信号(V_E)进行相乘运算；

所述电压比较器(U2)，将所述乘法器(M1)的输出信号与所述升压电路的开关管(S1)的电流采样信号 

进行比较后去控制所述驱动控制电路；

所述驱动控制电路，用于根据电压比较器(U2)的输出信号控制所述升压电路的开关管(S1)的关断。

4.如权利要求3所述的功率因数校正电路，其特征在于，所述驱动控制电路，还用于检测所述升压电路中的第一电感(L1)电流的过零时刻；当检测到电流的过零时刻时，输出驱动信号用于控制升压电路的开关管(S1)的导通。

5.如权利要求3所述的功率因数校正电路，其特征在于，所述第一取样电路为并联在所述升压电路的输出正端(Vo+)与输出负端(Vo-)之间的、串联的第一电阻(R1)和第二电阻(R2)，所述第一电阻(R1)与第二电阻(R2)的公共交点为反馈信号输入端(F)。

6.如权利要求3所述的功率因数校正电路，其特征在于，所述运算放大器(U1)的输出端与其反相输入端之间连接有补偿网络。

7.如权利要求1所述的功率因数校正电路，其特征在于，所述谐波补偿电路，连接在所述整流电路输出正端(V_DC+)与所述控制电路的反馈信号输入端(F)之间，将所述整流电路的输出电压转换为谐波电流信号(Ix)，并通过所述控制电路的反馈信号输入端(F)将所述谐波电流信号(Ix)注入到所述控制电路中。

8.如权利要求7所述的功率因数校正电路，其特征在于，所述谐波补偿电路包括依次串联的第三电阻(R3)和第三电容(C3)。

9.一种利用如权利要求1-7所述的功率因数校正电路制作的集成电路。

10.一种利用如权利要求1-7所述的功率因数校正电路制作的开关电源。 

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