CN103457452A

CN103457452A - 功率因数校正电路

Info

Publication number: CN103457452A
Application number: CN2013102067641A
Authority: CN
Inventors: 李载昊; 朴赞基; 陈昊相
Original assignee: LS Industrial Systems Co Ltd
Current assignee: LS Electric Co Ltd
Priority date: 2012-05-29
Filing date: 2013-05-29
Publication date: 2013-12-18
Also published as: KR101386830B1; EP2670032A1; JP2013247857A; US20130322137A1; KR20130133412A

Abstract

公开了一种功率因数校正电路。根据本公开的示例性实施例的所述功率因数校正电路包括电解电容器和薄膜电容器，其中，所述电解电容器的纹波负担被减轻以减小所述电容器的容量和延长使用寿命。

Description

功率因数校正电路

技术领域

本公开涉及一种功率因数校正电路。

背景技术

本部分提供有关本公开的背景信息，但不一定是现有技术。

一般地，功率因数校正电路响应于输入电压和相位而控制输入电流，使得输出功率具有两倍于输入频率的频率，并具有相当于两倍输出功率的电源纹波（power ripple）。例如，具有3.6kW输出功率的功率因数校正电路能够具有最大7.2kW的纹波。如此，功率因数校正电路的输出电容器必须具有相当大的电容值，以便于平滑该纹波。因此，一般采用具有比其尺寸大的电容量的电解电容器。

在确定功率因数校正电路的输出电容器时，要考虑两个因素，即，一个因素是在输入电压即刻降至零（0）时用于连续地提供能量的维持时间，另一个因素是电解电容器的使用寿命。如果是车载充电器，由于尺寸和重量的限制，对于维持时间不存在限制条件，因此，可以理解地是，设计必须把重点放在考虑电解电容器的使用寿命上。

一般地，影响电解电容器的使用寿命的因素包括流入电解电容器中的电流纹波的大小和在电解电容器中心部分处的温度，并且这两个因素是互相关联的。当然，如果环境温度升高，则在电解电容器中心部分处的温度也会升高，从而缩短电解电容器的使用寿命，但是如果环境温度无变化，则电流纹波必须很小以减小中心处温度升高的水平，由此可以挽救缩短的使用寿命。

然而，迄今为止，还不存在用于功率因数校正电路的这样的措施：其通过减小流入电解电容器的电流纹波能够延长电解电容器的使用寿命，结果，系统的整体尺寸因难以减小电解电容器的尺寸而趋向于不利地增大。

发明内容

本公开的示例性方案基本上解决了至少上述问题和/或缺陷，并至少提供如下所述的优点。因此，本公开旨在提供一种功率因数校正电路，其被配置为在通过减轻所述电解电容器的纹波负担来减小容量大小的同时，延长电解电容器的使用寿命。

本公开还旨在提供一种功率因数校正电路，其被配置为解决由低温下电解电容器内部的内部阻抗增大和容许电流纹波的减小所引起的产生冷启动时的问题。

由本公开解决的技术问题并不限于上述说明，而且本领域技术人员将从以下说明中很清楚地理解到目前为止还没有提到的任何其他技术问题。

在本发明的一个总方案中，提供了一种功率因数校正电路，所述电路包括：供电单元，其被配置为供电；整流器，其被配置为整流由所述供电单元提供的电力；以及功率因数校正单元，其被配置为校正由所述整流器整流的功率的因数，其中，所述功率因数校正单元包括并联连接的电解电容器和薄膜电容器。

在一些示例性实施例中，所述薄膜电容器可以被配置为去除由开关频率（switching frequency）引起的谐波电流的纹波，并且所述电解电容器被配置为去除由电源频率引起的电流的纹波。

在一些示例性实施例中，所述电解电容器的电容量可以大于所述薄膜电容器的电容量。

在一些示例性实施例中，所述电解电容器的电容量可以比所述薄膜电容器的电容量大5～10倍。

在一些示例性实施例中，所述薄膜电容器的电容量(C_F)可以由以下等式确定：

| \frac{1}{j 2 π f_{sw} C_{F}} | < < R_{B}

其中，R_B是寄生电阻，且f_SW是开关频率。

在一些示例性实施例中，所述整流器可以包括多个二极管。

在一些示例性实施例中，所述功率因数校正单元可以进一步包括电感器、MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）和二极管。

根据本公开的示例性实施例的所述功率因数校正电路具有的有益效果是，通过减轻电解电容器的纹波负担（ripple burden）和通过减小电容器的容量，可以延长使用寿命，而且可以提前防止由容许电流纹波的减小和所述电解电容器的内部阻抗的增大所引起的产生冷启动时的问题。

附图说明

结合附图，通过考虑下面的详细描述，可以容易地理解本公开的教导，在附图中：

图1a、1b和1c是图示出根据现有技术的功率因数校正电路的基本操作的示意图；

图2是图示出根据本公开的示例性实施例的功率因数校正电路的配置的电路图；以及

图3和图4是图示出根据本公开的示例性实施例的功率因数校正电路的操作的示意图。

具体实施方式

在下文中，参照附图将更充分地描述多个示例性实施例，其中示出了一些示例性实施例。然而，本发明的构思可以通过许多不同的形式来具体体现，而不应该被解释为限于这里所阐述的示例性实施例。而是，所描述的方案旨在包括落入本公开的范围和新颖想法内的所有这样的变更例、改进例和变型例。

现在，将与附图一起详细说明本公开的示例性实施例。

图1a、1b和1c是图示出根据现有技术的功率因数校正电路的基本操作的示意图，其中，图1a是图示出根据现有技术的功率因数校正电路的配置的电路图。

参照图1a，功率因数校正电路被设计为，在整流接收到的电源后，使用电容器C_B通过去除纹波，来稳定地供电。

图1b是图示出当常规功率因数校正电路运行时电容器的纹波电流的示意图。参照图1b，可以注意到，存在有相当于输入频率两倍的低频率(60Hz～120Hz)和由升压式功率因数校正电路切换的开关频率。

图1c是在正确地控制常规的功率因数校正电路以使其正常运行的情况下，从上往下顺序地图示出输入电压、输入电流和输出功率的示意图。参照图1c，常规的功率因数校正电路被配置为：因为输入电流被控制以与输入电压的相位相匹配，所以输出功率具有两倍于输入频率的频率，并且具有相当于输出功率两倍的电源纹波。因此，为了平滑该纹波，功率因数校正电路的输出电容器必须具有相当较大的电容值，使得一般使用具有超出其尺寸的大电容量的电解电容器。图1a的电容器C_B是电解电容器。

如果假设输入电流和电压的功率因数是“1”且系统效率为“100%”或接近于“100%”，则在电容器的电流纹波如图1b所示流动的情况下，可以通过以下等式获得电流的RMS（均方根）。

【等式1】

I_{C} = \sqrt{\frac{8 \sqrt{2}}{3 π} I_{g} I_{0} - I_{0}^{2}}

其中，Ig是输入电流的RMS，且Io是输出电流的RMS。

通过使用上述等式，如果假设输入电压是220V，则对于3.6kW的充电器可以获得电容器的纹波电流的RMS是9.79A_RMS。鉴于该结果，可以理解的是，必须采用具有至少大于9.8A_RMS的容许电流纹波的电解电容器。

对应于电源频率的电流纹波I_C,120Hz和对应于开关频率的电流纹波I_C,SW可以具有如以下等式2所示的结果。

【等式2】

I_{C} = \sqrt{I_{C, 120 Hz}^{2} + I_{C, SW}^{2}}

通过以下等式3可以获得对应于电源频率的电流纹波。

【等式3】

I_{C, 120 Hz} = \sqrt{\frac{1}{T} {&Integral;}_{0}^{T} I_{C}^{2} dt} = \frac{I_{0}}{\sqrt{2}} = \frac{9}{\sqrt{2}} = 6.36 A_{R . M . S}

因此，通过以下等式4可以获得对应于开关频率的电流纹波。

【等式4】

I_{C, SW} = \sqrt{I_{C}^{2} - I_{C, 120 Hz}^{2}} = \sqrt{{9.79}^{2} - {6.36}^{2}} = 7.44 A_{R . M . S}

其中，鉴于与开关频率比较输入功率的频率非常低的事实，且考虑到对应于开关频率的电流纹波的方法，通过使电解电容器的电流纹波最小化至电源频率的电流纹波，可以使电解电容器的电容量最小化。

为此，根据本公开的示例性实施例的功率因数校正电路，可以采用与电解电容器160一起的薄膜电容器150，如图2中所示。

参照图2，根据本公开的示例性实施例的功率因数校正电路100可以包括整流器和升压式功率因数校正单元，其中，整流器可以包括四个二极管110-1、110-2、110-3、110-4从而整流输入电力。

同时，升压式功率因数校正单元用来校正整流后电力的功率因数，且包括电感器120、MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）130、二极管140、电解电容器160和薄膜电容器150，其中，电解电容器160和薄膜电容器150可以被并联连接。

另外，在本公开的示例性实施例中，可以通过MOSFET130来执行升压式功率因数校正单元的功能。

电解电容器160和薄膜电容器150分别具有不同的频率特性。参照图3，以实线图示出了电解电容器在频域中的频率特性。一般地，频域中的电容器在低频带具有电容器的特性，在中频带具有类似于电阻器的特性，而在高频带具有类似于电感器的特性。这是因为电容器不具有理想的特性，但是在其中具有寄生电阻和寄生电感。

一般地，如图3所示，电解电容器具有大的电容量和大的内部寄生电阻，且在开关频带（几十kHz～～几百kHz）具有类似于电阻器的阻抗特性，这是由电解电容器内部的寄生电阻引起的。

同时，薄膜电容器在其中具有较小的寄生电阻，且具有如以虚线图示出的特性。

根据本公开的示例性实施例的功率因数校正电路100具有并联连接的电解电容器160和薄膜电容器150，使得输入到每个电容器的电流纹波与纹波频率的阻抗成反比。因此，纹波电流流入具有较小阻抗的电容器。

参照图3，因为电解电容器160在电源频率下具有较小的阻抗，所以具有电源频率的电流纹波流向电解电容器。因为薄膜电容器150在开关频率下具有较小的阻抗，所以具有开关频率分量的电流纹波流至薄膜电容器150。

通过使用上述方法去除电解电容器160处的开关电流纹波，电解电容器160的电流纹波可以被电源频率的电流纹波限制，从而减小电解电容器160的尺寸并延长使用寿命。

图4是图示出开关频率的输出端的示意图，即，根据本公开示例性实施例的并联连接的薄膜电容器150和电解电容器160的等效电路，其中，薄膜电容器150的电容量C_F和电解电容器160的寄生电阻R_B并联连接。

因此，为了允许开关频率纹波流向薄膜电容器150，必须确定薄膜电容器150的电容量以满足以下等式5。

【等式5】

| \frac{1}{j 2 π f_{sw} C_{F}} | < < R_{B}

一般地，电解电容器160的电容量比薄膜电容器150的电容量大5～10倍是适当的。

正如前所述，并联连接到电解电容器160的薄膜电容器150吸收了由开关频率引起的谐波电流纹波。其结果是，对于电解电容器160来说足以被去除由电源频率引起的纹波，由此，可以减轻电解电容器的电流纹波的负担。

该方法可以有利地缓解影响电解电容器160的使用寿命的电流纹波的问题，从而延长电解电容器160的使用寿命，而电解电容器160对包括车载充电器的大容量功率因数校正电路的使用寿命具有很大影响。

另外，对于电解电容器160来说足以被去除对应于电源频率的电流纹波，由此，可以有利地减小电容量和可以减小产品的整体尺寸。

同时，功率因数校正电路中的电解电容器的内部阻抗一般在低温范围(-40℃～0℃)增大，且在冷启动时产生容许电流纹波。然而，通过上述方法也可以解决该问题。

然而，根据本公开的示例性实施例的上述功率因数校正电路可以通过许多不同的形式来具体体现，而不应该被解释为限于这里所阐述的实施例。因此，旨在本公开的实施例可以覆盖本公开的改进例和变型例，只要它们落在所附权利要求书及其等同方案的范围内。尽管相对于多个实施例已经公开了特定的特征或方案，但是正如所期望的那样，这样的特征或方案可以选择性地与其他实施例的一个或多个其他特征和/或方案相结合。

Claims

1.一种功率因数校正电路，所述电路包括：

供电单元，其被配置为供电；

整流器，其被配置为整流由所述供电单元提供的电力；以及

功率因数校正单元，其被配置为校正由所述整流器整流的功率的因数，其中，所述功率因数校正单元包括并联连接的电解电容器和薄膜电容器。

2.根据权利要求1所述的功率因数校正电路，其中，所述薄膜电容器被配置为去除由开关频率引起的谐波电流的纹波，并且所述电解电容器被配置为去除由电源频率引起的电流的纹波。

3.根据权利要求1所述的功率因数校正电路，其中，所述电解电容器的电容量大于所述薄膜电容器的电容量。

4.根据权利要求3所述的功率因数校正电路，其中，所述电解电容器的电容量比所述薄膜电容器的电容量大5～10倍。

5.根据权利要求1所述的功率因数校正电路，其中，所述薄膜电容器的电容量(C_F)由以下等式确定：

| \frac{1}{j 2 π f_{sw} C_{F}} | < < R_{B}

其中，R_B是寄生电阻，且f_SW是开关频率。

6.根据权利要求1所述的功率因数校正电路，其中，所述整流器包括多个二极管。

7.根据权利要求1所述的功率因数校正电路，其中，所述功率因数校正单元进一步包括电感器、MOSFET和二极管。