CN103872893B - 功率因数校正电路和包括该功率因数校正电路的电源 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了功率因数校正电路和包括该功率因数校正电路的电源，其中该功率因数校正电路包括：主开关，调整输入功率的电流和电压之间的相位差；主电感器，根据主开关的切换，存储或释放功率；缓冲电路单元，包括给主开关导通前存在的多余功率形成传输通道的缓冲开关和调整施加给缓冲开关的电流量的缓冲电感器；以及减小电路单元，包括与缓冲电感器电感耦接的辅助电感器以及消耗通过辅助电感器由缓冲电感器感生的功率的辅助电阻器。

Description

功率因数校正电路和包括该功率因数校正电路的电源
相关申请的交叉引用
本申请要求于2012年12月11日提交至韩国知识产权局的申请号为10-2012-0143965的韩国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合于此。
技术领域
本发明涉及功率因数校正电路以及包括该功率因数校正电路的电源。
背景技术
当前，根据能源效率政策，许多国家的政府倡导有效使用能源，尤其是广泛倡导有效利用电子产品和家用电器的能源。
在根据政府的倡导有效使用能源时，在给电子产品、家用电器等供电的电源设备中大量使用有效利用能源的校正电路。
功率因数校正电路是校正电路的示例。功率因数校正电路为切换输入功率（power，电力）以通过将功率有效地转移到后级的方式调整输入功率的电流和电压之间的相位差（功率因数）的电路。
但是，当该功率因数校正电路进行切换操作从而调整输入功率的相位差时，可能会产生峰值电压，使得可能会损坏开关元件并且发生切换损耗。
下面的相关技术文件（专利文件1）涉及使用缓冲电路单元的电感器中累积的能量改进功率因数的功率因数改进电路，但是并没有公开减小切换过程中产生的尖峰电压的技术要点。
[相关技术文件]
（专利文件1）美国专利公开第2011/0199066号
发明内容
本发明的一个方面提供了一种功率因数校正电路，其能减小在向切换输入功率的主开关提供零伏导通条件的缓冲开关断开时产生的峰值电压，以及还提供了一种包括该功率因数校正电路的电源。
根据本发明的一方面，提供了一种功率因数校正电路，包括：主开关，调整输入功率的电流和电压之间的相位差；主电感器，根据主开关的切换，存储或释放功率；缓冲电路单元，包括给主开关导通前存在的多余功率形成传输通道的缓冲开关和调整施加给缓冲开关的电流量的缓冲电感器；以及减小电路单元，包括与缓冲电感器电感耦接的辅助电感器以及消耗通过辅助电感器由缓冲电感器感生的功率的辅助电阻器。
辅助电感器可与主电感器电感耦接以将缓冲电感器感生的功率传输到主电感器，并且辅助电阻器可消耗通过辅助电感器由主电感器感生的功率。
缓冲电感器可与主电感器电感耦接以将功率传输到主电感器。
辅助电阻器可将通过辅助电感器感生的功率检测为电流。
缓冲开关可导通预设的第一时间，并且主开关可在从缓冲开关导通时起经过预设的第一延迟时间后导通。
第一时间可以比第一延迟时间长。
功率因数校正电路还可包括防止主开关的逆向电流的逆向电流防止二极管。
功率因数校正电路还可包括根据主开关的切换为从主电感器释放的功率提供传输通道的二极管。
功率因数校正电路还可包括提供控制主开关和缓冲开关的切换操作的切换控制信号的控制器。
输入功率可以是整流功率。
主电感器、缓冲电感器和辅助电感器可在单个磁芯中形成。
根据本发明的另一方面，提供了一种电源，包括：功率因数校正电路，其包括调整输入功率的电流和电压之间的相位差的主开关、根据主开关的切换操作存储或释放功率的主电感器、包括为主开关导通前存在的多余功率形成传输通道的缓冲开关和调整施加给缓冲开关的电流量的缓冲电感器的缓冲电路单元、以及包括与缓冲电感器电感耦接的辅助电感器以及消耗通过辅助电感器由缓冲电感器感生的功率的辅助电阻器的减小电路单元；功率转换单元，切换来自功率因数校正电路的功率以将功率转换成具有预设电平的功率；以及切换控制单元，控制由功率转换单元执行的功率的切换。
辅助电感器可与主电感器电感耦接以将从缓冲电感器感生的功率传输到主电感器，并且辅助电阻器可消耗通过辅助电感器由主电感器感生的功率。
缓冲电感器可与主电感器电感耦接以将功率传输到主电感器。
辅助电阻器可将通过辅助电感器引起的功率检测为电流。
缓冲开关可导通预设的第一时间，并且主开关可在从缓冲开关导通时起经过预设的第一延迟时间后导通。
第一时间可以比第一延迟时间长。
功率因数校正电路还可包括防止主开关的逆向电流的逆向电流防止二极管。
功率因数校正电路还可包括根据主开关的切换为从主电感器释放的功率提供传输通道的二极管。
功率因数校正电路还可包括稳定从二极管传输的功率的电容器。
功率因数校正电路还可包括提供控制主开关和缓冲开关的切换操作的切换控制信号的控制器。
电源还可包括将由整流交流（AC）功率产生的输入功率传输到功率因数校正电路的整流单元。
主电感器、缓冲电感器和辅助电感器可在单个磁芯中形成。
附图说明
下面通过结合附图的详细描述将使本发明的上述和其他方面、特征以及其他优点更加清晰易懂，其中：
图1和图2是示意性地示出了根据本发明一实施方式的功率因数校正电路的电路图；
图3是示出了在根据本发明实施方式的功率因数校正电路中使用的主开关和缓冲开关的切换控制信号的示图；
图4是图3中A部分的放大示图；
图5A和图5B分别是示出了在根据本发明实施方式的功率因数校正电路中使用缓冲开关两端产生的电压的示图；以及
图6是示意性地示出了包括根据本发明一实施方式的功率因数校正电路的电源配置的示图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施方式进行说明。但是，本发明可具有多种不同的形式，因此，并不应该理解为限于所述的实施方式。当然，通过这些实施方式，使得本发明的内容充分、完整，这样本领域的技术人员可充分理解本发明的范围。在附图中，为了清晰起见，对元件的形状和尺寸都进行了夸大说明，并在全文中用相同的参考数字标识相同或相似的元件。
图1和图2是示意性地示出了根据本发明一实施方式的功率因数校正电路100的电路图。
参照图1，根据本发明实施方式的功率因数校正电路100包括：主电感器L、主开关S、缓冲电路单元110和减小电路单元120，还可包括：二极管D、电容器C、逆向电流防止二极管DR和控制器130。
主开关S可进行切换操作以调节从输入端子IN输入的输入功率的电压和电流之间的相位差。这里，输入功率可以是整流功率。
当给主开关S施加逆向电流时，逆向电流防止二极管DR可通过提供逆向电流防止二极管DR的正极到负极的旁路通道来防止主开关S的逆向电流。当主开关S由晶体管构成时，逆向电流防止二极管DR可以是形成在晶体管主体中的二极管。但是，逆向电流防止二极管DR并不限于此，还可以是单独的二极管。
主电感器L可设置在接收输入功率的输入端子IN和主开关之间，从而根据主开关S的切换操作存储或释放功率，并且二极管D可根据主开关S的切换操作为从主电感器L释放的功率提供传输通道。另外，电容器C可与输出端子OUT并联，从而稳定从二极管D输出的功率。
缓冲电路单元110可包括：与主开关并联的缓冲开关Sn，以及设置在缓冲开关Sn和主开关S之间以调节在缓冲开关Sn中流动的电流量的缓冲电感器Ln。
控制器130可产生控制主开关S和缓冲开关Sn切换操作的控制信号G和Gn。
根据本发明实施方式的主开关S和缓冲开关Sn可由绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、金属氧化物半导体场效晶体管（MOS-FET）和双极结型晶体管（BJT）中的一种构成。参照图2，尽管图2示出了主开关S和缓冲开关Sn由BJT构成的示例，但是本发明并不限于此。
图3是示出了在根据本发明实施方式的功率因数校正电路100中使用的主开关S和缓冲开关Sn的切换控制信号的示图，图4为图3中A部分的放大示图。在切换控制信号G和Gn处在高电平的情况下，主开关S和缓冲开关Sn导通，在切换控制信号G和Gn处在低电平的情况下，主开关S和缓冲开关Sn断开。
根据本发明实施方式的功率因数校正电路100的主开关S可进行切换操作以调节输入功率的电压和电流之间的相位差，从而改进输入功率的功率因数。在该情况下，缓冲开关Sn可将在主开关S的导通和断开切换的过程中剩余的多余功率旁路至地面，这样，可给主开关S提供零伏切换条件。因此，可消除主开关S的切换损耗。
如图3和图4所示，缓冲开关Sn比主开关S早导通第一延迟时间TD1，从而为多余功率形成传输通道。这里，缓冲开关Sn可导通第一时间T1。在该情况下，第一时间T1设置成比第一延迟时间TD1长，这样，缓冲开关Sn可在主开关S断开前断开。
同时，当缓冲开关Sn导通时，为了防止高电平的电流施加到缓冲开关Sn，在缓冲开关Sn和主开关S之间设置缓冲电感器Ln。在该配置中，当缓冲开关Sn断开时，由于不存在传导缓冲电感器Ln中流动的电流的通道，因此，缓冲开关Sn两端产生峰值电压，这样，可能会损坏缓冲开关Sn并且发生切换损耗。
图5A和图5B是分别示出了在根据本发明实施方式的功率因数校正电路中使用缓冲开关Sn两端产生的电压的示图。图5A是示出了在断开缓冲开关Sn的过程中当不存在传导缓冲电感器Ln中流动的通道时缓冲开关Sn两端产生的电压的示图。
在第一时间t1前，可断开缓冲开关Sn，使得缓冲开关Sn两端产生高电压。然后，在第一时间t1，导通缓冲开关Sn，使得缓冲开关Sn两端产生低电压。但是，在时间t2，当缓冲开关Sn导通时，由于不存在传导在缓冲电感器Ln中流动的电流的通道，所述产生高的峰值电压。
参照图1，为了减小峰值电压，功率因数校正电路可使用减小电路单元120。
减小电路单元120可包括：与缓冲电感器Ln电磁电感耦接的辅助电感器La；以及消耗通过辅助电感器La感生的功率的辅助电阻器Ra。辅助电感器La与缓冲电感器Ln电感耦接以接收在缓冲电感器Ln中流动的电流作为在缓冲开关Sn断开的过程中的功率，从而提供电流通道。
另外，辅助电感器La可与主电感器L电磁电感耦接从而将从缓冲电感器Ln感生的功率传输给主电感器L。这里，如图1所示，缓冲电感器Ln和辅助电感器La以协调模式（harmony mode）相互电感耦接（在相同的方向上设置点），并且辅助电感器La和主电感器L以差别模式相互电感耦接（在相反的方向上设置点），使得可循环从缓冲电感器Ln通过辅助电感器La传输到主电感器L的功率。即，从缓冲电感器Ln传输的一部分功率可传输到减小电路单元120并被辅助电阻器Ra消耗，从缓冲电感器Ln传输的另一部分功率可传输到主电感器L以供循环。
另外，根据本发明实施方式的缓冲电感器Ln不仅可通过辅助电感器La将功率传输到主电感器L，还可以通过与主电感器L电感耦接将功率直接传输到主电感器L。
根据本发明实施方式的主电感器L、缓冲电感器Ln和辅助电感器La可在单个磁芯中形成。即，主电感器L、缓冲电感器Ln和辅助电感器La可共用单个磁芯。在该情况下，可节省电感器安装空间和成本。
另外，在缓冲开关Sn断开的区间，由于缓冲电感器Ln是开路的并且不与主电感器L和辅助电感器La耦接，因此辅助电感器La接收来自主电感器L的功率。在该情况下，辅助电阻器Ra可测量主电感器L中流动的电流。即，辅助电阻器Ra可用作电流传感器。因此，可去掉外部电流传感器，这样，可减少整个功率因数校正电路的成本和安装面积。
图5B是示出了在断开缓冲开关Sn的过程中当存在传导缓冲电感器Ln中流动的电流的通道时缓冲开关Sn两端产生的电压的示图。比较图5A和图5B，可以了解到峰值电压在时间t2时减小。
图6是示意性地示出了包括根据本发明一实施方式的功率因数校正电路100的电源配置的示图。
参照图6，电源可包括：功率因数校正电路100、功率转换单元200、切换控制单元300和整流单元400。
图6的功率因数校正电路100与图1的功率因数校正电路100相同。因此，不再对其进行详细说明。
功率转换单元200可切换来自功率因数校正电路的直流（DC）功率以将DC功率转换成具有预设电压电平的DC功率，然后向负载提供所转换的DC功率，切换控制单元300可根据输出DC功率的电压或电流电平控制功率转换单元200的切换，并且整流单元400可将通过整流交流（AC）功率产生的输入功率传输给功率因数校正电路100。
如上所述，根据本发明的实施方式，向切换输入功率的主开关提供零伏导通条件以提高其功率因数，这样，可防止损坏主开关并减小其切换损耗。
另外，向主开关提供零伏导通条件的缓冲开关两端可产生的峰值电压通过功率耦接传输到主电感器，这样，可防止损坏缓冲开关并可允许功率循环。
尽管已经关于实施方式对本发明进行了说明和描述，但是对本领域的技术人员显而易见的是，在不脱离如所附权利要求限定的本发明的要旨和范围的情况下，可对其进行修改和变形。

Claims (24)

1.一种功率因数校正电路，包括：
主开关，调整输入功率的电流和电压之间的相位差；
主电感器，根据所述主开关的切换，通过存储或释放所述功率而产生输出功率；
缓冲电路单元，包括为所述主开关导通前存在的多余功率形成传输通道的缓冲开关和调整施加给所述缓冲开关的电流量的缓冲电感器；以及
减小电路单元，包括与所述缓冲电感器电感耦接的辅助电感器以及消耗通过所述辅助电感器从所述缓冲电感器感生的功率的辅助电阻器，
其中，所述辅助电感器与所述主电感器电感耦接以将从所述缓冲电感器感生的功率传输到所述主电感器，并且所述主电感器将从所述辅助电感器传输的所述功率循环至所述输出功率。
2.根据权利要求1所述的功率因数校正电路，其中，所述辅助电阻器消耗通过所述辅助电感器从所述主电感器感生的功率。
3.根据权利要求1所述的功率因数校正电路，其中，所述缓冲电感器与所述主电感器电感耦接以将所述功率传输到所述主电感器。
4.根据权利要求1所述的功率因数校正电路，其中，所述辅助电阻器将通过所述辅助电感器感生的功率检测为电流。
5.根据权利要求1所述的功率因数校正电路，其中，所述缓冲开关导通预设的第一时间，并且所述主开关在从所述缓冲开关导通时起经过预设的第一延迟时间后导通。
6.根据权利要求5所述的功率因数校正电路，其中，所述第一时间比所述第一延迟时间长。
7.根据权利要求1所述的功率因数校正电路，还包括：防止所述主开关的逆向电流的逆向电流防止二极管。
8.根据权利要求1所述的功率因数校正电路，还包括：根据所述主开关的切换为从所述主电感器释放的功率提供传输通道的二极管。
9.根据权利要求8所述的功率因数校正电路，还包括：稳定从所述二极管传输的功率的电容器。
10.根据权利要求1所述的功率因数校正电路，还包括：提供控制所述主开关和所述缓冲开关的切换操作的切换控制信号的控制器。
11.根据权利要求1所述的功率因数校正电路，其中，所述输入功率为整流功率。
12.根据权利要求1所述的功率因数校正电路，其中，所述主电感器、所述缓冲电感器和所述辅助电感器在单个磁芯中形成。
13.一种电源，包括：
功率因数校正电路，其包括：主开关，调整输入功率的电流和电压之间是相位差；主电感器，根据所述主开关的切换操作，通过存储或释放所述功率而产生输出功率；缓冲电路单元，包括为所述主开关导通前存在的多余功率形成传输通道的缓冲开关和调整施加给所述缓冲开关的电流量的缓冲电感器；以及减小电路单元，包括与所述缓冲电感器电感耦接的辅助电感器以及消耗通过所述辅助电感器从所述缓冲电感器感生的功率的辅助电阻器；
功率转换单元，切换来自所述功率因数校正电路的功率以将所述功率转换成具有预设电平的功率；以及
切换控制单元，控制所述功率转换单元执行的所述功率的切换，
其中，所述辅助电感器与所述主电感器电感耦接以将从所述缓冲电感器感生的功率传输到所述主电感器，并且所述主电感器将从所述辅助电感器传输的所述功率循环至所述输出功率。
14.根据权利要求13所述的电源，其中所述辅助电阻器消耗通过所述辅助电感器从所述主电感器感生的功率。
15.根据权利要求13所述的电源，其中，所述缓冲电感器与所述主电感器电感耦接以将所述功率传输到所述主电感器。
16.根据权利要求13所述的电源，其中，所述辅助电阻器将通过所述辅助电感器感生的功率检测为电流。
17.根据权利要求13所述的电源，其中，所述缓冲开关导通预设的第一时间，并且所述主开关在从所述缓冲开关导通时起经过预设的第一延迟时间后导通。
18.根据权利要求17所述的电源，其中，所述第一时间比所述第一延迟时间长。
19.根据权利要求13所述的电源，其中，所述功率因数校正电路还包括：防止所述主开关的逆向电流的逆向电流防止二极管。
20.根据权利要求13所述的电源，其中，所述功率因数校正电路还包括：根据所述主开关的切换为从所述主电感器释放的功率提供传输通道的二极管。
21.根据权利要求20所述的电源，其中，所述功率因数校正电路还包括：稳定从所述二极管传输的功率的电容器。
22.根据权利要求13所述的电源，其中，所述功率因数校正电路还包括：提供控制所述主开关和所述缓冲开关的切换操作的切换控制信号的控制器。
23.根据权利要求13所述的电源，还包括：将通过整流交流(AC)功率产生的输入功率传输到所述功率因数校正电路的整流单元。
24.根据权利要求13所述的电源，其中，所述主电感器、所述缓冲电感器和所述辅助电感器在单个磁芯中形成。
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