CN103872894B - 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，通过改变缓冲电感器的电感来减小施加在缓冲开关上的过剩功率。

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10-2012-0143966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、家用电器等提供功率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，通过改变缓冲电感器的电感来减小施加在缓冲开关上的过剩功率。
减小电路单元可包括：与缓冲电感器电感耦合的辅助电感器；向辅助电感器提供功率的直流（DC）电源；调整通过DC电源提供给辅助电感器的电流量的可变电阻器；以及提供或阻断从DC电源提供的功率的辅助开关。
缓冲开关可导通预设的第一时间，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。
缓冲开关可导通预设的第一时间，辅助开关可在从缓冲开关导通时起经过预设的第二延迟时间后导通，并且维持在导通状态达预设的第二时间。
第二时间和第二延迟时间的总和可以比第一时间长。
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、缓冲开关和辅助开关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。
主开关、缓冲开关和辅助开关可包括绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOS-FET）和双极结型晶体管（BJT）中的至少一种。
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、以及通过改变缓冲电感器的电感来减小施加在缓冲开关上的过剩功率的减小电路单元；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。
减小电路单元可包括：与缓冲电感器电感耦合的辅助电感器；向辅助电感器提供功率的直流（DC）电源；调整通过DC电源提供给辅助电感器的电流量的可变电阻器；以及提供或阻断从DC电源提供的功率的辅助开关。
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。
缓冲开关可导通预设的第一时间，辅助开关可在缓冲开关导通时起经过预设的第二延迟时间后导通，并且维持在导通状态达预设的第二时间。
第二时间和第二延迟时间的总和可以比第一时间长。
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、缓冲开关和辅助开关的切换操作的切换控制信号的控制器。
电源还可包括将通过整流交流（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。
主开关、缓冲开关和辅助开关可包括绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOS-FET）和双极结型晶体管（BJT）中的至少一种。
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、缓冲开关和辅助开关的切换控制信号的示图；
图4A和图4B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5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：与主开关并联连接的缓冲开关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。
减小电路单元120可包括：与缓冲电感器Ln电感耦合的辅助电感器La、为辅助电感器La提供功率的直流（DC）电源Va、调整通过DC电源Va提供给辅助电感器La的电流量的可变电阻器Ra以及提供或阻断从DC电源Va提供的功率的辅助开关Sa。
控制器130可产生控制主开关S、缓冲开关Sn和辅助开关Sa的切换操作的控制信号G、Gn和Ga。
根据本发明实施方式的主开关S、缓冲开关Sn和辅助开关Sa可由绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、金属氧化物半导体场效应晶体管（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、缓冲开关Sn和辅助开关Sa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、缓冲开关Sn和辅助开关Sa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、Gn和Ga处在高电平的情况下，主开关S、缓冲开关Sn和辅助开关Sa导通，在切换控制信号G、Gn和Ga处在低电平的情况下，主开关S、缓冲开关Sn和辅助开关Sa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4A和图4B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4A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。减小电路单元可改变缓冲电感器的电感以消除施加在缓冲开关上的过剩功率，即，峰值电压。
如上所述，参照图1，减小电路单元120可包括：与缓冲电感器Ln电感耦合的辅助电感器La、向辅助电感器La提供功率的直流（DC）电源Va、调整通过DC电源Va提供给辅助电感器La的电流量的可变电阻器Ra以及提供或阻断从DC电源Va提供的功率的辅助开关Sa。
参照图3，辅助开关Sa可在从缓冲开关Sn导通时起经过预设的第二延迟时间TD2后导通并且维持在导通状态达预设的第二时间。在这种情况下，第二时间T2和第二延迟时间TD2的总和设定为比第一时间T1长，这样，可在断开缓冲开关Sn后断开辅助开关Sa。另外，第二延迟时间TD2可设定为比第一延迟时间TD1长。
在辅助开关Sa断开的情况下，由于减小电路单元120处在电断开状态下，因此减小电路单元120不会影响缓冲电路单元110，使得缓冲电感器Ln可维持正常的电感。因此，通过向主开关S提供零伏导通条件，缓冲电路单元110可消除主开关S的切换损耗。
但是，在辅助开关Sa不像上述那样导通的情况下，DC电源Va向与缓冲电感器Ln电感耦合的辅助电感器La提供功率，从而影响缓冲电感器Ln的电感。即，提供有DC电源Va产生的直流电流（DC）的辅助电感器La可通过使缓冲电感器Ln中包括的芯的磁通量饱和来减小缓冲电感器Ln的电感，并且理想的是使缓冲电感器Ln的电感值减小到零“0”。因此，减小电路单元120可减小缓冲电感器Ln的电感。由于缓冲电感器Ln的电感减小，使得可消除在断开缓冲开关Sn过程中缓冲开关Sn两端产生的峰值电压。
辅助电阻器Ra可通过设置而变化，并且在这种情况下，通过改变辅助电阻器Ra的电阻来确定由DC电源Va提供给辅助电感器La的电流量。这样可能会影响确定缓冲电感器Ln中包括的芯的饱和磁通量。
总之，根据本发明实施方式的功率因数校正电路可通过消除当主开关S接通并且缓冲开关Sn断开时产生的切换损耗来显著改进功率因数效率和电磁干扰（EMI）噪声电平。
图4B是示出了使用根据本发明实施方式的功率因数校正电路的减小电路单元120消除在断开缓冲开关Sn的过程中缓冲开关Sn两端产生的峰值电压的情况的示图。比较图4A和图4B，可以了解到峰值电压在时间t2减小。
图5是示意性地示出了包括根据本发明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5，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5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，与向主开关提供零伏导通条件的缓冲开关相连接的缓冲电感器的电感减小，使得可以消除峰值电压，由此可防止损坏缓冲开关。
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，存储或释放所述功率；
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，通过改变所述缓冲电感器的电感来减小施加在所述缓冲开关上的过剩功率，
其中所述减小电路单元包括：
辅助电感器，与所述缓冲电感器电感耦合；以及
辅助开关，连接至所述辅助电感器，执行切换操作。
2.根据权利要求1所述的功率因数校正电路，其中，减小电路单元进一步包括：
直流电源，向所述辅助电感器提供功率；以及
可变电阻器，调整通过所述直流电源提供给所述辅助电感器的电流量，
其中辅助开关提供或阻断从所述直流电源提供的功率。
3.根据权利要求2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，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。
4.根据权利要求3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。
5.根据权利要求2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，所述辅助开关在从所述缓冲开关导通时起经过预设的第二延迟时间后导通并且维持在导通状态达预设的第二时间。
6.根据权利要求5所述的功率因数校正电路，其中，所述第二时间和所述第二延迟时间的总和比所述第一时间长。
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2所述的功率因数校正电路，还包括：提供控制所述主开关、所述缓冲开关和所述辅助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2所述的功率因数校正电路，其中，所述主开关、所述缓冲开关和所述辅助开关包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOS-FET)和双极结型晶体管(BJT)中的至少一种。
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的相位差；主电感器，根据所述主开关的切换，存储或释放所述功率；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，通过改变所述缓冲电感器的电感来减小施加在所述缓冲开关上的过剩功率；
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，控制由所述功率转换单元执行的所述功率的切换，
其中所述减小电路单元包括：
辅助电感器，与所述缓冲电感器电感耦合；以及
辅助开关，连接至所述辅助电感器，执行切换操作。
14.根据权利要求13所述的电源，其中，所述减小电路单元进一步包括：
直流电源，向所述辅助电感器提供功率；以及
可变电阻器，调整通过所述直流电源提供给所述辅助电感器的电流量，
其中所述辅助开关提供或阻断从所述直流电源提供的功率。
15.根据权利要求14所述的电源，其中，所述缓冲开关导通预设的第一时间，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。
16.根据权利要求15所述的电源，其中，所述第一时间比所述第一延迟时间长。
17.根据权利要求14所述的电源，其中，所述缓冲开关导通预设的第一时间，所述辅助开关在从所述缓冲开关导通时起经过预设的第二延迟时间后导通并且维持在导通状态达预设的第二时间。
18.根据权利要求17所述的电源，其中，所述第二时间和所述第二延迟时间的总和比所述第一时间长。
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14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、所述缓冲开关和所述辅助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14所述的电源，其中，所述主开关、所述缓冲开关和所述辅助开关包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOS-FET)和双极结型晶体管(BJT)中的至少一种。
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