CN104022636A - 一种驱动开关型负载的高功率因数填谷电路及开关电源 - Google Patents

一种驱动开关型负载的高功率因数填谷电路及开关电源 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种驱动开关型负载的高功率因数填谷电路及开关电源，高功率因数填谷电路包括三个端口；第一开关管的第一端为第一端口；第一开关管的第一端连接脉动直流电源的正输出端，第一开关管的第二端连接第一节点；第二开关管的第一端连接第一节点，第二开关管的第二端连接脉动直流电源的负输出端；第二开关管的第二端为第二端口；第一电感的第一端连接脉动直流电源的正输出端，第一电感的第二端连接第二节点；第二节点为第三端口；第一电容的第一端连接第一节点，第一电容的第二端连接第二节点；第二端口和第三端口之间连接开关型负载。该电路中的第一电容可以采用低压电容，容易选型。调整整流桥的导通角来实现功率因数的可控。

Description

一种驱动开关型负载的高功率因数填谷电路及开关电源
技术领域
本发明涉及电子技术领域，具体涉及一种驱动开关型负载的高功率因数填谷电路及开关电源。
背景技术
在当前的电源变换领域，开关电源因其高效率、小体积的优点在国民行业中获得广泛应用。对市电AC/DC开关电源而言，根据各个国家规范规定，一般都需要加入功率因数校正(PFC，Power Factor Correction)，以提高用电设备的功率因数，降低设备对电网的谐波污染。
当前的功率因数校正主要有两种：有源功率因数校正和无源功率因数校正。有源功率因数校正是高性能开关电源采用的主要方法，其具有高功率因数(大于0.98)和低谐波含量(小于10％)的特点，但其需要专用芯片，成本较高，在中小功率开关电源中应用较少。无源功率因数校正虽然有功率因数低的缺点，但因其结构简单、成本低廉、可靠性高而常用在一些小功率产品中(如节能灯、LED照明等)。图1所示的无源填谷电路是现有技术中常用的无源功率因数校正电路，其特点是二极管D1、D2、D3与储能电容C1和C2组成的电路具有串联充电、并联放电的特点，增大了整流桥的导通角，从而提高了功率因数。中国申请专利CN201310277987.7“一种有源控制的填谷电路及其控制方法”对此电路工作特点有详细的描述。
这种无源填谷电路的输出电压最低值为交流电压峰值的一半，不具有调整性，应用受到限制，功率因数不高，一般小于0.9。当然也可以采用多级扩展的方式，不过这时元器件数目会大大增加，成本也相应增加，实际应用中几乎不采用。
综上，本领域技术人员需要提供一种驱动开关型负载的高功率因数填谷电路，既具有无源PFC结构简单、低成本的特点，又有高功率因数的特点。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种驱动开关型负载的高功率因数填谷电路及开关电源，具有无源PFC结构简单、成本低的优点，并且具有较高的功率因数。
本发明实施例提供一种驱动开关型负载的高功率因数填谷电路，包括：第一开关管、第二开关管、第一电感和第一电容；
所述高功率因数填谷电路包括三个端口；所述第一开关管的第一端为该填谷电路的第一端口；
所述第一开关管的第一端连接脉动直流电源的正输出端，所述第一开关管的第二端连接第一节点；
所述第二开关管的第一端连接所述第一节点，所述第二开关管的第二端连接所述脉动直流电源的负输出端；所述第二开关管的第二端为该填谷电路的第二端口；
所述第一电感的第一端连接所述脉动直流电源的正输出端，所述第一电感的第二端连接第二节点；所述第二节点为该填谷电路的第三端口；
所述第一电容的第一端连接所述第一节点，所述第一电容的第二端连接所述第二节点；
所述第二端口和第三端口之间连接开关型负载，所述开关型负载为负载和开关串联。
优选地，所述第一电容为陶瓷电容。
优选地，所述第一开关管和第二开关管均为不可控的二极管，分别为第一二极管和第二二极管；
所述第一二极管的阴极连接脉动直流电源的正输出端，所述第一二极管的阳极连接第一节点；
所述第二二极管的阴极连接所述第一节点，所述第二二极管的阳极连接所述脉动直流电源的负输出端。
优选地，所述第一开关管和第二开关管均为可控的MOS管，分别为第一MOS管和第二MOS管。
本发明实施例还提供一种驱动开关型负载的高功率因数填谷电路，包括：第一开关管、第二开关管、第一电感和第一电容；
所述高功率因数填谷电路包括三个端口；所述第一开关管的第一端为该填谷电路的第一端口；
所述第一开关管的第一端连接脉动直流电源的正输出端，所述第一开关管的第二端连接第一节点；
所述第二开关管的第一端连接所述第一节点，所述第二开关管的第二端连接所述脉动直流电源的负输出端；所述第二开关管的第二端为该填谷电路的第二端口；
所述第一电感的第一端连接所述第二开关管的第二端，所述第一电感的第二端连接第二节点；所述第二节点为该填谷电路的第三端口；
所述第一电容的第一端连接所述第一节点，所述第一电容的第二端连接所述第二节点；
所述第一端口和第三端口之间连接开关型负载，所述开关型负载为负载和开关串联。
本发明实施例还提供一种开关电源，包括：整流器、高功率因数填谷电路和开关；
所述整流器的输入端连接交流电源，用于将所述交流电源的交流电整流为脉动直流电作为脉动直流电源；
所述高功率因数填谷电路包括：第一开关管、第二开关管、第一电感和第一电容；
所述高功率因数填谷电路包括三个端口；所述第一开关管的第一端为该填谷电路的第一端口；
所述第一开关管的第一端连接脉动直流电源的正输出端，所述第一开关管的第二端连接第一节点；
所述第二开关管的第一端连接所述第一节点，所述第二开关管的第二端连接所述脉动直流电源的负输出端；所述第二开关管的第二端为该填谷电路的第二端口；
所述第一电感的第一端连接所述脉动直流电源的正输出端，所述第一电感的第二端连接第二节点；所述第二节点为该填谷电路的第三端口；
所述第一电容的第一端连接所述第一节点，所述第一电容的第二端连接所述第二节点；
所述第二端口和第三端口之间连接开关型负载，所述开关型负载为负载和开关串联。
优选地，所述第一电容为陶瓷电容。
优选地，所述第一开关管和第二开关管均为不可控的二极管，分别为第一二极管和第二二极管；
所述第一二极管的阴极连接脉动直流电源的正输出端，所述第一二极管的阳极连接第一节点；
所述第二二极管的阴极连接所述第一节点，所述第二二极管的阳极连接所述脉动直流电源的负输出端。
优选地，所述第一开关管和第二开关管均为可控的MOS管，分别为第一MOS管和第二MOS管。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供的无源填谷电路结构非常简单，借用了负载为开关型的开关状态，从而具有了部分有源PFC的特点，即高功率因数、低谐波。并且该电路的功率因数可通过调节第一电容两端的电压(第一电容上电压的取值范围为0到交流输入电压的最大值)，从而调整整流桥的导通角来实现功率因数的可控。由于本发明实施例提供的无源填谷电路中的第一电容上的电压可控，所以第一电容可以采用低压电容，使得第一电容的选择更加广泛。由于低压电容的体积小、成本低，容易选型，因此，可以使开关型负载使用的电源应用环境广泛，可以使用在高温等场合，整体设备的寿命可以得到提高。该无源填谷电路的最低输出电压始终大于或等于第一电容两端的电压。
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，下面描述中的附图仅仅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是现有技术中的一种无源填谷电路的示意图；
图2是本发明提供的开关型负载的高功率因数填谷电路实施例一示意图；
图3是图2的另一种变形示意图；
图4是本发明提供的第一开关管和第二开关管均为二极管时的电路图；
图5是图4的另一种变形示意图；
图6是本发明提供的图4对应的波形图；
图7是本发明提供的开关电源实施例一示意图；
图8是本发明提供的开关电源实施例二示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
参见图2，该图为本发明提供的驱动开关型负载的高功率因数填谷电路实施例一示意图。
本实施例提供一种开关型负载的高功率因数填谷电路，包括：第一开关管G1、第二开关管G2、第一电感L1和第一电容C1；
所述高功率因数填谷电路包括三个端口；所述第一开关管G1的第一端为该填谷电路的第一端口；
所述第一开关管G1的第一端连接脉动直流电源的正输出端，所述第一开关管G1的第二端连接第一节点A；
所述第二开关管G2的第一端连接所述第一节点A，所述第二开关管G2的第二端连接所述脉动直流电源的负输出端；所述第二开关管的第二端为该填谷电路的第二端口；所述第一电感L1的第一端连接所述脉动直流电源的正输出端，所述第一电感L1的第二端连接第二节点B；所述第二节点B为该填谷电路的第三端口；
所述第一电容C1的第一端连接所述第一节点A，所述第一电容C1的第二端连接所述第二节点B；
所述第二端口和第三端口之间连接开关型负载，所述开关型负载为负载和开关S1串联。
所述高功率因数填谷电路的输出端连接开关型负载。需要说明的是，开关型负载的意思是指负载的供电是由开关来断续控制的，例如，可以为LED灯。
可以理解的是，L1连接在第二节点B和脉动直流电源的正输出端之间外，还可以连接在第二节点B和脉动直流电源的负输出端之间，具体可以参见图3所示。
图3所对应的驱动开关型负载的高功率因数填谷电路，包括：第一开关管G1、第二开关管G2、第一电感L1和第一电容C1；
所述高功率因数填谷电路包括三个端口；
所述第一开关管G1的第一端为该填谷电路的第一端口；
所述第一开关管G1的第一端连接脉动直流电源的正输出端，所述第一开关管G1的第二端连接第一节点A；
所述第二开关管G2的第一端连接所述第一节点A，所述第二开关管G2的第二端连接所述脉动直流电源的负输出端；所述第二开关管G2的第二端为该填谷电路的第二端口；
所述第一电感L1的第一端连接所述第二开关管G2的第二端，所述第一电感L1的第二端连接第二节点B；所述第二节点B为该填谷电路的第三端口；
所述第一电容C1的第一端连接所述第一节点A，所述第一电容C1的第二端连接所述第二节点B；
所述第一端口和第三端口之间连接开关型负载，所述开关型负载为负载和开关S1串联。
需要说明的是，所述第一开关管和第二开关管可以为不可控开关管，例如均为二极管。所述第一开关管和第二开关管也可以均为可控开关管，例如均为MOS管。但是当为MOS管时，需要控制MOS管的开关状态达到与二极管的导通状态一致，即起到二极管同样的作用。由于二极管有一定的导通压降，因此，可以用MOS管来实现二极管单向导通的功能，但是需要控制MOS管的状态，增加了控制电路的复杂。因此，所述第一开关管和第二开关管为二极管和MOS管各有利弊，可以根据实际需要来选择使用。
另外，可以理解的是，第一开关管和第二开关管可以其中一个为二极管，另一个为MOS管，实现原理相同，在此不再赘述。
下面以第一开关管和第二开关管均为二极管为例来详细介绍本发明提供的电路的工作原理。
参见图4，该图为第一开关管和第二开关管均为二极管时的电路图。
所述第一开关管和第二开关管均为不可控的二极管，分别为第一二极管D1和第二二极管D2；
所述第一二极管D1的阴极连接脉动直流电源的正输出端，所述第一二极管D1的阳极连接第一节点；
所述第二二极管D2的阴极连接所述第一节点，所述第二二极管D2的阳极连接所述脉动直流电源的负输出端。
为了描述方便，设脉动直流电源的输出电压为Vin，第一电容C1上的电压为Vc，高功率因数填谷电路输出端的电压为Vout。
当第一开关S1闭合时，如果Vin大于Vc(忽略二极管上的压降)，则L1中有电流流过，即电流的流向为：Vin-L1-B-负载；此时，L1中储存能量，D1和D2均不导通，C1两端的电压不变。
当第一开关S1闭合时，如果Vin小于Vc，则L1中没有电流流过(即L1中没有能量储存)，这时负载上消耗的能量由C1来提供，即电流的流向为：C1-B-负载-D2，此时，D1不导通。
当第一开关S1断开时，如果L1中电流不为零，则为C1充电，将能量转移到C1中，此时D1导通。
可以理解的是，L1连接在第二节点B和脉动直流电源的正输出端之间外，还可以连接在第二节点B和脉动直流电源的负输出端之间，具体可以参见图图5所示。
本实施例提供的高功率因数填谷电路的工作原理非常简单，而且电路结构也很简单，成本很低。并且，该电路的负载为开关型负载，因此，具有了部分有源PFC电路的特点，即高功率因数低谐波。从以上结合图4的原理图分析可知，高功率因数填谷电路输出端的电压Vout始终大于或等于C1两端的电压(忽略二极管的压降)，具体波形可以参见图6，该图为本发明图4对应的波形图。
因此，本发明的工作原理可以总结如下：当Vin电压高时，除了为负载提供能量以外，还通过L1将部分能量储存到C1中；当Vin电压较低(Vin<Vc)时，由C1向负载提供能量。
从图6中可以看出，电容C1两端的电压Vc如图中的实线所示，其中在Vac为0的阶段，如图t1-t2时间段内，B点的电压为电容上的电压，如图中的粗实线部分，而不是0，从而可以看出，B点的电压是填谷以后的电压，B点的电压在Vac的零点附件进行了填谷，减小了波动。
其中，Vin-max为Vin的最大电压。
需要说明的是，Vin为脉动直流电压，可以由整流器将交流整流后得到，具体可以参见图7。
图7为本发明提供的包括上述实施例的高功率因数填谷电路的开关电源。
本实施例提供的开关电源，包括：整流器100、高功率因数填谷电路和开关S1；
所述整流器100的输入端连接交流电源，用于将所述交流电源的交流电整流为脉动直流电作为脉动直流电源；
所述高功率因数填谷电路包括：第一开关管、第二开关管、第一电感L1和第一电容C1；
所述高功率因数填谷电路包括三个端口；所述第一开关管的第一端为该填谷电路的第一端口；
以第一开关管和第二开关管均为二极管为例进行说明。
所述第一二极管D1的阴极连接脉动直流电源的正输出端，所述第一二极管D1的阳极连接第一节点；
所述第二二极管D2的阴极连接所述第一节点A，所述第二二极管D2的阳极连接所述脉动直流电源的负输出端。所述第二二极管D2的阳极为该填谷电路的第二端口；
所述第一电感L1的第一端连接所述脉动直流电源的正输出端，所述第一电感L1的第二端连接第二节点B；所述第二节点B为该填谷电路的第三端口；
所述第一电容C1的一端连接所述第一节点A，所述第一电容C1的另一端连接所述第二节点B；
所述第二端口和第三端口之间连接开关型负载，所述开关型负载为负载和开关S1串联。
从图7中可以看出，交流AC通过整流器100整流为脉动直流电压Vin。
本实施例中的整流器100由四个二极管组成整流桥来实现。
图7中虚线方框内的是本发明提供的高功率因数填谷电路。
由于本发明实施例提供的高功率因数填谷电路中的第一电容C1上的电压可控，具体可以通过调整L1和负载的阻抗比值来调节C1上的电压，所以C1可以采用低压电容，不必像现有技术中那样采用电解电容。这样第一电容的选择更加广泛。本实施例中的C1可以采用陶瓷电容，由于陶瓷电容的体积小、成本低、选型容易。因此，可以使开关型负载使用的电源应用环境更广泛，可以使用在高温等场合，整体设备的寿命可以得到提高。
另外，对于市电220V来说，在中小功率开关电源设计中，由于L1的电感值一般比较小，如果C1的体积能够较小，那么可以使整个高功率因数填谷电路的结构非常紧凑，体积小，可以大大节省PCB的空间。
并且，对于功率因数要求较高的场合，本实施例提供的高功率因数填谷电路，例如对于220V交流输入情况下，控制C1上的电压在50V时，功率因数可以高达0.95，这样可以减少对电网的干扰。
需要说明的是，现有技术中有在图7的整流器100的输入端和/或输出端并联滤波电容，但是这样并联的滤波电容会造成整个电路的功率因数下降，因为滤波电容会导致输入电压和输入电流的相位出现偏差。而本实施例提供的滤波电路中的电容不会导致功率因数下降。
下面结合具体应用场景说明本发明提供的高功率因数填谷电路的作用。
需要说明的是，本发明提供的高功率因数填谷电路适用于负载为开关型的，即负载串联着开关。
本发明提供的高功率因数填谷电路尤其适用于无频闪LED驱动电源，效果更好。
参见图8，该图为本发明提供的开关电源实施例二示意图。
本实施例提供的是一种无频闪、无电解电容的LED驱动电源，虚框内为高功率因数填谷电路。
图8中的负载为LED，开关Q1相当于第一开关。PWM驱动器200用于提供PWM脉冲，输入Q1的控制端，来控制Q1的开关状态。
Q1可以采用MOSFET，例如可以选择Fairchild的FQP5N60C；
PWM驱动器可以选择Silergy公司专为LED照明设计的SY5814A(SingleStage Buck PFC Controller)。
D1、D2、D4可选MURS160T。
L1电感值可以选择为33微亨，L2电感值可以选择为470微亨，电容C1可以选择为50伏30微法陶瓷电容(3个10微法)。
下面描述图8的工作原理：
Q1闭合时，如果Vin大于Vc(忽略二极管压降)，电流流向为：Vin->L1->Vout->L2->LED->Q1->GND，L1中储存能量，D1、D2、D4均不导通，Cr两端电压不变。
Q1闭合时，如果Vin小于Vc，则L1中无电流流过，这时LED上消耗功率均由C1提供，电流流向为：C1->Vout->L2->LED->Q1->GND->D2->C1，D1、D4不导通.
当Q1断开时，如果L1中电流不为0，则通过与C1谐振将能量转移到C1中(为C1充能)，同时电感L2通过D4续流，继续点亮LED，电流回路为L2->LED->D4->L2。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种驱动开关型负载的高功率因数填谷电路，其特征在于，包括：第一开关管、第二开关管、第一电感和第一电容；
所述高功率因数填谷电路包括三个端口；所述第一开关管的第一端为该填谷电路的第一端口；
所述第一开关管的第一端连接脉动直流电源的正输出端，所述第一开关管的第二端连接第一节点；
所述第二开关管的第一端连接所述第一节点，所述第二开关管的第二端连接所述脉动直流电源的负输出端；所述第二开关管的第二端为该填谷电路的第二端口；
所述第一电感的第一端连接所述脉动直流电源的正输出端，所述第一电感的第二端连接第二节点；所述第二节点为该填谷电路的第三端口；
所述第一电容的第一端连接所述第一节点，所述第一电容的第二端连接所述第二节点；
所述第二端口和第三端口之间连接开关型负载，所述开关型负载为负载和开关串联。
2.根据权利要求1所述的驱动开关型负载的高功率因数填谷电路，其特征在于，所述第一电容为陶瓷电容。
3.根据权利要求1或2所述的驱动开关型负载的高功率因数填谷电路，其特征在于，所述第一开关管和第二开关管均为不可控的二极管，分别为第一二极管和第二二极管；
所述第一二极管的阴极连接脉动直流电源的正输出端，所述第一二极管的阳极连接第一节点；
所述第二二极管的阴极连接所述第一节点，所述第二二极管的阳极连接所述脉动直流电源的负输出端。
4.根据权利要求1或2所述的驱动开关型负载的高功率因数填谷电路，其特征在于，所述第一开关管和第二开关管均为可控的MOS管，分别为第一MOS管和第二MOS管。
5.一种驱动开关型负载的高功率因数填谷电路，其特征在于，包括：第一开关管、第二开关管、第一电感和第一电容；
所述高功率因数填谷电路包括三个端口；所述第一开关管的第一端为该填谷电路的第一端口；
所述第一开关管的第一端连接脉动直流电源的正输出端，所述第一开关管的第二端连接第一节点；
所述第二开关管的第一端连接所述第一节点，所述第二开关管的第二端连接所述脉动直流电源的负输出端；所述第二开关管的第二端为该填谷电路的第二端口；
所述第一电感的第一端连接所述第二开关管的第二端，所述第一电感的第二端连接第二节点；所述第二节点为该填谷电路的第三端口；
所述第一电容的第一端连接所述第一节点，所述第一电容的第二端连接所述第二节点；
所述第一端口和第三端口之间连接开关型负载，所述开关型负载为负载和开关串联。
6.一种开关电源，其特征在于，包括：整流器、高功率因数填谷电路和开关；
所述整流器的输入端连接交流电源，用于将所述交流电源的交流电整流为脉动直流电作为脉动直流电源；
所述高功率因数填谷电路包括：第一开关管、第二开关管、第一电感和第一电容；
所述高功率因数填谷电路包括三个端口；所述第一开关管的第一端为该填谷电路的第一端口；
所述第一开关管的第一端连接脉动直流电源的正输出端，所述第一开关管的第二端连接第一节点；
所述第二开关管的第一端连接所述第一节点，所述第二开关管的第二端连接所述脉动直流电源的负输出端；所述第二开关管的第二端为该填谷电路的第二端口；
所述第一电感的第一端连接所述脉动直流电源的正输出端，所述第一电感的第二端连接第二节点；所述第二节点为该填谷电路的第三端口；
所述第一电容的第一端连接所述第一节点，所述第一电容的第二端连接所述第二节点；
所述第二端口和第三端口之间连接开关型负载，所述开关型负载为负载和开关串联。
7.根据权利要求6所述的开关电源，其特征在于，所述第一电容为陶瓷电容。
8.根据权利要求6或7所述的开关电源，其特征在于，所述第一开关管和第二开关管均为不可控的二极管，分别为第一二极管和第二二极管；
所述第一二极管的阴极连接脉动直流电源的正输出端，所述第一二极管的阳极连接第一节点；
所述第二二极管的阴极连接所述第一节点，所述第二二极管的阳极连接所述脉动直流电源的负输出端。
9.根据权利要求6或7所述的开关电源，其特征在于，所述第一开关管和第二开关管均为可控的MOS管，分别为第一MOS管和第二MOS管。
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