CN104426351B - 功率因数校正器 - Google Patents
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Abstract
公开一种校正交流电(AC)电压的功率因数的功率因数校正器。功率因数校正单元校正AC电压的功率因数。平滑单元对经过功率因数校正的电压进行平滑,并且包括薄膜电容器以及多个电解电容器。将整流电压施加至电感的一端。将开关的一端与所述电感的另一端连接。将二极管的一端与所述开关的另一端连接。将薄膜电容器的一端与所述二极管的另一端连接,并且薄膜电容器的另一端接地。电解电容器与薄膜电容器并联连接。
Description
相关申请的交叉引用
本申请主张根据35 U.S.C.119和35 U.S.C.365的于2013年9月2日提交的申请号为10-2013-0104936的韩国专利申请的优先权,该申请的全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本公开涉及一种功率因数校正器,并且更特别地,涉及一种可以减少流入电容器的脉动电流(ripple current)的电路,其延长电容器的寿命并且最终延长功率因数校正器的寿命。
背景技术
由于在交流电路的情况下,电压和电流的相位不需要相同,因此电压和电流的积并不会成为可以实际使用的功率。电压和电流的积与可以实际使用的有效功率的比值被称为功率因数。当功率因数小时,传输功率有损失,因此防止该损失的功率因数校正器在各种电子装置中被广泛地使用。而且,许多国家要求安装此种功率因数校正器。
用于为电动汽车的电池充电的充电装置也需要功率因数校正器。在此情况下,由于在充电装置中的功率因数校正器的输出电容不得不对与两倍于输入功率频率对应的脉动功率进行平滑,因此应该使用具有大容量的电容。因此,主要使用电解电容器。
一般地,在设计功率因数校正器的输出电容时考虑以下因素:首先是即使当AC电压没有被提供时的维持输出功率的滞留时间(hold-up time),其次是脉动电流,并且再次是电路的振幅。一般地,由于在消费电子设备的情况下,输出功率小于或等于500w,并且即使当瞬时中断发生时,也应该保证它们的操作,考虑到滞留时间,电容器的电容被设计为足够大。因此,脉动电流在设计中不是重要的考虑事项。然而,在电动车辆的情况下,通常对滞留时间没有要求,并且着重地考虑电路的振幅和使用寿命。因此,当为电动车辆设计在充电装置中使用的功率因数校正器时,脉动电流和电容器的寿命是首要的考量。
发明内容
实施例了提供当需要大功率因数校正器时可以延长该功率因数校正器的寿命的电路,例如在用于电动车辆的充电装置的情况下。
在一个实施例中,校正AC电压的功率因数的功率因数校正器包括功率因数校正单元,其校正AC电压的功率因数;以及平滑单元,其对经过功率因数校正的电压进行平滑,其中所述平滑单元包括薄膜电容器以及多个电解电容器。
所述多个电解电容器可以具有相同的电容。
所述多个电解电容器可以被并联连接。
所述多个电解电容器可以具有基于所述多个电解电容器的数量而确定的极限脉动电流。
所述多个电解电容器可以具有基于所述多个电解电容器的电容允差而确定的极限脉动电流。
所述功率因数校正单元可以是包括开关的升压转换器。
所述薄膜电容器的电容可以由所述开关的开关频率确定。
所述薄膜电容器的电容可以由所述多个电解电容器的寄生电阻的值确定。
在另一个实施例中,校正AC电压功率因数的功率因数校正器包括电感,其一端被施加整流电压;开关,其中所述开关的一端与所述电感的另一端连接,并且所述开关的另一端接地;二极管,其中所述二极管的一端与所述开关的一端连接。薄膜电容器,其中所述薄膜电容器的一端与所述二极管的另一端连接,并且所述薄膜电容器的另一端接地;以及多个电解电容器,其与所述薄膜电容器并联连接。
在又一个实施例中,操作功率因数校正器来校正AC电压的功率因数的方法包括:校正AC电压的功率因数;以及通过使用薄膜电容器和多个电解电容器对经过功率因数校正的电压进行平滑。
所述多个电解电容器可以具有相同的电容并且可以具有基于所述多个电解电容器的数量或基于所述多个电解电容器的电容允差来确定的极限脉动电流。
实施例提供一种具有比一般功率因数校正器的寿命更长的功率因数校正器,和一般功率因数校正器相比较,其减少流经电容器的脉动电流。
附图说明
图1是根据实施例的功率因数校正器的框图。
图2是根据实施例的功率因数校正器的电路图。
图3是显示根据实施例的功率因数校正器的操作的流程图。
图4显示当操作根据实施例的功率因数校正器时输入至平滑电路的脉动电流。
图5显示根据实施例的功率因数校正器的输入电压、输入电流以及输出功率。
图6是根据另一实施例的功率因数校正器的电路图。
图7是根据另一实施例的平滑单元的等效电路图。
图8是根据另一实施例的对于并联连接的电容器的数量的在没有电容允差的理想情况下以及在非理想情况下的脉动电流的比例的图表。
图9是根据另一实施例的当总输入脉动电流的振幅为6.4 ARMS时,对于并联连接的电容器的显示流入各电容器的脉动电流的振幅的图表。
图10是根据另一实施例的当电容相同时将被实际考虑的电容器脉动电流的振幅与没有电容允差的理想情况的比的图表。
图11是阻抗特性与电解电容器以及薄膜电容器的频率相比较的图表。
图12是具有寄生电阻和寄生电感的非理想的薄膜电容器和非理想的电解电容器被并联连接的等效电路图。
具体实施方式
下文参照附图详细描述了本发明的实施例,使得本领域的技术人员可以容易地实践本发明。然而,本发明可以被以各种不同的形式实现,并且不限于在此描述的实施例。另外,将不影响描述的部分加入附图,以使得本发明清楚,并且本公开中相似的部分具有相似的附图标记。
而且,当描述事物包含(或包括或具有)某元件时,如果说明书未作限制,应该理解为其可以仅包含(或包括或具有)这些元件,或其可以包含(或包括或具有)这些元件及其它元件。
参照附图1至5,在下文中描述根据实施例的功率因数校正器和设计方法。
图1是根据本发明的实施例的功率因数校正器的框图。
参照图1,功率因数校正器100可以包括交流电(AC)电压接收单元110;AC噪声移除单元120;整流单元130;功率因数校正单元140;平滑单元150;DC(直流电流)/DC转换器160;以及电池170。
功率因数校正单元140校正功率因数。
DC/DC转换器160将经平滑的电压转换为充电所需的电压。
使用经转换的电压为电池170充电。
参照图2描述功率因数校正器100的其它组件。
图2是根据实施例的功率因数校正器的电路图。
AC电压接收单元110接收AC电压。电流Ig1表示AC电压接收单元110接收的AC电流。
AC噪声移除单元120包括电容器Cn1。将电容器Cn1的一端与AC电压接收单元110的被施加AC电压的一端连接,并且将电容器Cn1的另一端与AC电压接收单元110的另一端连接。
整流单元130可以包括多个二极管。图2的实施例包括4个二极管。该四个二极管被桥接。该桥接的四个二极管中的左下二极管D13的一端与AC噪声移除单元120的电容器Cn1的另一端连接,并且二极管D13的另一端接地。桥接的四个二极管中的右下二极管D14的一端与AC噪声移除单元120的电容器Cn1的一端连接,并且二极管D14的另一端接地。桥接的四个二极管中的左上二极管D11的一端与AC噪声移除单元120的电容器Cn1的另一端连接,并且二极管D11的另一端与左下二极管D11的一端连接。桥接的四个二极管中的右上二极管D12的一端与左上二极管D11的另一端连接,并且二极管D12的另一端与右下二极管D14的一端连接。整流单元130对经噪声移除的AC电压进行整流,使得它们具有相同的极性,并且输出整流电压。
特别地,功率因数校正单元140可以是升压转换器。该升压转换器包括电感L1,MOSFET开关SWM1以及二极管D15。电感L1的一端与整流单元130的右上二极管D12连接。MOSFET开关SWM1的一端与电感L1的另一端连接,并且MOSFET开关SWM1的另一端接地。二极管D15的一端与电感L1的另一端连接。该升压转换器重复开关以使得电流的相位等于电压的相位,同时保持整流电压的振幅恒定。也就是说,通过使用使电流在一确定时间内流动,并且然后在一确定时间内屏蔽的方法调整电流的流动。通过以此方法调整电流的流动,电压和电流的相位将变得相同,并且因此校正了功率因数。
平滑单元包括电容器。特别地,该电容器可以是电解电容器CB1。电解电容器CB1的一端与二极管D15的另一端连接,并且电解电容器CB1的另一端接地。电流IC1表示输入至电解电容器CB1的电流。电流IO1表示功率因数校正器100的总输出电流。平滑单元150将脉动从经过功率因数校正的电压中移除,并且生成DC电压。也就是说,平滑单元150对经过功率因数校正的电压进行平滑。
图3是显示根据实施例的功率因数校正器的操作的流程图。
在步骤S101中,AC电压接收单元110接收AC电压。
在步骤S103中,AC噪声移除单元120从接收的AC电压移除噪声。
在步骤S105中,整流单元130对经过噪声移除的AC电压进行整流,使得它们具有相同的极性,并且输出经整流的电力。
在步骤S107中,功率因数校正单元140校正整流电压的功率因数,并且输出经过功率因数校正的电压。
在步骤S109中,平滑单元150对经过功率因数校正的电压进行平滑。也就是说,移除经过功率因数校正的电力中的脉动电流,并且输出DC电流。
图4显示当操作根据实施例的功率因数校正器时输入至平滑电路的脉动电流。
虽然已经通过整流单元130对该电流进行了整流,但是可以看到,由于电流未被平滑单元150平滑,电流具有脉冲波形。由于通过整流单元130对输入电流进行了整流,因此有对应于输入频率基础的两倍的低频(当输入频率是60Hz时为120Hz)。而且,可以看到的是,当功率因数校正单元140为升压转换器时,可以有通过开关升压变压器带来的开关频率。
图5显示根据实施例的功率因数校正器的输入电压、输入电流以及输出功率。
如图5所示,由于功率因数校正器100控制输入电流使其具有与输入电压相同的相位,因此在具有两倍的输入功率时,输出功率具有与两倍输出功率对应的脉动功率。因此,为了使其变平滑,配置功率因数校正器100的平滑单元150的电容器应该使用具有显著地大容量的电容器。因此,通常使用与其尺寸相比具有大容量的电解电容器。
当假设输入电流和输入电压的功率因数是“1”并且系统的效率接近100%时,流入电解电容器CB1的脉动电流的RMS值可以如下所示:
当输入是220V时,3.6kW充电器的电容器的脉动电流的RMS值通过使用上述表达式显示如下:
(单位:ARMS)
从上文的结果可以看到的是,应该使用容许等于或大于至少9.8 ARMS的可允许的脉动电流的电解电容器。
如参照图2所描述的,当AC电压的频率是60Hz,通过AC电压产生的脉动电流具有120Hz的频率。在此情况下,当脉动电流被设为IC1:120Hz,并且与开关频率对应的脉动电流被设为IC1:SW时,得到以下表达式:
电流IC1:120Hz可以表示如下:
(单位:ARMS)
因此,电流IC1:SW如下所示:
(单位:ARMS)
也就是说,电流IC1:SW具有7.44 ARMS的振幅。
在下文中,将会参照图6至图12描述根据实施例的功率因数校正器及设计方法。
图6是根据另一实施例的功率因数校正器的电路图。
除了平滑单元150以外,图6的电路图与图1的电路图相同。平滑单元150包括薄膜电容器CF和多个电解电容器C1至CN。薄膜电容器CF与多个电解电容器C1至CN并联连接。在此情况下,薄膜电容器CF的电容具有显著小于电解电容器的等效电容的值。
如图5所示,AC电压的脉动电流的频率显著小。而且,当功率因数校正单元140为升压转换器时,此频率显著地小于由升压转换器的开关得到的脉动电流的频率。因此,通过并联连接的薄膜电容器CF对由开关得到的脉动电流进行平滑,并且通过并联连接的电解电容器C1至CN对由AC电压得到的脉动电流进行平滑。这是由于电解电容器C1至CN和薄膜电容器CF的阻抗特性根据频率而不同。参照图11,详细提供了相关的描述。
图7是根据另一实施例的平滑单元的等效电路图。
电流I表示输入至电解电容器C1至CN的总电流的等效电流。电流I1至IN表示分别流入电解电容器的电流。根据阻抗确定流经电解电容器C1至CN的电流。由于是并联连接,因此根据电流分配定律,电流流向具有低阻抗的一侧。阻抗具有与电容成反比的特性,并且因此当电解电容器C1至CN的电容被参考为C1至CN时,电流I1至IN满足以下关系:
当多个电解电容器C1至CN以此方法并联连接时,其有益效果在于能够减小流入各电解电容器的脉动电流的振幅。而且,当电解电容器被并联连接时,等效电容与并联连接的电解电容器的电容的和相同。因此,当考虑到具有显著大的电容的一个电解电容器的价格比各具有小电容的多个电容器的总价格更贵时,能够通过用多个并联连接的电解电容器替换一个电解电容器而减少电路设计成本。而且,由于具有大电容的电解电容器的尺寸也很大,因此还能够通过此种设计减小电路的尺寸。
如上文所述,当类似车辆的充电器的功率因数校正器100的寿命最重要时,流经电解电容器的脉动是确定功率因数校正器的最重要的因数。因此,应该考虑流经各并联连接的电解电容器的脉动电流的振幅而进行设计。
实际使用的电容器的电容具有允差。因此,为了通过并联连接多个电解电容器而设计平滑单元150,需要一种设计方法,其考虑允差而计算脉动电流的振幅,并且限定各电解电容器具有的极限脉动电流。而且,为了保证功率因数校正器100具有确定的寿命,期望其中流经任一电解电容器C1至CN的电流具有最大值的实例,并且在此情况下,应该使用具有大于作为极限脉动电流的脉动电流的值的电解电容器C1至CN。
假设电容器的电容允差为α(0<α<1)。假设并联连接的电解电容器C1至CN的电容全部相同,并且将该值设为C。在下述情况中,具有最大RMS值的脉动电流流经任一电解电容器C1至CN。也就是说,是在一个电容器具有+α的允差并且其它电容器的电容各具有-α的允差时。当考虑此种情况时,上述关系可以布置如下:
由于电解电容器的电容允差通常为±20%,可以令α=0.2,并且当施加该值时,可以获得以下结果:
也就是说,在设计功率因数校正器100中,如图6的实施例所示,当平滑单元150包括薄膜电容器CF和多个电解电容器C1至CN时,应该使用各具有等于或大于作为极限脉动电流的IKMax的脉动电流的电解电容器设计电路,从而确保各功率因数校正器具有与特定周期相同或大于特定周期的寿命。
图8是根据另一实施例的对于并联连接的电容器的数量的在没有电容允差的理想情况下以及在非理想情况下的脉动电流的比例的图表。
在此情况下,如图8所示,假设电容允差为0.2。从图8的图表可以看到,由于电容允差,当电容器的数量为两个时,应该使用可以容许等于或大于0.6倍,或不大于0.5倍输入电解电容器的AC电压的总脉动电流的脉动电流的电容器。这样,由于有电解电容器C1至CN的电容允差,当设计如图5的实施例的功率因数校正器100的平滑单元150时,应该考虑大于在没有电容误差的理想情况下的脉动电流的脉动电流。
图9是根据另一实施例的当总输入脉动电流的振幅为6.4 ARMS时为并联连接的电容器的显示流入各电容器的脉动电流的振幅的图表。如图7所示,由于电解电容器C1至CN有电容允差,当设计如图6的实施例的功率因数校正器100的平滑单元150时,应该考虑大于理想情况下的脉动电流的脉动电流。例如,当假设电解电容器C1至CN的数量为5个时,应该使用可以容许比理想情况下的脉动电流大137%的脉动电流的电解电容器。也就是说,应该使用可以容许等于或大于(6.4)/5×1.37=1.75ARMS的脉动电流的电解电容器C1至CN。
图10是根据另一实施例的当电容相同时将被实际考虑的电容器脉动电流的振幅与没有电容允差的理想情况的比的图表。
当假设电解电容器C1至CN的数量为5个时,可以考虑脉动电流136%大于输入电解电容器C1至CN的总电流I的0.2倍或不大于其0.2倍而选择电解电容器C1至CN。
图11是电解电容器和薄膜电容器的阻抗特性与频率相比较的图表。
在频域的情况下,电容器在低频具有其特性,在中频特性与电阻相似,并且在高频特性与电感相似。这是由于非理想电容器内部具有寄生电阻和寄生电感。在图表中,电阻RB表示寄生电阻并且频率fPower表示AC电压的脉动电流的频率,并且当功率因数校正器140为升压转换器时,频率fSW表示升压转换器的开关的脉动电流的频率。
由于电解电容器C1至CN通常具有大的电容和大的内部寄生电阻组件,它们在中频具有相对大的阻抗特性,如图11的图表中所示的fSW。由于薄膜电容器具有小的内部寄生电阻,在频率fSW处其具有相对小的阻抗的特性。相反地,在相对低频fPower,电解电容器C1至CN具有相对大的阻抗并且薄膜电容器CF具有小阻抗。
因此,在频率fPower,由于电解电容器C1至CN的阻抗相对小于薄膜电容器CF的阻抗,因此AC电压的脉动电流流向电解电容器C1至CN。在频率fSW处,由于薄膜电容器CF的阻抗相对大于电解电容器C1至CN的阻抗,因此开关引起的脉动电流流向薄膜电容器CF。
因此,当对平滑单元150进行设计,除电解电容器C1至CN的薄膜电容器CF被并联连接时,由升压转换器的开关引起的脉动电流被薄膜电容器CF移除。因此,必须由电解电容器C1至CN平滑的脉动电流被限制为AC电压的脉动电流。因此,延长了电解电容器C1至CN的寿命。而且,还减小了所需的电解电容器的等效电容,从而还减少了电容振幅以及电解电容器C1至CN的数量。
图12是具有寄生电阻和寄生电感的非理想的薄膜电容器和非理想的电解电容器被并联连接的等效电路图。
非理想电容器内部具有寄生电阻和寄生电感。因此,在平滑单元150的电解电容器和薄膜电容器之间的并联连接可以通过图12左手侧的电路图表示。电阻RF表示薄膜电容器的寄生电阻,电容器CF表示薄膜电容器,电感LF表示薄膜电容器的寄生电感,电阻RB表示电解电容器的寄生电阻,电容器CB表示电解电容器,电感LB表示电解电容器的寄生电感。
在中频(诸如升压转换器的开关引起的脉动电流的频率),电容器显示与电容器电阻类似的特性。特别地,在电解电容器的情况下,由于寄生电阻大,因此该特性值得关注,而在具有相对小的寄生电阻和寄生电感的薄膜电容器的情况下,不关注该特性。因此,在升压转换器的开关引起的脉动电流的频率处,可以将薄膜电容器和电解电容器并联连接的电路考虑为诸如图12的右手侧所示的等效电路。
因此,为了使总脉动电流在升压转换器的开关引起的脉动电流的频率fSW处流动至薄膜电容器,应该满足以下表达式:
通常,两阻抗的比值为5至10倍是合适的。
在上述实施例中描述的特性,结构和效果被包括于至少一个实施例中,但是不需要仅包括于一个实施例中。此外,本领域的技术人员可以用其它实施例结合或改变在各实施例中的特性,结构和效果。因此,涉及该结合和该改变的内容将被解释为包括于本发明的范围中。
在上文中主要描述了实施例。然而,它们只是实例并且不限制本发明。本领域的技术人员可以意识到不同的不离开实施例的本质特性而做出的没有在上文中提出的变化和应用。例如,可以改变具体表示于实施例中的各组件。另外,应该解释的是,涉及该改变和该应用的差异被包括于本发明的范围中并限定于权利要求中。
Claims (10)
1.一种校正交流电(AC)电压的功率因数的功率因数校正器,所述功率因数校正器包括:
功率因数校正单元,其校正AC电压的功率因数;以及
平滑单元,其对经过功率因数校正的电压进行平滑,其中所述平滑单元由薄膜电容器以及多个电解电容器组成,
在期望其中流经任一电解电容器的电流具有最大值的情况下,使用具有大于作为极限脉动电流的脉动电流的值的多个电解电容器,
其中所述多个电解电容器具有相同的电容,
其中所述多个电解电容器是被并联连接,
其中所述多个电解电容器具有基于所述多个电解电容器的数量而确定的极限脉动电流。
2.根据权利要求1所述的功率因数校正器,其中所述多个电解电容器具有基于所述多个电解电容器的电容允差而确定的极限脉动电流。
3.根据权利要求1所述的功率因数校正器,其中所述功率因数校正单元是包括开关的升压转换器。
4.根据权利要求3所述的功率因数校正器,其中所述薄膜电容器的电容由所述开关的开关频率确定。
5.根据权利要求4所述的功率因数校正器,其中所述薄膜电容器的电容由所述多个电解电容器的寄生电阻的值确定。
6.一种校正AC电压功率因数的功率因数校正器,所述功率因数校正器包括:
电感,其一端被施加整流电压;
开关,其中所述开关的一端与所述电感的另一端连接,并且所述开关的另一端接地;
二极管,其中所述二极管的一端与所述开关的一端连接;
薄膜电容器,其中所述薄膜电容器的一端与所述二极管的另一端连接,并且所述薄膜电容器的另一端接地;以及
多个电解电容器,其与所述薄膜电容器并联连接,
在期望其中流经任一电解电容器的电流具有最大值的情况下,使用具有大于作为极限脉动电流的脉动电流的值的多个电解电容器,
所述薄膜电容器和多个电解电容器组成平滑单元,该平滑单元对从所述二极管输出的电压进行平滑,
其中所述多个电解电容器具有相同的电容,
其中所述多个电解电容器是被并联连接,
其中所述多个电解电容器具有基于所述多个电解电容器的数量而确定的极限脉动电流。
7.根据权利要求6所述的功率因数校正器,其中所述多个电解电容器具有基于所述多个电解电容器的电容允差而确定的极限脉动电流。
8.根据权利要求7所述的功率因数校正器,其中所述薄膜电容器的电容由所述多个电解电容器的寄生电阻的值确定。
9.一种操作功率因数校正器来校正AC电压的功率因数的方法,所述方法包括:
校正AC电压的功率因数;以及
通过使用薄膜电容器和多个电解电容器对经过功率因数校正的电压进行平滑,
在期望其中流经任一电解电容器的电流具有最大值的情况下,使用具有大于作为极限脉动电流的脉动电流的值的多个电解电容器,
其中所述多个电解电容器具有相同的电容,
其中所述多个电解电容器是被并联连接,
其中所述多个电解电容器具有基于所述多个电解电容器的数量而确定的极限脉动电流。
10.根据权利要求9所述的方法,其中所述多个个电解电容器具有相同的电容,并且具有基于所述多个电解电容器的数量并基于所述多个电解电容器的电容允差来确定的极限脉动电流。
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