CN111357181A

CN111357181A - 具有高功率因数的高效电源

Info

Publication number: CN111357181A
Application number: CN201880052261.4A
Authority: CN
Inventors: D·马诺尔
Original assignee: Slim Power Ltd
Current assignee: Slim Power Ltd
Priority date: 2017-06-12
Filing date: 2018-06-12
Publication date: 2020-06-30
Also published as: US10879790B2; WO2018229658A1; US20200204064A1

Abstract

交流电源，可提供直流电流给存储电容器充电。升压转换器电路会提高整流后的输入电流的电压，以给电容器充电。使用功率因数控制器(PFC)将电源的功率因数保持在预定水平以上。比较器用于将与整流电流的瞬时电压相对应的信号与电容器上的信号进行比较，并输出与这两个瞬时电压之差相对应的控制信号。如果整流电流的瞬时电压与电容器上的瞬时电压相差不超过预定电压，则PFC将利用此控制信号来增加电容器上存储的电荷的电压。这样就消除了由于输入电压升高引起的功率因数校正不稳定性。

Description

具有高功率因数的高效电源

技术领域

本发明涉及用于向设备提供电流的AC/DC电源领域，尤其是具有良好的功率因数校正和低的总谐波失真的设备。

背景技术

由交流电源供电的直流电源，除了用于为便携式电子设备(如手机、笔记本电脑)供电或为电池充电(如众所周知的壁式充电器或适配器，或旅行转换器)外，还广泛用作LED照明灯具的电源。这种用于照明灯具的LED电源特别需要最小的体积，尤其是最小的厚度。此外，由于这种照明灯具在诸如购物中心、办公楼或地下停车场等典型环境中的广泛使用，因此将照明灯具电源的功率因数保持在良好水平以避免对供电公司的罚款变得很重要。这种电源，如果是“高效率”类型的，通常使用整流桥，其电容器输出用于储存和平滑目的，向开关模式类型的DC/DC转换器馈电，通常是脉冲宽度调制(PWM)电源，电容器的输出也经过平滑处理，以产生稳定的低压直流输出。一种这样的设计电源已经在美国专利号8,446,134中描述为“高效AC/DC电源”，该发明人与本申请中的发明人是共同的发明人。然而，尽管在此描述的电源的功率因数是对现有技术电源的改进，但是在功率因数上仍存在实质性改进的空间。

因此，一直需要一种电源，该电源在保持高功率因数和低总谐波失真的同时，进一步提高了线路至输出的效率。

在本部分和本说明书的其他部分中提到的每个出版物的公开内容均通过引用整体并入本文。

发明概述

本公开描述了用于具有高功率因数的高效电源的新的示例性系统，特别是作为LED照明灯具的驱动器，并且具有低轮廓，使得它们可以凹入例如天花板中而不会明显突出。物理尺寸取决于所用变压器的尺寸和所用电容器的尺寸。因此，重要的是获得具有最小可行的体积和厚度的驱动器。

这种AC/DC电源的驱动器包括单独的AC/DC和DC/DC电源级，第一模块装有功率因数校正电路，并且相比传统的单级直流电源，提供的输出DC电压的纹波电平高得多。通过相比于现有技术的电源有意在第一级AC/DC级的输出端使用比现有技术电源小得多的电容存储电容器来实现这种高水平的纹波，这导致了电容器中存储能量的最佳利用。由于输出电容器在电源的体积和可靠性方面都是电源的最关键组件之一，因此使用较小容量的电容器既可以减小体积，又可以提高可靠性。此外，打开电源时，可获得较小的浪涌电流。第二个DC/DC模块可以是常规的PWM或反激模块，它们从第一级的高纹波DC输入提供高度平滑的DC输出。

较小值的电容器能够使用聚酯或聚丙烯薄膜电容器，而不是现有技术LED驱动器的电解电容器。这样的电容器比电解电容器具有更高的可靠性，并且较小的电容值使得能够使用体积明显较小的电容器。另外，电解电容器可以处理的纹波电流受到限制，使得对于诸如本公开中所描述的那些使用从电容器汲取的大纹波电流的电路，使用电解电容器是不利的。

因此，根据本公开中描述的设备的示例性实施方式，提供了用于从交流电源提供用于对存储电容器充电的直流电流的电源，该电源包括：

(i)升压转换器电路，用于将整流电流的电压升高到更高的电压，以给电容器充电，

(ii)控制器，用于将电源的功率因数保持在预定水平以上，以及

(iii)比较器，输入对应于整流电流的瞬时电压的第一信号和对应于电容器上的瞬时电压的第二信号，并输出对应于瞬时电压之间的差的控制信号，

其中，如果整流电流的瞬时电压与电容器上的瞬时电压之间的差小于预定电压，则控制器适于利用控制信号来增加电容器上的电压。

在这样的电源中，将电容器上的瞬时电压维持在大于整流电流的瞬时电压的水平，确保了控制器保持其控制电源的功率因数的能力。此外，可以将预定电压选择为使得电源可以输出大的纹波电流并且使用相应的低容量电容器的电平。

如上所述的电源的其他实现方式可以进一步包括：

(i)直流电流路径中的电阻器，提供对应于直流电流瞬时值的第三信号，以及

(ii)分压器，提供与整流电流的瞬时电压相对应的第四信号，

其中，控制器输入与直流电流的瞬时值相对应的第三信号，以及与整流电流的瞬时电压相对应的第四信号，并利用信号的相位跟踪的偏离来维持电源的功率因数。

在任何上述电源中，可以将预定电压选择为足够小，以允许使用额定电压比具有相同输出特性的电源较低的电容器，但是如果整流电流的瞬时电压与电容器上的瞬时电压相差不超过预定电压，则控制器不适于利用控制信号以增加电容器上存储的电荷的电压。在这种情况下，电容器的较低额定电压可以操作以增加电源的可靠性。

在本申请的电源的其他实施方式中，电容器上的纹波电压可以具有这样的电平，使得电容器上的最小电压小于整流电流的最大电压。在这种情况下，电容器上的最小电压和整流电流的最大电压出现在不同的时间点。根据本公开的电源的这些实施方式，这些不同的时间点源于整流输出电流与所述电容器上的电压之间的相移。这种相移是由整流器负载的电抗性产生的。

根据本公开的又一实施方式，提供了一种方法，该方法能够降低用于从交流电源提供用于给存储电容器充电的直流电流的电源中的电容器的额定电压，该方法包括：

(i)使用升压转换器电路将整流电流的电压升高到较高的电压，以为电容器充电，

(ii)将电源的功率因数保持在预定水平以上，以及

(iii)如果整流电流的瞬时电压与电容器上的瞬时电压之间的差小于预定电压，则增加电容器上的电压，

其中，电容器具有足够低的值，使得电容器上的纹波足够大，以使其最小电压低于整流电流的最大电压，从而与具有较大的电容器的电源中的电容器上的电压相比，能够减小电容器上的最大电压。

在这种方法中，电容器上的最小电压和整流电流的最大电压出现在不同的时间点。这些不同的时间点可能源自整流输出电流的电压与电容器上的电压之间的相移。这种相移是由整流器负载的电抗性产生的。

附图说明

结合附图，从下面的详细描述中将更全面地理解和意识到本发明，其中：

图1示意性地示出了本公开中描述的电源的框图；

图2是通过二极管D1的电流输出I_D1和电容器V_C1上的相应电压随时间变化的曲线图；

图3是本公开的PFC/升压转换器的配置的示意图，以及

图4示出了电容器上的电压V_C1和在电桥处的整流输出处测得的输入电压V_in随时间变化的比较。

发明详述

现在参考图1，其示意性地示出了本公开中描述的电源的框图。在此示例中，使用升压转换器并具有内置的功率因数控制器PFC，将AC输入整流并转换为DC。升压转换器的二极管D1输送具有相当大的纹波水平的输出电流，并且负载未直接使用的输出的多余能量被存储在电容器C1中。本公开涉及用于改善图1的电源的第一级的性能的方法和电路，即，具有其相关联的功率因数控制器的上变频器。

现在参考图2，其是电源的升压转换器第一级通过二极管D1的电流输出I_D1在几个半周期上随时间变化的曲线图，以及电容器上相应电压V_C1的曲线图。从电源汲取的平均负载显示为I_LOAD，电容器上的等效平均电压显示为V_AV。当来自电源的电流下降到I_LOAD以下时，负载将从电容器C1中存储的能量中汲取所需的电流。电容器中存储的能量由下式给出：

E＝¹/₂V²*C

其中V是电容器上的电压，C是电容。

因此，可以从电容器汲取的有用能量E由下式给出：

E＝¹/₂(V₁ ²-V₂ ²)*C

其中V₁是电容器上的最大电压，而V₂是最小值。因此，可以从电容器汲取的能量水平是一个函数，与V₁ ²和V₂ ²之间的差值乘以电容器的电容成比例。因此，对于给定的有用存储能量需求，允许的纹波越大，即(V₁ ²-V₂ ²)的值越大，可以使用的电容器C的值越小，具有使用如上所述的小电容器的所有优点。作为示例，根据本公开构造的具有50W的输出的电源可以使用通常仅4μF的存储电容器，其中在根据现有技术方法构造的等效电源中，将使用40μF的电容器。这种差异的原因在于，本公开的电源允许典型的400V最大输出电压中的最大100V的纹波电压，而现有技术示例的纹波电压只有10V。

除了使用电容值大大小于现有技术电源模块的电容器以外，其优点将在下面结合图4进一步阐述，目前描述的电源使用PFC控制器以确保环境可接受的操作。但是，使用具有高纹波电平输出的升压转换器是有问题的，因为大多数PFC控制器无法在其反馈输入中处理电压输出上的高电平AC。现在通过图3所示，通过本公开特有的PFC/升压转换器的新颖配置来解决该问题。

首先说明基本的上变频器功能。AC输入由桥BR2整流，并且通过电感器L3到达二极管D1，在二极管D1的输出端连接有电荷存储电容器C1。Q7用作该升压转换器配置的开关。PFC控制器从其驱动器输出为开关Q7提供开关信号。PFC的反馈输入通过电阻器R3和R8对电容器C1上的实际电压进行采样，然后PFC控制器的电路调整开关，以在电容器上提供所需的平均电压。

这种具有功率因数控制器的升压转换器电路的局限性之一是，转换器输入端即整流桥输出端的电压V_in必须保持低于电容器C1上的电压。如果不满足此条件，则PFC控制器将停止控制电流电平，并且其行为仅类似于简单的串联二极管，从而导致功率因数校正的完全退化。当使用较低电容的电容器时，如在当前描述的电源中那样，这将成为问题，因为高纹波电平涉及电容器上的电压的大幅度波动，并且如果该电压必须始终保持在瞬时输入电压之上，则它将看起来电容器将需要具有比现有技术电源模块更高的工作电压。结合下面图4所示的电压曲线图说明了解决该问题的方法。电容器维持其预期电压电平的电源输入电压范围大约为90V AC至240V AC。在本公开的电源的典型配置中，电容器上的峰值电压将约为400V。对于240V至最高允许的265V AC的交流输入电压，补偿电路将使电容器上的峰值电压在交流输入电压高于标称值的期间内最高上升到不超过约430V峰值成为可能。由于这通常仅是非常短的时间，因此对电容器可靠性的影响最小。

现在参考图4，其示出了目前描述的电源的新颖的转换电路克服的问题。在图4中，顶部的迹线是电容器上的电压V_C1，而底部的迹线是输入电压V_in，在电桥的整流输出处测得。如所观察到的，在标记为40的点处，输入电压V_in刚好达到电容器上的电压，因此，为了避免停止功率因数校正，使用补偿电路来升高电容器上的电压。

为了确保在波形的每个点上电容器上的电压与来自整流主电源输入的电压之间保持有限的电压差，图3的电路使用新颖的配置，以确保每当整流后的输入电压与电容器电压相差超过预定电平时，控制器会升高电容器电路的电压水平，以保持电路设计所定义的最小预定差值。同时，电容器电压的波形保持其预定形式，以确保维持良好的功率因数。通过确保严格控制，可以使电压差保持较小。

现在说明使用本公开的电路的附加功能来适应的PFC控制器的操作。PFC控制器的通常功能是确保从电网汲取的功率波形与正弦形式的偏差不超过预定水平，并保持高功率因数PF和低总谐波失真THD。在当前描述的电路中，控制器通过跟踪输入电压的波形(通过整流桥输出端的电压V_in反映)并将该输入电压波形与从二极管整流桥BR2输入的电流波形进行比较来实现此目的。电路必须确保输入电流I_in尽可能准确地跟随输入电压V_in，从而确保维持良好的功率因数。再次参照图3，通过位于电源的电流返回线中的感测电阻器R_S上的电压获得与从整流桥汲取的输入电流I_in相对应的信号。对应于输入电压V_in的信号从DC电压输入和地之间的电阻分压器R11，R10输入到PFC控制器。PFC控制器电路连续比较对应于输入电流且对应于输入电压的信号，并调整PFC中的电流输出环路，以确保输出电流的电平尽可能接近输入电压的电平的变化。作为该补偿的结果，根据需要以确保良好的功率因数校正，与输入电流相对应的波形准确地跟随与输入电压相对应的波形。这样的结果是电容器上电压的交流分量非常接近正弦分量。在使用此电路配置构造的向50W照明灯具提供0.5A电流的驱动器中，可以获得大于0.97的功率因数和小于10％的总谐波失真。

本公开的PFC电路实现的第二控制方面是调节电容器V_C1上的电压的电平，使得其永远不会低于从电桥输入的电压V_in的电平，或者甚至与V_in相差超过预定间隙电压。该电路使用比较器U1以执行该功能。比较器的一个输入是电容器上的电压V_C1，该电压通过电阻网络R2-R7进入U1的引脚3来获得。比较器的第二输入是通过电阻器网络R1-R6获得的对应于V_in的电压。比较器输出的这两个电压之间的差用于更改从R3-R8电阻网络获得的输入到PFC控制器的反馈，以提高电容器V_C1上的电压，以保持该差V_in和V_C1之间的差值大于预定间隙电压。通过这种方式，消除了由于输入电压升高而引起的潜在功率因数校正不稳定性。可以通过使用一个额外的小电容C3来抑制比较器的输出，以避免电压控制反馈电路中的过冲和其他急剧变化。

为了实现上述两个功能，PFC控制器必须具有完全独立的电路，用于确定电容器上的过电压，并测量信号以提供反馈以将电容器电压维持在所需范围内。

使用上述电路来确保电容器上的电压V_C1总是大于输入的整流电压V_in，在使能使用比现有技术的电源更低的额定电压电容器方面起作用。如果不使用这种电路，则在电桥的最大输入电压V_in与电容器上允许的电压V_C1之间需要有较大的电压间隙，以确保该电压差永远不会降至预定水平以下，应使其尽可能小。因此，在这样的现有技术的电源中，电容器的额定电压必须从输入电压中充分清除以避免这种电压“接触”事件的发生，并且需要使用额定电压为500V的电容器。另一方面，当使用上述电路时，由于电容器上的电压以主动方式“跟踪”输入电压的电平，因此，由于该电路主动将电容器电压推离输入电压预定水平，因此可以容忍较小的电压差。因此，可以选择电容器的额定电压，使其具有比现有技术电源所要求的最大输入电压高的较小电平，这种较低的额定电压导致更高的可靠性。电容器确实会达到较高的电压，但仅在输入电压可能达到其最大允许电平时的短时间内出现。典型的额定电压可能是450V，比现有技术电源中电容器所需的500V额定电压低50v。

图4可用于以图形方式示出与现有技术电源模块中所要求的电容器相比，与当前描述的系统中所使用的电容器的额定电压的差异。如前所述，本公开的电源的重要特征是使用电容值明显小于现有技术电源的电容器，因此，其输出纹波比现有技术电源级大得多。在图4所示的示例中可以看到很大的纹波，其中电容器上的峰峰值纹波具有超过100V的电压电平。在具有较大电容器并因此具有较小纹波电平的现有技术电源模块中，输出电容器上的纹波电压的典型数值可能仅为10V量级。在这种情况下，这种小的纹波电压的电平应使整个电容器电压纹波波形处于比最大输入电压峰值更高的电压。这就要求电容器的额定电压要比峰值输入电压高出电容器上的峰峰值纹波，再加上确保V_c始终高于V_in所需的电压间隙。当前描述的电路使用输入电流(以及因此还有输入电压)和电容器上的电压之间的相位差，该相位差是由电桥输出电流的无功负载引起的。结果，电容器上的最低纹波电压电平不会在与输入电压的峰值电压相同的时间点出现。因此，电容器上的最小电压实际上可以降到峰值输入电压以下，如图4所示。通过使得较低电平的电容器纹波电压V_c下降到整流输入电压V_in峰值以下的谷中，如图4的电压迹线的点41处所示，此特征可以对当前所述功率模块的电容器上的随后的较大纹波电压进行补偿。但是，在任何特定时间点，请注意输入电压始终小于电容器上的电压，因此PFC可以保持对电源模块汲取的输入电流的适当控制。由比较器U1周围的控制电路产生的该较低的电压电平，以及上述的小电压间隙，使得能够在本公开内容的电源中使用较低额定电压的电容器，因此具有较小的尺寸和较长寿命的电容器。

尽管已经在图3的示例性电路中将电源模块的功能操作描述为模拟电路，但是应该理解，也可以使用微控制器通过对各种电压电平进行数字操作来实现相同的功能操作。这种微控制器甚至可以提供比模拟类型的控制电路更宽的控制选项，其实施例如图3所示。

本领域技术人员应理解，本发明不受上文已具体示出和描述的内容的限制。相反，本发明的范围包括上文描述的各种特征的组合和子组合，以及本领域技术人员在阅读以上描述时将想到的对本发明的变型和修改，而这些都不是现有技术。

Claims

1.用于从交流电源提供用于对存储电容器充电的直流电流的电源，所述电源包括：

升压转换器电路，用于将整流电流的电压升高到更高的电压，以给所述电容器充电；

控制器，用于将电源的功率因数保持在预定水平以上；以及

比较器，输入对应于所述整流电流的瞬时电压的第一信号和对应于所述电容器上的瞬时电压的第二信号，并输出对应于所述瞬时电压之间的差的控制信号，

其中，如果所述整流电流的所述瞬时电压与所述电容器上的所述瞬时电压之间的差小于预定电压，则所述控制器适于利用所述控制信号来增加电容器上的电压。

2.根据权利要求1所述的电源，其中，将所述电容器上的瞬时电压保持在大于所述整流电流的瞬时电压的水平，确保所述控制器保持其控制所述电源的功率因数的能力。

3.根据权利要求1和2中任一项所述的电源，其中，将所述预定电压选择为使得所述电源可以通过使用相应的低容量电容器来输出大的纹波电流的电平。

4.根据权利要求1所述的电源，还包括：

在所述直流电流路径中的电阻器，提供与所述直流电流的瞬时值相对应的第三信号；以及

分压器，提供与所述整流电流的所述瞬时电压相对应的第四信号，

其中所述控制器输入与所述直流电流的瞬时值相对应的所述第三信号，以及与所述整流电流的所述瞬时电压相对应的所述第四信号，并利用所述信号的相位跟踪的偏离以保持所述电源的功率因数。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的电源，其中，将所述预定电压选择为足够小，以使得能够使用具有比具有相同输出特性的电源较低的额定电压的电容器，但是如果所述整流电流的所述瞬时电压与所述电容器上的所述瞬时电压相差不超过所述预定电压，所述控制器不适于利用所述控制信号来增加电容器上存储的电荷的电压。

6.根据权利要求5所述的电源，其中，所述电容器的所述较低的额定电压可操作以增加所述电源的可靠性。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的电源，其中，所述电容器的电容具有足够低的电平，以使得所述电容器上的纹波的最小电压低于所述整流电流的最大电压。

8.根据权利要求7所述的电源，其中，所述电容器上的所述最小电压和所述整流电流的所述最大电压出现在不同的时间点。

9.根据权利要求8所述的电源，其中，所述不同的时间点源自所述整流的输出电流与所述电容器上的所述电压之间的相移。

10.根据权利要求9所述的电源，其中，所述相移是由所述整流器的负载的电抗性产生的。

11.能够降低电源中电容器的额定电压的方法，所述电源用于从交流电源提供用于对存储电容器充电的直流电流，所述方法包括：

使用升压转换器电路将整流电流的电压升高到更高的电压以给所述电容器充电；

将所述电源的功率因数保持在预定水平以上；以及

如果所述整流电流的瞬时电压与所述电容器上的瞬时电压之间的差小于预定电压，则增加所述电容器上的电压；

其中所述电容器具有足够低的值，以使得所述电容器上的纹波大到其最小电压低于所述整流电流的最大电压，从而使得与具有较大的电容器的电源上的电容器上的电压相比，能够减小所述电容器上的最大电压。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述电容器上的所述最小电压和所述整流电流的所述最大电压出现在不同的时间点。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述不同的时间点源自所述整流的输出电流与所述电容器上的所述电压之间的相移。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述相移是由所述整流器的负载的电抗性产生的。