CN113541467A - 一种高功率因数填谷电路 - Google Patents

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Abstract

一种高功率因数填谷电路，连接在整流电路101与开关电源301之间，包括填谷电路201和LC谐振电路401，LC谐振电路401的一端与开关电源301的交流信号点301B连接，另一端与填谷电容中间的连接点201A连接，当输入电压高于填谷电容电压时，输入电压给开关电源301供电，开关电源301通过LC谐振电路401给填谷电容提前充电升高电压，因此当输入电压达到峰值时不会出现瞬间大电流充电，有效提高了电源的功率因数。本发明在实现填谷电路功率因数进一步提升的同时，功率因数校正效果在一定范围内不会受负载变化而出现显著影响，同时适用于各种开关电源拓扑，满足各种开关电源提高功率因数的应用需求。

Description

一种高功率因数填谷电路
技术领域
本发明涉及电路领域，特别涉及一种高功率因数填谷电路。
背景技术
在中小功率电网负载中，由于功率较低，因此对功率因数的要求普遍不高。但是由于应用广泛，大范围使用容易导致电网谐波污染严重，因此在实际应用中经常需要采用简易的功率因数校正电路对负载的功率因数进行有限度的提高。目前常用的简易电路即为填谷电路，如图1所示。
其中电路201-1即为填谷电路，填谷电路的基本原理为：输入交流电源经过整流桥整流后输出脉动直流电压，该脉动直流电压高于填谷电路电容C1和C2的电压时，脉动直流电压直接给后级负载供电，当脉动直流电压高于填谷电路电容C1和C2串联电压之后，脉动直流电压通过电容C2、二极管D3、电容C1回路给电容C1和C2充电，直到脉动直流电压达到峰值电压后停止充电；当脉动直流电压低于电容C1或C2电压时，脉动直流电压不供电，由电容C1和C2通过二极管D1和D2给后级负载供电。由于脉动直流电压供电时，负载电流不流过填谷电容直接给负载供电，因此电源电流谐波减小，功率因数提升。为了叙述方便，本案后续将交流电源整流后的脉动直流电压简称为输入电压。
填谷电路通过增加负载导通角的方式可以将电源功率因数可以提高到0.8左右。该方案在给填谷电路两个电容充电时依然存在瞬间大充电电流，限制的功率因数的进一步提升。为了进一步提高填谷电路的功率因数，申请号为201010191174.2的一种逐流无源功率因数校正电路及电子镇流器启动电路提供了通过后级电路增加功率因数的方法。方案如图2所示，具体原理描述如下：
在此专利申请的实施例中，二极管体电阻RVD22、RVD23可以有效减小电容C1、C2往复充电过程中的峰值电流。典型的逐流式电子镇流器的输入电流Iin中的尖峰脉冲是导致THD 值较大的主要因素，因此通过在逐流功率因数校正级与后级谐振变换之间加入高频滤波电容 CV，高频滤波电容CV根据高频谐振逆变电流的方向给电容C1、C2充电，从而使电容C1、 C2上的电压高于输入电压峰值Vm的一半，即直流总线的电压谷值大于1/2Vm，改进后输出电压波形大有改善，THD值明显减小。
根据以上原理结合原理图可知，申请号为201010191174.2的专利在电路工作时，主回路电流流过填谷电容，使得填谷电容的电压在输入电压达到峰值以前达到1/2的Vm，从而避免输入电压达到峰值时出现峰值充电电流，提高了功率因数。不过这种方法将负载电路串联进 LC谐振电路中，只能采用LC谐振的工作方式给负载供电，限制了电路的工作拓扑。如果给开关电源改善功率因数，也只能配合LLC电源拓扑使用，无法满足应用更广泛的反激、全桥等拓扑，缺乏普适性。而且不适合非隔离的开关电源使用，更限制了应用场合。另外通过LC 谐振电路给填谷电路充电，而LC谐振电路的电流大小又由负载电流大小决定，因此如果应用于开关电源中，随着电源负载电流变化，填谷电容的充电电流也会随之变化。而填谷电容充电电流过大，则会导致填谷电容电压升高，输入电源导通角减小，功率因数降低。填谷电容充电电流过小，则会导致填谷电容电压过小，输入电源电压达到峰值时会出现瞬间大电流充电，进而降低功率因数。因此现有方案只能应用于灯光等负载稳定的应用场合，不适合一般开关电源负载工况复杂的应用场合。
综上所述，现有填谷电路存在电容瞬间充电电流导致功率因数降低的问题。现有功率因数校正方案虽然在特定负载下可以进一步提高功率因数，但是存在功率因数随负载波动影响明显，应用电路拓扑单一，以及不适用非隔离开关电源的问题，不能满足常规开关电源应用。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种高功率因数填谷电路，在实现填谷电路功率因数进一步提升的同时，功率因数校正效果在一定范围内不会受负载变化而出现显著影响，同时适用于各种开关电源拓扑，满足各种开关电源提高功率因数的应用需求。
本发明提供的技术方案如下：
一种高功率因数填谷电路，包括填谷电路201，填谷电路201的输入端与整流电路101 连接，输出端与开关电源301连接，填谷电路201包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、电容C1和电容C2，所述二极管D2、D3、D4、D1依次串联，二极管D2的阳极与填谷电路201的地端连接，二极管D1的阴极与填谷电路201的正端连接，电容C1的一端与二极管D1和二极管D4的连接点连接，电容C1的另一端与填谷电路201的地端连接，电容C2的一端与填谷电路201的正端连接，电容C2的另一端与二极管D2和二极管D3的连接点连接；
其特征在于：还包括LC谐振电路401，LC谐振电路401的一端与开关电源301的交流信号点301B连接，另一端与二极管D3和二极管D4的连接点201A连接。
作为优选，所述LC谐振电路401包括电感L1和电容C3，电感L1与电容C3串联后，电感L1的另一端与开关电源301的交流信号点301B连接，电容C3的另一端与二极管D3 和二极管D4的连接点201A连接。
作为优选，所述LC谐振电路401的谐振频率低于开关电源301开关频率的三分之一。
作为优选，所述LC谐振电路401的谐振频率高于开关电源301开关频率的三倍。
作为优选，所述开关电源301为反激电路，所述交流信号点301B为变压器T1原边绕组和开关管Q1的连接点。
作为优选，所述开关电源301为LLC电源电路，所述交流信号点301B为原边开关管Q1 和开关管Q2的连接点。
作为优选，所述开关电源301为BUCK电路，所述交流信号点301B为主开关管Q1和续流开关管Q2的连接点。
本发明的有益效果在于：本发明填谷电路充电的回路独立于负载的主功率能量传输回路，填谷电容的能量传输可以独立调节传输器件，不受负载电流变化影响；同时填谷电容的能量传输通道可以从任何开关电源拓扑的交流信号源接引能量给填谷电容充电，不受拓扑类型限制，适用于对各种开关电源拓扑的填谷电路提高功率因数。
附图说明
图1是现有技术填谷电路在反激电路中的应用电路；
图2是现有技术的填谷电路功率因数改善电路；
图3是本发明第一实施例电路原理图；
图4是本发明第一实施例电源输入电压和电流波形图；
图5是本发明第二实施例电路原理图；
图6是本发明第三实施例电路原理图。
具体实施方式
第一实施例
本发明第一实施例电路原理图如图3所示，一种高功率因数填谷电路，其输入端与整流电路101连接，其输出端与开关电源301连接，包括填谷电路201和LC谐振电路401，填谷电路201包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、电容C1和电容C2，二极管 D2、D3、D4、D1依次串联，二极管D2的阳极与填谷电路201的地端连接，二极管D1的阴极与填谷电路201的正端连接，电容C1的一端与二极管D1和二极管D4的连接点连接，电容C1的另一端与填谷电路201的地端连接，电容C2的一端与填谷电路201的正端连接，电容C2的另一端与二极管D2和二极管D3的连接点连接；LC谐振电路401包括电感L1和电容C3，电感L1与电容C3串联后，电感L1的另一端与开关电源301的交流信号点301B连接，电容C3的另一端与二极管D3和二极管D4的连接点201A连接。
开关电源301的正端连接填谷电路的正端，开关电源301的地端连接填谷电路的地端，其中，开关电源301为反激电路，开关电源301将直流信号斩波转换为交流信号后产生一交流信号点301B，交流信号点301B为变压器T1原边绕组和开关管Q1的连接点。
本实施例方案进一步提高填谷电路功率因数的原理为：当反激开关电源301工作时，变压器T1与开关管Q1之间就会形成交流开关信号，该交流开关信号通过LC谐振电路401后会传输到填谷电电路的201A端，当201A端为低电压时，输入电压通过二极管D3给电容C2充电；当201A端为高电压时，输入电压通过二极管D4给电容C1充电，因此反激开关电源 301实现了将输入能量通过LC谐振电路401传输给填谷电路201并给填谷电路电容C1和C2 充电的功能。
当输入电压高于填谷电路电容电压时，输入电压给反激开关电源301供电，反激开关电源301通过LC谐振电路401给填谷电容提前充电升高电压，因此当输入电压达到峰值时不会出现瞬间大电流充电；当输入电压低于填谷电容电压时，填谷电路201给反激开关电源301 供电，反激开关电源301通过LC谐振电路401给填谷电路201充电的信号电压不足以提高填谷电容电压，通过调节电容C3的容量和电感L1的感量，可以调节不同频率下交流信号点 301B传输到201A端电流的大小，从而使得填谷电容的电压不会因为电流太大充太高，也不会因为电流太小电压不足。
由于电容C3和电感L1组成的串联回路阻抗只跟开关电源的频率有关，因此只要反激开关电源的开关频率不变，填谷电容的充电电流就能保持稳定，基本不受负载电流大小影响，为了控制反激开关电源给填谷电容的充电电流，LC谐振电路的谐振频率一般低于反激开关电源开关频率的三分之一，或高于反激开关电源开关频率的三倍。
在本实施例中，反激开关电源301的工作频率为65KHz，电容C3为600nF，电感L1为300uH，填谷电容C1和C2为120uF，变压器T1原边励磁电感120uH，输入电源为220Vac，输入串联200uH电感以滤平输入电流高频纹波，得到电源的输入电压和输入电流波形如图4 所示，其中Vac为交流输入电压，Iin为交流输入电流，从图中看电流波形和电压波形同相位，并且没有瞬间大电流充电，功率因数从单纯填谷电路的0.8提高到了0.91，因此有效提高了电源的功率因数。
第二实施例
本发明第二实施例电路原理图如图5所示。本实施例与第一实施例的区别在于，开关电源为LLC电源拓扑，交流信号点为LLC电源原边开关管Q1和开关管Q2的连接点，由于LLC电源工作时，两个开关管交替导通，因此在连接点形成交流开关信号。该开关信号通过LC谐振串联回路后同样可以给填谷电路电容充电，从而提高电源的功率因数，具体提高功率因数的工作原理和效果同第一实施例，此处不再赘述。
第三实施例
本发明第三实施例电路原理图如图6所示。本实施例与第一实施例的区别在于，开关电源为BUCK电路，交流信号点为BUCK电路主开关管Q1和续流开关管Q2的连接点，由于BUCK电路工作时，两个开关管交替导通，因此在连接点形成交流开关信号。该开关信号通过LC谐振串联回路后同样可以给填谷电路电容充电，从而提高电源的功率因数，具体提高功率因数的工作原理和效果同第一实施例，此处不再赘述。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，对于本技术领域技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围，这里不再用实施例赘述，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (7)

1.一种高功率因数填谷电路，包括填谷电路(201)，填谷电路(201)的输入端与整流电路(101)连接，输出端与开关电源(301)连接，填谷电路(201)包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、电容C1和电容C2，所述二极管D2、D3、D4、D1依次串联，二极管D2的阳极与填谷电路(201)的地端连接，二极管D1的阴极与填谷电路(201)的正端连接，电容C1的一端与二极管D1和二极管D4的连接点连接，电容C1的另一端与填谷电路(201)的地端连接，电容C2的一端与填谷电路(201)的正端连接，电容C2的另一端与二极管D2和二极管D3的连接点连接；
其特征在于：还包括LC谐振电路(401)；LC谐振电路(401)的一端与开关电源(301)的交流信号点(301B)连接，另一端与二极管D3和二极管D4的连接点(201A)连接。
2.根据权利要求1所述的高功率因数填谷电路，其特征在于：所述LC谐振电路(401)包括电感L1和电容C3，电感L1与电容C3串联后，电感L1的另一端与开关电源(301)的交流信号点(301B)连接，电容C3的另一端与二极管D3和二极管D4的连接点(201A)连接。
3.根据权利要求1所述的高功率因数填谷电路，其特征在于：所述LC谐振电路(401)的谐振频率低于开关电源(301)开关频率的三分之一。
4.根据权利要求1所述的高功率因数填谷电路，其特征在于：所述LC谐振电路(401)的谐振频率高于开关电源(301)开关频率的三倍。
5.根据权利要求1所述的高功率因数填谷电路，其特征在于：所述开关电源(301)为反激电路，所述交流信号点(301B)为变压器T1原边绕组和开关管Q1的连接点。
6.根据权利要求1所述的高功率因数填谷电路，其特征在于：所述开关电源(301)为LLC电源电路，所述交流信号点(301B)为原边开关管Q1和开关管Q2的连接点。
7.根据权利要求1所述的高功率因数填谷电路，其特征在于：所述开关电源(301)为BUCK电路，所述交流信号点(301B)为主开关管Q1和续流开关管Q2的连接点。
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