CN1366730A

CN1366730A - Ac－dc变换器

Info

Publication number: CN1366730A
Application number: CN01801007A
Authority: CN
Inventors: C·D·C·霍伊杰尔; P·C·M·马里恩
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2000-04-21
Filing date: 2001-04-10
Publication date: 2002-08-28
Also published as: WO2001082458A1; JP2003532361A; US6411533B2; EP1279220A1; US20010038545A1

Abstract

在瞬态模式的一个向上变换器的操作中,一个偏置信号加到控制IC的电流传感管脚上的信号中。即使向上变换器提供的电源电压和/或功率在较宽的范围上改变,这种向上变换器也能够产生相对低的THD。

Description

AC-DC变换器

本发明涉及一种AC-DC变换器，它包括：

输入端子，连接到提供交流电压的电压源的电极，和输出端子，

整流装置，连接到输入端子上，用于将交流电压整流，

一个电感元件，连接到整流装置上，

一个缓冲电容器，连接到输出端子上，

一个单向元件，连接在电感元件与缓冲电容器之间，

一个开关元件，连接到电感元件上，用于控制通过电感元件的电流，

一个控制电路，连接到开关元件的一个控制电极上，用于产生周期性控制信号，促使开关元件以频率f交替导通和不导通，并且具有：

第一电路部分，用于产生第一信号，其中第一信号是电感元件中电流瞬时振幅的测量值，和

第二电路部分，用于产生第二信号，其中第二信号与交流电压振幅的瞬时值成正比，

一个比较器，它的第一输入端连接到第一电路部分的输出端上，它的第二输入端连接到第二电路部分的输出端上，并且它的输出端连接到开关元件的所述控制电极上。

这样的AC-DC变换器已在US4683529中公开。已知的AC-DC变换器的控制电路在第一时间间隔t-on中促使开关元件导通，在电压源提供的交流电压的每个半周期中，这基本上是恒定的。在第一时间间隔t-on中，电感元件中的电流基本上线性增加。t-on的值相符合于输出端子取出的功率。在交流电压的每个半周期中，当t-on的值基本上恒定时，电压源上获取的电流值是控制信号一个周期上的平均值，它基本上与交流电压的瞬时振幅成正比例。这样实现了已知AC-DC变换器的功率因数相对高。在第二时间间隔t-off，电感元件中的电流基本上线性减小。在已知的AC-DC变换器中，在电感元件中的电流基本上已经变得等于零之后，控制电路促使开关元件几乎立即再次导通。开关元件的这种控制被称为“变换模式”。当电感元件中的电流基本上为零时，它同样应用于通过单向元件的电流上。这样实现了当开关元件变为导通时，在单向元件中只发生相对小的功率耗散。控制信号的频率通常选择得相对高，因为这允许电感元件和EMI滤波器被选择得相对小，其中电感元件和EMI滤波器通常连接在输入端子与整流装置之间。结果，AC-DC变换器相对小而且便宜。然而，如果输出端子取出的功率减小，或者如果电压源提供的交流电压的振幅增加，那么t-on的值由控制电路减小。同样，在这样低的取出功率的值上，或者在相对高的交流电压振幅的值上，已知的AC-DC变换器以变换模式操作，其结果是控制信号的频率增加。已知的AC-DC变换器的缺点在于，在高的频率上，已知的控制电路的主要部分不能足够精确地控制时间间隔t-on，使AC-DC变换器在操作中发生不稳定。在相对高频的控制信号时，开关元件中耗散的功率的量也相对高。

本发明的目的是提供这样一种AC-DC变换器，它能够在大范围的取出功率上，和电压源提供的交流电压的大范围振幅上，以稳定的方式操作，并且它具有高的功率因数，低的THD和元件中低的功率耗散。

为了实现这个目标，在本文开始部分叙述的这种类型的AC-DC变换器的基础上，根据本发明的特点在于，控制电路还包括第三电路部分，用于产生偏置信号；和加法电路，用于将第一信号与偏置信号结合，它的输出端连接到比较器的第一输入端上。

已经发现，根据本发明的AC-DC变换器可以用在交流电压相对大范围的振幅中，并且用在输出端子上取出的相对大范围的功率中。在这两个范围内，AC-DC变换器的功率因数相对高，并且THD相对低。

使用根据本发明的AC-DC变换器，已经得到了好效果，其中偏置信号具有恒定的振幅。如果偏置信号具有恒定的振幅，那么在穿过零点的交流电压附近，AC-DC变换器不从电压源中取出功率。可以以相对简单的方式，即第三电路部分包括欧姆电阻，来实现偏置信号的恒定振幅。

通过根据本发明的AC-DC变换器的实施例，也实现了好效果，其中偏置信号是周期信号，它的频率等于整流的交流电压的频率。更特别地，如果当整流的交流电压的振幅最大时，偏置信号的振幅局部最小，特别当输出端子取出的功率相对小时，那么可以得到好效果。可以以相对简单并且非常可靠的方式，即电感元件包括辅助绕组，并且第三电路部分连接到所述辅助绕组上，来实现偏置信号这样的形式，并且提供有：

一个二极管与两个阻抗的串联连接支路，和

一个电容元件，连接到这两个阻抗元件的连接点上。

阻抗最好包括欧姆电阻。

在根据本发明的AC-DC变换器的进一步的实施例中，第三电路部分连接到控制电路的输出端上，并且第三电路部分提供有两个阻抗元件的串联连接支路，并且提供有电容元件，连接到这两个阻抗的连接点上。通过使用这个实施例，已经实现了好效果。阻抗最好包括欧姆电阻。

本发明的这些和其它方面，将参考此后描述的实施例说明。

在附图中：

图1示意地显示了根据本发明的AC-DC变换器的例子，其中该变换器连接了负载；

图2显示了图1中所示的例子的一部分的几个实施例，而

图3显示了电感元件中平均电流的形式，和图2显示的各个实施例的偏置信号的形式。

在图1中，K1和K2指示输入端子，它们连接到提供交流电压的电压源上。输入端子K1和K2连接到整流装置DB各自的输入端上，在这个例子中，整流装置DB由二极管电桥DB组成。二极管电桥的输出端通过欧姆电阻RM1与RM2串联连接支路的方式而彼此连接。这个欧姆电阻RM1与RM2的串联连接支路与线圈L、开关元件Q与欧姆电阻RCS构成的串联连接支路相并联。在这个例子中，线圈L形成电感元件，并且提供有辅助绕组L′。开关元件Q和欧姆电阻RCS的串联连接支路与二极管D和电容器C构成的串联连接支路相并联。二极管D形成单向元件，而电容器C形成缓冲电容。欧姆电阻RCS与电容器C的连接点由第一输出端子K3形成。二极管D与电容器C的连接点由第二输出端子K4形成。电容器C与欧姆电阻RI1和RI2构成的串联连接支路相并联。负载ZLD连接到输出端子K3和K4之间。一个控制电路，用于产生控制信号，它由欧姆电阻RM1、RM2、RZC、ZCOMP、RF、RCS、RI1和RI2，辅助绕组L′，电容器CF与电路部分III和IV形成，其中控制信号用于促使开关元件交替导通和不导通。辅助绕组的L′的第一末端部分连接到第一输出端子K3上。辅助绕组的L′的第二末端部分通过欧姆电阻RZC，连接到电路部分IV的第一输入端上。在这个例子中，电路部分IV由IC形成，如ST Microelectronics的IC L6561芯片。电路部分IV的第二输入端连接到电路部分VDC的输出端上。电路部分VDC是对电路部分IV馈电的直流电流源。电路部分IV的第三输入端连接到欧姆电阻RM1与RM2的连接点上。欧姆电阻RM1与RM2形成第二电路部分中用于产生第二信号的部分，其中第二信号与交流电压振幅的瞬时值成正比。电路部分IV的第四输入端通过欧姆电阻ZCOMP，连接到欧姆电阻RI1与RI2的连接点上。电路部分IV的第五输入端直接连接到欧姆电阻RI1与RI2的连接点上。电路部分IV的第六输入端连接到输出端子K3上。欧姆电阻RCS与电容器CF和欧姆电阻RF构成的串联连接支路相并联。欧姆电阻RCS、欧姆电阻RF和电容器CF一起形成第一电路部分，用于产生第一信号，它是线圈L中电流瞬时振幅的测量值。电路部分IV的第七输入端连接到第一电路部分的输出端上，其中第一电路部分的输出端由欧姆电阻RF与电容器CF的连接点形成。开关元件Q的控制电极连接到电路部分IV的输出端上。电路部分III形成第三电路部分，用于产生偏置信号。电路部分III的输出端连接到第一电路部分的输出端上。这个连接形成加法电路部分，用于将第一信号与偏置信号结合。电路部分III还包括输入端。电路部分III可以以不同的方式实施。电路部分III的三个实施例在图2中显示。根据电路部分III的这些实施例，电路部分III的输入端连接到AC-DC变换器的另一个端子上。可能的连接在图1中由虚线的方式指示。如果电路部分III由欧姆电阻R1形成，如图2a所示，那么电路部分III的输入端连接到电路部分VDC的输出端上。如果电路部分III由二极管D1、欧姆电阻R1和R2与电容器C1形成，如图2b所指示的，那么电路部分III的输入端连接到辅助绕组L′与欧姆电阻RZC的连接点上。如果电路部分III由欧姆电阻R1和R2与电容器C1形成，如图2c所指示的，那么电路部分III的输入端连接到电路部分IV的输出端上。

图1中显示的例子的操作说明如下。如果输入端子K1和K2连接到提供AC电压的电压源上，那么这个AC电压被二极管电桥DB整流，并且整流的AC电压出现在二极管电桥DB的输出端之间。在欧姆电阻RM1与RM2的连接点上，即在电路部分IV的第三输入端上，具有一个与AC电压振幅的瞬时值成正比的信号。在欧姆电阻RI1与RI2的连接点上，具有一个与端子K3与K4之间电压振幅的瞬时值成正比的信号，即与输出电压振幅的瞬时值成正比。出现在电路部分IV的第四输入端上的信号，还与输出电压的振幅成正比。从出现在电路部分IV第四输入端上的信号中，通过电路部分IV的第一部分获得新的信号，这个新的信号与输出电压的振幅成反比。一个乘法电路将这个新的信号与电路部分IV的第三输入端上出现的信号相乘，其中乘法电路也形成电路部分IV的一部分。相乘的结果形成第二信号。在这个例子中，第二信号这样不仅依赖于交流电压的振幅，而且依赖于输出电压的振幅。这个第二信号出现在比较器的第二输入端上，比较器也形成电路部分IV的部分。这个比较器的第一输入端连接到电路部分IV的第七输入端上。在这个第七输入端上，信号是第一电路部分产生的第一信号与电路部分III产生的偏置信号的和。比较器的输出端连接到电路部分IV的输出端上。如果电路部分IV已经通过辅助绕组和第一输入端检测到，线圈L中的电流基本上已经变为零，那么开关元件Q被促使导通，假设第二信号大于出现在比较器第一输入端上的信号。第一输入端上的信号基本上等于偏置信号，因为线圈电流基本上为零。如果第二信号小于偏置信号，那么开关元件不被促使导通。当开关元件Q导通时，电流流经线圈L并流经开关元件Q。这个电流的振幅线性增加，直到比较器第一输入端上的信号大约等于第二输入端上的信号为止。在那瞬间，开关元件Q通过比较器的输出端，被促使不导通。当开关元件Q不导通时，通过线圈L的电流基本上线性减小，并且这个电流使电容器C充电。已经发现，依靠偏置信号的出现，AC-DC变换器可以用在交流电压相对大范围的振幅中，并且用在相对大范围的输出端子的取出功率中。在这两个范围内，AC-DC变换器的功率因数相对高，并且THD相对低。

对于图2中所示的电路部分III的各个实施例，并且对于输出端子上取出功率的各个值(P1、P2和P3)，图3显示了偏置电压Va与线圈电流IL的时间平均值的形式为等于交流电压的周期T的时间间隔上的时间函数。

图3a相应于图2a显示的电路部分III的实施例。图3a显示了偏置信号具有恒定的振幅，并且显示了在交流电压穿过的零值的附近，线圈电流的时间平均值为零，从而不从电力干线上取出功率。

图3b相应于图2b显示的电路部分III的实施例。图3b显示了偏置信号具有依赖于时间的振幅。图3b还显示了偏置信号的振幅还依赖于输出端子上取出的功率。在交流电压振幅的最大值(t＝0.25T和t＝0.75T)，随着功率减小，偏置信号的振幅减小，而在交流电压穿过的零值的附近(t＝0，t＝0.5T和t＝T)，随着功率减小，交流信号的振幅增加。对于取出功率的各个值，显示了线圈电流的时间平均值。

图3c相应于图2c显示的电路部分III的实施例。对于这个实施例，图3c显示了当交流电压的振幅最大时(t＝0.25T和t＝0.75T)，偏置信号局部最小。当输出端取出的功率变得更小时，这个最小值变得更小。在交流电压穿过的零值附近(t＝0，t＝0.5T和t＝T)，偏置信号达到最大值。对于取出功率的各个值，显示了线圈电流的时间平均值。

根据本发明，AC-DC变换器的实际实施例用于在镇流器中，其中如图2b所示实施了电路部分III，镇流器用于向TL5型(Philips)低压汞蒸气放电灯馈电，其中放电灯具有35W的额定功率。交流电压的有效值为230V。如果灯消耗的功率大约为20W，那么控制信号的频率在330kHz到380kHz之间改变(依赖于交流电压振幅的瞬时值)。在灯消耗的功率减小到大约15W的情况下，控制信号的这个频率范围在410kHz到550kHz之间改变。灯消耗的功率进一步减小到大约10W，导致了270kHz到500kHz之间的频率范围，使控制信号的平均频率低于灯消耗15W功率的情况。还发现在灯消耗功率的整个功率范围内，THD相对低，并且AC-DC变换器达到EMI的EN55015要求，和关于性能的EN61000-3-2要求。在一个独立的实验中发现，如果偏置电压不加到第一信号上，那么在灯消耗10W功率时，AC-DC变换器的稳定操作是不可能的。

Claims

1.一种AC-DC变换器，包括：

输入端子，连接到提供交流电压的电压源的电极上，和输出端子，

整流装置，连接到所述输入端子上，用于将交流电压整流，

一个电感元件，连接到所述整流装置上，

一个缓冲电容器，连接到所述输出端子上，

一个单向元件，连接到所述电感元件与所述缓冲电容器之间，

一个开关元件，连接到所述电感元件上，用于控制通过所述电感元件的电流，

一个控制电路，连接到所述开关元件的一个控制电极上，用于产生周期性控制信号，促使开关元件以频率f交替导通和不导通，并具有：

第一电路部分，用于产生第一信号，它是所述电感元件中电流瞬时振幅的测量值，和

第二电路部分，用于产生第二信号，它与交流电压振幅的瞬时值成正比，

一个比较器，它的第一输入端连接到第一电路部分的输出端上，它的第二输入端连接到第二电路部分的输出端上，并且它的输出端连接到所述开关元件的所述控制电极上，其特征在于，所述控制电路另外包括第三电路部分，用于产生偏置信号，还包括一个加法电路，用于将第一信号与偏置信号结合，它的输出端连接到所述比较器的第一输入端上。

2.根据权利要求1的AC-DC变换器，其特征在于偏置信号具有恒定的振幅。

3.根据权利要求2的AC-DC变换器，其特征在于第三电路部分包括一个欧姆电阻。

4.根据权利要求1的AC-DC变换器，其特征在于偏置信号是周期性信号，它的频率等于经过整流的交流电压的频率。

5.根据权利要求4的AC-DC变换器，其特征在于当经过整流的交流电压振幅是最大时，偏置信号的振幅是局部最小。

6.根据权利要求1的AC-DC变换器，其特征在于电感元件包括辅助绕组，并且第三电路部分连接到所述辅助绕组上，并且具有：

一个二极管与两个阻抗的串联连接支路，和

一个电容元件，连接到所述的两个阻抗的连接点上。

7.根据权利要求6的AC-DC变换器，其特征在于阻抗最好包括欧姆电阻。

8.根据权利要求1的AC-DC变换器，其特征在于第三电路部分连接到所述控制电路的输出端上，并且第三电路部分提供有两个阻抗的串联连接支路，并且提供有一个电容元件，它连接到所述的两个阻抗的连接点上。

9.根据权利要求8的AC-DC变换器，其特征在于阻抗元件包括欧姆电阻。