CN1604441A - 功率因数改良电路 - Google Patents

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Abstract

一种功率因数改良电路，包括一电流探测电阻Rsh，用以探测流经一AC电源Vac的电流，或者探测流经一整流电路B的电流；一输出电压探测器11，其放大输出电压Eo和一参考电压Vref的电压差，以产生误差电压；一可变增益放大器15，其根据输出电压探测器11的误差电压值，通过改变增益，以放大与电流探测电阻Rsh探测到的电流成比例的电压；一脉冲宽度调制器14，其产生一脉冲信号，并提供该脉冲信号到开关Q1，以控制输出电压Eo到预定电压，其中，该脉冲信号宽度根据可变增益放大器15的输出值来控制。

Description

功率因数改良电路
技术领域
本发明涉及一种简单且便宜的功率因数改良电路，更特别是涉及一种功率因数改良电路的控制电路技术。
背景技术
图1是一种传统功率因数改良电路的框图。在图1所示的功率因数改良电路中，一串联电路包括一升压电抗器L1，一具有一MOSFET的开关Q1和一电流探测电阻Rsh，连接到一全波整流电路B的二输出端，全波整流电路B整流交流电源Vac输出的交流电。一包括二极管Do和滤波电容器Co的串联电路连接到开关Q1的二端(在漏极和源极之间)。负载Ro连接至滤波电容器Co的两端。二极管Do和滤波电容器Co组成一整流滤波电路。开关Q1的ON/OFF由控制器10的PWM控制来控制。
电流探测电阻Rsh连接在全波整流电路B的负输出端P2，开关Q1的一端和滤波电容器Co的一端之间。电流探测电阻Rsh探测流经全波整流电路B的输入电流。
控制器10包括一作为输出电压探测器的运算放大器11，一乘法器12，一作为电流探测器的运算放大器13和一脉冲宽度调制器14。
输出电压探测器11将滤波电容器Co的电压与参考电压Vref的电压差放大，产生一误差电压并将其输出至乘法器12。乘法器12将由输出电压探测器11发送的误差电压与由全波整流电路B的正输出端P1发送的全波整流电压相乘，输出一相乘后的输出电压到电流探测器13。
电流探测器13放大一个电压差，产生一误差电压，并该误差电压作为比较输入信号输出至脉冲宽度调制器14，该电压差为一与由电流探测电阻Rsh探测到的输入电流成正比的电压和来自乘法器12相乘后的输出电压的电压差。
脉冲宽度调制器14输入三角波信号和来自电流探测器13的比较输入电压。脉冲宽度调制器14产生一脉冲信号，该脉冲信号在比较输入信号值等于或者大于三角波信号时为ON，在比较输入信号值小于三角波信号时为OFF。脉冲宽度调制器14将该脉冲信号提供给开关Q1的栅极。
全波整流电压，由全波整流电路B整流AC电源Vac的输入电压(AC电流)而获得，其为一正弦波的形状，该正弦波每半个周期反相一次(以下称为半周期正弦波)。乘法器12输入来自全波整流电路B的半正弦波电压，输入来自输出电压探测器11的输入电压，将该二电压相乘以改变正弦波的幅度，并将其输出。电流探测器13比较来自全波整流电路B的半周期正弦波电压和在电流探测电阻Rsh中产生的、与输入电流成正比的电压Vrsh，并且控制，因此输入电流成为半周期正弦波。因此，流经电流探测电阻Rsh的输入电流可以每半周期变成类似于AC电源Vac的输入电压的正弦波，可以改善功率因数。
以下将解释具有该结构的功率因数改良电路的操作。当开关Q1在ON状态时，电流流经B→L1→Q1→Rsh。该电流随着时间呈直线增加。
接下来，当开关Q1由ON变成OFF状态时，开关Q1的电压由于升压电抗器L1的感应的电压而增加。此外，由于开关Q1处于OFF状态，流经开关Q1的电流变成零。因此，电流流经L1→Do→Co，并且电流被提供到负载Ro上。
发明内容
然而，如图1所示的升压型功率因数改良电路具有以下三个负反馈回路：(1)电流探测电阻Rsh探测电流的回路，该电流流经电流探测器13以及脉冲宽度调制器14，开关Q1为PWM控制，并且该电流被控制；(2)探测滤波电容器Co的输出电压的回路，该电流流经输出电压探测器11，乘法器11，电流探测器13以及脉冲宽度调制器14，开关Q1被控制，并且输出电压被控制；以及(3)探测来自全波整流电路B的电压的回路，该电流流经乘法器12和脉冲宽度调制器14，开关Q1被控制，并且输出电压被控制。因此，功率因数改良电路的部件数量很大，这使得很难稳定地控制功率因数改良电路。由于功率因数改良电路的部件数量很大，该电路的调节变得复杂。
本发明提供一种便宜的功率因数改良电路，其中，该电路的部件数量被减少以简化其结构，这使得很容易调节该电路。负反馈回路减少了，因此，该电路可以被稳定地控制，同时导线的数量也减少了。
根据本发明的第一技术方面，提供一种功率因数改良电路，其中，AC电源的AC电源电压通过整流电路整流而获得整流电压，该整流电压输入到包括有升压电抗器和主开关的串联电路，该主开关开关以改良AC电源的功率因数，并且DC输出电压是通过整流滤波电路而获得。该功率因数改良电路包括：电流探测器，其探测流经该AC电源的电流，或者流经该整流电路的电流，或者流经该主开关的电流；误差电压发生器，其放大该输出电压与参考电压的电压差，以产生误差电压；可变增益放大器，其根据该误差电压值来放大与该电流探测器探测到的电流成比例的电压；脉冲宽度控制装置，其产生脉冲信号，并提供该脉冲信号至该主开关，以控制该输出电压至预定电压，该脉冲信号的宽度根据该可变增益放大的输出值来控制。
根据本发明的第二技术方面，提供一种功率因数改良电路，其获得DC输出电压，该电路包括：第一串联电路，其包括AC电源和升压电抗器；桥电路，连接到该第一串联电路的两端，其包括第一二极管，第二二极管，第一开关以及第二开关；滤波电容器，连接到位于该第一二极管和第二二极管之间的连接，并连接到位于该第一开关和第二开关之间的连接；其中，第一开关和第二开关同时ON/OFF，以改善该AC电源的功率因数。该电路进一步包括：电流探测器，其探测AC电源的AC电源电流；整流电路，其整流探测到的AC电源电流；误差电压发生器，其放大该输出电压与参考电压的电压差，以产生误差电压；可变增益放大器，其根据该误差电压值，通过改变增益来放大与该整流电路整流的电流成比例的电压；脉冲宽度控制装置，其产生脉冲信号，并提供该脉冲信号至第一开关和第二开关，以控制输出电压至预定电压，该脉冲信号的宽度根据该可变增益放大器的输出值来控制。
根据本发明的第三技术方面，提供一种功率因数改良电路，其获得DC输出电压，该电路包括：第一串联电路，其连接到将AC电源的AC电源的电压整流的整流电路二端，且包括升压电抗器，第一开关，第三开关以及电流探测器；第二串联电路，其连接到位于该升压电抗器和该第一开关之间的连接，并连接到位于该第三开关和该电流探测器之间的连接，该第二串联电路包括第二开关和第四开关；变压器的初级线圈连接到位于该第一开关和该第三开关之间的连接，并连接到位于该第二开关和该第四开关之间的连接；整流滤波电路，其整流并滤波该变压器的次级输出线圈的电压；其中，该第一到第四开关的开关切换ON/OFF以改善该AC电源的功率因数。该电路进一步包括：误差电压发生器，其将该输出电压与参考电压的电压差放大，以产生误差电压；可变增益放大器，其根据该误差电压值，通过改变增益来放大与该电流探测器探测到的电流成比例的电压；脉冲宽度控制装置，其产生脉冲信号，该脉冲信号的宽度根据该可变增益放大器的输出值来控制；开关控制装置，其通过反转该脉冲信号而产生脉冲反转信号，提供该脉冲信号和脉冲反转信号中的一个至该第二开关和第三开关，提供该脉冲信号和脉冲反转信号中的另一个至该第一开关和第四开关，并控制第一开关和第四开关的ON/OFF以控制输出电压至一预定电压。
附图说明
图1是一种现有功率因数改良电路的框图；
图2是根据第一实施例的一种功率因数改良电路的框图；
图3是根据第一实施例的功率因数改良电路的控制器中所提供的脉冲宽度调制器的框图；
图4是该脉冲调制器的输入和输出波形图；
图5A和5B是该脉冲宽度调制器的输入和输出特性图；
图6是根据第一实施例的功率因数改良电路的不同部分的波形图；
图7是根据第一实施例的功率因数改良电路的输入电压和输入电流的波形图；
图8是根据第二实施例的一种功率因数改良电路的框图；
图9是根据第三实施例的一种功率因数改良电路的框图；
图10是根据第四实施例的一种功率因数改良电路的框图；
图11是根据第五实施例的一种功率因数改良电路的框图；
图12是根据第六实施例的一种功率因数改良电路的框图；
图13是根据第六实施例的功率因数改良电路的不同部分的波形图；
图14是根据第七实施例的一种功率因数改良电路的框图；
图15是根据第七实施例的功率因数改良电路的不同部分的波形图；
图16是根据第八实施例的一种功率因数改良电路的框图；
图17是根据第九实施例的一种功率因数改良电路的框图；
图18是根据第九实施例的功率因数改良电路的不同部分的波形图；
图19A和19B是可变增益放大器一个例子的框图；
图20A和20B是可变增益放大器另一个例子的框图；
图21是用于该可变增益放大器的FET的特性图。
具体实施方式
根据本发明的功率因数改良电路的首选实施方式以下将参考附图进行详细说明。
第一实施方式
如图2所示，根据第一实施方式的功率因数改良电路与图1所示的现有功率因数改良电路的差别仅在于控制器10a的结构。
在图2中的其他结构与图1相同。相似的部分采用同样的附图标记标明，并省略其详细描述。
控制器10a包括输出电压探测器11，可变增益放大器15以及脉冲宽度调制器14。
输出电压探测器11放大滤波电容器Co的电压与参考电压Vref的电压差，产生误差电压并将其输出至可变增益放大器15。该可变增益放大器15根据来自输出电压探测器11的误差电压值改变增益，因此放大与电流探测电阻Rsh探测到的输入电流成比例的电压，并该放大的电压作为比较输入信号输出至脉冲宽度调制器14。随后将描述可变增益放大器15的特定的例子。
如图3所示，脉冲宽度调制器14包括三角波振荡器141和比较器142，该三角波振荡器141产生三角波信号，该比较器142比较该三角波信号与该比较输入信号。该比较器142输入来自三角波振荡器141的三角波信号至非反相输入(+)端，输入来自该可变增益放大器15的比较输入信号至反相输入(-)端，并产生脉冲信号，该脉冲信号在三角波信号值等于或者大于比较输入信号情况下变成ON(H电平)，在三角波信号值小于比较输入信号情况下变成OFF(L电平，即零)。该脉冲信号提供到开关Q1的栅极上，该滤波电容器Co的输出电压控制在一预定电压。
图5A和图5B显示了该脉冲宽度调制器的输入和输出特性图的一例子。图5A是当输入电压Es和工作循环D相互成比例和Es＝D时，脉冲宽度调制器的输入和输出特性。图5B是当输入电压Es和工作循环D的关系为Es＝1-D时，脉冲宽度调制器的输入和输出特性。
根据如图3所示的脉冲宽度调制器14，假设输入和输出波形为图4中“输出1”所示的波形，脉冲宽度调制器14的输入和输出特性如图5A所示。
比较器142产生一脉冲信号，当比较输入信号值等于或者大于该三角波信号时，该脉冲信号变成ON，当比较输入信号值小于该三角波信号时，该脉冲信号变成OFF。该脉冲信号可以提供到开关Q1的栅极上，滤波电容器Co的输出电压可以控制在一预定电压。即，如果比较器142的非反相端(+)和反相端(-)以相反的方式连接，则输出电压反转，输入和输出波形变成图4中“输出2”所示，且输入和输出特性如图5B所示。
以下将说明根据第一实施例的功率因数改良电路的操作原理，也将说明控制器10a的操作。
首先，假设升压电抗器L1的电流的传导是连续的，在开关Q1为ON时的工作循环定义为D，在全波整流电路B二端的输入电压Ei与在负载Ro二端的输出电压Eo的关系为Eo/Ei＝1/(1-D)。值得注意的是，当开关Q1为ON时，该工作循环符合比率T2/T1，其中，开关周期定义为T1，开关Q1处于ON的时间为T2。
假设脉冲宽度调制器14具有图4所示的特性，脉冲宽度调制器14的输入电压定义为Es，由于Es等于1-D，因此建立了Es＝1-D＝Ei/Eo的关系。
由于输出电压Eo是直流，且基本上为常数值，且输出电压Ei为半周期正弦波，因此输入电压Es变成半周期正弦波。即，输入电压Es为可变增益放大器15的放大输出，电流探测电阻Rsh的电压Vrsh输入到可变增益放大器15的一输入端。因此，电流探测电阻Rsh的电压Vrsh同样变成半周期正弦波。因此，流经电流探测电阻Rsh的输入电流变成与输入电压Ei成比例的半周期正弦波，这样，可以改善功率因数。
来自输出电压探测器11的输出电压输出到该可变增益放大器15的另一输入端，可变增益放大器15根据输出电压探测器11的输出电压值改变增益。因此，如果输出电压Eo由于某些原因减少，则输出电压探测器11根据输出电压Eo的减少而减少输出电压。可变增益放大器15根据输出电压探测器11的输出电压的减少而减少增益，输出比较输入信号，并根据来自可变增益放大器15的比较输入信号的减少而增加平均的工作循环D(如图4中输出1的情况)。因此，开关Q1为ON的时间比增加了，输入电流也同样增加，从而输出电压Eo增加且保持在一恒定值。
整个功率因数改良电路的操作将参考图6所示的波形进行说明。首先，如果输入AC电源Vac的正弦波输入电压Vi时，则正弦波输入电流Ii开始传导。AC电源Vac的输入电压Vi由全波整流电路B整流，从而输出全波整流电压Ei。
接下来，当开关Q1为ON时，电流流经B→L1→Q1→Rsb。然后，当开关Q1从ON变为OFF时，开关Q1的电压由于升压电抗器L1的感应电压而增加。此外，由于开关Q1变为OFF，流经开关Q1的电流变成零。然后，电流流经L1→Do→Co，并且电流提供到负载Ro上。
通过这个方式以预定的频率切换开关Q1，半周期正弦波电流可以流经电流探测电阻Rsh的二端。与流经电流探测电路Rsh的电流成比例的电压，即图6中表示为“可变增益放大器输入2”的负半周期正弦波电压，输入到可变增益放大器15的一端。此外，来自输出电压探测器11的输出电压，即图6中表示为“可变增益放大器输入1”的正DC电压，输入到可变增益放大器15的另一端。
根据来自输出电压探测器11的输出电压值，可变增益放大器15通过改变增益来放大与电流探测电路Rsh探测到的输入电流成比例的电压。如图6中所示，“可变增益放大器输出”作为半周期正弦波输出电压输出，该半周期正弦波输出电压与输入相似。
然后，图6中所示的“可变增益放大器输出”输入到脉冲宽度调制器14，脉冲信号的脉冲宽度被控制。此时，由于脉冲宽度调制器14具有图5B所示的特性，则开关Q1的工作循环变成如图6所示。图7表示功率因数改良电路的实际输入电压Vi和输入电流Ii。图7中所示的波形在零电流附近稍微偏离该正弦波，但是波形非常象该正弦波，并且功率因数和失真因数都非常好。
这样，根据本实施例的功率因数改良电路，功率因数可以改善。控制器10a仅包括输出电压探测器11，可变增益放大器15和脉冲宽度调制器14。与图10中所示的控制器相比较，控制器10a的部件数量减少一个，结构简化了，该电路可以经济地制造，并且容易调节。
相对于图1所示的现有功率因数改良电路，电压探测回路的数量可以减少，其中，这些电压探测回路探测来自全波整流电路B的电压，并将该电压输入至乘法器12。因此，消除了由于该回路所引起的控制器10a的不稳定性，该电路可以在该两个封闭回路下稳定控制。
触针PN1-PN5位于控制器10a中。触针PN1将电流探测电阻Rsh的一端与可变增益放大器15相互连接。触针PN2将开关Q1的栅极与脉冲宽度调制器14相互连接。触针PN3将负载Ro一端与输出电压探测器11相互连接。触针PN4连接到IC电源+B，并提供该IC电源+B至控制器10a内的不同部分。触针PN5连接到参考电压Vref的负极(地)。即，在这个实施例中，连接到控制器10a的导线的数量从6根减少了一根成为5根(相对图1所示的控制器10)。由于具有这个结构，控制器10a可以容易地在集成电路(IC)中形成，因此可以提供廉价的IC。当控制器10a形成在IC中时，触针的数量同样可以减少，因此可以提供廉价的IC。
如上所述，根据这个实施例，与电流探测器探测到的电流成比例的电压(半周期正弦波)，和来自误差电压发生器的误差电压(DC电压)输入至可变增益放大器。可变增益放大器根据误差电压发生器的误差电压，通过改变增益，放大与电流探测器探测到的电流成比例的电压。因此，可变增益放大器将与输入相似的半周期正弦波输出电压输出至脉冲宽度控制设备。即，脉冲宽度调制器的输入电流和输入电压波形相似，改善了功率因数。此外，只需要该三个组成元件，即误差电压发生器，可变增益放大器和脉冲宽度控制设备就足够了。因此，部件的数量可以减少，该结构也可以简化，同时，该电路可以经济并且容易地调节。此外，由于负反馈回路减少了，电流可以稳定地控制。因为电线的数目减少，该电路可以容易在IC结构中形成，可以提供廉价的IC。
第二实施方式
图8是根据第二实施例的一种功率因数改良电路的框图。该第二实施例与图2所示的第一实施例的区别在于输入的电流探测方法，在第二实施例中流经开关Q1的电流被探测。
在图8所示的功率因数改良电路中，包括升压电抗器L1，二极管Do和滤波电容器Co的串联电路连接到全波整流电路B二输出端，该全波整流电路B整流AC电源Vac的AC电流。负载Ro连接到滤波电容器Co的二端。
控制器10b包括开关Q1，电流探测电阻Rsh，峰值探测器16，作为输出电压探测器的运算放大器11，可变增益放大器15和脉冲宽度调制器14。
开关Q1的一端(漏极)通过触针PN1连接到升压电抗器L1和二极管Do的正极之间。开关Q1的另一端(源极)通过电流探测电阻Rsh接地。峰值探测器16输入与流经电流探测电阻Rsh的电流成比例的电压，探测该输入电压的峰值，并将该电压作为峰值电压输出。该可变增益放大器15根据来自输出电压探测器11的误差电压值，通过改变增益，放大来自探测器16的峰值电压，并将该放大的电压作为比较输入信号输出至脉冲宽度调制器14。
根据第二实施例的功率因数改良电路，即使输入电流是AC电源频率的正弦波，由于开关Q1以开关频率切换ON/OFF，即，该频率与AC电源频率相比足够高，流经开关Q1的漏极电流同样切换ON/OFF。因此，漏极电流的平均电流不会变成正弦波。
由此原因，峰值探测器16每一开关频率对电流探测电阻Rsh的电压的峰值取样，并输出峰值电压，其中，连接峰值的曲线变成正弦波。即，峰值电压可以假设为大致与输入电流一样的正弦波。通过将该来自峰值探测器16的峰值电压输入可变增益放大器15，该输入电流可以被控制以具有正弦波形。
在控制器10b中，导线数量仅为4根，触针数量也仅为4个。该控制器10b包括开关Q1，电流探测电阻Rsh，峰值探测器16，输出电压探测器11，可变增益放大器15和脉冲宽度调制器14。如果控制器10b在IC结构中形式，该电路结构将进一步简化且变得更经济。
第三实施例
图9是根据第三实施例的功率因数改良电路的框图。该功率因数改良电路被提供到叫作扼流转换器(choke converter)的转换器上。该第三实施例与第一实施例的不同之处在于整流滤波电路的结构，该整流滤波电路连接到开关Q1的二端。整流滤波电路包括第一串联电路和第二串联电路，该第一串联电路具有连接到开关Q1二端(在漏极和源极之间)的二极管Do和电容器Cx，该第二串联电路具有连接到二极管Do二端的滤波电容器Co和电抗器Lo。控制器10c与图2中的控制器10a不同在于，参考电压Vref的负极连接到作为输出电压探测器的运算放大器11，且正极接地。
本实施例的功率因数改良电路与图2所示的功率因数改良电路以相同的方式操作。在这种情况下，输入电压Ei和脉冲宽度调制器14的输入电压Es皆为全波整流电路B二端的电压，且其关系为Es＝Ei/(Eo+Ei)。因此，输出电压Eo为直流且大致为恒定值，从而，输出电压Eo大致为正弦波的输入电流，但可以消除高次谐波限制。此外，可以获得同第一实施例一样的效果。
第四实施例
图10是根据第四实施例的功率因数改良电路的框图。如图10所示的功率因数改良电路被提供到叫作单端初级电感转换器(sepic converter)的转换器上。该第四实施例与第一实施例的不同之处在于整流滤波电路的结构，该整流滤波电路连接到开关Q1二端。该整流滤波电路包括第一串联电路和第二串联电路，该第一串联电路具有连接到开关Q1二端(在漏极和源极之间)的电抗器Lo和电容器Cx，该第二串联电路具有连接到电抗器Lo二端的滤波电容器Co和二极管Do。
第四实施例的功率因数改良电路与图2所示的功率因数改良电路以相同的方式操作，可以获得大致为正弦波的输入电流。此外，可以获得同第一实施例一样的效果。
第五实施例
图11是根据第五实施例的功率因数改良电路的框图。如图11所示的功率因数改良电路被提供到叫作反相型转换器(inverted type converter)的转换器上。第五实施例的特征在于，开关Q1的一端连接到全波整流电路B的正输出端P1，开关Q1的另一端连接到升压电抗器L1的一端和二极管Do的负极，升压电抗器L1的另一端通过电流探测电阻Rsh连接到全波整流电路B的负输出端P2，二极管Do的正极通过滤波电容器Co连接到升压电抗器L1的另一端，并采用图9所示的控制器10c。
依照第五实施例的功率因数改良电路与图2所示的功率因数改良电路以相同的方式操作，可以获得大致为正弦波的输入电流。此外，可以获得同第一实施例一样的效果。
第六实施例
图12是根据第六实施例的功率因数改良电路的框图。在图12所示的功率因数改良电路中，控制器10d包括可变增益放大器15a，作为该输出电压探测器的输出电压探测器11a，以及脉冲宽度调制器14。
可变增益放大器15a具有这样的特征，随着来自输出电压探测器11a的电压(可变增益放大器输入1信号)的增加，增益减少。可变增益放大器15a将与半周期正弦波输入电流成比例的电压放大，并将该放大的输出电压作为比较输入信号输出至脉冲宽度调制器14。因此，在电流探测电阻Rsh二端的电压与脉冲宽度调制器14的输入电压相似，且输入电流为正弦波。
在输出电压Eo由于某些原因而减少的情况下，输出电压探测器11a根据输出电压Eo的减少而增加输出电压。可变增益放大器15a通过增加输出电压探测器11a的输出电压而减少增益，并输出比较输入信号(如图4中输出1的情况)。该脉冲宽度调制器14根据来自可变增益放大器15a的比较输入信号的减少，而增加该脉冲信号的平均工作循环D。由于这个原因，开关Q1处于ON的时间增加，输入电流增加，从而输出电压Eo增加并且保持在一恒定值。图13是在该时间不同部分的波形图。在这个实施例中，同样可以获得和第一实施例相同的效果。
第七实施例
图14是根据第七实施例的一种功率因数改良电路的框图。如图14所示的功率因数改良电路中，控制器10e包括作为可变增益放大器的除法器17，作为输出电压探测器的运算放大器11，以及脉冲宽度调制器14。
除法器17将与电流探测电阻Rsh探测到的电流成比例的电压除以电压探测器11的输出电压。这里，脉冲宽度调制器14具有如图5A所示的特性。
根据此结构，输出电压探测器11的输出电压(DC电压)输入到除法器17作为如图15所示的“除法器输出1”，与电流探测电阻Rsh探测到的电流成正比的电压Vsh输入到除法器17作为如图15所示的“除法器输出2”。除法器17计算(-1ד除法器输出2”÷“除法器输出1”)，并输出图15所示的“除法器输出”。
由于脉冲宽度调制器14具有如图5A所示的特性，则开关Q1的工作循环如图15所示。在第七实施例中，同样可以获得和第一实施例相同的效果。
同样可以交换图14所示的除法器的输出1和输出2，则除法器可以计算(-1ד除法器输出1”÷“除法器输出2”)。这种情况下，“除法器输出1”的电流波形不是正弦波，但可以消除高次谐波限制。
第八实施例
图16是根据第八实施例的功率因数改良电路的框图。根据第八实施例的功率因数改良电路被提供到升压型桥转换器。功率因数改良电路包括：串联电路，包括AC电源Vac和升压电抗器L1；桥电路，连接到该串联电路二端，其包括二极管D1，二极管D2，开关Q1以及开关Q2；滤波电容器Co，连接到位于二极管D1与二极管D2之间的连接，并连接到位于开关Q1与开关Q2之间的连接；负载Ro，其与该滤波电容器Co串连。
该功率因数改良电路包括电流变压器(CT)19，全波整流电路B以及控制器10a，其中，电流变压器19探测AC电源Vac的AC电流，全波整流电路B整流来自电流变压器19的AC电流。
根据第八实施例的功率因素改良电路，全波整流电路B整流电流变压器19探测到的AC电流，并输出半周期正弦波到可变增益放大器15作为电流信号。可变增益放大器15输出该放大的输出到脉冲宽度调制器14，该脉冲宽度调制器14具有图5B所示的特性。脉冲宽度调制器14提供该脉冲信号到开关Q1和开关Q2，并同时切换开关Q1和开关Q2的ON/OFF。如果开关Q1和开关Q2同时切换到ON，则电流流经Vac→L1→Q1→Q2→Vac或者Vac→Q2→Q1→L1→Vac，在升压电抗器L1中储存能量。
如果开关Q1和开关Q2同时切换到OFF，储存在升压电抗器L1中的能量通过开关Q1和开关Q2中的一个对电容Co进行充电。同样在这个实施例中，由于通过整流电流变压器19的电流而获得的波形与脉冲宽度调制器14的输入电压的波形相同，则输入电流可以为正弦波。
第九实施例
图17是根据第九实施例的功率因数改良电路的框图。如图17所示的功率因数改良电路被提供到一绝缘转换器(insulative converter)中。包括升压电抗器L1，开关Q1，开关Q3以及电流探测电阻Rsh的串联电路连接到全波整流电路B二端，该全波整流电路B整流AC电源Vac的AC电流。包括开关Q2和开关Q4的串联电路连接到位于升压电抗器L1与开关Q1之间的连接，并连接到位于开关Q2与开关Q4之间的连接。变压器T的初级线圈5a连接到位于开关Q1和开关Q3之间的连接，并连接到位于开关Q2与开关Q4之间的连接。
包括二极管Do1和二极管Do2的串联电路连接到变压器T的次级线圈5b和三级线圈5c的一串联电路二端。滤波电容器Co连接到位于次级线圈5b和三级线圈5c之间的连接，并连接到位于二极管Do1和二极管Do2之间的连接。负载Ro连接到滤波电容器Co二端。
控制器10f包括作为输出电压探测器的运算放大器11，可变增益放大器15，脉冲宽度调制器14，双稳态多谐振荡器(FF)21，NAND逻辑电路22，以及NAND逻辑电路23，其中，该NAND逻辑电路22输入FF21的一个输出Q和脉冲宽度调制器14的脉冲信号，该NAND逻辑电路23输入FF21的另一个输出(输出Q的反相输出)和脉冲宽度调制器14的脉冲信号。FF21和NAND逻辑电路22，23组成本发明的开关控制器。
本实施例的操作将参考图18所示的不同部分的波形进行说明。首先，与电流探测电路Rsh探测到的电流成比例的电压，和来自输出电压探测器11的、作为输出电压的DC电压，输入到可变增益放大器15。可变增益放大器15的输出被输入到脉冲宽度调制器14，然后，脉冲宽度调制器14的输出被输入到FF21。
时钟信号从脉冲宽度调制器14输出到FF21，FF21被驱动。FF21与时钟(t1，t3，t5等)同步反转高电平和低电平。在图18所示的例子中，FF21与时钟的上升缘同步反转电平。FF21的一输出Q和脉冲宽度调制器14的脉冲信号输入到NAND逻辑电路22。FF21的另一输出(输出Q的反相输出)和脉冲宽度调制器14的脉冲信号输入到NAND逻辑电路23。
NAND逻辑电路22的输出提供到开关Q3的栅极上，并通过高边驱动器(high-side driver)25b提供到开关Q2上。NAND逻辑电路23的输出提供到开关Q4的栅极上，并通过高边驱动器25a提供到开关Q1的栅极上。
开关Q1-Q4的ON/OFF操作将参考图18进行说明。首先，在t0时刻，开关Q1和开关Q4通过NAND逻辑电路23的输出同时切换为ON，并且开关Q2和开关Q3通过NAND逻辑电路22的输出同时切换为ON。因此，开关Q1和开关Q4的电压变成零，开关Q2和开关Q3也同时变成0。在这个时候，电流流经B→L1→Q1→Q3→Rsh→B。此外，电流流经B→L1→Q2→Q4→Rsh→B。
然后，在t1时刻，开关Q2和开关Q3通过NAND逻辑电路22的输出同时切换为OFF。因此，开关Q2和开关Q3的电压增加，电流变成零。在这个时候，电流流经B→L1→Q1→5a→Q4→Rsh→B，且开关Q1和开关Q4的电流增加。
然后，在t2时刻，开关Q2和开关Q3通过NAND逻辑电路22的输出同时切换为ON。因此，开关Q2和开关Q3的电压变成零。即，在这个时候的操作与在t0时刻的操作相同。在t1到t2时刻，电流流经5c→Do2→Co→5c，DC电流提供到Ro上。
然后，在t3时刻，开关Q1和开关Q4通过NAND逻辑电路23的输出同时切换为OFF。因此，开关Q1和开关Q4的电压增加，电流变成零。在这个时候，电流流经B→L1→Q2→5a→Q3→Rsh→B，且开关Q2和开关Q3的电流增加。在t3到t4时刻，电流流经5b→Do1→Co→5b，DC电流提供到Ro上。
在这个实施例中，同样可以获得同第一实施例相同的效果。
可变增益放大器的特别例子
图19A和19B是可变增益放大器一个例子的框图。图19A是可变增益放大器的原理图。该可变增益放大器是一电位器，该电位器包括电阻R1和与该电阻R1串连的增益调节可变电阻Rv。输入信号输入到一个与电阻R1一端相连的输入端，且输出从电阻R1与可变电阻Rv的连接提供到输出端52。在这种情况下，增益小于1。
图19B是图19A所示的原理的特别例子。该例子包括FETQ5和电阻R1。其中，该FETQ5包括漏极，源极和栅极，并且其电阻值根据提供到栅极上的电压而变化。该电阻R1的一端连接到FETQ5的漏极。与电流探测电阻Rsh探测到的电流成比例的电压，输入到输入端51，该输入端51连接到电阻R1的另一端。输出电压探测器11的误差电压送至FETQ5的栅极端53，且输出从位于电阻R1与FETQ5的漏极之间的连接提供到输出端52。
由于FETQ5的电阻值根据输入到FETQ5的栅极的电压值而改变，因此，增益发生变化。
图20A和20B是可变增益放大器另一个例子的框图。图20A表示可变增益放大器的原理。该可变增益放大器包括一可变电阻Rv和一运算放大器31，该运算放大器31的反相端连接到可变电阻Rv的一端。反馈电阻R2连接到该反相端和运算放大器31的输出端，非反相端接地。输入信号输入到输入端51，该输入端51连接到可变电阻Rv，并从输出端52获得输出。在这个时候，增益表示为-R2/Rv。
图20B表示图20A所示的该可变增益放大器的特别的例子。这个例子包括FETQ6和运算放大器31，其中，FETQ6包括漏极，源极和栅极，且其电阻值根据提供到栅极上的电压而改变，该运算放大器31的反相端连接到FETQ6的漏极，且其反馈电阻R2连接到该反相端和输出端。与电流探测电阻Rsh探测到的电流成比例的电压，输入到输入端51，该输入端51连接到FETQ6的源极。输出电压探测器11的误差电压提供到FETQ6的栅极端53，并从输出端52获得输出。
由于FETQ6的电阻值根据输入到FETQ6的栅极的电压值而改变，因此，增益发生很大变化。
图21是用于该可变增益放大器的FET的特性图。图21表示FET的漏极电压Vd和漏极电流Id的特性，该特性根据栅极和源极之间的电压Vgs的变化而变化。即，在该FET中，曲线图的倾度的变化依赖于栅极信号的大小，并且电阻值发生变化。
本发明不限于第一至第九实施例。探测到的电流不限于输入电流，诸如FET的开关的电流或者整流二极管的电流同样可以被探测，以及该电流的平均值，峰值或者有效值也可以被探测。这样，在某些情况下，输入电流不变成精确的正弦波，但是输入电流可以成为一值，该值可以清除高谐波限制的标准值。
该脉冲宽度调制器14不仅可以调节具有固定频率的脉冲宽度，而且可以调节具有恒定ON宽度的OFF宽度，OFF宽度为常数而ON宽度改变，ON宽度、OFF宽度和频率都变化，以及仅ON和OFF之比变化的情况。在本发明中，第一到第九实施例中两个或者更多可以被组合。
根据本发明，功率因数改良电路的部件的数量减少了，其结构也简化了。采用该结构，该电路可以经济且容易地调节。由于负反馈回路数量可以减少，所以该电路可以稳定控制。由于导线数量减少了，该电路可以很容易在IC结构中形成，且可以提供廉价的IC。
本申请要求2003年9月30日申请的日本专利申请第2003-342148号的优先权，在这里，该申请的全部内容并入作为参考。尽管本发明通过参考本发明的某些实施例在以上已经描述，但是本发明不限于以上实施例的描述。根据本技术，本领域的普通技术人员可以想到以上实施例的修改和变更。本发明的范围根据下述的权利要求所界定。

Claims (18)

1.一种功率因数改良电路，其中，AC电源的AC电源电压通过整流电路整流而获得整流电压，该整流电压输入包括升压电抗器和主开关的串联电路，该主开关切换ON/OFF以改善AC电源的功率因数，DC输出电压通过整流滤波电路获得，该功率因数改良电路包括：
电流探测器，探测流经该AC电源的电流，或者探测流经该整流电路的电流，或者探测流经该主开关的电流；
误差电压发生器，其将该输出电压与一参考电压的电压差放大以产生误差电压；
可变增益放大器，其根据该误差电压值，通过改变增益来放大与该电流探测器探测到的电流成比例的电压；
脉冲宽度控制器，其产生脉冲信号，并将该脉冲信号提供给主开关以控制输出电压至预定电压，该脉冲信号的脉冲宽度根据该可变增益放大器的输出值来控制。
2.如权利要求1所述的功率因数改良电路，其进一步包括：
峰值探测器，其探测由电流探测器探测到的电流的峰值，并将与该峰值电流成比例的电压输出到该可变增益放大器。
3.如权利要求1所述的功率因数改良电路，其中，
该可变增益放大器包括一除法器，在该除法器中，与电流探测器探测到的电流成比例的电压除以误差电压。
4.如权利要求2所述的功率因数改良电路，其中，
该可变增益放大器包括一除法器，在该除法器中，与电流探测器探测到的电流成比例的电压除以误差电压。
5.如权利要求1所述的功率因数改良电路，其中，
该整流滤波电路包括一第一串联电路和一第二串联电路，该第一串联电路包括连接到主开关二端的一电容和一二极管，该第二串联电路包括连接到该二极管二端的一电抗器和一滤波电容器。
6.如权利要求2所述的功率因数改良电路，其中，
该整流滤波电路包括一第一串联电路和一第二串联电路，该第一串联电路包括连接到主开关二端的一电容和一二极管，该第二串联电路包括连接到该二极管二端的一电抗器和一滤波电容器。
7.如权利要求3所述的功率因数改良电路，其中，
该整流滤波电路包括一第一串联电路和一第二串联电路，该第一串联电路包括连接到主开关二端的一电容和一二极管，该第二串联电路包括连接到该二极管二端的一电抗器和一滤波电容器。
8.如权利要求1所述的功率因数改良电路，其中，
该整流滤波电路包括：
一第一串联电路，其连接到该主开关二端，并包括一电容和一电抗器；
一第二串联电路，其连接到该电抗器二端，并包括一二极管和一滤波电容器。
9.如权利要求2所述的功率因数改良电路，其中，
该整流滤波电路包括：
一第一串联电路，其连接到该主开关二端，并包括一电容和一电抗器；
一第二串联电路，其连接到该电抗器二端，并包括一二极管和一滤波电容器。
10.如权利要求3所述的功率因数改良电路，其中，
该整流滤波电路包括：
一第一串联电路，其连接到该主开关二端，并包括一电容和一电抗器；
一第二串联电路，其连接到该电抗器二端，并包括一二极管和一滤波电容器。
11.一种功率因数改良电路，其获得DC输出电压，该电路包括：一第一串联电路，其具有一AC电源和一升压电抗器；一桥电路，其连接到第一串联电路二端，并包括一第一二极管，一第二二极管，一第一开关和一第二开关；一滤波电容器，其连接到位于第一二极管与第二二极管之间的连接，并连接到位于第一开关与第二开关之间的连接；其中，第一开关和第二开关同时切换ON/OFF以改善AC电源的功率因数，该电路进一步包括：
一电流探测器，其探测流经AC电源的AC电源电流；
一整流电路，其整流该探测到的AC电源电流；
一误差电压发生器，其放大该输出电压和一参考电压的电压差，以产生一误差电压；
一可变增益放大器，其根据该误差电压值，通过改变增益来放大与该整流电路整流的电流成比例的电压；
脉冲宽度控制装置，其产生脉冲信号，并提供该脉冲信号至第一开关和第二开关，以控制输出电压至预定电压，该脉冲信号的宽度根据该可变增益放大器的输出值来控制。
12.一种功率因数改良电路，其获得DC输出电压，该电路包括：一第一串联电路，其连接到一整流电路二端，该整流电路整流一AC电源的AC电源电压，并包括一升压电抗器，一第一开关，一第三开关以及一电流探测器；一第二串联电路，其连接到位于该升压电抗器和该第一开关之间的连接，并连接到位于该第三开关和该电流探测器之间的连接，该第二串联电路包括一第二开关和一第四开关；一变压器的初级线圈连接到位于该第一开关和该第三开关之间的连接，并连接到位于该第二开关和该第四开关之间的连接；一整流滤波电路，其整流并滤波该变压器的次级输出线圈的电压；其中，该第一到第四开关的开关切换ON/OFF以改善该AC电源的功率因数，该电路进一步包括：
一误差电压发生器，其将该输出电压与一参考电压的电压差放大，以产生误差电压；
一可变增益放大器，其根据该误差电压值，通过改变增益来放大与该电流探测器探测到的电流成比例的电压；
脉冲宽度控制装置，其产生脉冲信号，该脉冲信号的宽度根据可变增益放大器的输出值来控制；
开关控制装置，其通过反转该脉冲信号而产生脉冲反转信号，提供该脉冲信号和脉冲反转信号中的一个至该第二开关和第三开关，提供该脉冲信号和脉冲反转信号中的另一个至该第一开关和第四开关，并控制第一开关和第四开关的ON/OFF以控制输出电压至一预定电压。
13.如权利要求1所述的功率因数改良电路，其中，
该可变增益放大器包括：一半导体设备，其包括一第一主电极，一第二主电极和一控制电极，并通过提供到该控制电极上的电压来改变一电阻值；以及一固定电阻，其一端连接到该半导体设备的第一主电极；以及
与电流探测器探测到的电流成比例的电压输入到该固定电阻的另一端，误差电压发生器的误差电压提供到该半导体设备的控制电极上。
14.如权利要求11所述的功率因数改良电路，其中，
该可变增益放大器包括：一半导体设备，其包括一第一主电极，一第二主电极和一控制电极，并通过提供到该控制电极上的电压来改变一电阻值；以及一固定电阻，其一端连接到该半导体设备的第一主电极；以及
与电流探测器探测到的电流成比例的电压输入到该固定电阻的另一端，误差电压发生器的误差电压提供到该半导体设备的控制电极上。
15.如权利要求12所述的功率因数改良电路，其中，
该可变增益放大器包括：一半导体设备，其包括一第一主电极，一第二主电极和一控制电极，并通过提供到该控制电极上的电压来改变一电阻值；以及一固定电阻，其一端连接到该半导体设备的第一主电极；以及
与电流探测器探测到的电流成比例的电压输入到该固定电阻的另一端，误差电压发生器的误差电压提供到该半导体设备的控制电极上。
16.如权利要求1所述的功率因数改良电路，其中，
该可变增益放大器包括：一半导体设备，其包括一第一主电极，一第二主电极和一控制电极，并通过提供到该控制电极上的电压来改变一电阻值；以及一运算放大器，其具有一反相端和一反馈电阻，该反相端连接到该半导体设备的第一主电极，该反馈电阻连接到该反相端和输出端；以及
与电流探测器探测到的电流成比例的电压输入到该固定电阻的另一端，误差电压发生器的误差电压提供到该半导体设备的控制电极上。
17.如权利要求11所述的功率因数改良电路，其中，
该可变增益放大器包括：一半导体设备，其包括一第一主电极，一第二主电极和一控制电极，并通过提供到该控制电极上的电压来改变一电阻值；以及一运算放大器，其具有一反相端和一反馈电阻，该反相端连接到该半导体设备的第一主电极，该反馈电阻连接到该反相端和输出端；以及
与电流探测器探测到的电流成比例的电压输入到该固定电阻的另一端，误差电压发生器的误差电压提供到该半导体设备的控制电极上。
18.如权利要求12所述的功率因数改良电路，其中，
该可变增益放大器包括：一半导体设备，其包括一第一主电极，一第二主电极和一控制电极，并通过提供到该控制电极上的电压来改变一电阻值；以及一运算放大器，其具有一反相端和一反馈电阻，该反相端连接到该半导体设备的第一主电极，该反馈电阻连接到该反相端和输出端；以及
与电流探测器探测到的电流成比例的电压输入到该固定电阻的另一端，误差电压发生器的误差电压提供到该半导体设备的控制电极上。
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