CN1656664A - 用于修正电功率因数的电路 - Google Patents

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Abstract

修正电功率因数的电路(1)相当于一种已知的电路，该电路具有为泵电容(14)产生高频电压(Uf)的一个HF－电源(15)。HF－电源(15)按照本发明有两个前后串联的通断开关(151，152)，它们在这两个开关之间的一个电连接点(153)上产生一个用至少1兆赫兹的频率(f)波动的矩形电压(U1)，并且有一个滤波器(150)，为泵电容(14)由矩形电压(U1)产生一个用至少1兆赫兹的频率(f)波动的经平整过的电压(Uf)。

Description

用于修正电功率因数的电路
本发明是关于按照权利要求1的前序部分修正电功率因数的电路，就像它从Jinrong Quian et al.：“Charge Pump Power-factor-Correction technologies part I：Concept and Principle”，IEEETransaction on Power Electronics，Vol.15，No.1，Jan.2000知道的那样(在那里尤其要参见图6a和123页右列和以下页的有关说明)。
这种已知的电路和其它已知的修正电功率因数的电路(参见例如列举的文献，美国专利Nr.4 808 887，Nr.5 008 597，Nr.5 371 440，Nr.5 521467，Nr.5 789 871，Nr.5 914 572，Nr.6 057 652，Nr.6 091 206，DE-A-3 142613，WO 97/22231，WO 99/25159，JP-A-10-214 695，JP-A-2000-012257)，现时例如在现代电子预接装置上，所谓的EVGs上使用，这些装置将来自可供使用的、一般为交流电压的电网电压的电能进行转换，使当时连接的负载，大多数是电灯，能在最佳的电压-、电流-和频率范围运行。为了避免电网电流和电网电压失真，与电网相比EVGs要显示有尽可能符合欧姆电阻的电特性。
已知的修正电功率因数的电路是在频率为20至100kHz时工作，因此所需电感和电容的结构尺寸是确定的，且它们明显地是这样一种电路的最大的部件。
本发明的问题在于，提供一个修正电功率因数的电路，该电功率因数修正有可能使这个电路最小化。
这个问题用一个修正电功率因数的电路来解决，该电路有在权利要求1中给出的特征。
根据这个解决办法，提供一个修正电功率因数的电路，它有：
-一个输入端用于施加与参考电位相比具有尤其是时间上变化的直流电压的电功率，
-一个参考电位端用于施加参考电位，
-一个输出端用于获取修正了功率因数的电功率，
-至少两个在输入端与输出端之间前后串联的、并各自从输入端向输出端在导通方向连接的二极管，
-一个在输出端与参考电位端之间连接的电容，
-另一个电容，它有一个连接在两个二极管之间的一个电连接点上的电极和另一个电极，和
-一个频率电源用于产生一个输出电压，该电压在基本是在输入端上的直流电压与参考电位端上的参考电位之间以一个频率波动，该频率比输入端上直流电压的一个频率高，并且它施加在另外电容的其它电极上，其特征在于，频率电源有：
-两个在输出端与参考电位端之间前后串联连接的通断开关，它们在频率为至少1兆赫兹快速以推挽式相互接通，使在这两个开关之间的一个电连接点上，在基本上是在输入端上的直流电压与参考电位端上的参考电位之间，产生一个以这个至少1兆赫兹的频率波动的矩形电压，和
-一个滤波器用于平整矩形电压并由矩形电压产生一个以至少为1兆赫兹的频率在基本上是在输入端上的直流电压与参考电位端上的参考电位之间波动的平整过的电压，它作为施加在另外电容的其它电极上频率电源的输出电压，此时
-该另外电容的一个电容数值是如此选择的，使该另外电容用平整过电压的至少1兆赫兹的频率充电和/或放电。
在本发明的电路中，优选的方式是通过明显地将接通频率从kHZ-范围提高到MHz-范围达到小型化。在这种情况，本发明的电路优选地允许，在例如85％至95％的高效率和良好的功率因数时，用极快地接通通断开关在MHz-范围通断运行。
在用20至100kHz运行已知的用于修正功率因数的电路时，这些中等高度的频率虽然允许具有高效率和良好功率因数的一系列电路方案，但是由于要求的电感和电容(在给定的功率时)其结构尺寸只能有限地减小。
在本发明电路的一个主要和优选的发展方案中，该滤波器有个低通滤波器，它对于至少1兆赫兹的频率基本上完全通过，将矩形电压从开关之间的连接点作为输入信号传送给它，其输出信号形成平整过的电压，它作为频率电源的输出电压施加在另外电容的其它电极上。
在本发明电路这个发展方案的一个主要和优选的实施形式中，低通滤波器有两个先后串联到在两个开关之间的连接点与另外电容其它电极之间的电感和一个附加的电容，该电容连接到在电感之间的一个连接点与参考电位端之间。
在本发明电路另一个主要和优选的发展方案中，滤波器有个HF-变压器，该变压器具有一个在连接到在两个开关之间的连接点与另外电容其它电极之间的初级电感和具有一个在另外电容其它电极与参考电位端之间连接的和与初级电感耦连的次级电感。在该发展方案中，HF-变压器优先用耦合度k＜1共振运行。
在这另一个发展方案的一个主要和优选实施形式中，一个附加的电容连接到在两个开关之间的连接点与初级电感之间。
本发明电路的该一个和另一个发展方案，可相互组合在一个唯一的电路中，尤其是在给出的实施形式中。
如果在两个二极管之间的连接点与参考电位端之间，平行于其它的电容连接一个附加的另外电容，本发明电路的效率还能优选地进一步最佳化。这个附加的另外电容可以用作优化电路效率的调整电容。
本发明电路的通断开关优选有个MOS-晶体管开关，尤其是一个CoolMosR开关。
本发明的电路在所有发展方案及其实施形式中，优选的是只包括少量的部件，并优选地在很好的功率因数修正(PEC)时，在MHz-频率范围达到一个远远大于90％的高效率，前提是使用有HF-能力的电容、电感和二极管(肖特基二极管)。它们的结构能优选地小型化，因为能将HF-电感和HF-电容保持的很小。
本发明电路特别适用于EVG，尤其适用于各类电灯。
本发明在下面的说明中借助附图举例详细阐述。示出的有：
图1本发明电路的第一个实施例，和
图2本发明电路的第二个实施例。
在图中用于修正电功率因数的本发明的电路一般用1表示。
电路1的输入端10用于施加带有尤其是与参考电位Φ相比一个随时间变化的直流电压U的电功率P，该参考电位Φ要连接在电路1的参考电位端11上，例如在外壳上。
例如，直流电压U是从电网交流电源电压通过在一个未示出的整流器内整流产生的、例如220V和频率为f0＝50Hz的脉动直流电压。
在电路1中修正了功率因数的电功率P1，从输出端12得到，例如通过在输出端12与参考电位端11之间连接的负荷2，该负荷例如由一个或多个电灯组成。在图中，该负荷2例如是连接在输出端12与电路1的另一个输出端13之间，后者直接与参考电位端11连接并像它一样处在参考电位Φ。
有两个二极管21和22先后串联到输入端10与输出端12之间，并各自从输入端10到输出端12是以导通方向连接的，致使在输入端10上直流电压为U时，电流I能从输入端10通过二极管21和22流到输出端12。
有一个电容13连接到输出端12与参考电位端11之间，该电容也称作为充电电容并有一个足够大的电容值Clade。
另一个电容14有一个在两个二极管21与22之间在电连接点20处连接的电极141和另一个电极142。这另一个电容14也被称作为泵电容(Pumpkapazitaet)并有一个小于Clade的电容值Cpump。
一个频率电源15用于产生一个输出电压，该电压在基本上是在输入端10上的直流电压U与参考电位端11上的参考电位Φ之间用一个高于输入端10上的直流电压U的例如频率f0的频率波动并且施加在另外电容14的其它电极142上。
至此，本发明的电路1与从上面最初列举的文献中引出的电路一致。
在本发明的电路1中，频率电源15有两个先后串联到输出端12与参考电位端11之间的通断开关151和152，它们在一个至少1兆赫兹的频率时快速相互以推挽式通断，致使在两个开关151与152之间的电连接点153上，用这个至少1兆赫兹的频率在基本上是输入端10上的直流电压U与参考电位端11上的参考电位Φ之间产生一个波动的矩形电压U1。
如果下面的开关152闭合且同时上面的开关151断开，则在这时在连接点153上有在二极管22的输出端上和从而在电路1的输出端12上存在的电压，该电压基本上与电路1输入端10上的直流电压U一致。如果另一方面下面的开关152断开和同时上面的开关151闭合，在这时连接点153基本上在参考电位Φ上。
除此之外，在本发明的电路1中，频率电源15有个用于平整矩形电压U1的滤波器150和由矩形电压U1产生一个有至少为1兆赫兹的频率在基本上是输入端10上的直流电压U与参考电位端11上的参考电位Φ之间波动的平整过的电压Uf，它作为施加在另外电容14的其它电极142上频率电源15的输出电压。
优选的是，将滤波器150如此设计，使得由频率的矩形电压U1生成一个基本上是频率f的正弦形平整过的电压Uf。
另外电容14的电容值Cpump，在电路1中要选择的使另外的电容14用至少1兆赫兹的频率f经平整过的电压Uf充电和/或放电。
在按照图1的电路1的实施例中，滤波器150有个低通滤波器160，它对于至少1兆赫兹的频率f基本上完全导通。矩形电压U1作为输入信号从开关151与152之间的连接点153传送给低通滤波器160，且低通滤波器160的输出信号构成平整了的电压Uf，它作为频率电源15的输出电压施加在另外电容14的其它电极142上。
低通滤波器160有专用的两个先后串联到在两个开关151与152之间的连接点153与另外电容14的其它电极142之间的电感161和162，以及一个附加的电容163。该电容163连接到在电感161和162之间的一个连接点164与参考电位端11之间。
在按照图2的实施例中，滤波器150有一个HF-变压器170，该变压器具有一个连接到在两个开关151和152之间的连接点153与参考电位端11之间的初级电感171，以及具有连接到另外电容14的其它电极142与参考电位端11之间的和在初级电感171上例如经过一个铁心174耦合的次级电感172。
有一个附加的电容173，专门连接到在两个开关151和152之间的连接点153与初级电感171之间，该电容使连接点153涉及直流电流的，从变压器170脱离耦连，并且只涉及交流电流的耦连到变压器170上。变压器170谐振地用耦合度k＜1运行。
在按照图1和2的电路1中，一个附加的另外的电容平行于另一个电容14可以连接到在两个二极管21与22之间的连接点20与参考电位端11之间，就像它在按照图2的实施例中示出的并用14′表示的那样。用这样一个附加的电容14′能将电路1的效率进一步最佳化。
通断开关151和152各自通过一个MOS-晶体管开关，优先的是通过一个CoolMOS-开关来实现。
概括起来，修正电功率因数的电路1相当于一个已知的电路，该电路具有为泵电容14产生高频电压Uf的一个HF-电源15。HF-电源15按照本发明有两个先后串联的通断开关151和152，它们在这两个开关151与152之间的一个电连接点153上产生一个以至少1兆赫兹的频率f波动的矩形电压U1，且有一个滤波器150，为泵电容14由矩形电压U1产生一个以至少1兆赫兹的频率f波动的平整过的电压Uf。

Claims (7)

1.修正电功率因数的电路(1)，具有：
-一个输入端(10)用于施加与参考电位(Φ)相比具有尤其是时间上变化的直流电压(U)的电功率(P)，
-一个参考电位端(11)用于施加参考电位(Φ)，
-一个输出端(12)用于获取修正了功率因数的电功率(P1)，
-至少两个在输入端(10)与输出端(12)之间前后串联的、并各自从输入端(10)向输出端(12)在导通方向连接的二极管(21，22)，
-一个在输出端(12)与参考电位端(11)之间连接的电容(13)，
-另一个电容(14)，它有一个连接在两个二极管(21，22)之间的一个电连接点(20)上的电极(141)和另一个电极(142)，和
-一个频率电源(15)用于产生一个输出电压，该电压在基本是在输入端(10)上的直流电压(U)与参考电位端(11)上的参考电位(Φ)之间以一个频率波动，该频率比输入端(10)上直流电压(U)的一个频率(f0)高，并且它施加在另外电容(14)的其它电极(142)上，
其特征在于，
频率电源(15)有：
-两个在输出端(12)与参考电位端(11)之间前后串联连接的通断开关(151，152)，它们在频率(f)为至少1兆赫兹快速以推挽式相互接通，使在这两个开关(151，152)之间的一个电连接点(153)上，在基本上是在输入端(10)上的直流电压(U)与参考电位端(11)上的参考电位(Φ)之间，产生一个以这个至少1兆赫兹的频率(f)波动的矩形电压(U1)，和
-一个滤波器(150)用于平整矩形电压(U1)并由矩形电压(U1)产生一个以至少为1兆赫兹的频率(f)在基本上是在输入端(10)上的直流电压(U)与参考电位端(11)上的参考电位(Φ)之间波动的平整过的电压(Uf)，它作为施加在另外电容(14)的其它电极(142)上频率电源(15)的输出电压，其中
-该另外电容(14)的一个电容数值(Cpump)是如此选择的，使该另外的电容(14)用平整过电压(Uf)的至少1兆赫兹的频率
(f)充电和/或放电。
2.如权利要求1的电路，其中
滤波器(150)有个低通滤波器(160)，它对于至少1兆赫兹的频率(f)基本上完全导通，矩形电压(U1)作为输入信号从开关(151，152)之间的连接点(153)传送给低通滤波器(160)，并且低通滤波器(160)的输出信号形成平整过的电压(Uf)，它作为频率电源(15)的输出电压施加在另外电容(14)的其它电极(142)上。
3.如权利要求2的电路，其中
低通滤波器(160)有两个先后串联到在两个开关(151，152)之间的连接点(153)与另外电容(14)的其它电极(142)之间的电感(161，162)和一个附加的电容(163)，该电容连接到在电感(161，162)之间的一个连接点(164)与参考电位端(11)之间。
4.如权利要求2或3的电路，其中
滤波器(150)有个HF-变压器(170)，该变压器具有一个在连接到在两个开关(151，152)之间的连接点(153)与参考电位端(11)之间的初级电感(171)，和具有一个在连接到另外电容(14)的其它电极(142)与参考电位端(11)之间和与初级电感(171)耦连的次级电感(172)。
5.如权利要求4的电路，其中
一个附加的电容(173)连接到在两个开关(151，152)之间的连接点(153)与初级电感(171)之间。
6.如上述权利要求之一的电路，其中
一个附加的另外的电容(14′)平行于另外电容(14)连接到在两个二极管(21，22)之间的连接点(20)与参考电位端(11)之间。
7.如上述权利要求之一的电路，其中
一个通断开关(151，152)有一个MOS-晶体管开关。
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