CN1758516A - 功率因子提高电路以及功率因子提高电路的控制电路 - Google Patents

功率因子提高电路以及功率因子提高电路的控制电路 Download PDF

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CN1758516A CNA2005101249474A CN200510124947A CN1758516A CN 1758516 A CN1758516 A CN 1758516A CN A2005101249474 A CNA2005101249474 A CN A2005101249474A CN 200510124947 A CN200510124947 A CN 200510124947A CN 1758516 A CN1758516 A CN 1758516A
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Abstract

安装到功率因子提高电路的集成电路(41)的是用于输出电容器(35)中的充电电压和预定电压之间的差值电压的误差放大器(40A)、用于设定接通/关断开关元件(36)的定时的定时设定电路(40B)、比较器(41e)以及开关(41f)。当瞬间电力故障发生并且电容器(35)中的充电电压下降时，比较器(41e)检测到该下降并且接通开关(41f)。响应该情况，电容器(42)放电，并且将要输入到定时设定电路(40B)中的差值电压设置为0。当电源恢复时，开关元件(36)被接通的周期被缩短，因此抑制了电容器(35)中充电电压的过度上升。

Description

功率因子提高电路以及功率因子提高电路的控制电路
技术领域
本发明涉及一种功率因子提高电路以及功率因子提高电路的控制电路。
背景技术
图4示出了一种传统的功率因子提高电路27的一个例子。
功率因子提高电路27将由交流电源1提供的交流(AC)功率转换为直流(DC)功率，并且将该直流功率提供给负载28。功率因子提高电路27通过使交流电源1的输出电流的相位与其输出电压的相位相一致来使交流电源1的输出功率的功率因子几乎为“1”。
功率因子提高电路27包括全波整流电路2、电感器3、二极管4、电容器5、开关元件6、电阻器7、8和9以及控制电路10。该控制电路10包括误差放大器11、乘法器12、比较器13、驱动器电路14以及参考电压源15。电容器21和辅助电源22连接到控制电路10。充电电路23连接到全波整流电路2和辅助电源22。
下面解释图4中示出的功率因子提高电路27的操作。
全波整流电路2对交流电源1产生的交流电压进行全波整流以产生整流电压。该整流电压通过电感器3和二极管4被提供给电容器5用以给电容器5充电。开关元件6由驱动器14接通和关断。当开关元件6被接通时，电流(开关电流)依次流过全波整流电路2的正极、电感器3、开关元件6、电阻器7以及全波整流电路2的负极，并且能量被存储在电感器3中。电阻器7产生一个与开关电流的电流值相对应的电压。当开关元件6被关断时，存储在电感器3中的能量通过二极管4供给电容器5。电容器5存储该能量。负载28被提供有来自电容器5的滤波的DC电压Vo。
电阻器8和9将该滤波的DC电压Vo分压，以产生电压(电压信号)Vd，并将该分压电压Vd供给控制电路10。
控制电路10中的误差放大器11产生一个差值电压，该差值电压对应于参考电源15输出的参考电压Vref1和电阻器8和9输出的分压电压Vd之间的差值。电容器21作为误差放大器11的相位补偿电容器。乘法器12将该差值电压与整流电压相乘。比较器13将电阻器7基于开关电流产生的电压与乘法器12的输出电压作比较，并且输出一个表示比较结果的开/关信号。
当一个未示出的检测电路检测到流过电感器3的电流变为0时，驱动器14通过控制信号来控制开关元件6以被接通，当由电阻器7产生的电压增加并且超过乘法器12的输出电压时，驱动器14响应于来自比较器13的开/关信号来控制开关元件6以被关断。
在以上述方式操作的功率因子提高电路27中，从交流电源1流入到功率因子提高电路27的电流波形或从功率因子提高电路27流到交流电源1的电流波形变为与交流电源1的输出电压的波形几乎是相同的，并且它们的相位一致。因此，功率因子提高电路27可以在维持交流电源1的输出功率的功率因子几乎为“1”的同时，向负载28提供直流电压Vo。
辅助电源22例如由电容器或是类似元件构成。该辅助电源22通过充电电路23充入由交流电源1提供的部分能量。控制电路10通过辅助电源22中充入的能量来工作。
假设交流电源1例如由于商业电源的电力故障而停止。在这种情况下，如果辅助电源22中留有充足的电能，那么控制电路10可以正常工作。同时，由于没有充入电压，所以电容器5中的充电电压Vo下降。如果电容器5中的充电电压Vo下降，那么误差放大器11输出的差值电压变得更高。结果，控制电路10以使开关元件6处于打开状态的期间(ON的宽度)为最大值的方式来控制开关元件6。
如果交流电源1继续处于停止状态，则辅助电源22中充入的能量耗尽，并且控制电路10停止操作。
与此相反，如果交流电源1恢复从而重新提供电能，同时，能够使控制电路10继续工作的能量还保留在辅助电源22中，则在交流电源1恢复后，开关元件6的接通立即为最大的ON宽度。因此，电容器5的充电电压Vo急剧上升。这将引起误差放大器11输出的差值电压下降。然而，由于电容器21被充电到高电压，所以差值电压被延迟下降，直到电容器21被放电。因此，电容器5的充电电压Vo可能成为超过预定值的过电压。
未审查的日本专利申请KOKAI公开号H11-69785公开了一种可以防止这种过电压发生的功率因子提高电路。这种功率因子提高电路包括一个设置在误差放大器输入端和用于产生参考电压的电压源之间的集成电路，以及一个复位电路，该复位电路监控交流电源产生的交流电压并且当发生电力故障时将集成电路的输出电压复位到0。然而，这种功率因子提高电路需要包括该集成电路以及用于监控交流电源产生的交流电压的电路，导致需要很大的电路结构。
未审查的日本专利申请KOKAI公开号2000-32743中公开的功率因子提高电路包括一个过电压防止电路。当用于检测提供给负载的直流电压的电阻器(对应于本申请图4中示出的电阻器8)从功率因子提高电路的输出端断开时，该过电压防止电路通过保持开关元件处于截止状态而抑制输出电压的上升。然而，该过电压防止电路不能抑制当交流电源从电力故障中瞬间恢复时所引起的直流输出电压的过度升压。
发明内容
本发明是考虑到上述情况作出的，本发明的一个目的是提供一种即使在消除电力故障后也不会产生过电压的功率因子提高电路。
此外，本发明是考虑到上述情况作出的，本发明的另一个目的是提供一种小规模的功率因子提高电路，并具有在电力故障后抑制输出电压上升的功能。
为了实现上述目的，根据本发明第一方面的功率因子提高电路包括：
整流电路(32)，用于对交流电源产生的交流电压整流，以产生整流电压；
电感器(33)，其一端连接到整流电路(32)的正极；
整流元件和滤波电容器(34、35)，其串连在电感器(33)另一端和整流电路(32)的负极之间；
开关元件(36)，其连接在电感器(33)的另一端和整流电路(32)的负极之间以被接通/关断，并且当该开关元件被接通时，使得开关电流从所述正极流入电感器(33)，从而在电感器(33)中存储能量，而当开关元件被关断时，将所存储的能量充入滤波电容器(35)；
输出电压检测电路(38、39)，用于产生表示滤波电容器(35)中的充电电压的电压信号(Vd)；
误差检测电路(40A)，用于检测电压信号(Vd)和第一参考值(Vref1)之间的差值；
差值稳定电容器(42)，用于限制差值的波动；
定时设定电路(40B)，用于根据差值来设定关断开关元件(36)的定时，使得充电电压变为接近预定电压；以及
复位电路(40C)，用于将电压信号(Vd)与第二参考值(Vref2)进行比较，并且在电压信号(Vd)比第二参考值(Vref2)低时，将要输入到定时设定电路(40B)中的差值复位为0。
由于具有这种结构，例如，在电力故障发生并且滤波电容器(35)中的充电电压下降的情况下，将要输入到定时设定电路(40B)中的差值被设定为0。当电力恢复时，整流电路(32)输出的整流电压供给滤波电容器(35)，并且基于开关元件(36)的开关操作的电能也供给滤波电容器(35)，因此引起滤波电容器(35)中的充电电压上升。
由于在输入到定时设定电路(40B)中的差值几乎为0的状态下，在电力恢复时，基本上启动了开关元件(36)的开关操作，所以滤波电容器(35)中的充电电压不会急剧上升。因此，即使电力故障是发生在瞬间的(瞬间电力故障)，也会防止滤波电容器(35)中的充电电压过度升压到超过预定电压。
在电压信号(Vd)低于第二参考值(Vref2)时，复位电路(40C)可以将差值设置到0，并且停止开关元件(36)被接通/关断。
误差检测电路(40A)、定时设定电路(40B)以及复位电路(40C)可以集成在一个单独的芯片上。
为了实现上述目的，根据本发明第二方面的功率因子提高电路的控制电路包含在功率因子提高电路中，功率因子提高电路包括：用于对交流电源产生的交流电压进行整流以产生整流电压的整流电路；一端连接到整流电路的正极的电感器；串连连接在电感器的另一端和整流电路的负极之间的整流元件和滤波电容器；以及连接在电感器的另一端和整流电路的负极之间以被接通/关断得开关元件，当该开关元件被接通时，使得开关电流从所述正极流入到电感器中，从而在电感器中存储能量，而当开关元件被关断时，将所存储的能量充入滤波电容器，该控制电路包括：
误差检测电路(40A)，用于检测与滤波电容器中的充电电压成比例的电压值和参考值(Vref1)之间的差值；
用于限制差值波动的差值稳定电容器(42)；
定时设定电路(40B)，用于根据差值来设定关断开关元件的定时，使得充电电压变为接近预定电压；以及
复位电路(40C)，用于当滤波电容器中的充电电压不是预定电压时，将要输入到定时设定电路(40B)中的差值设定为0。
在成比例电压低于第二参考值(Vref2)期间，该复位电路(40C)可以将差值设置为0，并且停止开关元件被接通/关断。
误差检测电路(40A)、定时设定电路(40B)以及复位电路(40C)可以集成在一个芯片上，并且该差值稳定电容器(42)可以从外面附接到芯片上。
根据本发明，可以防止给负载提供预定直流电压的滤波电容器(35)中的充电电压的过度升高。
附图说明
通过阅读下面的详细的说明以及相应的附图，本发明的这些目的以及其他的目的和优点将会更加的明显，附图中：
图1示出了根据本发明实施例的功率因子提高电路的结构的示意图；
图2A到2G示出了图1中的功率因子提高电路工作过程的波形图；
图3A和3B示出了图1中的功率因子提高电路工作过程的波形图；
图4示出了传统的功率因子提高电路的结构的示意图。
具体实施方式
现将参考附图说明根据本发明的实施例的功率因子提高电路。
如图1中所示，根据本实施例的功率因子提高电路50连接到交流电源51和负载52，并且将来自交流电源51的交流电转换为直流电并将其供给负载52。
功率因子提高电路50包括全波整流电路32、电感器33、二极管34、滤波电容器35、开关元件36、电阻器37、38和39、控制电路40、充电电路44以及电流检测电路45。
全波整流电路32是由二极管桥式电路或是类似的元件构成的，并且对从交流电源51输出的交流电压进行全波整流并输出一个整流电压。
电感器33的一端连接到全波整流电路32的正极。
二极管34的阳极连接到电感器33的另一端。滤波电容器35连接在二极管34的阴极和全波整流电路32的负极之间。
开关元件36是由一个N沟道MOS晶体管构成的。该N沟道MOS晶体管的漏极连接到电感器33的另一端，它的源极连接到电阻器37的一端，并且它的栅极连接到后面将要描述的驱动器41d上。电阻器38的另一端连接到全波整流电路32的负极上。
电阻器38和39串联连接在二极管34的阴极和电容器35之间的接点与地之间。电阻器38和39对功率因子提高电路50的输出电压Vo(电容器35中的充电电压)进行分压，用以产生与输出电压Vo成正比的电压信号Vd。
充电电路44通过利用交流电源51的输出电压来为后面将要描述的辅助电源43充电。
电流检测电路45是由变流器或是类似的元件构成的，并且当流过电感器33的电流变为0时，其输出检测信号。
控制电路40包括一个单片集成电路41和从外面连接到该集成电路41上的电容器42。电容器42使后面将要描述到的误差放大器40A的输出电压平稳。
在集成电路41上形成有FB端、GND端、VCC端、COMP端、MULTI端、CS端、TC端、以及OUT端。
FB端连接到电阻器38和电阻器39之间的接点，与电容器35中的充电电压(＝输出电压)Vo成正比的电压Vd施加到FB端。GND端接地。电容器42连接在COMP端和接地端之间。用于驱动控制电路40的辅助电源43连接到VCC端。辅助电源43包括电容器和蓄电池，并且由充电电路44充电。充电电路44连接到交流电源51(或是全波整流电路32)。辅助电源43经由充电电路44充入由交流电源51提供的部分能量。MULTI端连接到全波整流电路32的正极。
集成电路41包括作为误差检测电路工作的误差放大器40A。误差放大器40A的反相输入端连接到FB端，来自于参考电压产生器45的第一参考电压Vref1输入到误差放大器40A的正相输入端。误差放大器40A输出一个与电压Vd和第一参考电压Vref1之间的差值(Vref1-Vd)相对应的电压。
误差放大器40A的输出端连接到COMP端，同时也连接到双输入端乘法器41b的一个输入端上。
乘法器41b的另一个输入端连接到MULTI端。
乘法器41b将经MULTI端提供的全波整流电路32的输出电压和误差放大器40A的输出电压相乘并且输出该相乘后的电压。
乘法器41b的输出端连接到比较器41c的正相输入端(+)，比较器41c的反相输入端(-)连接到CS端。开关元件36和电阻器37之间的连接节点的电压施加到CS端。
比较器41c的输出端连接到三输入端驱动器41d的第一输入端上。驱动器41d的第二输入端经由TC端连接到电流检测电路45。驱动器41d的第三输入端连接到后面将要描述的比较器41e上。驱动器41d的输出端经由OUT端连接到开关元件36的控制端(门电极)。乘法器41b、比较器41c和驱动器41d构成了定时设定电路40B，该定时设定电路用于设定接通和关断开关元件36的定时。
在集成电路41上进一步形成有比较器41e和开关41f。
比较器41e的反相输入端(-)连接到FB端，由参考电压产生器46输出的第二参考电压Vref2被输入到比较器41e的正相输入端(+)。比较器41e的输出端连接到开关41f，并且也被连接到驱动器41d的第三输入端。第二参考电压Vref2是用于确定是否由交流电源51输入正常输入电压的电压。第二参考电压Vref2被设置成低于第一参考电压Vref1的值。比较器41e和开关41f构成了复位电路(40C)，该复位电路用于将输入到定时设定电路40B的乘法器41b中的差值复位到0。
接下来，将参考图2A到2G中示出的时间图来说明功率因子提高电路50的操作。
如图2G所示，当交流电源51被接通时(加电)，控制电路40的电源电压Vcc如图2A所示也被接通。然后，全波整流电路32整流该交流电压，并将该整流电压经由电感器33和二极管34供给电容器35。如图2F所示，电容器35中的充电电压急剧上升。
充电电压急剧上升的同时，功率因子提高电路50的输出电压Vo也一起上升，并且如图2B所示由电容器35向负载52提供电能。如图2F所示，电阻器38和39通过对电容器35中的充电电压进行分压而产生电压Vd。误差放大器40A输出差值信号，该差值信号具有参考电压Vref1和电压Vd之间的差值电压(Vref1-Vd)。电容器42由该差值电压充电，并且补偿差值电压的相位以限制它的波动。因此，差值电压的变化如图2C所示。
乘法器41b将差值电压与全波整流电路32产生的整流电压相乘，并将对应于相乘结果的电压信号提供给比较器41c的正相输入端。乘法器41b的输出根据全波整流电路32产生的整流电压的脉动而改变。图2D中示出了乘法器41b的输出的平均值。
当电阻器37上的电压降低并且变为等于乘法器41b的输出信号的电压时，比较器41c产生OFF信号，以关断开关元件36并将其提供给驱动器41d。
驱动器41d产生用于控制开关元件36接通或关断的控制信号。驱动器41d响应于来自电流检测电路45的表示流过电感器33的电流变为0的检测信号来控制开关元件36被接通，并且在比较器41c提供OFF信号的定时，驱动器41d控制开关元件36被关断。
通过由定时设定电路40B执行的这种控制，可以控制与整流电压的波形相一致的开关电流IQ间歇地流过开关元件36，并且保持功率因子几乎为“1”。其中，定时设定电路由乘法器41b、比较器41c和驱动器41d构成。
通过流过开关元件36的开关电流IQ，能量被存储到电感器33中，并且当开关元件36处于关断状态时，该存储的能量通过二极管34充入到电容器35中。也就是，控制电路40控制开关元件36的接通和关断，以使得由电阻器38和39产生的电压变为等于参考电压Vref1，并且使从交流电源51通过全波整流电路32间歇地输入的输入电流的波形，与通过全波整流电路32输入的输入电压的波形相似。
更加具体地说明，如图3B所示，由于定时设定电路40B重复它的控制操作，开关元件36被接通或是关断，如图3A所示，开关电流IQ流过开关元件36，充电电流ID流过二极管34。由于这些原因，平均输入电流的波形变为如图3A中的虚线所示，并且功率因子变为非常接近“1”。
如图2G所示，假设出现了瞬间电力故障。由于该电力故障，全波整流电路32的整流电压变为0，并且电容器35中的充电电压下降。这将引起电阻器38和39产生的电压Vd下降，如图2F所示，并且引起误差放大器40A输出的差值上升，如图2C所示。
当电压Vd下降到低于参考电压Vref2时，比较器41e检测到该下降，并且输出一个表示电压Vd下降到低于参考电压Vref2的电压下降信号给开关41f和驱动器41d。
当提供电压下降信号时，开关41f被接通。当开关41f被接通时，COMP端连接到地，电容器42被放电，差值电压被复位到0，如图2C所示。乘法器41b的输出信号也被复位到0。此外，响应于电压下降信号，驱动器41d停止接通和关断开关元件36，并且在提供电压下降信号期间继续停止。
接下来，当电源恢复时，全波整流电路32的整流电压上升，并且其使得电容器35中的充电电压和电阻器38和39的电压Vd上升。
当电压Vd超过参考电压Vref2时，比较器41e停止输出电压下降信号，因此开关41f被关断。
参考电压Vref2是一个将与电压Vd作比较的参考值，以用于确定正常交流电压是否被输入。在电压Vd低于参考电压Vref2的情况下，开关41f处于ON状态，并且开关元件36的接通/关断操作停止。
与此相反，参考电压Vref1是一个用于控制电容器35中的充电电压的参考值，作为功率因子提高电路50的输出电压，将是一个预定的目标电压。该参考电压Vref1被设置为由电阻器38和39对预定的目标电压进行分压而得到的值。
如果参考电压Vref2被设置为接近参考电压Vref1的值，则当功率因子提高电路50启动时开关41f保持为接通，因此防碍开关元件36的开关操作，并可能引起启动故障。因此，参考电压Vref2被设置为略微低于通过对交流电源51提供的正常交流电压的下限值进行整流和滤波然后再由电阻器38和39对该整流及滤波后的值进行分压后，而得到的值。
当开关41f从ON状态变为OFF状态时，在电容器42中的充电电压为0的状态时启动开关元件36的接通/关断，并且误差放大器40A的输出信号的电平上升，同时电容器42由该输出信号进行充电。因此，开关元件36的ON宽度不会急剧地增长，并且电容器35中的充电电压不会急剧地上升。结果，避免了电容器35中的充电电压的过度上升。
在瞬间电力故障后，电力恢复时，根据以上述方式操作的本实施例的功率因子提高电路50，可以防止电容器35中的充电电压的过度上升。因此，可以避免负载52和功率因子提高电路50中的元件承受过应力。此外，即使电阻器38由于某些原因被从电容器35或功率因子提高电路50断开，比较器41e也会检测到该情况，以便驱动器41b停止开关元件36的接通/关断。因此，电容器35的充电电压始终不会过度上升。此外，本发明的功率因子提高电路50不需要为了检测交流电源的交流电压而在集成电路41中所需要的终端或是电路，这里的集成电路41是包括在专利文献1中的功率因子提高电路的控制电路40中的。因此，可以简化功率因子提高电路的结构并且降低出错率，如在布线中的错误。
本发明不受上述实施方式的限制，而是可以作各种方式的修改。
例如，开关元件36除MOS晶体管以外，可以由双极晶体管构成。
此外，开关元件36可以以固定频率被接通或关断，并且流过电感器33的电流可以以连续的方式操作。
在不脱离本发明的很宽的精神和范围的条件下，可以进行各种实施方式和变化。上述的实施方式意在举例说明，而不是用来限制本发明的范围。本发明的范围是由附加的权利要求示出的，而不是具体的实施方式。各种落入与发明的权利要求等价的含义中的修改以及落入权利要求中的修改均被视为在本发明的范围之内。

Claims (9)

1.一种功率因子提高电路，包括：
整流电路(32)，用于对交流电源产生的交流电压进行整流，以产生整流电压；
电感器(33)，其一端连接到所述整流电路(32)的正极；
整流元件和滤波电容器(34、35)，其串联连接在所述电感器(33)的另一端和所述整流电路(32)的负极之间；
开关元件(36)，其连接在所述电感器(33)的另一端和所述整流电路(32)的负极之间以被接通/关断，并且当该开关元件被接通时，使得开关电流从所述正极流入所述电感器(33)，从而在所述电感器(33)中存储能量，而当所述开关元件被关断时，将所存储的能量充入所述滤波电容器(35)；
输出电压检测电路(38、39)，用于产生与所述滤波电容器(35)中的充电电压相对应的电压信号(Vd)；
误差检测电路(40A)，用于检测所述电压信号(Vd)和第一参考值(Vref1)之间的差值；
定时设定电路(40B)，用于根据所述差值来设定关断所述开关元件(36)的定时，使得所述充电电压变为接近预定电压；以及
复位电路(40C)，用于将所述电压信号(Vd)与第二参考值(Vref2)进行比较，并且在所述电压信号(Vd)比所述第二参考值(Vref2)低时，抑制将要输入到所述定时设定电路(40B)中的所述差值。
2.根据权利要求1所述的功率因子提高电路，其中所述复位电路(40C)在所述电压信号(Vd)低于所述第二参考值(Vref2)的情况下，将要输入到所述定时设定电路(40B)中的差值设置为0。
3.根据权利要求1所述的功率因子提高电路，其中所述复位电路(40C)在所述电压信号(Vd)低于所述第二参考值(Vref2)期间，将所述差值设置为0，并且停止所述开关元件(36)被接通/关断。
4.根据权利要求1所述的功率因子提高电路，进一步包括差值稳定电容器(42)，该差值稳定电容器连接到所述误差检测电路(40A)的输出端，以限制所述差值的波动。
5.根据权利要求1所述的功率因子提高电路，其中所述误差检测电路(40A)、所述定时设定电路(40B)以及所述复位电路(40C)集成到单个的集成电路上。
6.根据权利要求1所述的功率因子提高电路，其中所述输出电压检测电路(38，39)、所述误差检测电路(40A)、所述定时设定电路(40B)以及所述复位电路(40C)包括辅助电源(43)，即使当所述交流电源停止供电时，该辅助电源也在预定时间段为它们供电。
7.一种包含在功率因子提高电路中的用于所述功率因子提高电路的控制电路，该功率因子提高电路包括用于对交流电源产生的交流电压进行整流以产生整流电压的整流电路，一端连接到所述整流电路的正极的电感器，串联连接在所述电感器的另一端和所述整流电路的负极之间的整流元件和滤波电容器，以及连接在所述电感器的另一端和所述整流电路的负极之间以被接通/关断的开关元件，当该开关元件被接通时，使得开关电流从所述正极流入到所述电感器，从而在所述电感器中存储能量，而当所述开关元件被关断时，将所存储的能量充入所述滤波电容器，所述控制电路(40)包括：
误差检测电路(40A)，用于检测与所述滤波电容器中的充电电压成比例的电压和参考值(Vref1)之间的差值；
定时设定电路(40B)，用于根据所述差值来设定关断所述开关元件的定时，使得所述充电电压变为接近预定电压；以及
复位电路(40C)，用于当所述滤波电容器中的充电电压不是预定值时，将要输入到所述定时设定电路(40B)中的所述差值设定为0。
8.根据权利要求7所述的用于所述功率因子提高电路的控制电路，其中所述复位电路(40C)在所述成比例电压低于第二参考值(Vref2)期间，将所述差值设置为0，并且停止所述开关元件被接通/关断。
9.根据权利要求7所述的用于所述功率因子提高电路的控制电路，其中所述误差检测电路(40A)、所述定时设定电路(40B)以及所述复位电路(40C)集成在一个芯片上，并且用于限制所述差值的波动的差值稳定电容器(42)从外面附接到所述芯片上。
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