DE60107295T2

DE60107295T2 - Leistungsfaktorregler

Info

Publication number: DE60107295T2
Application number: DE60107295T
Authority: DE
Inventors: R. Humphry DE GROOT
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Bobinados De Transformadores Sl Zaragoza Es
Priority date: 2000-12-13
Filing date: 2001-11-26
Publication date: 2005-11-10
Anticipated expiration: 2021-11-27
Also published as: TW538584B; US6465992B2; EP1352464B1; DE60107295D1; ATE282905T1; JP2004516782A; CN1401154A; WO2002049198A3; US20020097591A1; EP1352464A2; KR20020079837A; CN1252906C; WO2002049198A2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Leistungsfaktorregler, der die nachfolgenden Elemente umfasst:

– einen Gleichrichter zum Empfangen einer AC-Spannung von einer Spannungsquelle und zum Gleichrichten der genannten AC-Spannung,
– eine Schaltstromversorgung zur Steuerung des Stromes in dem Gleichrichter und
– eine Rückkopplungsstrecke zur Rückkopplung einer Ausgangsspannung eines Leistungsfaktorreglers zu einem Steuerblock, wobei dieser Steuerblock eine Bandbreite hat entsprechend der Frequenz der Spannungsquelle oder größer als dieselbe. Ein derartiger Leistungsfaktorregler kann auf vorteilhafte Weise in jedem beliebigen elektronischen Gerät, das den IEC61000-3-2 Anforderungen entspricht, beispielsweise in einem Fernsehgerät, implementiert werden.

Zum Erhalten einer relativ konstanten DC-Ausgangsspannung von einer schwingenden (normalerweise sinusförmigen) Spannungsquelle, wird diese Spannung üblicherweise mit einer Gleichrichterbrücke, die aus vier Dioden und einem Kondensator besteht, gleichgerichtet. Eine derartige einfache Lösung führt zu einem AC-Leitungseingangsstrom mit einem hohen harmonischen Inhalt, da ein Spitzenstrom ebenso hoch ist wie die Ladezeit des Kondensators kurz ist. Dies führt auch zu unerwünschten Verlusten in dem Gleichrichter. Deswegen wurden Anstrengungen angestellt zum Einführen eines Schaltnetzteils ("switch mode power supply" (SMPS)) und zum Durchführen einer geeigneten Steuerung des Schaltnetzteils. Der Eingangsstrom zu dem Schaltnetzteil kann sinusförmig sein (beispielsweise mit Hilfe eines Leistungsfaktorreglers), oder trapezförmig (blockförmig). Derartige Systeme werden heutzutage als Leistungsfaktorregler in verschiedenen elektronischen Geräten verwendet.
Es dürfte einleuchten, dass in einem Gleichrichtersystem mit einer AC-Eingangsspannung, die eine konstante Leistungsladung speist, die Ausgangsspannung von dem Schaltnetzteil immer eine Welligkeitsspannung mit der doppelten Frequenz der Spannungsfrequenz haben wird. Wenn die Spannungsregelschleife, die dazu entworfen ist, die Ausgangsspannung des Leistungsfaktorreglers bei einer Änderung der Umstände auf einem vorbestimmten Pegel zu halten, versuchen wird, die Welligkeit zu eliminieren, wird die gewünschte Stromform verzerrt, und in dem Eingangsstrom treten zusätzliche Harmonische auf. Um diesen Nachteil zu vermeiden kann die Frequenzbandbreite der Steuerschleife auf einen sehr niedrigen Wert (unterhalb 50 Hz, typischerweise 8–10 Hz) begrenzt werden, wodurch der Einfluss der AC-Quelle in dem System eliminiert wird. Mit einer derart niedrigen Bandbreite ist die Welligkeit in der Ausgangsspannung für die Steuerschleife "unsichtbar", und folglich werden durch die Steuerschleife keine Anstrengungen angestellt um die Welligkeit zu reduzieren. Die niedrige Bandbreite führt aber zu sehr langsamen Systemcharakteristiken, was zu einer unbefriedigenden Reaktion auf Änderungen in der Belastungsimpedanz führt.
Deswegen ist eine höhere Bandbreite in der Rückkopplungsschleife erwünscht, vorzugsweise höher als die Frequenz der AC-Quelle, d. h. normalerweise die Netzfrequenz, beispielsweise 50–60 Hz. Der Nachteil dieser Lösung ist, wie bereits erwähnt, dass die Welligkeit auf der Ausgangsspannung in der Rückkopplungsschleife zurückgekoppelt wird und verursacht, dass der Eingangsstrom zu dem Schaltnetzteil von der idealen Wellenform abweicht.
Es ist nun u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Leistungsfaktorregler mit hoher Bandbreitenspannungsrückkopplung zu schaffen, der das oben genannte Problem löst.
Nach der vorliegenden Erfindung wird diese und andere Aufgaben gelöst durch einen Leistungsfaktorregler der eingangs beschriebenen Art, wobei die Rückkopplungsstrecke ein Bandpassfilter aufweist, das mit der genannten Ausgangsspannung verbunden ist, und Mittel zum Erzeugen eines Rückkopplungssignals auf Basis der Ausgangsspannung und eines Ausgangssignals von dem genannten Bandpassfilter, wobei das genannten Rückkopplungssignal Welligkeit um das Durchlassband des Filters herum reduziert hat.
Das Bandpassfilter funktioniert zum Selektieren von Spannungsschwingungen um das Durchlassband herum und dieses Ausgangssignal wird danach verwendet zum Bilden einer im Wesentlichen welligkeitsfreien Steuerrückkopplung. Dadurch, dass die Welligkeitsreduktion mit Hilfe eines Bandpassfilters vorgeformt wird, kann die Eliminierung der Welligkeit ohne Aufopferung der Bandbreite der Steuerschleife durchgeführt werden, wodurch eine schnelle Reaktion auf plötzliche Änderungen in der Belastung ermöglicht wird.
Durch Eliminierung der Welligkeit in der Spannungsrrückkopplungsschleife verschwendet der Leistungsfaktorregler keine Energie an einem Versuch, diese Welligkeit zu steuern, was durch die AC-Quelle inhärent vorhanden ist.
Ein Leistungsfaktorregler nach der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise in LCD-Monitoren verwendet werden, die eine Eingangsleistung größer als 75 W erfordern.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die Mittel zum Erzeugen eines Rückkopplungssignals einen Subtrahierer, von dem eine erste Eingangsklemme mit der genannten Ausgangsspannung verbunden ist, und von der eine zweite Eingangsklemme mit dem Ausgangssignal des genannten Bandpassfilters verbunden ist, zum Erzeugen eines Rückkopplungssignals entsprechend der Differenz zwischen der genannten Ausgangsspannung und dem genannten Filterausgangssignal.
Nach einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist das Bandpassfilter ein invertierendes Filter und die Mittel zum Erzeugen eines Rückkopplungssignals umfassen einen Addierer, von dem eine erste Eingangsklemme mit der genannten Ausgangsspannung verbunden ist, und von der eine zweite Eingangsklemme mit dem genannten Ausgangssignal des Bandpassfilters verbunden ist, zum Erzeugen eines Rückkopplungssignals entsprechend der Summe der genannten Ausgangsspannung und des genannten Filterausgangssignals.
Das Bandpassfilter hat vorzugsweise eine Mittenfrequenz (wo) im Wesentlichen gleich der doppelten Speisespannungsfrequenz. Dies sorgt für eine effiziente Eliminierung der Welligkeit, herrührend aus der AC-Quelle.
Nach einer anderen bevorzugten Ausführungsform besteht das Bandpassfilter aus zwei einzelnen Bandpassfiltern mit verschiedenen Durchlassbändern, die zueinander parallel geschaltet sind und deren Ausgänge zusammen addiert werden. Dies ist vorteilhaft in Leistungsfaktorreglern, die über große Marktgebiete verteilt werden, einschließlich Länder mit verschiedenen Netzfrequenzen. Vorzugsweise liegt das eine Durchlassband in dem Intervall 90–110 Hz, und das andere Durchlassband liegt in dem Intervall 110–130 Hz, damit auf effiziente Weise Welligkeit, herrührend aus 50 Hz oder 60 Hz Netzfrequenzen, selektiert werden können.
Der Schaltnetzteil kann beispielsweise einen Impulsbreitenmodulator aufweisen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im vorliegenden Fall näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines Leistungsfaktorreglers nach der vorliegenden Erfindung,
2 ein detailliertes Schaltbild des Leistungsfaktorreglers nach 1,
3 ein Blockschaltbild eines möglichen Filterentwurfs nach der vorliegenden Erfindung,
4 ein Diagramm der Eingangsströme und Ausgangsspannungen.
Der Leistungsfaktorregler 1 aus 1 umfasst einen Gleichrichter 2, einen Schaltnetzteil (SMPS) 3, mit beispielsweise einem Impulsbreitenmodulator, und eine Rückkopplungsstrecke 4. Der Gleichrichter 2 empfängt eine AC-Spannung (V_AC) von einer Quelle 5, vorzugsweise aus dem Versorgungsnetz, und liefert einen DC-Strom (I_L) zu einer Last 6. Der Schaltnetzteil 3 steuert den Strom durch den Gleichrichter, wodurch der harmonische Inhalt des Stromes abnimmt. Der Schaltnetzteil 3 empfängt ein Spannungssteuersignal (V_c) aus der Rückkopplungsstrecke 4.
2 zeigt detailliert ein Beispiel eines Leistungsfaktorreglers 1 mit einer Gleichrichterbrücke 2 mit vier Dioden und einer Spule 8, und einen Schaltnetzteil 3 mit einem Steuerblock 7. Wie aus 2 ersichtlich treibt der Steuerblock 7 ein Schaltelement 9 an, das in Reihe mit der Spule 8 verbunden ist, und empfängt einen Messwert des Stromes i_feed über den Stromfühlwiderstand R1. Weiterhin liefert eine Rückkopplungsstrecke 4 Spannungsrückkopplung zu dem Steuerblock 7.
Nach der vorliegenden Erfindung umfasst die Rückkopplungsstrecke 4 ein Bandpassfilter 10, und einen Subtrahierer 11. Die Eingangsklemme 12 des Filters 10 ist mit der Ausgangspannung V_o verbunden und das Ausgangssignal (V_b) ist mit der negativen Eingangsklemme 13 des Subtrahierers 11 verbunden. Die positive Eingangsklemme 14 des Subtrahierers ist unmittelbar mit der Ausgangsspannung V_o verbunden. Das Ausgangssignal des Subtrahierers (V_c), das dem Steuerblock 7 zugeführt wird, ist folglich gleich der Ausgangsspannung V_o minus dem Ausgangssignal V_b des Filters.
Das Bandpassfilter 10 kann in der einfachsten Form die nachfolgende Übertragungsfunktion haben:
wobei
k₀ die maximale Verstärkung des Filters ist,
w₀ die gewünschte Mittenfrequenz des Bandpassfilters ist, derart gewählt, dass dies der doppelten AV-Eingangsfrequenz entspricht (die normalerweise 50 oder 60 Hz ist),
Q ein Qualitätsfaktor ist, der die Breite des Filters beeinflusst (je höher Q, umso schmaler das Filter), und
s die komplexe Frequenz ist.
Die Toleranz der Elemente in dem Filter und die Anforderungen an die Stabilität der Steuerschleife, begrenzen den Wert von Q und beim Testen wurde ein Wert von etwa 5 gewählt. Wie erwähnt, ist die gewünschte Mittenfrequenz des Bandpassfilters abhängig von der Frequenz in dem Versorgungsnetz, und da diese Frequenz in verschieden Teilen der Welt verschieden ist, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, ein Filter zu entwickeln, das seine Funktion für Netzfrequenzen gleich 50 Hz sowie 60 Hz erfüllt, d. h. Eliminierung von Welligkeit mit einer Frequenz von 100 Hz oder 120 Hz. Ein derartiger Filterentwurf ist in 3 dargestellt.
Das Filter 10 umfasst in diesem Fall zwei verschiedene Bandpassfilter 21 und 22, je mit einem Standard-Bandpassentwurf entsprechend der oben stehenden Formel 1, aber mit verschiedenen Bandpass-Mittenfrequenzen ω_0,1 und ω_0,2. Zum Hervorrufen eines Bandpasseffektes mit den gewünschten Charakteristiken soll ω_0,1 um 94 Hz herum und ω_0,2 um 126 Hz liegen.
Ein alternativer Entwurf der Steuerschleife ist ein Phasenverschiebungsfilter zu implementieren, und das Ausgangssignal V_b des Filters zu dem Ausgangssignal V_o zu addieren statt es davon zu subtrahieren. In diesem Fall, wenn ein Doppelfilter nach 3 verwendet wird, soll man darauf achten, dass die Phasenverschiebung des Filters in der Nähe von 180 Grad liegt, damit die invertierende Qualität des Filters beibehalten wird.
In Tests führte ein Filter, bestehend aus zwei invertierenden Bandpassfiltern mit ω_0,1 = 94,4 und ω_0,2 = 126,5 zu einem Ausgangssignal vom Filter etwa gleich 1/6 von 100 Hz Welligkeit sowie 120 Hz Welligkeit.
4 ist ein Diagramm mit Kurven, die Eingangsströme (31, 32) und Ausgangsspannungen (33, 34), gemessen mit und ohne die Rückkopplungsstrecke nach der vorliegenden Erfindung darstellen. Wie aus 4 ersichtlich ist die Ausgangsspannung im Wesentlichen ungeändert, wobei die 100 Hz Welligkeit beibehalten wird. Der Vorteil der vorliegenden Erfindung zeigt sich, wenn die Eingangsströme näher betrachtet werden. Ohne das Bandpassfilter wird die trapezartige Form des Eingangsstromes durch eine Welligkeit verzerrt, deutlich sichtbar zwischen den Punkten A und B auf der Kurve 31. Mit dem Bandpassfilter wird der Eingangsstrom andererseits weniger verzerrt, was zu einem viel stabileren Eingangsstrom zwischen den Punkten A und B in der Kurve 32 führt.
Die oben stehende Beschreibung ist nicht gemeint, den Rahmen der beiliegenden Patentansprüche zu beschränken, sondern vielmehr als Beispiel einer bevorzugten Ausführungsform. Dem Fachmann dürften verschiedene Abwandlungen von dieser Ausführungsformen einfallen, beispielsweise mit anderen Filterentwürfen. Der erfinderische Konzept, deutlich aus den Ansprüchen, ist die Verwendung einer bandpassgefilterten Ausgangsspannung zum Reduzieren oder zum Eliminieren der Welligkeit in dem Rückkopplungssignal.

1

6: Last

2

7: Steuerung
6: Last

Claims

Leistungsfaktorregler, der die nachfolgenden Elemente umfasst: – einen Gleichrichter zum Empfangen einer AC-Spannung von einer Spannungsquelle und zum Gleichrichten der genannten AC-Spannung, – eine Schaltstromversorgung zur Steuerung des Stromes in dem Gleichrichter und – eine Rückkopplungsstrecke zur Rückkopplung einer Ausgangsspannung eines Leistungsfaktorreglers zu einem Steuerblock, wobei dieser Steuerblock eine Bandbreite hat entsprechend der Frequenz der Spannungsquelle oder größer als dieselbe, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Rückkopplungsstrecke die nachfolgenden Elemente umfasst: – ein Bandpassfilter, das mit der genannten Ausgangsspannung verbunden ist, und – Mittel zum Erzeugen eines Rückkopplungssignals auf Basis der Ausgangsspannung und eines Ausgangssignals von dem genannten Bandpassfilter, wobei dieses Rückkopplungssignal eine reduzierte Welligkeit um das Durchlassband des Filters hat.
Leistungsfaktorregler na 1, wobei die Mittel zum Erzeugen eines Rückkopplungssignals einen Subtrahierer aufweisen, der eine erste Eingangsklemme hat, die mit der genannten Ausgangsspannung verbunden ist, und eine zweite Eingangsklemme, die mit dem genannten Ausgangssignal des genannten Bandpassfilters verbunden ist, zum Erzeugen eines Rückkopplungssignals entsprechend der Differenz zwischen der genannten Ausgangsspannung und dem genannten Filterausgangssignal.
Leistungsfaktorregler na 1, wobei das genannte Bandpassfilter ein Umkehrfilter ist und die genannten Mittel zum Erzeugen eines Rückkopplungssignals einen Addierer aufweisen, der eine erste Eingangsklemme hat, die mit der genannten Ausgangsspannung verbunden ist, und eine zweite Eingangsklemme, die mit dem Ausgangssignal des genannten Bandpassfilters verbunden ist, zum Erzeugen eines Rückkopplungssignals entsprechend der Summe der genannten Ausgangsspannung und des genannten Filterausgangssignals.
Leistungsfaktorregler nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das genannte Bandpassfilter ein Durchlassband um die doppelte Frequenz der Speisespannung hat.
Leistungsfaktorregler nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das genannte Bandpassfilter aus zwei einzelnen Bandpassfiltern besteht, die parallel miteinander verbunden sind und verschiedene Zentralfrequenzen haben.
Leistungsfaktorregler nach Anspruch 5, wobei das eine Durchlassband in dem Intervall 90–110 Hz liegt und das andere Durchlassband in dem Intervall 110–130 Hz liegt.
Leistungsfaktorregler nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die genannte Schaltstromversorgung einen Impulsbreitenmodulator aufweist.