專利名稱：用于功率因數(shù)校正(pfc)的方法和電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于功率因數(shù)校正(PFC)的方法和裝置。
本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域特別是關(guān)于交流(a.c.)電壓/直流(d.c.)電壓電源轉(zhuǎn)換器的功率因數(shù)校正。
背景技術(shù)：
功率因數(shù)校正影響電氣設(shè)備從電源獲取電流的方式。正如已知的，電源交流電壓具有正弦時(shí)間形式。理想地，從電源獲取的電流同樣也應(yīng)該具有正弦時(shí)間形式。但是，并不總是這種理想情況，該電流甚至?xí)喈?dāng)?shù)仄x正弦包絡(luò)線。如果獲取的電流不是正弦形式，那么在電源中會(huì)產(chǎn)生諧波。通過功率因數(shù)校正電路來降低電源中的這些諧波電流。
為了得到與電源交流電壓同相的正弦輸入電流，現(xiàn)有技術(shù)提出了使用具有上變頻器拓?fù)涞挠性垂β室驍?shù)校正。
圖1中示出了這種已知的基于上變頻器拓?fù)涞墓β室驍?shù)校正電路125。濾波電容器104過濾已整流的輸入交流電壓，通過分壓器105、106測(cè)量該輸入交流電壓。輸入交流電壓被傳遞到電感101，次級(jí)繞組102由此確定通過電感101的電流的過零點(diǎn)(zero crossing)。另外，晶體管107源線中的電流測(cè)量電阻(分路)108使檢測(cè)電感峰值電流成為可能，以能夠確定可能的過電流情況。第二分壓器109、110與輸出電容器111并聯(lián)布置，以測(cè)量輸出直流電壓，并能夠確定例如由負(fù)載跳躍所造成的過電流情況。
通過控制電路116的四個(gè)測(cè)量輸入117、118、119和120來執(zhí)行上述發(fā)生在功率因數(shù)校正電路125中的四個(gè)測(cè)量?？刂齐娐?16額外還有輸出121，經(jīng)過輸出121控制開關(guān)107。于是，在集成電路中，僅對(duì)于功率因數(shù)校正就總共占用5個(gè)管腳。
圖2示出了在公告DE-10032846A1公開的、進(jìn)一步改進(jìn)的功率因數(shù)校正電路216。電感的次級(jí)繞組202確定通過電感201的電流的過零點(diǎn)。使用分壓器206、207測(cè)量輸出直流電壓。
由控制電路210執(zhí)行如下兩個(gè)測(cè)量電感電流的過零點(diǎn)和輸出直流電壓。為了控制開關(guān)205，控制電路210具有輸出213。另外兩個(gè)輸入214、215用于為控制電路210供電。
在該功率因數(shù)校正電路216中，已整流的輸入交流電壓饋電給電感201。該電感通過開關(guān)205被選擇性地充電或者放電。因此，根據(jù)輸出直流電壓與固定參考電壓的比較結(jié)果，控制開關(guān)205的閉合時(shí)間間隔(time period)和隨之電感201的充電時(shí)間。斷開開關(guān)205以使電感201放電，直到通過電感201的電流下降為零。
根據(jù)該現(xiàn)有技術(shù)，同樣已知在沒有測(cè)量輸入交流電壓的情況下，獲得正弦的、與輸入交流電壓同相的輸入電流。這是根據(jù)功率因數(shù)校正電路216的運(yùn)行方式和如下事實(shí)進(jìn)行的開關(guān)205以遠(yuǎn)高于電源頻率、因而遠(yuǎn)高于輸入直流電壓頻率(通常為100赫茲)的頻率閉合和斷開。相應(yīng)地，對(duì)應(yīng)于輸入電流的、通過電感201的電流的包絡(luò)線自然跟隨輸入交流電壓。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的初衷和目的是提供一種減少成本的有源功率因數(shù)校正。這尤其意味著為了確保功率因數(shù)校正，需要執(zhí)行多個(gè)但卻盡可能少的測(cè)量，以便減少例如集成電路中占用的管腳數(shù)量。
而且，也指出一種新的確定輸入電流的過零點(diǎn)的方法。
根據(jù)本發(fā)明，由獨(dú)立權(quán)利要求的特征來實(shí)現(xiàn)該目的。從屬權(quán)利要求進(jìn)一步以特別有益的方式擴(kuò)展了本發(fā)明的關(guān)鍵概念。
本發(fā)明的關(guān)鍵之處在于單個(gè)測(cè)量點(diǎn)足以獲得有源功率因數(shù)校正。
同時(shí)，根據(jù)本發(fā)明，僅具有單個(gè)測(cè)量點(diǎn)的功率因數(shù)校正電路也可以防止過電流。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種用于交流電壓/直流電壓電源轉(zhuǎn)換器中功率因數(shù)校正的方法。在這種方法中，已整流的輸入交流電壓饋電給電感，該電感通過開關(guān)被選擇性地充電或放電。根據(jù)輸出直流電壓和固定的參考電壓的比較結(jié)果，控制開關(guān)的閉合時(shí)間間隔和隨之電感的充電時(shí)間。并且開關(guān)被持續(xù)斷開以使電感放電，直到通過電感的電流下降到零。根據(jù)本發(fā)明，在開關(guān)斷開時(shí)間間隔期間，使用測(cè)量點(diǎn)處的信號(hào)來導(dǎo)出輸出直流電壓和通過電感電流的過零點(diǎn)。
由此，測(cè)量點(diǎn)可以位于例如與開關(guān)并聯(lián)安裝的分壓器中。
根據(jù)最大允許電感電流和輸入交流電壓，可以計(jì)算開關(guān)的最大閉合時(shí)間間隔。
為此，可以計(jì)算當(dāng)前存在的輸入交流電壓。
例如，根據(jù)輸出直流電壓、閉合時(shí)間間隔和在開關(guān)斷開后流過電感301的電流下降到零的時(shí)間間隔，可以計(jì)算當(dāng)前存在的輸入交流電壓。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于交流電壓/直流電壓電源轉(zhuǎn)換器中功率因數(shù)校正的方法，由此通過檢測(cè)開關(guān)電壓來導(dǎo)出電感電流的過零點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明又一方面，提供一種用于交流電壓/直流電壓電源轉(zhuǎn)換器的功率因數(shù)校正電路。該功率因數(shù)校正電路具有提供有已整流的輸入交流電壓的電感。提供用于控制電感充放電的開關(guān)。進(jìn)一步提供用于控制該開關(guān)的控制電路，由此控制電路斷開開關(guān)直到通過電感的電流下降到零。根據(jù)本發(fā)明，該功率因數(shù)校正電路具有與控制電路相連接的測(cè)量點(diǎn)，該測(cè)量點(diǎn)在開關(guān)的斷開時(shí)間間隔期間，用于確定輸出直流電壓和通過電感的電流的過零點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明再一方面，提供一種用于交流電壓/直流電壓電源轉(zhuǎn)換器的功率因數(shù)校正電路，其中該控制電路僅具有單個(gè)測(cè)量輸入，該測(cè)量輸入被連接到與開關(guān)并聯(lián)安裝的分壓器。
根據(jù)本發(fā)明又一方面，提供一種用于交流電壓/直流電壓電源轉(zhuǎn)換器的功率因數(shù)校正電路，其中該控制電路通過檢測(cè)開關(guān)電壓導(dǎo)出電感電流的過零點(diǎn)。
由此，至少部分地經(jīng)由測(cè)量輸入實(shí)現(xiàn)控制電路的電壓提供。


下面參照附圖更加詳細(xì)地解釋根據(jù)本發(fā)明的典型實(shí)施例。
圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)已知的用于交流電壓/直流電壓電源轉(zhuǎn)換器的功率因數(shù)校正電路；圖2示出了另一已知的用于交流電壓/直流電壓電源轉(zhuǎn)換器的功率因數(shù)校正電路；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)用于交流電壓/直流電壓電源轉(zhuǎn)換器的功率因數(shù)校正電路；和圖4示出了根據(jù)圖3的功率因數(shù)校正電路的時(shí)序圖。
具體實(shí)施例方式
圖3中，示出了根據(jù)本發(fā)明的功率因數(shù)校正電路314的結(jié)構(gòu)。
輸入交流電壓Vin由濾波電容器303濾波，并被饋電給電感301，也就是線圈。在輸入端315和輸出端318之間，電感301串聯(lián)連接在二極管302之前。在輸入端315提供輸入交流電壓Vin，而在輸出端318可以得到輸出直流電壓Vout。輸出直流電壓電容器307連接在輸出端318和地之間?？煽刂崎_關(guān)306連接在位于電感301和二極管302之間的連接317處。
當(dāng)開關(guān)306閉合時(shí)，電感301短路到地，并且二極管302截止。然后電感301被充電，從而能量存儲(chǔ)在電感301中。
另一方面，當(dāng)開關(guān)306斷開時(shí)，二極管302導(dǎo)通。然后，電感301經(jīng)二極管302放電到輸出直流電壓電容器307中。從而使能量傳送到輸出直流電壓電容器307。
開關(guān)306由控制電路309控制。為此，控制電路309具有輸出311，控制信號(hào)經(jīng)過輸出311被傳遞到開關(guān)306?？刂菩盘?hào)的頻率(通常至少為10kHz)和開關(guān)306閉合及斷開的頻率顯著地大于電源電壓的頻率(通常為50Hz)和已整流的輸入交流電壓的頻率(通常為100Hz)。
為了確定開關(guān)306的閉合時(shí)間間隔或者斷開時(shí)間間隔，控制電路309需要關(guān)于輸出直流電壓和通過電感301的電流過零點(diǎn)的信息。這是因?yàn)殚_關(guān)306的閉合時(shí)間間隔和電感301的充電時(shí)間是根據(jù)輸出直流電壓和固定的參考電壓的比較結(jié)果來進(jìn)行控制的，并且也根據(jù)控制電路309斷開開關(guān)306的條件進(jìn)行控制，控制持續(xù)到通過電感的電流降到零。
根據(jù)本發(fā)明，為了確定該信息，如圖3所示，僅需要一個(gè)單獨(dú)的測(cè)量點(diǎn)308。測(cè)量點(diǎn)308位于與開關(guān)306并聯(lián)布置的分壓器304、305處。測(cè)量點(diǎn)308連接到控制電路309的測(cè)量輸入310，從而相應(yīng)的測(cè)量信號(hào)可以傳遞到控制電路309。
斷開開關(guān)306，通過測(cè)量點(diǎn)308測(cè)量輸出直流電壓。使用該信息，控制電路309可以確定開關(guān)306的下一次閉合時(shí)間間隔，這是根據(jù)測(cè)定的輸出直流電壓和固定參考電壓的比較結(jié)果進(jìn)行的。
例如，該比較可以由電容器進(jìn)行。從開關(guān)306的閉合時(shí)間點(diǎn)，電容器由電流源充電。這導(dǎo)致電容器電壓上升。只要電容器電壓達(dá)到測(cè)定的輸出直流電壓，開關(guān)306閉合，并且電容器放電。
除此之外，如果除此點(diǎn)之外的測(cè)量點(diǎn)也起到集成電路電壓提供功能，可以進(jìn)一步減少所需管腳的數(shù)量。
圖4中，示出了根據(jù)圖3的功率因數(shù)校正電路314的時(shí)序圖。
這里表示各種電壓和電流的時(shí)間特性，即-控制電路309的輸出311的控制信號(hào)電壓Vcontrol，-開關(guān)306的電壓VS和電流IS，-電感301的電壓VL和電流IL，和-二極管302的電壓VD和電流ID。
在開關(guān)306閉合時(shí)間間隔ton，通過電感301的電流IL線性地增加。
在時(shí)間間隔ton之后，如果開關(guān)306斷開，該開關(guān)的電壓取值為輸出直流電壓Vout。除此之外，通過電感301的電流IL從開關(guān)斷開的時(shí)間點(diǎn)又線性地降低。
當(dāng)通過電感301的電流IL已經(jīng)放電到零時(shí)，通過二極管302的電流ID同樣等于零。從該時(shí)間點(diǎn)，二極管302的電壓VD和開關(guān)的電壓VS下降。
控制電路309通過測(cè)量點(diǎn)308來測(cè)量開關(guān)306的電壓VS。因此，控制電路309可以檢測(cè)到電壓VS下降及其原因，即通過電感301的電流的過零點(diǎn)。立即響應(yīng)于此，控制電路309閉合開關(guān)306。與開關(guān)306的斷開時(shí)間間隔toff相比，電感301電流的過零點(diǎn)和開關(guān)306的斷開之間的時(shí)間間隔tgap保持較小。
也應(yīng)該防止功率因數(shù)校正電路304輸入電流的過電流。為此，通過電感301的電流的測(cè)量值是有限制的。這種限制保證開關(guān)306的閉合時(shí)間間隔ton不超過最大閉合時(shí)間間隔ton max。
電感電壓由如下等式定義VL=L·∂IL(t)∂t]]>(式1)其中L是電感301的電感因數(shù)。
在解該式時(shí)，具有最大閉合時(shí)間間隔ton maxtonmax=L·ImaxVin]]>(式2)其中該最大輸入電流Imax對(duì)應(yīng)于預(yù)定的最大允許電感電流。
為了計(jì)算輸入交流電壓Vin當(dāng)前存在值，使用式1。假設(shè)在時(shí)間點(diǎn)t＝0閉合開關(guān)306。接著在時(shí)間點(diǎn)t＝ton再斷開開關(guān)306。從時(shí)間點(diǎn)t＝ton開始，電感電流線性地下降并在時(shí)間點(diǎn)t＝ton+toff1達(dá)到0，其中toff1＝toff-tgap。對(duì)式1積分后，由系統(tǒng)產(chǎn)生并確定Vin=L·IL(ton)ton]]>(式3)Vin-Vout=L·-IL(ton)toff1]]>(式4)
據(jù)此，輸入交流電壓和輸出直流電壓之間存在如下關(guān)系Vin=Vout·toff1ton+toff1]]>(式5)根據(jù)式(5)，控制電流309根據(jù)上次測(cè)得的輸出直流電壓Vout、上次測(cè)得的閉合時(shí)間間隔ton和上次測(cè)得的時(shí)間間隔toff1，計(jì)算輸入交流電壓的當(dāng)前存在值Vin。
權(quán)利要求
1.用于交流電壓/直流電壓電源轉(zhuǎn)換器中功率因數(shù)校正的方法，其中已整流的輸入交流電壓饋電給電感(301)，該電感(301)通過開關(guān)(306)被選擇性地充電或放電，根據(jù)輸出直流電壓和固定的參考電壓的比較結(jié)果，控制開關(guān)(306)的閉合時(shí)間間隔和隨之電感(301)的充電時(shí)間，并且開關(guān)(306)被斷開以使電感(301)放電，直到通過該電感(301)的電流下降到零，其特征在于，在該開關(guān)(306)的斷開時(shí)間間隔期間，使用測(cè)量點(diǎn)(308)處的信號(hào)來導(dǎo)出該輸出直流電壓和通過該電感(301)的電流的過零點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，該測(cè)量點(diǎn)(308)被連接到與開關(guān)(306)并聯(lián)安裝的分壓器(304，305)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1至2任一項(xiàng)的方法，其特征在于，根據(jù)最大允許電感(301)電流和該輸入交流電壓，計(jì)算開關(guān)(306)的最大閉合時(shí)間間隔。
4.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的方法，其特征在于，當(dāng)前存在的輸入交流電壓被計(jì)算。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其特征在于，根據(jù)該輸出直流電壓、閉合時(shí)間間隔和在開關(guān)斷開后流過電感(301)的電流下降到零的時(shí)間間隔，該當(dāng)前存在的輸入交流電壓被計(jì)算。
6.用于交流電壓/直流電壓電源轉(zhuǎn)換器中功率因數(shù)校正的方法，其中已整流的輸入交流電壓饋電給電感(301)，該電感(301)通過開關(guān)(306)被選擇性地充電或放電，根據(jù)輸出直流電壓和固定的參考電壓的比較結(jié)果，控制開關(guān)(306)的閉合時(shí)間間隔和隨之電感(301)的充電時(shí)間，并且開關(guān)(306)被斷開以使電感(301)放電，直到通過電感(301)的電流下降到零，其特征在于，通過檢測(cè)開關(guān)(306)的電壓確定該電感(301)電流的過零點(diǎn)。
7.集成電路，其特征在于，該集成電路適于執(zhí)行根據(jù)前述任一權(quán)利要求的方法。
8.用于交流電壓/直流電壓電源轉(zhuǎn)換器的功率因數(shù)校正電路，具有提供有已整流的輸入交流電壓的電感(301)，用于控制該電感(301)的充電和放電的開關(guān)(306)，和用于控制該開關(guān)(306)的控制電路(309)，其中該控制電路(309)斷開開關(guān)(306)，直到通過該電感(301)的電流下降到零，其特征在于，與控制電路(309)連接的測(cè)量點(diǎn)(308)，用于確定輸出直流電壓和通過電感(301)的電流的過零點(diǎn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的功率因數(shù)校正電路，其特征在于，該測(cè)量點(diǎn)(308)被連接到與開關(guān)(306)并聯(lián)安裝的分壓器(304，305)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9中任一項(xiàng)的功率因數(shù)校正電路，其特征在于，該控制電路(309)根據(jù)最大允許電感(301)電流和該輸入交流電壓，計(jì)算開關(guān)(306)的最大閉合時(shí)間間隔。
11.根據(jù)權(quán)利要求8至10中任一項(xiàng)的功率因數(shù)校正電路，其特征在于，該控制電路(309)計(jì)算當(dāng)前存在的輸入交流電壓。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的功率因數(shù)校正電路，其特征在于，該控制電路(309)根據(jù)該輸出直流電壓、閉合時(shí)間間隔和在開關(guān)斷開后流過電感(301)的電流下降到零的時(shí)間間隔，計(jì)算該當(dāng)前存在的輸入交流電壓。
13.用于交流電壓/直流電壓電源轉(zhuǎn)換器的功率因數(shù)校正電路，具有提供有已整流的輸入交流電壓的電感(301)，用于控制該電感(301)的充電和放電的開關(guān)(306)，和用于控制開關(guān)(306)的控制電路(309)，其中該控制電路(309)斷開開關(guān)(306)，直到通過該電感(301)的電流下降到零，其特征在于，該控制電路(309)僅具有單個(gè)測(cè)量輸入(301)，該測(cè)量輸入被連接到與開關(guān)(306)并聯(lián)安裝的分壓器(304，305)。
14.用于交流電壓/直流電壓電源轉(zhuǎn)換器的功率因數(shù)校正電路，具有提供有已整流的輸入交流電壓的電感(301)，用于控制該電感(301)的充電和放電的開關(guān)(306)，和用于控制開關(guān)(306)的控制電路(309)，其中該控制電路(309)斷開開關(guān)(306)，直到通過該電感(301)的電流下降到零，其特征在于，該控制電路(309)通過檢測(cè)開關(guān)(306)的電壓確定電感(301)電流的過零點(diǎn)。
15.用于交流電壓/直流電壓電源轉(zhuǎn)換器的功率因數(shù)校正電路，具有提供有已整流的輸入交流電壓的電感(301)，用于控制該電感(301)的充電和放電的開關(guān)(306)，和用于控制開關(guān)(306)的控制電路(309)，其中該控制電路(309)斷開開關(guān)(306)，直到通過該電感(301)的電流下降到零，其特征在于，與該控制電路(309)相連接的測(cè)量點(diǎn)(308)，用于確定通過電感(301)的電流的過零點(diǎn)，其中該測(cè)量點(diǎn)(308)被連接到與開關(guān)(306)并聯(lián)安裝的分壓器(304，305)。
16.根據(jù)權(quán)利要求7至15任一項(xiàng)的功率因數(shù)校正電路，其特征在于，至少部分地經(jīng)由測(cè)量輸入(310)實(shí)現(xiàn)該控制電路(309)的電壓提供。
17.用于燈具的操作裝置，具有根據(jù)權(quán)利要求8至16中任一項(xiàng)的功率因數(shù)校正電路。
18.用于氣體放電燈的電子鎮(zhèn)流器，具有根據(jù)權(quán)利要求8至16中任一項(xiàng)的功率因數(shù)校正電路。
全文摘要
為了交流電壓/直流電壓電源轉(zhuǎn)換器中的功率因數(shù)校正，電感(301)被提供已整流的輸入交流電壓。因此電感(301)通過開關(guān)(306)被選擇性地充電或放電。根據(jù)輸出直流電壓和固定的參考電壓的比較結(jié)果，控制開關(guān)(306)的閉合時(shí)間間隔和隨之電感(301)的充電時(shí)間。因此，開關(guān)(306)被斷開以使電感(301)放電，直到通過電感(301)的電流下降到零。根據(jù)本發(fā)明，在開關(guān)(306)斷開時(shí)間間隔期間，使用測(cè)量點(diǎn)(308)處的信號(hào)來導(dǎo)出輸出直流電壓和通過電感(301)電流的過零點(diǎn)(zero crossing)。
文檔編號(hào)H02M1/00GK1702948SQ20051007197
公開日2005年11月30日 申請(qǐng)日期2005年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月25日
發(fā)明者甘特爾·馬蘭特, 斯蒂芬·朱戴爾科赫 申請(qǐng)人:三多尼克愛特克兩合股份有限公司