專利名稱：Pfc變換器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種輸入交流電源而輸出直流電壓的AC-DC變換器，特別涉及一種用于改善功率因數(shù)的PFC變換器。
背景技術：
在日本和歐洲等正在進行根據(jù)用途或者輸入功率等而分類的高次諧波電流限制標準。為了與此相對應，采用下述辦法在與限制標準相符合的一般家電產(chǎn)品的電源中，附加被稱為PFC (功率因數(shù)改善電路)變換器的電路，從而抑制高次諧波電流。將商用交流電源設為輸入電源的一般的開關電源裝置，在對商用交流電源進行整流平滑而變換成直流電壓之后，由于用DC-DC變換器對此進行開關，因此輸入電流變得不連續(xù)，距正弦波產(chǎn)生大的變形。該情況是高次諧波電流的原因。因此，將抑制該高次諧波電流作為目的，在全波整流電路的后級且在由平滑電容器實現(xiàn)的平滑電路的前面設置PFC變換器。該PFC變換器由斬波器電路構成，并且工作使得輸入電流波形變成與輸入電壓波形相似的波形，即成為同相位的正弦波形狀。因此，高次諧波電流被抑制到一定電平以下。這里，以圖1為基礎說明專利文獻1所示的PFC變換器的構成例子。在圖1所示的功率因數(shù)改善電路中，在對交流輸入電源Vac的交流電源電壓進行整流的二極管橋Bl的輸出兩端，連接了由升壓電抗器Li、由MOSFET構成的開關元件Ql和電流檢測電阻R構成的串聯(lián)電路。在開關元件Ql的兩端，連接了由二極管Dl和平滑電容器Cl構成的串聯(lián)電路，在平滑電容器Cl的兩端，連接了負載RL。開關元件Ql變成通過控制電路10的PWM控制來進行導通/截止。電流檢測電阻R檢測流過二極管橋Bl的輸入電流?？刂齐娐?0包括誤差放大器111、乘法器112、誤差放大器113、電壓控制振蕩器 (VCO) 115、以及 PWM 比較器 116。誤差放大器111求得平滑電容器Cl的電壓和基準電壓El之間的誤差。乘法器 112將誤差電壓信號和由二極管橋Bl產(chǎn)生的整流電壓相乘。誤差放大器113生成由乘法器 112產(chǎn)生的相乘結果和流過二極管橋Bl的電流信號之間的誤差，輸出到PWM比較器116。VCOl 15生成與交流電源電壓整流后的電壓值相應的頻率的三角波信號。 對于PWM比較器116，其-端子上輸入來自VCOl 15的三角波信號，其+端子上輸入來自誤差放大器113的信號。S卩，PWM比較器116將與流過二極管橋Bl的電流和輸出電壓相應的占空比脈沖施與開關元件Q1。該占空比脈沖是相對于交流電源電壓和直流負載電壓的變動在一定周期上連續(xù)地進行補償?shù)拿}沖寬度控制信號。通過這樣的構成，控制使得交流電源電流波形與交流電源電壓波形一致，從而使功率因數(shù)改善。另一方面，專利文獻2公開了作為數(shù)字控制的PFC變換器。即使在數(shù)字控制的情況下，也檢測流過電感器的電流，并通過與該電流值相應的 PWM控制對開關元件進行開關。
專利文獻1 日本特開2004-282958號公報專利文獻2 日本特開平7-177746號公報。如上述，在PFC變換器中，為了使輸入電流成為 與輸入電壓波形相似的波形，基本上需要對流過電感器的電流(以下為“電感器電流”)進行檢測。為此，典型地，具有下述方法(a)對流過電感器的電流直接地進行檢測。(b)檢測流過開關元件的電流，將此等價地看作電感器電流。(c)檢測流過輸出側上所設置的二極管的電流，將此等價地看作電感器電流。作為電流檢測機構，具有下述方法(1)將電流檢測用電阻串聯(lián)插入到電流通路，檢測在電阻的兩端所產(chǎn)生的下降電壓。(2)將電流互感器插入電流通路，或者使用將電感器設為初級側的電流互感器，來進行檢測。(3)將霍爾傳感器設置在電流通路上，檢測其輸出電壓。在使用上述⑴的電流檢測用電阻的方法中，由于在該電流檢測用電阻上的電力消耗變成按原樣損失，因此在低損失化上變成問題。在使用(2)的電流互感器的方法中，由于在設為檢測的電流當中直流成分被切掉，因此只檢測到電流的交流成分，而不能夠檢測電流的直流成分(DC偏移量)。用電流互感器檢測上述(b)和(c)中的各自的電流，如果對信號進行合成，則電感器電流的檢測變成可能，但是，在該情況下，必需2個電流互感器。在使用(3)的霍爾傳感器的方法中，盡管不會產(chǎn)生上述(1) (2)的問題，但是，由于傳感器是價格高的，因此具有整體上變成高成本之類的缺點。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種低成本的PFC變換器，其通過包含直流成分而檢測電感器電流，從而以低損失來進行合適的功率因數(shù)改善。為了解決上述課題，本發(fā)明按如下構成。第1類型的PFC變換器，包括整流電路，對從交流輸入電源輸入的交流電壓進行整流；串聯(lián)電路，其包括與所述整流電路的次級連接的電感器和開關元件；整流平滑電路， 其與所述開關元件并聯(lián)連接；開關控制機構，其對所述開關元件進行導通/截止控制，使得從所述交流輸入電源輸入的輸入電流的平均值相對于所述交流電壓變成相似的形狀；以及導通期間電流檢測電路，其在所述開關元件的導通期間，檢測流過所述開關元件或者所述電感器的電流；或者截止期間電流檢測電路，其在所述開關元件的截止期間，檢測流過所述電感器的電流。在該第1類型的PFC變換器中，假設為以下(1) (3)任何一個的構成。(1)包括輸入電流檢測機構，其在所述開關元件的導通期間的中央或者截止期間的中央，將通過對由所述導通期間電流檢測電路或者所述截止期間電流檢測電路實現(xiàn)的電流檢測信號進行采樣所得到的值檢測作為所述輸入電流的平均值。對在所述開關元件的導通期間的中央流過所述開關元件的電流的檢測信號進行采樣的值是電感器電流的平均值。此外，對在所述開關元件的截止期間的中央流過所述電感器的電流的檢測信號進行采樣的值是電感器電流的平均值。即使在任何一種情況下，實質上通過單點采樣也能夠檢測出對PFC變換器的輸入電流的平均值。(2)在所述開關元件的導通期間的始點或者截止期間的終點，在將對由所述導通期間電流檢測電路或者所述截止期間電流檢測電路實現(xiàn)的電流檢測信號進行采樣而得到的電流值設為Is、將從所述交流輸入電源輸入的輸入電壓設為Vi、將所述電感器的電感值設為L、將所述開關元件的導通期間設為Ton，將截止期間設為Toff、將流過所述電感器的電流的平均值 設為ILav的情況下，將通過ILav = Is+(Vi/L) X Ton/2 或者ILav = Is+{(Vo-Vi)/L} XToff/2的運算所得到的值檢測作為所述輸入電流的平均值。由此，實質上能夠檢測出對PFC變換器的輸入電流的平均值。(3)在所述開關元件的導通期間的終點或者截止期間的始點，在將對由所述導通期間電流檢測電路或者所述截止期間電流檢測電路實現(xiàn)的電流檢測信號進行采樣而得到的電流值設為Is、將從所述交流輸入電源輸入的輸入電壓設為Vi、將輸出電壓設為Vojf 所述電感器的電感值設為L、將所述開關元件的導通期間設為Ton，將截止期間設為Toff、 以及將流過所述電感器的電流的平均值設為ILav的情況下，將通過ILav = Is-(Vi/L) XTon/2 或者ILav = Is-{(Vo-Vi)/L} XToff/2的運算所得到的值檢測作為所述輸入電流的平均值。由此，實質上能夠檢測出對PFC變換器的輸入電流的平均值。第2類型的PFC變換器，包括第1串聯(lián)電路，其包括對負載并聯(lián)連接的第1開關元件和第1整流元件；電感器，其被連接到所述第1開關元件及所述第1整流元件的連接點與交流輸入電源的第1輸入端之間；第2串聯(lián)電路，其與負載并聯(lián)連接且包括第2開關元件和第2整流元件，并且第2開關元件及第2整流元件的連接點被連接到所述交流輸入電源的第2輸入端；平滑電路，其與負載并聯(lián)連接；開關控制機構，其對所述第1和第2開關元件進行導通/截止控制，使得從所述交流輸入電源輸入的輸入電流的平均值相對于所述交流輸入電源的交流電壓變成相似的形狀；以及導通期間電流檢測電路，其在所述開關元件的導通期間，檢測流過所述開關元件或者所述電感器的電流；或者截止期間電流檢測電路，其在所述開關元件的截止期間，檢測流過所述電感器的電流。在該第2類型的PFC變換器中， 假設為以下⑷ (6)任何一個的構成。(4)包括輸入電流檢測機構，其在所述第1或者第2開關元件的導通期間或者截止期間的中央，將通過對由所述導通期間電流檢測電路或者所述截止期間電流檢測電路實現(xiàn)的電流檢測信號進行采樣所得到的值檢測作為所述輸入電流的平均值。對在所述第1或者第2開關元件的導通期間或者截止期間的中央流過所述第1或者第2開關元件的電流的檢測信號進行采樣的值是電感器電流的平均值。因此，實質上通過單點采樣也能夠檢測出流過電感器的電流的平均值。(5)包括輸入電流檢測機構，其在所述開關元件的導通期間的始點或者截止期間的終點，在將對由所述導通期間電流檢測電路或者所述截止期間電流檢測電路實現(xiàn)的電流檢測信號進行采樣而得到的電流值設為Is、將從所述交流輸入電源輸入的輸入電壓設為 Vi、將所述電感器的電感值設為L、將所述開關元件的導通期間設為Ton，將截止期間設為Toff、以及將流過所述電感器的電流的平均值設為ILav的情況下，將通過ILav = Is+(Vi/L) X Ton/2 或者ILav = Is+{(Vo-Vi)/L} XToff/2的運算所得到的值檢測作為所述輸入電流的平均值。由此，實質上能夠檢測出對PFC變換器的輸入電流的平均值。(6)包括輸入電流檢測機構，其在所述開關元件的導通期間的終點或者截止期間的始點，在將對由所述導通期間電流檢測電路或者所述截止期間電流檢測電路實現(xiàn)的電流檢測信號進行采樣而得到的電流值設為Is、將從所述交流輸入電源輸入的輸入電壓設為Vi、將輸出電壓設為Vo、將所述電感器的電感值設為L、將所述開關元件的導通期間設為 Ton，將截止期間設為Toff、以及將流過所述電感器的電流的平均值設為ILav的情況下，將通過ILav = Is-(Vi/L) XTon/2 或者ILav = Is-{(Vo-Vi)/L} XToff/2的運算所得到的值檢測作為所述輸入電流的平均值。由此，實質上能夠檢測出對PFC變換器的輸入電流的平均值。(7)所述導通期間電流檢測電路，由與所述開關元件串聯(lián)連接的電流檢測用電阻構成。根據(jù)該構成，能夠求得在所述開關元件的導通期間流過所述開關元件的電流(即電感器電流)的平均值。(8)所述導通期間電流檢測電路，例如由與所述第1或者第2開關元件串聯(lián)連接的電流互感器構成。根據(jù)該構成，能夠求得在所述開關元件的導通期間流過所述電感器的電流的平均值。(9)所述截止期間電流檢測電路，例如由相對于在所述開關元件的截止期間電流流過所述電感器的電路通路而被串聯(lián)連接的電流檢測用電阻構成。根據(jù)該構成，能夠求得在所述開關元件的截止期間流過所述電感器的電流的平均值。(10)所述截止期間電流檢測電路，例如由相對于在所述開關元件的截止期間電流流過所述電感器的電路通路而被串聯(lián)連接的電流互感器構成。根據(jù)該構成，能夠求得在所述開關元件的截止期間流過所述電感器的電流的平均值。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明，在第1類型的PFC變換器中，當在電流檢測上使用電阻時，由于使用電流檢測用電阻，因此能夠低成本化。而且，由于使用電流檢測用電阻，因此能夠包含直流成分而檢測電感器電流，從而能夠獲得合適的功率因數(shù)改善。此外，由于在所述電流檢測用電阻上在所述開關元件的導通時或者截止時之任何一個期間上僅僅流動電流，因此能夠使由該電流檢測用電阻引起的電力損失降低。而且，當在電流檢測上使用電流互感器時，由于用1個電流互感器就夠了，因此能夠獲得低成本化和小型化。此外，在第2類型的PFC變換器中，也同樣獲得電流檢測電路的低損失化和簡單化。


圖1是專利文獻1所示的PFC變換器的電路圖。圖2是第1實施方式的PFC變換器的電路圖。圖3是對于由數(shù)字信號處理電路13實現(xiàn)的PFC變換器101的各種控制方式進行表示的示意圖。圖4是在電流連續(xù)模式下進行控制的狀態(tài)中的開關周期為單位的PFC變換器101 的電壓、電流的波形圖。圖5是為了在電流連續(xù)模式下進行平均電流控制，對于求得流過電感器Ll的電流的平均值的方法進行表示的示意圖。圖6是第2實施方式的開關電源裝置201的電路圖。圖7是為了在電流連續(xù)模式下進行平均電流控制，對于求得流過電感器Ll的電流的平均值的方法進行表示的示意圖。圖8是第3實施方式的PFC變換器103的電路圖。圖9是PFC變換器103的各個部分的波形圖。圖10是第4實施方式的PFC變換器104的電路圖。圖11是表示PFC變換器104在4個時刻處的電流通路的示意圖。圖12是對于在第5實施方式的PFC變換器中求得流過開關元件Ql的電流的平均值的方法進行表示的示意圖。圖13是對于在第6實施方式的PFC變換器中求得流過電感器Ll的電流的平均值的方法進行表示的示意圖。圖14是對于在第7實施方式的PFC變換器中求得流過開關元件Ql的電流的平均值的方法進行表示的示意圖。圖15是對于在第8實施方式的PFC變換器中求得流過電感器Ll的電流的平均值的方法進行表示的示意圖。附圖符號說明101 103 PFC 變換器11輸入電壓檢測電路12輸出電壓檢測電路13數(shù)字信號處理電路16，17絕緣電路20負載電路201開關電源裝置50 DC-DC 變換器60 負載Bl 二極管橋Cl平滑電容器IL11, IL12, IL13 電感器電流ILav平均電流
Ll 電感器L11，L12，L13 電感器Lb輔助線圈Lp初級線圈Ls次級線圈Ql, Q2開關元件Q11，Q12，Q13 開關元件R1，R2電流檢測用電阻Rll，R12，R13，R21，R22 電流檢測用電阻Tl變壓器Toff截止期間Ton導通期間ts中央時刻tsl，ts2，ts3 中央時亥IjVac交流輸入電源
具體實施例方式《第1實施方式》參考圖2 圖4，說明第1實施方式的PFC變換器。圖2是第1實施方式的PFC變換器的電路圖。圖2中，符號Pll，P12是PFC變換器101的輸入端口，符號P21，P22是PFC變換器101的輸出端口。在輸入端口 P11-P12上輸入作為商用交流電源的交流輸入電源Vac，在輸出端口 P21-P22上連接負載電路20。負載電路20例如是DC-DC變換器以及通過該DC-DC變換器而接受電源供給的電子設備的電路。在PFC變換器101的輸入級設置了用于對交流輸入電源Vac的交流電壓進行全波整流的二極管橋Bi。在該二極管橋Bl的輸出側連接了電感器Ll和開關元件Ql以及電流檢測用電阻Rl的串聯(lián)電路。在開關元件Ql的兩端并聯(lián)連接了由二極管Dl和平滑電容器 Cl構成的整流平滑電路。通過該電感器Li、開關元件Q1、二極管Dl和平滑電容器Cl構成所謂的升壓斬波電路。在二極管橋Bl輸出側的兩端間設置了輸入電壓檢測電路11。此外，在輸出端口 P21-P22間設置了輸出電壓檢測電路22。數(shù)字信號處理電路13由DSP構成，通過數(shù)字信號處理而控制該PFC變換器101。即，數(shù)字信號處理電路13對輸入電壓檢測電路11的輸出信號進行輸入，通過后述的方法來檢測交流輸入電源的電壓的相位。此外，通過對輸出電壓檢測電路12的輸出信號進行輸入來檢測輸出電壓。還對開關元件Ql以預定的開關頻率進行導通/截止。進而，數(shù)字信號處理電路13包括用于在與負載電路20之間進行通信的端口，例如，進行數(shù)據(jù)的通信或者信號的輸入輸出，對負載電路(電子設備)經(jīng)常發(fā)送變換器的狀態(tài)等，或者發(fā)送輸入電壓、輸出電壓、輸出電流等，或者從負載電路側接收負載狀態(tài)等并反映到開關控制中。
圖3是對于由數(shù)字信號處理電路13實現(xiàn)的PFC變換器101的各種控制方式進行表示的示意圖。圖3的(A) (B) (C)分別是交流輸入電源的在1個周期中的電流波形。這里，波形IL是圖2所示的PFC變換器101中的電感器Ll上所流過的電流的波形。Ip是其峰值(峰電流)的包絡線，Ia是平均值(平均電流)的包絡線。但是，為了圖示方便，對于使PFC變換器101的開關頻率極端低的情況，即流過電感器Ll的電流波形用眼睛觀察為三角波狀那樣的頻率來表示。圖3 (A)是在電流連續(xù)模式下的波形圖，圖3 (B)是在電流不連續(xù)模式下的波形圖， 圖3(C)是在電流臨界模式下的波形圖。這樣在圖3(A)所示的電流連續(xù)模式下流過PFC變換器101的電感器Ll的電流，除了在交流輸入電源的過零(zero cross)附近之外不會變成0。此外，在圖3(B)所示的電流不連續(xù)模式下每次在PFC變換器101的電感器Ll上蓄積·放出勵磁能量時，產(chǎn)生電流值成為0的期間。此外，在圖3(C)所示的臨界模式下向電感器Ll的勵磁能量在每次蓄積·放出時電流值變成0，不會有電流值為0的狀態(tài)連續(xù)的情況。
在本實施方式中，數(shù)字信號處理電路13進行圖3(A)所示的電流連續(xù)模式或者圖 3(C)的電流臨界模式的控制。圖4是在由電流連續(xù)模式進行控制的狀態(tài)中的開關周期為單位的PFC變換器101 的電壓、電流的波形圖。數(shù)字信號處理電路13進行開關控制，使得對PFC變換器101的輸入電流即流過電感器Ll的電流的平均值變成與全波整流波形相似的波形。這樣，通過流過與輸入電壓相似波形的輸入電流，高次諧波被抑制，功率因數(shù)被改善。圖4中，(A)是在商用電源頻率的半周期單位下的流過電感器Ll的電流的平均值 Ii的電流波形，(B)是將其一部分時間軸進行放大而表示的在開關周期的單位下的流過電感器Ll的電流IL的波形圖，(C)是開關元件Ql的漏極-源極間電壓Vds的波形圖。在開關元件Ql的導通期間Ton，電流IL流過電感器Li，電流IL以根據(jù)電感器Ll 的兩端間電壓和電感器Ll的電感所規(guī)定的斜率進行上升。此后，在開關元件Ql的截止期間Toff，電流IL以由電感器Ll的兩端電壓和其電感所規(guī)定的斜率進行下降。這樣，以電流波紋△ IL的寬度流過電感器Ll的電流IL以開關周期進行變動。圖5是為了用電流連續(xù)模式進行平均電流控制、對于求得流過電感器Ll的電流的平均值的方法進行表示的示意圖。當在開關元件Ql的斷開(turn off)時刻將流過電感器Ll的電流值(峰值)以 ILp表示、在開關元件Ql的導通(turn on)時刻將流過電感器Ll的電流值(最低值)以 ILb表示時，在開關元件Ql的截止期間Toff流過電感器Ll的電流的平均值(平均電流) 用以下關系表示。ILav = (ILp+ILb)/2(1)另一方面，由于在開關元件Ql的截止期間Toff流過電感器Ll的電流直線地減少，因此在開關元件Ql的截止期間Toff的中央時刻上的電感器Ll的電流值等于上述平均電流ILav0因此，對在開關元件Ql的截止期間Toff的中央時刻上的電阻Rl的下降電壓進行取樣。該取樣值是與在開關元件Ql的截止期間Toff流過電感器Ll的電流的平均電流ILav成比例的值。由于對所述開關元件Ql的柵極所施加的開關控制信號也是數(shù)字信號處理電路13所生成的信號，因此即使對所述截止期間Toff的中央時刻，數(shù)字信號處理電路13 也進行把握(處于管理下)。因此，例如不從外部輸入時刻信號，能夠在所述截止期間TofT 的中央時刻對電流檢測用電阻Rl的下降電壓進行采樣。《第2實施方式》圖6是第2實施方式的開關電源裝置201的電路圖。圖6中，開關電源裝置201包括PFC變換器102和DC-DC變換器50。在DC-DC變換器50的輸出上連接了負載60。

在PFC變換器102的輸入端口 P11-P12上輸入作為商用交流電源的交流輸入電源 Vac，在輸出部上連接DC-DC變換器50。PFC變換器102包括對交流輸入電源Vac進行全波整流的二極管橋Bi、二極管橋Bl的輸出上所連接的電感器Li、開關元件Q1、二極管D1、以及平滑電容器Cl。通過電感器Ll、開關元件Ql、二極管Dl、以及平滑電容器Cl，構成所謂的升壓斬波電路。與圖2所示的第1實施方式不同，電流檢測用電阻R2被串聯(lián)連接在開關元件Ql 的源極側。DC-DC變換器50包括變壓器Tl、與變壓器Tl的初級線圈Lp串聯(lián)連接的開關元件 Q2、與變壓器Tl的次級線圈Ls連接的由二極管D2和電容器C2構成的整流平滑電路。此外，在變壓器Tl的初級側所設置的數(shù)字信號處理電路13，不僅對PFC變換器 102的開關元件Ql輸出開關控制信號，而且對DC-DC變換器50的開關元件Q2也輸出開關控制信號。此外，介由絕緣電路16而對輸出電壓檢測電路12的檢測信號進行輸入，來檢測輸出電壓。然后，通過開關元件Q2的導通占空比的控制等，來獲得DC-DC變換器50的輸出電壓的穩(wěn)定化。而且，數(shù)字信號處理電路13，輸入PFC變換器102的輸入電壓檢測電路11的檢測電壓、輸出電壓檢測電路12的檢測信號、以及電流檢測用電阻R2的下降電壓，從而將與此相應的導通期間和截止期間的開關控制信號提供給開關元件Ql的柵極。即，控制開關元件 Ql，使得對PFC變換器102的輸入電流變成與輸入電壓的波形相似的波形。數(shù)字信號處理電路13，介由絕緣電路17，與負載60之間進行通信，對負載60發(fā)送PFC變換器102和DC-DC 變換器50的狀態(tài)，或者從負載60接收負載狀態(tài)等，從而反映到開關控制中。圖7是為了用電流連續(xù)模式進行平均電流控制，對于求得流過電感器Ll的電流的平均值的方法進行表示的示意圖。當在開關元件Ql的導通時刻將流過開關元件Ql的漏極電流以IDb表示、在開關元件Ql的即將斷開時刻之前將流過開關元件Ql的電流值(峰值)以IDp表示時，在開關元件Ql的導通期間Ton流過開關元件Ql的電流即流過電感器Ll的電流的平均值(平均電流)ILav用以下關系表示。ILav = (IDp+IDb)/2(2)另一方面，由于在開關元件Ql的導通期間Ton流過電感器Ll的電流直線地增大， 因此在開關元件Ql的導通期間Ton的中央時刻上的開關元件Ql的電流值等于上述平均電流 ILav0因此，對在開關元件Ql的導通期間Ton的中央時刻上的電流檢測用電阻R2的下降電壓進行取樣。該取樣值是與在開關元件Ql的導通期間Ton流過電感器Ll的電流的平均電流ILav成比例的值。由于對所述開關元件Ql的柵極所提供的開關控制信號是數(shù)字信號處理電路13所生成的信號，因此即使對所述導通期間Ton的中央時刻，數(shù)字信號處理電路13也進行把握(處于管理下)。因此，例如不從外部輸入時序信號，能夠在所述導通期間 Ton的中央時刻對電阻R2的下降電壓進行采樣?！兜?實施方式》 圖8是第3實施方式的PFC變換器103的電路圖。圖9是PFC變換器103的各個部分的波形圖。PFC變換器103包括3個電感器Lll，L12，L13、3個二極管Dll，D12，D13、以及3 個開關元件Qll，Q12，Q13，構成3相PFC變換器。數(shù)字信號處理電路13，從輸入電壓檢測電路11檢測輸入電壓，輸入電流檢測用電阻Rll，R12，R13的各自的下降電壓，對開關元件 Qll, Q12，Q13分別提供開關控制信號。圖9是圖8所示的PFC變換器103的3個電感器Lll，L12，L13上所流過的電感器電流IL11，IL12，IL13以及輸入電流IL的波形圖。通過這樣以120°相位差將3個開關元件Qll，Q12，Q13順次進行導通/截止，能夠獲得輸入電容器Cl和輸出電容器CO的電氣應力的緩和以及噪聲降低的效果。此外，通過使能量(熱)分散，從而獲得部件的小型 低長度化。為了使上述能量(熱)分散，3個電感器Lll，L12，L13上所流過的電感器電流 IL11，IL12，IL13變成均等是重要的，并且必需正確地檢測各個電感器電流。在第3實施方式中，如圖9所示，數(shù)字信號處理電路13通過在電流流過所述3個開關元件Qll，Q12，Q13 的導通期間的中央時刻進行采樣，從而正確地檢測3個電感器的電感器電流(平均值)。S卩，通過在開關元件Qll的導通期間的中央時刻tsl對電流檢測用電阻Rll的下降電壓進行取樣，求得流過電感器Lll的電流ILll的平均值，通過在開關元件Q12的導通期間的中央時刻ts2對電流檢測用電阻R12的下降電壓進行取樣，求得流過電感器L12的電流IL12的平均值，通過在開關元件Q13的導通期間的中央時刻ts3對電流檢測用電阻 R13的下降電壓進行取樣，求得流過電感器L13的電流IL13的平均值?！兜?實施方式》圖10是第4實施方式的PFC變換器104的電路圖。圖11是表示PFC變換器104 在4個時刻處的電流通路的示意圖。圖10所示的PFC變換器104是沒有插入二極管橋但包括電感器和2個開關元件的沒有二極管橋的PFC變換器。在圖10中，符號Pll，P12是PFC變換器104的輸入端口，符號P21，P22是PFC變換器104的輸出端口。在輸入端口 P11-P12上輸入作為商用交流電源的交流輸入電源Vac， 在輸出端口 P21-P22上連接負載電路20。負載電路20例如是DC-DC變換器以及通過該DC-DC變換器而接受電源供給的電子設備的電路。在PFC變換器104的輸入級，設置了輸入電壓檢測電路11，在一個線上串聯(lián)連接了電感器Li。在電感器Ll的后級上連接了由二極管D1，D2和開關元件Q1，Q2實現(xiàn)的橋電路。在開關元件Q1，Q2的源極和地之間連接了電流檢測用電阻R21，R22。在橋電路的輸出上并聯(lián)連接了由平滑電容器Cl構成的平滑電路。圖Il(A)是交流輸入電源為正的半周期、開關元件Ql，Q2同時為導通狀態(tài)時的電流通路，圖11 (B)是交流輸入電源為正的半周期、開關元件Q1，Q2同時為截止狀態(tài)時的電流通路。此外，圖11 (C)是交流輸入電源為負的半周期、開關元件Q1，Q2同時為導通狀態(tài)時的電流通路，圖11 (D)是交流輸入電源為負的半周期、開關元件Q1，Q2同時為截止狀態(tài)時的電流通路。在交流輸入電源為正的半周期、Q1，Q2為導通狀態(tài)時，電流在圖Il(A)所示的通路上流動，勵磁能量被蓄積在電感器Ll中，在Q1，Q2為截止狀態(tài)時，電流在圖11 (B)所示的通路上流動，勵磁能量從電感器Ll中放出。此時，電流通過Q2的寄生二極管而流動。同樣， 在交流輸入電源為負的半周期、Ql, Q2為導通狀態(tài)時，電流在圖Il(C)所示的通路上流動， 勵磁能量被蓄積在電感器Ll中，在Q1，Q2為截止狀態(tài)時，在圖11⑶所示的時刻，勵磁能量從電感器Ll中放出。此時，電流通過Ql的寄生二極管而流動。電流檢測用電阻R21設置用于在交流輸入電源為正的半周期且Ql為導通期間中用于檢測流過電感器Ll的電流。電流檢測用電阻R22設置用于在交流輸入電源為負的半周期且Q2為導通期間中用于檢測流過電感器Ll的電流。圖10所示的數(shù)字信號處理電路 13，通過在開關元件Ql，Q2之導通期間的中央對電流檢測用電阻R21，R22的下降電壓進行采樣，檢測出流過電感器Ll的電流的平均值。此外，電流檢測用電阻Rl設置用于在Q1，Q2為截止期間中用于檢測流過電感器Ll 的電流。數(shù)字信號處理電路13，通過在開關元件Q1，Q2之截止期間的中央對電流檢測用電阻Rl的下降電壓進行采樣，檢測出流過電感器Ll的電流的平均值。而且，如果在交流輸入電源的正的半周期，在Ql，Q2截止期間的中央對電流檢測用電阻R22的下降電壓進行采樣，則能夠檢測流過電感器Ll的電流的平均值。同樣，如果在交流輸入電源的負的半周期、在Ql，Q2截止期間的中央對電流檢測用電阻R21的下降電壓進行采樣，則能夠檢測流過電感器Ll的電流的平均值。因此，在該情況下，電流檢測用電阻Rl是不需要的，電流檢測用電阻Rl中的耗電被削減。在圖10·圖11所示的例子中，盡管在二極管Dl及開關元件Ql的連接點和交流輸入電源的第1輸入端Pll之間連接了電感器Li，但是在二極管D2及開關元件Q2的連接點和交流輸入電源的第2輸入端P12之間也可以連接電感器?！兜?實施方式》第5實施方式是在開關元件的導通期間的始點或者截止期間的終點，檢測流過開關元件的電流，從而檢測對PFC變換器的輸入電流的平均值。電路的構成能夠適用于在第2實施方式中圖6所示的PFC變換器102的構成。在這里，挪用圖6，說明圖6所示的PFC變換器102中數(shù)字信號處理電路13執(zhí)行的處理內容。圖12是對于為了用電流連續(xù)模式進行平均電流控制，求得對PFC變換器102的輸入電流的平均值的方法進行表示的示意圖。在將開關元件Ql的導通期間的始點流過開關元件Ql的漏極電流的值設為Is、將從交流輸入電源輸入的輸入電壓設為Vi、將電感器Ll的電感值設為L、將開關元件Ql的導通期間設為Ton、以及將流過電感器Ll的電流的平均值設為ILav的情況下，在開關元件Ql的導通期間流過電感器Ll的電流的變化的斜率是Vi/L。因此，通過對開關元件Ql導通之后不久流過開關元件或者電感器的電流Is進行采樣，用ILav = Is+(Vi/L) XTon/2求得對PFC變換器102的輸入電流的平均值。電感值L在出廠時是已知的。對于Ton，如前述，數(shù)字信號處理電路13進行把握 (處于管理下)。Vi檢測用于原來電流的正弦波整形。通常，對于數(shù)字信號處理電路來說， 除法成為大的處理負荷，但是，對于由2的冪乘實現(xiàn)的除法，通過使用位移位(bit shift, ii夂卜〉7卜)而能夠與積和運算同樣高速地進行處理。根據(jù)以上的理由，本方法不會使電路追加和處理負荷增大，就能夠進行計算。《第6實施方式》第6實施方式是在開關元件的導通期間的始點或者截止期間的終點，檢測流過電感器的電流，從而檢測對PFC變換器的輸入電流的平均值。電路的構成能夠適用于在第1實施方式中圖2所示的PFC變換器101的構成。在這里，挪用圖2，說明圖2所示的PFC變換器101中數(shù)字信號處理電路13執(zhí)行的處理內容。圖13是對于為了用電流連續(xù)模式進行平均電流控制，求得PFC變換器101的輸入電流的平均值的方法進行表示的示意圖。在將開關元件Ql的截止期間的終點流過電感器Ll的電感器電流的值設為Is、將從交流輸入電源輸入的輸入電壓設為Vi、將電感器Ll的電感值設為L、將開關元件Ql的截止期間設為Toff、以及將流過電感器Ll的電流的平均值設為ILav的情況下，在開關元件 Ql的截止期間流過電感器Ll的電流的變化的斜率是-(Vo-Vi)/L。因此，通過對開關元件Ql導通之前流過電感器的電流Is進行采樣，通過ILav = Is+{(Vo_Vi)/L} X Toff/2的運算而求得對PFC變換器101的輸入電流的平均值?！兜?實施方式》第7實施方式是在開關元件的導通期間的終點或者截止期間的始點，檢測流過開關元件的電流，從而檢測對PFC變換器的輸入電流的平均值。電路的構成能夠適用于在第2實施方式中圖6所示的PFC變換器102的構成。在這里，挪用圖6，說明圖6所示的PFC變換器102中數(shù)字信號處理電路13執(zhí)行的處理內容。圖14是對于為了用電流連續(xù)模式進行平均電流控制、求得對PFC變換器102的輸入電流的平均值的方法進行表示的示意圖。在將開關元件Ql的導通期間的終點流過開關元件Ql的漏極電流的值設為Is、將從交流輸入電源輸入的輸入電壓設為Vi、將電感器Ll的電感值設為L、將開關元件Ql的導通期間設為Ton、以及將流過電感器Ll的電流的平均值設為ILav的情況下，在開關元件Ql 的導通期間流過電感器Ll的電流的變化的斜率是Vi/L。因此，通過對開關元件Ql即將斷開之前流過開關元件或者電感器的電流Is進行采樣，通過ILav = Is-(Vi/L) XTon/2的運算而求得對PFC變換器102的輸入電流的平均值?！兜?實施方式》第8實施方式是在開關元件的導通期間的終點或者截止期間的始點，檢測流過電感器的電流，從而檢測對PFC變換器的輸入電流的平均值。
電路的構成能夠適用于在第1實施方式中圖2所示的PFC變換器101的構成。在這里，挪用圖2，說明圖2所示的PFC變換器101中數(shù)字信號處理電路13執(zhí)行的處理內容。圖15是對于為了用電流連續(xù)模式進行平均電流控制、求得對PFC變換器101的輸入電流的平均值的方法進行表示的示意圖。在將開關元件Ql的導通期間的終點流過電感器Ll的電感器電流的值設為Is、將從交流輸入電源輸入的輸入電壓設為Vi、將電感器Ll的電感值設為L、將開關元件Ql的截止期間設為Toff、以及將流過電感器Ll的電流的平均值設為ILav的情況下，在開關元件 Ql的截止期間流過電感器Ll的電流的變化的斜率是-(Vo-Vi)/L。因此，通過對開關元件Ql斷開時刻流過電感器的電流Is進行采樣，通過ILav = Is-{(Vo-Vi)/L} XToff/2的運算而求得對PFC變換器101的輸入電流的平均值。另外，在以上所示的各個實施方式中，盡管使得用電流檢測用電阻的下降電壓來檢測流過開關元件的電流或者流過電感器的電流，但是，在使用電流互感器的情況下，構成為使得將電流互感器的初級側連接在電流通路上，并且將電流互感器的次級側的輸出電壓用作電流檢測信號。
權利要求
1.一種功率因數(shù)改善電路變換器，包括整流電路，其對從交流輸入電源輸入的交流電壓進行整流； 串聯(lián)電路，其包括與所述整流電路的次級連接的電感器和開關元件； 整流平滑電路，其與所述開關元件并聯(lián)連接；開關控制機構，其對所述開關元件進行接通/斷開控制，使得從所述交流輸入電源輸入的輸入電流的平均值相對于所述交流電壓變成相似的形狀；以及接通期間電流檢測電路，其在所述開關元件的接通期間，檢測流過所述開關元件或者所述電感器的電流；或者斷開期間電流檢測電路，其在所述開關元件的斷開期間，檢測流過所述電感器的電流，該功率因數(shù)改善電路變換器的特征在于，包括輸入電流檢測機構，其在所述開關元件的接通期間的中央或者斷開期間的中央，將通過對由所述接通期間電流檢測電路或者所述斷開期間電流檢測電路實現(xiàn)的電流檢測信號進行采樣所得到的值，檢測作為所述輸入電流的平均值。
2.—種功率因數(shù)改善電路變換器，包括整流電路，其對從交流輸入電源輸入的交流電壓進行整流； 串聯(lián)電路，其包括與所述整流電路的次級連接的電感器和開關元件； 整流平滑電路，其與所述開關元件并聯(lián)連接；開關控制機構，其對所述開關元件進行接通/斷開控制，使得從所述交流輸入電源輸入的輸入電流的平均值相對于所述交流電壓變成相似的形狀；以及接通期間電流檢測電路，其在所述開關元件的接通期間，檢測流過所述開關元件或者所述電感器的電流；或者斷開期間電流檢測電路，其在所述開關元件的斷開期間，檢測流過所述電感器的電流，該功率因數(shù)改善電路變換器的特征在于，包括輸入電流檢測機構，其在所述開關元件的接通期間的始點或者斷開期間的終點，在將對由所述接通期間電流檢測電路或者所述斷開期間電流檢測電路實現(xiàn)的電流檢測信號進行采樣而得到的電流值設為Is、將從所述交流輸入電源輸入的輸入電壓設為Vi、將所述電感器的電感值設為L、將所述開關元件的接通期間設為Ton，將斷開期間設為Toff、以及將流過所述電感器的電流的平均值設為ILav的情況下，將通過 ILav = Is+(Vi/L) XTon/2 或者ILav = Is+{(Vo-Vi)/L} XToff/2的運算所得到的值檢測作為所述輸入電流的平均值。
3.—種功率因數(shù)改善電路變換器，包括整流電路，其對從交流輸入電源輸入的交流電壓進行整流； 串聯(lián)電路，其包括與所述整流電路的次級連接的電感器和開關元件； 整流平滑電路，其與所述開關元件并聯(lián)連接；開關控制機構，其對所述開關元件進行接通/斷開控制，使得從所述交流輸入電源輸入的輸入電流的平均值相對于所述交流電壓變成相似的形狀；以及接通期間電流檢測電路，其在所述開關元件的接通期間，檢測流過所述開關元件或者所述電感器的電流；或者斷開期間電流檢測電路，其在所述開關元件的斷開期間，檢測流過2所述電感器的電流，該功率因數(shù)改善電路變換器的特征在于，包括輸入電流檢測機構，其在所述開關元件的接通期間的終點或者斷開期間的始點，在將對由所述接通期間電流檢測電路或者所述斷開期間電流檢測電路實現(xiàn)的電流檢測信號進行采樣而得到的電流值設為Is、將從所述交流輸入電源輸入的輸入電壓設為Vi、將輸出電壓設為Vo、將所述電感器的電感值設為L、將所述開關元件的接通期間設為Ton，將斷開期間設為Toff、將流過所述電感器的電流的平均值設為ILav的情況下，將通過 ILav = Is-(Vi/L) XTon/2 或者ILav = Is-{(Vo-Vi)/L} XToff/2的運算所得到的值檢測作為所述輸入電流的平均值。
4.一種功率因數(shù)改善電路變換器，包括第1串聯(lián)電路，其包括與負載并聯(lián)連接的第1開關元件和第1整流元件； 電感器，其被連接到所述第1開關元件及所述第1整流元件的連接點與交流輸入電源的第1輸入端之間；第2串聯(lián)電路，其與負載并聯(lián)連接且包括第2開關元件和第2整流元件，第2開關元件及第2整流元件的連接點被連接到所述交流輸入電源的第2輸入端； 平滑電路，其與負載并聯(lián)連接；開關控制機構，其對所述第1和第2開關元件進行接通/斷開控制，使得從所述交流輸入電源輸入的輸入電流的平均值相對于所述交流輸入電源的交流電壓變成相似的形狀；以及接通期間電流檢測電路，其在所述開關元件的接通期間，檢測流過所述開關元件或者所述電感器的電流；或者斷開期間電流檢測電路，其在所述開關元件的斷開期間，檢測流過所述電感器的電流，該功率因數(shù)改善電路變換器的特征在于，包括輸入電流檢測機構，其在所述第1或者第2開關元件的接通期間或者斷開期間的中央， 將通過對由所述接通期間電流檢測電路或者所述斷開期間電流檢測電路實現(xiàn)的電流檢測信號進行采樣所得到的值，檢測作為所述輸入電流的平均值。
5.一種功率因數(shù)改善電路變換器，包括第1串聯(lián)電路，其包括與負載并聯(lián)連接的第1開關元件和第1整流元件； 電感器，其被連接到所述第1開關元件及所述第1整流元件的連接點與交流輸入電源的第1輸入端之間；第2串聯(lián)電路，其與負載并聯(lián)連接，包括第2開關元件和第2整流元件，并且第2開關元件及第2整流元件的連接點被連接到所述交流輸入電源的第2輸入端； 平滑電路，其與負載并聯(lián)連接；開關控制機構，其對所述第1和第2開關元件進行接通/斷開控制，使得從所述交流輸入電源輸入的輸入電流的平均值相對于所述交流輸入電源的交流電壓變成相似的形狀；以及接通期間電流檢測電路，其在所述開關元件的接通期間，檢測流過所述開關元件或者所述電感器的電流；或者斷開期間電流檢測電路，其在所述開關元件的斷開期間，檢測流過所述電感器的電流，該功率因數(shù)改善電路變換器的特征在于，包括輸入電流檢測機構，其在所述開關元件的接通期間的始點或者斷開期間的終點，在將對由所述接通期間電流檢測電路或者所述斷開期間電流檢測電路實現(xiàn)的電流檢測信號進行采樣而得到的電流值設為Is、將從所述交流輸入電源輸入的輸入電壓設為Vi、將所述電感器的電感值設為L、將所述開關元件的接通期間設為Ton，將斷開期間設為Toff、將流過所述電感器的電流的平均值設為ILav的情況下，將通過 ILav = Is+(Vi/L) XTon/2 或者ILav = Is+{(Vo-Vi)/L} X Toff/2的運算所得到的值檢測作為所述輸入電流的平均值。
6.一種功率因數(shù)改善電路變換器，包括第1串聯(lián)電路，其包括與負載并聯(lián)連接的第1開關元件和第1整流元件； 電感器，其被連接到所述第1開關元件及所述第1整流元件的連接點與交流輸入電源的第1輸入端之間；第2串聯(lián)電路，其與負載并聯(lián)連接，包括第2開關元件和第2整流元件，并且第2開關元件及第2整流元件的連接點被連接到所述交流輸入電源的第2輸入端； 平滑電路，其與負載并聯(lián)連接；開關控制機構，其對所述第1和第2開關元件進行接通/斷開控制，使得從所述交流輸入電源輸入的輸入電流的平均值相對于所述交流輸入電源的交流電壓變成相似的形狀；以及接通期間電流檢測電路，其在所述開關元件的接通期間，檢測流過所述開關元件或者所述電感器的電流；或者斷開期間電流檢測電路，其在所述開關元件的斷開期間，檢測流過所述電感器的電流，該功率因數(shù)改善電路變換器的特征在于，包括輸入電流檢測機構，其在所述開關元件的接通期間的終點或者斷開期間的始點，在將對由所述接通期間電流檢測電路或者所述斷開期間電流檢測電路實現(xiàn)的電流檢測信號進行采樣而得到的電流值設為Is、將從所述交流輸入電源輸入的輸入電壓設為Vi、將輸出電壓設為Vo、將所述電感器的電感值設為L、將所述開關元件的接通期間設為Ton，將斷開期間設為Toff，將流過所述電感器的電流的平均值設為ILav的情況下，將通過 ILav = Is-(Vi/L) XTon/2 或者ILav = Is-{(Vo-Vi)/L} XToff/2的運算所得到的值檢測作為所述輸入電流的平均值。
7.根據(jù)權利要求1到6任何一項所述的功率因數(shù)改善電路變換器，其特征在于，所述接通期間電流檢測電路，由與所述開關元件串聯(lián)連接的電流檢測用電阻構成。
8.根據(jù)權利要求1到6任何一項所述的功率因數(shù)改善電路變換器，其特征在于，所述接通期間電流檢測電路，由與所述開關元件串聯(lián)連接的電流互感器構成。
9.根據(jù)權利要求1到8任何一項所述的功率因數(shù)改善電路變換器，其特征在于，所述斷開期間電流檢測電路，由與在所述開關元件的斷開期間電流流過所述電感器的電路通路串聯(lián)連接的電流檢測用電阻構成。
10.根據(jù)權利要求1到8任何一項所述的功率因數(shù)改善電路變換器，其特征在于，所述斷開期間電流檢測電路，由與在所述開關元件的斷開期間電流流過所述電感器的電路通路串聯(lián)連接的電流互感器構成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種低成本的PFC變換器，其通過包含直流成分來檢測電感器電流，使得以低損失來進行合適的功率因數(shù)改善。包括二極管橋(B1)，其對從交流輸入電源Vac輸入的交流電壓進行整流；串聯(lián)電路，其包括電感器(L1)和開關元件(Q1)；整流平滑電路，其由與開關元件(Q1)并聯(lián)連接的二極管(D1)和平滑電容器(C1)構成；數(shù)字信號處理電路(13)，其對開關元件(Q1)進行導通/截止控制，使得從交流輸入電源Vac輸入的輸入電流變成與交流電壓相似的形狀，通過電流檢測用電阻(R1)，檢測在開關元件(Q1)的截止期間流過電感器(L1)的電流，在開關元件(Q1)的截止期間的中央，對電流檢測用電阻(R1)的下降電壓進行采樣，從而檢測輸入電流的平均值。
文檔編號H02M7/12GK102224668SQ200980147280
公開日2011年10月19日 申請日期2009年6月4日 優(yōu)先權日2008年11月25日
發(fā)明者鵜野良之 申請人:株式會社村田制作所