專利名稱：功率因數(shù)校正電路裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到用于功率因數(shù)校正的電路裝置。
功率因數(shù)校正用來減少電路裝置輸入電流的諧波成分。依電路裝置的功耗而定，在該情況下適用一些具體的要求。例如在EN 61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)的A14部分就概述了對功耗大于25W的鎮(zhèn)流器的要求。
背景技術(shù)：
在DE 199 23 238.5中說明了一種現(xiàn)有技術(shù)公知的功率因數(shù)校正電路。據(jù)現(xiàn)有技術(shù)已知的另外一些功率因數(shù)校正電路裝置適用于驅(qū)動(dòng)具有集成電路的增壓轉(zhuǎn)換器，使用離散部件或使用后接轉(zhuǎn)換器諧振電路中的充電泵來驅(qū)動(dòng)在固定頻率下間歇工作的增壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行功率因數(shù)校正，而不是使用前接轉(zhuǎn)換器進(jìn)行功率因數(shù)校正。
據(jù)現(xiàn)有技術(shù)已知的電路裝置在使用諧小電路中充電泵進(jìn)行功率因數(shù)校正時(shí)的缺點(diǎn)在于，這些電路裝置，特別是在電子鎮(zhèn)流器額定值較高的情況下在負(fù)載電路中引起了很高的無功電流。據(jù)現(xiàn)有技術(shù)已知的裝置在間歇工作中使用固定頻率驅(qū)動(dòng)時(shí)的缺點(diǎn)是依據(jù)EN 55015中所說的不到噪聲頻譜。
因此本發(fā)明的目的就是提供一種沒有這些缺點(diǎn)并且能夠經(jīng)濟(jì)有效地得以實(shí)現(xiàn)的功率因數(shù)校正電路裝置。
發(fā)明概述本發(fā)明的這一目的是通過具有專利權(quán)利要求1中特征的功率因數(shù)校正電路裝置來實(shí)現(xiàn)的。
發(fā)明是基于通過使用連續(xù)工作的自振蕩增壓轉(zhuǎn)換器的一種裝置能夠達(dá)到上述目的。利用躍遷工作模式(transition-mode)中中央開關(guān)元件的恒定導(dǎo)通時(shí)間來實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。使用最少的部件來實(shí)現(xiàn)躍遷模式工作中所要求的恒定導(dǎo)通時(shí)間以及電感內(nèi)電流零交叉的識別。在第一開關(guān)元件工作電極與第二開關(guān)元件控制電極之間設(shè)置的第一電容器既產(chǎn)生出恒定導(dǎo)通時(shí)間又在電感內(nèi)電流零交叉時(shí)使第一開關(guān)元件斷開。與此同時(shí)，第一電容器在開關(guān)狀態(tài)中進(jìn)行正反饋，因而降低了因陡峭開關(guān)邊沿而引起的開關(guān)損失。
根據(jù)本發(fā)明的解決方案還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，由于連續(xù)工作和因輸入電壓而產(chǎn)生的頻率調(diào)制的結(jié)果，對包括上行EMC濾波器等部件的需求量被減至最小。如果使用根據(jù)本發(fā)明的電路裝置來操作電燈，特別是操作與冷啟動(dòng)電子鎮(zhèn)流器EVG相配合的電燈時(shí)，根據(jù)本發(fā)明電路裝置中發(fā)光狀態(tài)期間電燈的高阻抗不會(huì)像使用據(jù)現(xiàn)有技術(shù)已知的泵電路情況那樣引起中間電路電壓的急劇增高。
第一開關(guān)元件控制電極與之相連接的電流源最好是，或者通過與輸入端和/或輸出端之第一連接端相連接的第二非電抗性電阻來實(shí)現(xiàn)，或者通過有一串聯(lián)電阻的低壓電源來實(shí)現(xiàn)。
限幅電路，例如使用第一齊納二極管實(shí)現(xiàn)的限幅電路，最好與第二非電抗性電阻和/或第二開關(guān)元件并聯(lián)連接使得能夠使用該限幅電路來限制輸出電壓。這一措施考慮的情況是在根據(jù)本發(fā)明的電路裝置情況下，在卸載期間，例如在啟動(dòng)階段期間或在運(yùn)行中取下所接入的電燈時(shí)，輸出電壓的升高與負(fù)載成反比。包括第一齊納二極管和第一非電抗性電阻的并聯(lián)電路，在達(dá)到此第一齊納二極管的齊納電壓時(shí)通過下調(diào)輸入功率使得電路裝置的輸出電壓不可能超過齊納電壓來防止上述情況的發(fā)生。作為這一方法的替代辦法，使用與第二開關(guān)元件并聯(lián)的限幅電路可以限制輸出電壓或在達(dá)到輸出閾電壓時(shí)可以完全避免出現(xiàn)振蕩。
第一開關(guān)元件可以包括nmos晶體管，和/或第二開關(guān)元件可以包括npn晶體管。或者是，第一開關(guān)元件可以包括pmos晶體管，和/或第二開關(guān)元件可以包括pnp晶體管。
電路裝置最好設(shè)計(jì)成在電流零交叉通過電感時(shí)，第一開關(guān)元件打開。這一措施規(guī)定了開始振蕩的簡單條件。這樣，加上輸入電壓時(shí)，通過電感和第一二極管流入負(fù)載電路的充電電流，其零交叉就使電路開始振蕩。
第三非電抗性電阻最好接在第二開關(guān)元件的控制電極與輸入端的第一連接端之間。這一附加通路增加了輸入電壓零交叉區(qū)中導(dǎo)通時(shí)間的長度，這對輸入電流的諧波成分具有有利的影響。包括第二二極管和第二齊納二極管的串聯(lián)電路最好也能夠接在第二開關(guān)元件的控制電極與參考電極之間，使得第二齊納二極管限制第二開關(guān)元件控制電極與參考電極之間反方向上的電壓。第二二極管阻止電流在齊納二極管正向方向上的流動(dòng)。齊納二極管的反向電壓嚴(yán)格地確定了第一開關(guān)元件導(dǎo)通時(shí)間的持續(xù)時(shí)間，因而在給定負(fù)載下也確定了輸出電壓水平。如果省去這兩個(gè)二極管，反向電壓則由第二開關(guān)元件控制電極與參考電極間之結(jié)點(diǎn)的負(fù)擊穿電壓來確定。
此外，第一開關(guān)元件的控制電極和第二開關(guān)元件的工作電極最好通過第三齊納二極管與參考電位相連，第三齊納二極管應(yīng)設(shè)置成使得能夠使用它來保護(hù)第一開關(guān)元件的控制電極免受過電壓。
其他的優(yōu)選實(shí)施方案在權(quán)利要求中予以說明。


本發(fā)明的典型實(shí)施方案以下將參照附圖予以更詳細(xì)的說明，附圖中圖1示出根據(jù)本發(fā)明電路裝置第一實(shí)施方案的電路圖；圖2示出根據(jù)本發(fā)明電路裝置第二實(shí)施方案的電路圖；圖3示出圖1和2中各不同信號時(shí)間特性曲線的概要圖解說明；圖4示出一已實(shí)現(xiàn)的典型實(shí)施方案三個(gè)信號的測量時(shí)間特性曲線；圖5示出與圖4相關(guān)的輸入電流ie的時(shí)間特性曲線；及圖6示出根據(jù)本發(fā)明電路裝置第三實(shí)施方案的電路圖。
不同典型實(shí)施方案中的相同元件和具有同樣功能的元件在下文中都用同樣的參考數(shù)字給出。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案首先參看圖1中說明的根據(jù)本發(fā)明的電路裝置。在對根據(jù)本發(fā)明電路裝置的可能應(yīng)用不加限制的情況下，以下將使用驅(qū)動(dòng)電燈用電子鎮(zhèn)流器的裝置實(shí)例對其予以說明。圖3中可以看到相關(guān)的基本信號特性曲線。使用電壓源，特別是系統(tǒng)電壓源使根據(jù)本發(fā)明的電路裝置12得到電壓ue。首先，它向包括四個(gè)二極管D11，D12，D13，D14的整流器網(wǎng)絡(luò)10供給電流ie。在整流器網(wǎng)絡(luò)10的輸出端得到的電壓ug由電容器ce進(jìn)行穩(wěn)壓并供給至根據(jù)本發(fā)明的電路裝置12用于功率因數(shù)校正。
電容器C1在時(shí)間t0將被充電至晶體管Q2負(fù)的基極/發(fā)射極擊穿電壓。這樣，晶體管Q2就處在截止?fàn)顟B(tài)，而晶體管Q1則通過上拉電阻R1處在導(dǎo)通狀態(tài)，即晶體管Q1漏極端子上的電壓u1為零。通過電感L1的電流i同樣地在時(shí)間t0時(shí)也等于零。負(fù)載電阻RL上的輸出電壓uz，例如借助足夠大容量的電容CB，將保持恒定。
在時(shí)間T1＝t1-t0期間，電容器C1通過電阻R2再重新充電，T1由下式給出duC1/T1＝1/C1*(uz/R2)。 (1)在時(shí)間段T1期間，電感L1中的電流i1呈線性上升。電流斜率的梯度由下式經(jīng)出i1，max/T1＝1/L1*ug， (2)式中ug為根據(jù)本發(fā)明電路裝置的輸入電壓。
在時(shí)間t1，晶體管Q2的電壓ubasis達(dá)到正向電壓使晶體管Q2導(dǎo)通。因而晶體管Q1的電壓uGate變成為零，而晶體管T1，例如此處的MOSFET，則截止。在時(shí)間t1，通過電感L1的電流i1先換向進(jìn)入電容器C1并將電容器C1重新充電至輸出電壓uz。然后，電流I在整流二極管D1上整流并供給至輸出電路。直至?xí)r間t2，電感L1中的電流i1都呈線性降低。負(fù)電流斜率的梯度可依據(jù)下式計(jì)算i1，max/T2＝1/L1*(ug-uz)， (3)式中，不管晶體管T1的導(dǎo)通時(shí)間如何，下述方程都適用T2＝t2-t1。見圖3b)，在時(shí)間t2，達(dá)到二極管D1中的電流零交叉，故二極管D1截止。電容器C1通過電感L1放電，這樣使晶體管Q2的基極降低。因而晶體管Q2截止，晶體管Q1柵極上的電壓ugate通過上拉電阻R1向上提升。因而Q1導(dǎo)通，并將其漏極上的電壓u1拉至零。電容器C1通過晶體管Q1的漏極/源極結(jié)點(diǎn)放電，直至達(dá)到晶體管Q2負(fù)的基極/發(fā)射極擊穿電壓為止。這一正反饋能使晶體管Q1快速地截止，因而使開關(guān)損失減少至最小。這樣又達(dá)到了在時(shí)間t0時(shí)的狀態(tài)，這種循環(huán)再從頭開始。
根據(jù)本發(fā)明的電路裝置規(guī)定時(shí)間T1＝t1-t0為與輸入電壓ug無關(guān)因而也與電壓ue無關(guān)的一個(gè)常數(shù)。從方程(2)可以直接看出，在這種情況下，i1，max與輸入電壓ug成正比。此外，電流i1的rms值等于輸入電流ig的有效分量。在連續(xù)工作時(shí)，電感L1中電流i1的峰值與按下述方程的輸入電流ig成正比i1，max＝√3*ig(4)晶體管Q1在時(shí)間t2在電流i1零交叉再次導(dǎo)通的電路原理規(guī)定了連續(xù)工作。功率因數(shù)校正的條件如下ue-ie(5)因而，根據(jù)式(3)和(4)，其中ug＝|ue|和ig＝|ie|，根據(jù)本發(fā)明的電路裝置滿足這一條件。
為了開始振蕩一經(jīng)加上電壓ug，電容器C1就通過電感L1和二極管D1充電。在建立輸出電壓uz的同時(shí)，通過電阻R2驅(qū)動(dòng)晶體管Q2的基極，結(jié)果使晶體管Q2導(dǎo)通。因而，晶體管Q1柵極的電壓uGate等于零，并在這一狀態(tài)使晶體管Q1截止。
一旦輸入電壓達(dá)到其第一電壓峰值，電容器C1已重新充電，通過電感L1的電流i1則通過零。如上面已經(jīng)闡述的那樣，這就引起了電容器C1的重新充電并開始循環(huán)，如圖3所示。因此，一旦加上輸入電壓，根據(jù)本發(fā)明的電路裝置就開始自動(dòng)地振蕩。
參看根據(jù)本發(fā)明電路裝置圖2中所說明的實(shí)施方案，對根據(jù)本發(fā)明電路原理的進(jìn)一步改進(jìn)說明如下時(shí)間T2隨輸出電壓uz的增加而呈反比地減少。因而，輸入功率隨著輸出電壓uz的降低而被拉回，這對電路裝置是有利的。但是，為了在電阻性負(fù)載的情況下充分地調(diào)節(jié)輸出電壓uz，需要將輸入功率按輸出電壓uz的平方成比例地拉回。這就意味著輸出電壓uz在卸載期間，例如在電燈啟動(dòng)階段或在運(yùn)行中取下電燈時(shí)仍然是隨負(fù)載成反比地增加。為了防止這種情況，可以引入齊納二極管D4。齊納二極管D4與非電抗性電阻R2相并聯(lián)并通過時(shí)間T1限制輸出電壓uz，因而在達(dá)到齊納二極管D4上的齊納電壓時(shí)向下控制了輸入功率，使得輸出電壓uz不可能超過齊納二極管D4的齊納電壓。
非電抗性電阻R3接在第二晶體管Q2的控制電極與輸入端的第一連接端之間。可以使用這個(gè)電阻進(jìn)一步減少輸入電流的諧波成分，因而在導(dǎo)通時(shí)間太短時(shí)，轉(zhuǎn)換器在輸入電壓的零交叉區(qū)不能在相反方向上傳輸任何功率。
使用根據(jù)本發(fā)明電路裝置的連續(xù)工作把電流i1的電流幅度限制在i1,max3*ig.]]>這樣做降低了對部件，特別是對電感L1飽和的要求。
根據(jù)本發(fā)明電路裝置中的開關(guān)頻率f為f＝1/(T1+T2)。因?yàn)楦鶕?jù)方程(3)，T2由輸入電壓ug所決定，故對用系統(tǒng)電壓ue工作期間所發(fā)出和傳導(dǎo)的噪聲頻譜要進(jìn)行平滑。在輸入電壓ug高時(shí)達(dá)到的頻率最低。因?yàn)樵诟咻斎腚妷合滦枰獙㈦姼蠰1中的最高電流i1斷開，故可這樣定出電路的大小，使得在低于評估曲線的階躍變化時(shí)，此頻率為50kHz。根據(jù)方程(1)，電容器C1與非電抗性電阻R2共同決定了時(shí)間常數(shù)T1。不過，電容器C1在根據(jù)本發(fā)明的電路裝置中還有更有利的作用-電容器C1能夠通過開關(guān)狀態(tài)中的正反饋在時(shí)間t2迅速地降低晶體管Q2的基極。
-相反，在時(shí)間t1，電容器C1同樣地通過正反饋?zhàn)饔枚兄诰w管Q2的導(dǎo)通，因而也有助于晶體管Q1的“銳”截止。視大小而定，可能需要在電容器C1通過與晶體管Q2基極/發(fā)射極通路相并聯(lián)的兩個(gè)二極管D2a，D2b，見圖2，重新充電時(shí)保護(hù)晶體管Q2基極不受過流損害。齊納二極管D2b限制晶體管Q2負(fù)的基極/發(fā)射極電壓。因而時(shí)間T1與部件漏泄和晶體管Q2擊穿電壓的溫度特性無關(guān)。
-電容器C1在電感L1上的電壓極性反向時(shí)限制其邊沿陡度。晶體管Q2最好將晶體管Q1的柵極“牢固地”箝住在零伏。為了使晶體管Q1的門電容快速重新充電和使晶體管Q1迅速截止，這么做是必要的。此外，晶體管Q1內(nèi)的開關(guān)損失也可以保持得很低。相反地，晶體管Q1通過上拉電阻R1導(dǎo)通。這種情況可能是“輕輕地”發(fā)生，因?yàn)檫@時(shí)在電感L1中的電流i1必須首先從零開始建立。
為了保護(hù)這一電路中的柵極不過壓，可以將齊納二極管D3接在晶體管Q1的柵極與參考電位之間，見圖2。
在本發(fā)明的一個(gè)有利的擴(kuò)展中，上拉電阻R1接在一個(gè)內(nèi)部低壓電源上。這樣就可以省去齊納二極管D3。此外，這一措施還可以免除對電阻R1的高電壓要求。
圖4表示出使用根據(jù)本發(fā)明電路裝置的實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)電流i1的輸出電壓uz的時(shí)間特性曲線以及晶體管Q2基極上電壓ubase的時(shí)間特性曲線。電壓uz和ubase特性曲線中的電壓峰，只要它們不是由使用選擇插入的二極管D2a和D2b而得到的，就是由電容器C1的重新充電電流而產(chǎn)生的并且導(dǎo)致了晶體管Q2中的損失。
圖5表示出在使用正弦電網(wǎng)電壓ue驅(qū)動(dòng)時(shí)，輸入電流ie的時(shí)間特性曲線。在系統(tǒng)電壓ue的零交叉區(qū)，電感L1上的電壓不再能夠達(dá)到輸出電壓uz。因而在非常短的時(shí)段內(nèi)在這一區(qū)域也不可能有功率傳輸。這些電流畸變產(chǎn)生出根據(jù)需要可以容許的諧波成分。晶體管Q2基極與整流輸入電壓之間額外引入的第三電阻R3可以用來主要補(bǔ)償這種效應(yīng)。
圖6表示出本發(fā)明的另一典型實(shí)施方案。與圖2相比，第二電容器C2是接在第二開關(guān)元件Q2的控制電極與參考電極之間。另外，第二開關(guān)元件Q2的參考電極通過第四電阻R4接到參考電位上。第二電容器C2清除了由于第一電容器C1的多重作用而產(chǎn)生的一個(gè)缺點(diǎn)。首先，第一電容器C1的數(shù)值決定了第一開關(guān)元件Q1的導(dǎo)通時(shí)間T1，其次，第一電容器C1代表了維持整個(gè)電路裝置振蕩的正反饋。實(shí)際上，第一電容器C1上出現(xiàn)的電壓變化為幾百伏。除了第一電容器C1所需的數(shù)值以外，還產(chǎn)生出必然伴有高部件負(fù)載的不希望的高充電和放電電流。根據(jù)本發(fā)明，第二電容器消除了第一電容器C1的多重作用。第二電容器C2的數(shù)值要選得使它基本上決定第一開關(guān)元件Q1的導(dǎo)通時(shí)間T1。這樣就可以把第一電容器C1的數(shù)值選得很小，使其正反饋?zhàn)饔玫靡跃S持。因而上述的充放電電流就可以減小。第四電阻R4的數(shù)值代表了既影響第一電容器C1的正反饋?zhàn)饔糜钟绊懙谝婚_關(guān)元件Q1導(dǎo)通時(shí)間T1的另一可能途徑。因而細(xì)調(diào)是可能的。不過，第四電阻R4的數(shù)值也可以為零。
總起來說，根據(jù)本發(fā)明的電路裝置特別歸納為如下優(yōu)點(diǎn)-晶體管Q1截止時(shí)，通過電容器C1正反饋所引起的晶體管耗盡在原理上使高電流的低開關(guān)損失成為可能；-電容器C1或電容器C1與C2決定著確定時(shí)間T1的長短，同時(shí)在電感L1中電流i1零交叉時(shí)使晶體管Q1截止；-電容器C1或電容器C1與C2能夠使電流i1在時(shí)間t1時(shí)“輕輕”換向；-因負(fù)載變化而引起的輸出電壓uz的變化，由時(shí)間T1對輸出電壓uz的依賴關(guān)系進(jìn)行局部地，即呈線性地而不是呈平方地調(diào)節(jié)。
權(quán)利要求
1.功率因數(shù)校正電路裝置，具有-輸入端，其上可接入輸入電壓(uz)，該輸入端包括第一和第二連接端；-第一開關(guān)元件(Q1)，其具有控制電極，參考電極和工作電極，控制電極與電流源相連，參考電極與參考電位相連接；-電感(L1)，其接在第一開關(guān)元件(Q1)的工作電極與輸入端的第一連接端之間；-輸出端，在該輸出端可以提供出輸出電壓(uz)，該輸出端包括第一和第二輸出端子；-第一二極管(D1)，其接在第一開關(guān)元件(Q1)的工作電極與所述輸出端的第一輸出端子之間；-第二開關(guān)元件(Q2)，其具有控制電極，參考電極和工作電極，參考電極與參考電位相連接，工作電極與第一開關(guān)元件(Q1)的控制電極相連接；-第一電容器(C1)，其接在第二開關(guān)元件(Q2)的控制電極與第一開關(guān)元件(Q1)的工作電極之間；以及-第一非電抗性電阻(R2)，其接在輸出端的第一連接端與第二開關(guān)元件(Q2)的控制電極之間。
2.按權(quán)利要求1中所要求的電路裝置，其特征在于，電流源通過與所述輸入端的第一連接端相連接的第二非電抗性電阻(R1)來實(shí)現(xiàn)，第一開關(guān)元件(Q1)的控制電極與電流源相連接。
3.按權(quán)利要求1中所要求的電路裝置，其特征在于，電流源由具有高阻抗的獨(dú)立低壓源來實(shí)現(xiàn)，第一開關(guān)元件(Q1)的控制電極與電流源相連接。
4.按前述權(quán)利要求其中之一所要求的電路裝置，其特征在于，第一齊納二極管(D4)與第一非電抗性電阻(R2)相并聯(lián)使得能夠利用該第一齊納二極管(D4)來限制輸出電壓(uz)。
5.按前述權(quán)利要求其中之一所要求的電路裝置，其特征在于，第一開關(guān)元件(Q1)包括nmos晶體管，和/或第二開關(guān)元件(Q2)包括npn晶體管。
6.按權(quán)利要求1至5其中之一所要求的電路裝置，其特征在于，第一開關(guān)元件(Q1)包括pmos晶體管，和/或第二開關(guān)元件(Q2)包括pnp晶體管。
7.按前述權(quán)利要求其中之一所要求的電路裝置，其特征在于，將電路裝置設(shè)計(jì)成在通過電感(L1)的電流(i1)的零交叉期間使第一開關(guān)元件(Q1)斷開。
8.按前述權(quán)利要求其中之一所要求的電路裝置，其特征在于，第三非電抗性電阻(R3)接在第二開關(guān)元件(Q2)的控制電極與輸入端的第一連接端之間。
9.按權(quán)利要求1至8其中之一所要求的電路裝置，其特征在于，包括第二二極管(D2a)和第二齊納二極管(D2b)的串聯(lián)電路接在第二開關(guān)元件(Q2)的控制電極與參考電極之間，使得第二齊納二極管(D2b)限制第二開關(guān)元件(Q2)的控制電極與參考電極之間的在截止方向上的電壓，第二二極管(D2a)則通過第二齊納二極管(D2b)防止第二開關(guān)元件(Q2)的控制電極對其參考電極短路。
10.按前述權(quán)利要求其中之一所要求的電路裝置，其特征在于，第一開關(guān)元件(Q1)的控制電極和第二開關(guān)元件(Q2)的工作電極都通過第三齊納二極管(D3)接至參考電位，將第三齊納二極管(D3)設(shè)置成能夠使用它來保護(hù)第一開關(guān)元件(Q1)的控制電極免受過電壓。
11.按前述權(quán)利要求其中之一所要求的電路裝置，其特征在于，第二電容器(C2)接在第二開關(guān)元件(Q2)的控制電極與第二開關(guān)元件(Q2)的參考電極之間，而第二電容器(C2)的數(shù)值是如此之大使得能夠由它來基本上影響第一開關(guān)元件(Q1)的導(dǎo)通時(shí)間(T1)。
全文摘要
本發(fā)明涉及到功率因數(shù)校正電路，它包括輸入端，第一開關(guān)元件(Q
文檔編號H02M1/00GK1618162SQ02827954
公開日2005年5月18日 申請日期2002年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月8日
發(fā)明者A·施托姆, S·邁爾 申請人:電燈專利信托有限公司