專利名稱：Pfc變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及輸入交流電源電壓并輸出直流電壓的AC (交流)-DC (直流)變換器， 特別涉及改善功率因數(shù)的PFC(功率因數(shù)校正，power factor correction)變換器。
背景技術(shù)：
將商用交流電源作為輸入電源的一般開關(guān)電源裝置在對商用交流電源進(jìn)行整流平滑而變換成直流電壓后，用DC-DC變換器對該直流電壓進(jìn)行開關(guān)，因此，輸入電流變得不連續(xù)，較大地偏離正弦波而失真。這成為諧波電流的原因。在日本或歐洲等地，按照用途或輸入功率等來進(jìn)行經(jīng)過分類的諧波電流限制。為了與之對應(yīng)，在符合該限制的一般家電制品的電源中，設(shè)置有如專利文獻(xiàn)1、專利文獻(xiàn)2所 ^ ^^ : - (PFC, power factor improvement circuit) $ &:||。一般而言，PFC變換器由斬波(chopper)電路構(gòu)成，并按照輸入電流波形與輸入電壓波形呈相似波形的方式，即成為同相位的正弦波形狀的方式進(jìn)行動作。因此，諧波電流被抑制在一定等級以下。在此，基于圖1說明專利文獻(xiàn)1所示的PFC變換器的構(gòu)成例。在圖1的PFC變換器中，整流器模塊R對所輸入的交流電壓進(jìn)行整流，輸入電容器 Cin去除高頻分量。在開關(guān)10接通時(shí)，在電感器L中蓄積電磁能。若斷開開關(guān)10，則電感器L的能量經(jīng)由整流二極管D轉(zhuǎn)移到電容器Cout，并向負(fù)載提供電源電壓。若再次接通開關(guān)10，則二極管D被截止，從電容器Cout輸出電源電壓。一周期控制IC(0CC電路)20對輸入電流檢測用電阻Rs、輸出電壓檢測電阻R1、R2的電壓進(jìn)行輸入，并對開關(guān)10的占空比 (duty cycle)進(jìn)行控制，使得AC輸入電流與AC輸入電壓同相位。專利文獻(xiàn)1 JP特表2006-513682號公報(bào)專利文獻(xiàn)2 JP特開2006-187140號公報(bào)然而，由于專利文獻(xiàn)1的PFC變換器是以在電流連續(xù)模式下動作為前提，因此若在輕負(fù)載時(shí)，是在電流不連續(xù)模式下動作，則輸入電流會產(chǎn)生失真。另外，盡管專利文獻(xiàn)2的PFC變換器是多相位PFC變換器，但是以在電流不連續(xù)模式下動作為前提，若開關(guān)的接通時(shí)間在整個(gè)商用交流電源的一周期為恒定，則即使不進(jìn)行電流的檢測 控制，輸入電流也會成為正弦波形狀。然而，若實(shí)際中負(fù)載增大從而成為在電流連續(xù)模式下動作的狀態(tài)，則輸入電流會產(chǎn)生失真。為此，本發(fā)明的目的在于，提供一種PFC變換器，其無論動作模式是電流連續(xù)模式、電流不連續(xù)模式中的任一個(gè)，都進(jìn)行最佳的諧波抑制以及功率因數(shù)改善。為了解決上述課題，本發(fā)明按如下方式構(gòu)成。具備整流電路，其對從交流輸入電源輸入的交流電壓進(jìn)行整流；串聯(lián)電路，其與所述整流電路的后級連接，包括電感器以及開關(guān)元件；整流平滑電路，其與所述開關(guān)元件并聯(lián)連接；開關(guān)控制單元，其控制所述開關(guān)元件，使得從所述交流輸入電源輸入的輸入電流相對于所述交流電壓呈相似形狀；和電流檢測單元，其檢測流過所述電感器的電流，
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還具有動作模式判定單元，該動作模式判定單元判定動作模式是電流連續(xù)模式、 電流不連續(xù)模式中的哪一種，所述開關(guān)控制單元構(gòu)成為在所述動作模式是電流連續(xù)模式的情況下，控制所述開關(guān)元件，使得由所述電流檢測電路檢測出的、流過電感器的電流的平均值的變化呈正弦波形狀，且在所述動作模式是電流不連續(xù)模式的情況下，在整個(gè)所述交流輸入電源的電壓變化周期內(nèi)控制所述開關(guān)元件的接通時(shí)間為恒定，使得流過電感器的電流的峰值的變化呈正弦波形狀?；蛘撸邆涞谝淮?lián)電路，其相對于輸出端口并聯(lián)連接，包括第一開關(guān)元件和第一整流元件；電感器，其連接于所述第一開關(guān)元件和所述第一整流元件之間的連接點(diǎn)、和所述交流輸入電源的第一輸入端之間；第二串聯(lián)電路，其相對于所述輸出端口并聯(lián)連接，包括第二開關(guān)元件和第二整流元件，第二開關(guān)元件和第二整流元件之間的連接點(diǎn)與所述交流輸入電源的第二輸入端連接；平滑電路，其相對于所述輸出端口并聯(lián)連接；開關(guān)控制單元，其控制所述開關(guān)元件，使得從所述交流輸入電源輸入的輸入電流相對于所述交流輸入電源電壓呈相似形狀；和電流檢測單元，其檢測流過所述電感器的電流，還具有動作模式判定單元，該動作模式判定單元判定動作模式是電流連續(xù)模式、 電流不連續(xù)模式中的哪一種，所述開關(guān)控制單元構(gòu)成為在所述動作模式是電流連續(xù)模式的情況下，控制所述開關(guān)元件，使得由所述電流檢測單元檢測出的、流過電感器的電流的平均值的變化呈正弦波形狀，而在所述動作模式是電流不連續(xù)模式的情況下，在整個(gè)所述交流輸入電源的電壓變化周期內(nèi)控制所述開關(guān)元件的接通時(shí)間為恒定，使得流過所述電感器的電流的峰值的變化呈正弦波形狀。所述動作模式的判定用下面(a) (f)的任意一種方法來進(jìn)行。(a)所述動作模式判定單元在將所述電感器的電感值設(shè)為L，所述交流電壓設(shè)為 Vin，所述PFC變換器的輸出電壓設(shè)為Vo，所述開關(guān)元件的接通期間設(shè)為Ton，斷開期間設(shè)為 Toff的情況下，若將由所述電流檢測單元在所述開關(guān)元件的接通期間的中點(diǎn)取樣的電流的檢測值設(shè)為1-，則將1^-(1/2) Xi(Vo-Vin)/L} XToff實(shí)質(zhì)上為正時(shí)視作電流連續(xù)模式，將1^-(1/2) Xi(Vo-Vin)/L} XToff實(shí)質(zhì)上為負(fù)時(shí)視作電流不連續(xù)模式。(b)所述動作模式判定單元在將所述電感器的電感值設(shè)為L，所述交流電壓設(shè)為 Vin，所述PFC變換器的輸出電壓設(shè)為Vo，所述開關(guān)元件的接通期間設(shè)為Ton，斷開期間設(shè)為 Toff的情況下，若將由所述電流檢測單元在所述開關(guān)元件的接通期間的終點(diǎn)取樣的電流的檢測值設(shè)為ILp，則將ILp-{(Vo-Vin)/L} XToff實(shí)質(zhì)上為正時(shí)視作電流連續(xù)模式，將ILp-{(Vo-Vin)/L} XToff實(shí)質(zhì)上為負(fù)時(shí)視作電流不連續(xù)模式。
(c)在由所述電流檢測單元檢測出的在所述開關(guān)元件的斷開期間的中點(diǎn)所取樣的電流的檢測值小于由所述電流檢測單元檢測出的在所述開關(guān)元件的接通期間的中點(diǎn)所取樣的電流的檢測值時(shí)，視作電流不連續(xù)模式，而在除此以外時(shí)，視作電流連續(xù)模式。(d)設(shè)置檢測所述開關(guān)元件的兩端間的電壓的開關(guān)元件電壓檢測電路，通過在所述開關(guān)元件的斷開期間中由所述開關(guān)元件電壓檢測電路檢測的電壓的變化來進(jìn)行判定。 即，若在所述開關(guān)元件的斷開期間中所述開關(guān)元件的兩端間的電壓未保持恒定而下降，則視作電流不連續(xù)模式，若保持恒定，則視作電流連續(xù)模式。(e)設(shè)置與所述電感器耦合的輔助繞組，通過在所述開關(guān)元件的斷開期間中在所述輔助繞組產(chǎn)生的電壓變化來進(jìn)行判定。即，若在所述開關(guān)元件的斷開期間中在所述輔助繞組產(chǎn)生的電壓未保持恒定而下降，則視作電流不連續(xù)模式，若保持恒定，則視作電流連續(xù)模式。(f)基于由所述電流檢測單元取樣的、所述開關(guān)元件在接通前不久的電流值，來進(jìn)行判定。即，若在所述開關(guān)元件的接通前不久，流過所述電感器的電流是0，則視作電流不連續(xù)模式，而若在所述開關(guān)元件的接通前不久，流過所述電感器的電流不是0，則視作電流連續(xù)模式。另外，本發(fā)明的PFC變換器的所述開關(guān)控制單元以及所述動作模式判定單元典型地由DSP(Digital Signal Processor 數(shù)字信號處理器)構(gòu)成，該數(shù)字信號處理器保持由所述電流檢測單元檢測出的數(shù)字值。根據(jù)本發(fā)明，由于判定動作模式是電流連續(xù)模式、電流不連續(xù)模式中的哪一種，并根據(jù)各模式來使電流波形相對于電壓波形呈相似形狀且相同相位，因此不管負(fù)載的輕重， 將改善諧波以及功率因數(shù)。另外，由于一個(gè)開關(guān)周期最大也只進(jìn)行兩次電流值取樣，由此來進(jìn)行模式判定，因此運(yùn)算處理量少，對于DSP等處理器的負(fù)擔(dān)少。因此，還能利用較低速的處理器。


圖1是專利文獻(xiàn)1所示的PFC變換器的電路圖。圖2是本發(fā)明的第一實(shí)施方式的PFC變換器101的電路圖。圖3是表示基于第一實(shí)施方式的PFC變換器101內(nèi)的數(shù)字信號處理電路13的各種控制方式的圖。圖4是針對第一實(shí)施方式的PFC變換器101，在電流連續(xù)模式下進(jìn)行控制的狀態(tài)下的、開關(guān)周期的單位下的PFC變換器101的電壓·電流的波形圖。圖5是表示針對第一實(shí)施方式的PFC變換器101，進(jìn)行動作模式的判定的方法的圖。圖6是第二實(shí)施方式的開關(guān)電源裝置201的電路圖。圖7是表示在第二實(shí)施方式的開關(guān)電源裝置201中，基于數(shù)字信號處理電路13的動作模式的判定方法的圖。圖8是第三實(shí)施方式的開關(guān)電源裝置202的電路圖。圖9是表示在第三實(shí)施方式的開關(guān)電源裝置202中，基于數(shù)字信號處理電路13的動作模式的判定方法的圖。
圖10是表示進(jìn)行第四實(shí)施方式的PFC變換器的動作模式的判定的方法的圖。圖11是表示進(jìn)行第五實(shí)施方式的PFC變換器的動作模式的判定的方法的圖。圖12是表示進(jìn)行第五實(shí)施方式的PFC變換器的動作模式的判定的方法的圖，是表示基于開關(guān)元件Ql的接通期間的平均電流值Ito來判定動作模式的方法的圖。圖13是表示進(jìn)行第六實(shí)施方式的PFC變換器的動作模式的判定的方法的圖。圖14是第七實(shí)施方式的開關(guān)電源裝置203的電路圖。圖15是表示在圖14中的PFC變換器104的4個(gè)定時(shí)的電流路徑的圖。(符號說明)Bl…二極管橋Cl…平滑電容器C2…電容器D1、D2...二極管Ll…電感器Q1、Q2…開關(guān)元件R3、R4…電流檢測用電阻Tl…變壓器Toff…斷開時(shí)間Ton…接通時(shí)間Vac…交流輸入電源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14…開關(guān)元件電壓檢測電路16、17…絕緣電路20…負(fù)載電路50...DC-DC 變換器6O…負(fù)載101 104... PFC 變換器201 203…開關(guān)電源裝置
具體實(shí)施例方式(第一實(shí)施方式)參照圖2 圖5，說明涉及本發(fā)明的實(shí)施方式的PFC變換器。圖2是涉及本發(fā)明的第一實(shí)施方式的PFC變換器101的電路圖。在圖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。對輸入端口 P11-P12輸入作為商用交流電源的交流輸入電源Vac，并將負(fù)載電路20與輸出端口 P21-P22 連接。負(fù)載電路20是例如DC-DC變換器以及由該DC-DC變換器接受電源供給的電子設(shè)備的電路。
在PFC變換器101的輸入級，設(shè)置有作為對交流輸入電源Vac的交流電壓進(jìn)行全波整流的整流電路的二極管橋Bi。與該二極管橋Bl的輸出側(cè)連接有由電感器Ll以及開關(guān)元件Q1、以及電流檢測用電阻R3組成的串聯(lián)電路。在開關(guān)元件Ql的兩端并聯(lián)連接有由二極管Dl以及平滑電容器Cl構(gòu)成的整流平滑電路。由該電感器Li、開關(guān)元件Q1、二極管Dl 以及平滑電容器Cl構(gòu)成了升壓型斬波電路。在二極管橋Bl的輸出側(cè)的兩端間設(shè)置有輸入電壓檢測電路11。另外，在輸出端口 P21-P22間設(shè)置有輸出電壓檢測電路12。數(shù)字信號處理電路13由DSP構(gòu)成，并通過數(shù)字信號處理來控制該P(yáng)FC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(jìn)行輸入來探測交流輸入電源的瞬時(shí)電壓。另外，對輸出電壓檢測電路12的輸出信號進(jìn)行輸入來探測輸出電壓。進(jìn)而，用規(guī)定的開關(guān)頻率來接通/斷開開關(guān)元件Ql。所述數(shù)字信號處理電路13的、與針對開關(guān)元件Ql的開關(guān)控制信號相關(guān)的處理部相當(dāng)于本發(fā)明的“開關(guān)控制單元”。另外，所述電流檢測用電阻R3相當(dāng)于本發(fā)明的“電流檢測電路”。數(shù)字信號處理電路13具備用于在與負(fù)載電路20之間進(jìn)行通信的端口，進(jìn)行例如數(shù)據(jù)的通信或者信號的輸入輸出，對負(fù)載電路(電子設(shè)備)始終發(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(fù)載電路側(cè)接收負(fù)載狀態(tài)等并反映到開關(guān)控制中。圖3是表示數(shù)字信號處理電路13進(jìn)行的PFC變換器101的各種控制方式的圖。圖 3的㈧⑶分別是交流輸入電源的一周期的電流波形。在此，波形IL是在圖2所示的PFC 變換器101中的電感器Ll中流過的電流的波形。Ip是其峰值(峰值電流)的包絡(luò)線，Ia 是平均值(平均電流)的包絡(luò)線。但是，為了圖示方便，針對將PFC變換器101的開關(guān)頻率降到極端的情況，即用在電感器Ll中流過的電流波形目視下為三角波形狀那樣的頻率來表不。圖3㈧是電流連續(xù)模式下的波形圖，圖3(B)是電流不連續(xù)模式下的波形圖。像這樣在圖3(A)所示的電流連續(xù)模式下，在PFC變換器101的電感器Ll中流過的電流，在每次由PFC變換器101的電感器Ll蓄積·釋放勵磁能，不產(chǎn)生電流值為“0”的期間。另外， 在圖3(B)所示的電流不連續(xù)模式下，在每次由PFC變換器101的電感器Ll蓄積·釋放勵磁能，產(chǎn)生電流值為“0”的期間。圖4是在電流連續(xù)模式下進(jìn)行控制的狀態(tài)中的、開關(guān)周期的單位下的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(jìn)行開關(guān)控制，使得針對PFC變換器101的輸入電流，即流過電感器Ll的電流的平均值相對于全波整流波形成為相似波形。像這樣通過流過與輸入電壓為相似波形且同相位的輸入電流，能抑制諧波，從而改善功率因數(shù)。在圖4中，㈧是商用電源頻率的半周期單位下的、在電感器Ll中流過的電流的平均值Ii的電流波形，(B)是對其中一部分的時(shí)間軸進(jìn)行放大表示的、開關(guān)周期單位下的流過電感器Ll的電流IL的波形圖，(C)是開關(guān)元件Ql的漏極-源極間電壓Vds的波形圖。在開關(guān)元件Ql的接通期間中，電流IL流過電感器Li，且電流IL以根據(jù)電感器Ll 的兩端間電壓以及電感器Ll的電感值所決定的斜率而上升。其后，在開關(guān)元件Ql的斷開期間，電流IL以由電感器Ll的兩端電壓和其電感值決定的斜率而下降。像這樣，以電流脈動(ripple) AIL的寬度流過電感器Ll的電流IL以開關(guān)周期變動。圖5是表示進(jìn)行動作模式的判定的方法的圖。圖5(A)是電流連續(xù)模式下的電感器電流的波形圖，圖5(B)是電流不連續(xù)模式下的電感器電流的波形圖。若用ILp表示在開關(guān)元件Ql的斷開定時(shí)(timing)流過電感器Ll的電流值(峰值)，用ILb表示在開關(guān)元件Ql的接通定時(shí)流過電感器Ll的電流值(最低值)，則在開關(guān)元件Ql的接通期間流過電感器Ll的電流的平均值(平均電流)用如下關(guān)系表示。ILavl = (ILp+ILb)/2. . . (1)由于在開關(guān)元件Ql的斷開期間流過電感器Ll的電流線性減少，若是電流連續(xù)模式，則在開關(guān)元件Ql的斷開期間的中央定時(shí)的電感器Ll的平均電流值Ito2等于上述平均電流值ILavl。另一方面，若是電流不連續(xù)模式，則如圖5(B)所示，成為ILavl > ILav2的關(guān)系。為此，數(shù)字信號處理電路13通過在開關(guān)元件Ql的接通期間的中點(diǎn)tsl進(jìn)行取樣來求取第一電流值Itol，并通過在開關(guān)元件Ql的斷開期間的中點(diǎn)ts2取樣來求取第二電流值ILav2，且當(dāng)Ilot1 = IL3V2時(shí)，判定為電流連續(xù)模式，而在ILot1 > ILav2時(shí)，判定為電流不連續(xù)模式。由于對所述開關(guān)元件Ql的柵極給出的開關(guān)控制信號是由數(shù)字信號處理電路13生成，因此在所述接通期間的中央的定時(shí)tsl以及所述斷開期間的中點(diǎn)的定時(shí)ts2也由數(shù)字信號處理電路13掌握(處于管理下)。因此，能例如不從外部輸入定時(shí)信號，而在所述定時(shí)對電流檢測用電阻器R3的電壓降進(jìn)行取樣。若判定為電流連續(xù)模式，則通過在開關(guān)元件Ql的接通期間的中點(diǎn)的定時(shí)對流過電感器Ll的電流進(jìn)行取樣，來求取流過電感器Ll的電流的平均值1^，并對開關(guān)元件Ql的接通時(shí)間Ton以及斷開時(shí)間Toff進(jìn)行控制，使得其值的變化呈正弦波形狀。另外，若判定為動作模式是電流不連續(xù)模式，則使開關(guān)元件Ql的接通時(shí)間Ton在整個(gè)商用電源周期內(nèi)保持恒定。另外，該接通時(shí)間Ton根據(jù)輸出電壓來進(jìn)行反饋控制。由于在電流不連續(xù)模式下，使開關(guān)元件Ql的接通時(shí)間Ton在整個(gè)商用電源周期內(nèi)保持恒定，因此，例如用下面任意一種方法來控制。(1)數(shù)字信號處理電路13在檢測商用電源周期的同時(shí)，以商用電源周期為單位使接通時(shí)間變化。(2)檢測PFC變換器101的輸出電壓，使將其反饋到開關(guān)元件Ql的接通時(shí)間的長度的控制部(電路表現(xiàn)的“電壓補(bǔ)償器”)的響應(yīng)性鈍化到商用電源周期水平。(第二實(shí)施方式)圖6是第二實(shí)施方式的開關(guān)電源裝置201的電路圖。在圖6中，開關(guān)電源裝置201具備PFC變換器102以及DC-DC變換器50。在DC-DC 變換器50的輸出連接有負(fù)載60。對PFC變換器102的輸入端口 P11-P12輸入作為商用交流電源的交流輸入電源 Vac,并將DC-DC變換器50與輸出部連接。PFC變換器102具備對交流輸入電源Vac進(jìn)行全波整流的二極管橋Bl ；與二極管橋Bl的輸出連接的電感器Ll ；開關(guān)元件Ql ；二極管Dl ； 平滑電容器Cl ；與開關(guān)元件Ql串聯(lián)連接的電流檢測用電阻R4 ；輸入電壓檢測電路11 ；以及開關(guān)元件電壓檢測電路14。由電感器Ll、開關(guān)元件Ql、二極管Dl、以及平滑電容器Cl構(gòu)成升壓型斬波電路。
DC-DC變換器50具備變壓器Tl ；與變壓器Tl的初級繞組Lp串聯(lián)連接的開關(guān)元件Q2 ；以及與變壓器Tl的次級繞組Ls連接的、包括二極管D2以及電容器C2的整流平滑電路。另外，設(shè)置于變壓器Tl的初級側(cè)的數(shù)字信號處理電路13不僅對PFC變換器102 的開關(guān)元件Ql輸出開關(guān)控制信號，還對DC-DC變換器50的開關(guān)元件Q2也輸出開關(guān)控制信號。另外，通過經(jīng)由絕緣電路16來輸入輸出電壓檢測電路12的檢測信號，來檢測輸出電壓。 然后，通過開關(guān)元件Q2的占空比的控制等，使DC-DC變換器50的輸出電壓穩(wěn)定化。進(jìn)而，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的檢測電壓、以及電流檢測用電阻R4的電壓降，對將與它們對應(yīng)的接通期間以及斷開期間的開關(guān)控制信號提供給開關(guān)元件Ql的柵極。即，對開關(guān)元件Ql 進(jìn)行控制，使得對于PFC變換器102的輸入電流與輸入電壓的波形呈相似形狀。另外，數(shù)字信號處理電路13經(jīng)由絕緣電路17與負(fù)載60之間進(jìn)行通信，并對負(fù)載60發(fā)送PFC變換器 102以及DC-DC變換器50的狀態(tài)，從負(fù)載60接收負(fù)載狀態(tài)等，并反映到開關(guān)控制中。數(shù)字信號處理電路13如后所述，在開關(guān)元件Ql的斷開期間中讀取開關(guān)元件電壓檢測電路14的檢測電壓，并根據(jù)開關(guān)元件Ql的兩端電壓的變化來判定動作模式。圖7是表示基于所述數(shù)字信號處理電路13的動作模式判定的方法的圖。通過在開關(guān)元件Ql的接通期間的中點(diǎn)對電流檢測用電阻器R4的電壓進(jìn)行取樣， 來求取在開關(guān)元件Ql的接通期間流過電感器Ll的電流的平均值1^。另外，通過在開關(guān)元件Ql的斷開前不久對開關(guān)元件電壓檢測電路14的檢測電壓進(jìn)行取樣，來求取流過電感器 Ll的電流的峰值ILp。在電流連續(xù)模式的情況下，則如圖7(A)所示，若開關(guān)元件Ql斷開，則在斷開期間二極管Dl持續(xù)導(dǎo)通，因此開關(guān)元件Ql兩端的電壓成為PFC變換器102的輸出電壓Vo。在電流不連續(xù)模式的情況下，則如圖7(B)所示，直到到達(dá)開關(guān)元件Ql的接通為止二極管Dl的導(dǎo)通結(jié)束，因此，因電路中的寄生電容器與變壓器Tl的初級繞組Lp的諧振，開關(guān)元件Ql兩端的電壓Vds降低。因此，監(jiān)測開關(guān)元件Ql的斷開期間的兩端電壓Vds，若始終等于Vo，則視作電流連續(xù)模式，若Vds下降，則視作電流不連續(xù)模式。若判定為電流連續(xù)模式，則通過在開關(guān)元件Ql的接通期間的中點(diǎn)的定時(shí)對流過電感器Ll的電流進(jìn)行取樣，來求取流過電感器Ll的電流的平均值1^，并對開關(guān)元件Ql的接通時(shí)間Ton以及斷開時(shí)間Toff進(jìn)行控制，使得其值的變化呈正弦波形狀。另外，若判定為動作模式是電流不連續(xù)模式，則使開關(guān)元件Ql的接通時(shí)間Ton在整個(gè)商用電源周期內(nèi)保持恒定。另外，該接通時(shí)間Ton根據(jù)輸出電壓來進(jìn)行反饋控制。在電流不連續(xù)模式下，使開關(guān)元件Ql的接通時(shí)間Ton在整個(gè)商用電源周期內(nèi)保持恒定的控制方法與在第一實(shí)施方式中描述的方法相同。即，能夠是(1)數(shù)字信號處理電路 13在檢測商用電源周期的同時(shí)，以商用電源周期為單位使接通時(shí)間變化的方法、(2)檢測 PFC變換器102的輸出電壓，使將其反饋到開關(guān)元件Ql的接通時(shí)間的長度的控制部(“電壓補(bǔ)償器”)的響應(yīng)性鈍化到商用電源周期水平的方法的任意一種。在用( 的方法進(jìn)行控制的情況下，圖6所示的數(shù)字信號處理電路13可以將DC-DC變壓器50的輸出電壓作為 PFC變換器102的輸出電壓的比例值使用。
(第三實(shí)施方式)圖8是第三實(shí)施方式的開關(guān)電源裝置202的電路圖。在圖8中，開關(guān)電源裝置202具備PFC變換器103以及DC-DC變換器50。在DC-DC 變換器50的輸出連接有負(fù)載60。對PFC變換器103的輸入端口 P11-P12輸入作為商用交流電源的交流輸入電源 Vac,并將DC-DC變換器50與輸出部連接。PFC變換器103具備對交流輸入電源Vac進(jìn)行全波整流的二極管橋Bl ；與二極管橋Bl的輸出連接的電感器Ll ；開關(guān)元件Ql ；二極管Dl ； 平滑電容器Cl ；與開關(guān)元件Ql串聯(lián)連接的電流檢測用電阻器R4;以及輸入電壓檢測電路 11。由電感器Li、開關(guān)元件Q1、二極管Dl以及平滑電容器Cl構(gòu)成升壓型斬波電路。與圖6所示的開關(guān)電源裝置201不同之處在于，代替開關(guān)元件電壓檢測電路14，設(shè)置帶輔助繞組的電感器Ll的點(diǎn)。其他構(gòu)成與圖6所示的構(gòu)成相同。數(shù)字信號處理電路13如后所述，在開關(guān)元件Ql的斷開期間中讀取電感器Ll的輔助繞組的電壓，并根據(jù)該電壓的變化來判定動作模式。圖9是表示基于所述數(shù)字信號處理電路13的動作模式判定的方法的圖。通過在開關(guān)元件Ql的接通期間的中點(diǎn)對電流檢測用電阻R4的電壓進(jìn)行取樣，來求取在開關(guān)元件Ql的接通期間流過電感器Ll的電流的平均值1^。在電流連續(xù)模式的情況下，則如圖9(A)所示，若開關(guān)元件Ql斷開，則在斷開期間二極管Dl持續(xù)導(dǎo)通，因此輔助繞組的電壓Vb成為PFC變換器103的輸出電壓Vo的、對應(yīng)主繞組和輔助繞組之比的電壓。在電流不連續(xù)模式的情況下，則如圖9 (B)所示，直到開關(guān)元件Ql的接通為止二極管Dl的導(dǎo)通結(jié)束，因此，因電感器Ll的主繞組與電路中的寄生電容器的諧振，電感器Ll的輔助繞組的電壓Vb降低，并產(chǎn)生低于OV的時(shí)間點(diǎn)tz產(chǎn)生。因此，監(jiān)測電感器Ll的輔助繞組的電壓Vb，若在Ql的斷開期間始終恒定，則視作電流連續(xù)模式，若存在成為OV的時(shí)間點(diǎn)或者存在成為負(fù)電壓的狀態(tài)，則視作電流不連續(xù)模式。若判定為電流連續(xù)模式，則通過在開關(guān)元件Ql的接通期間的中點(diǎn)的定時(shí)對流過電感器Ll的電流進(jìn)行取樣，來求取流過電感器Ll的電流的平均值1^，并對開關(guān)元件Ql的接通時(shí)間Ton以及斷開時(shí)間Toff進(jìn)行控制，使得其值的變化呈正弦波形狀。另外，若判定為動作模式是電流不連續(xù)模式，則使開關(guān)元件Ql的接通時(shí)間Ton在整個(gè)商用電源周期內(nèi)保持恒定。另外，該接通時(shí)間Ton根據(jù)輸出電壓來進(jìn)行反饋控制?；跀?shù)字信號處理電路13的、在電流不連續(xù)模式時(shí)的控制方法與第一 第二實(shí)施方式的情況相同。(第四實(shí)施方式)圖10是表示進(jìn)行第四實(shí)施方式的PFC變換器的動作模式的判定的方法的圖。PFC 變換器的構(gòu)成與在第一實(shí)施方式中圖2所示的結(jié)構(gòu)相同。數(shù)字信號處理電路13基于在流過電感器Ll的電流的規(guī)定定時(shí)的值來判定動作模式。若是電流連續(xù)模式，則如圖10㈧所示，在開關(guān)元件Ql的接通定時(shí)在電感器Ll中流過電流ILb。若該電流值ILb不是0，則判定為電流連續(xù)模式。另一方面，若是電流不連續(xù)模式，則在開關(guān)元件Ql的接通定時(shí)在電感器Ll中的電流ILb是0。因此，若該電流值ILb是0，則判定為電流不連續(xù)模式或者臨界模式。若判定為電流不連續(xù)模式，則通過在開關(guān)元件Ql的接通期間的中點(diǎn)的定時(shí)對流過電感器Ll的電流進(jìn)行取樣，來求取流過電感器Ll的電流的平均值1-，并對開關(guān)元件Ql 的接通時(shí)間Ton以及斷開時(shí)間Toff進(jìn)行控制，使得其值的變化呈正弦波形狀。另外，若判定為動作模式是電流不連續(xù)模式，則使開關(guān)元件Ql的接通時(shí)間Ton在整個(gè)商用電源周期內(nèi)保持恒定。另外，該接通時(shí)間Ton根據(jù)輸出電壓來進(jìn)行反饋控制。(第五實(shí)施方式)圖11是表示進(jìn)行第五實(shí)施方式的PFC變換器的動作模式的判定的方法的圖。PFC 變換器的構(gòu)成與在第一實(shí)施方式中圖2所示相同。數(shù)字信號處理電路13基于流過電感器 Ll的電流的變化來判定動作模式。若將電感器Ll的電感值表示為L，將從交流輸入電源(商用電源)輸入的交流電壓表示為Vin，PFC變換器的輸出電壓表示為Vo，開關(guān)元件Ql的接通時(shí)間表示為Ton，斷開時(shí)間表示為Toff，在開關(guān)元件Ql的接通期間流過電感器Ll的電流的變化表示為△ Ikm，在開關(guān)元件Ql的斷開期間流過電感器Ll的電流的變化表示為Δ Ikjff，則存在如下關(guān)系Δ ILon = (Vin/L) Ton. . . (2) Δ ILoff = {(Vo-Vin) /L} Toff. . . (3)若是電流連續(xù)模式，則如圖11 (A)所示，Δ ILon = Δ ILoff0若是電流不連續(xù)模式，則如圖Il(B)所示，AILon < Δ ILoff。然而，在電流不連續(xù)模式下，電流未必在斷開時(shí)間Toff的整個(gè)期間流過電感器，所述Δ ILoff是虛擬值。圖12是表示利用上述關(guān)系，用與開關(guān)元件Ql的接通期間的平均電流值I-之間的差分的極性來判定動作模式的方法的圖。若是電流連續(xù)模式，則存在如下關(guān)系ILav > Δ ILoff/2= (1/2) X {(Vo-Vin)/L} Toff — (4)若是電流不連續(xù)模式，則存在如下關(guān)系ILav < Δ ILoff/2= (1/2) X {(Vo-Vin)/L} Toff ...(5)因此，基于Ij = Ila-(1/2) X {(Vo-Vin) /L} Toff ... (6)若Ij > 0，則判定為電流連續(xù)模式，若Ij < 0，則判定為電流不連續(xù)模式。所述開關(guān)元件Ql的接通期間的平均電流值通過接通期間的中點(diǎn)的取樣來求取。另外，Vo、Vin也通過取樣來求取。由于所述電感器Ll的電感值是已知的，因此基于它們的值來計(jì)算評估值I j，并根據(jù)其極性判定來進(jìn)行動作模式的判定。(第六實(shí)施方式)圖13是表示進(jìn)行第六實(shí)施方式的PFC變換器的動作模式的判定的方法的圖。PFC 變換器的構(gòu)成與在第一實(shí)施方式中圖2所示的結(jié)構(gòu)相同。數(shù)字信號處理電路13基于流過電感器Ll的電流的變化來判定動作模式。在用ILp來表示開關(guān)元件Ql的斷開前不久的峰值電流的情況下，則
若是電流連續(xù)模式，則存在如下關(guān)系ILp > Δ ILoff= {(Vo-Vin)/L} Toff ...(7)若是電流不連續(xù)模式，則存在如下關(guān)系ILp < Δ ILoff= {(Vo-Vin)/L} Toff ...(8)因此，基于Ij = ILp-I(Vo-Vin) /L} Toff ... (9)若Ij > 0，則判定為電流連續(xù)模式，若Ij < 0，則判定為電流不連續(xù)模式。所述峰值電流ILp通過在開關(guān)元件Ql的斷開前不久取樣來求取。另外，Vo, Vin 也通過取樣來求取。由于所述電感器Ll的電感值是已知的，因此基于它們的值來計(jì)算評估值I j，并根據(jù)其極性判定來進(jìn)行動作模式的判定。(第七實(shí)施方式)圖14是第七實(shí)施方式的開關(guān)電源裝置203的電路圖。另外，圖15是表示在PFC 變換器104的4個(gè)定時(shí)的電流路徑的圖。圖14所示的PFC變換器104是不經(jīng)由二極管橋而具備兩個(gè)電感器和兩個(gè)開關(guān)元件的、二極管無橋式PFC變換器。在圖14中，符號Pl 1、P12是PFC變換器104的輸入端，符號P21、P22是PFC變換器 104的輸出端。對輸入端P11-P12輸入作為商用交流電源的交流輸入電源Vac，并將DC-DC 變換器100與輸出端P21-P22連接。在DC-DC變換器100的輸出連接有負(fù)載99，并由DC-DC變換器提供經(jīng)過穩(wěn)定化的
直流電壓。在PFC變換器104的輸入級設(shè)置輸入電壓檢測電路11，并在一方的線上串聯(lián)連接電感器Li。在電感器Ll的后級連接有基于二極管Dl、D2以及開關(guān)元件Ql、Q2的橋電路。 在開關(guān)元件Q1、Q2的源極和接地之間連接有電流檢測用電阻R21、R22。與橋電路的輸出并聯(lián)連接有由平滑電容器Cl組成的平滑電路。圖15(A)是在交流輸入電源的正半周期，開關(guān)元件Ql、Q2均處于接通狀態(tài)時(shí)的電流路徑，圖15(B)是在交流輸入電源的正半周期，開關(guān)元件Q1、Q2均處于斷開狀態(tài)時(shí)的電流路徑。另外，圖15(C)是在交流輸入電源的負(fù)半周期，開關(guān)元件Q1、Q2均處于接通狀態(tài)時(shí)的電流路徑，圖15(D)是在交流輸入電源的負(fù)半周期，開關(guān)元件Q1、Q2均處于斷開狀態(tài)時(shí)的電流路徑。在交流輸入電源的正半周期，Q1、Q2處于接通狀態(tài)時(shí)，電流以圖15(A)所示的路徑流動，在電感Ll中蓄積勵磁能，在Ql、Q2處于斷開狀態(tài)時(shí)，電流以圖15(B)所示的路徑流動，從電感器Ll釋放勵磁能。此時(shí)，電流經(jīng)由Q2的寄生二極管流動。同樣，在交流輸入電源的負(fù)半周期，開關(guān)元件Q1、Q2處于接通狀態(tài)時(shí)，電流以圖15(C)所示的路徑流動，在電感器Ll中蓄積勵磁能，在Q1、Q2處于斷開狀態(tài)時(shí)，在圖15(D)所示的定時(shí)，從電感器Ll釋放勵磁能。此時(shí)，經(jīng)由Ql的寄生二極管流過電流。
電流檢測用電阻器R21是為了在交流輸入電源的正半周期，檢測在Ql的接通期間流過電感器Ll的電流而設(shè)置的。另外，電流檢測用電阻R22是為了在交流輸入電源的負(fù)半周期，檢測在Q2的接通期間流過電感器Ll的電流而設(shè)置的。圖11所示的數(shù)字信號處理電路13通過在開關(guān)元件Q1、Q2的接通期間的中央對電流檢測用電阻R21、R22的電壓降進(jìn)行取樣，來檢測流過電感器Ll的電流的平均值。本發(fā)明也能同樣適用于這樣的二極管無橋式的PFC變換器。
權(quán)利要求
1.一種功率因數(shù)校正變換器，具備整流電路，其對從交流輸入電源輸入的交流電壓進(jìn)行整流； 串聯(lián)電路，其與所述整流電路的后級連接，包括電感器以及開關(guān)元件； 整流平滑電路，其與所述開關(guān)元件并聯(lián)連接；開關(guān)控制單元，其控制所述開關(guān)元件，使得從所述交流輸入電源輸入的輸入電流相對于所述交流電壓呈相似形狀；和電流檢測單元，其檢測流過所述電感器的電流，所述功率因數(shù)校正變換器具有動作模式判定單元，該動作模式判定單元判定動作模式是電流連續(xù)模式、電流不連續(xù)模式中的哪一種，所述開關(guān)控制單元，在所述動作模式是電流連續(xù)模式的情況下，控制所述開關(guān)元件， 使得由所述電流檢測單元檢測出的、流過電感器的電流的平均值的變化呈正弦波形狀，在所述動作模式是電流不連續(xù)模式的情況下，在整個(gè)所述交流輸入電源的電壓變化周期內(nèi)控制所述開關(guān)元件的接通時(shí)間為恒定，使得流過所述電感器的電流的峰值的變化呈正弦波形狀。
2.—種功率因數(shù)校正變換器，具備第一串聯(lián)電路，其相對于輸出端口并聯(lián)連接，包括第一開關(guān)元件和第一整流元件； 電感器，其連接于所述第一開關(guān)元件和所述第一整流元件的連接點(diǎn)、與交流輸入電源的第一輸入端之間；第二串聯(lián)電路，其相對于所述輸出端口并聯(lián)連接，包括第二開關(guān)元件和第二整流元件， 第二開關(guān)元件和第二整流元件的連接點(diǎn)與所述交流輸入電源的第二輸入端連接； 平滑電路，其相對于所述輸出端口并聯(lián)連接；開關(guān)控制單元，其控制所述開關(guān)元件，使得從所述交流輸入電源輸入的輸入電流相對于所述交流輸入電源電壓呈相似形狀；和電流檢測單元，其檢測流過所述電感器的電流，所述功率因數(shù)校正變換器具有動作模式判定單元，該動作模式判定單元判定動作模式是電流連續(xù)模式、電流不連續(xù)模式中的哪一種，所述開關(guān)控制單元，在所述動作模式是電流連續(xù)模式的情況下，控制所述開關(guān)元件， 使得由所述電流檢測單元檢測出的、流過電感器的電流的平均值的變化呈正弦波形狀，在所述動作模式是電流不連續(xù)模式的情況下，在整個(gè)所述交流輸入電源的電壓變化周期內(nèi)控制所述開關(guān)元件的接通時(shí)間為恒定，使得流過所述電感器的電流的峰值的變化呈正弦波形狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的功率因數(shù)校正變換器，其特征在于，所述動作模式判定單元在將所述電感器的電感值設(shè)為L，所述交流電壓設(shè)為Vin，所述功率因數(shù)校正變換器的輸出電壓設(shè)為Vo，所述開關(guān)元件的接通期間設(shè)為Ton，斷開期間設(shè)為Toff的情況下，若將由所述電流檢測單元在所述開關(guān)元件的接通期間的中點(diǎn)取樣的電流的檢測值設(shè)為1-，則將1^-(1/2) Xi(Vo-Vin)/L} XToff實(shí)質(zhì)上為正時(shí)判定為電流連續(xù)模式， 將1^-(1/2) Xi(Vo-Vin)/L} XToff實(shí)質(zhì)上為負(fù)時(shí)判定為電流不連續(xù)模式。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的功率因數(shù)校正變換器，其特征在于，所述動作模式判定單元在將所述電感器的電感值設(shè)為L，所述交流電壓設(shè)為Vin，所述功率因數(shù)校正變換器的輸出電壓設(shè)為Vo，所述開關(guān)元件的接通期間設(shè)為Ton，斷開期間設(shè)為Toff的情況下，若將由所述電流檢測單元在所述開關(guān)元件的接通期間的終點(diǎn)取樣的電流的檢測值設(shè)為ILp，則將ILp-{(Vo-Vin)/L} XToff實(shí)質(zhì)上為正時(shí)判定為電流連續(xù)模式，將ILp-{(Vo-Vin)/L} XToff實(shí)質(zhì)上為負(fù)時(shí)判定為電流不連續(xù)模式。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的功率因數(shù)校正變換器，其特征在于，所述動作模式判定單元，在由所述電流檢測單元檢測出的在所述開關(guān)元件的斷開期間的中點(diǎn)取樣的電流的檢測值小于由所述電流檢測單元檢測出的在所述開關(guān)元件的接通期間的中點(diǎn)取樣的電流的檢測值時(shí)，判定為電流不連續(xù)模式，而在除此以外時(shí)，判定為電流連續(xù)模式。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的功率因數(shù)校正變換器，其特征在于，所述功率因數(shù)校正變換器具備檢測所述開關(guān)元件的兩端間的電壓的開關(guān)元件電壓檢測電路，所述動作模式判定單元根據(jù)在所述開關(guān)元件的斷開期間中由所述開關(guān)元件電壓檢測電路檢測的電壓的變化來進(jìn)行判定。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的功率因數(shù)校正變換器，其特征在于，所述功率因數(shù)校正變換器具備與所述電感器耦合的輔助繞組，所述動作模式判定單元通過在所述開關(guān)元件的斷開期間中在所述輔助繞組產(chǎn)生的電壓的變化來進(jìn)行判定。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的功率因數(shù)校正變換器，其特征在于，所述動作模式判定單元基于由所述電流檢測單元取樣的、所述開關(guān)元件在接通前不久的電流值，來進(jìn)行判定。
9.根據(jù)權(quán)利要求1 8中任一項(xiàng)所述的功率因數(shù)校正變換器，其特征在于，所述開關(guān)控制單元以及所述動作模式判定單元由數(shù)字信號處理器構(gòu)成，該數(shù)字信號處理器保持通過所述電流檢測單元檢測出的數(shù)字值。
全文摘要
本發(fā)明提供一種無論動作模式是電流連續(xù)模式、電流不連續(xù)模式中的哪一種，都進(jìn)行最佳的諧波抑制以及功率因數(shù)改善的PFC變換器。為此，具備二極管橋(B1)，其對從交流輸入電源(Vac)輸入的交流電壓進(jìn)行整流；串聯(lián)電路，其包括電感器(L1)以及開關(guān)元件(Q1)；整流平滑電路，其與開關(guān)元件(Q1)并聯(lián)連接，包括二極管(D1)及平滑電容器(C1)；和數(shù)字信號處理電路(13)，其對開關(guān)元件(Q1)進(jìn)行接通/斷開控制，使得從交流輸入電源(Vac)輸入的輸入電流與交流電壓呈相似波形，其中，通過電流檢測用電阻(R3)來檢測在開關(guān)元件(Q1)的斷開期間流過電感器(L1)的電流，并基于在規(guī)定定時(shí)的電感器電流IL來判定動作模式，且根據(jù)動作模式來對開關(guān)元件(Q1)進(jìn)行最佳控制。
文檔編號H02M3/28GK102356537SQ20098015812
公開日2012年2月15日 申請日期2009年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月18日
發(fā)明者鵜野良之 申請人:株式會社村田制作所