電荷泵式低總諧波失真高功率因數(shù)校正裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電荷栗式準(zhǔn)有源功率因數(shù)校正電路，尤其是一種高功率因數(shù)低總諧波失真準(zhǔn)有源功率因數(shù)校正電路及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在過去，由于白熾燈技術(shù)的發(fā)展，使得現(xiàn)在的照明系統(tǒng)基本都是白熾燈通用照明系統(tǒng)。然而，隨著LED技術(shù)的發(fā)展，LED發(fā)光效率正在大幅度的提升，所以，更加節(jié)省能源的LED通用照明系統(tǒng)正在逐漸地替代白熾燈通用照明系統(tǒng)。
[0003]但是現(xiàn)在居民所使用的市電供電電源為交流電流，而LED需要通過直流電流驅(qū)動(dòng)，所以如何將交流電流轉(zhuǎn)換成直流電流供LED使用成為了 LED普及過程中必須要解決的一個(gè)問題。在過去，要解決這個(gè)問題，往往是通過LED驅(qū)動(dòng)電源將交流電流轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的直流電流；而在使用LED驅(qū)動(dòng)電源的時(shí)候，為了避免LED驅(qū)動(dòng)電源對(duì)市電電網(wǎng)的干擾，所以就需要制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范LED驅(qū)動(dòng)電源，而要實(shí)現(xiàn)這種規(guī)范LED驅(qū)動(dòng)電源使用的標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)候，必須滿足一定的指標(biāo)，如:功率因數(shù)大于0.9，總諧波失真小于15%等。
[0004]現(xiàn)有的技術(shù)中，LED驅(qū)動(dòng)電源有一級(jí)有源控制的升壓式功率因數(shù)校正電路，其輸出后接降壓或隔離升降壓直流-直流功率變換器，輸出對(duì)應(yīng)的LED驅(qū)動(dòng)電流。這種兩級(jí)功率電流變換結(jié)構(gòu)，能滿足其對(duì)應(yīng)的輸入指標(biāo)和輸出指標(biāo)，但其整體的成本高，效率不高。
[0005]所以，在LED普及化的過程中，如何簡(jiǎn)化以上所述的功率因數(shù)校正電路結(jié)構(gòu)，以降低成本是亟需攻克的難題。美國(guó)專利US5986901(圖2)、US6909622B2(圖3)，在已有的填谷基礎(chǔ)(圖1)上給出一簡(jiǎn)化的功率因數(shù)校正電路來代替有源控制的升壓式功率因數(shù)校正電路。但是使用該技術(shù)來使得LED驅(qū)動(dòng)電源的輸入端的指標(biāo)無法滿足相應(yīng)的規(guī)范，如:使用該技術(shù)的總諧波失真接近25%，離要求的總諧波失真小于15%還有不小的差距。
[0006]在US5986901專利技術(shù)介紹該電路的工作原理；電路工作是分兩個(gè)工作模式；其一是直接供電模式，其二是電荷栗模式。直接供電模式的工作條件是輸入瞬時(shí)電壓大于直流儲(chǔ)能電容電壓但小于兩直流儲(chǔ)能電容電壓之和。在功率因數(shù)校正電路的負(fù)載電流從零變到一固定值時(shí)，這輸入瞬時(shí)電壓經(jīng)電感Lin和整流橋向負(fù)載提供電流、能量和功率。由于這負(fù)載電流流過電感Lin，就有能量?jī)?chǔ)存在這電感Lin中。當(dāng)這負(fù)載電流自固定值跳變?yōu)榱阒螅斎胨矔r(shí)電壓和儲(chǔ)存在電感Lin的能量就經(jīng)二極管D3、D4釋放給兩直流儲(chǔ)能電容Cl、C2。由于輸入瞬時(shí)電壓小于兩直流儲(chǔ)能電容Cl、C2的電壓之和，這電感Lin放電電流衰減到零。
[0007]在直接供電模式中，每個(gè)開關(guān)周期分為兩個(gè)部分；第一部分輸入電源直接供電給負(fù)載；第二部分輸入電源對(duì)兩直流儲(chǔ)能電容Cl、C2充電。
[0008]電荷栗模式的工作條件是輸入瞬時(shí)電壓小于直流儲(chǔ)能電容電壓；在功率因數(shù)校正電路的負(fù)載電流從零變到一固定值時(shí)，兩直流儲(chǔ)能電容Cl、C2將向負(fù)載提供電流、能量和功率，這兩直流儲(chǔ)能電容C1、C2的釋放電流經(jīng)過電流變壓器Tc的兩繞組并聯(lián)地向負(fù)載提供電流。電流變壓器Tc的第三繞組的電流是用來經(jīng)電荷栗電容Ce向輸入瞬時(shí)電壓吸收能量的；這樣電荷栗電容Ce的電壓增加同時(shí)電流變壓器Tc第三繞組的激磁電流也對(duì)應(yīng)的增加。由于阻斷二極管D4的作用，兩直流儲(chǔ)能電容Cl、C2不會(huì)對(duì)電荷栗電容Ce放電。當(dāng)這負(fù)載電流自固定值跳變?yōu)榱阒?，這電荷栗電容Ce和電流變壓器Tc第三繞組的激磁電流以及輸入瞬時(shí)電壓經(jīng)電感Lin經(jīng)二極管D3對(duì)兩直流儲(chǔ)能電容C1、C2釋放能量；由于輸入瞬時(shí)電壓小于直流儲(chǔ)能電容電壓，這放電電流衰減到零。
[0009]在電荷栗模式中，每個(gè)開關(guān)周期分為兩個(gè)部分；第一部分輸入電源對(duì)電感Lin和電荷栗電容Ce供電；第二部分輸入電源通過電感Lin和電荷栗電容Ce對(duì)兩直流儲(chǔ)能電容C1、C2充電。
[0010]無論在直接供電模式還是電荷栗模式，功率因數(shù)校正電路的負(fù)載電流從零變到一固定值時(shí)，由于電感Lin和電流變壓器Tc繞組的寄生電感作用，該電路是不能立即提供所需要功率因數(shù)校正電路的負(fù)載電流的。該電路需要一定的時(shí)間來產(chǎn)生這所需要功率因數(shù)校正電路的負(fù)載電流。正是這一特點(diǎn)，該電路具有開通緩沖電路(turn-on snubber)的功能。對(duì)有些后續(xù)功率變換器而言，可以減小對(duì)應(yīng)的開關(guān)損耗。但這特性在其他恒定輸出電流的應(yīng)用要求而言，會(huì)使得這恒定輸出電流的實(shí)現(xiàn)成本提高。
[0011]US5986901所述電路在輸入電壓變化范圍中，只分兩個(gè)工作模式。由對(duì)應(yīng)工作模式原理可知，這兩工作模式的輸入電流差距比較大，而不能使得輸入電流隨輸入電壓平滑地線性變化。通常使用這技術(shù)電路的輸入電流的總諧波失真在25%左右。
[0012]在US6909622B2專利技術(shù)介紹該電路的工作原理；與US5986901專利技術(shù)電路工作一樣，是分兩個(gè)工作模式；其一是直接供電模式，其二是耦合升壓模式。直接供電模式的工作條件是輸入瞬時(shí)電壓大于直流儲(chǔ)能電容電壓但小于兩直流儲(chǔ)能電容Cl、C2電壓之和。在功率因數(shù)校正電路的負(fù)載電流從零變到一固定值時(shí)，這輸入瞬時(shí)電壓經(jīng)耦合電感的第三繞組LI和整流橋向負(fù)載提供電流、能量和功率。由于這負(fù)載電流流過耦合電感的第三繞組LI，就有能量?jī)?chǔ)存在這耦合電感的第三繞組LI中。當(dāng)這負(fù)載電流自固定值跳變?yōu)榱阒螅斎胨矔r(shí)電壓和儲(chǔ)存在耦合電感的第三繞組LI的能量就經(jīng)二極管D3釋放給兩直流儲(chǔ)能電容Cl、C2。由于輸入瞬時(shí)電壓小于兩直流儲(chǔ)能電容電壓Cl、C2之和，這耦合電感的第三繞組LI放電電流衰減到零。
[0013]在直接供電模式中，每個(gè)開關(guān)周期分為兩個(gè)部分；第一部分輸入電源直接供電給負(fù)載；第二部分輸入電源對(duì)兩直流儲(chǔ)能電容Cl、C2充電。
[0014]耦合升壓模式的工作條件是輸入瞬時(shí)電壓小于直流儲(chǔ)能電容電壓；在功率因數(shù)校正電路的負(fù)載電流從零變到一固定值時(shí)，兩直流儲(chǔ)能電容Cl、C2將向負(fù)載提供電流、能量和功率，這兩直流儲(chǔ)能電容Cl、C2的釋放電流經(jīng)過耦合電感的兩繞組(第一，二繞組)L2、L3并聯(lián)地向負(fù)載提供電流。由于耦合電感的兩繞組(第一，二繞組)L2、L3中電流，耦合電感存儲(chǔ)了相應(yīng)的能量；當(dāng)這負(fù)載電流自固定值跳變?yōu)榱阒?，這耦合電感兩繞組(第一，二繞組)L2、L3的輸出電流與諧振電容Cr進(jìn)行諧振升壓；隨著這耦合電感的兩繞組(第一，二繞組)L2、L3上電壓增加，這耦合電感的第三繞組LI電壓也對(duì)應(yīng)的增加。當(dāng)整流橋輸出電壓加耦合電感的第三繞組LI電壓大于對(duì)兩直流儲(chǔ)能電容C1、C2的電壓之和時(shí)，整流橋輸出電壓經(jīng)耦合電感的第三繞組LI和二極管D3向兩直流儲(chǔ)能電容Cl、C2釋放能量；當(dāng)選擇第三繞組LI與第一，二繞組L2、L3的匝比大于2時(shí)，整流橋輸出電壓經(jīng)耦合電感的第三繞組LI和二極管D3向兩直流儲(chǔ)能電容C1、C2放電時(shí)，耦合電感的第一，二繞組L2、L3上的反射電壓將低于直流儲(chǔ)能電容電壓；由于這耦合電感的第一，二繞組L2、L3相串聯(lián)的二極管Dl，D2的單向?qū)щ娞匦?，耦合電感的第一，二繞組L2、L3輸出電流跳變?yōu)榱?。由于磁鏈不突變的原理，耦合電感中的?chǔ)能立刻全部由耦合電感的第三繞組LI輸出電流經(jīng)二極管D3和整流橋輸出電壓串聯(lián)一起向兩直流儲(chǔ)能電容Cl、C2放電，這輸出放電電流逐漸衰減到零。
[0015]在親合升壓模式中，每個(gè)開關(guān)周期分為兩個(gè)部分；第一部分兩直流儲(chǔ)能電容Cl、C2對(duì)耦合電感儲(chǔ)能；第二部分輸入電源通過耦合電感對(duì)兩直流儲(chǔ)能電容C1、C2充電。諧振電容Cr是利用磁鏈不突變的原理，從而將耦合電感的第一，二繞組L2、L3的輸出電流轉(zhuǎn)為耦合電感的第三繞組LI的輸出電流。
[0016]US6909622B2技術(shù)電路在輸入電壓變化范圍中，只分兩個(gè)工作模式。由對(duì)應(yīng)工作模式原理可知，這兩工作模式的輸入電流差距比較大，而不能使得輸入電流隨輸入電壓平滑地線性變化。通常使用這專利技術(shù)電路的輸入電流的總諧波失真在25%左右。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種利用電荷栗原理的無源的功率因數(shù)校正方案，并利用后級(jí)有源功率開關(guān)電路的輸入電流來驅(qū)動(dòng)電荷栗的無源的功率因數(shù)校正電路，能使得無源的功率因數(shù)校正方案的輸入電流的總諧波失真小于15%。
[0018]為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種電荷栗式低總諧波失真高功率因數(shù)校正裝置(校正電路)，包括整流器、壓控電荷栗電路以及后續(xù)功率開關(guān)變換器；所述壓控電荷栗電路包括輸入電流校正支路、電荷栗電路和諧振電容Cr ;所述電荷栗電路的輸出與諧振電容Cr以及后續(xù)功率開關(guān)變換器的輸入端相并聯(lián)；所