專利名稱：多諧振高功率因數(shù)提升電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及功率因數(shù)校正電路，具體地涉及放電燈鎮(zhèn)流器的高功率因數(shù)電路，它與歐洲線路電壓兼容，并滿足歐洲輸入電流諧波畸變的技術(shù)規(guī)范。
國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)(IEC555-2)規(guī)定了可以反饋入電力系統(tǒng)的所允許的諧波成分。例如在歐洲，IEC555-2技術(shù)規(guī)范規(guī)定，鎮(zhèn)流器提出25瓦以上以滿足非常嚴(yán)格的輸入電流諧波畸變標(biāo)準(zhǔn)。輸入電流諧波的成分還決定了電路的功率因數(shù)，即輸入功率除以rms電壓與rms電流的乘積。為了滿足工業(yè)上對效率和燈的壽命的要求，燈的電流波形因數(shù)，即燈的峰值電流與其rms值的比，必須小于1.7。然而，功率因數(shù)和波形因數(shù)是相互矛盾的，特別低成本電路中。
滿足IEC555-2技術(shù)規(guī)范的集成提升電路可見L.R.Nerone和D.J.Kachmarik的U.S.專利申請No.07/934,843，其申請日為1992年8月25日，并轉(zhuǎn)讓給本受讓人。集成提升電路用于向負(fù)載提供雙向電流，它包括一全波整流器，一串聯(lián)的半橋變換器，和一提升變換器。串聯(lián)的半橋變換器包括置于總線和負(fù)載電路的橋開關(guān)端的第一開關(guān)；置于地線和負(fù)載電路的橋開關(guān)端的第二開關(guān)；和交替閉合第一開關(guān)和第二開關(guān)的開關(guān)控制電路。提升變換器包括連接于總線和地線之間的提升電容，該提升電容上的電荷電平?jīng)Q定總線電壓；經(jīng)單向閥連接到提升電容的提升電感，用于將它的能量釋放到提升電容上；及一低阻通路，用于把提升電感的負(fù)載端周期的連接到地線，從而對提升電感充電。
該集成的提升電路滿足了IEC和熒光放電燈鎮(zhèn)流器的波形因數(shù)要求，然而，它需要的總線電壓約是線電壓峰值的兩倍。因為230伏歐洲線電壓整流為325伏，加倍的電壓導(dǎo)致器件負(fù)荷為650伏，需要800伏的MOSFET。
近年來，提出了其他一些高功率因數(shù)電路，包括Steigerwa1d等人的U.S.專利No.4,782,268；Fahnrich等人的U.S.專利No.4,808,887；和Zuchtriege1的U.S.專利No.5,008,597。一般的說，這些專利的功率因數(shù)校正電路在低壓周期期間通過把高頻電路和電線間的許多電容和/或電感經(jīng)一些二極管連接起來從電線獲取電流。電解電容因這些部件的泵浦作用而被充電。儲存在電解電容中的能量在每個瞬刻正比于輸入的線電壓。從電線獲取的平均電流也正比于線電壓。因此，輸入功率因數(shù)非常高，且電流的諧波成分很低。這些電路的大部分需要較多的元件。
因此，希望提供一種功率電路，它能滿足全球功率因數(shù)輸入電流諧波規(guī)范。而且，提供一種熒光燈鎮(zhèn)流器的經(jīng)濟的功率因數(shù)校正電路，不但用最少量的元件滿足燈電流的波形因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，而且不需要高壓功率器件。
根據(jù)本發(fā)明的多諧振提升功率因數(shù)校正電路包括一全波整流器用于接收AC線電流并從AC線電壓供給DC總線電壓；耦合于全波整流器的輸入端的高頻濾波電容；施加地電勢和DC總線電壓間的脈動電壓的串聯(lián)半橋變換器；連接于整流器的輸出端和DC總線電壓之間的二極管，其陰極連接到DC總線；連接于整流器的輸出端和半橋變換器的串聯(lián)連接的各開關(guān)器件的接點的電容；連接到各開關(guān)器件的接點的共振負(fù)載電路，它包括一與隔直流電容串聯(lián)的共振電感和一共振電容與負(fù)載(例如熒光放電燈)的并聯(lián)組合；和驅(qū)動電路，用于以預(yù)定的死時間交替轉(zhuǎn)換所述各開關(guān)器件，在該預(yù)定的死時間內(nèi)，在一個開關(guān)閉合，另一個開關(guān)斷開之后，該兩個開關(guān)器件都處于斷開狀態(tài)。
因為多諧振提升高功率因數(shù)電路滿足IEC標(biāo)準(zhǔn)的輸入電流的低諧波成分，因此具有非常高的功率因數(shù)。而且，根據(jù)本發(fā)明的高功率因數(shù)電路所使用的電路元件很少。此外，該高功率因數(shù)電路滿足熒光放電燈鎮(zhèn)流器的燈電流波形因數(shù)技術(shù)要求。
結(jié)合附圖閱讀本發(fā)明的如下詳細(xì)說明，本發(fā)明的特征和優(yōu)點將變得更明顯。其中

圖1是傳統(tǒng)的熒光放電燈鎮(zhèn)流器的圖示。
圖2是本發(fā)明的高功率因數(shù)電路的圖示。
圖3a-3f圖示出圖2的高功率因數(shù)電路在轉(zhuǎn)換周期中的等效配置。
圖4圖示出了圖2的高功率因數(shù)電路工作所產(chǎn)生的線電壓和線電流。
圖5圖示出圖2的電容C4在工作期間的電壓和電流波形。
圖6圖示出在一離線AC電源電路的本發(fā)明的高功率因數(shù)電路。
現(xiàn)結(jié)合放電燈鎮(zhèn)流器描述本發(fā)明的高功率因數(shù)電路。然而，本發(fā)明的原理并不局限于放電燈鎮(zhèn)流器，還可用于其他場合，例如，圖6所示的離線AC電源。
圖1是傳統(tǒng)的熒光放電燈半橋鎮(zhèn)流器的結(jié)構(gòu)。圖1的鎮(zhèn)流器包括全波整流器10，由二極管D1-D4組成，用于對電源12的AC電壓Vac整流。一般是電解電容的電容C1耦合于鎮(zhèn)流器輸出端，把整流濾波的電壓Vdc提供給開關(guān)器件Q1和Q2的半橋接點。門驅(qū)動電路14交替開關(guān)Q1和Q2，為共振負(fù)載電路提供雙向電流，負(fù)載電路包括串聯(lián)連接的共振電感L1、隔直流電容C2和共振電容C3。示為熒光放電燈的負(fù)載16與共振電容C3并聯(lián)。
圖1的電路的缺點是進(jìn)入輸入電流的輸入頻率諧波的比例較高，導(dǎo)致功率因數(shù)較低，不能滿足IEC標(biāo)準(zhǔn)。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種高功率因數(shù)電路，它的優(yōu)點是能以最少的電路元件滿足低諧波成分的IEC標(biāo)準(zhǔn)。此外，該高功率因數(shù)電路與歐洲和美國電壓兼容，同時滿足放電燈電流的電燈電流波形因數(shù)技術(shù)規(guī)范，從而，提高了電燈效率，延長了電燈壽命。
本發(fā)明是對在此引用的現(xiàn)有技術(shù)電路U.S.專利No.4,782,268、No.4,808,807和No.5,008,597的改進(jìn)，因為前述枚舉的優(yōu)點用較少的電路元件就能滿足，是一種適合于熒光放電燈鎮(zhèn)流器的高功率因數(shù)電路。此外，本發(fā)明使用較低電壓功率元件實現(xiàn)了集成提升電路。該電路結(jié)構(gòu)結(jié)合選擇適當(dāng)?shù)乃罆r間，不僅電路元件少，而且適合任何一種驅(qū)動鎮(zhèn)流器的標(biāo)準(zhǔn)模式自激振蕩，固定頻率，電流或電壓反饋控制的變動頻率。
圖2示出了本發(fā)明的多諧掁提升高功率因數(shù)電路。圖2中，與圖1相同的編號表示相同的元件。根據(jù)本發(fā)明，高功率因數(shù)和燈電流波形因數(shù)規(guī)范以如下方式滿足在二極管橋式整流電路的輸入端接一高頻濾波電容C5；在全波整流器10的輸出節(jié)點a與連接開關(guān)器件Q1、Q2的接點b之間連接一電容C4；在節(jié)點a與上開關(guān)器件Q1的漏端連接一單向電路閥，如二極管D5；及使用具有適當(dāng)死時間選擇的門驅(qū)動電路20。
圖2的高功率因數(shù)電路的工作可參見圖3a-3f的等效電路，它示出開關(guān)器件Q1、Q2的由6個時間間隔組成的單開關(guān)循環(huán)。圖3a示出在開關(guān)Q1閉合、開關(guān)Q2斷開時第一時間間隔中電路的工作，電流按所示方向從電解電容C1流出，流過電感L1、電容C2及電容C3和燈的并聯(lián)電路。能量被從電容C1提出。(如電容C1的電壓高于線電壓，則所有的二極管D1-D5將反向偏置，不會導(dǎo)通。)圖3b示出了開關(guān)Q1轉(zhuǎn)到斷開(Q2也仍斷開)后的死時間間隔期間的工作狀態(tài)。由于特別選擇了負(fù)載相角(即，電感電流和中點電壓的基波分量間的夾角，它除了由電燈電阻決定以外，還由電容C3、電感L1和電容C2決定。)，電感電流按圖3a相同的方向繼續(xù)流動。由于只有很少電流流過開關(guān)Q1和Q2的輸出電容，所以幾乎所有的電流都流過電容C4。由于電容C5的值選為在開關(guān)頻率工作的濾波元件，所以電流的開關(guān)頻率諧波流過電容C5。電容C4充電到瞬時整流線電壓，如果在這個瞬刻死時間還沒有結(jié)束，則橋中的各二極管和二極管D5變?yōu)榉聪蚱谩?br> 圖3c示出了死時間的剩余時間的工作，這期間，器件Q2的體二極管導(dǎo)通。電感電流流過Q2的體二極管(標(biāo)為DQ2)，直到電流反向，或死時間結(jié)束。如果死時間在電感L1的電流反向之前結(jié)束，則電流將在下一個時間間隔開始時以相同的方向繼續(xù)流過元件Q2的通路(圖3d)。注意對于該工作模式，死時間的選擇應(yīng)使其在電感L1的電流反向之前結(jié)束。
圖3d示出在開關(guān)Q2閉合、開關(guān)Q1斷開時的時間間隔中電路的工作。一旦開關(guān)Q2閉合，共振電感L1的電流流過開關(guān)Q2和燈的通路。在這個時間間隔，不從電容吸取能量。電流從器件Q2的漏極流到Q2的源極；然而，如上所述，在循環(huán)開始時，電流會在相反的方向流動。
圖3e示出了開關(guān)Q2轉(zhuǎn)到斷開(Q1也仍斷開)后的第二死時間間隔期間的工作狀態(tài)。電感L1中的大部分(除小部分流過器件Q1、Q2的輸出電容外)繼續(xù)流過電容C4進(jìn)入二極管D5、電容C1和負(fù)載。儲存于電容C4中的能量轉(zhuǎn)移到電容C1，對C1充電。當(dāng)電容C4充分放電時，電感L2的電流繼續(xù)在器件Q1的反體二極管中流動，繼續(xù)把一些能量存入電容C1。如果死時間太短，電容C4沒有充分放電，放電電流尖峰將在下一個時間間隔的開始流過器件Q1。這種情況增加了電路損耗，可通過適當(dāng)選擇電容C4、電感L2和死時間避免。
圖3f示出了第二死時間的剩余時間的工作，這期間，器件Q1的體二極管導(dǎo)通?，F(xiàn)在完成一個開關(guān)循環(huán)，下一個模式是圖3a。
出現(xiàn)功率因數(shù)校正的情況是在開關(guān)循環(huán)的每部分期間，電路從AC線獲取的能量對整個AC線循環(huán)的求和等于電路在整個線循環(huán)期間消耗的能量，即供給負(fù)載的能量和損失耗費的能量之和。當(dāng)維持這種條件時，電容C1上的電壓保持始終高于線電壓，不存在從外線獲取的峰充電電流。結(jié)果，線電流(在電容C5高頻濾波之后)是輸入電壓的象，并與之同相，如圖4的波形所示。
圖5示出圖3a-3f的6個時間間隔期間電容C4的電壓和電容波形。在圖5中，td表示死時間。
計算各元件值的方程如下導(dǎo)出。首先，為獲得高功率因數(shù)，在整個線循環(huán)(50或60赫)中存貯在電容C4中的能量必須等于電路獲取能量的一半12Vac2C4fsf1=12Ptotf1]]>導(dǎo)出Vac2C4fs=Ptot]]>其中Vac是rms線電壓，fs是開關(guān)頻率，f1是線頻率，Ptot是負(fù)載和電路消耗的能量和。
除了上面方程給出的條件外，電容C1的電壓Vdc必須大于峰值線電壓 ，以防止線電壓峰值時的電容充電電流尖峰。峰值整流線上的Vdc的百分增加是一個選取的獨立參數(shù)，還要考慮器件的受力和負(fù)載條件，例如，Vdc的值等于1.05倍的峰值線電壓。
總功率為Ptot=ILVdcVf2cos(φL)]]>
其中IL是峰值負(fù)載電流，Vf是點b處等于的基波分量(乘以Vdc以給出基波幅值)，φL負(fù)載相角。最后，為使電路工作于高效率，儲存于電容C4中的所有能量必須在死時間期間放掉，這意味著2Vac=ILωsC42sin(φd)sin(φL)]]>其中φd等于一半死時間的角度(φd＝Td fs 180°)，ωs開關(guān)頻率，弧度/秒。上述方程中的已知量是輸入電壓Vac，開關(guān)頻率fs，總功率和死時間td。未知量是負(fù)載相角、負(fù)載電流、提升電容C4。解方程立刻給出如下的φL的方程φL=arctan(VdcVfπ2Vacsin(φd))]]>在通常的情況下，中點電壓是梯形波，Vf是Vf=2sin(φd)πφd]]>φL的方程簡化為φL=arctan(2VdcVacφd)]]>零電壓開關(guān)的結(jié)果，電路損耗是功率器件和元件的導(dǎo)通損耗。這些損耗可以用負(fù)載電流流過的電阻Reff表示，因此，總功率是Ptot=Pout+IL22Reff]]>用上面的表示替代Ptot，負(fù)載電流IL可以從如下方程表示為φL的函數(shù)IL=VfVdccos(φL)2Reff[1-1-8ReffPout(VfVdccos(φL))2]]]>最后，高功率因數(shù)校正電容C4從如下數(shù)學(xué)式得到C4=Pout+IL22ReffVac2fs]]>點b處的負(fù)載阻抗可從功率和負(fù)載電流計算出。電燈在工作功率時的電阻是已知的，從該電阻可得到電感L1和并聯(lián)電容C3的值。對于一盞在26.5瓦、電阻為410歐的電燈，開關(guān)頻率為100千赫，死時間為1.67微秒，各元件值如下L1＝497μH，C4＝5.6nF，C1＝10μF，C3＝11.8nF，C2＝0.1μF；結(jié)果是功率因數(shù)pf＞.99，總的諧波畸變THD＜10％，燈電流波形因數(shù)ccf＜1.5，效率大于88％。
根據(jù)本發(fā)明的高功率因數(shù)電路能按驅(qū)動鎮(zhèn)流器的任何標(biāo)準(zhǔn)模式驅(qū)動自激振蕩，固定頻率，電流或電壓反饋控制的變動頻率。燈電流被能量存儲電容C1上的雙線頻率交流聲所調(diào)制。如果能量存儲電容器C1足夠大，不用任何反饋控制就能滿足燈電流波形因數(shù)技術(shù)要求。然而，在某些應(yīng)用場合，例如，小型熒光燈的鎮(zhèn)流器尺寸限制了能量存儲電容C1的值，則需要使用電流或電壓反饋方案。雖然，可以使用其他已知的反饋方案，但在S.-A.EI-Hamamsy和M.H.Kheraluwala的共同轉(zhuǎn)讓的U.S.專利申請No.(RD-23,825)中描述了一種適合的反饋方案。該申請在此作為參考。
U.S.專利申請No.(RD-23,825)涉及一種固定占空比、可變頻率的方波發(fā)生器，它包括非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，該非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器包含一對電阻串聯(lián)耦合于一電源端與一電容之間，例如配有555定時器的那種類型，它還包括一連接于電容器和地之間的JFET。在以電流控制的方案中，二極管的陽極連接到JFET的門，二極管的陰極連接到檢測電阻，用以檢測負(fù)載中的電流。另一種方案是，在電壓控制的系統(tǒng)中采用電壓檢測器檢測負(fù)載兩端的電壓。多諧振蕩器在電容器兩端產(chǎn)生一ramp電壓，按照固定占空比在電源電壓的預(yù)定比例之間改變。JFET的通道電阻隨著輸入電壓而變化。多諧振蕩器的電容器通過各電阻與JFET通道電阻的串聯(lián)接點進(jìn)行充放電，充放電時間隨JFET的輸入電壓而變化。在另一實施例中，一電阻耦合于JFET的漏極與源極之間，用于限制方波發(fā)生器的最大頻率。
如上所述，已借助熒光燈鎮(zhèn)流器的實例描述了本發(fā)明的高功率因數(shù)電路的應(yīng)用，但本發(fā)明的原理可以應(yīng)用到其他場合。例如，圖6圖示出了一種離線AC電源電路中的多諧振提升功率因數(shù)校正電路，它包括由隔離變壓器耦合到負(fù)載的輸出電路。該輸出電路包括整流二極管D6、D7和低通濾波器Lout、Cout。
雖然描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但顯然，這些實施例都是舉例性的。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的情況下，會有許多變形、改變和替換。因此，本發(fā)明將由所附權(quán)利要求的精神和范圍所限定。
權(quán)利要求
1.一種功率因數(shù)校正電路，其特征在于，包括接收AC線電流并從AC線電壓向DC總線提供DC總線電壓的整流器，該整流器具有一輸入端和一輸出端；耦合在所示整流器輸入端的高頻濾波器，所示高頻濾波器包括一濾波電容；半橋變換器，用于提供在參考電勢與所述DC總線電壓之間脈動的電壓，所述半橋變換器包括一對串聯(lián)連接的開關(guān)器件；連接于所述整流器的輸出端與所述DC總線之間的單向電閥門，用于使電流從所述整流器流向所述DC總線；耦合于所DC總線與所述參考電勢之間的能量存儲電容器；耦合于所述整流器的輸出端與所述開關(guān)器件間接點之間的電容器；連接到所述開關(guān)器件間接點的諧振負(fù)載電路，它包括一諧振電感、一諧振電容和一負(fù)載；和交替開關(guān)所述開關(guān)器件的驅(qū)動電路，它包括一死時間控制電路，用于在一個所述開關(guān)器件斷開、且另一個開關(guān)器件閉合后進(jìn)行選擇死時間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的功率因數(shù)校正電路，其特征在于，所述死時間的值、耦合于所述整流器與所述開關(guān)器件之間的所述電容的值和所述諧振電感的值選擇為，所述DC總線電壓大于或等于所述AC線電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的功率因數(shù)校正電路，其特征在于，所述死時間的值、耦合于所述整流器與所述開關(guān)器件之間的所述電容的值和所述諧振電感的值選擇為，在所述開關(guān)器件的死時間內(nèi)，所述電容基本放電到零，以減小開關(guān)損耗。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的功率因數(shù)校正電路，其特征在于，所述單向電閥門包括一個二極管，其陽極接到所述整流器的輸出端，其陰極接到所述DC總線電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的功率因數(shù)校正電路，其特征在于，所述能量存儲電容器包括電解電容器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的功率因數(shù)校正電路，其特征在于，所述諧振電容與所述負(fù)載并聯(lián)連接，所述諧振電感與所述諧振電容和所述負(fù)載的并聯(lián)連接相串聯(lián)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的功率因數(shù)校正電路，其特征在于，所述諧振負(fù)載電路還包括一與所述諧振電感串聯(lián)連接的隔直流電容。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的功率因數(shù)校正電路，其特征在于，所述負(fù)載包括熒光放電燈。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的功率因數(shù)校正電路，其特征在于，還包括一電燈電流反饋，其選取得使所述燈電流波形因數(shù)小于1.7。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的功率因數(shù)校正電路，其特征在于，所述驅(qū)動電路以固定頻率或可變頻率或自激模式開關(guān)所述開關(guān)器件。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的功率因數(shù)校正電路，其特征在于，所述負(fù)載包括用于離線DC電源的電源輸出電路，該輸出電路包括一整流器和一濾波器。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的功率因數(shù)校正電路，其特征在于，包括一電燈電流反饋電路，選擇為所述電燈電流波形因數(shù)小于1.7；和其中，所述死時間的值、耦合于所述整流器與所述開關(guān)器件之間的所述電容的值和所述諧振電感的值選擇為，所述DC總線電壓大于或等于所述AC線電壓，在所述開關(guān)器件的死時間期間，所述電容基本放電到零，以使開關(guān)損失最小。
全文摘要
多諧振提升功率因數(shù)校正電路包括全波整流器；接于該整流器輸入端的高頻濾波電容；串聯(lián)半橋變換器；接于整流器輸出端和DC總線電壓間的二極管；接于整流器輸出端與半橋變換器開關(guān)的串聯(lián)接點間的電容；接于開關(guān)器件間接點的諧振負(fù)載電路，包括電感、電容和負(fù)載，如熒光放電燈；和通過死時間控制電路交替轉(zhuǎn)換開關(guān)器件的驅(qū)動電路。該電路滿足IEC標(biāo)準(zhǔn)，功率因數(shù)高，電路元件少。滿足燈鎮(zhèn)流器波形因數(shù)要求，只要求低電壓功率器件。
文檔編號H02M7/12GK1135155SQ96103530
公開日1996年11月6日 申請日期1996年2月9日 優(yōu)先權(quán)日1995年2月10日
發(fā)明者S·-A·艾-哈馬西, M·H·克拉盧瓦拉, D·J·卡馬力克 申請人:通用電氣公司