CN102904436B - 一种新型功率因数校正电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种功率因数校正电路。该电路由电荷泵和储能电路组成；所述电荷泵可以只由一个电容和两个二极管组成；所述储能电路可以只由一个二极管和一个电感组成；所述电荷泵的电容外接端接由开关电路产生的高频信号端；电荷泵的两个二极管与储能电路的电感串接在整流电路与工频滤波电容之间；所述储能电路的二极管与电荷泵的两个串联的二极管并接。该电路以最精简的结构，最低的成本，实现最高质量的功率因数校正，适用于所有由交流电源供电的设备的电源电路中。

Description

一种新型功率因数校正电路
技术领域
本发明属于电源领域，具体涉及一种功率因数校正电路。
背景技术
发明专利“功率因数校正电路”（专利号：ZL201010163269.3）使得可以只用电感、电容和二极管就能实现高质量的功率因数校正，其各项性能指标，完全可以和有源功率因数校正相比美。该发明专利的核心是电荷泵和续流电路。究其实质，是在给电荷泵的电容反复充放电过程中，发生在续流电路电感上的电磁能量的转换。是这个能量转换过程与电荷泵一起，保证整流桥在整个工频周期内都能向工频滤波电容提供充电电流，实现了功率因数校正。从这功率因数校正过程的实质出发，我们把由两个电感和两个二极管组成的续流电路改成为由一个电感和一个二极管组成的储能电路，得到了现在这个性能更好的最简结构的功率因数校正电路。
发明内容
本发明的目的是提供一种使用电荷泵的功率因数校正电路。它不用集成电路，无需增加开关管，从而以最精简的结构，最低的成本，实现最高质量的功率因数校正。
本发明所述的一种功率因数校正电路，由储能电路和电荷泵或并联的电荷泵组成；所述储能电路由二极管和电感组成；所述电荷泵由一个电容和两个二极管组成，把一个二极管的阳极、另一个二极管的阴极和一个电容的一端连接在一起，即得所述电荷泵，所述电容的另一端即为电荷泵电容外接端，而所述两个二极管的其余两端即为电荷泵的两个二极管外接端；把几个电荷泵的两个二极管外接端并联，并使其导通方向一致，即得所述并联的电荷泵，电荷泵的二极管外接端并接所得两端，即为并联的电荷泵的两个二极管外接端，几个电容的另一端，即为并联的电荷泵的几个电容外接端；所述电荷泵的电容外接端接由开关电路产生的高频信号端，所述并联的电荷泵的几个电容外接端接由开关电路产生的几个高频信号端；所述电荷泵或并联的电荷泵的两个二极管外接端与储能电路的电感串接在整流电路与工频滤波电容之间，电荷泵或并联的电荷泵的二极管的导通方向与直流电流的方向一致。
所述储能电路由一个二极管和一个电感组成，或由一个二极管和两个电感组成，或由两个二极管和两个电感组成。
对于所述储能电路由一个二极管和一个电感组成的情况，储能电路的电感可以接在电荷泵或并联的电荷泵与工频滤波电容之间，也可以是接在整流电路与电荷泵或并联的电荷泵之间；所述储能电路的二极管与电荷泵或并联的电荷泵的两个二极管外接端并接，储能电路的二极管的导通方向与直流电流的方向一致。
对于所述储能电路由两个电感和一个二极管组成的情况，所述储能电路的两个电感分别串接在电荷泵或并联的电荷泵的两个二极管外接端的两边，所述储能电路的一个二极管与电荷泵或并联的电荷泵的两个二极管外接端并联，所述储能电路的二极管的导通方向与直流电流的方向一致。
对于所述储能电路由两个电感和两个二极管组成情况，又可以分成三种，第一种是：所述储能电路第一个电感串接在工频滤波电容与电荷泵或并联的电荷泵之间，所述储能电路第二个电感串接在整流电路与电荷泵或并联的电荷泵之间；所述储能电路的第一个二极管的一端接往整流电路的输出端，另一端接到第一个电感与电荷泵或并联的电荷泵的二极管外接端的连接点上；所述储能电路的第二个二极管一端接工频滤波电容，另一端接到第二个电感与电荷泵或并联的电荷泵的二极管外接端的连接点上；所述储能电路的两个二极管的导通方向都与直流电流的方向一致。
所述储能电路由两个电感和两个二极管组成的第二种情况是：所述储能电路第一个电感串接在工频滤波电容与电荷泵或并联的电荷泵之间，所述储能电路第二个电感串接在整流电路与电荷泵或并联的电荷泵之间；所述储能电路的第一个二极管与电荷泵或并联的电荷泵的两个二极管外接端并接；所述储能电路的第二个二极管一端接工频滤波电容，另一端接到第二个电感与电荷泵或并联的电荷泵的二极管外接端的连接点上；所述储能电路的两个二极管的导通方向都与直流电流的方向一致。
所述储能电路由两个电感和两个二极管组成的第三种情况是：所述储能电路第一个电感串接在工频滤波电容与电荷泵或并联的电荷泵之间，所述储能电路第二个电感串接在整流电路与电荷泵或并联的电荷泵之间；所述储能电路的第一个二极管的一端接往整流电路的输出端，另一端接到第一个电感与电荷泵或并联的电荷泵的二极管外接端的连接点上；所述储能电路的第二个二极管与电荷泵或并联的电荷泵的两个二极管外接端并接；所述储能电路的两个二极管的导通方向都与直流电流的方向一致。
有一个电容并接在电源正负极之间，以保证实现对电荷泵的充放电过程，这个电容可以是LC滤波电路的一部分。这个电容也可以如图8所示，接在桥式整流与LC滤波电路之后，工频滤波电容之前，与整个由储能电路和电荷泵二极管组成的电路并联。
在我们用一个直流电压U给电容C充电时，电容C上的电压由0上升到U，电源供出的能量是
W=UQ=CU2，
而电容C上得到的能量却是
W=∫U 0Cudu=1/2CU2。
我们看到，充电过程中有一半能量消耗在线路上。因此，我们在给电荷泵的电容充放电时，如果所加的电压反复在两个电压值之间突变，那么能量在电源和电容之间互相转换的同时，将会有相当一部分损耗在线路上。这个损耗往往造成发热，甚至损坏元件。
如果用一个和电荷泵二极管导通方向一致的二极管并接在这电荷泵两个二极管的外接端上，并让这并联的二极管与电感以串联的方式，接在整流桥与工频滤波电容之间。这时，当外加的电压或电流给电荷泵的电容充电（或放电）时，电感上将流过电流，这时电感积蓄磁场能量。而当充电（或放电）结束的瞬间，电荷泵的两个二极管都截止时，由于电感上的电流不能突变为零，所以电感上的电流将取道并接的二极管继续流过，这时磁场能量转变为电能。这里，电感上的这个电磁能量的转换不仅避免了给电荷泵的电容充放电可能产生的能量损耗，还为整流桥向滤波电容充电提供了额外的能量。这个能量与电荷泵一起，保证整流桥在整个工频周期都能向工频滤波电容提供充电电流，实现功率因数校正。这里，储能电路的电感可以根据实际情况接在电荷泵与整流桥之间，也可以接在电荷泵与工频滤波电容之间，如有必要，也可以电荷泵的两边各接一个，以保证在给电荷泵的电容充放电的过程中，电荷泵的电容上电压不出现突变。因此功率因数校正电路可以有多种方案，但是最基本的电路只有两种，如图2和图3所示。其它电路，如图4、图5、图6、图7和图8所示的电路，都可以看成在这两种基本电路的基础上增加电感和二极管所得到的电路。
本发明与由桥式整流电路、LC滤波电路和开关电路组成的开关电源电路一起构成实际使用的电源电路，包括AC-AC变频电路、AC-DC直流恒流电路和AC-DC直流恒压电路以及其它开关电源电路。为保证接入的LC滤波电路不妨碍电荷泵的充放电过程，有一个电容并接在电源正负极之间的，它可以是LC滤波电路的一部分。这个电容也可以如图9所示，接在桥式整流与LC滤波电路和工频滤波电容C之间，与整个由储能电路和电荷泵二极管组成的电路并联。
采用上述技术方案的功率因数校正电路结构精简，性能好且成本低，可广泛用于各种以交流电源供电的电源电路中。
附图说明
图1(a),(b)分别是电荷泵和并联的电荷泵的电路图；
图2是本发明实施例1中的功率因数校正电路图；
图3是本发明实施例2中的功率因数校正电路图；
图4是本发明实施例3中的功率因数校正电路图；
图5是本发明实施例4中的功率因数校正电路图；
图6是本发明实施例5中的功率因数校正电路图；
图7是本发明实施例6中的功率因数校正电路图；
图8是本发明实施例7中的功率因数校正电路图；
图9是本发明实施例8中的功率因数校正电路图；
具体实施方式
本发明所述电荷泵和并联的几个电荷泵的电路图如图1所示。
本发明所述功率因数校正电路可以有多种方案，但是最基本的电路只有两种，如图2、图3所示。其它电路，如图4、图5、图6、图7和图8所示的电路，都可以看成在这两种基本电路的基础上增加电感和二极管所得到的电路。
【实施例1】
储能电路的电感接在电荷泵与工频滤波电容之间的功率因数校正电路如图2所示：该功率因数校正电路由一个电荷泵和一个储能电路组成；所述电荷泵由一个电容C1和两个二极管D1、D2组成；所述储能电路由一个二极管D3和一个电感L1组成；电荷泵的两个二极管D1、D2与储能电路的电感L1串接在桥式整流与LC滤波电路与工频滤波电容C之间，所述电荷泵的第一个二极管D1的阳极接所述储能电路的电感L1的一端，并通过这个电感L1的另一端接到桥式整流电路与LC滤波电路的正输出端上，所述电荷泵的第二个二极管D2的阴极接到工频滤波电容C的正极，所述电荷泵的电容C1的外接端接开关电路的高频信号端，所述电荷泵内部，电容C1的内接端接第一个二极管D1的阴极和第二个二极管D2的阳极，所述储能电路的二极管D3的阴极接到电荷泵的第二个二极管D2的阴极上，所述储能电路的二极管D3的阳极接到电荷泵的第一个二极管D1的阳极上；LC滤波电路的一个电容C2并接在电源正负极之间。
【实施例2】
储能电路的电感接在电荷泵与整流电路之间的功率因数校正电路如图3所示：该功率因数校正电路由一个电荷泵和一个储能电路组成；所述电荷泵由一个电容C1和两个二极管D1、D2组成；所述储能电路由一个二极管D3和一个电感L1组成；所述电荷泵的第二个二极管D2的阳极接所述储能电路的电感L1的一端，并通过这个电感L1的另一端接到工频滤波电容C的负极上，所述电荷泵的第一个二极管D1的阴极接到LC滤波电路和整流电路的负输出端，所述电荷泵的电容C1的外接端接开关电路的高频信号端，所述电荷泵内部，这个电容C1的内接端接第一个二极管D1的阳极和第二个二极管D2的阴极，所述储能电路的二极管D3的阴极接到电荷泵的第一个二极管D1的阴极上，所述储能电路的二极管D3的阳极接到电荷泵的第二个二极管D2的阳极上,桥式整流与LC滤波电路的一个电容C2并接在电源正负极之间。
在这两种基本电路的基础上，储能电路增加电感和二极管，可以得到多种功率因数校正方案，例如：
【实施例3】
图3所示电路增加一个电感L2，两个电感分别接在电荷泵两边，得到如图4所示的功率因数校正电路：所述电荷泵的第二个二极管D2的阳极接所述储能电路的第一个电感L1的一端，并通过这个电感L1的另一端接到工频滤波电容的负极C上，所述电荷泵的电容C1的外接端接开关电路的高频信号端，所述电荷泵内部，电容C1的内接端接第一个二极管D1的阳极和第二个二极管D2的阴极，所述储能电路的二极管D3的阴极接到电荷泵的第一个二极管D1的阴极上，所述储能电路的二极管D3的阳极接到电荷泵的第二个二极管D2的阳极上,桥式整流与LC滤波电路的一个电容C2并接在电源正负极之间，储能电路的第二个电感L2接在桥式整流与LC滤波电路的负输出端与所述电荷泵的第一个二极管D1的阴极之间。
【实施例4】
图3所示电路增加一个电感L2和一个二极管D4，得到如图5所示的功率因数校正电路：所述电荷泵的第二个二极管D2的阳极接所述储能电路的第一个电感L1的一端，并通过这个电感L1的另一端接到工频滤波电容C的负极上，所述电荷泵的电容C1的外接端接开关电路的高频信号端，所述电荷泵内部，这个电容C1的内接端接第一个二极管D1的阳极和第二个二极管D2的阴极，所述储能电路的二极管D3的阴极接到LC滤波电路和整流电路的负输出端，所述储能电路的二极管D3的阳极接到电荷泵的第二个二极管D2的阳极上,增加第二个电感L2，接在LC滤波电路和整流电路的负输出端与所述电荷泵的第一个二极管D1的阴极之间，增加一个二极管D4，它的阳极接工频滤波电容C的负极，它的阴极接所述电荷泵的第一个二极管D1的阴极，桥式整流与LC滤波电路的一个电容C2并接在电源正负极之间。
【实施例5】
图3所示电路增加一个电感L2和一个二极管D4，得到如图6所示的功率因数校正电路：所述电荷泵的第二个二极管D2的阳极接所述储能电路的第一个电感L1的一端，并通过这个电感L1的另一端接到工频滤波电容C的负极上，所述电荷泵的电容C1的外接端接开关电路的高频信号端，所述电荷泵内部，这个电容C1的内接端接第一个二极管D1的阳极和第二个二极管D2的阴极，所述储能电路的二极管D3的阴极接到电荷泵的第一个二极管D1的阴极上，所述储能电路的二极管D3的阳极接到电荷泵的第二个二极管D2的阳极上,增加第二个电感L2，接在LC滤波电路和整流电路的负输出端与所述电荷泵的第一个二极管D1的阴极之间，增加一个二极管D4，它的阳极接工频滤波电容C的负极，它的阴极接所述电荷泵的第一个二极管D1的阴极，桥式整流与LC滤波电路的一个电容C2并接在电源正负极之间。
【实施例6】
图3所示电路增加一个电感L2和一个二极管D4，得到如图6所示的功率因数校正电路：所述电荷泵的第二个二极管D2的阳极接所述储能电路的第一个电感L1的一端，并通过这个电感L1的另一端接到工频滤波电容C的负极上，所述电荷泵的电容C1的外接端接开关电路的高频信号端，所述电荷泵内部，这个电容C1的内接端接第一个二极管D1的阳极和第二个二极管D2的阴极，所述储能电路的二极管D3的阴极接到LC滤波电路和整流电路的负输出端，所述储能电路的二极管D3的阳极接到电荷泵的第二个二极管D2的阳极上,增加一个第二个电感L2，接在LC滤波电路和整流电路的负输出端与所述电荷泵的第一个二极管D1的阴极之间，增加一个二极管D4，它的阳极接所述电荷泵的第二个二极管D2的阳极，它的阴极接所述电荷泵的第一个二极管D1的阴极，桥式整流与LC滤波电路的一个电容C2并接在电源正负极之间。
上述六种功率因数校正电路都是由一个电荷泵和储能电路组成，功率因数校正电路还可以由并联的电荷泵和储能电路组成。比如一种由并联的两个电荷泵和一个储能电路组成的功率因数校正电路如图8所示。
【实施例7】
如图8所示由并联的两个电荷泵和一个储能电路组成的功率因数校正电路：所述并联的两个电荷泵由两个电容C11、C12和四个二极管D11、D12、D21、D22组成；所述储能电路由一个二极管D3和一个电感L1组成；所述并联的两个电荷泵的两个二极管D21、D22的阳极都接到所述储能电路的电感L1的一端，并通过这个电感L1的另一端接到工频滤波电容C的负极上，所述并联的两个电荷泵的另外两个二极管D12、D12的阴极都接到LC滤波电路和整流电路的负输出端，所述电荷泵的电容C11和C12的两个外接端分别接开关电路的两个高频信号端，所述电荷泵内部，这个电容C11的内接端接第一个二极管D11的阳极和第二个二极管D21的阴极，电容C12的内接端接第一个二极管D12的阳极和第二个二极管D22的阴极，所述储能电路的二极管D3的阴极接到电荷泵的第一个二极管D1的阴极上，所述储能电路的二极管D3的阳极接到电荷泵的第二个二极管D2的阳极上,桥式整流与LC滤波电路的一个电容C2并接在电源正负极之间。
上述七种电路中，并接在电源正负极之间的电容C2用以保证接入的高频滤波电路不妨碍电荷泵的充放电过程，它可以是LC滤波电路的一部分。这个电容也可以如图9所示，接在桥式整流与LC滤波电路和工频滤波电容C之间，与整个由储能电路和电荷泵二极管组成的电路并联。
【实施例8】
图9给出的一种功率因数校正电路方案：所述电荷泵的第二个二极管D2的阳极接所述储能电路的电感L1的一端，并通过这个电感L1的另一端接到工频滤波电容C的负极上，所述电荷泵的第一个二极管D1的阴极接到LC滤波电路和整流电路的负输出端，所述电荷泵的电容C1的外接端接开关电路的高频信号端，所述电荷泵内部，这个电容C1的内接端接第一个二极管D1的阳极和第二个二极管D2的阴极，所述储能电路的二极管D3的阴极接到电荷泵的第一个二极管D1的阴极上，所述储能电路的二极管D3的阳极接到电荷泵的第二个二极管D2的阳极上,电容C2接在桥式整流与LC滤波电路的负输出端与工频滤波电容的负极之间。
上述电路的原理都是利用给电荷泵充放电时储能电路的电感上发生的电磁能量的转换过程，来保证整流桥在整个工频周期都能向工频滤波电容提供充电电流，实现功率因数校正。当然，根据具体需要，直接增加电荷泵、增加储能电路还可以组合出多种功率因数校正电路的接法。
本发明适用于所有交流电源供电的电源电路，包括AC-AC变频电路、AC-DC直流恒流电路、AC-DC直流恒压电路以及其它开关电源电路。以一个采用本发明的20瓦的LED驱动电源实验电路为例，实测测得其交流电源输入端功率因数为λ=0.985，输入电流各次谐波的实测数据及有关国家标准规定的限值为：
谐波次数2次3次5次7次9次11~39次
实测数据0.3%13.5%4.2%1.5%1.1%<1.3%
相关标准2%30×λ%10%7%5%3%
显然，性能指标大大优于有关国家标准的性能要求。
我们看到，本发明给出的功率因数校正电路的结构是最精简的，成本是最低的，而达到的性能指标是最好的。

Claims (4)

1.一种功率因数校正电路，其特征在于：该电路由储能电路和电荷泵或并联的电荷泵组成；所述储能电路由二极管和电感组成；所述电荷泵由一个电容和两个二极管组成，把一个二极管的阳极、另一个二极管的阴极和一个电容的一端连接在一起，即得所述电荷泵，所述电容的另一端即为电荷泵电容外接端，而所述两个二极管的其余两端即为电荷泵的两个二极管外接端；把几个电荷泵的两个二极管外接端并联，并使其导通方向一致，即得所述并联的电荷泵，电荷泵的二极管外接端并接所得两端，即为并联的电荷泵的两个二极管外接端，几个电容的另一端，即为并联的电荷泵的几个电容外接端；所述电荷泵的电容外接端接由开关电路产生的高频信号端，所述并联的电荷泵的几个电容外接端接由开关电路产生的几个高频信号端；所述电荷泵或并联的电荷泵的两个二极管外接端与储能电路的电感串接在整流电路与工频滤波电容之间，电荷泵或并联的电荷泵的二极管的导通方向与直流电流的方向一致；所述储能电路由一个二极管和一个电感组成，或由一个二极管和两个电感组成；
所述储能电路由一个二极管和一个电感组成，储能电路的电感接在电荷泵或并联的电荷泵与工频滤波电容之间，或接在整流电路与电荷泵或并联的电荷泵之间；所述储能电路的二极管与电荷泵或并联的电荷泵的两个二极管外接端并接，储能电路的二极管的导通方向也与直流电流的方向一致；
所述储能电路由两个电感和一个二极管组成，所述储能电路的两个电感分别串接在电荷泵或并联的电荷泵的两个二极管外接端的两边，所述储能电路的一个二极管与电荷泵或并联的电荷泵的两个二极管外接端并联，所述储能电路的二极管的导通方向也与直流电流的方向一致。
2.一种电源电路，包含桥式整流与LC滤波电路以及含有开关管的电路，其特征在于，该电源电路包含权利要求1的功率因数校正电路。
3.根据权利要求2所述的电源电路，其特征在于，LC滤波电路的一个电容接在正负极之间，或者接在桥式整流与LC滤波电路和工频滤波电容之间，与整个由储能电路和电荷泵二极管组成的电路并联。
4.一种由交流电源供电的设备，其特征在于，其电源电路为权利要求2或3所述的电源电路。
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