CN103312144B - 一种有源控制的填谷电路及其控制方法 - Google Patents

一种有源控制的填谷电路及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种有源控制的填谷电路及其控制方法,主要应用于开关电源的前级功率因数校正和储能,该电路包括一交流电源、一整流器和一负载,交流电源与整流器的输入端相连接,整流器的输出端与负载相连接,还包括一储能电容、一开关电路、一控制电路;所述开关电路包含功率通道的两个功率端和一个控制端,储能电容与开关电路的两个功率端串联后并联在整流器的输出端,开关电路的控制端与控制电路相连接。该方法通过预设定门限电压,根据交流电相位电压、储能电容两端电压、门限电压之间的关系变化,在负载供电和储能电容储能之间切换。本发明积极效果是:电路结构简单,改善了功率因数,输出电压不高于交流电峰值电压,输出电压最小值可以设定。

Description

一种有源控制的填谷电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及供电电路领域,具体涉及一种有源控制的填谷电路及其控制方法,主要应用于开关电源的前级功率因数校正和储能。
技术背景
目前,开关电源以其高效率,小体积的优点已经广泛的进入到工业,民用的各个领域。开关电源电路包括前级功率因数校正电路和后级开关电源电路,前级功率因数校正电路的作用是提高用电设备的功率因数,减小无功电流,降低无功电流对电网的污染。当前常见的功率因数校正电路主要有两种,分别如图1和图2所示。
图1是当前的一种有源功率因数校正电路,被广泛使用在各种开关电源的前级预稳压和功率因数校正方面,其中。电感103,场效应管106和二极管104组成开关升压电路拓补,电容105用于输出电压滤波和储能,电阻108和109用于产生交流电相位电压信号,电阻111和112用于检测输出电压信号,二者馈入PFC控制电路,产生一个与输出电压和交流电波形包络相关的信号,控制流过电阻110的电流,进一步地,使流过场效应管106,电感103的电流波形与交流电相位电压相关,幅值与输出电压相关,达到功率因数校正的目的。该方案可达到接近于1的高功率因数性能,缺点是电路复杂和成本高,另外,输出电压必须高于输入交流电压的峰值,需要后级开关电源的半导体开关器件承受更高的电压应力,而这需要更高的半导体器件成本。
图2是当前作为功率因数校正和储能的无源填谷电路,其特点是二极管205、206和207与储能电容203和204构成了储能电容203和204充电时串联连接、放电时并联连接的电路形式,工作模式如下:
在交流电201相位电压大于储能电容203和204两者电压之和时,二极管206和207截止,二极管205和整流桥202导通,交流电通过整流桥202和二极管205给储能电容204和205供电,同时也给负载供电,在这期间,储能电容204和205分别被充电到交流电201峰值的一半电压;在交流电201相位电压小于其峰值电压一半时,储能电容203通过二极管206、储能电容204通过二极管207对负载放电,此时整流桥202和二极管205均反向截止;在交流电201的相位电压在其峰值和峰值的一半电压时,交流电201通过整流桥202直接向负载供电,二极管205、206和207均反向截止,储能电容电压维持不变。该方案的功率因数比图1所示的有源功率因数校正电路低,但电路比较简单,成本也较低,广泛应用在节能灯、LED照明等功率较小,成本敏感的产品中。该无源填谷电路的输出电压最低值为交流电峰值的一半以下,这要求后级开关电源必须适应较宽的输入电压范围,因而导致了后级开关电源的性能指标降低和成本增加,也导致了该填谷电路的应用受限。
因而,仍然需要一种功率因数校正电路,输出电压无附加升高和输出电压波动范围小的功率因数校正电路。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷,本发明要解决的技术问题是:提供一种功率因数高且电路成本低,电路简单,输出电压不高于交流电峰值和输出电压波动范围小的有源控制的填谷电路。
本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是:一种有源控制的填谷电路,包括一交流电源、一整流器和一负载,交流电源与整流器的输入端相连接,整流器的输出端与负载相连接,其特征在于:还包括一储能电容、一开关电路、一控制电路;所述开关电路包含功率通道的两个功率端和一个控制端,储能电容与开关电路的两个功率端串联后并联在整流器的输出端,开关电路的控制端与控制电路相连接。
作为优选方案,所述开关电路包括一充电开关和一放电开关,充电开关与放电开关的两个功率端并联构成开关电路的功率通道;所述充电开关导通时,交流电给储能电容充电,所述放电开关导通时,储能电容给负载放电。
优选地,所述放电开关为场效应管、三极管、可控硅或等效电子开关器件。
优选地,所述充电开关为二极管或等效电子开关器件。
作为优选方案,控制电路为一误差放大电路,所述误差放大电路的输出端与开关电路控制端相连接,所述误差放大电路的参考地与开关电路一功率端相连接。
作为优选方案,所述控制电路包括两个电阻,所述两个电阻串联后并联在开关电路的两个功率端,所述两个电阻的串联交汇点与放电开关的控制端相连接。
作为优选方案,所述整流器包括一全桥整流电路和一二极管,所述二极管串联在整流桥的输出回路。
作为优选方案,所述控制电路的输入端检测与交流电相位相关的信号,当交流电相位电压低于设定门限时,控制电路的输出控制放电开关导通,当交流电相位电压高于设定门限时,控制电路的输出控制放电开关关断。
作为优选方案,所述控制电路的输入端检测与开关电路的两个功率端电压相关的信号,当两个功率端的电压达到设定门限时,控制电路输出端控制所述放电开关导通。
作为优选方案,所述放电开关导通后,锁定在导通状态,直到放电开关两端的电压反向。
本发明电路的积极效果是:改善了功率因数,电路成本低,且电路结构简单,有利于大范围推广使用。
本发明还提供了一种基于该有源控制填谷电路的控制方法,包括:预设定第一门限电压和第二门限电压;
在交流电相位电压高于储能电容两端电压时,整流器和开关电路均导通,交流电给储能电容充电,同时给开关电源负载供电;
在交流电相位电压下降到低于储能电容两端电压但高于第一门限电压时,开关电路截止,储能电容与负载和交流电没有能量交换,交流电通过整流器直接向负载供电;
在交流电相位电压下降到低于第一门限电压后和上升到高于第二门限电压前,开关电路导通,整流器反向截止,储能电容向开关电源负载供电;
在交流电相位电压上升到高于第二门限电压但低于储能电容两端电压时,开关电路截止,储能电容与负载和交流电没有能量交换,交流电通过整流器直接向负载供电。
作为优选方案,所述第一门限电压与第二门限电压为同一门限电压。
本发明电路还提供了另一控制方法,包括:设定一门限电压,所述门限电压低于储能电容两端的电压,
在交流电相位电压高于储能电容两端电压时,整流器和开关电路均导通,交流电给储能电容充电,同时给开关电源负载供电;
在交流电相位电压下降到低于储能电容两端电压但开关电路两端电压小于设定门限电压时,开关电路截止,储能电容与负载和交流电没有能量交换,交流电通过整流器直接向负载供电;
在交流电相位电压进一步下降,开关电路两端电压达到设定门限电压时,开关电路导通,整流器截止,储能电容通过开关电路向负载放电,直到交流电再次上升到高于储能电容两端电压为止。
本发明提供的有源控制的填谷电路的控制方法所能达到的积极效果是:改善了功率因数,输出电压不高于交流电峰值电压,输出电压最小值可以设定。
附图说明
图1是现有技术中有源功率因数校正电路的简易原理图。
图2是现有技术中做功率因数校正和储能的无源填谷电路。
图3是本发明的有源控制填谷电路基本原理图。
图4是根据本发明的有源控制填谷电路的一种优选实施例原理图。
图5是本发明的有源控制填谷电路的另一种优选实施例原理图。
图6是本发明的有源控制填谷电路的又一种优选实施例原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
图3为本发明的有源控制填谷电路基本原理图,包括交流电源301、整流器302、储能电容303、开关电路304和控制电路305和负载。其中,
交流电301与整流器302的输入相连,整流器302的输出与负载相连,开关电路304的功率端与储能电容303串联后并联在整流器302的输出两端,开关电路304控制端与控制电路305相连,控制电路305与交流电相连,用于检测交流电的电压相位信号;
开关电路包含充电开关306和放电开关307,充电开关306的与放电开关307的两个功率端并联,放电开关307的控制端受控制电路305控制。
根据放电开关307截止条件的不同,有两种工作模式,第一种为:
当交流电301的相位电压大于储能电容303两端电压时,充电开关306导通,交流电301通过整流器302和充电开关306给储能电容303充电,充电路径为交流电301——整流器302——储能电容303——充电开关306——整流器302——交流电301,与此同时,交流电301还通过整流器302给负载供电;在交流电301相位电压下降到低于储能电容303两端电压但高于第一设定门限电压时,充电开关306和放电开关307均截止,储能电容303与负载和交流电301没有能量交换,交流电301通过整流器302直接向负载供电;在交流电301相位电压下降到低于第一设定门限电压后和上升到高于第二设定门限电压前,放电开关307导通,整流器302和充电开关306反向截止,储能电容303向负载供电;在交流电301相位电压上升到高于第二设定门限电压但低于储能电容303两端电压时,充电开关306和放电开关307均截止,储能电容303与负载和交流电301没有能量交换,交流电301通过整流器302直接向负载供电。
第二种为:
当交流电301的相位电压大于储能电容303两端电压时,充电开关306导通,交流电301通过整流器302和充电开关306给储能电容303充电,充电路径为交流电301——整流器302——储能电容303——充电开关306——整流器302——交流电301,与此同时,交流电301还通过整流器302给负载供电;在交流电301相位电压下降到低于储能电容303两端电压但高于设定门限电压时,充电开关306和放电开关307均截止,储能电容303与负载和交流电301没有能量交换,交流电301通过整流器302直接向负载供电;
在交流电301相位电压下降到低于设定门限电压后和上升到高于储能电容303两端电压前,放电开关307导通,整流器302和充电开关306反向截止,储能电容303向负载供电,直到交流电301相位电压上升到高于储能电容303两端电压。
为了更好的说明本发明的有源控制填谷电路基本原理,下面结合本发明的优选实施例对本发明做更细致的说明。
图4为本发明的有源控制填谷电路的一种优选实施例原理图,包括交流电源401、整流器402、储能电容403、开关电路404、控制电路405和负载。其中,
交流电401与整流器402的输入相连,整流器402的输出与负载相连,开关电路404的功率端与储能电容403串联后并联在整流器402的输出两端,控制端与控制电路405的输出端相连;
整流器402包含全桥整流电路411和二极管410,二极管410的阳极与全桥整流电路411的输出正极相连,阴极连接到负载一端,负载另一端与全桥整流电路411的输出负极相连;
开关电路包含二极管406和场效应管407,二极管406和场效应管407的两个功率端并联组成充放电开关,该充放电开关的两个功率端为开关电路的两个功率端,场效应管407的门极与控制电路405的输出端相连;
控制电路405为一误差放大电路,该误差放大电路的参考地与场效应管407的源极相连,包含误差放大器412、电压源413与电阻414、415、416和417。其中,电阻417的一端连接到二极管410的阳极,另一端经由电阻416接地;电阻415的一端连接到场效应管407的漏极,另一端经由电阻414接地;电阻416和417的交汇点连接到误差放大器412的反向输入端,电阻414和415的交汇处连接到电压源413的负极,电压源413的正极连接到误差放大器412的同向输入端,误差放大器412的输出端作为控制电路405的输出端与场效应管407的门极相连。其工作原理为:
当交流电401的相位电压大于储能电容403两端电压时,二极管410和406导通,交流电401通过整流器402和二极管406给储能电容403充电,充电路径为交流电401——全桥整流电路411——二极管410——储能电容403——二极管406——全桥整流电路411——交流电401,与此同时,交流电401还通过全桥整流电路411和二极管410给负载供电;在交流电401相位电压低于储能电容403两端电压但高于设定门限电压时,二极管406和放电开关407均截止,储能电容403与负载和交流电401没有能量交换,交流电401通过整流器402直接向负载供电;在交流电401相位电压下降到低于设定门限电压时,场效应管407导通,整流器402和二极管406反向截止,储能电容403经由场效应管407向负载供电。
图5为本发明另一优选实施例,包括交流电源501、整流器502、储能电容503、开关电路504、控制电路505和负载。其中,
交流电501与整流器502的输入相连,整流器502的输出与负载相连,开关电路504的功率端与储能电容503串联后并联在整流器502的输出两端,控制端与控制电路505的输出相连,控制电路505的输入端与开关电路504两功率端相连;
开关电路包含二极管506和场效应管507,二极管506与场效应管507的两个功率端并联构成开关电路的两个功率端,场效应管507的门极与控制电路505的输出端相连;
控制电路505的参考地与场效应管507的源极相连,包括比较器508、电压源509、场效应管511与电阻510、512和513,其中,电阻512一端连接到场效应管507的漏极,另一端经由电阻513接地,电阻512和513的交汇点连接到比较器508的同向输入端;电源509的一端接地,另一端经由电阻510连接到比较器508的反相输入端;场效应管511的门极与比较器508的输出相连,源极接地,漏极连接到比较器508的反相输入端;比较器508的供电电源端场效应管507的漏极相连。
该电路的工作原理为:
当交流电501的相位电压大于储能电容503两端电压时,二极管506导通,控制电路505中的比较器508的供电端失电,场效应管507关断,交流电501通过整流器502、二极管506给储能电容503充电,充电路径为交流电501——整流器502——储能电容503——二极管506——整流器502——交流电501,与此同时,交流电501还通过整流器502给负载供电;
在交流电501相位电压低于储能电容503两端电压时,二极管506截止,场效应管507漏极电压高于源极电压,控制电路505中的比较器508的供电端得电,在场效应管507漏源电压低于由比较器508、电源509和电阻512、513设定的门限电压时,比较器508的输出为低电平,场效应管507截止,储能电容503与交流电501和负载没有能量交换,交流电501通过整流器502给负载供电;在场效应管507漏源电压高于由比较器508、电源509和电阻512、513设定的门限电压时,比较器508的输出锁定为高电平,场效应管507锁定在导通状态,直到交流电501的相位电压大于储能电容503两端电压时,二极管506导通,控制电路505中的比较器508的供电端失电,场效应管507关断。
图6为本发明电路的有一具体实施例,包括交流电源601、整流器602、储能电容603、开关电路604、控制电路605和负载。其中,
交流电601与整流器602的输入相连,整流器602的输出与负载相连,开关电路604的功率端与储能电容603串联后并联在整流器602的输出两端,控制端与控制电路605的输出相连,控制电路605的输入端与开关电路604两功率端相连;
开关电路包含二极管606和可控硅607,二极管606与可控硅607的两个功率端并联构成开关电路的两个功率端,可控硅607的门极与控制电路605的输出端相连
控制电路605包括电阻608和609,其中电阻608的一端连接到可控硅的阴极,另一端连接到可控硅607的门极,电阻609的一端连接到可控硅607的门极,另一端连接到可控硅607的阳极。
该电路的工作原理为:
当交流电601的相位电压大于储能电容603两端电压时,二极管606导通,交流电601通过整流器602、二极管606给储能电容603充电,充电路径为交流电601——整流器602——储能电容603——二极管606——整流器602——交流电601,与此同时,交流电601还通过整流器602给负载供电;
在交流电601相位电压低于储能电容603两端电压时,二极管606截止,可控硅607阳极电压高于阴极电压,控制电路605中的电阻608、609组成的分压网络在可控硅的门极和阴极之间形成正向的电压,当可控硅607的阳极和阴极电压较低时,门极和阴极之间的电压也较低,可控硅607截止,当可控硅607的阳极和阴极电压升高,门极和阴极之间的电压也升高,当达到可控硅607的门极开启门限时,可控硅607被触发导通,直到交流电601的相位电压大于储能电容603两端电压时,二极管606导通,可控硅607的阴极电压高于阳极电压,可控硅607截止。
以上具体实施例仅描述了本方案的主要特征和创新点。本领域的技术人员应该了解,本方案不受上述实施例的限制。在不脱离本创新点和保护范围的前提下,本方案还会有各种变化,这些变化和改进都将落入本方案要求保护的范围内。本方案要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物限定。
应当注意,上述实施例是为了说明而不是限制本发明,那些本领域技术人员将能够在不背离所附权利要求的范围的条件下设计许多可选实施例。词语“包含”不排除那些与权利要求中列出的元件或步骤不同的元件或步骤的存在。元件前的词语“一”或“一个”不排除多个这种元件的存在,在列举几种电路权利要求中,这些装置中的几个可以由一个来表现,硬件项也是同样,仅仅因为某些方法是在不同的从属权利要求中描述的,并不说明这些方法的组合不能用来获利。
需要说明的是,在本文中,诸如第一和第二等的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序,而且,术语“包含”、“包括”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包含一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括那些明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素,术语“相连”、“连接”、“连接到”或者其他变体,不仅仅包括将两个实体直接相连接,也包括通过具有有益改善效果的其他实体间接相连接。

Claims (10)

1.一种有源控制的填谷电路,包括一交流电源、一整流器和一负载,交流电源与整流器的输入端相连接,整流器的输出端与负载相连接,其特征在于:还包括一储能电容、一开关电路、一控制电路;所述开关电路包含功率通道的两个功率端和一个控制端,储能电容与开关电路的两个功率端串联后并联在整流器的输出端,开关电路的控制端与控制电路相连接;预设定第一门限电压和第二门限电压;在交流电相位电压高于储能电容两端电压时,整流器和开关电路均导通,交流电给储能电容充电,同时给开关电源负载供电;在交流电相位电压下降到低于储能电容两端电压但高于第一门限电压时,开关电路截止,储能电容与负载和交流电没有能量交换,交流电通过整流器直接向负载供电;在交流电相位电压下降到低于第一门限电压后和上升到高于第二门限电压前,开关电路导通,整流器反向截止,储能电容向开关电源负载供电;在交流电相位电压上升到高于第二门限电压但低于储能电容两端电压时,开关电路截止,储能电容与负载和交流电没有能量交换,交流电通过整流器直接向负载供电。
2.根据权利要求1所述的填谷电路,其特征在于:所述开关电路包括一充电开关和一放电开关,充电开关与放电开关的两个功率端并联构成开关电路的功率通道;所述充电开关导通时,交流电给储能电容充电,所述放电开关导通时,储能电容给负载放电。
3.根据权利要求2所述的填谷电路,其特征在于:所述放电开关为场效应管、三极管、可控硅或等效电子开关器件。
4.根据权利要求2所述的填谷电路,其特征在于:所述充电开关为二极管或等效电子开关器件。
5.根据权利要求1所述的填谷电路,其特征在于:控制电路为一误差放大电路,所述误差放大电路的输出端与开关电路控制端相连接,所述误差放大电路的参考地与开关电路一功率端相连接。
6.根据权利要求1或2所述的填谷电路,其特征在于:控制电路包括两个电阻,所述两个电阻串联后并联在开关电路的两个功率端,所述两个电阻的串联交汇点与放电开关的控制端相连接。
7.根据权利要求1所述的填谷电路,其特征在于:所述整流器包括一全桥整流电路和一二极管,所述二极管串联在整流桥的输出回路。
8.一种利用权利要求1所述填谷电路的控制方法,其特征在于:包括:预设定第一门限电压和第二门限电压;在交流电相位电压高于储能电容两端电压时,整流器和开关电路均导通,交流电给储能电容充电,同时给开关电源负载供电;在交流电相位电压下降到低于储能电容两端电压但高于第一门限电压时,开关电路截止,储能电容与负载和交流电没有能量交换,交流电通过整流器直接向负载供电;在交流电相位电压下降到低于第一门限电压后和上升到高于第二门限电压前,开关电路导通,整流器反向截止,储能电容向开关电源负载供电;在交流电相位电压上升到高于第二门限电压但低于储能电容两端电压时,开关电路截止,储能电容与负载和交流电没有能量交换,交流电通过整流器直接向负载供电。
9.根据权利要求8所述的控制方法,其特征在于:所述第一门限电压与第二门限电压为同一门限电压。
10.一种填谷电路的控制方法,其特征在于:包括:一交流电源、一整流器和一负载,交流电源与整流器的输入端相连接,整流器的输出端与负载相连接,其特征在于:还包括一储能电容、一开关电路、一控制电路;所述开关电路包含功率通道的两个功率端和一个控制端,储能电容与开关电路的两个功率端串联后并联在整流器的输出端,开关电路的控制端与控制电路相连接;设定一门限电压,所述门限电压低于储能电容两端的电压,在交流电相位电压高于储能电容两端电压时,整流器和开关电路均导通,交流电给储能电容充电,同时给开关电源负载供电;在交流电相位电压下降到低于储能电容两端电压但开关电路两端电压小于设定门限电压时,开关电路截止,储能电容与负载和交流电没有能量交换,交流电通过整流器直接向负载供电;在交流电相位电压进一步下降,开关电路两端电压达到设定门限电压时,开关电路导通,整流器截止,储能电容通过开关电路向负载放电,直到交流电再次上升到高于储能电容两端电压为止。
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