DE102007057312A1 - Active power factor correction, for example in an LED converter - Google Patents
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Abstract
Eine Schaltung (30, 40) zur potentialgetrennten Erzeugung einer Ausgangsspannung (Vout), ausgehend von einer Netzspannung (Vin), wird vorgeschlagen, aufweisend - eine Leistungsfaktorkorrektur-Schaltung (31) mit einer von der Netzspannung (Vin) versorgten Induktivität (L31) und einem steuerbaren Schalter (T31) zur Steuerung des Ladens und Entladens der Induktivität (L31) und - mindestens einen Potentialtrennungs-Transformator (N1-N2, N1'-N2') zur galvanischen Trennung der Ausgangsspannung (Vout) zur Netzspannung (Vin), wobei beim Entladen der Induktivität (L31) dem Potentialtrennungs-Transformator (N1-N2, N1'-N2') ein erster Teil der von der Induktivität (L31) während des Ladens gespeicherten Energie direkt zugeführt wird.A circuit (30, 40) for the isolated production of an output voltage (Vout), starting from a mains voltage (Vin), is proposed, comprising - a power factor correction circuit (31) with an inductance (L31) supplied by the mains voltage (Vin) and a controllable switch (T31) for controlling the charging and discharging of the inductance (L31) and - at least one potential separation transformer (N1-N2, N1'-N2 ') for galvanic isolation of the output voltage (Vout) to the mains voltage (Vin), wherein when discharging the inductance (L31) the potential separation transformer (N1-N2, N1'-N2 '), a first part of the energy stored by the inductance (L31) during charging is supplied directly.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine aktive Leistungsfaktorkorrektur (in englisch Power Factor Control oder PFC) und insbesondere auf eine Schaltung mit galvanisch getrennter Leistungsfaktorkorrektur. Das technische Anwendungsgebiet der Erfindung ist insbesondere das der Versorgung und Steuerung einer Lichtquelle mittels einer solchen Schaltung.The The present invention relates to active power factor correction (in English Power Factor Control or PFC) and in particular on a circuit with galvanically isolated power factor correction. The technical field of application of the invention is in particular the the supply and control of a light source by means of such a circuit.
Im Allgemeinen widerspiegelt der Leistungsfaktor die Stromentnahme eines elektrischen Geräts aus dem Stromnetz. Die Netzwechselspannung weist bekanntlich einen sinusförmigen Zeitverlauf auf und idealerweise sollte daher der vom Netz entnommene Strom ebenfalls einen sinusförmigen Zeitverlauf aufweisen. Dieser durch einen Leistungsfaktor von 1 gekennzeichnete Idealfall kommt aber nicht immer vor, vielmehr kann der Strom sogar erheblich von einer Sinus-Hüllkurve abweichen, wobei dann der Leistungsfaktor sinkt.in the Generally, the power factor reflects the current drain an electrical device from the mains. The AC line voltage points known to have a sinusoidal time course and ideally Therefore, the current drawn from the grid should also be sinusoidal Time course have. This one with a power factor of 1 However, the ideal case characterized does not always occur, but rather can the current even deviates significantly from a sinusoidal envelope, where then the power factor drops.
Bei einem Leistungsfaktor unter 1 ist also der entnommene Strom nicht sinusförmig, so dass Oberwellen im Netzstrom erzeugt werden. Diese unerwünschten Oberwellenströme im Versorgungsnetz werden bekanntermaßen mit Hilfe einer Leistungsfaktorkorrektur-Schaltung verringert werden.at If the power factor is less than 1, the current removed is not sinusoidal, so that harmonics are generated in the mains current. These unwanted harmonic currents in the utility grid will be As is known, with the aid of a power factor correction circuit be reduced.
Um
einen sinusförmigen und sich in Phase zur Netzwechselspannung
befindenden Eingangsstrom zu erreichen, ist aus dem Stand der Technik beispielsweise
die Benutzung einer in
Dabei filtert ein Glättungskondensator C21 eine gleichgerichtete Eingangs-Wechselspannung Vin, die mittels eines Spannungsteilers R21, R22 gemessen wird. Die Eingangs-Wechselspannung Vin wird einer Induktivität L21 zugeführt, wobei eine Sekundärwicklung L22 die Nulldurchgänge des Stroms durch die Induktivität L21 feststellt.there a smoothing capacitor C21 filters a rectified one Input AC voltage Vin, by means of a voltage divider R21, R22 is measured. The input AC voltage Vin becomes one Inductor L21 supplied, wherein a secondary winding L22 the zero crossings of the current through the inductance L21 determines.
Weiterhin ermöglicht ein Strommesswiderstand (Shunt) R23 in Serie zu dem Schalter, bspw. in der Source-Leitung eines Transistors T21, die Erfassung des Induktivitäts-Spitzenstroms, um einen evtl. Überstromzustand feststellen zu können. Parallel zu einem Ausgangskondensator C22 ist ein zweiter Spannungsteiler R24, R25 angeordnet, um die Bus-Gleichspannung Vbus zu messen und einen Überspannungszustand bspw. aufgrund von Lastsprüngen festzustellen.Farther enables a current measuring resistor (shunt) R23 in series to the switch, for example in the source line of a transistor T21, the detection of the peak inductor current to one possibly be able to determine overcurrent condition. Parallel to an output capacitor C22 is a second voltage divider R24, R25 arranged to measure the bus DC voltage Vbus and an overvoltage condition eg due to load jumps determine.
Diese
vier Messungen werden mittels vier Messeingänge
Nachteilig
ist es bei diesem Stand der Technik, dass die Schaltung
Die
Der
in
Dem
Konverter
Der
Gegentaktwandler bzw. die Halbbrücke
Auf
der Sekundärseite n2 des Transformators wird die durch
den Gegentaktwandler
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Schaltung zur potentialgetrennten Erzeugung einer Ausgangsspannung ausgehend von einer Netzspannung vorzuschlagen.It It is an object of the present invention to provide an improved circuit for the electrically isolated generation of an output voltage starting from to propose a mains voltage.
Grundsätzliche Idee der Erfindung ist es, dass ein Teil des Stromflusses von dem Schalter der aktiven Leistungsfaktorkorrektur-Schaltung unmittelbar dem Transformator zugeführt wird und nicht erst einer Zwischenspeicherung unterzogen wird.basic Idea of the invention is that a part of the current flow of the Switch of the active power factor correction circuit immediately the transformer is supplied and not only a temporary storage is subjected.
Eine Schaltung zur potentialgetrennten Erzeugung einer Ausgangsspannung ausgehend von einer Netzspannung kann somit eine Leistungsfaktorkorrektur-Schaltung mit einer Induktivität und einem aktiv angesteuerten Schalter aufweisen, wobei der Stromfluss von der Induktivität bzw. durch den Schalter (wenn dieser geschlossen ist) stets zu einem Teil einer Zwischenspeicherung in einem Kondensator verwendet wird, während der andere Teil des Stromflusses direkt einem Potentialtrennungs-Transformator zugeführt wird.A Circuit for the isolated generation of an output voltage starting from a mains voltage can thus be a power factor correction circuit with an inductance and an actively controlled switch have, wherein the current flow from the inductance or through the switch (when it is closed) always to one Part of a caching is used in a capacitor while the other part of the current flow directly to a potential separation transformer is supplied.
Die
Leistungsfaktorkorrektur-Schaltung der vorliegenden Erfindung hat
einerseits die normale Aufgabe einer derartigen Schaltung, übernimmt
aber andererseits auch die Funktion der Halbbrücke der
Die Ansteuerung des Leistungsfaktorkorrektur-Schalters liegt insbesondere auf Netzniveau. Wenn nunmehr die Rückführung sekundärseitig, nämlich von der Ausgangsspannung her erfolgt, muss diese Rückführung potentialgetrennt sein, um auch weiterhin eine vollständige Potentialtrennung zwischen der Eingangsseite (Netzseite) und der Ausgangsseite zu haben.The Activation of the power factor correction switch is in particular at network level. If now the return secondary side, namely from the output voltage, this feedback must be be isolated, to continue a full Potential separation between the input side (mains side) and the To have an outlet side.
Grundsätzlich lässt sich also die Erfindung dann vorteilhaft anwenden, wenn Anforderung an einer potentialgetrennten Ausgangsspannung besteht.in principle So can the invention then be used advantageously, if there is a requirement for a potential-separated output voltage.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter.The Asked object is achieved by the Features of the independent claims solved. The dependent claims form the central one Thoughts of the invention in a particularly advantageous manner.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist eine Schaltung zur potentialgetrennten Erzeugung einer Ausgangsspannung ausgehend von einer Netzspannung (allgemein: Eingangsspannung)
- – eine Leistungsfaktorkorrektur-Schaltung mit einer von der Netzspannung versorgte Induktivität und einem steuerbaren Schalter zur Steuerung des Ladens und Entladens der Induktivität, und
- – mindestens einen Potentialtrennungs-Transformator zur galvanischen Trennung der Ausgangsspannung zur Netzspannung. Beim Entladen der Induktivität wird dem Potentialtrennungs-Transformator ein erster Teil der von der Induktivität während des Ladens gespeicherten Energie direkt zugeführt.
- A power factor correction circuit having a mains voltage supplied inductance and a controllable switch for controlling the charging and discharging of the inductance, and
- - At least one potential separation transformer for galvanic isolation of the output voltage to the mains voltage. When the inductance is discharged, a first portion of the energy stored by the inductor during charging is directly supplied to the potential separation transformer.
Die Schaltung kann mindestens einen Kondensator zur Zwischenspeicherung eines zweiten Teils der von der Induktivität während des Ladens gespeicherten Energie aufweisen.The Circuit can have at least one capacitor for caching a second part of the inductance during of the store stored energy.
Die vom Kondensator zwischengespeicherte Energie kann dem Potentialtrennungs-Transformator vorzugsweise im nächsten Laden/Entladen Zyklus weitergeleitet werden.The Energy cached by the capacitor may be preferred to the potential separation transformer be forwarded in the next load / unload cycle.
Die Leistungsfaktorkorrektur-Schaltung kann in einem kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Modus betrieben werden.The Power factor correction circuit can be in a continuous or discontinuous mode.
Die Energiespeicherungs-Leistung des Kondensators kann kleiner sein als die eines Elektrolytkondensators.The Energy storage performance of the capacitor may be smaller as that of an electrolytic capacitor.
Die Ausgangsspannung kann von einem Tiefpass gefiltert werden.The Output voltage can be filtered by a low-pass filter.
Gemäß einem weiteren ersten Aspekt der Erfindung wird ein Betriebsgerät für Leuchtmittel, wie bspw. ein Leuchtdioden-Konverter mit einer oben beschriebenen Schaltung vorgeschlagen.According to one Another first aspect of the invention is a control gear for light sources, such as, for example, a light-emitting diode converter proposed with a circuit described above.
Gemäß einem weiteren ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren vorgeschlagen zur potentialgetrennten Erzeugung einer Ausgangsspannung ausgehend von einer Netzspannung (allgemein: Eingangsspannung), wobei
- – die Netzspannung eine Induktivität einer Leistungsfaktorkorrektur-Schaltung versorgt, – ein steuerbarer Schalter der Leistungsfaktorkorrektur-Schaltung das Laden und Entladen der Induktivität steuert, und
- – ein Potentialtrennungs-Transformator zur galvanischen Trennung der Ausgangsspannung zur Netzspannung dient. Beim Entladen der Induktivität wird dem Potentialtrennungs-Transformator ein erster Teil der von der Induktivität während des Ladens gespeicherten Energie direkt zugeführt.
- The line voltage supplies an inductance of a power factor correction circuit, a controllable switch of the power factor correction circuit controls the charging and discharging of the inductance, and
- - A potential separation transformer for galvanic isolation of the output voltage to the mains voltage is used. When the inductance is discharged, a first portion of the energy stored by the inductor during charging is directly supplied to the potential separation transformer.
Ein zweiter Teil der von der Induktivität während des Ladens gespeicherten Energie kann von mindestens einem Kondensator zwischengespeichert werden.One second part of the inductance during Energy stored in the store can be from at least one capacitor be cached.
Die vom Kondensator zwischengespeicherte Energie kann dem Potentialtrennungs-Transformator weitergeleitet werden.The Cached energy from the capacitor can be forwarded to the potential separation transformer become.
Gemäß einem weiteren ersten Aspekt der Erfindung wird eine Schaltung zur potentialgetrennten Erzeugung einer Ausgangsspannung ausgehend von einer Netzspannung vorgeschlagen. Sie weist insbesondere auf:
- – eine Leistungsfaktorkorrektur-Schaltung zur Erzeugung einer nicht-potentialgetrennten Busspannung,
- – eine Steuerschaltung zur Steuerung der Leistungsfaktorkorrektur-Schaltung, wobei die zum Zweck dieser Steuerung notwendige Erkenntnis der Busspannung von der Ermittlung der Ausgangsspannung hergeleitet wird.
- A power factor correction circuit for generating a non-isolated bus voltage,
- - A control circuit for controlling the quiet tion factor correction circuit, wherein the purpose of this control necessary knowledge of the bus voltage is derived from the determination of the output voltage.
Gemäß einem weiteren ersten Aspekt der Erfindung wird ein Leuchtdioden-Konverter mit einer derartigen Schaltung vorgeschlagen.According to one Another first aspect of the invention is a light-emitting diode converter proposed with such a circuit.
Gemäß einem weiteren ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur potentialgetrennten Erzeugung einer Ausgangsspannung ausgehend von einer Netzspannung vorgeschlagen, wobei
- – eine Leistungsfaktorkorrektur-Schaltung eine nicht-potentialgetrennte Busspannung erzeugt, und
- – eine Steuerschaltung die Leistungsfaktorkorrektur-Schaltung steuert,
- – wobei die zum Zweck dieser Steuerung notwendige Erkenntnis der Busspannung von der Ermittlung der Ausgangsspannung abgeleitet wird.
- A power factor correction circuit generates a non-isolated bus voltage, and
- A control circuit controls the power factor correction circuit,
- - Wherein the purpose of this control necessary knowledge of the bus voltage is derived from the determination of the output voltage.
Gemäß einem weiteren ersten Aspekt der Erfindung wird eine integrierte Schaltung vorgeschlagen, die zur Durchführung eines oben beschriebenen Verfahrens ausgelegt ist.According to one Another first aspect of the invention is an integrated circuit proposed to carry out a method described above is designed.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlich beim Lesen der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, die auf die Zeichnung Bezug nimmt.Further Features and advantages of the invention will become apparent upon reading the following description of preferred embodiments, the refers to the drawing.
In
Eingangsseitig
liegt an der Leistungsfaktorkorrektur-Schaltung
Diese Eingangs-Wechselspannung Vin ist vorzugsweise eine von einem Gleichrichter (nicht gezeigt) gleichgerichtete Netzspannung.These Input AC voltage Vin is preferably one of a rectifier rectified line voltage (not shown).
Die
Eingangs-Wechselspannung Vin wird einer Induktivität L31,
i. e. einer Spule, zugeführt. Die Spule L31 ist mit einer
Diode D31 in Serie geschaltet und zwar zwischen einem ersten mit
der Eingangs-Wechselspannung Vin beaufschlagten Eingangsanschluss
DC_IN/MAINS und einem zweiten Busanschluss
Ein
Ausgangs-Gleichspannungskondensator C31, der vorzugsweise als Elektrolytkondensator ausgebildet
ist, verbindet den Busanschluss
An
die Verbindung
Zwischen
der Drain-Leitung
Wenn der Schalter T31 eingeschaltet ist, ist die Spule L31 gegen Masse kurzgeschlossen und die Diode D31 gesperrt. Die Spule L31 lädt sich auf, so dass eigentlich Energie in dieser Spule L31 gespeichert werden kann.If the switch T31 is turned on, the coil L31 is grounded short-circuited and the diode D31 locked. The coil L31 charges itself up, so that energy is actually stored in this L31 coil can be.
Bei eingeschaltetem Schalter T31 fließt also vom Netz Vin über die Spule L31 ein Strom durch den Schalter T31.at switched switch T31 thus flows from the network Vin the coil L31 a current through the switch T31.
Eine weitere Stromkomponente kommt indessen von dem Mittenpunkt der Schalter T32, T33 über die Primärseite des Transformators N1, N2 durch den Schalter T31.A however, further current component comes from the midpoint of the switches T32, T33 via the primary side of the transformer N1, N2 through the switch T31.
Bei geöffnetem Schalter reiht die Spule L31 bekannterweise einen Strom über die Diode D31. Das heißt, dass die Diode D31 leitend ist und, dass die Spule L31 sich dann über die Diode D31 in den Ausgangs-Gleichspannungskondensator C31 entlädt. Die Energie wird dadurch an den Ausgangs-Gleichspannungskondensator C31 übertragen.at When the switch is open, the coil L31 is known to line up a current through the diode D31. It means that the diode D31 is conductive and that the coil L31 then over the diode D31 discharges into the output DC capacitor C31. The energy is thereby applied to the output DC capacitor C31 transferred.
Eine
weitere Stromkomponente fließt indessen nunmehr von dem
Verbindungspunkt
In
einem Ein- und Ausschalten Zyklus des Schalter T31 wird erfindungsgemäß nur
ein Teil des fließenden Stroms zum Ausgangs-Kondensator
C31 und zur Busspannung Vbus zugeführt. Gemäß dem Stand
der Technik hingegen fließt der ganze Strom zur Busspannung,
siehe
Die
Sekundärseiten N2 und N2' der Transformatoren N1–N2
und N1'–N2' sind in Serie geschaltet und jeweils mit einer
Diode D32, D33 verbunden. Diese zwei Dioden D32, D33 sind auch an
einem Punkt
Die
Spannung, die sich zwischen dem Mittenpunkt
Dieser Tiefpass besteht beispielsweise aus einer Drossel L32 und einem Ausgangskondensator C32, wobei am Ausgangskondensator C32 sich die Ausgangs-Spannung Vout ergibt.This For example, low pass consists of a choke L32 and a Output capacitor C32, wherein at the output capacitor C32, the output voltage Vout yields.
Die
Leistungsfaktorkorrektur-Schaltung hat sich gegenüber
Die Schalter T32, T33 sind in dieser Ausführungsform nicht mehr vorgesehen.The Switches T32, T33 are not in this embodiment more provided.
Parallel
zu jedem Kondensator C41, C42 ist eine Diode D41, D42 geschaltet,
wobei der Mittenpunkt
Die
Funktionsweise der Schaltung
Somit wird in jedem Zyklus ton-toff des Schalters T31 ein Teil des fließenden Stroms zur Busspannung Vbus zugeführt, während der andere Teil unmittelbar in die Primärseiten N1, N1' der Transformatoren N1–N2, N1'–N2' fließt.Consequently In each cycle ton-toff of the switch T31 becomes part of the flowing one Current supplied to the bus voltage Vbus while the other part directly into the primary sides N1, N1 ' the transformers N1-N2, N1'-N2 'flows.
Erfindungsgemäß wird dementsprechend der direkt durch die Transformatoren N1–N2, N1'–N2' umgesetzte Anteil, der also nicht zum Halten der Busspannung Vbus über die Elektrolytkondensatoren C41, C42 dient, direkt und verlustfreier umgesetzt.According to the invention accordingly directly through the transformers N1-N2, N1'-N2 'converted portion, that is not to hold the bus voltage Vbus via the electrolytic capacitors C41, C42 serves, directly and lossless implemented.
Infolgedessen
können die Kondensatoren C41, C42 gemäß
Es ist ggf. sogar möglich, für die Kondensatoren C41, C42 auf Elektrolytkondensatoren zu verzichten. Dies bringt ggf. Kostenvorteile und Lebensdauervorteile.It is possibly even possible for the capacitors C41, C42 to dispense with electrolytic capacitors. This brings If necessary, cost advantages and service life benefits.
Auf jeden Fall kann durch die Direktumsetzung eines Teiles des Stromflusses Kapazität der Elektrolytkondensatoren C41, C42 deutlich verringert werden.On In any case, by directly converting part of the current flow Capacity of the electrolytic capacitors C41, C42 significantly be reduced.
Von
den zwei beschriebenen Ausführungsformen
Dieser
Mehraufwand zum Betreiben bzw. Kontrollieren der Schaltung
Alternativ
kann erfindungsgemäß auch die Schaltungstopologie
der in
Der
Schalter T31 wird von einer Steuerschaltung
Zur
Bestimmung der Einschalt-Zeitdauer ton bzw.
der Ausschalt-Zeitdauer toff des Schalters T31 benötigt
die Steuerschaltung
Dies
deshalb, da die Einschalt-Zeitdauer ton des
Schalters T31 und damit die Ladezeit der Spule L31 auf Grundlage
eines Vergleichs der Bus-Gleichspannung Vbus mit einer festen Bezugsspannung gesteuert
wird und auf Grundlage der Vorgabe, dass die Steuerschaltung
Die Information über den Nulldurchgang des Stroms durch die Spule L31 wird eigentlich nur im diskontinuierlichen Betrieb benötigt, in welchem der Spulenstrom tatsächlich in jeder Periode auf Null absinkt. Im kontinuierlichen Betrieb hingegen geht der Spulenstrom bei Ausschalten des Schalters T31 nicht auf Null zurück, so dass diese Nulldurchgang-Information auch nicht notwendig ist.The Information about the zero crossing of the current through the Spool L31 is actually only needed in discontinuous operation, in which the coil current actually in each period drops to zero. In continuous operation, however, the coil current goes when switching off the switch T31 does not return to zero, so that this zero crossing information is not necessary either.
Für die Leistungsfaktorkorrektur können auch Informationen über die Eingangs-Spannung Vin oder den Spitzenstroms durch die Spule L31 benötigt werden, im Letzteren Fall insbesondere um Überstromzustände zu verhindern.For The power factor correction can also provide information about the input voltage Vin or the peak current through the coil L31 are required, in the latter case in particular to overcurrent conditions to prevent.
Festzuhalten
bleibt also, dass die Steuerschaltung
Wie
bereits aus
Allerdings
im Unterschied zum Stand der Technik, bei der die Steuerschaltung
Die dazwischenliegende Busspannung Vbus wird dagegen nicht mehr erfasst.The Intermediate bus voltage Vbus, however, is no longer detected.
Dies ist möglich, da die Busspannung Vbus über die Transformatoren N1–N2, N1'–N2' mit der Ausgangsspannung Vout „hart" verkoppelt ist, so dass sich etwaige unzulässige Zustände bei der Busspannung Vbus unmittelbar in der Ausgangsspannung Vout erkennen lassen würden.This is possible because the bus voltage Vbus via the Transformers N1-N2, N1'-N2 'with the output voltage Vout is "hard" coupled, so that any improper States at the bus voltage Vbus directly in the output voltage Vout would recognize.
Alternativ kann bspw. das Leuchtmittel mittels eines nachfolgenden Konverters (nicht gezeigt) angesteuert werden. Dieser nachfolgende Konverter kann eine einfache Konstant-Stromquelle sein. Das Leuchtmittel kann aber auch von einem oder mehreren Konvertern mit eigener Regelung angesteuert werden, wobei dann diese Konverter vorzugsweise voneinander unabhängige Helligkeits-Einstellungen (bzw. -Steuerungen) oder -Regelungen aufweisen.alternative can, for example, the light source by means of a subsequent converter (not shown) are controlled. This subsequent converter can be a simple constant current source. But the bulb can also be controlled by one or more converters with their own regulation, in which case these converters are preferably independent of each other Brightness settings (or controls) or controls.
Die
Steuerschaltung
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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