专利名称：有功功率因数校正的制作方法
技术领域：
本发明涉及有功功率因数校正，特别涉及有功功率因数校正器和用于有功功率因数校正的方法，这里要求来自一个AC主线电压的DC输出电压和希望控制谐波电流或功率因数。
特别在个人计算机领域中，然而在许多其他应用中，存在将该AC电压从该主线源转换到一个低DC电压的要求，如像在个人计算中由电路所要求的那样。转换模式电源(SMPS)特别地适合于这种要求。在全额定负荷条件下比线性电源具有特别高的效率，典型地约70％-80％，导致更小的消耗项。借助每单位体积或重量的输出瓦特，SMPS比线性电源提供更好的功率密度。
具有基本输入电路的SMPS的缺点在于它们从主线源提取固有的非正弦电流。作为结果而产生的非连续电流使谐波引入电源，从而使主线波形失真。
在主线源上由谐波产生的电气失真是叠加的。如果引入越多的个人计算机和其他电气设备到电气分配系统，则该问题更恶劣。增加谐波电平将导致灵敏设备操作的不正常，例如由该SMPS加电的个人计算器和其他设备。用两个基本方法能减小馈入该主线源的失真无功功率因数校正(PFC)和有功功率因数校正(PFC)。
本发明涉及有功PFC，并使用有功控制使提取自栅极的电流修整到所要求的正弦形状。一个理想的有功PFC电路可提取与主线电源电压同相的正弦输入电流(即单一的一个功率因数)，同时将高电压平滑DC形式的电能传送到功率转换的下一级，从而减小谐波失真。
一个普通有功PFC电路(另外被称作有功功率因数校正器，提升预转换器或有功功率因数预转换器)的目的在于维持一个固定的DC输出电压(或升压)，而不管主线RMS AC输入电压电平。这样一种有功PFC电路的一个例子表示在附图的
图1中。该有功PFC电路包括一个正好是代替如在无功PFC电路中可能使用的一个电感的升压或提升转换器。输入到该提升转换器的是该主线RMS AC电压。从升压转换器的电压输出是高于该输入RMS AC电压的一个DC电压。普通有功PFC电路产生固定的DC输出电压-一般380V到400V-高于该输入AC电压的最大幅度。在该所说明的例子中，该固定的DC输出电压是385V。该固定的输出电压由一个反馈环路维持，该反馈环路引出该DC输出电压的一个取样，并在一个PFC IC的内部设置的电压误差放大器中将该DC输出电压的取样同一个固定的参考电压相比较。在图1的有功PFC电路中使用的PFC IC的方块图在附图2中表示。
在一个典型的低电压电源中，一个PFC电路由一个降压DC-DC转换器所跟随，以为在例如一个个人计算机负载中的部件或电路产生一个低(5V，12V，3.3V等)的DC输出。在附图3中示意地表示基本的配置。图3表示一个连接到桥式整流器2的AC主线电源1。整流器2的整流输出通过有功功率因数预转换器3馈送以提供馈送到一个主线电源转换器4-一个典型的降压转换器的DC输出电压。该主线电源转换器的输出用来提供连接负载5，一个个人计算机的典型部件。
这样一种普通的工作在输入主线电压范围(80Vrms或113VPK)的较低端的有功功率因数校正器的效率将被折衷，这是因为一个相对低的输入电压，例如80Vrms被升压到一个无必要的高电平，例如，400V，然后用该主线降压DC-DC转换器以产生例如3.3V，5V，12V的低DC输出。
本发明的目的试图提供有功功率因数校正的设备和方法，该有功功率因数校正将改进普通有功功率因数校正方案，并且效率高于后者。
因此，本发明的一个方面在于提供一种有功功率因素预转换器，其具有来自一个主线AC电源的整流的AC电压输入和一个DC输出电压，该预转换器包括调整装置，工作时自动调整随整流的AC电压输入而变的DC输出电压。
优选地，该调整DC输出电压的装置包括取样该整流的AC电压输入和DC输出电压的装置。
有利地，该调整装置调整该DC输出电压到一个较低的阈值，只要整流的AC电压输入降低到低于一个预定值。
一般地，该调整装置调整该DC输出电压到一个上限阈值，只要整流的AC电压输入上升到高于一个预定值。
优选地，该调整装置调整该DC输出电压跟踪整流的AC电压输入。
有利地，该调整装置调整该DC输出电压到大于该整流的AC电压输入的一个固定量电平。
一般地，该固定量是在整流的主线电压的幅度的0和15％之间。
优选地，有功功率因数预转换器连接到一个主线电源转换器。
有利地，主线电源转换器产生同步脉冲，当来自主线电源转换器的同步脉冲中断时禁止有功功率因数预转换器。
一般地，当该有功功率因数预转换器不被启动时，一个辅助转换器仍然可操作从该主线AC电源取得功率。
本发明的另一方面在于提供一种有功功率因数校正方法，包括自动调整一有功功率因数预转换器的DC输出电压作为到该预转换器的一个整流的AC电压输入的函数的步骤。
现在将参照附图借助例子描述其实施例，以便更容易地理解本发明，其中图1是一个AC主线电源的电路图，其连接到一个桥式整流器和一个普通功率因数预转换器；图2是用在普通功率因数预转换器中的一个功率因数校正控制IC的电路方块图；图3是一个具有有功功率因数校正的电源的示意图；图4是一个实施本发明的有功功率因数预转换器的电路图；图5是表示用于图4的有功功率因数预转换器的输入AC整流电压和电流以及DC输出电压的图形；以及图6是实施本发明的另一有功功率因数预转换器的电路图。
参照图1和2，表示一个普通有功功率预转换器和其有关电路。预转换器包含在一个电源中用一个负载，例如一个个人计算机的部件。图3表示连接到一个桥式整流器2的主线电源1。整流器2的整流输出通过一个有功功率因数预转换器3馈送，以提供被馈送到一般是一个降压转换器的主线电源转换器4的DC输出电压。该主线电源转换器的输出用于提供连接的负载5，典型地是一个个人计算机的部件。
在图4中表示实施本发明的一个改进的有功功率因数预转换器，并可用作直接替代一个普通有功功率因数预转换器。参照图3，的确，实施本发明的有功功率因数预转换器试图起到该预转换器3的作用。这样，实施本发明的有功功率因数预转换器3在其输入端H1从整流器2接收整流的AC主线电源电压。有功功率因数预转换器3的主部件是一个功率因数校正(PFC)控制IC6，可易得的元件可以是例如Unitrode产品UCC81511，UCC2817，UCC2818，UCC3817或UCC3818-在图4中说明UCC3818。对本发明并不重要的是使用一个PFC控制IC实施有功功率因数预转换器，虽然使用一个PFC控制IC是最方便的。可以使用分立元件替代该PFC控制IC的功能度。
实施本发明的有功功率因数预转换器3采用桥式整流器2的DC输出，并将该DC输出传送到PFC控制IC6和一个普通提升DC-DC转换器7的输入端。提升转换器7的输出端是馈送主线电源转换器4的输出端H2。提升转换器7的DC输出电压跟随在整流器输入AC电压范围内的非平滑的整流器输出AC电压的峰值。在一个优选实施例中，DC输出电压保持高于该峰值一个固定量，优选该整流的主线电压的幅度的2％。预计0-15％之间的范围。这与特定地将该输出DC电压固定在一设置电平上的普通有功功率因数预转换器3直接对照(在图1例子中的385VDC)。实施本发明以自动调整和显出与非平滑的整流的AC输入电压相关的DC输出电压的该有功功率因数预转换器3的能力对本发明是关键的。
一个普通有功PFC电路的目的在于从与电压波形同形同相的AC主线输入提取一个电流信号。这是通过产生一个基准信号然后调整MOSFET(Q1)的孔度比，以使该输入电流电平跟随该基准信号实现的，该基准信号随整流的(但非平滑的)主线电压成比例改变。在普通的有功功率因数预转换器3中该基准信号的幅度被调整以保持一个不变的和固定的DC输出电压。本发明的目的在于按照由主线提供的整流的AC电压自动调整DC输出电压，而该有功功率因数预转换器3工作时为的是实现更高的效率。
PFC控制IC6一般包括一个内部电压误差放大器7(参见图2)。在一个普通的有功功率因数预转换器3中，DC输出电压由一个反馈环路保持在一个固定的电平上，该反馈环路引出该DC输出电压的一个取样(VSENSE)并在该电压误差放大器中将其与一个固定的基准电压比较。通过编程该内部电压误差放大器7的基准为输入rms电压的函数，跟踪功能可引入到任何PFC控制IC6。该方法要求直接使用该误差放大器的非-反相输入端(参见图2)，其对于UCC3818以及对于大多数其他的专用PFC控制IC是不可利用的。换句话说除了PPC控制IC之外可使用一外部电压误差放大器。因此在图4中作为例子所示的输出电压跟踪电路8必须变更该电压误差放大器的反相输入端以改变该PFC控制IC的输出(DRVOUT)。DRVOUT被馈送到提升转换器电路9。在一个优选实施例中，该DC输出跟踪总是保持比它高出一个为该提升转换器正常工作必要的小量的整流的峰值输入电压。这样避免了在输入端上的非必要的提升，从而改善了效率。可以将显出的DC输出电压看作为跟踪整流的AC输入电压的一种方法。那些本专业的技术人员将理解可以用多种不同的方法实现跟踪。以下将陈述输出电压跟踪电路的三个例子。
图4中表示的实施本发明的有功功率因数预转换器3的输出电压跟踪电路由除与PFC控制IC6相关的普通外部元件以外的电阻R22，双极结型晶体管Q4，电容器C14，电阻R26，电阻R23和电容C15外部地实施对PFC控制IC6的输出电压跟踪功能。这些元件定义了用来调整随整流的AC电压输入而改变的DC输出电压的算法或函数。
在图4中表示的有功功率因数预转换器3电路表示实施输出电压跟踪的一种可能的方法。在该有功功率因数预转换器3的例子中，该内部电压误差放大器的非-反相输入端被输出电压跟踪电路8有效地中断。也可能用许多其他的方法实施输出电压的跟踪。图6表示另一种可能的实施方法，使用一个外部电压误差放大器实现同样的功能。使用内部电压误差放大器的非-反相输入端并改变该输入端随整流的AC电压输入而变化可得到实施输出电压跟踪另一种可能是最容易的方法。这种选择可免除需要调节提供到电压误差放大器的该非-反相输入端的固定的基准电压。
在图4的该有功功率因数预转换器3的工作中，如在图5中所说明的那样，在H2上的DC输出电压Vboost(X)跟踪该整流的输入AC电压Vrect(x)。PFC控制IC6的内部产生的电压VFF(管脚8)是代表整流的输入AC电压Vrect(x)的一个DC电平。分压器R23，R26提供VFF的取样到双极结晶体管Q4的基极。该电路被校正，使得输入电平低于165Vrms时Q4截止，而DC输出电压Vboost(x)由R18和R24设置到245Vdc。如果主线电源超过165V时Q4导通以及在175V时Q4完全饱和。当在175V RMS AC输入电压Vrect(x)Q4饱和时，该DC输出电压Vboost(x)在360V DC电平被“盖顶”。但是，如果该峰值主线电源输入电压Vrect(x)超过360V，则该提升转换器9由通过该提升转换器9的一个提升二极管D1直接流到一个输出电容器(C2)中的电流旁路。在该情况下，该PFC电路将中断功能和在该主线电源电压峰值期间以与一个普通整流器电路相同方式充电输出电容器C2。由于谐波控制法规不施加高于230V RMS AC，因此该工作模式的重要性具有勉强够格的重要性。R22有效地同R24并联连接，由此重新下行校准传送到到电压误差放大器的DC输出电压的取样(VSENSE管脚11)。这将增加该DC输出电压到360V。电容器C14滤除任何主线电源波纹从而允许两个DC输出电压之间的平滑转换。
提升转换器9如图4中所示由电感L1，MOSFET Q1，二极管D1和D2组成。提升转换器9和相关的PFC控制IC是广泛用于PFC和谐波控制的标准电路。
不固定DC输出电压而是调整该DC输出电压随整流的AC电压输入改变的优点在于它提供比用具有固定输出电压的一个标准的有功PFC电路所能达到的整个电源的更高的效率，特别是在低的主线电源输入电压电平和低负载的情况下。
实施本发明的有功功率因数预转换器3以两种独立的方式连接到主线电源转换器4。第一，在H2上的DC电压输出提供主线输入到主线电源转换器4。其次，该有功功率因数预转换器3具有一个输入端H4，其适合于从主线电源转换器4接收同步脉冲。这些同步脉冲驱动该PFC控制IC6与主线电源转换器同步。
在这方面，该同步脉冲保证在当主线降压转换器4的晶体管开关是ON的周期期间，该提升转换器9的晶体管开关是OFF。该反相同步保证在与由主线转换器4提取的电流脉冲相同的周期期间出现该提升转换器9的电流脉冲输出。反相同步保证在大容量电容器C2中流动的AC电流下降和能使用更小的更便宜的大容量电容器。
此外，在H4上提供的同步脉冲拉动启动管脚(OVP 1EN)到高电平，只要接收该同步脉冲。在H4上没有同步脉冲的情况下，启动管脚拉动到低电平，该低电平将禁止PFC控制IC6。这样，当主线电源转换器截断时，例如，当一个个人计算机处于睡眠模式时，来自主线电源转换器的同步脉冲中断，PFC控制IC6电源下降，由此节省电能。输入端H3为PFC控制IC提供电源。应指出一个辅助转换器甚至当PFC电路断开时还能从分路PFC IC6的主线电压提取电能。
图6表示使用外部误差放大器的一个有功功率因数预转换器3的另一实施例。电压误差放大器的非反相输入端接收DC输出电压的降低标度的取样输出，并在该电压误差放大器的反相输入端同来自管脚8的整流的输入主线电压的取样VFF比较。在该两个取样之间的误差直接用来驱动和改变该DC输出电压。在该例中使用的PFC控制IC与用在内部电压误差放大器例子中的相同。但是，该内部电压误差放大器被单独使用为一个增益放大级。
市场需用要求用于自耗的例如要求低电压输入的个人计算机或其他应用的电源应该在世界任何地方工作，并能适应从90到265伏-称为通用输入电压-变化的AC主线电压。如从图5可理解的，如果输入AC电压源低，即在日本为115伏，则实施本发明的有功功率因数预转换器将驱动该提升转换器9以提供仅勉强大于该整流的AC主线电源电压的DC输出电压Vboost(x)，这与在普通有功功率因数预转换器中可能接近采用的不得不提升该DC输出电压到例如385伏的高的固定的DC输出电压不相同。
在本说明书中“comprise”意味“includes or consists of”，和“comprising”意味“including or consisting of”。
在以上说明书中，或以下权利要求中，或附图中所公开的，以它们的特定方式或借助于执行公开功能所用装置，或实现公开结果的方法或处理所公开的特征，如理解的那样，可以单独地，或按这样的特征的任意组合地用于以多种形式实现本发明。
权利要求
1.一种有功功率因数预转换器，具有来自一个主线AC电源的整流的AC电压输入和一个DC输出电压，该预转换器包括调整装置，以便工作时自动调整随该整流的AC电压输入而变化的DC输出电压。
2.按权利要求1的有功功率因数预转换器，其中，调整该DC输出电压的装置包括取样整流的AC电压输入和该DC输出电压的装置。
3.按权利要求1或2的有功功率因数预转换器，其中该调整装置调整该DC输出电压到一较低的阈值，只要该整流的AC电压输入降低到一预定值之下。
4.按以上权利要求任一的有功功率因数预转换器，其中该调整装置调整DC输出电压到一个上限阈值，只要该整流的AC电压输入上升到高于一预定值。
5.按以上权利要求任一的有功功率因数预转换器，其中该调整装置调整该DC输出电压以跟踪整流的AC电压输入。
6.按权利要求5的有功功率因数预转换器，其中该调整装置调整该DC输出电压到大于该整流的AC电压输入一固定量的电平。
7.按权利要求6的有功功率因数预转换器，其中，该固定量是在该整流的主线电压的幅度的0-15％之间。
8.按以上权利要求任一的有功功率因数预转换器，其中该有功功率因数预转换器连接到一个主线电源转换器。
9.按权利要求8的有功功率因数预转换器，其中该主线电源转换器产生同步脉冲，和当来自该主线电源转换器的同步脉冲中断时，该有功功率因数预转换器被禁止。
10.按权利要求9的有功功率因数预转换器，其中当该有功功率因数预转换器被禁止时，一个辅助转换器仍可操作以从该主线AC电源提取功率。
11.按权利要求8，9或10的有功功率因数预转换器，其中该主线电源转换器产生同步脉冲，其保证在当主线降压转换器的晶体管开关为ON的周期期间，提升转换器的晶体管开关为OFF。
12.一种有功功率因数校正的方法，包括自动调整一个有功功率因数预转换器的DC输出电压随到该预转换器的整流的AC电压输入而变化的步骤。
13.一种有功功率因数预转换器基本上如在上文参照图3-6所描述的那样和如图3-6中所示的那样。
14.一种有功功率因数校正的方法基本上如在上文参照图3-6所描述的那样和如图3-6中所示的那样。
全文摘要
一种有功功率因数预转换器具有自一个主线AC电源输入的AC电压和一个DC输出电压，该预转换器包括调整装置，工作时，自动调整随整流的AC电压输入而变的DC输出电压。
文档编号H02M1/42GK1452806SQ01815169
公开日2003年10月29日 申请日期2001年8月30日 优先权日2000年9月5日
发明者A·莱费杰夫 申请人:美蓓亚株式会社