功率因数校正电路及包括其的开关电源和电力设备的制作方法

1.本实用新型总体上涉及电力设备领域，具体而言涉及功率因数校正电路及包括其的开关电源和电力设备。


背景技术：

2.电力系统中不可避免地会存在谐波，谐波会降低电子元件的容量，加速电力设备老化、缩短电力设备的使用寿命，甚至损坏电力设备，还会危害生产安全与稳定。其中，传统的电力电子开关电源设备是向电力系统中注入谐波的主要来源，其使得电力系统的谐波问题日益严重。
3.解决谐波问题的方法之一是使用pfc(功率因数校正)电路。pfc电路能够有效地抑制谐波成分，改善电力系统的品质因数。
4.pfc电路包括有桥pfc电路和无桥pfc电路。其中，有桥pfc电路的电流应力、电压应力、以及散热压力都比较大，其产生的额外电力损耗会降低电力设备的整体效率。而无桥pfc电路减小了整流二极管的损耗，零电压开通可以有效地减小开关损耗，提高整体效率，简化了电磁干扰设计，可以实现更高的开关频率。
5.为了进一步改进pfc电路，本实用新型提出一种新的功率因数校正电路及包括其的开关电源和电力设备。


技术实现要素：

6.在实用新型内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本实用新型的实用新型内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
7.针对现有技术的不足，本实用新型一方面提供了一种功率因数校正电路，所述功率因数校正电路包括：电感器组，其包括第一电感器和靠近所述第一电感器放置的第二电感器；电压检测电路，其连接在所述第二电感器两端，用于检测所述第二电感器两端的电压信号，所述电压检测电路包括串联连接的第一电容器、第一整流电路和电阻；逻辑控制电路，其连接至所述电压检测电路，用于将所述电压检测电路检测到的电压信号转换为脉冲信号；以及第二整流电路，其连接至电压源、所述第一电感器和所述逻辑控制电路，用于基于所述脉冲信号对所述电压源的电压信号进行整流。
8.在一个实施例中，其中所述第一整流电路包括第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管，其中：所述第一二极管的阳极与所述第三二极管的阴极连接，所述第一二极管的阴极与所述第二二极管的阴极连接，所述第四二极管的阴极与所述第二二极管的阳极连接，所述第四二极管的阳极与所述第三二极管的阳极连接，所述第一电容器的一端与所述第一二极管的阳极连接，所述第一电容器的另一端与所述第二电感器的一端连接，所述第二电感器的另一端与所述第四二极管的阴极连接，以及所述电阻的一端与所述第一二
极管的阴极连接，所述电阻的另一端作为所述电压检测电路的第一输出端，所述第四二极管的阳极作为所述电压检测电路的第二输出端。
9.在一个实施例中，其中所述逻辑控制电路包括数模转换器和比较器，其中所述比较器的正输入端与所述电压检测电路的第一输出端连接，所述比较器的负输入端与所述数模转换器的输出端连接。
10.在一个实施例中，其中所述逻辑控制电路还包括脉冲宽度调节器，其中所述脉冲宽度调节器的输入端与所述比较器的输出端连接，所述脉冲宽度调节器的输出端与所述第二整流电路的输入端连接。
11.在一个实施例中，其中所述逻辑控制电路还包括控制单元和斜坡单元，其中所述控制单元的输出端与所述斜坡单元的输入端连接，所述斜坡单元的输出端与所述数模转换器的输入端连接。
12.在一个实施例中，其中所述第二整流电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管和第二电容器，其中，所述第一开关管的漏极与所述第三开关管的漏极连接，所述第一开关管的源极与所述第二开关管的漏极连接，并连接至电压源，所述第四开关管的漏极与所述第三开关管的源极连接，所述第四开关管的源极与所述第二开关管的源极连接，所述第一电感器的一端与所述电压源连接，所述第一电感器的另一端与所述第四开关管的漏极连接，所述第二电容器的一端与所述第一开关管的漏极连接，所述第二电容器的另一端与所述第四开关管的源极连接，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管和所述第四开关管的栅极分别与所述逻辑控制电路的输出端连接。
13.在一个实施例中，其中所述第二电感器是所述第一电感器的辅助绕组。
14.在一个实施例中，其中所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管和所述第四开关管均为mos管。
15.本实用新型另一方面提供了一种开关电源，所述开关电源包括如上所述的功率因数校正电路。
16.本实用新型又一方面一种电力设备，其包括开关电源，所述开关电源包括如上所述的功率因数校正电路。
17.本实用新型的功率因数校正电路及包括其的开关电源和电力设备，能够将电压信号转换成电平和幅值可控的脉冲信号，电路简单、成本低，检测速度快、抗干扰能力强。
附图说明
18.本实用新型的下列附图在此作为本实用新型的一部分用于理解本实用新型。附图中示出了本实用新型的实施例及其描述，用来解释本实用新型的原理。
19.附图中：
20.图1示出了根据本实用新型一个实施例的功率因数校正电路的结构示意图；
21.图2示出了根据本实用新型一个实施例的电压检测电路的结构示意图；以及
22.图3示出了根据本实用新型一个实施例的逻辑控制电路的结构示意图。
具体实施方式
23.在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本实用新型更为彻底的理
解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本实用新型可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本实用新型发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
24.应当理解的是，本实用新型能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本实用新型的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。
25.应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本实用新型教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。
26.空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
27.在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本实用新型的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
28.为了彻底理解本实用新型，将在下列的描述中提出详细的结构，以便阐释本实用新型提出的技术方案。本实用新型的优选实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本实用新型还可以具有其他实施方式。
29.为了简化电路结构，本实用新型提供一种功率因数校正电路，所述功率因数校正电路包括：电感器组，所述电感器组包括第一电感器和靠近所述第一电感器放置的第二电感器；电压检测电路，其连接在所述第二电感器两端，用于检测所述第二电感器两端的电压信号，所述电压检测电路包括串联连接的第一电容器、第一整流电路和电阻；逻辑控制电路，其连接至所述电压检测电路，用于将所述电压检测电路检测到的电压信号转换为脉冲信号；以及第二整流电路，所述第二整流电路连接至电压源、所述第一电感器和所述逻辑控制电路，用于基于所述脉冲信号对所述电压源的电压信号进行整流。
30.本实用新型的功率因数校正电路，能够将电压信号转换成电平和脉冲信号，电路
简单、成本低，检测速度快、抗干扰能力强。
31.下面，参考图1对本实用新型的功率因数校正电路做详细说明。图1示出了根据本实用新型一个实施例的功率因数校正电路10的结构示意图；图2示出了根据本实用新型一个实施例的电压检测电路14的结构示意图；图3示出了根据本实用新型一个实施例的逻辑控制电路16的结构示意图。应注意，图1、图2、图3中的结构仅是示例性的，在此基础上，本领域技术人员可根据实际需要进行适当的改进、变形或细化，所有改进、变形或细化均落入本实用新型的范围内。
32.如图1所示，本实用新型的功率因数校正电路10可以包括电感器组12、电压检测电路14、逻辑控制电路16和第二整流电路18。
33.其中，电感器组12可以包括第一电感器l和第二电感器ls，其中第二电感器ls靠近第一电感器l放置，以使得第一电感器l两端电压的变化能够在第二电感器ls两端感应出电压。示例性地，第二电感器ls可以是第一电感器l的辅助绕组。
34.电压检测电路14连接在第二电感器ls两端，用于检测第二电感器ls两端的电压信号。
35.如图2所示，示例性地，电压检测电路14可以包括串联连接的第一电容器c1、第一整流电路142和电阻r1。其中，第一电容器c1和电阻r1组成rc振荡电路。
36.示例性地，第一整流电路142可以包括第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3和第四二极管d4。其中，第一二极管d1的阳极与第三二极管d3的阴极连接，第一二极管d1的阴极与第二二极管d2的阴极连接，第四二极管d4的阴极与第二二极管d2的阳极连接，第四二极管d4的阳极与第三二极管d3的阳极连接，第一电容器c1的一端与第一二极管d1的阳极连接，第一电容器c1的另一端与第二电感器ls的一端连接，第二电感器ls的另一端与第四二极管d4的阴极连接，电阻r1的一端与第一二极管d1的阴极连接，电阻r1的另一端作为电压检测电路14的第一输出端，第四二极管d4的阳极作为电压检测电路14的第二输出端。
37.示例性地，第一输出端为信号输出端，第二输出端为接地输出端。
38.逻辑控制电路16连接至电压检测电路14，用于将电压检测电路14检测到的电压信号转换为脉冲信号，其中该脉冲信号的幅值是可控的。
39.如图3所示，示例性地，逻辑控制电路16可以包括比较器162和数模转换器164。其中，比较器162的正相输入端与电压检测电路14的第一输出端连接，比较器162的反相输入端与数模转换器164的输出端连接。
40.示例性地，逻辑控制电路16还可以包括控制单元163和斜坡单元165，其中控制单元163的输出端与斜坡单元165的输入端连接，斜坡单元165的输出端与数模转换器164的输入端连接。
41.示例性地，逻辑控制电路16还可以包括脉冲宽度调节器166，其中脉冲宽度调节器166的输入端与比较器162的输出端连接，脉冲宽度调节器166的输出端与第二整流电路18的输入端连接。
42.示例性地，逻辑控制电路16可以用数字信号处理器来实现。
43.第二整流电路18连接至电压源vac(如图1所示，其输入电压为vac)、第一电感器l和逻辑控制电路16，用于基于脉冲信号对电压源vac的电压信号进行整流。其中，该电压源vac可以为交流电压源。
44.示例性地，第二整流电路18可以包括第一开关管q1、第二开关管q2、第三开关管q3、第四开关管q4和第二电容器c2。其中，第一开关管q1的漏极与第三开关管q3的漏极连接，第一开关管q1的源极与第二开关管q2的漏极连接，并连接至电压源vac，第四开关管q4的漏极与第三开关管q3的源极连接，第四开关管q4的源极与第二开关管q2的源极连接，第一电感器l的一端与电压源vac连接，第一电感器l的另一端与第四开关管q4的漏极连接，第二电容器c2的一端与第一开关管q1的漏极连接，第二电容器c2的另一端与第四开关管q4的源极连接，第一开关管q1、第二开关管q2、第三开关管q3和第四开关管q4的栅极分别与逻辑控制电路16的输出端连接。
45.其中，第三开关管q3的结电容为coss3，第四开关管q4的结电容为coss4。为了方便起见，图1中在第三开关管q3和第四开关管q4的单独示出了其各自的结电容coss3和coss4。
46.示例性地，第一开关管q1、第二开关管q2、第三开关管q3和第四开关管q4均为mos管。
47.为了便于理解，下面结合图1描述本实用新型的功率因数校正电路10的工作状态。
48.其中，第一开关管q1和第二开关管q2交替导通。示例性地，第一开关管q1在交流电正弦负半周导通，第二开关管q2在交流电正弦正半周导通，本发明对此不作限定。
49.状态1：第三开关管q3关断、第四开关管q4导通，第一电感器l两端的电压vl为左正、右负，第一电感器l中的电流il由左流向右，且il逐渐增大。
50.状态2：第三开关管q3关断、第四开关管q4关断。
51.状态3：第三开关管q3导通、第四开关管q4关断，第一电感器l两端电压vl为左负、右正，第一电感器l中的电流il由左流向右，且il逐渐减小。
52.状态4：当第一电感器l中的电流il减小到小于0时，il开始由右流向左，此时电流为-il。
53.状态5：第四开关管q4的结电容coss4两端电压等于第二电容器c2的vc2。此时第三开关管q3关断，第一电感器l、第三开关管q3的结电容coss3、第四开关管q4的结电容coss4构成完全响应。完全响应的初始值为：第一电感器l的电流-il、电压源的电压vac、第二电容器c2的电压vc2。
54.状态6：结电容coss4两端电压由vc2振荡到0v时，第一电感器l两端电压vl左正、右负，第二电感器ls两端电压vls与第一电感器l两端电压vl同相。
55.vls经过电压检测电路(c1、d1～d4、r1)后，输出一个脉冲电压信号vx到比较器162的正相输入端。当vx大于比较器162的反相输入端的电压时，比较器162输出高电压。逻辑控制电路16通过检测比较器162的电平信号，来驱动脉冲宽度调节器166使第四开关管q4导通，从而实现第四开关管q4的零电压开通。
56.状态4中的负电流-il过小时，状态5中第一电感器l、结电容coss3、结电容coss4的完全响应无法将coss4振荡到0v，此时逻辑控制电路16无法检测到比较器162输出高电平，第四开关管q4不能实现零电压开通。此时，逻辑控制电路16通过增大状态3中第三开关管q3的导通时间，来增大状态4中的负电流-il，从而增大l、coss3、coss4完全响应电路的初始电流，以实现将coss4振荡到0v。
57.完全响应的初始值与电压源的交流输入电压vac相关，不同的交流电压下，负电流-il的取值不一样。因此，可以通过修改控制单元163、斜坡单元165、数模转换器164，来修
改比较器162的反相输入端电压，从而实现在整个交流输入电压范围内q4的零电压开通。
58.本实用新型还提供了一种开关电源，该开关电源包括如上所述的根据本实用新型的功率因数校正电路10。该开关电源还可以包括其他本领域公知的器件和电路，例如变压器、整流电路等，本实用新型对此不作限定。
59.本实用新型还提供了一种电力设备，其包括如上所述的开关电源，该开关电源包括如上所述的根据本实用新型的功率因数校正电路10。
60.示例性地，电力设备可以是例如笔记本电脑、台式计算机、平板电脑、学习机、移动设备(诸如，智能手机、电话手表等)、嵌入式计算机、塔式服务器、机架服务器、刀片服务器或任何其他合适的电力设备，本实用新型对此不作限定。
61.本实用新型的有益效果：
62.本实用新型的功率因数校正电路及包括其的开关电源和电力设备，能够将电压信号转换成电平和幅值可控的脉冲信号，且脉冲信号的斜率可调，电路简单、成本低，检测速度快、抗干扰能力强。
63.本实用新型已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本实用新型限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本实用新型并不局限于上述实施例，根据本实用新型的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本实用新型所要求保护的范围以内。本实用新型的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。