專利名稱：Pfc轉換器的制作方法
技術領域：
本發明涉及作為輸入交流電源輸出直流電壓的AC-DC轉換器的一種的、用于改善功率因數的PFC轉換器。
背景技術：
對于將商用交流電源作為輸入電源的一般的開關電源裝置，由于在對商用交流電源進行整流平滑從而轉換為直流電壓之后，由DC-DC轉換器對其進行開關控制，因此輸入電流變得不連續將遠遠偏離正弦波。為了防止由此產生的高次諧波電流所引起的故障，在日本或歐洲等地，進行根據用途和輸入功率等對電子設備的電源進行分類的高次諧波電流限制。為了對應該限制，在電子設備的電源中附加被稱為PFC(功率因數改善電路)轉換器的電路，在抑制高次諧波電流方面下工夫。利用專利文獻1的圖1來說明一般的PFC轉換器。輸入電源從商用交流電源Vi經由低通濾波器FIL輸入，通過全波整流電路RFl成為脈動電壓。該脈動電壓被輸入后級的由電感器Ll、開關元件Ql、整流平滑電路構成的斬波器電路，該整流平滑電路由二極管Dl和平滑電容器Cl構成。構成斬波器電路的開關元件Ql按照輸入電流Iir的波形成為與作為輸入電壓的Vi的波形相似的波形的方式，也就是成為同相位的正弦波狀的方式，進行導通、關斷的控制。控制電路由誤差放大器A、檢測電感電流為零的電路B、電流檢測器F、電壓檢測器 G、乘法器H、比較器E、脈沖發生器C、驅動電路D構成。對應于平滑電容器Cl的兩端電壓的誤差放大器A的輸出與電壓檢測器G的輸出相乘之后的值成為乘法器H的輸出。當電流檢測器F的輸出值超過該乘法器H的輸出值時， 經由脈沖發生器C由驅動電路D使開關元件Ql關斷，當流經電感器Ll的電流為零時由檢測電路B輸出信號，再次使開關元件Ql導通。通過反復該動作，由于電壓檢測器G的輸出為正弦波狀，因此流經電感器Ll的電流的峰值也成為正弦波狀，該電流的平均值也成為正弦波狀。其結果，輸入電流Iir成為正弦波狀從而功率因數得到改善，此外高次諧波電流被抑制在一定水平以下。該控制方式作為電流臨界模式已被周知。作為控制方式除了電流臨界模式以外，還周知電流連續模式。在電流連續模式中， 開關頻率被固定，按照流經電感器的電感電流的平均值追隨基準正弦波的方式被導通/關斷。此外，作為其他的控制方式，在專利文獻2中公開了如下方式，即對基準正弦波設置微小幅度的上限值和下限值，按照進入其間的方式來控制開關元件的導通/關斷。專利文獻1 JP實開平3-70085專利文獻2 JP特開平7-75329但是，在電流連續模式中，由于在導通以及關斷過程中發生開關損耗，因此存在損耗較大的問題。在電流臨界模式中，由于輸入電流被限制在電感電流的峰值的一半，因此存在難以應用于大功率用途的問題。在作為其他控制方式的、對基準正弦波設置微小幅度的上限值和下限值的控制方式中，由于控制的范圍被限定為微小幅度，因此難以改善開關損
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發明內容
本發明的目的在于提供一種控制電感電流的紋波從而改善開關損耗、進而能應用于大功率用途的PFC轉換器。為了解決上述問題，本發明以如下方式構成。第1方式的PFC轉換器具備整流電路，其對從交流輸入電源輸入的交流電壓進行整流；串聯電路，其連接于所述整流電路的下一級，包括電感器及開關元件；整流平滑電路，其與所述開關元件并聯連接；輸入電壓檢測單元，其檢測從所述整流電路輸入的輸入電壓；電感電流檢測單元，其檢測在所述電感器中流過的電流；輸出電壓檢測單元，其檢測所述整流平滑電路的輸出電壓；和開關控制單元，其控制所述開關元件，使得所述電感電流的平均值相對于所述輸入電壓成為相似形狀，構成為在所述電感電流達到第1閾值時使所述開關元件關斷，在所述電感電流達到第2閾值時使所述開關元件導通，在所述開關控制單元中，根據所述輸入電壓檢測單元及所述輸出電壓檢測單元的結果來設定所述電感電流的基準值，所述第1閾值是在所述基準值上加上規定值而生成的，所述第2閾值是從所述基準值中減去所述規定值而生成的。第2方式的PFC轉換器，具備第1串聯電路，其與負載并聯連接，包括第1開關元件和第1整流元件；電感器，其連接在所述第1開關元件與所述第1整流元件的連接點、和交流輸入電源的第1輸入端之間；第2串聯電路，其與負載并聯連接，包括第2開關元件和第2整流元件，第2開關元件與第2整流元件的連接點連接于所述交流輸入電源的第2輸入端；平滑電路，其與負載并聯連接；輸入電壓檢測單元，其檢測從所述交流輸入電源輸入的輸入電壓；輸出電壓檢測單元，其檢測所述平滑電路的輸出電壓；電感電流檢測單元，其檢測在所述電感器中流過的電流；和開關控制單元，其控制所述第1開關元件及所述第2開關元件，使得所述電感電流的平均值相對于所述輸入電壓成為相似形狀，構成為在所述電感電流達到第1閾值時使所述第1開關元件及所述第2開關元件關斷，在所述電感電流達到第2閾值時使所述第1開關元件及所述第2開關元件導通，在所述開關控制單元中，根據所述輸入電壓檢測單元及所述輸出電壓檢測單元的結果來設定所述電感電流的基準值，所述第1閾值是在所述基準值上加上規定值而生成的，所述第2閾值是從所述基準值中減去所述規定值而生成的。此外，在本發明的第1方式以及第2方式的PFC轉換器中，優選所述規定值與輸入電壓的相位同步地進行變化。此外，在本發明的第1方式以及第2方式的PFC轉換器中，優選在小負荷時也就是所述電感電流的基準值小時，使所述開關元件的導通延遲。此外，在本發明的第1方式以及第2方式的PFC轉換器中，優選以所述開關元件的導通或者關斷或者電流為零作為起點，在經過規定時間之后實施下一次的導通。此外，在本發明的第1方式以及第2方式的PFC轉換器中，優選所述規定時間根據輸入電壓的相位而變化。
發明效果根據本發明，根據負載任意設定電感電流的紋波，由此能夠降低開關頻率。其結果，能夠改善不必要的開關損耗。此外，還能夠應用于大功率用途。
圖1是本發明的第1實施例中的PFC轉換器的電路框圖。圖2是表示本發明的第1實施例中的、施加于開關元件的PWM脈沖的波形圖、電感電流的波形圖、第1及第2閾值的圖。圖3是本發明的第2實施例中的PFC轉換器的電路框圖。圖4是表示本發明的第2實施例中的、施加于開關元件的PWM脈沖的波形圖、電感電流的波形圖、第1及第2閾值的圖。圖5是本發明的第3實施例中的PFC轉換器的電路框圖。圖6是表示本發明的第3實施例中的PFC轉換器在四個定時處的電流路徑的圖。符號說明Bl 二極管橋電路Cl平滑電容器D1、D2 二極管Iac輸入電流IL電感電流Ll電感器P1UP12 輸入端P2UP22 輸出端QU Q2開關元件R1、R2電流檢測用抵抗Vac交流輸入電源Vo輸出電壓Vref輸出電壓目標值11輸入電壓檢測電路12輸出電壓檢測電路13加法元件15電壓補償器17乘法器19閾值設定器21、23 比較器25觸發器27 AND 電路29單穩多頻振蕩器30負載電路35開關控制電路
101 PFC 轉換器
具體實施例方式以下，參照
本發明所涉及的PFC轉換器的實施例。(第1實施例)圖1是該第1實施例的PFC轉換器的電路框圖。在圖1中符號P11、P12是PFC轉換器101的輸入端，符號P21、P22是PFC轉換器101的輸出端。在輸入端P11-P12輸入作為商用交流電源的交流輸入電源Vac，輸出端P21-P22連接負載電路30。負載電路30例如是DC-DC轉換器以及通過該DC-DC轉換器接受電源供給的電子設備的電路。在PFC轉換器101的輸入段，設置對交流輸入電源Vac的交流電壓進行全波整流的整流電路即二極管橋電路Bi。在該二極管橋電路Bl的輸出側，連接電感器Ll及開關元件Ql的串聯電路。在開關元件Ql串聯連接用于檢測在電感器Ll中流過的電流的電流檢測用抵抗R1。在該開關元件Ql和電流檢測用抵抗Rl的串聯電路的兩端，并聯連接由二極管Dl及平滑電容器Cl構成的整流平滑電路。由該電感器Li、開關元件Q1、二極管Dl及平滑電容器Cl構成所謂的升壓斬波器電路。在二極管橋電路Bl的輸出側的兩端之間設置輸入電壓檢測電路11。此外，在輸出端P21-P22之間設置輸出電壓檢測電路12。開關控制電路35具備比較輸出電壓檢測電路12的檢測信號S2和作為基準電壓的Vref的加法元件13、電壓補償器15、對輸入電壓檢測電路11的檢測信號Sl和電壓補償器15的輸出進行相乘的乘法器17、閾值設定器19、比較電流檢測用抵抗Rl的檢測信號和閾值設定器19的輸出的比較器21及23、觸發器25。在電壓補償器15中輸入由加法元件13得到的輸出電壓Vo與基準電壓Vref之間的誤差。乘法器17生成用于控制電感電流的基準值。為了使電感電流平均值成為與輸入電壓相似形狀的正弦波，該基準值通過輸入電壓檢測電路11的檢測信號Si與電壓補償器 15的輸出之間相乘而生成。閾值設定器19在由乘法器17所生成的基準值的基礎上，通過加上規定值以及減去規定值，從而分別生成第1閾值以及第2閾值。規定值是可以任意設定的，被設定為在考慮負載功率、電感飽和電流、輸入電壓的相位等的基礎上，作為結果可改善開關損耗。第1及第2閾值分別被輸入至比較器21及23，與由電流檢測用抵抗Rl檢測出的電感電流進行比較。當比較器23檢測出電感電流值高于第1閾值時，在觸發器25的復位端子輸入信號，以關斷開關元件Q1。此外，當比較器21檢測出電感電流值低于第2閾值時， 在觸發器25的置位端子輸入信號，使得開關元件Ql導通。圖2表示本第1實施例的交流輸入電源的半周期中的、電感電流的波形圖和第1 及第2閾值。表示按照在電感電流為第1閾值時開關元件關斷、此外在電感電流成為第2 閾值時開關元件導通的方式進行控制。在圖2的交流輸入電源的半周期中，具體說明了如何來設定規定值。在本發明中，在電感電流的紋波(ripple)未超過電感飽和電流的范圍內，按照紋波變大的方式來設定規定值。其結果，能夠減少開關次數。由于開關損耗是在開關元件導通以及關斷時產生的，因此通過減少開關次數可改善開關損耗。由圖2可知，在交流輸入電源的半周期中，在電感電流的上升附近及下降附近，將規定值設定得較大使得紋波變大，以改善開關損耗。在電感電流的峰值附近，將規定值設定得較小使得紋波變小，被控制成不超過電感飽和電流。這樣規定值與輸入電壓的相位同步地變化，從而能夠在考慮電感飽和電流的同時改善開關損耗。在負載功率變動時，以如下方式來設定規定值。在負載功率變小時，以電感器平均電流變小的方式進行控制。此時，基準值與電感飽和電流之間的差值變大，能夠將規定值設定得較大。在電感電流的峰值附近，也可改善開關損耗。在負載功率變大時，需要增大電感器平均電流，但如果紋波的大小與負載功率較小時相同，則有可能超過電感飽和電流。此時，通過將規定值設定得較小，能夠在電感電流的紋波不超過電感飽和電流的范圍內進行控制，因此能夠應用于大功率用途。在該第1實施例的動作中，由于開關頻率未被固定，因此成為還改善了 EMI噪聲的動作。為了根據輸入電壓或負載功率來適當設定規定值，作為開關控制電路35優選采用DSP (數字信號處理器)。(第2實施例)圖3是第2實施例的PFC轉換器的電路框圖。其特征部分在于，在比較器21的后級設置的、AND電路27和輸出單脈沖信號的單穩多頻振蕩器四。在單穩多頻振蕩器四中輸入來自觸發器25的、導通的輸出信號的檢測結果，以該時刻為起點輸出一定期間的單脈沖。該單脈沖與比較器21的輸出一起被輸入至AND電路， 在單脈沖期間中開關元件的下一次導通受到限制。由此，在從導通至下一次導通的期間低于規定時間時，使所述下一次導通延遲，在規定時間經過之后實施上述下一次的導通，能夠進行圖4所示的這種在電感電流設置了不連續的期間的動作。其結果，能夠抑制例如低負載時的開關頻率的高頻化。單穩多頻振蕩器四輸出單脈沖的起點并不限于開關元件的導通，也可以是關斷， 還可以是開關元件的電流變為零時。此外，所延遲的規定時間也可以根據輸入電壓的相位進行變化。(第3實施例)圖5是第3實施例的PFC轉換器的電路框圖。此外，圖6是表示PFC轉換器101 的四個定時處的電流路徑的圖。圖5所示的PFC轉換器101是具備不經由二極管橋電路地連接于輸入電源的電感器、和兩個開關元件的無二極管橋電路的PFC轉換器。在圖5中，符號Pll，P12是PFC轉換器101的輸入端，符號P21，P22是PFC轉換器101的輸出端。對輸入端P11-P12輸入作為商用交流電源的交流輸入電源Vac，在輸出端 P21-P22連接負載電路20。負載電路20例如是DC-DC轉換器以及通過該DC-DC轉換器接受電源供給的電子設備的電路。
在PFC轉換器101的輸入段，設置輸入電壓檢測電路11，在其中一個線上串聯連接電感器Li。在電感器Ll的后級，連接由二極管D1、D2及開關元件Q1、Q2構成的橋電路。 在開關元件Q1、Q2的源極與地線之間連接電流檢測用抵抗R1、R2。在橋電路的輸出并聯連接由平滑電容器Cl組成的平滑電路。圖6(A)是在交流輸入電源的正的半周期中開關元件Ql、Q2都處于導通狀態時的電流路徑，圖6(B)是在交流輸入電源的正的半周期中開關元件Q1、Q2都處于關斷狀態時的電流路徑。此外，圖6(C)是在交流輸入電源的負的半周期中開關元件Q1、Q2都處于導通狀態時的電流路徑，圖6(D)是在交流輸入電源的負的半周期中開關元件Q1、Q2都處于關斷狀態時的電流路徑。在交流輸入電源的正的半周期中，在Ql、Q2處于導通狀態時，在圖6(A)所示的路徑中流過電流，在電感器Ll中蓄積勵磁能量；在Q1、Q2處于關斷狀態時，在圖6(B)所示的路徑中流過電流，從電感器Ll釋放出勵磁能量。此時，經由Q2的寄生二極管流過電流。同樣，在交流輸入電源的負的半周期中，在Q1、Q2處于導通狀態時，在圖6(C)所示的路徑中流過電流，在電感器Ll中蓄積勵磁能量，在Q1、Q2處于關斷狀態時，在圖6(D)所示的定時處從電感器Ll釋放出勵磁能量。此時，經由Ql的寄生二極管流過電流。電流檢測用抵抗Rl及電流檢測用抵抗R2是為了在交流輸入電源的正的半周期或交流輸入電源的負的半周期中檢測在電感器Ll中流過的電流而設置的。圖5所示的開關控制電路35按照第1實施例中示出的方法或者第2實施例中示出的方法來控制電感電流。在通過與第1實施例同樣的方法來控制電感電流的情況下，如圖2所示那樣，由比較器比較在開關控制電路35的內部所生成的第1閾值及第2閾值、和電感電流，從而分別對Ql及Q2進行導通/關斷控制。在通過與第2實施例同樣的方法來控制電感電流的情況下，如圖4所示那樣，在從導通的輸出信號的檢測結果開始至下一次導通為止的期間低于規定時間時，使所述的下一次導通延遲，從而在經過規定時間之后實施所述下一次的導通。在以上的第2實施例及第3實施例中，作為開關控制電路35使用DSP(數字信號處理器)，從而能夠容易進行控制。
權利要求
1.一種PFC轉換器，其具備整流電路，其對從交流輸入電源輸入的交流電壓進行整流； 串聯電路，其連接于所述整流電路的下一級，包括電感器及開關元件； 整流平滑電路，其與所述開關元件并聯連接； 輸入電壓檢測單元，其檢測從所述整流電路輸入的輸入電壓； 電感電流檢測單元，其檢測在所述電感器中流過的電流； 輸出電壓檢測單元，其檢測所述整流平滑電路的輸出電壓；和開關控制單元，其控制所述開關元件，使得所述電感電流的平均值相對于所述輸入電壓成為相似形狀，構成為在所述電感電流達到第1閾值時使所述開關元件關斷，在所述電感電流達到第 2閾值時使所述開關元件導通，在所述開關控制單元中，根據所述輸入電壓檢測單元及所述輸出電壓檢測單元的結果來設定所述電感電流的基準值，所述第1閾值是在所述基準值上加上規定值而生成的，所述第2閾值是從所述基準值中減去所述規定值而生成的。
2.—種PFC轉換器，其具備第1串聯電路，其與負載并聯連接，包括第1開關元件和第1整流元件； 電感器，其連接在所述第1開關元件與所述第1整流元件的連接點、和交流輸入電源的第1輸入端之間；第2串聯電路，其與負載并聯連接，包括第2開關元件和第2整流元件，第2開關元件與第2整流元件的連接點連接于所述交流輸入電源的第2輸入端； 平滑電路，其與負載并聯連接；輸入電壓檢測單元，其檢測從所述交流輸入電源輸入的輸入電壓； 輸出電壓檢測單元，其檢測所述平滑電路的輸出電壓； 電感電流檢測單元，其檢測在所述電感器中流過的電流；和開關控制單元，其控制所述第1開關元件及所述第2開關元件，使得所述電感電流的平均值相對于所述輸入電壓成為相似形狀，構成為在所述電感電流達到第1閾值時使所述第1開關元件及所述第2開關元件關斷，在所述電感電流達到第2閾值時使所述第1開關元件及所述第2開關元件導通，在所述開關控制單元中，根據所述輸入電壓檢測單元及所述輸出電壓檢測單元的結果來設定所述電感電流的基準值，所述第1閾值是在所述基準值上加上規定值而生成的，所述第2閾值是從所述基準值中減去所述規定值而生成的。
3.根據權利要求1或2所述的PFC轉換器，其特征在于， 所述規定值與輸入電壓的相位同步地進行變化。
4.根據權利要求1 3的任意一項所述的PFC轉換器，其特征在于，在小負荷時也就是所述電感電流的基準值小時，使所述開關元件的導通延遲。
5.根據權利要求4所述的PFC轉換器，其特征在于，以所述開關元件的導通或者關斷或者電流為零作為起點，在經過規定時間之后實施下一次的導通。
6.根據權利要求5所述的PFC轉換器，其特征在于， 所述規定時間根據輸入電壓的相位而變化。
全文摘要
本發明提供一種PFC轉換器，通過控制電感電流的紋波從而改善開關損耗，還能適用于大功率用途。在流經電感器(L1)的電感電流達到第1閾值時使開關元件(Q1)關斷，在電感電流達到第2閾值時使開關元件(Q1)導通。開關控制電路(35)根據輸入電壓檢測電路(11)和輸出電壓檢測電路(12)的檢測結果，設定電感電流的基準值，所述第1閾值是在所述基準值上加上規定值而生成的，所述第2閾值是從所述基準值中減去所述規定值而生成的。
文檔編號H02M3/155GK102484425SQ20108004020
公開日2012年5月30日 申請日期2010年8月5日 優先權日2009年9月11日
發明者鵜野良之 申請人:株式會社村田制作所