無開關高效功率因數補償電路的制作方法
【專利摘要】本發明公開了無開關高效功率因數補償電路，輸入電壓通過整流二極管D1、D2、D3和D4整流成只有正端的折疊正弦波電壓；當整流正弦電壓升高過程中，二極管D5、D10陽極的電壓超過其陰極電壓時，即二極管D5和D10導通，整流電壓對串聯的三個電容C5、C4和C3進行充電；當整流正弦電壓降低時，二極管D6、D8、D9和D11均導通，電容C5、C3、C4成并聯，從而使得負載上的電壓減低為整流峰值電壓的三分之一，延長了輸入電流的導通時間，使得輸入電流的波形變寬。本發明既避免了開關型功率因數補償電路的復雜性，又解決了現有的無開關功率補償電路在容性負載條件下達不到0.9功率因數的問題，從而實現低成本和高功率因數補償。
【專利說明】無開關高效功率因數補償電路
【技術領域】
[0001]本發明涉及電力設備制造領域，具體涉及無開關高效功率因數補償電路。
【背景技術】
[0002]功率因數是正弦交流電中電流對電壓的相位及其電流變形的衡量指標。當電流的波形與電壓完全相同并沒有超前或滯后(相位差)時，此時的功率因數為最大，即I或100%。小于I的功率因數意味著從發電站的電到達用戶后有一部分沒有被使用掉，而是返回了發電站，這部分稱為無功功率。功率因數越低的其無功功率越高。無功功率是按功率因數大小跟有功功率成比例的。因此為了滿足用戶的需求，也就是對有功功率的需求，發電站必須要按比例傳送額外的無功功率。結果不但造成了電力在輸電線上的額外損耗，另外發電站的實際有效電力使用容量也被減小。所以很多產品都對功率因數有最低的要求。為了滿足功率因數的要求，常常需要額外的電路對功率因數進行較正和補償，以提高功率因數。
[0003]通常功率因數電路分兩大類，一類是由受控制的開關來達到功率因數補償目的，一般包括反激拓撲(Flyback)、升壓(Boost)、降壓(Buck),以及降升壓(Buck-Boost)等；另一類電路是無開關的功率因數補償電路，在這類電路中以元件的自然特性達到功率因數補償的目的。目前，世界上包括中國在內大多數國家和地區要求的最低功率因數是0.9，雖然帶開關功率因數補償電路可以達到較高的功率因數，比方說0.9以上，但開關型電路體積龐大，也比較復雜，使得產品的成本提高；現有無開關功率因數補償電路簡單可靠，但如果負載為電容性負載，現有的無開關功率因數補償電路功率補償達不到功率因數0.9以上的要求。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于；針對現有技術中存在的上述技術問題，提供一種能夠既避免了開關型功率因數補償電路的復雜性，又解決了現有的無開關功率補償電路在容性負載條件下達不到0.9功率因數的問題，從而實現低成本和高功率因數補償。
[0005]本發明是通過以下技術方案實現的；
[0006]無開關高效功率因數補償電路，輸入電壓通過整流二極管D1、D2、D3和D4整流成只有正端的折疊正弦波電壓；當整流正弦電壓升高過程中，二極管D5、D10陽極的電壓超過其陰極電壓時，即二極管D5和DlO導通，整流電壓對串聯的三個電容C5、C4和C3進行充電；當整流正弦電壓降低時，二極管D6、D8、D9和Dll均導通，電容C5、C3、C4成并聯，從而使得負載上的電壓減低為整流峰值電壓的三分之一，延長了輸入電流的導通時間，使得輸入電流的波形變寬。
[0007]作為優選，所述電容C4與三個二極管D9、D10、D11組成一級充放電降壓電路。
[0008]作為優選，所述輸入電流的波形更接近于輸入電壓波形，功率因數可達到0.98。
[0009]作為優選，所述降壓電路不限于一級降壓電路，如果需要，可以加更多級。
[0010]綜上所述，由于采用了上述技術方案，本發明的有益效果是；[0011]1、本發明避免了復雜的開關型功率因數補償電路，解決了非開關型功率因數補償電路達不到很多國家法律要求的0.9以上的功率因數問題，提供了低成本且高功率因數補償電路，為產品設計降低成本提高了可靠性。
[0012]2、本發明的電路使得整流后的最低輸出電壓進一步得到降低，即峰值整流電壓的三分之一，從而進一步延長了輸入電流的導通時間，使得輸入電流的波形更接近于輸入電壓波形，因此本發明電路的功率因數補償可以達到0.98。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]本發明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中；
[0014]圖1為沒有功率因數補償的容性負載電路；
[0015]圖2A為一種帶電感的無開關功率因數補償電路；
[0016]圖2B為另一種帶電感的無開關功率因數補償電路；
[0017]圖3為不帶電感的無開關功率因數補償電路；
[0018]圖4為本專利不帶電感的功率因數補償電路；
[0019]圖5為電阻性負載的輸入電壓和電流波形；
[0020]圖6為容性負載的輸入電壓和電流波形；
[0021]圖7為現有的不帶電感的無開關功率因數補償的輸入電壓和電流波形；
[0022]圖8為本專利不帶電感的無開關功率因數補償的輸入電壓和電流波形；
[0023]圖中標記:1-負載，401-輸入電壓波形，402-輸入電流波形，501-輸入電流波形，601-輸入電流波形，701-輸入電流波形。
【具體實施方式】
[0024]本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
[0025]本說明書(包括任何附加權利要求、摘要和附圖)中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。
[0026]如圖1所示，輸入的交流電壓經過以D1、D2、D3、和D4的具有單向導通特性的二極管組成的整流器以后，使得輸入的正負向正弦波電壓成為只有正向的折疊的正弦波。假如沒有濾波電容Cl，那么輸入端的電壓和電流波形如圖5所示，401為輸入電壓波形，402為輸入電流波形。由圖5可見，這個電壓和電流的波形完全相同，并且沒有相位移。因此功率因數為最大值I。但因為一般電路都需要有濾波電容Cl，使得整流后的電壓波形更接近于直流，因此負載變成了帶電容性的負載。這樣的負載條件下的輸入電壓和電流波形如圖6所示.其中401為輸入電壓波形，而501為輸入電流波形，可見輸入電流波形與輸入電壓波形相差很大。這是因為當交流的輸入電壓通過整流后，如果低于電容上的電壓，由于整流二極管的單向導電性，整流二極管不再導通，所以沒有電流從輸入端流向負載，電容Cl向負載I提供電流。這樣的電路的功率因數一般在0.6左右，遠低于各國法律要求的0.9以上。
[0027]為了提高功率因數，開關型的功率因數可以達到0.99以上，但電路復雜成本高。而無開關型的功率補償電路簡單可靠，但功率因數補償效果不如開關型電路，很難達到0.9以上。一般的無開關型的功率因數補償電路可以分兩類。一類是使用電感的，如圖2A和2B中所示的電路里使用了電感L5。由于電感的體積非常龐大，不方便使用，因此不帶電感的無開關功率因數補償電路使用得更為廣泛。
[0028]如圖3為一種典型的非開關無電感功率因數補償電路。其工作原理為:輸入電壓通過整流二極管D1、D2、D3和D4整流成只有正端的折疊的正弦波電壓。當電壓降低時，由于整流二極管的單向導電性，整流二極管傾向于阻斷輸入電流流向輸出負載。而電容C5和C3則趨向于對負載提供電流。而這樣的輸出電流使得二極管D6和D8導通，導通的結果使得電容C5和C3從串聯變成了并聯，所以負載上的電壓減低為半，這樣當輸入電壓大于輸入電容Cl上的電壓，也就是最高電壓的一半時，整流二極管開始且繼續導通，使得輸入電流繼續流向負載。輸入整流電壓上升過程中，當二極管D5陽極的電壓超過其陰極電壓時，二極管D5導通，整流電壓對電容C5和C3進行串聯充電，一直充到輸入整流電壓的峰值，所以可見在輸入電流波形上呈現一小尖刺，如圖7所示。若要降低小尖刺的幅度，可以用一電阻或電感與二極管D5串聯。由于負載端的最低電壓被降低到整流峰值電壓的一半，輸入電流導通時間變長，因此輸入電流的波形變寬，比較接近于輸入波形。這樣的電路可以改善功率因數到0.8以上，但通常達不到0.9以上。
[0029]如圖4所示，一個電容C4和三個二極管D9、D10、Dll組成了新的一級充放電。當整流正弦電壓升高時，二極管D5和DlO導通，整流電壓對串聯的三個電容C5、C4和C3進行充電，當電壓降低時，二極管D6、D8、D9和Dll均導通，電容C5、C3、C4成并聯，給負載提供電流。這個電路使得整流后的最低輸出電壓進一步降低，為峰值整流電壓的三分之一。因此進一步延長了輸入電流的導通時間。如圖8所示，輸入電流的波形更接近于輸入電壓波形，所以功率因數更高。實驗結果顯示某些應用中功率因數可以達到0.98。
[0030]此發明不限于多一級的降壓電路，如果需要，可以加更多級。
[0031]本發明電路使得負載端的最低電壓變得更低，輸入電流的導通時間更長，從而獲得更高的功率因數。
[0032]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明。本發明擴展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。
【權利要求】
1.無開關高效功率因數補償電路，其特征在于，輸入電壓通過整流二極管D1、D2、D3和D4整流成只有正端的折疊正弦波電壓；當整流正弦電壓升高過程中，二極管D5、D10陽極的電壓超過其陰極電壓時，即二極管D5和DlO導通，整流電壓對串聯的三個電容C5、C4和C3進行充電；當整流正弦電壓降低時，二極管D6、D8、D9和Dll均導通，電容C5、C3、C4成并聯，從而使得負載上的電壓減低為整流峰值電壓的三分之一，延長了輸入電流的導通時間，使得輸入電流的波形變寬。
2.根據權利要求1所述的無開關高效功率因數補償電路，其特征在于，所述電容C4與三個二極管D9、D10、D11組成一級充放電降壓電路。
3.根據權利要求1所述的無開關高效功率因數補償電路，其特征在于，所述輸入電流的波形更接近于輸入電壓波形，功率因數可達到0.98。
4.根據權利要求2所述的無開關高效功率因數補償電路，其特征在于，所述降壓電路不限于一級降壓電路，如果需要，可以加更多級。
【文檔編號】H02M1/42GK103904878SQ201410014292
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年1月9日 優先權日:2014年1月9日
【發明者】林峰 申請人:常州隆輝照明科技有限公司