[发明专利]功率因数校正电路

说明书

技术领域

本发明涉及一种功率因数校正电路。

背景技术

诸如笔记本电脑、台式计算机、监视器等之类的电子设备通常接收来自 交流电源的功率。然而，在大多数情况中，设备需要直流功率来工作，因此 来自交流电源的功率必须被转换为直流功率。实现这一目的的最简单的方式 是通过二极管整流电路。在这种类型的电路中，二极管被放置在电路中，从 而交流电流仅在一个方向上流动，因此整流器的输出维持非负(non-negative) 电压。这种方法通常是最便宜的交流-直流转换方案，但是它在交流功率网络 上也产生最多的噪声或“污染”。这如以下情况：因为当功率转换器耦接到非 纯电阻性的负载(例如，包括电容器和电感器的电抗性负载)时，从交流电 源流出的电流可能与交流电压异相，因此这可能导致谐波(harmonics)增加。 因而，如果被大量使用，则使用这一方法的设备可能极大地影响交流电力线 的质量。另外，电抗性负载使得功率转换器不太有效。电抗性负载中存储的 能量导致电流波形与电压波形之间的时间差。该存储的能量返回到电源并且 在负载处不起作用，因此电路的“实际功率”少于“视在功率”。实际功率与 视在功率之比通常被称作电路的功率因数。如可理解的，与具有高功率因数 的电路相比，具有低功率因数的电路将被要求流出更大的电流以便输送给定 数量的实际功率，这在功率分配系统中转化为增加的损耗以及增加的能量成 本。因此，期望提供不具有这些缺点的交流到直流功率转换。

为了实现这个目的，可以使用包括功率因数校正(PFC)电路的功率转 换器。通常，PFC电路具有将交流电流与直流电压维持为基本同相的功能， 因此功率转换器将纯电阻性负载重组到交流电源，这降低了交流电力线上的 污染且增加了功率转换器的效率。一种PFC电路通常被称作无源PFC电路。 无源PFC电路仅使用无源组件，例如电感器和电容器，来执行功率因数校正。 无源PFC电路通常坚固耐用且有效，但是它通常难以使失真降低到可接受级 别。再者，由于无源PFC电路以相对低的线频率(例如，50Hz或60Hz)操 作，因此所需的电感器和电容器尺寸可能较大且成本较高。

另一种PFC电路通常被称作有源PFC电路。有源PFC电路一般具有至 少一个开关。最常使用的有源PFC电路基于升压转换器(boostconverter)， 该升压转换器被包含在图1中所示的现有技术的PFC电路10中。PFC电路 10操作以便对输入电流整形，从而实现低失真级别。由于使用了相对较高的 切换频率(例如，50kHz到300kHz)，因此当与无源PFC电路相比时，极大 地减小了所需的相关联的无源组件的尺寸。然而，如可以理解的，典型的有 源PFC电路具有固有的缺陷，包括，由于增加了切换级(stage)和相关联的 功率损耗而具有降低的整体功率转换效率。

现在参考图1来描述现有技术的有源PFC电路10的结构。如可以看出 的，交流电源14跨接在全波桥式整流器D3的输入端。桥式整流器D3的第 一输出端经由节点26耦接到电感器L的第一端。电感器L的第二端在节点 21处耦接到晶体管开关Q的漏极和二极管D的阳极。二极管D的阴极耦接 到大容量电容器C的第一端，该大容量电容器C的第一端形成PFC输出节点 22，该PFC输出节点22可以进一步耦接到负载。如所示，桥式整流器D3的 第二输出端、晶体管开关Q的源极和电容器C的第二端可以耦接到地。而且， PFC控制电路18可以耦接到晶体管开关Q的栅极以便控制晶体管开关Q是 通电(即，该开关闭合)或不通电(即，该开关断开)。另外，PFC控制电路 18可被操作来感测功率转换器中的各种电压和电流。

在操作中，电流从桥式整流器D3流经电感器L，并且当开关Q闭合时 流经开关Q。在所述条件下，二极管D被电容器C(即，PFC输出节点22) 上的电压反向偏压。流经电感器L的电流以电磁场的形式存储能量。当开关 Q断开时，所存储的能量通过流经二极管D的电流被输送到大容量电容器C， 该二极管D在所述条件下被正向偏压。大容量电容器C中的能量维持PFC输 出节点22处的电压，并且可用来驱动负载(例如，另一电源级)。如可以理 解的，能量从交流电源14输送到电容器C的比率取决于晶体管开关Q的占 空比。因此，使用反馈电压和电流信号，PFC控制电路18可以控制晶体管开 关Q的切换发生的时间，因此交流电流和交流电压基本同相，从而PFC输出 节点22的电压被基本维持在恒定直流电平。