СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОМ МОЩНОСТИ И СЕТЕВОЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ Российский патент 2013 года по МПК H02M1/42 G05F1/565 G05F1/70 H05B41/282 

Область техники

Настоящее изобретение относится к схеме управления коэффициентом мощности. Изобретение дополнительно относится к сетевому источнику электропитания.

Предшествующий уровень техники

Корректировка коэффициента мощности требуется, чтобы противодействовать любой разности фаз между переменным напряжением электрической сети и переменным током, получаемым из электрической сети реактивной нагрузкой. Когда переменный ток протекает через реактивную нагрузку, фаза переменного тока может смещаться реактивной нагрузкой, создавая разность фаз между переменным током и переменным напряжением. Мощность, требуемая нагрузкой, может быть разделена на активную мощность и реактивную мощность, при этом активная мощность получается из резистивной части нагрузки, а реактивная мощность получается из реактивной части нагрузки. В чистой реактивной части нагрузки разность фаз напряжения и тока равна 90 градусам, и, таким образом, нет прохождения полезной мощности, хотя эти сдвинутые по фазе напряжения и токи проходят через электрические компоненты и провода. Таким образом, электрические компоненты должны выбираться так, чтобы они могли выдерживать эти сдвинутые по фазе напряжения и токи. Кроме того, сдвинутые по фазе напряжения и ток способствуют потере мощности в системе. Как следствие, коэффициент мощности, представляющий соотношение между реактивной мощностью и полной мощностью, должен быть, по существу, равен единице.

Корректировка коэффициента мощности может быть выполнена пассивно или активно. При пассивной корректировке коэффициента мощности реактивный характер нагрузки компенсируется добавлением конденсаторов и дросселей, так что нагрузка ведет себя, по существу, как резистивная нагрузка.

Альтернативно, коэффициент мощности может корректироваться активно. Общая конфигурация известной активной схемы управления коэффициентом мощности должна использовать преобразователь мощности в повышающей конфигурации, также указанный как повышающий преобразователь. Этот повышающий преобразователь размещается между выпрямителем, который выпрямляет напряжение электрической сети, и нагрузкой. В известной схеме управления коэффициентом мощности повышающий преобразователь содержит последовательную сборку дросселя и переключателя, расположенную между узлами выпрямляемой электрической сети. Последовательная сборка диода и выходного конденсатора размещается параллельно переключателю. Повышающий преобразователь, используемый в качестве схемы управления коэффициентом мощности, пытается поддерживать неизменное напряжение постоянного тока на своем выходе, в то же время получая ток из электрической сети, который, по существу, всегда находится в фазе с напряжением сети и, по существу, с той же частотой, что и напряжение сети. В такой конфигурации дополнительный преобразователь мощности может быть размещен между нагрузкой и известной схемой управления коэффициентом мощности, чтобы преобразовывать повышенную выходную мощность известной схемы управления коэффициентом мощности в требуемое напряжение для нагрузки.

Недостатком известной схемы управления коэффициентом мощности является то, что надежность известной схемы управления коэффициентом мощности недостаточно хороша.

Краткое изложение существа изобретения

Задачей настоящего изобретения является повышение надежности схемы корректировки коэффициента мощности.

Согласно первому аспекту изобретения задача решается с помощью схемы управления коэффициентом мощности, содержащей входные узлы для приема выпрямленного входного напряжения, являющегося выпрямленным входным напряжением электрической сети,

схему возбуждения для возбуждения переключателя,

последовательную сборку переключателя и дросселя, размещенную между входными узлами схемы управления коэффициентом мощности,

последовательную сборку выпрямителя и выходного конденсатора, размещенную параллельно дросселю, причем выпрямитель не проводит ток, когда переключатель замкнут, при этом

схема возбуждения выполнена с возможностью возбуждения переключателя для формирования, по существу, синусоидального тока через переключатель, по существу, синхронизированного с синусоидальным напряжением входного напряжения сети и приема управляющего сигнала, чтобы управлять амплитудой синусоидального тока через переключатель для управления уровнем выходного напряжения, являющегося напряжением на выходном конденсаторе,

при этом дросселем является первичная обмотка в трансформаторе, причем вторичная обмотка трансформатора соединяется последовательно с дополнительным выпрямителем и дополнительным выходным конденсатором для предоставления дополнительного выходного напряжения, регулируемого и отслеживающего выходное напряжение.

Преимущество схемы управления коэффициентом мощности согласно изобретению состоит в том, что конфигурация выходного конденсатора вместе с конфигурацией выпрямителя предотвращает возникновение пускового тока во время запуска схемы управления коэффициентом мощности, что улучшает надежность схемы управления коэффициентом мощности согласно изобретению по сравнению с известными схемами управления коэффициентом мощности. В известных схемах управления коэффициентом мощности вход электрической сети непосредственно подключается к выходному конденсатору через дроссель и диод. Поскольку выходной конденсатор в типичном варианте имеет относительно большую емкость, ничто не ограничивает ток, протекающий в выходной конденсатор, вызывая большой пусковой ток. Из-за большого пускового тока дроссель может относительно легко достигать уровня насыщения, вызывая то, что последующий ток через переключатель известной схемы корректировки коэффициента мощности становится нерегулируемым. При возбуждении переключателя в известной схеме корректировки коэффициента мощности, в то время как дроссель достиг уровня насыщения, ток через переключатель становится слишком большим, таким образом повреждая переключатель известной схемы корректировки коэффициента мощности. Это уменьшает надежность известной схемы управления коэффициентом мощности.

В схеме управления коэффициентом мощности согласно изобретению выходной конденсатор размещается между входными узлами схемы управления коэффициентом мощности через переключатель. Первый контакт выходного конденсатора соединен с одним из входных узлов схемы управления коэффициентом мощности. Второй контакт выходного конденсатора соединен с другим входным узлом схемы управления коэффициентом мощности через последовательную сборку выпрямителя, дросселя и переключателя. Выпрямитель сконфигурирован, чтобы не проводить ток, когда переключатель замкнут. Благодаря этой сборке выходной конденсатор схемы управления коэффициентом мощности согласно изобретению может заряжаться только после первого цикла проведения электрического тока переключателя. Когда переключатель разомкнут или, другими словами, когда переключатель не проводит ток, по существу, ток не может протекать через дроссель, и, таким образом, ток не может протекать в выходной конденсатор, который, по существу, подключен параллельно дросселю. Когда переключатель замкнут или, другими словами, когда переключатель проводит ток, ток течет в дроссель, что вызывает накопление энергии в дросселе. В то же время выпрямитель не проводит ток, блокируя любой ток, протекающий в выходной конденсатор, либо от одного из входных узлов, либо от дросселя. Только после того, как переключатель снова размыкается, выпрямитель начинает проводить ток, позволяя, по меньшей мере, части энергии, накопленной в дросселе, протекать в выходной конденсатор. Таким образом, перед первым циклом времени пропускания тока переключателя пусковой ток просто не может существовать. Поскольку схема управления коэффициентом мощности согласно изобретению предотвращает возникновение большого пускового тока, повреждение переключателя из-за большого пускового тока предотвращается, что улучшает надежность схемы корректировки коэффициента мощности согласно изобретению.

В известных схемах управления коэффициентом мощности были предложены решения, чтобы ограничивать слишком большой ток через переключатель известной схемы корректировки коэффициента мощности. В первом решении, например, ток через переключатель ограничивается через резистор с отрицательным температурным коэффициентом (дополнительно также указываемый как NTC-резистор). Величина сопротивления NTC-резистора изменяется с температурой. Когда прибор не используется в течение некоторого времени, температура в источнике электропитания в типичном варианте является низкой, что приводит к относительно большому значению сопротивления NTC. При запуске источника электропитания относительно большой пусковой ток проходит через NTC-резистор и, таким образом, ограничивается из-за относительно большого значения сопротивления NTC-резистора. Когда источник электропитания работает в течение некоторого времени, температура в источнике электропитания увеличивается, что уменьшает значение сопротивления NTC-резистора. В альтернативном известном решении, чтобы улучшать надежность схемы корректировки коэффициента мощности, параллельно первоначальному переключателю подключается дополнительный переключатель, чтобы улучшать коммутирующую способность. Однако эти известные решения для улучшения надежности не всегда предотвращают пусковой ток через переключатель схемы корректировки коэффициента мощности и, таким образом, могут все еще приводить к повреждению переключателя. Кроме того, все эти дополнительные решения требуют значительного числа дополнительных компонентов, которые увеличивают стоимость известной схемы управления коэффициентом мощности.

В схеме управления коэффициентом мощности согласно изобретению компоновка компонентов в схеме предотвращает возникновение пускового тока. Выходной конденсатор может заряжаться только после времени пропускания тока переключателя. Поскольку частота переключения переключателя в схеме управления коэффициентом мощности относительно высока по сравнению с частотой электрической сети, ток через переключатель в каждом цикле переключения является относительно низким, ограничивая ток через переключатель и таким образом дополнительно улучшая надежность схемы управления коэффициентом мощности согласно изобретению.

Дросселем в схеме управления коэффициентом мощности согласно изобретению является первичная обмотка в трансформаторе, причем вторичная обмотка трансформатора последовательно соединяется с дополнительным выпрямителем и дополнительным выходным конденсатором для предоставления дополнительного выходного напряжения. Преимущество этого варианта осуществления состоит в том, что напряжение на выходном конденсаторе и на дополнительном выходном конденсаторе связываются через трансформатор. Регулируя напряжение на выходном конденсаторе, напряжение на дополнительном выходном конденсаторе также регулируется, предоставляя два регулируемых выходных напряжения схемы управления коэффициентом мощности согласно изобретению.

В известной схеме управления коэффициентом мощности вторичная обмотка может также использоваться, чтобы формировать предварительно отрегулированную подачу энергии. Однако, как правило, пульсации этого предварительно отрегулированного выходного напряжения являются относительно большими, и, таким образом, возможно эффективно использовать только относительно низкую мощность из этого предварительно отрегулированного выходного напряжения. С помощью вторичной обмотки в схеме управления коэффициентом мощности согласно изобретению эта дополнительная выходная мощность может использоваться, чтобы предоставлять мощность без ограничения использования только относительно низкой мощности, поскольку большие пульсации напряжения в электрической сети не существуют. Схема управления коэффициентом мощности согласно изобретению может рассматриваться как источник электропитания с обратной связью, таким образом экономя расходы на дополнительный источник электропитания.

В варианте осуществления схемы управления коэффициентом мощности управляющий сигнал, чтобы управлять амплитудой синусоидального тока через переключатель, содержит дополнительное выходное напряжение для управления уровнем выходного напряжения, являющимся напряжением на выходном конденсаторе. Преимущество этого варианта осуществления состоит в том, что есть связь между выходным напряжением и дополнительным выходным напряжением, причем это дополнительное выходное напряжение V3 может также использоваться в качестве сигнала обратной связи для регулирования или стабилизации выходного напряжения. Схема управления коэффициентом мощности согласно изобретению позволяет управлять уровнем выходной мощности на выходном конденсаторе. Переключатель возбуждается с частотой, значительно превышающей частоту электрической сети, таким образом вызывая синусоидальный ток через переключатель, который сконфигурирован, чтобы быть, по существу, синхронизированным с напряжением электрической сети. Кроме того, схема возбуждения принимает управляющий сигнал. Этот управляющий сигнал используется схемой возбуждения, чтобы управлять амплитудой тока через переключатель, который управляет уровнем заряда выходного конденсатора. Уровень заряда выходного конденсатора определяет уровень напряжения на выходном конденсаторе и, таким образом, определяет уровень выходного напряжения схемы управления коэффициентом мощности. Таким образом, посредством переключения переключателя в схеме управления коэффициентом мощности согласно изобретению можно получить ток через схему управления коэффициентом мощности, по существу, синусоидальный и, по существу, синхронизированный, в то же время управление амплитудой тока через переключатель позволяет управлять уровнем выходного напряжения. В результате выходное напряжение схемы управления коэффициентом мощности согласно изобретению управляется.

Дополнительным преимуществом схемы корректировки коэффициента мощности согласно изобретению является то, что управляемое напряжение на выходном конденсаторе может быть ниже, чем выпрямленное выходное напряжение электрической сети. В известных активных схемах корректировки коэффициента мощности активные схемы корректировки коэффициента мощности повышают выпрямленную мощность электрической сети до напряжения выше выпрямленной пиковой мощности, чтобы формировать синхронизацию фаз между током через переключатель и напряжением электрической сети. Когда эта повышенная выходная мощность используется, например, дополнительными преобразователями мощности, электрические компоненты этих дополнительных преобразователей мощности должны быть способны выдерживать повышенную мощность. Например, переключатели в этих дополнительных преобразователях мощности предпочтительно должны быть способны выдерживать напряжения выше 400 вольт. Это в типичном варианте требует более дорогостоящих переключателей в дополнительном преобразователе мощности, делая весь источник электропитания относительно дорогостоящим. При применении схемы корректировки коэффициента мощности согласно изобретению управляемое напряжение на выходном конденсаторе может быть ниже выпрямленного напряжения электрической сети из-за топологии обратной связи схемы корректировки коэффициента мощности тока. Время "включения" переключателя определяет ток, протекающий в выходной конденсатор, который управляет зарядом выходного конденсатора, который определяет выходное напряжение на выходном конденсаторе. В результате любые дополнительные преобразователи мощности, которые могут быть размещены для использования выходного напряжения схемы корректировки коэффициента мощности, могут использовать относительно низковольтные переключатели, которые дополнительно уменьшают стоимость силовой системы согласно изобретению.

В варианте осуществления схемы управления коэффициентом мощности управляющий сигнал ассоциируется с выходным напряжением для регулирования выходного напряжения. Использование управляющего сигнала позволяет схеме управления коэффициентом мощности согласно изобретению регулировать выходное напряжение на предварительно определенном уровне, таким образом предоставляя регулируемое выходное напряжение.

Известная схема управления коэффициентом мощности может формировать предварительно отрегулированное выходное напряжение. Это предварительно отрегулированное выходное напряжение в типичном варианте формируется через вспомогательную обмотку в дросселе известной схемы управления коэффициентом мощности. Однако пульсации этого предварительно отрегулированного выходного напряжения являются относительно большими, так что возможно эффективно получать только относительно небольшую мощность из предварительно отрегулированного выходного напряжения. В действительности предварительно отрегулированное напряжение на вспомогательной обмотке в типичном варианте используется, только чтобы возбуждать схему возбуждения известной схемы управления коэффициентом мощности с первичной стороны. Такая управляющая схема в типичном варианте получает только несколько миллиампер. В схеме управления коэффициентом мощности согласно изобретению схема возбуждения управляет амплитудой синусоидального тока через переключатель так, что выходное напряжение на выходном конденсаторе регулируется.

В варианте осуществления схемы управления коэффициентом мощности выпрямителем является диод или диодный мост или дополнительный переключатель конфигурируется, чтобы не проводить ток, когда переключатель (M1) замкнут. Диод подключается так, что, когда переключатель замкнут (или проводит ток), выпрямитель предотвращает утечку заряда из выходного конденсатора через переключатель. Ток, протекающий через переключатель, может протекать только через дроссель, что вызывает накопление энергии в дросселе в течение временного интервала, когда переключатель замкнут. Когда переключатель разомкнут, часть накопленной энергии в дросселе протекает через выпрямитель в выходной конденсатор, таким образом регулируя заряд в выходном конденсаторе, который управляет напряжением на выходном конденсаторе и, таким образом, управляет выходным напряжением схемы управления коэффициентом мощности согласно изобретению.

В варианте осуществления схемы управления коэффициентом мощности схема возбуждения конфигурируется для управления временем "включения" переключателя, продолжительностью времени "включения", определяющей выходное напряжение. Время "включения" переключателя определяет количество энергии, закачиваемой в выходной конденсатор, и, таким образом, управляет напряжением на выходном конденсаторе, определяющем выходное напряжение.

В варианте осуществления схемы управления коэффициентом мощности схема возбуждения конфигурируется для изменения времени "включения" переключателя для стабилизации выходного напряжения. Когда нагрузка, например, получает предварительно определенную мощность из выходного конденсатора, выходное напряжение на выходном конденсаторе может падать. За счет согласования времени "включения" переключателя схема возбуждения может регулировать мощность, которая закачивается в выходной конденсатор, чтобы снова наполнять выходной конденсатор для стабилизации выходного напряжения.

В варианте осуществления схемы управления коэффициентом мощности схема возбуждения конфигурируется для управления пиковым током через переключатель для определения выходного напряжения. Управляя пиковым током через переключатель, схема возбуждения управляет энергией, которая закачивается в выходной конденсатор. Преимущество этого варианта осуществления состоит в том, что управление пиковым током через переключатель обеспечивает дополнительное повышение надежности схемы управления коэффициентом мощности согласно изобретению. Если при запуске схемы управления коэффициентом мощности относительно большой пиковый ток может внезапно возникать в схеме, схема возбуждения ограничивает ток, идущий через схему, что предотвращает повреждение переключателя.

В варианте осуществления схемы управления коэффициентом мощности схема возбуждения конфигурируется для изменения пикового тока для стабилизации выходного напряжения. Когда нагрузка получает дополнительную энергию из выходного конденсатора, схема возбуждения может увеличивать накопление энергии в выходном конденсаторе, увеличивая пиковый ток через переключатель так, что выходное напряжение стабилизируется на предварительно определенном уровне.

Изобретение также относится к универсальному сетевому источнику электропитания, который заявлен в пункте 10 формулы.

В варианте осуществления универсального сетевого источника электропитания схема инвертора размещается параллельно выходному конденсатору для преобразования регулируемого выходного напряжения в регулируемое переменное выходное напряжение. Этот вариант осуществления, например, полезен, когда универсальный сетевой источник электропитания используется, чтобы возбуждать, например, флуоресцентные лампы с холодным катодом (также в дальнейшем указываемые как CCFL-лампы), например, для использования в системе подсветки. Эти CCFL-лампы в типичном варианте требуют переменного выходного напряжения во время работы.

В варианте осуществления универсального сетевого источника электропитания схема инвертора содержит драйвер инвертора, последовательную сборку первого переключателя инвертора и второго переключателя инвертора, размещенных параллельно выходному конденсатору, и последовательную сборку дополнительного дросселя и сглаживающего конденсатора, размещенных параллельно второму переключателю инвертора, причем драйвер инвертора конфигурируется для возбуждения первого переключателя и второго переключателя для преобразования выпрямленного регулируемого выходного напряжения в регулируемое переменное выходное напряжение.

В варианте осуществления универсального сетевого источника электропитания дополнительным дросселем является первичная обмотка трансформатора, содержащего дополнительную вторичную обмотку, соединенную с нагрузкой через дополнительный сглаживающий конденсатор. Преимуществом при использовании трансформатора является то, что трансформатор обеспечивает гальваническую развязку. Кроме того, трансформатор может использоваться для того, чтобы увеличивать амплитуду переменного выходного напряжения на дополнительной вторичной обмотке. Это особенно полезно при возбуждении CCFL-ламп, поскольку эти CCFL-лампы требуют переменного напряжения, приблизительно равного 2 кВ.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

фиг.1 изображает схему управления коэффициентом мощности и универсального сетевого источника электропитания согласно изобретению;

фиг.2 - принципиальная схема варианта осуществления универсального сетевого источника электропитания согласно изобретению;

фиг.3A - выпрямленное напряжение электрической сети;

фиг.3B - ток через переключатель;

фиг.3C - результирующий ток, который наблюдается из электрической сети в зависимости от времени;

фиг.4A - напряжение на дросселе схемы корректировки коэффициента мощности;

фиг.4B - напряжение на вторичной обмотке трансформатора, содержащего дроссель схемы управления коэффициентом мощности;

фиг.5 - напряжение на вторичной обмотке более подробно;

фиг.6 - ток через переключатель, ток через дроссель и ток через выпрямитель в зависимости от времени схемы управления коэффициентом мощности согласно изобретению.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

На фиг.1 показана схема 10 управления коэффициентом мощности и универсального сетевого источника 100 электропитания согласно изобретению. Схема 10 управления коэффициентом мощности размещается между выпрямляющей схемой 30 электрической сети и нагрузкой 20. Выпрямляющая схема 30 электрической сети содержит выпрямляющий мост, содержащий четыре диода D2, D3, D4, D5, и содержит сглаживающий конденсатор C1. Этот сглаживающий конденсатор в типичном варианте имеет относительно низкую емкость, чтобы гарантировать относительно продолжительное время проведения тока диодов D2, D3, D4, D5 диодного моста. Выпрямленное напряжение электрической сети предоставляется в выходные узлы n1, n2 выпрямляющей схемы 30 электрической сети. Выходные узлы n1, n2 выпрямляющей схемы 30 электрической сети являются входными узлами n1, n2 схемы 10 управления коэффициентом мощности. Схема 10 управления коэффициентом мощности, которая показана на фиг.1, содержит схему IC1 возбуждения для возбуждения переключателя M1. Схема IC1 возбуждения размещается для возбуждения переключателя M1, чтобы формировать, по существу, синусоидальный ток через переключатель M1, который, по существу, синхронизирован с синусоидальным напряжением входного напряжения электрической сети. Схема 10 управления коэффициентом мощности дополнительно содержит дроссель L1, в котором последовательная сборка переключателя M1 и дросселя L1 размещена между входными узлами n1, n2 схемы 10 управления коэффициентом мощности. Параллельно дросселю L1 размещена последовательная сборка выпрямителя D1 и выходного конденсатора C2. Выпрямитель D1 сконфигурирован, чтобы не проводить ток, когда переключатель M1 замкнут. В варианте осуществления схемы 10 управления коэффициентом мощности, которая показана на фиг.1, выпрямителем D1 является диод D1. Альтернативно, выпрямитель D1 может быть диодным мостом (не показан) или дополнительным переключателем (не показан), который сконфигурирован, чтобы не проводить ток, когда переключатель M1 замкнут.

Компоновка схемы 10 управления коэффициентом мощности согласно изобретению повышает надежность схемы 10 управления коэффициентом мощности в том, что оно предотвращает возникновение пускового тока. В схеме 10 управления коэффициентом мощности согласно изобретению выходной конденсатор C2 размещается между входными узлами n1, n2 схемы 10 управления коэффициентом мощности через переключатель. Первый контакт выходного конденсатора C2 соединяется с одним из входных узлов n1 схемы 10 управления коэффициентом мощности. Второй контакт выходного конденсатора C2 соединяется с другим входным узлом n2 схемы 10 управления коэффициентом мощности через последовательную сборку выпрямителя D1, дросселя L1 и переключателя M1. Выпрямитель D1 не проводит ток, когда переключатель M1 замкнут. В результате такой конфигурации выходной конденсатор C2 может заряжаться только после первого цикла проведения тока переключателя M1. Когда переключатель M1 разомкнут (не проводит ток), ток не течет через дроссель L1 и, таким образом, ток не может протекать в выходной конденсатор C2, который, по существу, размещается параллельно дросселю L1. Когда переключатель M1 замкнут (проводит ток), ток течет через дроссель L1, вызывая накопление энергии в дросселе L1. В то же время выпрямитель D1 не проводит ток, блокируя любой ток, протекающий непосредственно в выходной конденсатор C2 от выпрямленного входа n1 электрической сети. Только после того, как переключатель M1 снова размыкается (не проводит ток), выпрямитель D1 начинает проводить ток, позволяя, по меньшей мере, части энергии, накопленной в дросселе L1, протекать в выходной конденсатор C2. Таким образом, перед первым циклом проведения тока во время проведения тока переключателем M1 ток не протекает в выходной конденсатор или в дроссель L1, и, таким образом, пусковой ток просто не может возникать.

Схема 10 управления коэффициентом мощности в текущей конфигурации является конфигурацией с обратной связью. Когда схема IC1 возбуждения принимает сигнал обратной связи (см. фиг.2), этот сигнал обратной связи может использоваться, чтобы управлять выходным напряжением V2 на выходном конденсаторе C2. Сигнал обратной связи может, например, быть выходным напряжением V2 на выходном конденсаторе C2 или сигналом, ассоциированным с выходным напряжением V2. Управление выходным напряжением V2 может, например, включать в себя регулирование или стабилизацию выходного напряжения V2. Благодаря компоновке с обратной связью схемы 10 управления коэффициентом мощности напряжение на выходном конденсаторе C2 необязательно должно повышаться, чтобы регулировать коэффициент мощности. В конфигурации известной схемы управления коэффициентом мощности известная схема управления коэффициентом мощности содержит повышающую конфигурацию, чтобы корректировать коэффициент мощности, по существу, до единицы. Эта повышающая конфигурация имеет несколько недостатков в том, что пусковой ток может быть относительно высоким, и в том, что повышение выходного напряжения требует, чтобы электрические компоненты нагрузки 20, подключенной через выходной конденсатор C2 известной схемы управления коэффициентом мощности, были способны выдерживать повышенное выпрямленное выходное напряжение. Такие электрические компоненты в типичном варианте являются более дорогостоящими, чем низковольтные электрические компоненты, что увеличивает стоимость в известной схеме управления коэффициентом мощности. Благодаря конфигурации с обратной связью схемы 10 управления коэффициентом мощности согласно изобретению выходное напряжение V2 на выходном конденсаторе C2 может регулироваться до относительно низкого напряжения, в то же время управляя коэффициентом мощности, по существу, до единицы.

Схема IC1 возбуждения может, например, управлять временем Ton "включения" (см. фиг.6) переключателя M1, в котором продолжительность времени Ton "включения" определяет выходное напряжение V2. Время Ton "включения" переключателя M1 определяет количество энергии, перекачиваемой в выходной конденсатор C2, и, таким образом, управляет напряжением на выходном конденсаторе C2, определяющим выходное напряжение V2. Изменяя время Ton "включения", выходное напряжение V2 может, например, быть отрегулировано или стабилизировано. Изменение времени Ton "включения" может, например, основываться на сигнале обратной связи. Альтернативно, схема IC1 возбуждения может, например, управлять пиковым током Ipeak (см. фиг.6) через переключатель M1. Пиковый ток Ipeak управляет энергией, которая перекачивается в выходной конденсатор C2, и, таким образом, определяет выходное напряжение V2. Изменяя значение пикового тока Ipeak, выходное напряжение V2 может, например, быть отрегулировано или стабилизировано.

В варианте осуществления схемы 10 управления коэффициентом мощности, которая показана на фиг.1, дросселем L1 является первичная обмотка трансформатора T1. Вторичная обмотка L3 трансформатора T1 может использоваться, чтобы обеспечивать дополнительное напряжение V3 через дополнительную выходную схему 40. Дополнительная выходная схема 40 содержит дополнительный выпрямитель D12 и дополнительный выходной конденсатор C3, размещенные последовательно. Дополнительное выходное напряжение V3 связывается с выходным напряжением V2 схемы 10 управления коэффициентом мощности через трансформатор T1. В результате, когда выходное напряжение V2 схемы 10 управления коэффициентом мощности регулируется или стабилизируется, это происходит и с дополнительным выходным напряжением V3. Дополнительно трансформатор T1 формирует гальваническую развязку любой нагрузки, присоединенной через дополнительный выходной конденсатор C3, и позволяет дополнительному выходному напряжению V3 отличаться от выходного напряжения V2. Благодаря связи между выходным напряжением V2 и дополнительным выходным напряжением V3 это дополнительное выходное напряжение V3 может также использоваться в качестве сигнала обратной связи для регулирования или стабилизации выходного напряжения V2 (как показано в схеме на фиг.2).

Нагрузка 20 схемы 10 управления коэффициентом мощности может быть любой нагрузкой 20, предпочтительно нагрузкой 20, которая требует управления коэффициентом мощности. Особенно когда выходное напряжение V2 на выходном конденсаторе C2 регулируется или стабилизируется, нагрузка 20 может быть любым прибором, который требует стабилизированного выпрямленного выходного напряжения V2. Нагрузка 20 может также быть дополнительным преобразователем 20 мощности для преобразования выпрямленного выходного напряжения V2 в дополнительное выходное напряжение. В варианте осуществления, показанном на фиг.1, нагрузка 20 схемы 10 управления коэффициентом мощности является схемой 20 инвертора, которая преобразует выпрямленное выходное напряжение V2 схемы 10 управления коэффициентом мощности в переменное выходное напряжение на дополнительном дросселе L4. Схема 20 инвертора содержит драйвер IC2 инвертора для возбуждения первого переключателя M2 инвертора и второго переключателя M3 инвертора, которые размещены последовательно. Последовательная компоновка первого переключателя M2 инвертора и второго переключателя M3 инвертора размещается параллельно выходному конденсатору C2 схемы 10 управления коэффициентом мощности. Драйвер IC2 инвертора возбуждает первый переключатель M2 и второй переключатель M3 попеременно и преобразует выпрямленное выходное напряжение V2 на выходном конденсаторе C2 в переменное выходное напряжение. Кроме того, схема 20 инвертора содержит последовательную сборку дополнительного дросселя L4 и сглаживающего конденсатора C4, размещенного параллельно второму переключателю M3 инвертора. В варианте осуществления, который показан на фиг.1, дополнительным дросселем L4 является первичная обмотка L4 дополнительного трансформатора T2. Дополнительная вторичная обмотка L5 дополнительного трансформатора T2, например, соединяется через дополнительный сглаживающий конденсатор C5 с флюоресцентной лампой 25 с холодным катодом, являющейся нагрузкой 25 схемы 20 инвертора. Дополнительный трансформатор T2 может использоваться, чтобы формировать гальваническую развязку между CCFL-лампой 25 и электрической сетью, и может использоваться, чтобы повышать амплитуду переменного выходного напряжения, например, до 2 кВ, которое требуется, чтобы задействовать CCFL-лампы 25.

На фиг.2 показана принципиальная схема варианта осуществления универсального сетевого источника 100 электропитания согласно изобретению. В принципиальной схеме, показанной на фиг.2, выпрямляющая схема 30 электрической сети и схема 10 управления коэффициентом мощности снова указаны с помощью пунктирных многоугольников. По причинам упрощения многоугольник, имеющий ссылочный номер 10, который указывает схему 10 управления коэффициентом мощности, не включает в себя схему IC1 возбуждения, поскольку многоугольник станет слишком сложным. Однако схема IC1 возбуждения, конечно, является частью схемы 10 управления коэффициентом мощности. Нагрузка 20 схемы 10 управления коэффициентом мощности указывается с помощью резистора R93 и может быть любой нагрузкой 20, как уже указано, включающей в себя дополнительный преобразователь 20 мощности (см. фиг.1). Выпрямляющая схема 30 электрической сети также содержит дроссель L6 фильтрации высших гармоник. Дополнительная выходная схема 40 также указана с помощью пунктирного прямоугольника, имеющего ссылочный номер 40. МОП-транзистор M1 используется в качестве переключателя M1 схемы 10 управления коэффициентом мощности.

Принципиальная схема, которая показана на фиг.2, дополнительно содержит схему 50 обнаружения, в которой дополнительное выходное напряжение V3 сравнивается с опорным напряжением, созданным стабилитроном D13. Разность между дополнительным выходным напряжением V3 и опорным напряжением предоставляется через оптопару X1 схеме IC1 возбуждения в качестве напряжения рассогласования.

Схема 51 является вспомогательным источником для схемы IC1 возбуждения. Она формирует VCC-напряжение для L6562 (8 выводов), выпрямляя положительную регулируемую часть вспомогательного выходного напряжения на вспомогательном дросселе L2. Кроме того, схема 51 также позволяет оптопаре X1 возбуждать ток (когда она активирована) на выводе 1 схемы IC1 возбуждения (вход для напряжения рассогласования).

В варианте осуществления универсального сетевого источника 100 электропитания, который показан на фиг.2, схемой IC1 возбуждения является PFC-контроллер L6562. Эта схема IC1 возбуждения управляет выходным напряжением V2, управляя пиковым током Ipeak (см. фиг.6) тока через переключатель M1. Сигнал обратной связи, являющийся напряжением рассогласования, который обнаруживается в схеме 50 обнаружения, предоставляется схеме IC1 возбуждения на выводе 2 в L6562. Схема IC1 возбуждения дополнительно принимает выпрямленное напряжение электрической сети на выводе 3. Схема IC1 возбуждения умножает напряжение рассогласования на выводе 2 на выпрямленное напряжение электрической сети на выводе 3 с помощью большой постоянной времени по сравнению с частотой электрической сети (равняющейся 50 или 60 Герц). Результат этого умножения определяет максимальный пиковый ток Ipeak в переключателе М1 через его отображение на резисторе Rse, подключенном к выводу 4. Изменение пикового тока Ipeak согласно обнаруженному напряжению рассогласования дает возможность схеме IC1 возбуждения регулировать или стабилизировать выходное напряжение V2, в то же время управляя коэффициентом мощности универсального сетевого источника 100 электропитания, по существу, до единицы.

Альтернативно, схема IC1 возбуждения может, например, быть PFC-контроллером NCP 1606. Эта схема IC1 возбуждения управляет временем Ton "включения" переключателя M1, чтобы регулировать выходное напряжение V2. Время Ton "включения" переключателя M1 определяет количество энергии, перекачиваемой в выходной конденсатор C2, и, таким образом, управляет напряжением на выходном конденсаторе C2, определяющим выходное напряжение V2. Схема IC1 возбуждения может, например, также использовать напряжение рассогласования, ассоциированное с дополнительным выходным напряжением V3, чтобы определять время Ton "включения" переключателя M1. Изменяя время Ton "включения" переключателя M1, схема IC1 возбуждения может регулировать или стабилизировать выходное напряжение V2.

На фиг.3A показано выпрямленное напряжение V(1) электрической сети в зависимости от времени T, фиг.3B показывает ток i(M1) через переключатель M1 в зависимости от времени T, а фиг.3C показывает результирующий ток i(main), который наблюдается в электрической сети в зависимости от времени T. Как может быть видно из фиг.3C, ток i(main) через переключатель M1 имеет, по существу, форму синусоиды.

На фиг.4A показано напряжение V(L1) на дросселе L1 схемы 10 управления коэффициентом мощности. Как можно увидеть на фиг.4A, огибающая линия положительной части выпрямляется с помощью диода D1 и создает регулируемое выходное напряжение V2. Отрицательная часть напряжения V(L1) на дросселе L1 является отображением выпрямленного напряжения электрической сети. Фиг.4B показывает напряжение V(L3) на вторичной обмотке L3 трансформатора T1, содержащего дроссель L1 схемы 10 управления коэффициентом мощности. Как может быть видно на фиг.4A и 4B, по существу, получается та же форма волны напряжения V(L3) на вторичной обмотке L3, что и форма волны напряжения V(L1) на дросселе L1. В результате дополнительное выходное напряжение V3 следует за выходным напряжением V2, и, таким образом, поскольку уровень выходного напряжения V2 управляется, чтобы формировать регулируемое выходное напряжение V2, дополнительное выходное напряжение V3 также регулируется.

Напряжение V3 на дополнительном выходном конденсаторе C3 (см. фиг.1) все еще содержит относительно небольшую пульсацию в 100 Герц. Эта 100-герцовая пульсация существует из-за того, что огибающая линия тока, который нагружает выходной конденсатор C2 (которая является такой же огибающей линией, что и i(M1) на фиг.3B), имеет большую 100-герцовую составляющую, получающуюся в результате выпрямленных 50 Гц. Эта 100-герцовая составляющая не может быть полностью объединена в выходном конденсаторе C2 из-за того, что частота слишком низкая. В результате в выходном напряжении V2 на выходном конденсаторе C2 остается остаточная пульсация. Эта пульсация является обратно пропорциональной величине емкости выходного конденсатора C2. Поскольку дополнительное выходное напряжение V3 на дополнительном выходном конденсаторе C3 является отображением выходного напряжения V2, эта пульсация также может быть видна в дополнительном выходном напряжении V3.

На фиг.5 показано напряжение V(L3) на вторичной обмотке L3 более подробно. Схема IC1 возбуждения управляет переключателем M1 с частотой в диапазоне между 30 кГц и 80 кГц. Это может быть видно более подробно на фиг.5 как устойчивые участки волн. Выбранная частота, главным образом, зависит от нагрузки 20 схемы 10 управления коэффициентом мощности. По существу, горизонтальная линия на уровне напряжения в 24 В является выпрямленным выходным напряжением V3 на дополнительном выходном конденсаторе C3.

На фиг.6 показан ток i(M1) через переключатель М1, ток i(L1) через дроссель L1 и ток i(D1) через выпрямитель D1 в зависимости от времени схемы 10 управления коэффициентом мощности согласно изобретению. Как может быть видно из фиг.6, переключатель M1 замкнут и проводит ток i(M1). В то же время ток i(L1) через дроссель L1 также увеличивается. После предварительно определенного времени Ton "включения" или после того, как ток i(M1) через переключатель M1 достигает предварительно определенного пикового тока Ipeak, схема IC1 возбуждения выключает переключатель M1, который останавливает проведение тока. Выпрямитель D1 начинает проводить ток, как может быть видно посредством тока i(D1), через выпрямитель D1 и начинает заряжать выходной конденсатор C2, в то время как ток i(L1) через дроссель L1 уменьшается. Когда ток i(L1) через дроссель L1 прекращает протекать, выпрямитель D1 также не проводит ток, накапливая энергию, переданную от дросселя L1 выходному конденсатору C2, в выходном конденсаторе C2.

Следует отметить, что вышеуказанные варианты осуществления иллюстрируют, а не ограничивают изобретение, и специалисты в данной области техники способны разработать множество альтернативных вариантов осуществления без отступления от объема прилагаемой формулы изобретения.

В формуле изобретения все номера ссылок, помещенные в круглые скобки, не должны рассматриваться как ограничивающие формулу изобретения. Использование глагола "содержать" и его спряжений не исключает присутствия элементов или этапов, отличных от установленных в формуле. Единственное число элемента не исключает наличия множества таких элементов. Изобретение может быть осуществлено посредством аппаратных средств, содержащих несколько отдельных элементов. В устройстве, в котором формула перечисляет несколько средств, некоторые из этих средств могут быть осуществлены одним и тем же элементом аппаратных средств. Простой факт того, что определенные меры упомянуты в различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает того, что комбинация этих мер не может быть использована с выгодой.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в схеме управления коэффициентом мощности и к универсальному сетевому источнику электропитания. Техническим результатом является повышение надежности. Схема (10) управления коэффициентом мощности содержит входные узлы (n1, n2), которые принимают выпрямленное входное напряжение, являющееся выпрямленным входным напряжением электрической сети, и схему (IC1) возбуждения, которая возбуждает переключатель (M1). Последовательная сборка переключателя и дросселя (L1) размещена между входными узлами. Последовательная сборка выпрямителя (D1) и выходного конденсатора (С2) размещена параллельно дросселю (L1). Выпрямитель не проводит ток, когда переключатель замкнут. Схема возбуждения возбуждает переключатель для формирования синусоидального тока через переключатель, который синхронизирован с синусоидальным напряжением входного напряжения электрической сети. Благодаря компоновке выходного конденсатора в схеме управления коэффициентом мощности выходной конденсатор может заряжаться только после первого цикла проведения электрического тока переключателя. Преимуществом этой компоновки является то, что пусковой ток не возникает ни до, ни после первого цикла проведения тока переключателя. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Схема (10) управления коэффициентом мощности, содержащая:
входные узлы (n1, n2) для приема выпрямленного входного напряжения, являющегося выпрямленным входным напряжением электрической сети,
схему (IC1) возбуждения для возбуждения переключателя (M1),
последовательную сборку переключателя (M1) и дросселя (L1), размещенную между входными узлами (n1, n2) схемы (10) управления коэффициентом мощности,
последовательную сборку выпрямителя (D1) и выходного конденсатора (С2), размещенную параллельно дросселю (L1), причем выпрямитель (D1) не проводит ток, когда переключатель (M1) замкнут, при этом
указанная схема (IC1) возбуждения выполнена с возможностью возбуждения переключателя (M1), чтобы формировать, по существу, синусоидальный ток через переключатель (M1), который, по существу, синхронизирован с синусоидальным напряжением входного напряжения электрической сети, и приема управляющего сигнала, чтобы управлять амплитудой синусоидального тока (i(M1)) через переключатель (M1) для управления уровнем выходного напряжения (V2), являющегося напряжением на выходном конденсаторе (С2),
при этом дросселем (L1) является первичная обмотка в трансформаторе (Т1), причем вторичная обмотка (L3) трансформатора (Т1) соединена последовательно с дополнительным выпрямителем (D12) и дополнительным выходным конденсатором (СЗ) для предоставления дополнительного выходного напряжения (V3), регулируемого и отслеживающего выходное напряжение (V2).

2. Схема (10) управления по п.1, в которой управляющий сигнал, чтобы управлять амплитудой синусоидального тока (i(M1)) через переключатель (M1), содержит дополнительное выходное напряжение (V3) для управления уровнем выходного напряжения (V2), являющегося напряжением на выходном конденсаторе (С2).

3. Схема (10) управления по п.1, в которой управляющий сигнал ассоциирован с выходным напряжением (V2) для регулирования выходного напряжения (V2).

4. Схема (10) управления по любому из пп.1, 2 или 3, в которой выпрямителем (D1) является диод (D1), или диодный мост, или дополнительный переключатель, конфигурируемый, чтобы не проводить ток, когда переключатель (M1) замкнут.

5. Схема (10) управления по любому из пп.1, 2 или 3, в которой схема (IC1) возбуждения сконфигурирована для управления временем (Тоn) "включения" переключателя (M1), причем продолжительность времени (Тоn) "включения" определяет выходное напряжение (V2).

6. Схема (10) управления по п.5, в которой схема (IС1) возбуждения сконфигурирована для изменения времени (Ton) "включения" переключателя (M1) для стабилизации выходного напряжения (V2).

7. Схема (10) управления по любому из пп.1, 2 или 3, в которой схема (IС1) возбуждения сконфигурирована для управления пиковым током (Ipeak) через переключатель (M1) для определения выходного напряжения (V2).

8. Схема (10) управления по п.7, в которой схема (IС1) возбуждения сконфигурирована для изменения пикового тока (Ipeak) для стабилизации выходного напряжения (V2).

9. Универсальный сетевой источник (100) электропитания, содержащий схему (10) управления коэффициентом мощности по любому из предшествующих пунктов.

10. Универсальный сетевой источник (100) электропитания по п.9, в котором схема (20) инвертора размещена параллельно выходному конденсатору (С2) для преобразования регулируемого выходного напряжения (V2) в регулируемое переменное выходное напряжение.

11. Универсальный сетевой источник (100) электропитания по п.10, в котором схема (20) инвертора содержит драйвер (IC2) инвертора, последовательную сборку первого переключателя (М2) инвертора и второго переключателя (М3) инвертора, размещенную параллельно выходному конденсатору (С2), и последовательную сборку дополнительного дросселя (L4) и сглаживающего конденсатора (С4), размещенную параллельно второму переключателю (М3) инвертора, причем указанный драйвер (IC2) инвертора конфигурируется для возбуждения первого переключателя (М2) и второго переключателя (М3) для преобразования выпрямленного регулируемого выходного напряжения (V2) в регулируемое переменное выходное напряжение.

12. Универсальный сетевой источник (100) электропитания по п.11, в котором дополнительным дросселем (L4) является первичная обмотка дополнительного трансформатора (Т2), содержащего дополнительную вторичную обмотку (L5), соединенную с нагрузкой через дополнительный сглаживающий конденсатор (С5).