具有功率因数校正电路的用于照明用具的操作设备的制作方法
【专利摘要】为了实现照明用具的操作设备(3)的功率因数校正，为电感器(7)提供输入电压(Vin)，其中，接通以及断开与所述电感器(7)耦合的可控型开关装置(13)，以便选择性地给所述电感器(7)充电以及放电。用于控制所述开关装置(13)的控制单元(14)被设计为依据所述功率因数校正电路的输出电压(Vout)获得用于接通所述开关装置(13)的接通时间(Ton)并且选择性地根据第一运行模式和第二运行模式中的至少一个来控制所述开关装置(13)，其中，根据获得的接通时间(Ton)的时长来进行第一运行模式下的运行以及第二运行模式下的运行。
【专利说明】具有功率因数校正电路的用于照明用具的操作设备
[0001]本发明涉及一种具有功率因数校正的用于照明用具的操作设备以及一种用于操作具有功率因数校正的用于照明用具的操作设备的方法。本发明尤其涉及具有借助交流电压/直流电压变压器的功率因数校正的用于照明用具的操作设备的【技术领域】，其中，本发明优选适用于照明用具、例如发光二极管或者气体放电灯的操作设备或者电子镇流器。
[0002]照明用具的操作设备是非线性的，因为其具有由整流器和串接在后面的、被设计为逆整流器或者直流转换器的激励电路构成的组合，照明用具通过所述激励电路运行。另夕卜，照明用具的特征曲线通常是非线性的，其中，例如对于发光二极管而言或者甚至对于气体放电灯、尤其是荧光灯管而言，就是这种情况。据此，在这种电子镇流器或者照明用具的其他操作设备中，也通常采用功率因数校正电路，其中，由于要通过规格标准来调控允许向供电网络发回的高次谐波，因而这也是值得推荐的。
[0003]功率因数校正(“Power Factor Correction”，PFC)被用来消除或者说至少减少输入电流中的高次谐波电流。高次谐波电流尤其可能出现于例如在电源件内具有后续滤波的整流器的非线性的用电设备中，因为在这种用电设备中，尽管输入电压是正弦形的，但输入电流的相位也发生了变位，而变成了非正弦形。可通过串接在每个设备之前的有源型或者定时型功率因数校正电路来抵抗其中出现的高频率的谐波振荡，因为功率因数校正消除了非线性的电流消耗并且形成这样的输入电流，使得其基本为正弦形。
[0004]对于功率因数校正电路，通常使用基于也被称作为升压转换器或者上变频器的升压型变换器的电路拓扑。其中，通过接通/断开可控的开关使得被供以整流后的交流电压的电感器或者线圈加载输入电流或者释放输入电流。所述电感器的放电电流流经二极管，通向所述变换器的与输出电容器耦合的输出端口，从而可在该输出端口上测量到比输入电压更高的直流电压。然而，在功率因数校正电路中，同样也常见其他变换器类型，例如反激变换器或者降压型变换器。
[0005]这种功率因数校正电路可以不同的运行模式运行，例如在《Control TechniquesFor Power Factor Correction Converters〉〉，L.Rossetto、G.Spiazz1、P.Tenti, Proc.0fPEMC94, Warsaw, Poland, pp.1310-1318，1994中借助升压型变换器对这些不同的运行模式予以了说明。尤其是已知一种连续的电流通过此前提到的电感器的运行模式(即所谓的“Continuous Conduction Mode (连续导通模式)”，CCM), 一种不连续的电感器电流或者线圈电流的运行模式(“Discontinuous Conduction Mode (不连续导通模式)”，DCM)或者一种介于连续电流与不连续电流通过电感器(“Borderline Conduction Mode”或者“Boundary ConductionMode” (临界导通模式),BCM)之间的界限区域中的运行模式。
[0006]因此，例如在BCM运行模式中，将线圈放电阶段过程中线圈电流每一次的下降至零作为启动新的开关循环以及重新接通开关的时机，以便重新给线圈充电。在DCM运行模式中则反之，在线圈电流于放电阶段过程中下降到零之后，先等待一段预先给定的额外的时间，直到开关重新被关断。
[0007]对于各种已知的运行模式的其他细节的完整内容，详见上述出版物。
[0008]各种运行模式具有不同的优点，因此，通常依据功率因数校正电路在运行过程中的运行条件而在各种运行模式之间转换。
[0009]其中主要面临这样的问题，即:要可靠地使用简单的装置来对各个运行模式之间的转换进行控制。
[0010]因此，本发明的根本目的在于，为照明用具的操作设备提供一种用于功率校正的电路和方法，其中，能够在不同的运行模式之间简单且可调节地进行转换。尤其是需要能够在DCM与BCM运行模式之间简单地实现可调节的转换。
[0011]上述目的根据本发明通过一种具有根据权利要求1所述的功率因数校正电路的用于照明用具的操作设备以及一种根据权利要求14所述的、用于操控具有功率因数校正的且用于照明用具的操作设备的方法得以实现。附属的权利要求限定了本发明的有利以及优选的实施方式。[0012]根据本发明的具有功率因数校正且用于照明用具的操作设备包括与输入端口相耦合的电感器以及可控的开关装置，其中，通过关断和闭合所述开关装置选择性地给所述电感器充电或者放电。在电感器放电时出现的放电电流被导向所述电路的输出端口。此外提供了控制单元，所述控制单元根据输出电压获得用于闭合所述开关装置的接通时间并且选择性地根据第一运行模式和第二运行模式中的至少一个来控制所述开关装置，其中，根据所获得的接通时间的持续时长，根据第一运行模式或者第二运行模式来控制所述开关装置。通过这种方式，就能够用简单的装置实现不同运行模式之间的转换。
[0013]根据本发明的一种优选的实施方式，基于根据输出电压所确定的额定接通时间与最小接通时间之间的对比，得出所述开关装置的接通时间，其中，为便于对第一运行模式与第二运行模式之间的转换进行调整，尤其是最小接通时间是可变的。这就确保了，能够以简单的方式根据不同的运行条件、尤其是不同的负载条件来调整运行模式之间的转换。
[0014]所述第一运行模式尤其可指的是功率因数校正电路的一种具有不连续的电感器-电流的运行状态(“不连续导通模式”，DCM)，所述第二运行模式涉及的是介于连续电流与不连续电流之间的一种运行状态(“边界导通模式”或者“临界导通模式”，BCM)。原则上，本发明也可被应用到负载因数校正电路的其他运行模式。
[0015]根据本发明的一种实施方式，如果额定接通时间大于最小接通时间，则所述控制单元则按照第一运行模式来控制所述开关装置，否则即按照第二运行模式来控制所述开关
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[0016]如果第二运行模式指的是BCM运行状态，就可优选如此控制单元，使得其测量额定接通时间与最小接通时间之间的差值并且根据这个差值计算直到开始电感器的一个新的放电循环(即直到所述开关装置重新关断)的等待时间，其中，根据这个差值借助预先给定的、被寄存在所述控制单元内的特征曲线或者表来得出上述等待时间。
[0017]根据本发明的电路尤其是用于交流电压/直流电压转换器的功率因数校正，因此，在这种情况下，输入电压指的是已被整流的交流电压，输出电压则指的是直流电压。此外，优选根据升压型变换器的拓扑来构建根据本发明的功率因数校正电路，因此，所述电感器的放电电流经由二极管被导向与输出电感器相耦合的输出端口。然而，本发明当然也可被应用于其他能够在功率因数校正电路中应用的变换器拓扑。
[0018]根据本发明的控制单元优选被设计成集成电路的形式、尤其是ASIC电路的形式，仅具有一个共同的用于识别与输出电压相对应的测量值以及与通过电感器的电流或者说该电流的过零相对应的测量值的测量输入端口，其中，还存在一个控制单元的输出端口，用于向优选被设计成FET开关形式的开关装置输出控制信号，所述控制单元由此可被设计为仅具有两个接口类型。根据本发明的功率因数校正电路尤其是被设计为用于在照明用具的操作设备内运行或者在照明用具的电子镇流器内运行，其中，所述照明用具指的是放电灯、荧光灯或者发光二极管管等等。在这种应用情况下，上面所述的本发明能够以简单的方式根据不同的功率水平或者各自所用的操作设备或者镇流设备的组成对所述功率因数校正电路进行调整。
[0019]本发明还涉及一种用于操作用于照明用具的、包括用于交流电压/直流电压转换器的功率因数校正的操作设备的方法，包括以下步骤:
[0020]-将输入电压连接到电感器；
[0021]-选择性地通过关断和导通与所述电感器耦合的开关装置来给所述电感器充电和放电；
[0022]-根据转换器的输出电压计算所述开关装置的接通时间；以及
[0023]-选择性地按照第一运行模式和第二运行模式来控制所述开关装置；
[0024]其中，根据所得出的接通时间的持续时长选择性地按照第一运行模式或者第二运行模式来控制所述开关装置。
[0025]下面参照附图借助优选的实施方式阐述本发明。
[0026]图1为一种根据本发明的一种实施方式的功率因数校正电路；
[0027]图2为用于阐述功率因数校正电路的“临界导通模式”的运行状态(BCM)的图示；
[0028]图3为用于阐述功率因数校正电路的“不连续导通模式”的运行状态(DCM)的图示；
[0029]图4为用于阐述一种根据本发明的一种实施方式的、介于BCM运行状态与DCM运行状态之间的转换的图示；以及
[0030]图5为用于阐述在DCM运行状态下确定等待时间的图示。
[0031]在图1中示出了照明用具的操作设备的功率因数校正电路2。现借助交流电压/直流电压转换器示出了根据本发明的一种优选实施方式的功率因数校正电路2。所述照明用具的操作设备的其他零件并未示出，仅象征性地示出了负载3。
[0032]其中，在图1中得出，供电交流电压、例如电源电压由整流器I转换成整流后的交流电压，该交流电压因而作为输入交流电压Vin出现在功率因数校正电路2的输入端口 4与接地线之间。输入交流电压Vin由滤波电容器6滤波并且被导入电感器或线圈7。所述电感器7与位于功率因数校正电路的输入端口 4与输出端口之间的二极管8串联接通。在与输出直流电压电容器9耦合的输出端口 5上提供输出直流电压Vout。
[0033]所述输出直流电压Vout用于提供负载3，功率因数校正电路2被布置在该负载的上游。所述负载例如可以是照明用具、例如荧光灯、卤素灯或者发光二极管装置等的激励电路。这类激励电路通常被设计成为驱动照明用具的逆整流器或者甚至是直流电压转换器。所述激励电路例如可被设计成反激变换器、返驰式转换器或者甚至是板桥共振转换器。所述激励电路还可被设计为是电位隔离的并且例如具有变压器。还可提供多个激励级，用于控制功率因数校正电路2的一个或多个照明用具。
[0034]例如可被实施为场效应晶体管形式的可控型电子开关13被连接到电感器7与二极管8之间的连接，其中，所述开关13在所示的实施方式中经由分流电阻12而与接地线相连。由两个电阻10、11构成的串联电阻与所述开关13并联连接，这两个电阻与位于所述开关13与所述分流电阻12之间的连接点相连。所述电阻10、11优选具有比分流电阻12明显更大的电阻值。
[0035]在开关13接通的状态下，电感器7经由开关13和分流电阻12而与接地线相连接，其中，二极管8阻止电感器7被充电以及电能被蓄积在电感器内。反之，如果开关13断开、也即关断，二极管8则被导通，电感器7由此通过二极管8向输出电容器9放电，蓄积在电感器7内的电能就被传输到输出电容器9中。
[0036]所述开关13由控制单元14控制，所述控制单元优选被设计为集成电路的形式，尤其是ASIC的形式。通过用明显比整流后的输入交流电压Vin的频率更高的频率反复接通以及断开开关13，来实现功率因数校正。开关13的接通操作以及断开操作的频率、进而电感器7的充电和放电循环通常处于多个IOkHz的范围内。
[0037]在图1所示的功率因数校正电路2的以升压型变换器的拓扑为基础的实施方式(因而输出电压Vout大于输入电压Vin)中，实现了开关13的有效的接通和断开，并且根据输出电压Vout以及尤其根据流过电感器7的电流L的过零确定相应的接通时长。然而，在特定的运行模式下，尤其是在所谓的“连续导通模式”(连续的电流通过电感器7)下，也可根据达到其他的电流极限值来实现开关。
[0038]在图1所示的实施方式中，可借助仅一个测量电路同时来监视输出电压Vout以及通过电感器7的电流Iy所述测量电路包括此前所提到的电阻10和11，其中，所述控制单元14的输入端口与位于两个电阻10、11之间的测量点相连。
[0039]在接通开关13使得通过电感器7的电流込线性地升高的同时，其中，该电流込经由开关13和分流电阻12流向接地线，因此，分流电阻12上的电压下降是充电电流的标准，进而成为了流经开关13的电流的标准。因为由电阻10和11构成的串联电路在接通开关13的充电阶段短路，因此，在控制单元14的输入端口上形成的电压成为流经开关13的込的标准。
[0040]如果开关13被断开，则通过电感器7的电流込再次线性地下降并且经由二极管8流向负载3。所述二极管8在放电阶段的过程中导通，其中，输出电压Vout与通过经由电阻10至12下降的电压之间的较小的差是二极管8上的电压降。只有当放电电流L接近零位线或者说与其相交时，输出电压Vout与在电感器7与开关13之间的连接点上形成的电压之间的电压差才会明显。在这种也被称作“过零检测”(ZCD)的事件中，在位于电感器7与开关13之间的连接点上形成的电压呈现向下的电压特征曲线，而输出电压则几乎保持不变。在放电阶段的过程中，在控制单元14的输入端口上形成的电压成为通过电阻10-12的串联电路下降的电压的计量单位标准。因此，可由控制单元在绝大部分的放电阶段的过程中通过监视这一电压来检测输出电压Vout，并且在放电阶段结束时检测电流IJ贞测的ZCD事件。
[0041]所述控制单元14可通过与输出电压Vout的实际值相关的信息来确定开关13的下一个接通时长，其中，这例如可基于所测得的输出电压Vout与固定的参考电压之间的比较得以实现。根据这一比较结果，按照调控，由控制单元14对开关13的接通时长相应地进行调整，以便获得所期望的输出电压。[0042]反之，利用在电流込变化的过程中Z⑶事件的出现，确定开关13的下一接通时间点。
[0043]这可依据功率因数校正电路的每种运行模式以不同的方式实现。
[0044]图2示例性地示出了对于针对介于连续电流与不连续电流之间的界限区域内的运行状态(“临界导通模式(Boundary Conduction Mode)”，BCM)的电流Ilj的变化。在这种控制设计中，通过根据输出电压Vout的实际值所得出的接通时长Ton来接通开关13，其中，始终只有当通过电感器7的电流k再次下降至零时，才接通开关13，从而形成图2中所示的电流特征曲线。在图2中以虚线示出开关13的状态。因此，所述变换器同样是在介于具有连续电流的运行状态与具有不连续电流的运行状态之间的界限区域内的运行状态下运行。
[0045]反之，图3示例性地示出了对于针对具有不连续的电流变化的运行状态(“不连续导通模式”，DCM)的电流L的变化。与图2的BCM运行状态类似地，在这种情况下，电流在接通开关13时也会线性地升高，但其中在电流于开关13断开之后下降到零位线时，并不会立即启动一个新的开关循环，而是在重新接通开关13之前，还要等待一段额外的等待时间Twait，直到重新接通开关13。只有在经过这段等待时间Twait之后，开关13才重新被接通，以便重新给所述电感器7充电。因而就形成了图3中所示的不连续的电流变化。
[0046]可基于开关13的接通时间、尤其是基于由控制单元得出的开关13的额定接通时间与可预先给定的最小接通时间或者最低接通时间Tonmin之间的比较，实现图2和图3中所示的运行模式之间的转换。
[0047]如上面已经阐述过的那样，控制单元14在连续的运行中识别出输出电压Vout的实际值并且将其与特定的参考值进行比较。根据该比较结果，所述控制单元获得接通时间的额定值，以便能够通过相应地控制开关13而将输出电压微调到各自所期望的值。
[0048]如图4中所示，根据优选的实施方式设定为，如果由所述控制单元得出的额定接通时间大于最小接通时间Tonmin，则所述功率因数校正电路在BCM运行状态下运行。所有其他情况下，在DCM下运行。
[0049]由图4同样可得出，在BCM下运行的情况下，获得计算由控制单元得出的实际用于控制开关13的额定接通时间，实际上用来控制开关13，因此，对于BCM运行状态，根据电路的所要求的输出功率P，开关13的接通时间Ton形成了如图4所示的线性升高的变化曲线。但如果所述电路在DCM下运行，则恒定地以最小接通时间Tonmin接通开关13，S卩，开关13的接通时长被限定为最小接通时间Tonmin的值，其中，在DCM运行状态下，通过适当地选择等待时间Twait来调节所期望的运行点。
[0050]因此，根据各自所要求的输出功率P，形成了如图4中所示的开关13的接通时间Ton的变化曲线，其中，在DCM运行状态下，接通时间Ton被恒定地限定为所预先给定的最小接通时间Tonmin的值，而在BCM运行状态下，接通时间Ton对应于由控制单元14根据输出电压Vout所得出的额定接通时间并且线性地随着所要求的输出功率升高。在图3中还示出了，与图2中所示的BCM运行状态的接通时间Ton相比缩短了的接通时间Ton = DCM运行状态的Tonniin。
[0051]为了能够实现DCM运行状态与BCM运行状态之间可调的转换，在优选的实施方式中，最小接通时间Tonmin的值是可变的，因而可由用户通过适当地调节Tonmin来对功率因数校正电路的功能进行简单的调整以符合不同的负载水平和不同的负载组成，DCM运行状态与BCM运行状态之间的转变点由此能够可变地沿着Ton-特征曲线滑移。因此，尤其是可设定为，用户可根据分别所接通的负载而从多个所预先给定的Tonmin值中作出选择。然而，同样也可设想无级地调节Tonmin的值。
[0052]如上面所说明的那样，在DCM运行状态下，基于开关13的被限定为Tonniin的接通时长，通过适当地选择或者微调等待时间Twait，来调节各自所期望的运行点。可如此设计所述控制单元14，使得内部的调节器会根据上述的输出电压Vout的实际值与所预先给定的参考值之间的比较生成仅一个标称值，其表示开关13的接通时间的额定值，如上面参照图4所阐明的那样，根据每种运行类型，对该值进行处理。为了在DCM运行状态中将这个该额定值转换成等待时间Twait的合适的值，如图4中所说明的那样，要获得由控制单元14的调节器所提供的额定接通时间与最小接通时间Tonmin之间的差值Λ Ton。该Λ Ton数据最终由控制单元转换成等待时间Twait各自适合的值。
[0053]图5示例性地示出了可被用来将值Λ Ton转换成等待时间Twait的合适的值的特征曲线的走向。由图5中可以看出，在DCM运行状态下，等待时间Twait随着递减的差值Λ Ton而递增。由图5同样可以看出，等待时间Twait在转变到BCM运行状态时下降至零，因为在BCM运行状态下，根据定义，没有额外的等待时间，开关13就不能实现任何接通。在对控制单元14进行数字化设计时，图5中所示的特征曲线可例如以相应的表格的形式存储在控制单元14中。
【权利要求】
1.一种具有功率因数校正电路(2)的用于照明用具的操作设备(3)，包括: -输入端口(4)，用于接收输入电压(Vin)； -与所述输入端口⑷耦合的电感器(7)； -可控型开关装置(13)，所述可控型开关装置被设计为与所述电感器(7)耦合，以便选择性地通过断开和接通所述开关装置(13)来给所述电感器(7)充电以及放电； -输出端口(5)，用于输出输出电压(Vout);以及 -控制单元(14)，用于控制所述开关装置(13)； 其中，所述控制单元(14)被设计为根据输出电压(Vout)获得接通所述开关装置(13)的接通时间(Ton)并且选择性地根据至少第一运行模式和第二运行模式来控制所述开关装置(13)，其特征在于，所述控制单元(14)被设计为根据所获得的接通时间(Ton)的时长选择性地按照所述第一运行模式和所述第二运行模式来控制所述开关装置(13)。
2.根据权利要求1所述的用于照明用具的操作设备(3)，其特征在于，所述控制单元(14)被设计为基于根据输出电压所确定的额定接通时间与最小接通时间(Tonmin)之间的比较获得所述开关装置(13)的接通时间(Ton)。
3.根据权利要求2所述的用于照明用具的操作设备(3)，其特征在于，所述最小接通时间(Tonmin)是可变的，以适应所述第一运行模式与所述第二运行模式之间的转变。
4.根据权利要求2或3所 述的用于照明用具的操作设备(3)，其特征在于，所述控制单元(14)被设计为，如果额定接通时间大于最小接通时间(Tonmin)，则按照所述第一运行模式来控制所述开关装置(13)，否则按照所述第二运行模式来控制所述开关装置(13)。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的用于照明用具的操作设备(3)，其特征在于，所述控制单元(14)被设计为在所述第一运行模式下接通所述开关装置(13)以持续所述额定接通时间的时长，并且然后断开所述开关装置(13)，并且只有当在所述电感器(7)放电时，通过所述电感器(7)的电流(IJ下降到特定的电流限值时，才重新接通所述开关装置(13)。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的用于照明用具的操作设备(3)，其特征在于，所述控制单元(14)被设计为在所述第二运行模式下接通所述开关装置(13)以持续最小接通时间(Tonmin)的时长，并且然后断开所述开关装置(13)，并且只有在经过等待时间(Twait)之后，在确定所述电感器(7)放电时通过所述电感器(7)的电流(IJ下降到特定的电流限值的情况下，才重新接通所述开关装置(13)。
7.根据权利要求6所述的用于照明用具的操作设备(3)，其特征在于，所述控制单元(14)被设计为确定所述额定接通时间与所述最小接通时间(Tonmin)之间的差值并且根据差值获得所述等待时间(Twait)。
8.根据权利要求6或7所述的用于照明用具的操作设备(3)，其特征在于，所述控制单元(14)根据所述差值借助预先给定的特征曲线计算所述等待时间(Twait)。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的用于照明用具的操作设备(3)，其特征在于，所述电流限值为零。
10.根据上述权利要求中任一项所述的用于照明用具的操作设备(3)，其特征在于，所述可控型开关装置(13)经由二极管(8)与所述输出端口(5)耦合，从而使得在所述电感器(7)放电时通过所述电感器(7)的电流(IJ经由所述二极管⑶被供给到所述输出端口(5)。
11.根据权利要求10所述的用于照明用具的操作设备(3)，其特征在于，所述第一运行模式是通过所述电感器(7)的电流(IJ处于介于连续导电电流与不连续导电电流之间的边界区域中的运行模式。
12.根据权利要求10或11所述的用于照明用具的操作设备(3)，其特征在于，所述第二运行模式是不连续电流(IJ通过所述电感器(7)的运行模式。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的用于照明用具的操作设备(3)，其特征在于，与所述控制单元(14)耦合的识别装置(10至12)被设置为用于识别与输出电压(Vout)相对应的测量值以及与通过所述电感器(7)的电流(IJ过零相对应的测量值。
14.一种操控具有功率因数校正的用于照明用具的操作设备(3)的方法，所述方法用于交流电压/直流电压变压器(1，2)，所述方法包括以下步骤: -将输入电压(Vin)连接到电感器(7)； -选择性地通过断开和接通与所述电感器(7)耦合的开关装置(13)来为所述电感器(7)充电和放电； -根据所述变压器(1，2)的输出电压(Vout)获得所述开关装置(13)的接通时间(Ton);以及 -选择性地按照至少第一运行模式和第二运行模式来控制所述开关装置(13)； 其特征在于，根据获得的接通时间(Ton)的时长选择性地按照第一运行模式或者第二运行模式来控制所述开关装置(13)。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，使用根据权利要求1至13中任一项所述的用于照明用具的操作设备(3)来执行所述方法。
【文档编号】H02M3/156GK103597722SQ201280020596
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2012年4月26日 优先权日:2011年4月29日
【发明者】安德烈·米特巴切尔 申请人:赤多尼科两合股份有限公司