专利名称：功率因数校正电路及具有其的电源装置和电机驱动装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有辅助开关的功率因数校正电路，以及配有该电路的电源装置和电机驱动装置。
背景技术：
近期，全世界政府部门都提倡符合能源效率政策的高效能源使用，具体地，广泛建议在电子产品和家用电器中实行高效能源使用。在高效能源使用中，根据这些政府建议，用于向电子产品、家用电器等供电的电源装置可采用一种改进型电路。该改进型电路可以是例如功率因数校正电路。功率因数校正电路是用于切换输入功率并调整该输入功率的电流和电压之间的相位差(功率因数)从而高效地将功率传输至后续过程的一种电路。然而，由于要切换输入功率，所以功率因数校正电路可能会产生切换损失。另一方面，电子产品、家用电器等多数使用电机来进行预设操作，而且为了驱动这种电机，应当供给合适的功率，并且应当在电源装置中使用用于提高能量效率的功率因数校正电路来切换输入功率从而调整该输入功率的电流和电压之间的相位差。然而，在这点上，在切换输入功率时可能会产生切换损失。
发明内容
本发明的一个方面提供了一种能够在执行用于功率因数校正的切换之前将外加功率传输到地从而减小在功率因数校正的切换过程中所产生的切换损失的功率因数校正电路，以及具有该功率因数校正电路的电源装置和电机驱动装置。根据本发明的一个方面，提供一种功率因数校正电路，包括主开关，切换输入功率，以调整输入功率的电流与电压之间的相位差；以及辅助开关，在主开关接通之前被接通，以形成用于主开关的额外功率(extra power)的传输路径。该功率因数校正电路可进一步包括第一电感器，连接在输入功率端与主开关之间，以根据主开关的通断来蓄积或释放能量；以及第二电感器，连接在主开关和第一电感器的连接端与辅助开关之间，以调整辅助开关接通时流入辅助开关的电流量。该功率因数校正电路可进一步包括二极管，根据主开关的通断，提供用于从第一电感器释放的功率的传输路径；以及电容器，用于使从二极管传输的功率稳定。输入功率可以是经过整流的功率。辅助开关可在主开关接通之前被接通和断开，或在主开关接通之前被接通而在主开关接通之后被断开。该功率因数校正电路可进一步包括控制器，用于提供切换控制信号，以控制主开关和辅助开关的通断。主开关和辅助开关可以是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOS-FET)中的至少一种。根据本发明的另一个方面，提供了一种电源装置，包括功率因数校正电路，包括用于切换输入功率以调整输入功率的电流与电压之间的相位差的主开关以及在主开关接通之前被接通以形成用于主开关的额外功率的传输路径的辅助开关；功率转换单元，用于切换来自该功率因数校正电路的功率以将该功率转换成预设功率；以及切换控制器，用于控制该功率转换单元的功率切换。根据本发明的另一个方面，提供了一种电机驱动装置，包括功率因数校正电路，包括用于切换输入功率以调整输入功率的电流与电压之间的相位差的主开关以及在主开关接通之前被接通以形成用于主开关的额外功率的传输路径的辅助开关；驱动单元，用于切换来自功率因数校正电路的功率以驱动电机；以及驱动控制器，用于控制该驱动单元的功率切换。
从下文结合附图给出的详细描述中，本发明的上述的以及其他方面、特征和其他优势将被更加清晰的理解，其中图1是根据本发明实施方式的功率因数校正电路的示意性电路图；图2是根据本发明实施方式的功率因数校正电路中所使用的主开关及辅助开关的切换控制信号图；图3是示出了根据本发明实施方式的功率因数校正电路中所使用的辅助开关的切换波形的视图。图4是示了绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的特性的曲线图；图5是根据本发明实施方式的功率因数校正电路中所使用的主开关及辅助开关的切换时序图；图6和图7是示出了根据本发明实施方式的功率因数校正电路的主要部分的波形的曲线图；图8是示出了本发明的功率因数校正电路与现有技术的这种电路之间在切换损失方面的比较的图示；图9和图10分别是具有根据本发明实施方式的功率因数校正电路的电机驱动装置的示意性电路图；以及图11是具有根据本发明实施方式的功率因数校正电路的电源装置的示意图。
具体实施例方式现在将参照附图对本发明的实施方式进行详细描述。图1是根据本发明实施方式的功率因数校正电路的示意性电路图。参照图1，根据本发明实施方式的功率因数校正电路100可包括主开关SI及辅助开关S2，并且可进一步包括第一电感器LI和第二电感器L2、二极管D2以及电容器Cl。主开关SI可切换输入功率并调整该输入功率的电压和电流之间的相位差，从而校正功率因数。第一电感器LI连接在输入功率端与主开关SI之间，以根据主开关SI的通断来蓄积能量或释放能量。例如，当主开关SI被构造为晶体管时，第一电感器LI可连接在输入功率端和主开关SI的集电极之间。输入功率可以是整流功率，因此，整流电路Dl可对交流(AC)功率进行整流并将整流后的AC功率传输至功率因数校正电路。辅助开关S2可连接在第二电感器L2与地之间，且在主开关SI和辅助开关S2均是晶体管的情况下，第二电感器L2可连接在主开关SI的集电极与辅助开关S2的集电极之间。二极管Dl连接在第一电感器LI与输出端之间，以根据主开关SI的通断提供用于功率输出的传输路径，而且电容器Cl可与输出端并联连接以稳定输出功率。控制器110可提供切换控制信号Gl和G2，以控制主开关SI和辅助开关S2的接通和断开操作的切换。根据本发明实施方式的功率因数校正电路100的主开关SI可切换输入功率并调整该输入功率的电压和电流之间的相位差，从而校正功率因数，而且这里，当主开关Si被接通和断开时，辅助开关S2可形成用于剩余额外功率的传输路径。图2是根据本发明实施方式的功率因数校正电路中所使用的主开关及辅助开关的切换控制信号图；参照图1和图2，根据本发明实施方式的功率因数校正电路100的辅助开关S2在主开关SI被接通之前可形成用于额外功率的传输路径。即，辅助开关S2可将额外功率旁路到地。为此，控制器110可传输切换控制信号Gl和G2，用于在主开关SI被接通之前使辅助开关S2接通。据此，控制器110可在使主开关SI接通之前接通和断开辅助开关S2，或可在主开关SI接通之前使辅助开关S2接通并在主开关SI接通之后使辅助开关S2断开。另一方面，辅助开关S2可形成用于主开关SI的额外功率的传输路径以减小主开关SI的切换损失，但在这种情况下，会在辅助开关S2中产生切换损失。图3是示出了根据本发明实施方式的功率因数校正电路中所使用的辅助开关的切换波形的视图，以及图4是示出了绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的特性的曲线图。根据本发明实施方式的功率因数校正电路中所使用的辅助开关可以是晶体管中的IGBT，并且IGBT的切换损失可表示为IGBT接通时的电压Vce与电流I的乘积的积分值。为了使IGBT的切换损失最小化，需要使IGBT接通时的电压Vce与电流I的相交区域最小化。为此，当辅助开关S2接通时，电流I的斜率di/dt可通过第二电感器L2调整为使损失区域最小，而当辅助开关S2断开时，第二电感器L2会使下降时间延长以减小尖峰电压，由此避免了对辅助开关S2的损坏。这里，当辅助开关S2的下降时间被过分延长时，辅助开关S2的切换损失可能增大，因此需要将辅助开关S2的下降时间设定为在特定时间以下的范围内。图5是根据本发明实施方式的功率因数校正电路中所使用的主开关及辅助开关的切换时序图。参照图5，例如，控制器110可提供切换控制信号，以将主开关SI的接通区域设定为60. 5 μ S并将主开关SI的断开区域设定为2 μ S。这里，辅助开关S2的接通区域可设定为2 μ S，并且在这种情况下，主开关SI的接通区域与辅助开关S2的接通区域重叠的区域可被设定为700ns。图6和图7是示出根据本发明实施方式的功率因数校正电路的主要部分的波形的曲线图。参照图6和图7，值得注意的是，在辅助开关S2接通之后(I_S2的信号波形从低电平转换成高电平的区域)，切换控制信号Gl在流入主开关SI中的电流I_S1变为O的那一点处从低电平转换成高电平，实现了主开关SI中的零电压切换(ZVS)。同样，如图7所示，值得注意的是，辅助开关S2的下降时间缩短，以减小由第二电感器L2产生的尖峰电压。图8是示出本发明的功率因数校正电路与现有技术的功率因数校正电路之间在 切换损失方面的比较的图示。参照图8，值得注意的是，未使用辅助开关的现有技术的功率因数校正电路产生的切换损失为24. 35 μ J，而使用用于形成主开关SI的额外功率的传输路径的辅助开关S2的根据本发明实施方式的功率因数校正电路100产生的切换损失为14. 33 μ J，相比于现有技术的功率因数校正电路的情况，具有将切换损失减小约58%的效果。图9和图10分别是具有根据本发明实施方式的功率因数校正电路的电机驱动装置的示意性电路图。参照图9和图10，根据本发明实施方式的电机驱动装置200和300可包括功率因数校正电路210和310 ;驱动单元220和320 ;以及驱动控制器230和330。功率因数校正电路210和310与如图1所示的功率因数校正电路100相同，因此将省略对其的详细描述。参照图9和图10，各功率因数校正电路210和310的主开关SI和辅助开关S2均可由IGBT(210)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOS-FET) (310)构造。驱动单元220和320在接收到来自功率因数校正电路210和310的经功率因数校正的功率时，根据控制信号执行切换，以驱动电机Μ。这里，描述了通过供给3相功率来驱动电机M的实施方式，但电机M还可通过单相功率来驱动。驱动控制器230和330可控制来自功率因数校正电路210和310的经功率因数校正的功率的切换，从而控制电机M的驱动。图11是具有根据本发明实施方式的功率因数校正电路的电源装置的示意图。参照图11，电源装置400可包括功率因数校正电路410、功率转换单元420以及切换控制器430。功率因数校正电路410与如图1所示的功率因数校正电路100相同，因此将省略对其的详细描述。同样，如图9和图10所示，功率因数校正电路410的主开关SI和辅助开关S2均可由IGBT或MOS-FET构造。功率转换单元420可切换来自功率因数校正电路410的DC功率并将该DC功率转换成具有预设电压电平的DC功率，以向负载提供经转换的DC功率，而切换控制器430可根据输出DC功率的电压电平或电流电平控制功率转换单元420的切换。
如上所述，根据本发明实施方式，通过在用于功率因数校正的切换操作之前将额外功率传输到地，保证了功率因数校正切换的零电压切换，因此减小了功率因数校正切换中所产生的切换损失。如上所述，根据本发明实施方式，通过在用于功率因数校正的切换之前将额外功率传输到地，减小了在功率因数校正情形下发生的切换损失。尽管已结合实施方式示出并描述了本发明，但对于本领域技术人员显而易见的是，在不背离由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的前提下，可以进行修改和变型。
权利要求
1.一种功率因数校正电路，包括 主开关，切换输入功率，以调整所述输入功率的电流与电压之间的相位差；以及辅助开关，在所述主开关接通之前被接通，以形成用于所述主开关的额外功率的传输路径。
2.根据权利要求1所述的功率因数校正电路，进一步包括 第一电感器，连接在输入功率端与所述主开关之间，以根据所述主开关的通断来蓄积或释放能量；以及 第二电感器，连接在所述主开关和所述第一电感器的连接端与所述辅助开关之间，以调整所述辅助开关接通时流入所述辅助开关的电流量。
3.根据权利要求2所述的功率因数校正电路，进一步包括 二极管，根据所述主开关的通断，提供用于从所述第一电感器释放的功率的传输路径；以及 电容器，用于使从所述二极管传输的功率稳定。
4.根据权利要求1所述的功率因数校正电路，其中，所述输入功率是经整流的功率。
5.根据权利要求1所述的功率因数校正电路，其中，所述辅助开关在所述主开关接通之前被接通和断开，或在所述主开关接通之前被接通而在所述主开关接通之后被断开。
6.根据权利要求3所述的功率因数校正电路，进一步包括控制器，所述控制器提供切换控制信号，以控制所述主开关和所述辅助开关的通断。
7.根据权利要求1所述的功率因数校正电路，其中，所述主开关和所述辅助开关是绝缘栅双极型晶体管和金属氧化物半导体场效应晶体管中的至少一种。
8.一种电源装置，包括 功率因数校正电路，包括主开关，切换输入功率，以调整所述输入功率的电流与电压之间的相位差；以及辅助开关，在所述主开关接通之前被接通，以形成用于所述主开关的额外功率的传输路径； 功率转换单元，对来自所述功率因数校正电路的功率进行切换，以将所述功率转换成预设功率；以及 切换控制器，控制所述功率转换单元的功率切换。
9.根据权利要求8所述的电源装置，其中，所述功率因数校正电路进一步包括 第一电感器，连接在输入功率端与所述主开关之间，以根据所述主开关的通断来蓄积或释放能量；以及 第二电感器，连接在所述主开关和所述第一电感器的连接端与所述辅助开关之间，以调整所述辅助开关接通时流入所述辅助开关的电流量。
10.根据权利要求8所述的电源装置，其中，所述功率因数校正电路进一步包括 二极管，根据所述主开关的通断，提供用于从所述第一电感器释放的功率的传输路径；以及 电容器，用于使从所述二极管传输的功率稳定。
11.根据权利要求8所述的电源装置，进一步包括整流单元，所述整流单元对AC功率进行整流，以将经整流后的AC功率传输到所述功率因数校正电路。
12.根据权利要求8所述的电源装置，其中，所述辅助开关在所述主开关接通之前被接通和断开，或在所述主开关接通之前被接通而在所述主开关接通之后被断开。
13.根据权利要求10所述的电源装置，其中，所述功率因数校正电路进一步包括控制器，所述控制器提供切换控制信号，以控制所述主开关和所述辅助开关的通断。
14.根据权利要求8所述的电源装置，其中，所述主开关和所述辅助开关是绝缘栅双极型晶体管和金属氧化物半导体场效应晶体管中的至少一种。
15.—种电机驱动装置,包括 功率因数校正电路，包括主开关，切换输入功率，以调整所述输入功率的电流与电压之间的相位差；以及辅助开关，在所述主开关接通之前被接通，以形成用于所述主开关的额外功率的传输路径； 驱动单元，对来自所述功率因数校正电路的功率进行切换，以驱动电机；以及 驱动控制器，控制所述驱动单元的功率切换。
16.根据权利要求15所述的电机驱动装置，其中，所述功率因数校正电路进一步包括 第一电感器，连接在输入功率端与所述主开关之间，以根据所述主开关的通断来蓄积或释放能量；以及 第二电感器，连接在所述主开关和所述第一电感器的连接端与所述辅助开关之间，以调整所述辅助开关接通时流入所述辅助开关的电流量。
17.根据权利要求16所述的电机驱动装置，其中，所述功率因数校正电路进一步包括 二极管，根据所述主开关的通断，提供用于从所述第一电感器释放的功率的传输路径；以及 电容器，用于使从所述二极管传输的功率稳定。
18.根据权利要求15所述的电机驱动装置，进一步包括整流单元，所述整流单元对AC功率进行整流，以将经整流后的AC功率传输到所述功率因数校正电路。
19.根据权利要求15所述的电机驱动装置，其中，所述辅助开关在所述主开关接通之前被接通和断开，或在所述主开关接通之前被接通而在所述主开关接通之后被断开。
20.根据权利要求17所述的电机驱动装置，其中，所述功率因数校正电路进一步包括控制器，所述控制器提供切换控制信号，以控制所述主开关和所述辅助开关的通断。
21.根据权利要求15所述的电机驱动装置，其中，所述主开关和所述辅助开关是绝缘栅双极型晶体管和金属氧化物半导体场效应晶体管中的至少一种。
全文摘要
本发明提供了一种功率因数校正电路及具有其的电源装置和电机驱动装置，能够在执行用于功率因数校正的切换之前将额外功率传输到地，从而减小在功率因数校正的切换过程中所产生的切换损失。该功率因数校正电路包括主开关，切换输入功率以调整输入功率的电流与电压之间的相位差；以及辅助开关，在主开关接通之前被接通，以形成用于主开关的额外功率的传输路径。
文档编号H02M1/42GK103001483SQ20111045234
公开日2013年3月27日 申请日期2011年12月29日 优先权日2011年9月16日
发明者朴珉圭, 严基宙, 徐范锡 申请人:三星电机株式会社