JP2004509587A - 力率補正制御回路および同回路を含む電源 - Google Patents

力率補正制御回路および同回路を含む電源 Download PDF

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Abstract

ブースト電源のための力率補正回路であって、ブースト電源が、整流ACライン電圧に応答するブースト・コンバータ(18)を含むものである。1実施形態によれば、力率補正回路は、ブースト・コンバータの出力電圧に応答する第1の入力端子を有する電圧フィードバック増幅器と、電圧フィードバック増幅器の出力端子に接続した第1の入力端子と、前記整流ACライン電圧に応答する第2の入力端子とを有するスイッチング・マルチプライヤ回路と、スイッチング・マルチプライヤ回路の出力端子に接続した第1の入力端子と前記ブースト・コンバータの入力電流に応答する第2の入力端子とを有する電流フィードバック増幅器と、電流フィードバック増幅器の出力端子に接続した入力端子と、ブースト・コンバータのパルス幅変調スイッチに接続するための出力端子とを有するパルス幅変調器制御回路と、を備える。

Description

【0001】
発明の背景
発明の分野
本発明は、一般的にはパワーエレクトロニクスに関し、詳細には、力率補正(PFC)制御回路に関するものである。
背景の説明
ACライン電源からAC−DC電源を通して得られる平均的な電力は、常に、RMS(実効値)電圧とRMS電流との積未満である。この平均電力のRMS電圧とRMS電流の積に対する比率は、力率として知られている。例えば、70%の力率をもつコンバータとは、ライン供給から引き出す電力が、そのラインの電圧と電流の積の70%であること、したがって、1の力率で得ることができるもののたった70%であること、を意味する。
【0002】
電源のこの力率を増大させ、したがって電源の効率を向上させるため、力率補正(PFC)を用いることが知られている。確かに、PFCは、75ワット以上の入力電力をもつほとんどの電源にとっては、必要な特徴となっている。一般に、PFCでは、入力電流は、正弦波形を有し、しかもこの電流波形が入力電圧波形と同相であることが必要である。PFCのないオフライン・スイッチング電源では、入力電圧がその最大に近くになるときに高い値の入力キャパシタが急速に充電するとき、鋭いピークをもつ電流波形となる。これらキャパシタの平均的なフィルタリングおよび除去は、通常、サイズ、重さ、性能仕様を考慮すると、実際的な解決法とはならない。
【0003】
電流フィードバック・ループを使用する電流制御式のブースト・コンバータにおいて、PFCを実装することにより、ブースト・コンバータの入力電流波形の制御を、整流した正弦波基準に対しその電流を継続的に比較することによって制御することが知られている。整流した正弦波基準の振幅は、誤差信号に比例するように変更することができ、そしてその誤差信号は、このコンバータのDC出力に基づくものである。また、その正弦波基準の振幅をアナログ・マルチプライヤ回路にしたがって変化させ、これによって、整流した入力電圧にその誤差信号を乗算するようにすることも知られている。その結果、その出力電圧が所望の値より高い場合、誤差信号そして整流した正弦波基準の振幅は減少し、そして出力電圧が所定の値より低い場合、誤差信号および整流正弦波基準の振幅は増加する。
【0004】
代表的には、この可変の整流正弦波基準は、増幅器の一方の入力に結合し、そして他方の入力は、整流AC入力電流に結合する。この電流フィードバック・ループは、その配列により、増幅器の出力が、その電流を整流正弦波基準に追従させるようにブースト・コンバータを動作させるようにする。すなわち、瞬時入力電流は、整流正弦波基準から偏倚する場合、増幅器の出力は、そのコンバータを駆動することによって、その偏倚を減少させる。整流正弦波基準は正弦波でありしかも入力電圧と同相であるため、入力電流もまた正弦波でしかも入力電圧と同相となってPFCを実現する。したがって、出力における負荷が増加する場合、出力電圧におけるその結果の減少が誤差信号を増加させ、そしてアナログ・マルチプライヤを介して整流正弦波基準を増加させる。これはさらに、コンバータ入力電流を増加させ、これは出力電圧が所望の値へと復元させるようにする。
【0005】
また、整流正弦波基準を、RMS入力電圧の二乗によって除算することによってPFC制御関数を改善することも知られている。RMS入力電圧の二乗によって除算することの結果は、(i)入力電圧の増加から生ずる整流正弦波基準の望ましくない増加を除去し、(ii)入力電力を一定に維持するのに必要な整流正弦波基準の比例的な減少をもたらすことである。
【0006】
しかし、このようなPFC制御回路は、その入力電力を精密に制限する能力に限界があるが、それは、アナログ・マルチプライヤが非常に正確なものではないからである。結果として、電力リミットは、種々の入力電圧条件に対し15%も大きく変動することがある。これら変動を補償するため、ブースト・コンバータは、例えばより大きなインダクタまたはより高いレートのFETを備えるように過剰設計されることがある。しかし、これら設計変更は、効率の低下およびより高価なコンポーネントのいずれか一方または両方のような他の有害な影響をもたらす。
【0007】
したがって、既存の技術よりもより精密に力率補正を、全体の効率並びにコスト節約を犠牲にせずに実現する方法に対するニーズがある。
発明の摘要
本発明は、ブースト電源のための力率補正回路に向けたものである。前記ブースト電源が、整流ACライン電圧に応答するブースト・コンバータを含む本発明の1実施形態によれば、前記力率補正回路が、前記ブースト・コンバータの出力電圧に応答する第1の入力端子を有する電圧フィードバック増幅器と、前記電圧フィードバック増幅器の出力端子に接続した第1の入力端子と前記整流ACライン電圧に応答する第2の入力端子とを有するスイッチング・マルチプライヤ回路と、前記電流フィードバック増幅器の出力端子に接続した入力端子と前記ブースト・コンバータのパルス幅変調スイッチに接続するための出力端子とを有するパルス幅変調器制御回路と、を備える。
【0008】
本発明の別の実施形態によれば、前記力率補正回路は、前記ブースト・コンバータの入力電流に応答する第1の入力端子と前記整流ACライン電圧に応答する第2の入力端子とを有する第1のマルチプライヤ回路と、前記第2マルチプライヤ回路の出力端子に接続した入力端子を有する電力フィードバック増幅器と、前記電力増幅器の出力端子に接続した第1の入力端子と前記整流ACライン電圧に応答する第2の入力端子とを有する第2のマルチプライヤ回路と、前記スイッチング・マルチプライヤ回路の出力端子に接続した第1の入力端子と前記ブースト・コンバータの前記入力電流に応答する第2の入力端子とを有する電流フィードバック増幅器と、前記電流フィードバック増幅器の出力端子に接続した入力端子と前記ブースト・コンバータのパルス幅変調スイッチに接続するための出力端子とを有するパルス幅変調器制御回路と、を備える。
【0009】
本発明の別の実施形態によれば、力率補正回路は、前記ブースト・コンバータの出力電圧に応答する第1の入力端子を有する電圧フィードバック増幅器と、前記ブースト・コンバータの入力電流に応答する第1の入力端子と前記整流ACライン電圧に応答する第2の入力端子とを有する第1のスイッチング・マルチプライヤ回路と、前記第1スイッチング・マルチプライヤ回路の出力端子に接続した入力端子を有する電力フィードバック増幅器と、前記電圧フィードバック増幅器の出力端子と前記電力フィードバック増幅器の出力端子の両方に接続した第1の入力端子と前記整流ACライン電圧に応答する第2の入力端子と出力端子とを有する第1のスイッチング・マルチプライヤ回路と、を備え、前記電圧フィードバック増幅器の前記出力端子と前記電力フィードバック増幅器の前記出力端子のうちの一方のみが、前記スイング・マルチプライヤ回路の前記第1入力端子に動作上接続し、また、前記第2スイッチング・マルチプライヤ回路の前記出力端子に接続した第1の入力端子と前記ブースト・コンバータの前記入力電流に応答する第2の入力端子とを有する電流フィードバック増幅器と、前記電流フィードバック増幅器の出力端子に接続した入力端子と前記ブースト・コンバータのパルス幅変調スイッチに接続するための出力端子とを有するパルス幅変調器制御回路と、を備える。
【0010】
別の実施形態によれば、本発明は、ブースト電源に向けたものであり、このブースト電源は、AC電源に結合した全波整流器回路と、発生された整流AC入力電圧をDC出力電圧に変換するため前記全波整流器回路に接続したブースト・コンバータと、前記ブースト・コンバータの前記パルス幅変調スイッチの制御端子に接続した出力端子を有するパルス幅変調器制御回路と、前記ブースト・コンバータの出力電圧に応答する第1の入力端子を有する電圧フィードバック増幅器と、前記電圧フィードバック増幅器の出力端子に接続した第1の入力端子と前記整流ACライン電圧に応答する第2の入力端子とを有する第1のスイッチング・マルチプライヤ回路と、前記スイッチング・マルチプライヤ回路の出力端子に接続した第1の入力端子と前記ブースト・コンバータの入力電流に応答する第2の入力端子と前記パルス幅変調器回路の入力端子に接続した出力端子とを有する電流フィードバック増幅器と、を備える。別の実施形態によれば、前記電源は、さらに、前記第2マルチプライヤ回路の出力端子に接続した入力端子と前記第1スイッチング・マルチプライヤ回路の前記第1入力端子に接続した出力端子とを有する電力フィードバック増幅器と、を備え、前記電圧フィードバック増幅器の前記出力端子と前記電力フィードバック増幅器の前記出力端子のうちの一方のみが、前記スイッチング・マルチプライヤ回路の前記第1入力端子に動作上接続する。
【0011】
本発明は、従来技術の力率補正回路(PFC)と比較して利点を提供するが、それは、入力電力をより精密に制限することができるからである。本発明のこのPFC技術を使用することにより、±5%のオーダーの電力リミット精度を無理なく期待できる。加えて、スイッチング・マルチプライヤのこの向上した精度は、ブースト電源においてより安価なコンポーネントの使用を可能にする。本発明のこれらの利点並びにその他の利点は、以下の詳細な説明から明かとなる。
【0012】
発明の詳細な説明
本発明の図面および記述は、簡略化することによって本発明の理解を明瞭にするため関連する要素を、ブースト電源の他の要素を明瞭にするために削除する一方で、図示することは、理解されるべきである。例えば、本文では、ブースト・コンバータのインラッシュ回路は、図示しない。しかし、当業者には理解されるように、これら要素並びに他の要素は、PFCをもつ代表的なブースト電源においては望ましい。しかし、このような要素は当該分野では周知であり、またこれらは本発明のより良好な理解をもたらすものではないため、このような要素の説明は、本文では行わない。
【0013】
図1は、本発明の1実施形態によるブースト電源10の図である。ブースト電源10は、AC電源12、EMIフィルタ14,整流回路16,ブースト・コンバータ回路18、パルス幅変調器(PWM)制御回路20、力率補正(PFC)制御回路22とを備えている。図1に示したブースト電源10は、これを使用することにより、AC電源12が供給するAC電圧から例えば400VのレギュレートしたDC電圧出力(Vout)を提供することができる。
【0014】
AC電源12は、基本周波数ωをもつ正弦波信号を供給することができる。この基本周波数ωは、例えば60Hzとすることができる。EMIフィルタ14は、図1に示したように、AC電源12と整流回路16との間に接続することができ、そして望ましくないノイズをフィルタするようにできる。整流回路16は、全波整流回路であって、AC電源12からの正弦波入力電圧信号を、各半サイクルが正となった電圧波形に変換することができる。図1においては、この全波整流入力電圧は、Vacとして示しており、そしてこれは以下では、整流AC入力電圧と呼ぶ。1実施形態によれば、整流回路16は、4ダイオードのブリッジ整流回路を含むようにすることができる。
【0015】
ブースト・コンバータ回路18は、この整流AC入力電圧VacをDC出力電圧(Vout)に変換し、そしてこれは、負荷(図示せず)に給電するのに使用することができる。ブースト・コンバータ回路18は、インダクタ24,ダイオード26、電力スイッチ28、センス抵抗器30、およびキャパシタ32を含むことができる。インダクタ24、ダイオード26、キャパシタ32は、直列に接続し、キャパシタ32はブースト電源10の出力の両端間に接続する。電力スイッチ28は、ダイオード26とキャパシタ32の両端間に接続することにより、電力スイッチ28のデューティサイクルがキャパシタ32の両端の電圧(そしてまた出力電圧Vout)を制御するようにする。電力スイッチ28は、電圧制御式のスイッチとすることができ、例えば図1に示したようなn形エンハンスメント・モードMOSFETのような電界効果トランジスタ(FET)である。
【0016】
動作については、電力スイッチ28が閉じると、電流がインダクタ24、電力スイッチ28を流れ、そしてダイオード26が逆バイアスされる。インダクタ24を流れる電流は、エネルギをインダクタ24に蓄積させる。したがって、インダクタ24が開くと、インダクタ24は、インダクタ24とダイオード26との間のノードの電圧を以下の関係にしたがって増加させる。
【0017】
【数1】
Figure 2004509587
【0018】
このノードの電圧が増加するとき、ダイオード26は、順バイアスされ、そして電流は、ダイオード26を通ってキャパシタ32へ流れる。インダクタ24に蓄積されたエネルギがキャパシタ32へダイオード26を介して移った後、電力スイッチ28が閉じると、再びダイオード26を逆バイアスにし、また別のある量のエネルギをインダクタ24に蓄積させる。
【0019】
このようにして、電力スイッチ28のデューティサイクルを変調することによって、キャパシタ32の両端間の電圧したがって出力電圧Voutをレギュレートする。以下でさらに説明するように、電力スイッチ28のデューティサイクルは、PWM制御回路20と、出力電圧Vout、整流AC入力電圧Vac、およびセンス抵抗器30の両端間の電圧(VIac)に基づくPFC制御回路22によって制御することにより、適当な力率補正を有する所望の出力電圧を提供する。
【0020】
センス抵抗器30は、ブースト・コンバータ回路18のリターン・ループ内に接続することができる。抵抗器30の両端の電圧は、以下でさらに説明するように、PFC制御回路22が、整流AC入力ライン(以下VIacとして示す)の電流に比例した電圧信号として使用することができる。抵抗器30には増幅器(図示せず)を接続することによって、以下でさらに説明するように、電圧信号VIacに対する適当なスケーリングを提供することができる。
【0021】
図2は、本発明の1実施形態による図1のブースト電源10のPWM制御回路20およびPFC制御回路22の図である。PWM制御回路20は、PFC制御回路22から出力信号PFCを受け、そしてこれに基づき、パルス幅変調した信号(PWM)を出力し、そしてこれは、電力スイッチ28の導通制御端子に印加することによって、電力スイッチ28のスイッチングしたがって電源10の出力電圧Voutを制御する。また、PWM制御回路20は、基準電圧信号Vrefおよびランプ電圧信号Vrampを出力し、そしてこれら双方は、PFC制御回路22が使用することによって、以下で説明するように信号PFCを発生する。1実施形態によれば、PWM制御回路20は、例えばUC3842PWM制御ICのようなテキサス・インスツルメンツ社から入手可能なUC3800シリーズのPWM制御ICのうちの1つを使用して実現することができる。
【0022】
PFC制御回路22は、電圧フィードバック増幅器40,電力フィードバック増幅器42,電力マルチプライヤ44,電流基準マルチプライヤ46,電流フィードバック増幅器48とを備える。これらコンポーネントは、ここに記述するPFC制御回路22の他のコンポーネントと共に、個別の電気コンポーネントを使用して実現したり、あるいは他の実施形態によれば、単一のデバイスまたはチップに集積することもできる。増幅器40,42,48の各々は、例えば集積した演算増幅器(オペアンプ)として具体化することもできる。
【0023】
以下でさらに説明するように、電流基準マルチプライヤ46は、図3を参照して以下でさらに詳細に説明するように、電圧フィードバック増幅器40または電力フィードバック増幅器42のいずれかからの誤差電圧信号出力(図2ではVerror(t)として示す)を受け、そしてこの出力に整流AC入力電圧のスケーリングした積(K×Vac(t))を乗算することにより、K×Verror(t)×Vac(t)に対応する整流正弦波基準を発生する。このスケーリングした整流AC入力電圧(K×Vac(t))は、抵抗分圧回路(図示せず)を整流器16の出力に接続して適当なスケーリングを提供することにより実現することができる。電流基準マルチプライヤ46が発生した整流正弦波基準は、電流フィードバック増幅器48の反転入力端子に入力すると共に、(i)整流AC入力電流に比例した電圧信号VIac(t)と(ii)スケーリング済みの整流AC入力電圧信号(K×Vac(t))との和から加算器49が発生した電流フィードバック信号は、電流フィードバック増幅器48の非反転入力端子に供給する。整流AC入力電流に比例した電圧信号VIac(t)は、上記で説明したように、ブースト・コンバータ18のセンス抵抗器30の両端間の電圧から得ることができる。
【0024】
電流フィードバック増幅器48の出力(Vifbで示す)は、加算器50によって、(i)整流AC入力電流信号VIac(t)と、(ii)PWM制御回路20が発生するランプ電圧信号Vrampと加算することによって、出力信号PFCを発生することができ、そしてこれは、PWM制御回路20に供給することによって、適当なPWM信号を発生することにより電力スイッチ28のデューティサイクルを制御する。
【0025】
電圧フィードバック増幅器40は、第1の反転入力端子を備え、これは、ブースト・コンバータ18の出力電圧Voutに対し、抵抗器54と抵抗器56とを含む抵抗分圧器回路52を介して応答する。電圧フィードバック増幅器40の第2の非反転入力端子は、PWM制御回路20が発生する基準電圧Vrefに応答するようにできる。このため、電圧フィードバック増幅器40は、積分誤差増幅器として機能することによって、ブースト・コンバータ18の出力電圧Voutを所望のレベルにレギュレートすることができる。1実施形態によれば、電圧フィードバック増幅器40は、十分に低い帯域幅を有するようにすることによって、誤差電圧信号Verrorが2ω(例えば120Hz)のようなある周波数あるいはこれより高い周波数において全く有意なリップルを有しないようにして、入力電流の高調波歪みを最小限にするようにする。
【0026】
電力マルチプライヤ44は、図4を参照して以下で詳細に説明するが、スケーリング済みの整流AC入力電圧(K×Vac(t))と整流AC入力電流電圧VIac(t)を乗算することによって、スケーリングした電力信号波形(VPin(t)=K×P(t))を発生する。この信号は、ローパスフィルタ58に供給することによって、2ω成分のようなある周波数成分を減衰させる。したがって、例えばωが60Hzである場合、ローパスフィルタ58は、120Hz成分を減衰させる。
【0027】
ローパスフィルタ58からの残りのDC信号(VPin)出力は、ブースト・コンバータ18に供給される整流AC入力信号の平均電力(Pin)に比例する。この信号(VPin)は、電力フィードバック増幅器42の第1の反転入力端子に供給される。電力フィードバック増幅器42の第2の非反転入力端子は、PWM制御回路20が発生する基準電圧Vrefに応答するようにすることができる。したがって、電力フィードバック増幅器42は、誤差積分増幅器として機能することができ、これは、平均電力(VPin)を表す電圧波形と基準電圧Vrefとの差に応答する出力誤差信号Verrorを有している。
【0028】
電圧フィードバック増幅器40および電力フィードバック増幅器42が発生する瞬時誤差信号Verrorのより小さい部分は、例えば直列接続のOR演算ダイオード60,62によって電流基準マルチプライヤ46に供給される。したがって、より低い出力をもつこの増幅器は、次の段(すなわち、電流基準マルチプライヤ46および電流フィードバック増幅器48)における誤差信号フィードバックを制御する。OR演算ダイオード60,62のアノード端子は、図2に示したように互いに結合し、そして抵抗器64によって適当なバイアス電圧Vbiasでバイアスされるようにすることができる。別の実施形態によれば、電圧フィードバック増幅器40および電力フィードバック増幅器42の各出力の一方のみを、FETマルチプレクサのようなマルチプレクサによって電流基準マルチプライヤ46の入力端子に動作上結合するようにできる。
【0029】
電流基準マルチプライヤ46は、上記したように、電圧フィードバック増幅器40または電力フィードバック増幅器42のいずれかが発生した誤差電圧信号を、スケーリング済みの整流AC入力電圧波形(K×Vac)と乗算する。この動作の結果は、以下で説明するように、K×Verror×Vacに対応する整流正弦波基準であり、これにおいては、基準振幅は、誤差電圧Verrorによって制御される。加えて、この基準波形は、整流AC入力電圧Vacと同相である。電流基準マルチプライヤ46の出力は、上記したように、電流フィードバック増幅器48の反転入力端子に入力する。電流フィードバック増幅器48の非反転入力端子は、整流AC入力電流電圧信号VIac(t)波形とスケーリング済みの整流AC入力電圧(K×Vac(t))の和に応答する。電流フィードバック増幅器48の出力信号は、電流フィードバック信号Vifbである。
【0030】
図3は、本発明の1実施形態による電流基準マルチプライヤ46の図である。1実施形態によれば、電流基準マルチプライヤ46は、コンパレータ80を含むスイッチング・マルチプライヤである。整流ACライン電圧Vacは、コンパレータ80の出力端子に対し抵抗分圧器回路82を介して接続し、そして抵抗分圧器回路82は、例えば抵抗器84,86,94およびダイオード88を含む。また、電流基準マルチプライヤ46は、コンパレータ80の出力端子に接続したキャパシタ90,92および抵抗器96を含むことができる。
【0031】
コンパレータ80は、上記したように、電圧フィードバック増幅器40または電力フィードバック増幅器42のいずれかが発生する誤差電圧信号Verrorに応答する第1の入力端子を備えている。コンパレータ80の第2の入力端子は、PWM制御回路20が発生するランプ電圧信号Vrampに応答するようにできる。このランプ電圧Vrampは、ゼロボルトのような最小電圧Vminとピーク電圧Vpkとを有する線形電圧関数である。このランプ電圧信号Vrampの周期は、Tswである。
【0032】
誤差電圧信号Verrorの瞬時値がランプ電圧Vrampの瞬時値を超えたとき、コンパレータ80の出力は、ハイの電圧値となる。逆に、ランプ電圧信号Vrampの瞬時値が誤差電圧Verrorの瞬時値を超えたとき、コンパレータ80の出力電圧は、ゼロボルトのような最小値に下がる。誤差電圧信号Verrorがゼロボルトのような最小値からランプ電圧信号Vrampのピーク電圧Vpkに変化したとき、各ランプ周期Tswの間におけるコンパレータ80の出力がハイ電圧にある時間Tonは、ゼロからTswまで変化する。
【0033】
抵抗器86およびダイオード88は、キャパシタ90の充電時定数および放電時定数を互いに等しくする。すなわち、コンパレータ80の出力電圧がハイのとき、キャパシタ90は、並列の抵抗器84および抵抗器94を通して充電する。コンパレータ80の出力がロー(例えば、ゼロボルト)のとき、キャパシタ90は、並列の抵抗器86および抵抗器94を通して放電する。したがって、抵抗器86の抵抗値を抵抗器84の抵抗値と等しくなるように選んだ場合、その両方の時定数は同じとなる。
【0034】
電流基準マルチプライヤ46による誤差電圧信号Verrorと整流AC入力電圧信号Vacとの乗算は、以下のように実現する。誤差電圧信号Verrorは、コンパレータ80によりランプ電圧信号Vrampと比較される。コンパレータ80の出力端子のパルス幅は、以下に一致する。
【0035】
【数2】
Figure 2004509587
【0036】
ここで、Tswは、上記したようにランプ波形の周期である。このとき、スイッチング・マルチプライヤ46のデューティサイクルは、以下の通りに定められる。
【0037】
【数3】
Figure 2004509587
【0038】
したがって、コンパレータ80のデューティサイクルは、ランプ電圧関数の特性に依存する。
キャパシタ90は、コンパレータ80の出力電圧を時間に渡って平均化させる。キャパシタ90の値は、その選択によって、高いスイッチング周波数のみを平均化し低いライン電圧周波数(すなわち2ω)を平均化しないようにする。コンパレータ80の出力における平均電圧は、デューティサイクルを整流AC入力電圧Vacに乗算したものから抵抗分圧器回路82で低減したものに等しい。このため、抵抗器84および抵抗器86の抵抗値が等しい実施形態に関しては、コンパレータ80の出力電圧は、以下に一致する。
【0039】
【数4】
Figure 2004509587
【0040】
【数5】
Figure 2004509587
【0041】
ここで、
【0042】
【数6】
Figure 2004509587
【0043】
ここで、R84,R94は、それぞれ抵抗器84,94の抵抗値である。
式(5)から、コンパレータ80の出力電圧(したがって電流基準マルチプライヤ46の出力電圧)は、Verror(t)×Vac(t)×ゲイン乗数Kの積に対応することは、明かである。ここで、Verror(t)がVac(t)と比べゆっくりと動くとした場合、電流基準マルチプライヤ46の整流正弦波基準出力は、Verror(t)に比例し、しかもVac(t)と同相となる。
【0044】
キャパシタ90,92は、抵抗器84,86,94,96と一緒になって、2段ローパスフィルタを形成することにより、望ましくない高い周波数成分を整流正弦波基準波形から取り除く。1実施形態によれば、コンパレータ80のスイッチング周波数は、100KHzのオーダーとすることができるのに対し、低い周波数成分は、120Hz(すなわち、2ω)のオーダーにある。電流基準マルチプライヤ46が整流ACラインの基本周波数ω(例えば、60Hz)と実質上同相の整流正弦波基準信号を生成することが望ましい実施形態に対しては、2段ローパスフィルタのコンポーネントの各値は、その選択によって、そのフィルタリングが整流波形の有意な位相シフトを生じないようにすることができる。したがって、ローパスフィルタの両方の極の周波数は、例えば、整流ACラインの基本周波数ωの10倍よりも実質的に高いものとすることができる。1実施形態によれば、それら極は、2500Hzと10KHzとの間とすることもできる。
【0045】
図4は、本発明の1実施形態による電力マルチプライヤ44の図である。電力マルチプライヤ44は、コンパレータ100を含むスイッチング・マルチプライヤとすることができ、そのコンパレータは、ブースト・コンバータ18の入力電流に比例する電圧信号VIac(t)に応答する第1の入力端子を有する。コンパレータ100の第2の入力端子は、PWM制御回路20が発生するランプ電圧信号Vrampに応答するようにできる。入力電流電圧信号VIac(t)の瞬時値が、ランプ電圧Vrampの瞬時値を超えると、コンパレータ100の出力は、ハイの電圧値となる。逆に、ランプ電圧Vrampの瞬時値が、入力電流電圧信号VIacの瞬時値を超えると、コンパレータ100の出力電圧は、ゼロボルトのような最小値に低下する。入力電流電圧信号VIacがゼロボルトのような最小値からランプ電圧信号Vrampのピーク電圧Vpkへ変化すると、各ランプ周期Tswの間においてコンパレータ100の出力がハイの電圧値にある時間Tonは、ゼロからTswまで変化する。
【0046】
整流ACライン電圧Vacは、コンパレータ100の出力端子に対し抵抗分圧回路を介して接続され、そしてその分圧回路は、例えば、抵抗器102,104,110およびダイオード106を含んでいる。また、電力マルチプライヤ44は、抵抗分圧回路に接続したキャパシタ108を含むことができる。
【0047】
図3を参照して上述した電流基準マルチプライヤ46と同様に、抵抗器104とダイオード106は、キャパシタ108の充電時定数および放電時定数を互いに等しくする。すなわち、コンパレータ100の出力電圧がハイのとき、キャパシタ108は、並列の抵抗器102および抵抗器110を通して充電される。コンパレータ100の出力がロー(例えば、ゼロボルト)のとき、キャパシタ108は、並列の抵抗器104および抵抗器110を通して放電する。したがって、抵抗器104の抵抗値を抵抗器102の抵抗値に等しくなるように選ぶと、それら両方の時定数は同じものとなる。
【0048】
電力マルチプライヤ40は、入力電流電圧信号VIac(t)と整流AC入力電圧信号Vacとを乗算する。これら2つの波形の積は、電力推定波形を発生し、この波形は、平均出力電力に等しいDC成分と、その平均電力の2倍のピーク・ピーク振幅を有するAC(すなわち、正弦波)成分とを有する。この波形は、以下の式で表すことができる。
【0049】
【数7】
Figure 2004509587
【0050】
【数8】
Figure 2004509587
【0051】
【数9】
Figure 2004509587
【0052】
1実施形態によれば、ローパスフィルタ58(図2参照)は、例えば、2ω(例えば、120Hz)の周波数成分を減衰させるために使用することができる。このため、残りのDC信号は、平均電力(Pin)に比例するようにできる。したがって、電力マルチプライヤ44の出力は、ローパスフィルタ58によってフィルタリングされた後、上述したように、電力フィードバック増幅器42によって固定の基準電圧Vrefと比較することによって、上述のように、電流基準マルチプライヤ46が使用する誤差電圧信号を生成し、これによって平均入力電力を制御することができる。
【0053】
この結果、本発明によれば、力率補正は、従来のPFC技術と比べより精密に実現することができるが、それは、アナログ・マルチプライヤではなく、スイッチング・マルチプライヤ(すなわち、電流基準マルチプライヤ46と電力マルチプライヤ44)を使用するからである。したがって、本発明では、電力リミットの精度は、基本的なコンポーネント許容差とランプ電圧信号Vrampの振幅のみによって制限される。このため、電力リミット精度は、本発明では、5%のオーダーとすることが無理なくできる。
【0054】
上述したように、加算器49は、整流ACライン電流に比例した電圧信号VIac(t)とスケーリング済みの整流AC電圧信号Vac(t)とを加算する。加算器49の出力信号は、上述したように、電流フィードバック増幅器48の非反転入力端子に入力し、これによって、電流基準マルチプライヤ46から出力されそして電流フィードバック増幅器48の他方の(非反転)入力端子に入力される整流正弦波基準出力と等しくなるようにする。この結果、ブースト・コンバータ18へのライン電圧入力が増加すると、電流は、より低い値へとレギュレートされる。スケーリング済み整流AC電圧信号Vac(t)へ加算を行うことにより、ライン電圧変化に対するより高速の応答時間を実現することができる。しかし、本発明の別の実施形態によれば、加算器49を除去することにより、スケーリング済み整流AC電圧信号Vac(t)が電圧信号VIac(t)へ加算されないようにすることができる。
【0055】
上述のスイッチング・マルチプライヤにおいては、マルチプライヤ46,40は、電圧波形と電圧波形とを乗算する。本発明の他の実施形態によれば、これらマルチプライヤ46,40のいずれかを変更することにより、電圧波形と電流波形とを乗算するようにすることもできる。図5は、本発明の1つのそのような実施形態による電流基準マルチプライヤ46の図である。この図示実施形態では、コンパレータ80の第1の端子は、抵抗器122および抵抗器124から成る抵抗分圧器回路120を介して整流AC入力電圧Vacに応答する。コンパレータ80の出力端子は、誤差電流信号Ierror電流源126に結合している。図3を参照して説明したものと同様の方法で、電流基準マルチプライヤ46は、整流AC入力電圧Vacと誤差電流信号Ierrorとを乗算することにより、その誤差信号に比例ししかも入力ACライン電圧と同相の整流正弦波基準を発生するようにすることができる。
【0056】
誤差電流Ierror電流源126は、例えばバイポーラ・ジャンクション・トランジスタ(BJT)のようなトランジスタ(図示せず)を使用して実現することができ、そのバイポーラ・ジャンクション・トランジスタ(BJT)は、そのエミッタ端子が、抵抗器(図示せず)を介して電圧フィードバック増幅器42および電力フィードバック増幅器40の出力に結合し、そのコレクタ端子が、コンパレータ80の出力端子に結合し、そしてそのベース端子が固定の電圧によってバイアスされるようになっている。したがって、図3を参照して上述した実施形態と同様に、図5の電流基準マルチプライヤ46は、電圧フィードバック増幅器42または電力フィードバック増幅器44のいずれかの出力(例えばOR演算ダイオード60,62を介して)と整流AC入力電圧Vacとに応答する。
【0057】
図6は、本発明の1実施形態による電力マルチプライヤ40の図であり、これにおいて、電力マルチプライヤ40は、電圧波形と電流波形とを乗算する。図示実施形態では、コンパレータ100の第1端子は、抵抗器132と抵抗器134とから成る抵抗分圧器回路130を介して、整流AC入力電圧Vacに応答する。コンパレータ100の出力端子は、入力電流信号Iin電流源136に結合する。図4を参照して上述したのと同様の方法で、電力マルチプライヤ40は、整流AC入力電圧Vacを入力電流信号Iinと乗算することにより、ブースト・コンバータ18への入力電力に比例しかつこれと同相の波形(K×P(t))を発生することができる。この波形は、上述のように、電力フィードバック増幅器42の反転入力端子に供給することができる。
【0058】
図7は、本発明の1実施形態によるIin電流源136を実現するための回路の回路図である。回路136は、増幅器140と、1対のトランジスタ142,144とを備えている。トランジスタ142,144は、例えば、図7に示したPNPトランジスタのようなバイポーラ・ジャンクション・トランジスタ(BJT)とすることができる。増幅器140の入力端子は、ブースト・コンバータ18(図1参照)のセンス抵抗器30(VIac)の両端間の電圧に抵抗器146,148それぞれを介して応答することができる。
【0059】
増幅器140の出力端子は、トランジスタ142,144の両方の制御端子(例えばベース端子)に結合することができる。これらトランジスタ142,144のエミッタ端子は、バイアス電圧源150により抵抗器152,154それぞれを介してバイアスすることができる。第1のトランジスタ142のコレクタ端子は、増幅器140の入力端子に結合することができる。このような構成によれば、第2のトランジスタ144のコレクタ端子からの電流は、図6の電力マルチプライヤ40に対するIin電流信号を供給することができる。本発明の他の実施形態によれば、回路136は、代替的には、Iin電流信号を供給するように構成することもできる。
【0060】
以上、本発明について一定の実施形態を参照して説明したが、当業者には理解されるように、本発明の多くの変形および変更を実現することができる。例えば、本発明の別の実施形態によれば、電力マルチプライヤ40および電力フィードバック増幅器42は、PFC制御回路22から取り除くこともできる。加えて、別の実施形態によれば、加算器50は、PFC制御回路22から取り除くことによって、整流AC入力電流信号VIac(t)が、PWM制御回路20へ入力される前に電流フィードバック電圧信号Vifbに加算されないようにすることもできる。以上の説明並びに添付の特許請求の範囲は、そのような全ての変更および変形を包含するよう意図している。
【図面の簡単な説明】
【図1】
図1は、本発明の1実施形態によるブースト電源のブロック/回路図。
【図2】
図2は、本発明の1実施形態による図1のブースト電源のPWM制御回路およびPFC制御回路のブロック/回路図。
【図3】
図3は、本発明の1実施形態による、図2のPFC制御回路の電流基準マルチプライヤ回路の回路図。
【図4】
図4は、本発明の1実施形態による、図2のPFC制御回路の電力マルチプライヤ回路の回路図。
【図5】
図5は、本発明の別の実施形態による、図2のPFC制御回路の電流基準マルチプライヤ回路の回路図。
【図6】
図6は、本発明の別の実施形態による、図2のPFC制御回路の電力マルチプライヤ回路の回路図。
【図7】
図7は、本発明の1実施形態による、図6の電力マルチプライヤの電流源を実現するための回路の回路図。

Claims (23)

  1. ブースト電源のための力率補正回路であって、前記ブースト電源が、整流ACライン電圧に応答するブースト・コンバータ(18)を含み、前記力率補正回路が、
    前記ブースト・コンバータの出力電圧に応答する第1の入力端子を有する電圧フィードバック増幅器(40)と、
    出力端子を有する電流フィードバック増幅器(48)と、
    パルス幅変調器制御回路(20)であって、前記電流フィードバック増幅器の出力端子に接続した入力端子と、前記ブースト・コンバータのパルス幅変調スイッチ(28)に接続するための出力端子とを有する、前記のパルス幅変調器制御回路(20)と、
    を備え、
    スイッチング・マルチプライヤ回路(46)であって、前記電圧フィードバック増幅器の出力端子に接続した第1の入力端子と、前記整流ACライン電圧に応答する第2の入力端子とを有する、前記のスイッチング・マルチプライヤ回路(46)、
    を特徴とし、
    前記電流フィードバック増幅器(48)が、前記スイッチング・マルチプライヤ回路の出力端子に接続した第1の入力端子と、前記ブースト・コンバータの入力電流に応答する第2の入力端子とを含むこと、
    を特徴とする力率補正回路。
  2. 請求項1記載の力率補正回路において、前記スイッチング・マルチプライヤ回路は、コンパレータ(80)を含むこと、を特徴とする力率補正回路。
  3. 請求項2記載の力率補正回路において、前記コンパレータは、前記電圧フィードバック増幅器の前記出力端子に接続した第1の入力端子と、ランプ電圧信号に応答する第2の入力端子と、前記整流ACライン電圧に応答する出力端子と、を含むこと、を特徴とする力率補正回路。
  4. 請求項2記載の力率補正回路において、前記コンパレータは、前記整流ACライン電圧に応答する第1の入力端子と、ランプ電圧信号に応答する第2の入力端子と、前記電圧フィードバック増幅器の前記出力端子に接続した出力端子と、を含むこと、を特徴とする力率補正回路。
  5. 請求項2記載の力率補正回路において、前記スイッチング・マルチプライヤ回路は、前記コンパレータの前記出力端子に接続したローパスフィルタを含むこと、を特徴とする力率補正回路。
  6. 請求項5記載の力率補正回路において、前記ローパスフィルタは、2段ローパスフィルタ(84,86,90,92,94,96)を含むこと、を特徴とする力率補正回路。
  7. 請求項1記載の力率補正回路であって、さらに、
    第2のマルチプライヤ回路(44)であって、前記ブースト・コンバータの前記入力電流に応答する第1の入力端子と、前記整流ACライン電圧に応答する第2の入力端子とを有する、前記の第2のマルチプライヤ回路(44)と、
    電力フィードバック増幅器(42)であって、前記第2マルチプライヤ回路の出力端子に接続した入力端子と、前記スイッチング・マルチプライヤ回路の前記第1端子に接続した出力端子とを有し、前記電圧フィードバック増幅器の前記出力端子と前記電力フィードバック増幅器の前記出力端子のうちの一方のみが前記スイッチング・マルチプライヤ回路の前記第1入力端子に動作上接続する、前記の電力フィードバック増幅器(42)と、
    を含むこと、を特徴とする力率補正回路。
  8. 請求項7記載の力率補正回路であって、さらに、前記電圧フィードバック増幅器の前記出力端子と前記電力フィードバック増幅器の前記出力端子のうちの一方のみを、前記スイッチング・マルチプライヤ回路の前記第1入力端子に動作上接続するための手段、を含むことを特徴とする力率補正回路。
  9. 請求項7記載の力率補正回路であって、さらに、
    前記電圧フィードバック増幅器の前記出力端子と前記スイッチング・マルチプライヤの前記第1入力端子との間に接続した第1のOR演算ダイオード(60)と、
    前記電力フィードバック増幅器の前記出力端子と前記スイッチング・マルチプライヤの前記第1入力端子との間に接続した第2のOR演算ダイオード(60)と、
    を含むこと、を特徴とする力率補正回路。
  10. 請求項7記載の力率補正回路において、前記第2マルチプライヤ回路は、コンパレータ(100)を含むこと、を特徴とする力率補正回路。
  11. 請求項10記載の力率補正回路において、前記コンパレータは、前記ブースト・コンバータの前記入力電流に応答する第1の入力端子と、前記ランプ電圧信号に応答する第2の入力端子と、前記整流ACライン電圧に応答する出力端子と、を含むことを特徴とする力率補正回路。
  12. 請求項10記載の力率補正回路において、前記コンパレータは、前記整流ACライン電圧に応答する第1の入力端子と、前記ランプ電圧信号に応答する第2の入力端子と、前記ブースト・コンバータの前記入力電流に応答する出力端子と、を含むことを特徴とする力率補正回路。
  13. 請求項10記載の力率補正回路であって、さらに、前記第2マルチプライヤ回路の前記コンパレータの前記出力端子と前記電力フィードバック増幅器の前記第1入力端子との間に接続したローパスフィルタ(58)、を含むことを特徴とする力率補正回路。
  14. 請求項1記載の力率補正回路であって、さらに、第1の加算器(49)を含み、該第1加算器は、前記ブースト・コンバータの前記入力電流に応答する第1の入力端子と、前記整流ACライン電圧に応答する第2の入力端子と、前記電流フィードバック増幅器の前記第2入力端子に接続した出力端子と、を有すること、を特徴とする力率補正回路。
  15. 請求項1記載の力率補正回路であって、さらに、第2の加算器(50)を含み、該第2加算器は、前記電流フィードバック増幅器の前記出力に接続した第1の端子と、前記ブースト・コンバータの前記入力電流に応答する第2の入力端子と、前記ブースト電源の前記パルス幅変調器回路の前記入力端子への接続のための出力端子と、を有すること、を特徴とする力率補正回路。
  16. 請求項15記載の力率補正回路において、前記第2加算器は、ランプ電圧信号に応答する第3の入力端子を含むこと、を特徴とする力率補正回路。
  17. ブースト電源のための力率補正回路であって、前記ブースト電源が、整流ACライン電圧に応答するブースト・コンバータ(18)を含み、前記力率補正回路が、
    出力端子を有する電流フィードバック増幅器(48)と、
    パルス幅変調器制御回路(20)であって、前記電流フィードバック増幅器の出力端子に接続した入力端子と、前記ブースト・コンバータのパルス幅変調スイッチ(28)に接続するための出力端子とを有する、前記のパルス幅変調器制御回路(20)と、
    を備え、
    前記ブースト・コンバータの入力電流に応答する第1の入力端子と、前記整流ACライン電圧に応答する第2の入力端子とを有する第1のマルチプライヤ回路(44)と、
    該第1マルチプライヤ回路の出力端子に接続した入力端子を有する電力フィードバック増幅器(42)と、
    前記電力フィードバック増幅器の出力端子に接続した第1の入力端子と、前記整流ACライン電圧に応答する第2の入力端子とを有する第2のマルチプライヤ回路(46)、
    を特徴とし、
    前記電流フィードバック増幅器(48)が、前記第2マルチプライヤ回路の出力端子に接続した第1の入力端子と、前記ブースト・コンバータの前記入力電流に応答する第2の入力端子とを含むこと、
    を特徴とする力率補正回路。
  18. 請求項17記載の力率補正回路において、前記第1マルチプライヤ回路は、第1のコンパレータ(100)を含み、該コンパレータは、前記ブースト・コンバータの前記入力電流に応答する第1の入力端子と、前記ランプ電圧信号に応答する第2の入力端子と、前記整流ACライン電圧に応答する出力端子と、を含むことを特徴とする力率補正回路。
  19. 請求項17記載の力率補正回路において、前記第1マルチプライヤ回路は、第1のコンパレータ(100)を含み、該コンパレータは、前記整流ACライン電圧に応答する第1の入力端子と、前記ランプ電圧信号に応答する第2の入力端子と、前記ブースト・コンバータの前記入力電流に応答する出力端子と、を含むことを特徴とする力率補正回路。
  20. 請求項17記載の力率補正回路において、前記第2マルチプライヤ回路は、第2のコンパレータ(80)を含み、該コンパレータは、前記電力フィードバック増幅器の前記出力端子に接続した第1の入力端子と、ランプ電圧信号に応答する第2の入力端子と、前記整流ACライン電圧に応答する出力端子と、を含むことを特徴とする力率補正回路。
  21. 請求項17記載の力率補正回路において、前記第2マルチプライヤ回路は、第2のコンパレータ(80)を含み、該コンパレータは、前記整流ACライン電圧に応答する第1の入力端子と、ランプ電圧信号に応答する第2の入力端子と、前記電力フィードバック増幅器の前記出力端子に接続した出力端子と、を含むことを特徴とする力率補正回路。
  22. 請求項17記載の力率補正回路であって、さらに、第1の加算器(49)を含み、該第1加算器は、前記ブースト・コンバータの前記入力電流に応答する第1の入力端子と、前記整流ACライン電圧に応答する第2の入力端子と、前記電流フィードバック増幅器の前記第2入力端子に接続した出力端子と、を有すること、を特徴とする力率補正回路。
  23. 請求項17記載の力率補正回路であって、さらに、第2の加算器(50)を含み、該第2加算器は、前記電流フィードバック増幅器の前記出力に接続した第1の端子と、前記ブースト・コンバータの前記入力電流に応答する第2の入力端子と、前記パルス幅変調器回路の前記入力端子への接続のための出力端子と、を有すること、を特徴とする力率補正回路。
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