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1、(10)申请公布号 CN 102882388 A (43)申请公布日 2013.01.16 C N 1 0 2 8 8 2 3 8 8 A *CN102882388A* (21)申请号 201210240237.8 (22)申请日 2012.07.11 2011-154723 2011.07.13 JP H02M 7/04(2006.01) H02M 1/42(2007.01) H02M 3/335(2006.01) (71)申请人三垦电气株式会社 地址日本埼玉县 (72)发明人麻生真司 (74)专利代理机构北京三友知识产权代理有限 公司 11127 代理人李辉 黄纶伟 (54) 发明名称 电。
2、源装置及其控制方法 (57) 摘要 本发明提供能够以高效率来动作的电源装 置及其控制方法。该电源装置具有：功率因数改 善电路(2)，其用于改善功率因数；DC/DC转换器 (3)，其转换功率因数改善电路的输出电压而输出 另外的直流电压；输入电压检测部(1)，其检测输 入到功率因数改善电路的输入电压；以及功率因 数改善电路输出电压控制部(5)，其根据由输入 电压检测部检测到的输入电压值、针对与DC/DC 转换器的输出连接的负载的输出电流值或来自负 载的输出电力值和输入电压瞬断输出保持时间的 设定值，生成控制功率因数改善电路的输出电压 的电压指令，输出给功率因数改善电路。 (30)优先权数据 (51。
3、)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书6页 附图3页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 6 页 附图 3 页 1/1页 2 1.一种电源装置，其特征在于具有： 功率因数改善电路，其用于改善功率因数； DC/DC转换器，其转换所述功率因数改善电路的输出电压而输出另外的直流电压； 输入电压检测部，其检测输入给所述功率因数改善电路的输入电压；以及 功率因数改善电路输出电压控制部，其根据由所述输入电压检测部检测到的输入电压 值、针对与所述DC/DC转换器的输出连接的负载的输出电流值或来自所述负载的输出电力 值和输入电压瞬断输出保持时间的设定值，生。
4、成控制所述功率因数改善电路的输出电压的 电压指令，输出给所述功率因数改善电路。 2.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于， 所述功率因数改善电路输出电压控制部生成实现如下控制的所述电压指令：所述功率 因数改善电路的输出电压成为由所述输入电压检测部检测到的输入电压值以上且保证所 述输入电压瞬断输出保持时间的设定值的电压值以上中的最小值。 3.根据权利要求1或2所述的电源装置，其特征在于， 所述输入电压瞬断输出保持时间的设定值是预先保持在该电源装置内的值或从该电 源装置外的所述负载输入的值。 4.一种电源装置的控制方法，该电源装置具有：功率因数改善电路，其用于改善功率 因数；以及DC/DC转换。
5、器，其转换该功率因数改善电路的输出电压而输出另外的直流电压， 该电源装置的控制方法的特征在于具有： 输入电压检测步骤，检测输入给所述功率因数改善电路的输入电压；以及 功率因数改善电路输出电压控制步骤，根据在所述输入电压检测步骤中检测到的输入 电压值、针对与所述DC/DC转换器的输出连接的负载的输出电流值或来自所述负载的输出 电力值和输入电压瞬断输出保持时间的设定值，生成控制所述功率因数改善电路的输出电 压的电压指令，输出给所述功率因数改善电路。 权 利 要 求 书CN 102882388 A 1/6页 3 电源装置及其控制方法 技术领域 0001 本发明涉及具有PFC(功率因数改善)的电源装置。
6、及其控制方法。 背景技术 0002 图6是示出现有的一般的电源装置的结构的图。电源装置具有：对从商用交流电 源AC通过滤波器F输入的交流进行整流的二极管桥DB；对二极管桥DB的输出进行处理而 改善功率因数的PFC电路2a；以及将PFC电路2a的输出电压转换为另外的直流电压的DC/ DC转换器3。 0003 PFC电路2a具有升压型的电路，并具有：在二极管桥DB的正极与负极之间连接的 电抗器L1与由MOSFET构成的开关元件Q1的串联电路；在电抗器L1与开关元件Q1之间的 连接点上连接了阳极的二极管D1、与一端连接在二极管D1的阴极且另一端连接在二极管 桥DB的负极的电容器C1构成的串联电路；以。
7、及PFC控制部21a。 0004 PFC控制部21a通过比较PFC电路2a的输出电压(电容器C1的两端电压)与基 准电压来求出误差电压，生成以与误差电压对应的脉冲宽度来接通/断开的控制信号而输 出到开关元件Q1的栅极。开关元件Q1根据控制信号的脉冲宽度来进行接通/断开，从而 将PFC电路2a的输出电压控制为规定电压。 0005 DC/DC转换器3具有全桥电路31、变压器T1、二极管D2、D3、电抗器L2、电容器C2、 误差放大部32及DC/DC控制部33。 0006 全桥电路31由MOSFET Q2、Q3、Q4、Q5构成。在MOSFET Q2与MOSFETQ4之间的连 接点、和MOSFET Q。
8、3与MOSFET Q5之间的连接点上连接有电容器C1的两端。DC/DC控制部 33向MOSFET Q2、Q3、Q4、Q5的各个栅极输出控制信号。MOSFET Q2、Q3、Q4、Q5分别根据控 制信号来接通/断开。MOSFET Q2与MOSFETQ3之间的连接点、和MOSFET Q4与MOSFET Q5 之间的连接点连接在变压器T1的一次绕组P的两端。 0007 在变压器T1的第1二次绕组S1及第2二次绕组S2上连接有由二极管D2、D3、电 抗器L2及电容器C2构成的整流平滑电路。第1二次绕组S1的一端与二极管D2的阳极连 接，另一端与第2二次绕组S2的一端连接，二极管D2的阴极与电抗器L2的一。
9、端连接。第2 二次绕组S2的另一端与二极管D3的阳极连接，二极管D3的阴极与电抗器L2的一端和二 极管D2的阴极连接。 0008 电抗器L2的另一端与电容器C2的一端连接，电容器C2的另一端连接在第1二次 绕组S1与第2二次绕组S2之间的连接点上，电容器C2的两端与DC/DC转换器3的输出端 子连接。 0009 误差放大部32比较从DC/DC转换器3输出的输出电压与基准电压而计算误差电 压。DC/DC控制部33生成以与来自误差放大部32的误差电压对应的脉冲宽度来接通/断 开的PWM控制信号，输出到MOSFET Q2、Q3、Q4、Q5的各栅极。 0010 在如上所述的电源装置中，PFC电路的升压。
10、比小的一方能够以高效率来动作。 但是，PFC电路的输出电压被控制为比输入电压范围的上限的波高值高的电压，在稳定 说 明 书CN 102882388 A 2/6页 4 状态下，PFC电路以输入电压范围的上限来动作是罕见的。例如，即使输入电压范围为 AC180265V，也以230V左右的交流电压来动作，PFC电路的输出电压的控制一般是根据输 入电压范围的上限值而成为2652=375V、也就是以380V390V左右来动作的。但是，在 通常状态下，由于输入交流电压为230V左右，因此以230Vx2=325V、即330V340V左右来 进行控制会实现高效率。 0011 另外，即使商用交流电源AC瞬间停电。
11、时，也需要在规定时间内稳定地向负载装置 供给电源，因此当在负载装置上使用的电力量不明时，为了使PFC电路的输出电压以330V 来动作，需要将DC/DC转换器的最低控制输入电压设定得低，以用最大电力来满足保持时 间。由于这会扩大对于DC/DC转换器的输入电压的控制范围，因此会导致DC/DC转换器的 效率恶化，不能指望电源装置整体的高效率。 0012 另外，作为关联的技术，专利文献1公开了能够减少DC/DC转换器部上的损失，比 以往能够大幅改善效率的开关电源装置。该开关电源装置具有：对来自外部的交流电压进 行整流及平滑的整流平滑部；在开关电源装置的输出侧具备，且用于改善功率因数的功率 因数改善部；。
12、以及将其输出转换为规定的直流电压的DC/DC转换器部。功率因数改善部根 据二次侧输出电压的直流成分进行反馈控制。DC/DC转换器部是能够进行降压及升压的两 动作的双方向DC/DC转换器，根据二次侧输出电压的交流成分来进行反馈控制。 0013 【专利文献1】日本特开2011-114917号公报 0014 如上所述，在PFC电路中，虽然升压比小的一方能够以高效率来动作，但是与在通 常动作时大部分时间几乎是以额定输入电压来动作无关地，以比输入电压范围的上限的波 高值高的电压来控制的，因此成为效率恶化的原因。另外，在轻负载时也相同，成为轻负载 时的效率恶化的原因。 发明内 容 0015 本发明的目的在。
13、于，提供能够以高效率来动作的电源装置及其控制方法。 0016 为了实现上述的目的，本发明的电源装置，其特征在于具有：功率因数改善电路， 其用于改善功率因数；DC/DC转换器，其转换所述功率因数改善电路的输出电压而输出另 外的直流电压；输入电压检测部，其检测输入到所述功率因数改善电路的输入电压；以及 功率因数改善电路输出电压控制部，其根据由所述输入电压检测部检测到的输入电压值、 针对与所述DC/DC转换器的输出连接的负载的输出电流值或来自所述负载的输出电力值 和输入电压瞬断输出保持时间的设定值，生成控制所述功率因数改善电路的输出电压的电 压指令，输出给所述功率因数改善电路。 0017 根据本发明。
14、的电源装置，由于功率因数改善电路输出电压控制部根据输入电压 值、输出电流值或输出电力值、输入电压瞬断输出保持时间的设定值来控制功率因数改善 电路的输出电压，因此能够提供能够以高效率来动作的电源装置。 附图说明 0018 图1是示出本发明的实施例1的电源装置的结构的框图。 0019 图2是示出本发明的实施例1的电源装置的PFC输出电压控制部的动作的流程 图。 说 明 书CN 102882388 A 3/6页 5 0020 图3是示出本发明的实施例1的电源装置的输入电压检测部及PFC电路的详细的 电路图。 0021 图4是示出本发明的实施例1的电源装置的详细的结构的电路图。 0022 图5是示出本。
15、发明的实施例2的电源装置的结构的框图。 0023 图6是用于说明现有的电源装置的图。 0024 符号说明 0025 1输入电压检测部 0026 2PFC电路 0027 3DC/DC转换器 0028 4电流检测部 0029 5、5a PFC输出电压控制部 0030 21PFC控制部 0031 31全桥电路 0032 32误差放大部 0033 33DC/DC控制部 0034 AC商用交流电源 0035 DB二极管桥 0036 L负载装置 具体实施方式 0037 以下，参照附图详细说明本发明的实施方式的电源装置及其控制方法。 0038 本发明能够得到如下所述的电源装置，该电源装置具有：改善电力因数的。
16、PFC电 路；以及将PFC电路的输出电压转换为另外的直流电压来输出的DC/DC转换器，在该电源装 置中，根据输入电压和输出电流或者输出电力和输入电压瞬断输出保持时间的设定值来控 制PFC电路的输出电压，从而能够在很广的负载范围内以高效率来动作。 0039 另外，输入电压瞬断输出保持时间也称为输出电压保持时间或者输出保持时间， 是在切断了从商用交流电源AC向电源装置的电力供给时，电源装置能够将稳定的输出电 压供给到负载的保证时间，是电源装置的标准规格项目之一。 0040 另外，本发明通过根据输入电压和输出电流或者输出电力和输入电压瞬断输出保 持时间的设定值而生成的PFC输出电压指令来确定PFC电。
17、路的输出电压。关于输入电压及 输出电流，使用在电源装置的内部检测到的值。输入电压瞬断输出保持时间的设定值和DC/ DC转换器的最低控制输入电压的值，预先保持在电源装置的内部。由此，在电源装置的动作 状态下，实现高效率的动作。 0041 另外，在将电源装置的输出还使用在其他负载装置中时，由于输入电压瞬断输出 保持时间等的规格不同，因此为了确保电源装置的通用性，能够使负载装置及电源装置还 具有收发输入电压瞬断输出保持时间等信息的通信功能。 0042 此时，能够从负载装置收到必要的电力量的信息，在负载装置的使用电力量(当 从电源装置观察时为输出电流变动)的变化多时等，通过将所估计的电力量的信息发送到。
18、 电源装置，从而能够进行考虑了输入电压瞬断输出保持时间的最佳的电源装置的控制。其 说 明 书CN 102882388 A 4/6页 6 结果，能够构成在维持输入电压瞬断输出保持时间等的可信度的同时在很广的负载范围中 能够以高效率来动作的电源装置。 0043 在本发明的电源装置中，由于除了在其内部检测到的输出电流及从负载装置获取 的使用电力的信息以外，还考虑输入电压瞬断输出保持时间的设定值来控制PFC电路的输 出电压，因此不会降低DC/DC转换器的效率，维持基于PFC电路的输出电压的高效率状态， 作为电源装置整体能够实现最高的效率化。另外，不仅控制PFC电路的输出电压，还能够降 低动作频率，能够。
19、进一步实现高效率化。 0044 例如，在由PFC电路和全桥正激转换器(以下，称为“FB转换器” )构成的能够输 出600W电力的现有的电源装置中，当将PFC电路的输出电压控制到390V(恒定)，设设置 在PFC电路的输出侧的电解电容器的电容C为270F、输入电压瞬断输出保持时间Th为 20ms(设定值)时，FB转换器的最低输入电压Vmin成为250V。因此，稳定状态下的FB转换 器的占空比成为32%。即使在输入电压为AC230V、50%负载时，PFC电路的输出电压为390V， PFC电路的升压比为(390/322)=1.21、FB转换器的占空比为32%。 0045 相对于此，在本发明电源装置中。
20、，根据输入电压及输出电流或电力量，以满足 0046 (1)输入电压的峰值电压以上 0047 (2)保证输入电压瞬断输出保持时间的设定值的电压以上 0048 PFC电路的输出电压V PFC (2PoTh)/C+Vmin 2 ) 0049 的值中的最小值来控制PFC电路的输出电压。 0050 例如，在AC230V、50%负载时，PFC电路的输出电压的指令值成为 0051 (1)输入电压的峰值电压=2301.4=322V以上 0052 (2)(2PoTh)/C+Vmin 2 )=(230020e-3)/270e-6+250 2 )=327以上， 0053 因此PFC输出电压指令的指令值成为327V。。
21、因此，PFC电路的升压比成为 (327V/322V)=1.02，FB转换器的占空比成为38%，在通过减小PFC电路的升压比而改善效率 的同时，通过扩大FB转换器的占空比来改善效率。因此，大幅改善50%以下的轻负载时的 效率。 0054 另外，在转换相同电力时，当占空比小时在开关和绕组上流过的电流的平均值相 同，但是波高值变大，因此有效值变大。因此，由于基于开关和绕组的电阻量的损失成为有 效电流的平方电阻成分，因此有效电流大的一方，损失变大而效率恶化。即、在转换相同 的电力时，占空比大的一方，有效电流变小而损失减少，效率提高。 0055 【实施例1】 0056 图1是示出本发明的实施例1的电源装。
22、置的结构的框图。另外，在图1中，在与图 6所示的现有的电源装置相同的部分上附上相同的符号来进行说明。 0057 电源装置具有：输入电压检测部1；用于改善功率因数的PFC电路2；将PFC电路2 的输出电压转换为另外的直流电压来输出的DC/DC转换器3；电流检测部4；以及PFC输出 电压控制部5。 0058 输入电压检测部1检测从商用交流电源AC通过二极管桥DB送出的电压，输出到 PFC输出电压控制部5。对于输入电压检测部1的详细情况，将在后面叙述。另外，输入到 输入电压检测部1中的电压，通过输入电压检测部1输出到PFC电路2。 0059 PFC电路2是用于改善功率因数的电路，根据来自PFC输出电。
23、压控制部5的PFC输 说 明 书CN 102882388 A 5/6页 7 出电压指令，改变从商用交流电源AC通过二极管桥DB和输入电压检测部1送出的电压而 输出到DC/DC转换器3。关于PFC电路2的详细情况，将在后面叙述。 0060 DC/DC转换器3将PFC电路2的输出电压转换为另外的直流电压而输出到电流检 测部4。由于该DC/DC转换器3与图6所示的转换器相同，因此在此处省略其说明。 0061 电流检测部4在将DC/DC转换器3的输出送到负载装置L的同时，检测在负载装 置L上流过的电流，将所检测到的电流作为输出电流来输出到PFC输出电压控制部5。 0062 PFC输出电压控制部5与功率。
24、因数改善电路输出电压控制部对应，根据来自输 入电压检测部1的输入电压值、来自电流检测部4的输出电流值、在设置于自身内部的 RAM(未图示)中保持的输入电压瞬断输出保持时间的设定值来生成PFC输出电压指令，输 出到PFC电路2。PFC电路2产生与PFC输出电压指令对应的输出电压而输出到DC/DC转 换器3。 0063 图2是示出在PFC输出电压控制部5中进行的PFC输出电压指令制作处理的详细 的流程图。在PFC输出电压指令制作处理中，首先PFC输出电压控制部5从输入电压检测 部1获取输入电压值(步骤S1)。 0064 接着，PFC输出电压控制部5从电流检测部4获取输出电流值(步骤S2)。而且， 。
25、PFC输出电压控制部5从设置在自身内部的RAM获取输入电压瞬断输出保持时间的设定值 (步骤S3)。 0065 接着，PFC输出电压控制部5根据在步骤S1中获取的输入电压值、在步骤S2中获 取的输出电流值和在步骤S3中获取的输入电压瞬断输出保持时间的设定值来制作PFC输 出电压指令(步骤S4)，输出到PFC电路2。由此，PFC电路2产生与通过PFC输出电压指 令示出的指令值对应的输出电压而输出到DC/DC转换器3。 0066 接着，对输入电压检测部1及PFC电路2的详细进行说明。图3是仅抽出输入电 压检测部1及PFC电路2而详细示出的电路图。 0067 输入电压检测部1由在二极管桥DB的输出端子。
26、间串联连接的电阻R1、R2，和一端 与这些电阻R1与电阻R2之间的连接点连接、另一端与二极管桥DB的负极连接的电容器C3 构成。电阻R1与电阻R2之间的连接点的电压、即通过电阻R1和电阻R2分压的电压，作为 输入电压从输入电压检测部1输出到PFC输出电压控制部5。另外，从二极管桥DB输入到 输入电压检测部1的电压，通过输入电压检测部1而输出到PFC电路2。 0068 PFC电路2具有升压型的电路，并具有：由连接在二极管桥DB的正极与负极之间 的电抗器L1和开关元件Q1构成的串联电路；由阳极连接在电抗器L1与开关元件Q1之间 的连接点上的二极管D1、和一端与二极管D1的阴极连接且另一端与二极管桥。
27、DB的负极连 接的电容器C1构成的串联电路；以及PFC控制部21。 0069 PFC控制部21通过比较PFC电路2的输出电压(电容器C1的两端电压)、与通过 从PFC输出电压控制部5送出的PFC输出电压指令的指令值而示出的电压值来求出误差电 压，生成以与所求出的误差电压对应的脉冲宽度来接通/断开的控制信号而输出到开关元 件Q1的栅极。由此，开关元件Q1根据控制信号的脉冲宽度而接通/断开。 0070 即、PFC控制部21是以如下所述的方式控制开关元件Q1的：商用交流电源AC的 电流成为正弦波，且输出电压接近由来自PFC输出电压控制部5的PFC输出电压指令的指 令值示出的电压值。PFC输出电压控制。
28、部5将使用从输入电压检测部1得到的输入电压 说 明 书CN 102882388 A 6/6页 8 Vin(peak)及从电流检测部4得到的输出电流Io、预先存储的输出电压Vo、DC/DC转换器3 的最低输入电压Vmin、输入电压瞬断输出保持时间Th及PFC电路的电容器C1的电容C并 通过以下的(1)式来算出的电压与输入电压Vin(Peak)的大的一方，作为PFC输出电压指 令的指令值来输出到PFC控制部21。由此，PFC控制部21能够将PFC电路2的输出电压控 制为由PFC输出电压指令的指令值示出的电压值。 0071 (2VoIoTh)/C+Vmin 2 )(1) 0072 关于由PFC输出电。
29、压指令的指令值示出的电压值，虽然理论上讲具有在(1)式示 出的条件即可，但是在实际应用中，例如具有10%左右的余量，优选以如下所述的方式构成 将通过下述(2)式算出的电压与输入电压Vin(Peak)1.1的大的一方作为PFC输出电压 指令的指令值来输出到PFC控制部21。 0073 (2VoIoTh)/C+Vmin 2 )1.1(2) 0074 另外，将电源装置的效率特性预先存储在PFC输出电压控制部5中，通过导入到 (1)式，使精度进一步提高。 0075 图4是示出实施例1的电源装置的全体的详细的结构的电路图。图4的电路图是 联合了图1、图3及图6的内容的电路图，关于各图的内容，由于已经进行。
30、了说明，因此在此 处省略其说明。 0076 【实施例2】 0077 本发明的实施例2的电源装置的特征在于，从负载装置获取与输出电流相当的信 息，进行与实施例1的电源装置相同的控制。 0078 图5是示出本发明的实施例2的电源装置的结构的框图。该电源装置的特征在 于，从图1所示的实施例1的电源装置删除电流检测部4，代替从电流检测部4得到的输出 电流，从负载装置L得到电力。即、从负载装置L得到(1)式及(2)式的“VoIo”的部分。 0079 当在负载装置L上例如搭载有微机等时，在电源装置的输出电流有可能增减时， 通过考虑到这些而预先将电力的信息从负载装置L传递到电源装置，从而具有能够将输入 电压瞬断输出保持时间的设定值设定为适当的值等优点。 0080 另外，如果构成为除了电力信息(VoIo)以外，还传递输入电压瞬断输出保持时 间Th，则能够进行最佳的控制，可以实现能够以更高的效率来动作的电源装置。 0081 本发明能够在要求以高效率来动作的电源装置中应用。 说 明 书CN 102882388 A 1/3页 9 图1 图2 说 明 书 附 图CN 102882388 A 2/3页 10 图3 图4 说 明 书 附 图CN 102882388 A 10 3/3页 11 图5 图6 说 明 书 附 图CN 102882388 A 11 。