DE69519212T2

DE69519212T2 - Leistungsfaktorsteuerschaltung

Info

Publication number: DE69519212T2
Application number: DE69519212T
Authority: DE
Inventors: Jade Henry Alberkrack; Steven M Barrow; Jefferson W Hall; Eric W Tisinger
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Priority date: 1994-09-06
Filing date: 1995-08-31
Publication date: 2001-05-23
Anticipated expiration: 2015-09-01
Also published as: FI954146A; EP0701317B1; JPH0898534A; EP0701317A3; EP0701317A2; FI113808B; FI954146A0; DE69519212D1; US5502370A

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Schaltungen zur Umwandlung elektrischer Energie, und insbesondere Leistungsfaktorsteuerschaltungen.
Viele Typen von Schaltungen leiten eine Gleichstromleistung aus einer Wechselstrom-Gebrauchsleistung und einem Gesamtspannungskondensator ab. Eine Gleichrichterschaltung zieht Energie bzw. Strom aus der Wechselstrom-Gebrauchsleitung, wenn die Spannung an der Wechselstrom-Gebrauchsleitung die Spannung an dem Gesamtspannungskondensator überschreitet. Strom bzw. Energie wird typischerweise nahe der Gebrauchsleitungspeakspannung zugeführt, was eine hohe Ladungsstrom-Impulsspitze verursacht. Die resultierenden Strom-Impulsspitzen sind extrem nichtsinusförmig mit einem hohen Anteil von Oberschwingungen, was in einer geringen Leistungsfaktorbedingung bzw. einem solchen Zustand resultiert, wenn die Eingangsleistung sehr viel höher als die Realleistung ist.
Die US-PS 4 940 929 offenbart einen Wechselstrom-/Gleichstrom- Umwandler, der einen Brückengleichrichter bzw. eine Gleichrichterbrücke mit nachfolgender Spannungserhöhungsschaltung umfasst. Der Umwandler ist derart eingerichtet, dass er innerhalb eines besonderen Spannungsbereiches arbeitet.
Die japanische Patentanmeldung Nr. JP-A-03103067 offenbart einen Umwandler vom Stromsteuerungstyp.
Eine Leistungsfaktorsteuerschaltung verbessert wesentlich geringe Leistungsfaktorbelastungen, indem der mittlere Wechselstromleitungsstrom sinusförmig und in Phase mit der Leitungsspannung gehalten wird. Eine Leistungsfaktorsteuerschaltung liefert einen Gleichstrom und arbeitet linear um einen nominalen oder mittleren Punkt der Regulierung bzw. Steuerung. Im Allgemeinen befindet sich der lineare Betrieb innerhalb eines engen Bereiches um den Regulierungspunkt. Eine Leistungsfaktorsteuerschaltung antwortet nicht rasch, wenn sich die Ausgabe außerhalb der Regulierung durch einen signifikanten Merkmalspunkt befindet. Beispielsweise wird die Leistungsfaktorsteuerschaltung einen wesentlichen Zeitbetrag erfordern, um den Regulierungspunkt während eines anfänglichen Hochfahrens zu erreichen.
Innerhalb des engen Bereiches, in welchem die Leistungsfaktorsteuerschaltung eine Regulierung liefert, können hohe Stromstärken auftreten, abhängig von der Belastung an der Schaltung. Die Abwesenheit von Belastungszuständen stellen ein Regulierungs- bzw. Steuerungsproblem dar, da ein hoher Ladestrom in den Gesamtspeicherkondensator eine wesentliche Erhöhung in der Spannung verursachen wird, welche im Allgemeinen in die Belastung abgeleitet wird. Eine nicht vorhandene Belastungssteuerung wird normalerweise durch eine Überspannungsnachweisschaltung gehandhabt, welche einen Vorschub zum Gesamtspannungskondensator abschaltet, wenn die Ausgangsspannung eine vorbestimmte Spannung überschreitet.
Es wäre von großem Vorteil, wenn eine Leistungsfaktorsteuerschaltung vorgesehen werden könnte, welche sich rasch unter einer Nichtsteuerung dem Regelpunkt annähern könnte und die Ausgangsspannungsvariationen unter Null-Belastungsbedingungen reduzieren könnte.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm einer integrierten Leistungsfaktorsteuerschaltung und einer äußeren Schaltung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm eines Transkonduktanzverstärkers und eines Komparators für die integrierte Leistungsfaktorsteuerschaltung von Fig. 1 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 3 ist ein Diagramm einer Spannung/Strom-Antwort des Transkonduktanzverstärkers von Fig. 2.

Genaue Beschreibung der Zeichnungen

Eine integrierte Leistungsfaktorsteuerschaltung 12 ist in Fig. 1 veranschaulicht. Eine aktive Annäherung, wie diejenige, die in Fig. 1 gezeigt ist, arbeitet bei einer Frequenz, welche deutlich höher als die Wechselstromleitungsfrequenz ist und ist daher kleiner und leichter im Gewicht und effizienter als eine passive Schaltung. Eine passive Schaltung umfasst eine Kombination von Kondensatoren, Induktoren und Gleichrichtern, welche bei der Leitungsfrequenz arbeiten. Die integrierte Leistungsfaktorsteuerschaltung 12 hält den mittleren Wechselstrom-Leitungsstrom sinusförmig und in Phase mit der Leitungsspannung, wodurch wirksam Strom bzw. Leistung in eine Belastung eingespeist wird. Die integrierte Leistungsfaktorsteuerschaltung 12 umfasst eine Schaltung zur Erniedrigung der Regulierungszeit (Einstellungszeit) und zum besseren Regulieren bzw. Steuern unter Nicht-Belastung-Bedingungen bzw. -Zuständen.
Die integrierte Leistungsfaktorsteuerschaltung 12 umfasst eine Steuerschaltung 14, einen Transkonduktanzverstärker 16, einen Komparator 17 und einen Multiplizierer 18. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die integrierte Leistungsfaktorsteuerschaltung 12 als eine einzige integrierte Schaltung ausgebildet.
Die Steuereinrichtung bzw. -schaltung 14 liest die Spannung an einem Ausgang 58 und Strom durch den Induktor 38 ab, um Steuersignale vorzusehen, um die Spannung am Ausgang 58 zu regulieren bzw. zu steuern und um den durchschnittlichen Wechselstromleitungsstrom sinusförmig und in Phase mit der Leitungsspannung zu halten. Die Steuerschaltung 14 umfasst einen Zeitgeber bzw. Timer 22, einen Signalspeicher 21, das ODER-Gatter 26, den Puffer 28, die Frequenzklemmschaltung 27, die Anstiegsflanke-Austastschaltung 29, und Komparatoren 19, 23 und 24. Eine Energie- bzw. Leistungsversorgungsspannung Vcc und die Erde sind jeweils an einem Ausgang 15 und 20 der Leistungsfaktorsteuerschaltung 12 angeordnet. Die Leistungsversorgungsspannung Vcc und die Erde sind nur verbunden mit Puffer 28 gezeigt, versorgen jedoch tatsächlich alle Schaltungen der Leistungsfaktorsteuerschaltung 12 und sind daher in nichtverbundenem Zustand dargestellt, um die Zeichnung zu vereinfachen.
Der Signalspeicher 21 der Steuerschaltung 14 umfasst Reset- Eingänge R1 und R2, Einstell-Eingänge S1, S2 und S3 und einen Q-Ausgang. Der Reset-Eingang R2 des Signalspeichers 21 ist mit einem Knoten 63 verbunden und der Q-Ausgang des Signalspeichers 21 ist mit einem Knoten 64 verbunden. Der Zeitgeber 22 der Steuerschaltung 40 weist einen Eingang auf, welcher mit dem Knoten 64 verbunden ist und einen Ausgang, welcher mit dem Reset-Eingang R1 des Signalspeichers 21 verbunden ist. Der Komparator 23 der Steuerschaltung 14 weist einen nichtinvertierenden Eingang, einen invertierenden Eingang, welcher mit einer Vergleichs- bzw. Referenzspannung Vref5 verbunden ist, und einen Ausgang, welcher mit dem Knoten 63 verbunden ist, auf. Das ODER-Gatter 26 der Steuerschaltung 14 weist einen ersten Eingang, welcher mit dem Knoten 63 verbunden ist, einen zweiten Eingang, welcher mit dem Knoten 64 verbunden ist, einen dritten Eingang und einen Ausgang, welcher mit dem Knoten 66 verbunden ist, auf. Der Puffer 28 der Steuerschaltung 14 weist einen Eingang, welcher mit dem Knoten 66 verbunden ist, und einen Ausgang, welcher mit dem Knoten 61 verbunden ist, auf. Die Frequenzklemmschaltung 27 der Steuerschaltung 14 weist einen ersten Eingang, welcher mit dem Knoten 66 verbunden ist, einen zweiten Eingang, welcher mit einem Knoten 62 verbunden ist, und einen Ausgang, welcher mit dem dritten Eingang des ODER-Gatters 26 verbunden ist, auf. Der Komparator 19 der Steuerschaltung 14 weist einen ersten invertierenden Eingang zum Empfangen einer Referenzspannung Vref2, einen zweiten invertierenden Eingang, welcher mit dem Ausgang des Multiplizierers 18 verbunden ist, einen nicht-invertierenden Eingang und einen Ausgang auf, welcher mit dem Einstellungseingang 51 des Signalspeichers 21 verbunden ist, auf. Die Anstiegsflanke-Austastschaltung 29 der Steuerschaltung 14 weist einen ersten Eingang, welcher mit dem Knoten 61 verbunden ist, einen zweiten Eingang, welcher mit dem Knoten 57 verbunden ist, und einen Ausgang, welcher mit dem nicht-invertierenden Eingang des Kondensators 19 verbunden ist, auf. Der Komparator 24 der Steuerschaltung 14 weist einen invertierenden Eingang, welcher zum Empfang einer Referenzspannung Vref4 verbunden ist, einen nicht-invertierenden Eingang, welcher mit dem Knoten 56 verbunden ist, und einen Ausgang, welcher mit dem Einstelleingang 53, welcher mit dem Signalspeicher 21 verbunden ist, auf.
Der Transkonduktanzverstärker 16 umfasst einen invertierenden Eingang, welcher mit einem Knoten 56 verbunden ist, einen nicht-invertierenden Eingang, welcher zum Empfang einer Referenzspannung Vref1 verbunden ist, einen ersten Anschluss, welcher, zum Empfang einer Referenzspannung Vref6 verbunden ist, einen zweiten Anschlusspunkt, welcher zum Empfang einer Referenzspannung Vref7 verbunden ist, und einen Ausgang, welcher mit einem Knoten 54 verbunden ist, auf. Der Komparator 17 umfasst einen invertierenden Eingang, welcher mit dem Knoten 54 verbunden ist, einen nicht-invertierenden Eingang, welcher zum Empfang einer Referenzspannung Vref3 verbunden ist, einen ersten Ausgang, welcher zu einem Einstelleingang S2 des Signalspeichers 21 verbunden ist, und einen zweiten Ausgang, welcher mit dem Knoten 54 verbunden ist, auf. Der Multiplizierer 18 weist einen ersten Eingang, welcher mit dem Knoten 54 verbunden ist, einen zweiten Eingang, welcher mit einem Knoten 53 verbunden ist, auf.
Ein Komponentenwirt, außerhalb der integrierten Leistungsfaktorsteuerschaltung 12, ist in Fig. 1 gezeigt. Eine Gleichrichterbrücke 31 umfasst Anschlüsse 49 und 51 zum Empfangen einer Gebrauchsleitungsspannung (beispielsweise 120 Volt Wechselstrom bei 60 Hertz), wobei ein Anschluss mit der Erde und ein Anschluss mit einem Knoten 52 zur Spannungsgleichrichtung verbunden ist. Ein Kondensator 32 ist zwischen Knoten 52 und der Erde verbunden. Ein Widerstandsteiler zum Einführen einer Spannung in den Multiplizierer 18 umfasst einen Widerstand 33 und einen Widerstand 34. Der Widerstand 33 weist einen ersten Anschluss verbunden mit Knoten 52 und einen zweiten Anschluss verbunden mit Knoten 53 auf. Der Widerstand 34 weist einen ersten Anschluss verbunden mit Knoten 53 und einen zweiten Anschluss verbunden mit der Erde auf.
Ein Induktor 38 verbindet Strom vom Kondensator 32 und der Gleichrichterbrücke 31 durch Diode 43 mit Ausgang 58. Induktor 38 umfasst einen ersten Anschluss verbunden mit Knoten 52, einen zweiten Anschluss verbunden mit einem Knoten 59, einen dritten Anschluss und einen vierten Anschluss verbunden mit der Erde. Die dritten und vierten Anschlüsse verbinden mit einer Hilfsspule zum Abtasten bzw. Lesen des Leitungszustandes von Induktor 38. Ein Widerstand 37 weist einen ersten Anschluss, welcher mit dem nicht-invertierenden Eingang von Kondensator 23 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, welcher mit dem dritten Anschluss von Induktor 38 verbunden ist, auf. Der Widerstand 37 begrenzt den Strom in den nichtinvertierenden Eingang von Komparator 23.
Eine Diode 43 zum Verbinden von Strom mit dem Ausgang 58 weist eine Anode, welche mit Knoten 59 verbunden ist, und eine Kathode, welche mit Ausgang 58 verbunden ist, auf. Ein Transistor 42 weist einen Drainanschluss, welcher mit Knoten 59 verbunden ist, einen Anschluss zum Knoten 61, und eine Quelle 57 auf, welche jeweils einer ersten Elektrode, einer Steuerelektrode und einer zweiten Elektrode entsprechen. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der Transistor 42 ein Leistung- MOSFET (Metalloxid-Halbleiter-Unipolartransistor). Ein Widerstand 45 weist einen ersten Anschluss verbunden mit Knoten 57 und einen zweiten Anschluss verbunden mit der Erde auf. Ein Kondensator 36 weist einen ersten Anschluss verbunden mit Knoten 54 und einen zweiten Anschluss verbunden mit der Erde auf. Ein Widerstandsteiler zum Erzeugen einer Spannung, welche einer Ausgangsspannung entspricht, umfasst Widerstände 46 und 47. Der Widerstand 46 weist einen ersten Anschluss verbunden mit Ausgang 58 und einen zweiten Anschluss verbunden mit Knoten 56 auf. Der Widerstand 47 weist einen ersten Anschluss verbunden mit Knoten 56 und einen zweiten Anschluss verbunden mit der Erde auf. Ein Kondensator 44 weist einen ersten Anschluss, welcher mit Ausgang 58 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss verbunden mit der Erde auf. Eine Belastung 48 ist zwischen Ausgang 58 und der Erde verbunden. Ein Widerstand 39 weist einen ersten Anschluss auf, welcher zum Empfang der Referenzspannung Vref1 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, welcher mit Knoten 32 verbunden ist, auf. Ein Kondensator 41 weist einen ersten Anschluss verbunden mit Knoten 62 und einen zweiten Anschluss verbunden mit der Erde auf.
Nachfolgend wird der Betrieb der integrierten Leistungsfaktorsteuerschaltung 12 beschrieben. Bei einer bevorzugten Ausführungsform liefert die integrierte Leistungsfaktorsteuerschaltung 12 eine Spannungserhöhungsfunktion, welche eine Gleichstromausgangsspannung erzeugt, die größer als die Amplitude eines Eingangsleitungssignales ist. Ein Wechselstromleitungssignal (120 Volt Wechselstrom) wird an die Anschlüsse 49 und 51 des Brückengleichrichters 31 angelegt. Der Brückengleichrichter 31 liefert ein gleichgerichtetes Leitungsspannungssignal an Knoten 52. Der Kondensator 32 ist mit Knoten 52 verbunden, welcher Schaltungsübergänge filtert. Ein Anlauf- Zustand tritt auf, wenn die integrierte Leistungsfaktorsteuerschaltung 12 hochgefahren wird. Wenn der Kondensator 44 entladen wird, wird er bis zur Peak-Spannung der Leitung während einer Zeitdauer aufgeladen, während der eine Leistungsversorgungsspannung Vcc und Referenzspannungen Vref1-7 stabilisieren. Bei der bevorzugten Ausführungsform werden Referenzspannungen Vref1-7 aus einer Band-Lücke-Referenz (nicht gezeigt) erzeugt.
Die integrierte Leistungsfaktorsteuerschaltung 12 beginnt eine Ausgabespannung am Ausgang 58 zu regulieren, nachdem die Leistungsversorgungsspannung und Referenzspannungen stabilisieren. Die integrierte Leistungsfaktorsteuerschaltung 12 kontrolliert auch den Eingangsstrom aus der Wechselstromleitung. Der Zeitgeber bzw. Timer 22 initiiert Ausgangsschaltung vom Transistor 42 und startet periodisch eine Ladungssequenz, um sicherzustellen, dass die Ausgangsspannung reguliert wird. Der Zeitgeber 22 stellt den Signalspeicher 21 zurück, was einen logischen Null-Pegel am Q-Ausgang erzeugt. Das ODER-Gatter 26 gibt einen logischen Null-Pegel aus, welcher durch den Puffer 28 invertiert wird, wodurch ein logischer 1-Pegel zum Gatter von Transistor 42 geliefert wird, wodurch die Vorrichtung leitend werden kann. Ein Strom verbindet durch Induktor 38 und Transistor 42, der eine Spannung über den Widerstand 45 erzeugt.
Parasitäre Kapazitanz während dem ursprünglichen Einschalten erzeugt einen Spannungsausschlag bzw. eine Spannungsspitze, welcher bzw. welche den Transistor 42 vorzeitig ausschalten könnte. Die Anstiegsflanke-Austastschaltung 29 verhindert, dass eine Spannungsspitze mit dem Komparator 19 verbunden wird. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die Anstiegsflanke-Austastschaltung 29 ein Schaltungskreislauf, welcher den nicht-invertierenden Eingang von Komparator 19 mit Knoten 57 verbindet, nachdem die Anstiegsflanke-Spannungsspitze vorüber ist.
Die Spannung steigt linear über Widerstand 45 an und verbindet mit dem nicht-invertierenden Anschluss von Komparator 19. Die Spannung am Knoten 57 wird gegen eine Referenzspannung verglichen, welche am Ausgang von Multiplizierer 18 erzeugt wird, welche mit dem zweiten invertierenden Eingang von Komparator 19 verbunden ist. Die Referenzspannung von Multiplizierer 18 ist ein Produkt der am Knoten 52 gesammelten Vollwellenbrückengleichgerichteten sinusförmigen Signale und einer Ausgabespannung vom Transkonduktanzverstärker 16. Das gesammelte Vollwellen-, brückengleichgerichtete sinusförmige Signal wird in der Größe am Knoten 53 durch den Widerstandsteiler, welcher Widerstände 33 und 34 umfasst, reduziert und mit dem zweiten Eingang von Multiplizierer 18 verbunden.
Die Ausgangsspannung, welche durch den Transkonduktanzverstärker 16 geliefert wird, ist Teil einer Spannungssteuerschleife, welche die Ausgangsspannung am Ausgang 58 sammelt. Der Widerstandsteiler, welcher Widerstände 46 und 47 umfasst, erzeugt eine Spannung am Knoten 56, welche der Ausgangsspannung am Ausgang 58 entspricht. Der Transkonduktanzverstärker 16 vergleicht die Größe der Ausgangsspannung am Ausgang 58 mit der Referenzspannung Vref1. Ein erster Zustand tritt auf, wenn die Spannung am Knoten 56 geringer als die Referenzspannung Vref1 ist. Der Transkonduktanzverstärker 16 speist Strom in den Kondensator 36 ein, welcher die Spannung am Knoten 54 erhöht. Die ansteigende Spannung am Ausgang vom Multiplizierer 18 verhindert, dass Signalspeicher 21 eingestellt wird, wodurch die Zeit, während welcher der Transistor 42 ausgeschaltet ist, erhöht wird, was eine große Spannung über dem Widerstand 45 entwickelt. Ein zweiter Zustand tritt auf, wenn die Ausgangsspannung am Ausgang 58 über der Steuerung liegt, die Spannung am Knoten 56 größer als Vref1 ist, was dazu führt, dass der Transkonduktanzverstärker 16 Strom vom Kondensator 36 abzieht, wobei die Spannung am Knoten 54 reduziert wird. Die Ausgangsspannung am Multiplizierer 18 nimmt ab, was hervorruft, dass der Komparator 19 den Signalspeicher 21 einstellt, welcher den Transistor 52 ausschaltet. Ein Vermischen der Spannungsschleifensteuerung mit dem Doppelweg-gleichgerichteten sinusförmigen Signal steuert die mittlere Eingangsstrom-Wellenform in die Sinusform, wobei ein Leistungsfaktorsteuereingangssignal geliefert wird. Die Referenzspannung Vref2, welche mit dem ersten invertierenden Eingang von Komparator 19 verbunden ist, beschränkt die Maximalspannung am Knoten 57, um zu verhindern, dass Induktor 38 gesättigt wird, indem Transistor 42 ausgeschaltet wird, wenn Vref2 überschritten ist.
Der Ausgang von Signalspeicher 21 wird in einem logischen Null-Pegel verbleiben, solange der nicht-invertierende Eingang von Komparator 19 unter der Referenzspannung liegt, welche an dem Ausgang von Multiplizierer 18 erzeugt wird. In diesem Zustand wird der Signalspeicher 21 zurückgestellt und Knoten 61 befindet sich in einem logischen 1-Pegel, so dass der Leistungsschalter 42 freigegeben bzw. eingeschaltet wird. Der Ausgang von Signalspeicher 21 wird in einen logischen 1-Pegel übergehen, wenn die Spannung am Knoten 57 die Referenzspannung übersteigt, welche am Ausgang des Multiplizierers 18 vorliegt, was dazu führt, dass der Transistor 42 abgeschaltet wird. Die Spannung am Drainanschluss von Transistor 42 wird in dem Maße zunehmen wie der Induktor 38 seine gespeicherte Energie durch Diode 43 zum Kondensator 44 und zur Belastung 48 leitet.
Eine Abtastspule 68 am Induktor 38 zeichnet auf, wenn alle Energie des Induktors 38 zum Kondensator 44 und zur Belastung 48 übertragen ist. Der Widerstand 37 beschränkt den Strom durch die Abtastspule 68. Eine Spannung an dem nicht-invertierenden Eingang von Komparator 23 ist größer als Vref5, wenn Energie ursprünglich vom Induktor 38 übertragen wird, wodurch der Ausgang des Komparators 23 in einen logischen 1-Pegel eingestellt wird. Dieses Signal setzt den Signalspeicher zurück, hält jedoch das Gatter von Transistor 62 auf einem logischen 0-Pegel, indem der logische 1-Pegel am Ausgang von Komparator 23 mit dem ersten Eingang des ODER-Gatters 26 verbunden wird. Die Spannung an dem nicht-invertierenden Eingang von Komparator 23 fällt ab, nachdem alle Energie vom Induktor 38 übertragen ist. Der Ausgang von Komparator 23 geht in einen logischen 0-Pegel über, wenn die Spannung am nicht-invertierenden Eingang von Komparator 23 unter Vref5 abfällt. Der logische 0- Pegel am Ausgang von Komparator 23 ermöglicht es dem Signalspeicher 21 (zurückgesetzt) den Transistor 42 einzuschalten, wodurch ein neuer Zyklus begonnen wird. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird der Zeitgeber bzw. Timer 22 einen Reset- Puls an Signalspeicher 21 liefern, um eine weitere Ausgangsschaltungssequenz zu beginnen, wenn ein Reset-Signal zum Signalspeicher 21 infolge eines zu niedrigen Energieüberganges vom Induktor 38 nicht erzeugt wird.
Eine Frequenzklemmschaltung 27 steuert eine Maximalfrequenz, bei welcher die integrierte Leistungsfaktorsteuerschaltung 12 arbeitet. Die Maximalfrequenz wird durch einen Widerstand 39, einen Kondensator 41 und Referenzspannung Vref1 gesteuert. Eine Maximalfrequenz wird eingeführt, um die integrierte Leistungsfaktorsteuerschaltung 12 daran zu hindern, ein deutliches elektromagnetisches Rauschen zu erzeugen.
Die Spannungssteuerschleife der integrierten Leistungsfaktorsteuerschaltung 12 ist zweckmäßigerweise langsam ausgestaltet, um ein Leistungsfaktor-korrigiertes Signal zu erzeugen. Eine typische Bandbreite für die Spannungssteuerschleife ist 20 Hertz. Da die Antwortzeit auf Spannungsänderungen am Ausgang 58 langsam ist, wird eine Situation erzeugt, wo große Spannungsschwingungen am Ausgang 58 entwickelt werden könnten. Im Allgemeinen beschränkt eine Überspannungs-Klemmschaltung die Überschwingung am Ausgang 58 auf einen vorbestimmten Prozentsatz der Ausgangsspannung. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird die Ausgangsspannung auf ein Maximum von 8% über der gesteuerten Spannung geklemmt. Der Komparator 24 ist die Überschwing-Klemmschaltung für die integrierte Leistungsfaktorsteuerschaltung 12. Vref4, verbunden mit dem invertierenden Eingang von Komparator 24, entspricht einer achtprozentigen Überschwingung. Die Ausgangsspannung wird über den Widerstandsteiler, welcher die Widerstände 46 und 47 (am Knoten 56) aufweist, gesammelt. Der Komparator 24 setzt den Signalspeicher 21 ein, wenn die Spannung am Knoten 56 Vref4 übersteigt (entsprechend einer achtprozentigen Überspannung). Der Signalspeicher 21 schaltet Transistor 42 aus, was die Schaltung beendet.
Der Transkonduktanzverstärker 16 wird für die Spannungssteuerschleife verwendet, er tastet bzw. schaltet von Knoten 56 zusammen mit der Überspannungs-Klemmschaltung (Komparator 24) ab, was die Anzahl von Pins bzw. Spitzen reduziert, welche für die integrierte Leistungsfaktorsteuerschaltung 12 erforderlich sind. Die geringe Bandbreite der Spannungssteuerschleife wird mittels eines kleinen Ausgangsstroms (vom Transkonduktanzverstärker 16) und Kondensator 36 mit einer großen Kapazitanz erreicht. Ein Problem mit der geringen Bandbreite tritt bei der Antwortszeit auf Belastungsübergänge und Einschaltübergänge auf. Die Überspannungsklemmschaltung beschränkt ein Überschwingen auf einen festen Prozentsatz über dem Nominalwert (die gesteuerte Spannung), aber dieser Prozentsatz liegt über dem Bereich der überlagerten Wechselspannung am Ausgang. In einigen Fällen sind die an eine Überschwingung und überlagerte Wechselspannung gestellten Begrenzungen zu hoch für Belastungsübergänge, was es erforderlich macht, die Ausgangsspannung auf engere Toleranzen zu regulieren. Der Transkonduktanzverstärker 16 liefert einen Erhöhungsstrom, um rasch seine Ausgangsspannung zu ändern, wenn Knoten 54 außerhalb eines spezifizierten Bereiches liegt. Der Erhöhungs- bzw. Aufladestrom entspricht einem Anstieg der Transkonduktanz (gm) des Transkonduktanzverstärkers 16. Eine Erhöhung der Transkonduktanz des Transkonduktanzverstärkers 16 beschleunigt die Spannungsschleifenantwort und ermöglicht eine raschere Antwort auf große Änderungen am Ausgang 58. Der Transkonduktanzverstärker 16 liefert einen Erhöhungsquellenstrom zum raschen Erhöhen der Spannung am Knoten 54, wenn die Spannung am Knoten 56 Vref 6 übersteigt. Der Transkonduktanzverstärker 16 liefert einen Erhöhungslaststrom zur raschen Absenkung der Spannung am Knoten 54, wenn die Spannung am Knoten 56 geringer als Vref7 ist. Angenommen, Vref1 beträgt 5 Volt, so wird ein Vref7 von 5,2 Volt einen Erhöhungszustand für Laststrom verursachen, um die Spannung am Knoten 54 abzusenken, wenn Ausgang 58 größer als 4% der Überspannung beträgt, wodurch rasch die Spannung am Ausgang 58 abgesenkt wird (bevor ein Überspannungsklemmen erforderlich wird). Ein Vref6 von 4,5 Volt wird einen Erhöhungszustand für Quellenstrom verursachen, um die Spannung am Knoten 54 zu erhöhen, wenn der Ausgang 58 10% Unterspannung aufweist, um die Spannung am Ausgang 58 zu erhöhen, wodurch eine engere Steuerung aufrechterhalten wird.
Der Multiplizierer 18 operiert innerhalb eines vorbestimmten Spannungsbereiches am Knoten 54. Beim Hochfahren befindet sich die Spannung am Knoten 54 außerhalb des vorbestimmten Spannungsbereiches, wodurch Knoten 54 rasch auf den vorbestimmten Spannungsbereich geladen wird, der Steuerungsprozess kann beginnen. Komparator 17 tastet die Spannung am Knoten 54 ab und liefert einen hohen Strom zum raschen Laden des Kondensators 36, wenn die Spannung am Knoten 54 kleiner als Vref3 ist. Wenn Multiplizierer 18 beispielsweise 2 Volt am Knoten 54 benötigt, um einen Steuerungsprozess zu beginnen, beträgt dann die Referenzspannung Vref3 1,7 Volt, was weniger als 2 Volt ist, welche vom Multiplizierer 18 benötigt wird. Der Komparator 17 und der Transkonduktanzverstärker 16 laden beide den Kondensator 36 unter dieser Bedingung auf, wenn die Spannung am Knoten 54 kleiner als 1,7 Volt ist. Der Transkonduktanzverstärker 16 liefert einen Erhöhungsstrom unter dieser Bedingung, was des Weiteren die Zeit vermindert, um den Betriebsspannungsbereich von Multiplizierer 18 zu erreichen. Der Komparator 17 liefert keinerlei Strom, um den Kondensator 36 zu laden, wenn die Spannung am Knoten 54 1,7 Volt übersteigt. Der Transkonduktanzverstärker 16 liefert zu dieser Zeit eine Steuerung über der Spannungssteuerungsschleife.
Der Komparator 17 liefert eine separate Funktion für niedrige Belastung oder Situationen ohne Belastung. Wenn beispielsweise eine Belastung während eines Ladezyklus entfernt wird, belädt der durch den Induktor 38 gelieferte Strom den Kondensator 44, was möglicherweise einen Überspannungszustand schafft. Keine Belastung oder eine niedrige Belastung verursacht, dass sich die Spannung am Ausgang 58 sehr langsam ändert. Jegliche zusätzliche Ladezyklen sollten verhindert werden, um Ausgang 58 davor zu bewahren, weiter außerhalb die Steuerung zu geraten. Der Transkonduktanzverstärker 16 entlädt Kondensator 36, da die Spannung am Knoten 56 Vref1 und Vref7 übersteigt. Der Komparator 17 erzeugt einen logischen 1-Pegel an dem eingestellten Eingang 52 von Signalspeicher 21, wenn die Spannung am Knoten 54 unter Vref3 fällt. Komparator 17 setzt Signalspeicher 21 ein (Q-Ausgang befindet sich bei einem logischen 1- Pegel), wodurch ein Ausschalten des Transistors 42 verhindert wird. Bei der bevorzugten Ausführungsform hält der Komparator 17 auch Knoten 54 bei 1,7 Volt, sogar obwohl Transkonduktanzverstärker 16 einen Laststrom liefert. Der Komparator 17 liefert daher eine verbesserte Regulierung bzw. Steuerung, sogar wenn die Belastung vom Ausgang 58 abgekoppelt wird.
Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm von Transkonduktanzverstärker 16 und Komparator 17 von Fig. 1 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Der Transkonduktanzverstärker 16 umfasst eine Erhöhungsschaltung für Last- und Quellenstrom, um die Geschwindigkeit zu erhöhen, bei welcher die integrierte Lastfaktorsteuerschaltung 12 auf Änderungen am Ausgang 58 von Fig. 1 antwortet. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist Vref6 kleiner als Vref1 und Vref7 ist größer als Vref1. Der Komparator 17 umfasst einen Ausgang zum Liefern eines Signales zum Ausschalten von Transistor 42 von Fig. 1, um die Steuerung aufrechtzuerhalten, wenn keine Belastung festgestellt wird.
Der Transkonduktanzverstärker 16 umfasst eine erste Erhöhungsschaltung 71, Transkonduktanzverstärkerstufe 72 und eine zweite Erhöhungsschaltung 73. Die Transkonduktanzverstärkerstufe 72 umfasst Transistoren 76, 77, 79, 81, 82, 83, 84 und 86 und Stromquelle 78. Die Transistoren 76, 77, 83 und 84 sind n- Kanalverstärkungs-MOSFETs. Die Transistoren 79, 81, 82 und 86 sind p-Kanalverstärkungs-MOSFETs. Stromquelle 78 liefert einen ersten Vorstrom und weist einen ersten Anschluss verbunden mit einem Knoten 117 und einen zweiten Anschluss verbunden mit der Erde auf. Die Transistoren 76 und 77 bilden eine differenzielle Eingangsstufe. Der Transistor 76 hat ein Gatter verbunden zum Empfangen einer Referenz- bzw. Bezugsspannung Vref1, einen Drainanschluss verbunden mit einem Knoten 116 und eine Quelle verbunden mit Knoten 117. Der Transistor 77 weist ein Gatter verbunden mit Knoten 56 von Fig. 1, einen Drainanschluss verbunden mit einem Knoten 118 und eine Quelle verbunden mit Knoten 117 auf. Die Transistoren 79 und 81 bilden aktive Belastungen für die differenzielle Eingangsstufe. Der Transistor 79 weist ein Gatter und einen Drainanschluss verbunden mit Knoten 116 auf und eine Quelle verbunden zum Empfangen einer Leistungsversorgungsspannung Vcc. Der Transistor 81 weist ein Gatter und einen Drainanschluss verbunden mit Knoten 118 und eine Quelle auf, welche zum Empfang einer Leistungsversorgungsspannung Vcc verbunden ist.
Die Transistoren 82, 83, 84 und 86 bilden eine Ausgangsstufe für die Transkonduktanzverstärkerstufe 72. Der Transistor 86 weist ein Gatter verbunden mit Knoten 116, einen Drainanschluss verbunden mit Knoten 54 von Fig. 1 und eine. Quelle verbunden zum Empfangen einer Leistungsversorgungsspannung Vcc auf. Der Transistor 82 weist ein Gatter verbunden mit Knoten 118, einen Drainanschluss verbunden mit einem Knoten 119 und eine Quelle verbunden zum Empfang einer Leistungsversorgung Vcc auf. Der Transistor 83 weist ein Gatter und einen Drainanschluss verbunden mit Knoten 119 und eine Quelle verbunden mit der Erde auf. Der Transistor 84 weist ein Gatter verbunden mit Knoten 119, einen Drainanschluss verbunden mit Knoten 54 von Fig. 1 und eine Quelle verbunden mit der Erde auf.
Die Transkonduktanzverstärkerstufe 72 antwortet auf eine Spannung am Knoten 56, wie in den Bereichen 133 bis 135 von Fig. 3 gezeigt. Die Transkonduktanzverstärkerstufe 72 antwortet linear, wenn die Spannung am Knoten 56 größer als Vref6 und kleiner als Vref7 ist. Ein Quellenstrom von der Transkonduktanzverstärkerstufe 72 wird auf ein Maximum beschränkt, wie im Bereich 134 für Spannungen am Knoten 56 von weniger als Vref 6 gezeigt ist. Ein Laststrom von der Transkonduktanzverstärkerstufe 72 ist auf ein Minimum beschränkt, wie in dem Bereich 135 für Spannungen am Knoten 56, die größer als Vref7 sind, gezeigt ist. Die Transkonduktanzverstärkerstufe 72 hat nicht genügend Stromausgang, um Knoten 54 von Fig. 1 rasch anzuheben, um schnell zu antworten, wenn eine Spannung am Ausgang 58 von Fig. 2 deutlich außerhalb des Bereiches liegt.
Zurückkommend auf die Fig. 2 umfasst eine erste Erhöhungsschaltung 71 eine Stromquelle 89 und Transistoren 87, 88, 91, 92, 93 und 94. Die erste Erhöhungsschaltung 71 ist eine schaltbare Stromquelle, um Quellenstrom (am Ausgang von Transkonduktanzverstärker 16) an den Knoten 54 abzugeben, wenn Knoten 56 (invertierender Eingang von Transkonduktanzverstärker 16) kleiner als Vref6 ist. Die Stromquelle 89 besitzt einen ersten Anschluss verbunden mit einem Knoten 113 und einen zweiten Anschluss verbunden mit der Erde. Die Transistoren 87 und 88 bilden differenzielle Eingangsstufen. Der Transistor 87 besitzt ein Gatter verbunden mit Knoten 56, einen Drainanschluss verbunden mit Knoten 112 und eine Quelle verbunden mit Knoten 113. Der Transistor 88 besitzt ein Gatter verbunden zum Empfang von Referenzspannung Vref6, einen Drainanschluss verbunden mit einem Knoten 114 und eine Quelle verbunden mit einem Knoten 113. Die Transistoren 91 und 92 bilden eine Stromspiegelschaltung. Der Transistor 91 besitzt ein Gatter und einen Drainanschluss verbunden mit Knoten 112 und eine Quelle, welche zum Empfang von Leistungseinspeisungsspannung Vcc verbunden ist. Der Transistor 92 besitzt ein Gatter verbunden mit Knoten 112, einen Drainanschluss verbunden mit 114 und eine Quelle verbunden zum Empfang von Leistungsversorgungsspannung Vcc. Die Transistoren 93 und 94 bilden eine Ausgangsstufe für eine erste Erhöhungsschaltung 71 zum Liefern des Quellenstroms. Transistor 93 besitzt ein Gatter und einen Drainanschluss, verbunden mit Knoten 114, und eine Quelle, verbunden zum Empfang von Leistungsversorgungsspannung Vcc. Der Transistor 94 besitzt ein Gatter, verbunden mit Knoten 114, einen Drainanschluss, verbunden mit Knoten 54, und eine Quelle, verbunden zum Empfang von Leistungsversorgungsspannung Vcc.
Der Quellenstrom, welcher durch die erste Erhöhungsschaltung 71 geliefert wird, entspricht dem Bereich 131 von Fig. 3 und entspricht einem Zustand, in dem Ausgang 58 (Fig. 1) deutlich geringer als die Steuerspannung ist. Es ist festzuhalten, dass die erste Erhöhungsspannung den Quellenstrom liefert, wenn die Spannung am Knoten 56 kleiner als Vref6 ist, was die Spannung an dem zweiten invertierenden Eingang von Komparator 19 (Fig. 1) erhöht, wodurch der Induktor 38 (Fig. 1) mehr Energie speichert, um die Spannung am Ausgang 58 (Fig. 1) zu erhöhen.
Bezugnehmend auf die Fig. 2, umfasst die zweite Erhöhungsschaltung 73 eine Stromquelle 98 und Transistoren 96, 97, 99, 101, 102 und 103. Die zweite Erhöhungsschaltung 73 ist eine schaltbare Stromquelle zum Liefern eines Laststromes (am Ausgang von Transkonduktanzverstärker 16) zum Knoten 54, wenn Knoten 56 (invertierender Eingang des Transkonduktanzverstärkers 16) größer als Vref7 ist. Die Stromquelle 98 weist einen ersten Anschluss, verbunden mit einem Knoten 123, und einen zweiten Anschluss zum Empfangen von Leistungsversorgungsspannung Vcc auf. Die Transistoren 96 und 97 bilden eine differenzielle Eingangsstufe. Der Transistor 96 besitzt ein Gatter, verbunden mit Knoten 56, einen Drainanschluss, verbunden mit Knoten 122 und eine Quelle, verbunden mit Knoten 123. Der Transistor 97 besitzt ein Gatter, verbunden zum Empfangen von Referenzspannung Vref7, einen Drainanschluss, verbunden mit einem Knoten 124 und eine Quelle, verbunden mit Knoten 123. Die Transistoren 99 und 101 bilden eine Stromspiegelschaltung. Der Transistor 99 besitzt ein Gatter und einen Drainanschluss, verbunden mit Knoten 122, und eine Quelle, verbunden zur Erde. Der Transistor 101 besitzt ein Gatter, verbunden mit Knoten 122, einen Drainanschluss, verbunden mit 124 und eine Quelle, verbunden zur Erde. Die Transistoren 102 und 103 bilden eine Ausgangsstufe der zweiten Erhöhungsschaltung 73 zum Liefern des Laststromes. Der Transistor 102 besitzt ein Gatter und einen Drainanschluss, verbunden mit Knoten 124, und eine Quelle, verbunden zur Erde, Der Transistor 103 besitzt ein Gatter, verbunden mit Knoten 124, einen Drainanschluss, verbunden mit Knoten 54, und eine Quelle, verbunden zur Erde.
Der Senken- bzw. Laststrom, geliefert durch die zweite Erhöhungsschaltung 72, entspricht dem Bereich 132 von Fig. 3 und entspricht einer Bedingung, wenn Ausgang 58 (Fig. 1) deutlich größer als die Steuerspannung ist. Es ist festzuhalten, dass die zweite Erhöhungsschaltung den Laststrom liefert, wenn die Spannung am Knoten 56 größer als Vref7 ist, was die Spannung am zweiten invertierenden Eingang von Komparator 19 (Fig. 1) erniedrigt, wodurch der Induktor 38 weniger Energie speichert oder die Schaltung von Transistor 42 (Fig. 1) beendet, wodurch verhindert wird, dass der Kondensator 44 weiter durch den Induktor 38 (Fig. 1) geladen wird.
Eine Zusammenstellung der Spannung/Strom-Charakteristiken des Transkonduktanzverstärkers 16 ist in Fig. 3 gezeigt. Bereich 137 entspricht der ersten Erhöhungsschaltung 71, Bereich 136 entspricht der linearen Antwort der Transkonduktanzverstärkerstufe 72 und Bereich 138 entspricht der zweiten Erhöhungsschaltung 72.
Bezugnehmend auf Fig. 2, lädt der Komparator 17 den Kondensator 36 von Fig. 1 während dem Hochfahren, um die Spannungssteuerschleife zur Regulierung zu bringen, und stellt einen Nicht-Last-Zustand fest. Der Komparator 17 hindert den Transistor 42 von Fig. 1 unter einen Nicht-Last-Zustand zu schalten, um die Steuerung aufrechtzuerhalten. Der Komparator 17 umfasst Stromquellen 109 und 111, Transistoren 104, 106, 107 und 108 und Puffer 112. Der Transistor 107 ist ein bipolarer npn- Transistor und Transistor 108 ist ein bipolarer pnp- Transistor.
Der Transistor 107 weist eine Basis auf, welche mit dem Knoten 127 verbunden ist, einen Emitter verbunden mit Knoten 54, und einen Kollektor verbunden mit Knoten 126. Der Emitter von Transistor 107 entspricht dem zweiten Ausgang und invertierenden Eingang von Komparator 117. Der Transistor 104 besitzt ein Gatter und einen Drainanschluss verbunden mit Knoten 126, und eine Quelle verbunden zum Empfangen von Leistungsversorgungsspannung Vcc. Die Stromquelle 109 besitzt einen ersten Anschluss verbunden zum Empfang von Leistungsversorgungsspannung Vcc, und einen zweiten Anschluss verbunden mit Knoten 127. Der Transistor 108 besitzt eine Basis verbunden zum Empfang von Referenzspannung Vref3, einen Emitter verbunden mit Knoten 127 und einen Kollektor verbunden zur Erde. Die Basis von Transistor 108 entspricht dem nicht-invertierenden Eingang von Komparator 17. Der Transistor 106 besitzt ein Gatter verbunden mit Knoten 126, einen Drainanschluss verbunden mit einem Knoten 128, und eine Quelle verbunden zum Empfang von Leistungsversorgungsspannung Vcc. Die Stromquelle 111 besitzt einen ersten Anschluss verbunden mit Knoten 128 und einen zweiten Anschluss verbunden zur Erde. Der Puffer 112 besitzt einen Eingang verbunden mit Knoten 128, und einen Ausgang 129. Der Ausgang 129 von Puffer 112 entspricht dem ersten Eingang von Komparator 17 zum Verbinden mit dem eingestellten Eingang 52 von Signalspeicher 21 (Fig. 1).
Die Basis-Emitter-Verbindung von Transistor 107 wird vorbelastet, wenn die Spannung am Knoten 54 unter die Referenzspannung Vref3 fällt. Der Transistor 107 liefert Strom zum Aufrechterhalten der Spannung am Knoten 54 bei einer Spannung von etwa Vref3 unter diesen Bedingungen. Die Transistoren 104 und 106 sind als Stromspiegelschaltung ausgebildet. Die Stromkopplung durch Transistor 107 wird durch Transistor 106 zum Antreiben von Knoten 128 auf ein logisches 1-Pegel gespiegelt, das durch Puffer 112 gepuffert wird und am Ausgang 129 (logischer 1-Pegel) von Puffer 112 vorgesehen ist. Im Gegensatz dazu befindet sich der Ausgang 129 bei einem logischen 0-Pegel, wenn kein Strom durch Transistor 107 (Stromquelle 111 zieht Knoten 128 auf einen logischen 0-Pegel) koppelt und ist am Ausgang 129 von Puffer 112 vorgesehen.
Es sollte nun anerkannt werden, dass eine integrierte Leistungsfaktorsteuerschaltung zur Verfügung gestellt wird. Die integrierte Leistungsfaktorkontrollschaltung umfasst einen Transkonduktanzverstärker, einen Multiplizierer und eine Steuerschaltung, welche eine Spannungssteuerschleife zum Erzeugen einer regulierten Gleichstromausgangsspannung bildet. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die Gleichstromausgangsspannung größer als die Amplitude eines Eingangswechselstromleitung-Spannungssignals. Die integrierte Leistungsfaktorsteuerschaltung schaltet einen Transistor ein und aus, welcher einen Induktor zum Liefern von Strom zu einer Belastung und einem Speicherkondensator belädt.
Der Transkonduktanzverstärker erzeugt ein Fehlersignal, das der Differenz zwischen der Gleichstromausgangsspannung und einer Regelspannung entspricht. Der Transkonduktanzverstärker umfasst erste und zweite Erhöhungsschaltungen zum Liefern einer großen Last- oder Quellenspannung, wenn die Gleichstromausgangsspannung außerhalb eines vorbestimmten Bereiches liegt. Bei der bevorzugten Ausführungsform vergleicht der Transkonduktanzverstärker eine Spannung proportional mit der Gleichstromausgangsspannung gegen eine erste Referenzspannung. Die erste Referenzspannung entspricht der Regelspannung. Der Transkonduktanzverstärker empfängt auch zweite und dritte Referenzspannungen, entsprechend den Endpunkten der vorbestimmten Bereiche.
Der Transkonduktanzverstärker liefert einen Anlaufquellenstrom, wenn die zu der Gleichstromausgangsspannung proportionale Spannung kleiner ist als die zweite Referenzspannung. Die zweite Referenzspannung ist kleiner als die erste Referenzspannung und entspricht einer Bedingung bzw. einem Zustand, in dem die Gleichstromausgangsspannung kleiner als die Regelspannung ist. Die Erhöhungsquellenspannung beschleunigt eine Antwortszeit der Spannungssteuerschleife, wodurch mehr Strom zur Belastung und den Speicherkondensator geliefert wird, was die Gleichstromausgangsspannung erhöht.
In gleicher Weise liefert der Transkonduktanzverstärker einen Erhöhungslaststrom, wenn die zu der Gleichstromausgangsspannung proportionale Spannung größer als die dritte Referenzspannung ist. Die dritte Referenzspannung ist größer als die erste Referenzspannung und entspricht einem Zustand, in dem die Gleichstromausgangsspannung größer als die Regelspannung ist. Der Erhöhungsquellenstrom beschleunigt die Antwortszeit der Spannungssteuerschleife zum Ausschalten des Transistors, wodurch ein weiterer Anstieg der Gleichstromausgangsspannung verhindert wird und eine engere Steuerung beibehalten bleibt.
In Verbindung mit dem Transkonduktanzverstärker wird ein Komparator zugefügt, welcher das Fehlersignal des Transkonduktanzverstärkers zum Feststellen eines Nicht-Belastungs-Zutands abtastet.
Beim Anfahren unterstützt der Komparator das Aufladen einer Kapazitanz am Ausgang des Transkonduktanzverstärkers (mit dem Anlauf- bzw. Erhöhungsquellenstrom), um rasch die Spannungssteuerschleife zum Liefern einer Regelspannung einzustellen. Unter einem Nicht-Belastungs-Zustand entlädt der Speicherkondensator nicht (da keine Belastung vorliegt) und jegliche weitere Ladung über den Induktor wird die Gleichstromausgangsspannung ansteigen lassen. Der Komparator vergleicht das Fehlersignal des Transkonduktanzverstärkers gegen eine vierte Referenzspannung. Der Nicht-Belastungs-Zustand manifestiert sich selbst, indem der Transkonduktanzverstärker veranlasst wird, kontinuierlich eine Spannung an seinem Ausgang zu vermindern. Der Komparator erzeugt ein Ausgangssignal, das durch die Steuerschaltung zum Ausschalten des Transistors empfangen wird (um weitere Ladung zu verhindern), wenn die Spannung an dem Ausgang des Transkonduktanzverstärkers kleiner ist als die vierte Referenzspannung. Der Komparator verhindert einen Zustand, in dem die Gleichstromausgangsspannung deutlich aus der Steuerung gerät, und klemmt die Ausgangsspannung des Transkonduktanzverstärkers an der vierten Referenzspannung, um die Spannungssteuerschleife aufrechtzuerhalten.
Allgemein wird ein Verfahren zur Verbesserung der Antwortszeit einer Spannungssteuerschleife einer Leistungsfaktorsteuerschaltung zur Verfügung gestellt. Eine Gleichstromausgangsspannung wird gegen eine erste Referenzspannung durch einen Transkonduktanzverstärker verglichen. Der Transkonduktanzverstärker erzeugt ein Fehlersignal, um eine Regelspannung aufrechtzuerhalten. Der Ausgangsstrom des Transkonduktanzverstärkers wird erhöht, wenn die Gleichstromausgangsspannung sich außerhalb eines vorbestimmten Bereiches befindet. Die zur Erzeugung eines Fehlersignales erforderliche Zeit wird reduziert, was die Spannungssteuerschleife-Antwort auf eine Änderung in der Gleichstromausgangsspannung verbessert.
Während spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben worden sind, werden weitere Modifikationen und Verbesserungen für den Fachmann ersichtlich sein.

Claims

1. Integrierte Leistungsfaktorsteuerschaltung (12) zum Erzeugen eines mittleren, sinusförmigen und mit einem Wechselstrom-Leitungsspannungssignal in Phase stehenden Wechselstrom-Leitungsstrom, wobei die integrierte Leistungsfaktorsteuerschaltung (12) einen Transistor (42) zum Erzeugen einer Gleichstrom-Ausgangsspannung aus einem Ganzwellengleichgerichten Gleichstrom-Leitungsspannungssignal aktiviert und deaktiviert, wobei die integrierte Leistungsfaktorsteuerschaltung (12) umfasst:

Einen Transkonduktanzverstärker (16), der auf die Gleichstrom-Ausgangsspannung anspricht, zum Bereitstellen eines Fehlersignals, wobei der Transkonduktanzverstärker (16) eine Linearspannung auf den Ansprechstrom in einem vorbestimmten Eingangsspannungsbereich bereitstellt und einen erhöhten Strom außerhalb des vorbestimmten Eingangsspannungsbereiches bereitstellt;

einen Multiplizierer (18), der auf das Ganzwellen-gleichgerichtete Wechselstrom-Leitungsspannungssignal und das Fehlersignal des Transkonduktanzverstärkers (16) anspricht, wobei der Multiplizierer (18) ein Steuersignal bereitstellt; und

eine Steuereinrichtung (14), die auf das Steuersignal des Multiplizierers anspricht, wobei eine Spannungssteuerschleife zum Regeln der Gleichstrom-Ausgangsspannung durch den Multiplizierer (18), den Transkonduktanzverstärker (16) und die Steuereinrichtung (14) gebildet wird, wobei der erhöhte Strom des Transkonduktanzverstärkers (16) eine Geschwindigkeit, in welcher die Spannungssteuerschleife auf Änderungen in der Gleichstrom-Aussgangsspannung anspricht, erhöht.

2. Integrierte Leistungsfaktorsteuerschaltung (12) nach Anspruch 1, bei welcher der Multiplizierer (18) einen ersten Eingang zum Empfangen einer zu dem Ganzwellengleichgerichteten Wechselstrom-Leitungsspannungssignal proportionalen Spannung, einen zweiten Eingang zum Empfangen des Fehlersignals des Transkonduktanzverstärkers (16) und einen Ausgang umfasst, wobei der Multiplizierer (18) die zu dem Ganzwellengleichgerichteten Wechselstrom-Leitungsspannungssignal proportionale Spannung und das Fehlersignal des Trankonduktanzverstärkers (16) zum Erzeugen des Steuersignals zum Erzeugen des mittleren Wechselstrom-Leitungsstroms, um sinusförmig und in Phase mit dem Wechselstrom- Leitungsspannungssignal zu sein, mischt.

3. Integrierte Leistungsfaktorsteuerschaltung (12) nach Anspruch 2, bei welcher der Transkonduktanzverstärker (16) einen invertierenden Eingang, der zum Empfangen einer zu der Gleichstrom-Ausgangsspannung proportionalen Spannung verbunden ist, einen nicht-invertierenden Eingang zum Empfangen einer ersten Bezugsspannung und einen Ausgang, der mit dem zweiten Eingang des Multiplizierers (18) zum Bereitstellen des Fehlersignals Verbunden ist, umfasst.

4. Integrierte Leistungsfaktorsteuerschaltung (12) nach Anspruch 3, bei welcher der Transkonduktanzverstärker (16) umfasst:

Eine erste Erhöungsschaltung (71) zum Bereitstellen einer Stromquelle, wenn die zu der Gleichstrom-Ausgangsspannung proportionale Spannung kleiner ist als eine zweite Bezugsspannung;

eine zweite Erhöhungsschaltung (73) zum Bereitstellen einer Stromsenke, wenn die zu der Gleichstrom-Ausgangsspannung proportionale Spannung größer ist als eine dritte Bezugsspannung; und

eine Transkonduktanzverstärkerstufe (72), um einem Ansprechstrom die Linearspannung bereitzustellen, wenn sich die zu der Gleichstrom-Ausgangsspannung proportionale Spannung zwischen der zweiten und dritten Bezugsspannung befindet.

5. Integrierte Leistungsfaktorsteuerschaltung (12) nach Anspruch 4, bei welcher die erste Bezugsspannung größer ist als die zweite Bezugsspannung und kleiner ist als die dritte Bezugsspannung.

6. Integrierte Leistungsfaktorsteuerschaltung (12) nach Anspruch 5, bei welcher der vorbestimmte Eingangsspannungsbereich des Transkonduktanzverstärkers (16) durch die zweite und dritte Bezugsspannung begrenzt ist.

7. Verfahren zum Erhöhen einer Ansprechzeit einer Spannungssteuerschleife einer Leistungsfaktorsteuerschaltung (12), wobei das Verfahren umfasst:

Vergleichen einer Gleichstrom-Ausgangsspannung gegenüber einer ersten Bezugsspannung mit einem Transkonduktanzverstärker (16), wobei der Transkonduktanzverstärker (16) ein Fehlersignal zum Regeln der Gleichstrom-Ausgangsspannung erzeugt; und

Erhöhen eines Ausgangsstroms des Transkonduktanzverstärkers (16), wenn sich die Gleichstrom-Ausgangsspannung außerhalb eines vorbestimmten Bereiches befindet, wobei das Erhöhen des Ausgangsstroms des Transkonduktanzverstärkers (16) eine Zeit vermindert, um ein Fehlersignal zu erzeugen, um dabei die Ansprechzeit der Spannungssteuerschleife der Leistungsfaktorsteuerschaltung (12) zu erhöhen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem der Schritt zum Erhöhen eines Ausgangsstroms des Transkonduktanzverstärkers (16) weiterhin die Schritte umfasst:

Vergleichen der Gleichstrom-Ausgangsspannung gegenüber einer zweiten Bezugsspannung mit dem Transkonduktanzverstärker (16); und

Erhöhen einer Stromquelle des Transkonduktanzverstärkers (16), wenn die Gleichstrom-Ausgangsspannung kleiner ist als die zweite Bezugsspannung.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem der Schritt zum Erhöhen eines Ausgangsstroms des Transkonduktanzverstärkers (16) weiterhin die Schritte umfasst:

Vergleichen der Gleichstrom-Ausgangsspannung gegenüber einer dritten Bezugsspannung mit dem Transkonduktanzverstärker (16); und

Erhöhen einer Stromsenke des Transkonduktanzverstärkers (16), wenn die Gleichstrom-Ausgangsspannung größer ist als die dritte Bezugsspannung.

10. Integrierte Leistungsfaktorsteuerschaltung (12) zum Erzeugen eines mittleren, sinusförmigen und mit einem Wechselstrom-Leitungsspannungssignal in Phase stehenden Wechselstrom-Leitungsstrom, wobei die integrierte Leistungsfaktorsteuerschaltung (12) einen Transistor (42) zum Erzeugen einer Gleichstrom-Ausgangsspannung aus einem Ganzwellengleichgerichten Gleichstrom-Leitungsspannungssignal aktiviert und deaktiviert, wobei die integrierte Leistungsfaktorsteuerschaltung (12) umfasst:

eine Vergleichseinrichtung (17), die auf das Fehlersignal des Transkonduktanzverstärkers (16) anspricht, zum Bereitstellen eines Nicht-Last-Signals, wenn das Fehlersignal kleiner ist als ein Referenzsignal; und

eine Steuereinrichtung (14), die auf das Steuersignal des Multiplizierers anspricht, wobei eine Spannungssteuerschleife zum Regeln der Gleichstrom-Ausgangsspannung durch den Multiplizierer (18), den Transkonduktanzverstärker (16) und die Steuereinrichtung (14) gebildet wird, wobei der erhöhte Strom des Transkonduktanzverstärkers (16) eine Geschwindigkeit, in welcher die Spannungssteuerschleife auf Änderungen in der Gleichstrom-Aussgangsspannung anspricht, erhöht, wobei die Steuereinrichtung (14) auf das Nicht- Last-Signal der Vergleichseinrichtung (17) zum Deaktivieren des Transistors (42) anspricht, um weitere Erhöhungen der Gleichstrom-Ausgangsspannung unter einem Nicht-Last-Zustand zu verhindern.