CN102549899A - 用于减少线电流失真的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种功率因数校正(PFC)系统包括调整模块、补偿模块和占空比控制模块。调整模块基于N个预定时间提前量和(N-1)个时间提前量调整来产生N个时间提前量，其中N是大于零的整数。补偿模块通过使用正弦参考信号的梯度和N个时间提前量提前预测输入交流(AC)线信号，来分别产生输入AC线信号的N个补偿版本，其中正弦参考信号在相位和频率上与输入AC线信号同步。占空比控制模块基于输入AC线信号的N个补偿版本产生PFC占空比。

Description

用于减少线电流失真的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求在2010年8月9日提交的美国实用专利申请No.12/852,578和在2009年8月10日提交的美国临时申请No.61/232,646的优先权。上面的申请的整体公开通过引用被包含在此。
技术领域
本公开涉及电动机控制系统和方法，并且更具体地涉及功率因数校正系统和方法。
背景技术
在此提供的背景技术说明用于一般地呈现本公开的背景的目的。在本背景技术部分中描述的当前提名的发明人的工作以及否则不合适作为在提交时的现有技术的说明的方面既不明确地也不隐含地被承认为相对于本公开的现有技术。
在包括但是不限于加热、通风和空气调节(HVAC)系统的各种各样的工业和居住应用中使用电动机。仅作为示例，电动机可以驱动在HVAC系统中的压缩机。也可以在HVAC系统中实现一个或更多个另外的电动机。仅作为示例，HVAC系统可以包括驱动与冷凝器相关联的风扇的另一个电动机。可以在HVAC系统中包括另一个电动机，以驱动与蒸发器相关联的风扇。
功率因数是在电路中的电流和电压之间的关系或与存储和向电源返回能量作比较而言电路如何有效地使用有效功率的指示器。功率因数可以被表达为在0和1之间的值。电路的实际有效功率的使用除以由电路拉出的总的伏安会随着功率因数接近1而增大。在不同实现方式中，可以实现功率因数校正(PFC)系统。PFC系统通常运行以将电路的功率因数向1增大，由此与电路存储和向电源返回的无功功率的数量作比较而言提高电路的有效功率的使用。
发明内容
一种功率因数校正(PFC)系统包括调整模块、补偿模块和占空比控制模块。调整模块基于N个预定时间提前量和(N-1)个时间提前量调整来产生N个时间提前量，其中N是大于零的整数。补偿模块通过使用正弦参考信号的梯度和N个时间提前量提前预测输入交流(AC)线信号，来分别产生输入AC线信号的N个补偿版本，其中正弦参考信号在相位和频率上与输入AC线信号同步。占空比控制模块基于输入AC线信号的N个补偿版本产生PFC占空比。
在其他特征中，预测过零检测模块基于输入AC线信号的预测过零产生翻转信号并且基于输入AC线信号预测过零，其中基于翻转信号使PFC占空比翻转。
在其他特征中，在第一时间长度上发生PFC占空比的完全翻转，预测过零检测模块基于输入AC线信号的提前版本的预测过零来切换翻转信号的状态，并且预测过零检测模块通过按时间提前量进行提前预测来产生输入AC线信号的提前版本，其中该时间提前量基于PFC系统的控制系统延迟和第一时间长度的一半的和。
在其他特征中，预测过零检测模块通过沿正弦参考信号的当前梯度按时间提前量外推输入AC线信号的当前值来产生输入AC线信号的提前版本。
在其他特征中，陷波滤波器通过滤除输入AC线信号的预定频率来产生滤波的AC信号，其中预定频率基于PFC系统的控制系统延迟，补偿模块通过提前预测滤波的AC信号来产生输入AC线信号的N个补偿版本，并且预测过零检测模块基于滤波的AC信号来预测过零。
在其他特征中，陷波滤波器通过滤除输入AC线信号的预定频率来产生滤波的AC信号，其中预定频率基于PFC系统的控制系统延迟，并且补偿模块通过提前预测滤波的AC信号来产生输入AC线信号的N个补偿版本。
在其他特征中，对于输入AC线信号的N个补偿版本中的每个版本，补偿模块通过沿正弦参考信号的当前梯度按N个时间提前量中的相应的一个时间提前量外推输入AC线信号的当前值来产生该版本。
在其他特征中，(N-1)个时间提前量调整基于具有不同相位的N个测量电流之间的差，其中N是大于1的整数。在其他特征中，N个预定时间提前量被设定在设计时间。
一种用于功率因数校正(PFC)的方法包括基于N个预定时间提前量和(N-1)个时间提前量调整来产生N个时间提前量，其中N是大于零的整数，通过使用正弦参考信号的梯度和N个时间提前量提前预测输入交流(AC)线信号，来分别产生输入AC线信号的N个补偿版本，其中正弦参考信号在相位和频率上与输入AC线信号同步，以及基于输入AC线信号的N个补偿版本产生PFC占空比。
在其他特征中，该方法包括基于输入AC线信号的预测过零产生翻转信号，基于输入AC线信号预测过零，以及基于翻转信号使PFC占空比翻转。
在其他特征中，在第一时间长度上发生PFC占空比的完全翻转，并且该方法包括基于输入AC线信号的提前版本的预测过零来切换翻转信号的状态，以及通过按时间提前量进行提前预测来产生输入AC线信号的提前版本，其中该时间提前量基于PFC系统的控制系统延迟和第一时间长度的一半的和。在其他特征中，该方法包括通过沿正弦参考信号的当前梯度按时间提前量外推输入AC线信号的当前值来产生输入AC线信号的提前版本。
在其他特征中，该方法包括通过使用陷波滤波器滤除输入AC线信号的预定频率来产生滤波的AC信号，其中预定频率基于PFC系统的控制系统延迟。在其他特征中，该方法包括通过提前预测滤波的AC信号来产生输入AC线信号的N个补偿版本，以及基于滤波的AC信号来预测过零。
在其他特征中，该方法包括通过使用陷波滤波器滤除输入AC线信号的预定频率来产生滤波的AC信号，其中预定频率基于PFC系统的控制系统延迟，以及通过提前预测滤波的AC信号来产生输入AC线信号的N个补偿版本。
在其他特征中，该方法包括对于输入AC线信号的N个补偿版本中的每个版本，通过沿正弦参考信号的当前梯度按N个时间提前量中的相应的一个时间提前量外推输入AC线信号的当前值来产生该版本。
在其他特征中，(N-1)个时间提前量调整基于具有不同相位的N个测量电流之间的差，其中N是大于1的整数。在其他特征中，N个预定时间提前量被设定在设计时间。
一种用于功率因数校正(PFC)的方法包括接收输入交流(AC)线信号，通过使用陷波滤波器滤除输入AC线信号的预定频率来产生滤波的AC信号，其中预定频率基于PFC系统的控制系统延迟，产生在相位和频率上与输入AC线信号同步的正弦参考信号，基于N个预定时间提前量和(N-1)个时间提前量调整来产生N个时间提前量，其中N是大于零的整数，对于输入AC线信号的N个补偿版本中的每个版本，通过沿正弦参考信号的当前梯度按N个时间提前量中的相应的一个时间提前量外推滤波的AC线信号的当前值来产生该版本，基于输入AC线信号的N个补偿版本产生PFC占空比，基于滤波的AC信号来预测过零，基于滤波的AC线信号的预测过零产生翻转信号，基于翻转信号使PFC占空比翻转，通过按时间提前量进行提前预测来产生滤波的AC线信号的提前版本，该时间提前量包括PFC系统的控制系统延迟和PFC占空比的完全翻转时间的一半的和，以及基于滤波的AC线信号的提前版本的预测过零来切换翻转信号的状态。
通过以下提供的详细描述，本公开的其他适用领域将变得明显。应当明白，详细说明和具体示例意欲仅用于说明的目的，并且不意欲限制本公开的范围。
附图说明
通过详细说明和附图，变得更全面地明白本公开，在附图中：
图1是示例制冷系统的功能框图；
图2是示例驱动控制器和示例压缩机的功能框图；
图3a-3c是示例功率因数校正(PFC)模块的简化示意图；
图4a-4c是示例逆变电源模块和示例电动机的简化示意图；
图5是示例PFC控制模块的功能框图；
图6是示例脉宽调制(PWM)驱动模块的功能框图；
图7是示例电压控制模块的功能框图；
图8是示例电流控制模块的功能框图；
图9是示例占空比转换模块的功能框图；
图10是示例延迟补偿模块的功能框图；
图11是示例电流平衡模块的功能框图；以及
图12是用于补偿延迟的示例方法的流程图。
具体实施方式
下面的描述在本质上仅是说明性的，并且绝不意欲限制本公开、其应用或使用。为了清楚的目的，在附图使用相同的附图标号来识别类似的元件。在此使用的短语A、B和C的至少一个应当被解释为使用非排他逻辑或来表示逻辑(A或B或C)。应当明白，在不改变本公开的原理的情况下，可以以不同的顺序来执行在方法内的步骤。
在此使用的术语模块可以指的是下述内容、下述内容的一部分或包括下述内容：专用集成电路(ASIC)；电子电路；组合逻辑电路；现场可编程门阵列(FPGA)；执行代码的处理器(共享、专用或组)；提供所述功能的其他适当的部件；或上面的一些或全部的组合，诸如在片上系统中。术语模块可以包括存储由处理器执行的代码的存储器(共享、专用或组)。
上面使用的术语代码可以包括软件、固件和/或微码，并且可以指的是程序、例程、函数、类和/或对象。上面使用的术语共享表示可以使用单个(共享)处理器来执行来自多个模块的一些或全部代码。另外，可以通过单个(共享)存储器来存储来自多个模块的一些或全部代码。上面使用的术语组表示可以使用一组处理器来执行来自单个模块的一些或全部代码。另外，可以使用一组存储器来存储来自单个模块的一些或全部代码。
可以通过由一个或更多个处理器执行的一个或更多个计算机程序来实现在此所述的设备和方法。计算机程序包括在非暂时有形计算机可读介质上存储的处理器可执行指令。计算机程序也可以包括存储的数据。非暂时有形计算机可读介质的非限定性示例是非易失性存储器、磁存储器和光学存储器。
现在参考图1，呈现了制冷系统100的功能框图。制冷系统100可以包括压缩机102、冷凝器104、膨胀阀106和蒸发器108。根据本公开的原理，制冷系统100可以包括另外和/或替代的部件。另外，本公开适用于其他适当类型的制冷系统，该其他适当类型的制冷系统包括但是不限于加热、通风和空气调节(HVAC)、热泵、制冷和冷却系统
压缩机102接收以蒸汽形式的制冷剂，并且压缩制冷剂。压缩机102向冷凝器104提供加压的以蒸汽形式的制冷剂。压缩机102包括驱动泵的电动机。仅作为示例，压缩机102的泵可以包括涡旋式压缩机和/或往复式压缩机。
加压的制冷剂的全部或一部分在冷凝器104内被转换为液体形式。冷凝器104将热量从制冷剂传开，由此冷却制冷剂。当制冷剂蒸汽被冷却到小于饱和温度的温度时，制冷剂变换为液体(或液化)制冷剂。冷凝器104可以包括电风扇，该电风扇提高将热量从制冷剂传开的速率。
冷凝器104经由膨胀阀106向蒸发器108提供制冷剂。膨胀阀106控制向蒸发器108提供制冷剂的流速。膨胀阀106可以包括恒温膨胀阀或可以被例如系统控制器130电控制。由膨胀阀106引起的压力降低可能使得液化制冷剂的一部分变换回蒸汽形式。以这种方式，蒸发器108可以接收制冷剂蒸汽和液化制冷剂的混合物。
制冷剂吸收在蒸发器108中的热量。液体制冷剂当被加热到大于制冷剂的饱和温度的温度时转换为蒸汽形式。蒸发器108可以包括电风扇，电风扇提高向制冷剂的热传导的速率。
设施120向制冷系统100提供电力。仅作为示例，设施120可以在大约230伏特(V)均方根(RMS)或在另一个适当电压提供单相交流(AC)电力。在各种实现方式中，设施120可以在大约400伏特RMS或480伏特RMS在例如50或60Hz的线频率提供三相电力。设施120可以经由AC线向系统控制器130提供AC电力。AC电力也可以经由AC线被提供到驱动控制器132。
系统控制器130控制制冷系统100。仅作为示例，系统控制器130可以基于由各个传感器(未示出)测量的用户输入和/或参数来控制制冷系统100。传感器可以包括压力传感器、温度传感器、电流传感器、电压传感器等。传感器也可以包括通过串行数据总线或其他适当数据总线的、来自驱动控制的反馈信息，诸如电动机电流或扭矩。
用户接口134向系统控制器130提供用户输入。用户接口134可以补充地或替代地向驱动控制器132提供用户输入。用户输入可以例如包括期望的温度，关于风扇(例如，蒸发器风扇)的操作的请求和/或其他适当的输入。系统控制器130可以控制冷凝器104、蒸发器108和/或膨胀阀106的风扇的操作。
驱动控制器132可以基于来自系统控制器130的命令来控制压缩机102。仅作为示例，系统控制器130可以指令驱动控制器132以特定速度操作压缩机电机。在各个实现方式中，驱动控制器132也可以控制冷凝器风扇。
现在参照图2，呈现了驱动控制器132和压缩机102的功能框图。电磁干扰(EMI)滤波器202降低可能否则通过驱动控制器132射回AC线上的EMI。EMI滤波器202也可以滤波在AC线上承载的EMI。
功率因数校正(PFC)模块204接收被EMI滤波器202滤波的来自AC线的AC电力。(参考图3a、3b和3c更详细描述的)PFC模块204整流AC电力，由此将AC输入电力转换为直流(DC)电力。在PFC模块204的正和负端子处提供所产生的DC电力。PFC模块204也选择性地提供在输入AC电力和产生的DC电力之间的功率因数校正。
PFC模块204选择性地将AC电力升压到大于AC电力的峰值电压的DC电压。仅作为示例，PFC模块204可以在无源模式中运行，其中，所产生的DC电压小于AC电力的峰值电压。PFC模块204也可以在有源模式下运行，其中，所产生的DC电压大于AC电力的峰值电压。比AC电力的峰值电压大的DC电压可以被称为升高的DC电压。
具有230V的RMS电压的AC电力具有大约325V(230V乘以2的平方根)的峰值电压。仅作为示例，当从具有230V的RMS电压的AC电力运行时，PFC模块204可以产生在大约350V和大约410V之间的升高的DC电压。仅作为示例，可以施加350V的下限以避免PFC模块204的不稳定工作状况。该限制可以例如随着实际AC输入电压值而改变。在各个实现方式中，PFC模块204能够实现比410V高的升高的DC电压。然而，可以施加上限以改进诸如在DC滤波器206中的部件的、在较高的电压下经历较大应力的部件的长期可靠性。在各个实现方式中，可以改变上限和/或下限。
DC滤波器206滤波由PFC模块204产生的DC电力。DC滤波器206最小化源自AC电力向DC电力的转换的、在DC电力中存在的纹波电压。在各个实现方式中，DC滤波器206可以包括在PFC模块204的正和负端子之间连接的一个或更多个串联或并联的滤波器电容器。在这样的实现方式中，PFC模块204的正和负端子可以直接地连接到逆变电源模块208的正和负端子。
(参考图4a、4b和4c更详细所述的)逆变电源模块208将由DC滤波器206滤波的DC电力转换为向压缩机电动机提供的AC电力。仅作为示例，逆变电源模块208将DC电力转换为三相AC电力，并且向压缩机102的电动机的三个相应的绕组提供AC电力的相。在其他实现方式中，逆变电源模块208可以将DC电力转换为更多或更少的相的电力。
DC-DC电源220也可以接收滤波的DC电力。DC-DC电源220将DC电力转换为适合于各个部件和功能的一个或更多个DC电压。仅作为示例，DC-DC电源220可以将DC电力的电压降低到适合于对于数字逻辑加电的第一DC电压和适合于控制在PFC模块204内的开关的第二DC电压。仅作为示例，第二DC电压可以选择性地被施加到开关的栅极端子。在各个实现方式中，可以由另一个DC电源(未示出)提供DC电力，其例如是从电源230VAC输入经由变压器得出的DC电压。
在各个实现方式中，第一DC电压可以是大约3.3V，并且第二DC电压可以是大约15V。在各个实现方式中，DC-DC电源220也可以产生第三DC电压。仅作为示例，第三DC电压可以是大约1.2V。可以使用调压器来从第一DC电压得出第三DC电压。仅作为示例，第三DC电压可以用于核心数字逻辑，并且第一DC电压可以用于电动机控制模块260和PFC控制模块250的输入/输出电路。
PFC控制模块250控制PFC模块204，并且电动机控制模块260控制逆变电源模块208。在各个实现方式中，PFC控制模块250控制在PFC模块204内的开关的切换，并且电动机控制模块260控制在逆变电源模块208内的开关的切换。可以将PFC模块204实现为具有1、2、3或更多的相。
监督者控制模块270可以经由通信模块272与系统控制器130进行通信。通信模块272可以包括输入/输出端口和其他适当部件，用于作为在系统控制器130和监督者控制模块270之间的接口。通信模块272可以实现有线和/或无线协议。
监督者控制模块270向PFC控制模块250和电动机控制模块260提供各种命令。例如，监督者控制模块270可以向电动机控制模块260提供命令的速度。命令的速度对应于压缩机102的电动机的期望的旋转速度。
在各个实现方式中，系统控制器130可以向监督者控制模块270提供命令的压缩机速度。在各个实现方式中，监督者控制模块270可以基于经由通信模块272提供的输入和/或由各个传感器测量的参数(即，传感器输入)来确定或调整命令的压缩机速度。监督者控制模块270也可以基于来自PFC控制模块250和/或电动机控制模块260的反馈来调整命令的压缩机速度。
监督者控制模块270也可以向PFC控制模块250和/或电动机控制模块260提供其他命令。例如，基于命令的速度，监督者控制模块270可以命令PFC控制模块250来产生命令总线电压。监督者控制模块270可以基于另外的输入——诸如逆变电源模块208的操作参数和输入AC线的测量的电压——来调整命令总线电压。
监督者控制模块270可以诊断在驱动控制器132的各个系统中的故障。仅作为示例，监督者控制模块270可以从PFC控制模块250和/或电动机控制模块260接收故障信息。监督者控制模块270也可以经由通信模块272接收故障信息。监督者控制模块270可以管理在驱动控制器132和系统控制器130之间的故障的报告和清除。
响应于故障信息，监督者控制模块270可以指令PFC控制模块250和/或电动机控制模块260进入故障模式。仅作为示例，在故障模式中，PFC控制模块250可以暂停PFC模块204的开关的切换，而电动机控制模块260可以暂停逆变电源模块208的开关的切换。另外，电动机控制模块260可以直接地向PFC控制模块250提供故障信息。以这种方式，PFC控制模块250可以响应由电动机控制模块260识别的故障，即使监督者控制模块270未正确地运行，并且反之亦然。
PFC控制模块250可以使用脉宽调制(PWM)来控制在PFC模块204中的开关。更具体地，PFC控制模块250可以产生被施加到PFC模块204的开关的PWM信号。PWM信号的占空比被改变以在PFC模块204的开关中产生期望的电流。基于在测量的DC总线电压和期望的DC总线电压之间的误差来计算期望电流。换句话说，计算期望电流以便实现期望的DC总线电压。期望的电流也可以基于实现期望的功率因数校正参数，诸如在PFC模块204中的电流波形的形状。由PFC控制模块250产生的PWM信号可以被称为PFC PWM信号。
电动机控制模块260可以使用PWM控制在逆变电源模块208中的开关，以便实现命令的压缩机速度。由电动机控制模块260产生的PWM信号可以被称为逆变器PWM信号。逆变器PWM信号的占空比控制通过压缩机102的电动机的绕组的电流(即，电动机电流)。电动机电流控制电动机扭矩，并且电动机控制模块260可以控制电动机扭矩来实现命令的压缩机速度。
除了共享故障信息之外，PFC控制模块250和电动机控制模块260也可以共享数据。仅作为示例，PFC控制模块250可以从电动机控制模块260接收数据，诸如负载、电动机电流、估计的电动机扭矩、逆变器温度、逆变器PWM信号的占空比和其他适当的参数。PFC控制模块250也可以从电动机控制模块260接收数据，诸如测量的DC总线电压。电动机控制模块260可以从PFC控制模块250接收数据，诸如AC线电压、通过PFC模块204的电流、估计的AC功率、PFC温度、命令总线电压和其他适当的参数。
在各个实现方式中，可以在集成电路(IC)280上实现PFC控制模块250、电动机控制模块260和监督者控制模块270的一些或全部。仅作为示例，IC280可以包括数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、微处理器等。在各个实现方式中，可以在IC280中包括另外的部件。另外，可以在IC280外部——例如在第二IC中或在分立电路中——实现在图2中的IC280内示出的各个功能。仅作为示例，监督者控制模块270可以与电动机控制模块260集成。
图3a是PFC模块204的示例实现方式的示意图。PFC模块204经由第一和第二AC输入端子302和304来接收AC电力。AC电力可以例如是由EMI滤波器202输出的AC电力。在各个实现方式中，在第一和第二AC输入端子302和304处的信号可以都是相对于大地是时变的。PFC模块204经由正DC端子306和负DC端子308向DC滤波器206和逆变电源模块208输出DC电力。
第一整流器二极管310的阳极连接到第二AC输入端子304，并且第一整流器二极管310的阴极连接到正DC端子306。第二整流器二极管312的阳极连接到负DC端子308，并且第二整流器二极管312的阴极连接到第二AC输入端子304。整流器二极管310和312的每一个可以被实现为一个或更多个单独的串联或并联的二极管。
开关块320连接在正和负DC端子306和308之间。开关块320包括第一PFC支路330，第一FPC支路330包括第一和第二开关332和334。开关332和334每一个包括第一端子、第二端子和控制端子。在各个实现方式中，开关332和334的每一个可以被实现为绝缘栅双极晶体管(IGBT)。在这样的实现方式中，第一、第二和控制端子可以分别对应于集电极、发射极和栅极端子。
第一开关332的第一端子连接到正DC端子306。第一开关332的第二端子连接到第二开关334的第一端子。第二开关334的第二端子可以连接到负DC端子308。在各个实现方式中，第二开关334的第二端子可以经由分流电阻器380来连接到负DC端子308，以使得能够测量流过第一PFC支路330的电流。
开关332和334的控制端子从PFC控制模块250接收大体互补的PFCPWM信号。换句话说，向第一开关332提供的PFC PWM信号在极性上与向第二开关334提供的PFC PWM信号相反。当开关332和334之一的接通与开关332和334的另一个的关断交迭时，短路电流可能流动。因此，开关332和334两者可以在开关332和334的任何一个接通之前的空载时间期间关断。因此，大体互补意味着两个信号在它们的周期的大部分是相反的。然而，在转换周围，两个信号可以在某个交迭时间段低或高。
第一PFC支路330也可以包括分别与开关332和334反并联的第一和第二二极管336和338。换句话说，第一二极管336的阳极连接到第一开关332的第二端子，并且，第一二极管336的阴极连接到第一开关332的第一端子。第二二极管338的阳极连接到第二开关334的第二端子，并且，第二二极管338的阴极连接到第二开关334的第一端子。
开关块320可以包括一个或更多个另外的PFC支路。在各个实现方式中，开关块320可以包括一个另外的PFC支路。如图3a中所示，开关块320包括第二和第三PFC支路350和360。可以基于性能和成本来选择在开关块320中包括的PFC支路的数量。仅作为示例，当PFC支路的数量增加时，在PFC模块204的DC输出中的纹波(电压和电流)的幅度可能降低。另外，当PFC支路的数量增加时，在AC线电流中的纹波电流的数量可能降低。然而，当PFC支路的数量增加时，部件成本和实现方式复杂度可能增加。
开关块320的第二和第三PFC支路350和360可以类似于第一PFC支路330。仅作为示例，第二和第三PFC支路350和360可以每一个包括开关332和334、二极管336和338的相应部件以及以与第一PFC支路330相同方式连接的相应的分流电阻器。
向另外的PFC支路的开关提供的PFC PWM信号也可以在本质上是互补的。向另外的PFC支路提供的PFC PWM信号可以彼此相移，并且相对于向第一PFC支路330提供的PFC PWM信号相移。仅作为示例，可以通过将360度(°)除以PFC支路的数量来确定PFC PWM信号的相移。例如，当开关块320包括三个PFC支路时，PFC PWM信号可以彼此相移120°(或对于双相180°或对于四相90°等)。将PFC PWM信号相移可以消除在AC线电流以及DC输出中的纹波。
PFC模块204包括第一电感器370。第一电感器370连接在第一AC输入端子302和第一开关332的第二端子之间。另外的电感器可以将第一AC输入端子302连接到另外的PFC支路。仅作为示例，图3a示出将第一AC输入端子302分别连接到第二和第三PFC支路360和360的第二电感器372和第三电感器374。
可以在分流电阻器380上测量电压，以根据欧姆定律确定通过第一PFC支路330的电流。诸如运算放大器的放大器(未示出)可以放大在分流电阻器380上的电压。可以数字化、缓冲和/或滤波放大的电压以确定通过第一PFC支路330的电流。可以使用相应的分流电阻器来确定通过其他PFC支路的电流。
作为补充或替代，电阻器382可以与负DC端子308串联，如图3b中所示。通过电阻器382的电流因此可以指示从PFC模块204输出的总的电流。可以基于通过PFC支路330、350和360的电流的已知相位定时的总电流来推断通过PFC支路330、350和360的每一个的电流。
可以使用用于测量或感测通过PFC支路330、350和360的任何一个或全部的电流的任何方法。例如，在各个实现方式中，可以使用电流传感器387(如图3c中所示)来测量通过第一PFC支路330的电流。仅作为示例，可以与第一电感器370串联地实现电流传感器387。在各个实现方式中，电流传感器387可以包括霍尔效应传感器，其基于在第一电感器370周围的磁通来测量通过第一PFC支路330的电流。也可以分别使用相关联的电流传感器388和389来测量通过PFC支路350和360的电流。
PFC模块204也可以包括第一和第二旁路二极管390和392。第一旁路二极管390的阳极连接到第一AC输入端子302，并且第一旁路二极管390的阴极连接到正DC端子306。第二旁路二极管392的阳极连接到负DC端子308，并且第二旁路二极管392的阴极连接到第一AC输入端子302。
旁路二极管390和392可以是功率二极管，该功率二极管可以被设计来在低频下运行，该低频例如是小于大约100Hz或大约200Hz的频率。旁路二极管390和392的电阻可以小于电感器370、372和374的电阻。因此，当在开关块320中的开关332和334未接通时，电流可以流过旁路二极管390和392，而不是二极管336和338。
当PFC模块204运行以产生升高的DC电压时，该升高的DC电压将大于在AC线上的峰值电压。旁路二极管390和392因此不被前向偏置，并且仍然保持不活动。旁路二极管390和392可以提供雷击保护和功率突增保护。
在各个实现方式中，可以使用在单个封装中的整流二极管310和312来实现旁路二极管390和392。仅作为示例，可以将Vishay型号26MT或36MT或国际整流器型号26MB或36MB用作旁路二极管390和392与整流二极管310和312。整流二极管310和312承载电流，而不论PFC模块204是否产生升高的DC电压。因此，在各个实现方式中，可以将整流二极管310和312的每一个实现为并联的两个物理二极管。电流传感器可以用于测量与电感器370、372和374串联的PFC相电流。
现在参照图4a，呈现了电动机400和逆变电源模块208的示例实现方式的简化示意图。电动机400是图2的压缩机102的部件。然而，图4a-4c的原理可以适用于其他电动机，包括冷凝器104的电动机。逆变电源模块208包括开关块402。在各个实现方式中，可以使用类似的零件实现开关块402和PFC模块204的开关块320。仅作为示例，在图4a中，第一逆变器支路410包括第一和第二开关420和422与第一和第二二极管424和426，它们与图3a的开关332和334与二极管336和338类似地布置。
开关块402经由正DC端子404和负DC端子406来从DC滤波器206接收滤波的DC电压。第一开关420的第一端子可以连接到正DC端子404，而第二开关422的第二端子可以连接到负DC端子406。开关420和422的控制端子从电动机控制模块260接收大体互补的逆变器PWM信号。
开关块402可以包括一个或更多个另外的逆变器支路。在各个实现方式中，开关块402可以包括用于电动机400的每一个相或绕组的一个逆变器支路。仅作为示例，开关块402可以包括第二和第三逆变器支路430和440，如图4a中所示。逆变器支路410、430和440可以分别向电动机400的绕组450、452和454提供电流。绕组454、452和450可以分别被称为绕组a、b和c。向绕组454、452和450施加的电压可以分别被称为Va、Vb和Vc。通过绕组454、452和450的电流可以分别被称为Ia、Ib和Ic。
仅作为示例，绕组450、452和454的第一端子可以连接到公共节点。绕组450、452和454的第二端子可以分别连接到逆变器支路410、430和440的第一开关420的第二端子。
逆变电源模块208也可以包括与第一逆变器支路410相关联的分流电阻器460。分流电阻器460可以连接在第二开关422的第二端子和负DC端子406之间。在各个实现方式中，相应的分流电阻器可以位于逆变器支路430和440的每一个与负DC端子406之间。仅作为示例，可以基于在第一逆变器支路410的分流电阻器460上的电压来确定通过电动机400的第一绕组450的电流。在各个实现方式中，可以省略逆变器支路410、430或440之一的分流电阻器。在这样的实现方式中，可以基于剩余的分流电阻器的测量来推断电流。
作为补充或替代，电阻器462可以与负DC端子406串联，如图4b中所示。因此，通过电阻器462的电流可以指示由逆变电源模块208消耗的总电流。可以基于通过逆变器支路410、430和440的电流的已知相位定时来从总电流推断通过逆变器支路410、430和440的每一个的电流。可以在2007年3月20日授权的、共同转让的美国专利No.7,193,388中找到确定在逆变器中的电流的进一步讨论，该文通过引用被整体包含在此。
可以使用用于测量或感测通过逆变器支路410、430和440的任何一个或全部的电流的任何方法。例如，在各个实现方式中，可以使用(在图4c中所示的)电流传感器487来测量通过第一逆变器支路410的电流。仅作为示例，可以在第一逆变器支路410和第一绕组450之间实现电流传感器487。也可以分别使用相关联的电流传感器488和489来测量流过逆变器支路430和440的电流。在各个实现方式中，电流传感器可以与逆变器支路410、430和440的两个相关联。可以基于在电动机绕组中的电流的和为0的假设来确定通过逆变器支路410、430和440的另一个的电流。
现在参照图5，示出PFC控制模块250的示例实现方式的功能框图。PFC控制模块250接收可以来自图2的监督者控制模块270的命令总线电压。饱和模块504可以向命令总线电压施加限制。在此使用的饱和模块可以选择性地强制下限、上限、上限和下限或不强制任何限制。可以预定上限和下限，并且/或者可以基于各种因素来更新上限和下限。
仅作为示例，如果正在强制上限，则当命令总线电压大于上限时，饱和模块504将命令总线电压限制为上限。类似地，如果正在强制下限，则当命令总线电压小于下限时，饱和模块504将命令总线电压限制为下限。
在各个实现方式中，可以基于电路部件的推荐的操作参数来设置上限。仅作为示例，可以基于在DC滤波器206中的电容器的期望的使用期限预期来设置上限。仅作为示例，上限可以是410V。上限可以被降低以提高PFC控制模块250的预期工作期限。然而，降低上限可能限制电动机400在高负载下可以获得的速度。
速率限制器模块508接收被饱和模块504限制的命令总线电压。速率限制器模块508限制被限制的命令总线电压的改变速率，并且输出期望的总线电压。所施加的速率限制减少了在期望的总线电压中的快速改变，该快速改变否则可能引起在电流上的快速改变。在电流上的快速改变可能引起输入的AC线下垂，并且也可以引起振荡和其他控制不稳定。
PFC使能模块512从图2的监督者控制模块270接收使能请求，并且基于该使能请求来产生同步使能信号。同步使能信号可以与AC线的过零同步。同步使能信号可以与AC线的过零同步，以便最小化当使能PFC控制模块250时在电流上的突然跳跃。该电流跳跃可能导致控制不稳定，并且可能向AC线引入失真，诸如陷波。
因为AC线可能有噪声，使得难以在真实的过零和噪声之间区分，所以可以使用参考信号来确定过零。通过参考产生模块520来产生参考信号。参考产生模块520接收AC信号，并且产生被锁定到AC信号的相位和频率而没有AC信号的噪声和其他失真的正弦参考信号。进入PFC控制模块250的AC信号可以是实际AC线的隔离的、缩小的和数字化的版本。
在各个实现方式中，可以在离散的时间产生正弦参考信号，通过求取其自变量是从AC线确定的相位和频率的、诸如正弦或余弦的正弦函数来产生在参考信号上的每一个点。可以在每一个时间步长重新计算相位和频率，并且因此，结果产生的正弦参考信号可以不是纯正弦波。相反，相移和频率可以在周期的过程上改变。相位和频率可以都被例如速率限制器低通滤波，使得在相位或频率上没有突变。
参考产生模块520输出至少包括正弦参考信号的参考数据。参考数据也可以包括参考信号的频率、参考信号的周期、参考信号的时变角度和/或参考信号的时变导数(或梯度)。可以通过将参考信号求微分来产生梯度。替代地，可以使用其自变量是确定的相位和频率的余弦函数来产生梯度。可以以例如通过使用三角恒等式的其他方式来产生梯度。例如，可以使用其自变量是确定的频率和90度加确定的相位的正弦函数来产生梯度。
参考数据也可以包括梯度和/或参考信号的缩放版本。缩放因子可以基于AC线的峰值电压。因为直接地测量峰值电压可能受到在AC线上的噪声的影响，可以替代地通过将(较少受到噪声的影响的)平均电压乘以pi/2来确定峰值电压。在此使用的平均电压指的是平均绝对电压，因为在不应用绝对值函数的情况下，以零为中心的正弦曲线的平均值将是0。
在各个实现方式中，参考信号可以是在-1和1之间改变的单位信号。在各个实现方式中，角度也可以在对应于在弧度上的-π和π的-1和1之间改变。虽然周期和频率是简单的倒数，但是它们都可以被提供，以避免必须随后执行另一个计算量大的相除以从一个得出另一个。可以使用频率来确定在AC线的单个循环上的平均值。取代将值求和并且除以周期，可以将求和的值乘以频率，这在数学上等同，但是不太计算量大。
在启动时，PFC使能模块512输出在无效状态中的同步使能信号。在PFC使能模块512从监督者控制模块270接收使能请求后，PFC使能模块512等待参考数据指示AC线在过零。PFC使能模块512可以然后将同步使能信号设置为有效状态。在各个实现方式中，PFC使能模块512可以仅在上升的过零或仅在下降的过零处将同步使能信号改变为有效状态。
当同步使能信号从无效状态向有效状态转换时，速率限制器模块508可以初始将测量的总线电压输出为期望的总线电压。随后，速率限制器模块508可以将期望的总线电压以斜坡变化为由饱和模块504限制的命令总线电压。通过速率限制器模块508施加的速率限制来确定斜坡的斜率。虽然被描述为施加线性速率限制，但是可以使用诸如低通滤波器的任何适当的替代品来实现速率限制器模块508。
PFC使能模块512可以接收关于图2的电动机控制模块260的操作的信息。仅作为示例，电动机控制模块260可以向PFC使能模块512提供逆变器操作信号。当逆变器操作信号指示逆变电源模块208未运行时，PFC使能模块512可以将同步使能信号设置为无效状态。在正常操作下，当逆变电源模块208未运行时，监督者控制模块270将使能请求设置为无效状态。然而，为了防止监督者控制模块270的误操作，PFC使能模块512可以本身监控逆变器操作信号。直接地监控逆变器操作信号可以允许对于逆变电源模块208的停止的更快响应。
PFC使能模块512也输出立即使能信号，PWM驱动模块530接收这个立即使能信号。当立即使能信号在有效状态中时，PWM驱动模块530向图2的PFC模块204的开关输出PWM信号。当立即使能信号在无效状态中时，PWM驱动模块530暂停输出PFC PWM信号。在同步使能信号在无效状态中的任何时间，该立即使能信号被设置为无效状态。
可以存在其间同步使能信号在无效状态中并且立即使能信号在无效状态中的时间。这允许暂时停止PFC控制模块250。仅作为示例，当请求的PWM占空比在可接受的范围之外时，PFC使能模块512可以将立即使能信号设置为无效状态。作为补充或替代，当请求负电流需求时，PFC使能模块512可以将立即使能信号设置为无效状态，如下所述。
而且，当来自参考产生模块520的参考信号与AC信号相当大地不同时，PFC使能模块512可以将立即使能信号设置为无效状态。在这些情况下的每一个中，立即使能信号当该条件存在时，可以被设置为无效状态，并且一旦该条件不再存在则被重置到有效状态。在该条件结束后或当满足一个或更多个另外的条件时，诸如在预定时间长度后或当满足更多的严格误差阈值时，可以将立即使能信号立即设置到有效状态。
电压控制模块540从速率限制器模块508接收期望的总线电压，并且接收测量的总线电压。电压控制模块540执行误差控制算法来最小化在期望的总线电压和测量的总线电压之间的差。电压控制模块540基于该误差来产生控制值。控制值用于确定稳态电流需求。这个稳态电流需求被基于参考信号转换为正弦电流。这个瞬时电流被称为无偏移期望瞬时电流。
求和模块546将来自DC偏移模块550的DC校正因数加到无偏移期望瞬时电流，以产生期望的瞬时电流。DC偏移模块550接收用于PFC模块204的每一个相位的测量电流值。虽然在此仅为了说明的目的而描述了三相PFC模块，但是本公开的原理适用于具有1、2或更多相的PFC模块。
DC偏移模块550一起平均在AC信号的一个循环(一个周期)上的三个相电流，以确定从AC信号正在拉出的DC电流的数量。DC偏移模块550产生DC校正因数，以便将计算的DC电流的数量减少为0。DC偏移模块550可以接收同步使能信号，该同步使能信号当使能PFC控制模块250时重置DC偏移模块550的操作。
电流控制模块560接收来自求和模块546的期望瞬时电流和第一相电流。电流控制模块560执行误差控制算法，以最小化在第一相电流和期望的瞬时电流之间的差。
通过PFC模块204的给定相的电流可以源自在与那个相对应的电感器上产生的电压。电流控制模块560因此产生期望的瞬时电压，以便向期望的瞬时电流调整第一相电流。当立即使能信号在无效状态中时或当立即使能信号从无效状态向有效状态转换时，电流控制模块560可以重置其误差控制算法。
占空比转换模块570接收期望的瞬时电压。占空比转换模块570产生PWM占空比，该PWM占空比被计算来产生被施加到在PFC模块204的第一相中的开关时的期望瞬时电压。在各个实现方式中，占空比转换模块570可以对于PFC模块204的每一个相产生不同的期望瞬时占空比。
通过当前DC总线电压和AC信号的当前电压来建立在向开关施加的占空比和在对应的电感器上出现的电压之间的关系。因此，在给定测量的总线电压和AC信号的当前电压的情况下，占空比转换模块570可以确定将产生期望的瞬时电压的期望的瞬时占空比。
然而，在PFC控制模块250中存在的延迟可能使得期望的瞬时占空比不正确。例如，在向PFC模块204施加期望的瞬时占空比的时间之前，AC信号的值可能已经改变。另外，在测量AC信号的时间和当测量值被处理时的时间之间可能存在延迟。可以被增加来用于控制稳定性的滤波器可能引入另外的延迟。
为了校正这些延迟，占空比转换模块570可以不基于AC信号的当前值而是基于AC信号的预测未来值来产生期望的瞬时占空比。延迟补偿模块580可以向占空比转换模块570输出AC信号的预测版本。
PFC模块204的三个相可以被在三相系统中的彼此相位相差120度的PFC PWM信号驱动。在两相系统中，PFC模块204的两个相可以被彼此相位相差180度的PFC PWM信号驱动。从当请求在PWM占空比上的改变时直到在到达PFC模块204的开关的PFC PWM信号中反映出该改变的延迟可以对于PFC模块204的每一个相不同。
结果，延迟补偿模块580可以提供AC信号的不同版本，每一个版本提前略微不同的数量，该略微不同的数量考虑了在PFC PWM信号之间的相差。延迟补偿模块580可以基于AC信号的预设值和其当前的斜率或梯度来预测AC信号的未来值。
因为AC信号可能有噪声，所以瞬时导数可能不提供AC信号的未来值的精确的预测。在各个实现方式中，诸如移动平均或低通滤波器的滤波器可以被应用到AC信号。在各个其他实现方式中，来自参考产生模块520的参考信号的导数或梯度可以被用作AC信号的斜率的更稳定的表示。因为参考信号被锁相到AC信号，所以这应当是足够的估计。然后，延迟补偿模块580通过沿着参考信号的当前斜率从AC信号的当前值推算来预测AC信号的未来值。
电流平衡模块590可以减少在PFC模块204的相中的电流之间的差。被称为相A的相之一可以被选择为参考相。剩余的相因此被称为次要相。在三相PFC模块中，剩余的两相被称为相B和相C。
电流平衡模块590使用在相A中的电流来作为参考，并且试图控制相B和相C电流来匹配相A电流。可以基于在AC信号的单个循环上的统计测量来比较相电流。例如，统计测量可以是峰值、均方值、均方根值或平均绝对值。
为了调整相位B和C的电流，电流平衡模块590对于相B和C的每一个向延迟补偿模块580提供提前量调整信号。延迟补偿模块580接收这两个提前量调整信号，并且分别调整对于相B和C提供的AC信号的提前量的数量。
因此，电流平衡模块590可以通过改变由占空比转换模块570使用的AC信号的提前量的数量来调整在相B和C中的电流的相对数量，以计算期望的瞬时占空比。电流平衡模块590可以试图实现在三相的测量电流之间的零差。当同步使能信号从无效状态向有效状态转换时，电流平衡模块590可以重置提前量调整信号。
PWM驱动模块530接收其中每一个对应于三相之一的瞬时占空比，并且对于每一个相产生互补的开关控制信号。因此，对于具有三相的诸如在图5中所示的系统，将产生6个开关控制信号。
现在参照图6，示出PWM驱动模块530的示例实现方式的功能框图。PWM驱动模块530包括第一、第二和第三PWM模块604、608和612。PWM模块604、608和612接收立即使能信号，并且当立即使能信号在无效状态中时禁止它们的输出。
当立即使能信号在有效状态中时，PWM模块604、608和612输出具有分别由期望的瞬时占空比A、B和C指定的占空比的脉宽调制信号。因为PFC模块204的每一个相包括互补开关，所以分别通过逆变器624、628和632来产生PWM模块604、608和612的输出的互补版本。
如果使用严格互补的控制信号来控制在给定的PFC相中的互补开关，则在关断的一个开关和接通的另一个开关之间可能有一些交迭。当两个开关都接通时，不期望的短路电流可能流动。因此，空载时间调整模块640相对于一个信号的关断时间偏移另一个控制信号的接通时间。
仅作为示例，空载时间调整模块640可以略微提前离开(有效至无效)控制信号，并且略微延迟到来(无效至有效)控制信号。以这种方式，避免了在互补开关的导通时间之间的任何交迭。空载时间调整模块640的输出被提供到PFC模块204的开关。
参照图7，示出电压控制模块540的示例实现方式的功能框图。电压控制模块540包括误差控制模块710，其接收来自速率限制器模块508的期望的总线电压和测量的总线电压。
误差控制模块710产生控制值，该控制值被计算来最小化在期望的总线电压和测量的总线电压之间的差。控制值可以被饱和模块720调整。饱和模块720的输出被电流转换模块730接收，电流转换模块730将控制值转换为电流需求。
为了线性化电流需求，电流转换模块730可以将控制值除以AC信号的测量参数。仅作为示例，测量的参数可以是AC信号的绝对值的平均值或AC信号的均方根值。因此，当测量的参数增大时，电流需求减少。结果，电流转换模块730当AC信号较小时自动地应用与对于提高的电流的需要对应的适当的校正。
更新限制模块740可以限制在来自电流转换模块730的电流需求上的改变以与AC信号的参考点保持一致。例如，更新限制模块740可以将在电流需求上的改变限制为仅出现在AC信号的上升的过零或下降的过零处——即，每一个循环一次。通过将更新速率限制为每一个循环一次，PFC控制模块250在每个AC循环上均匀地控制PFC模块204。贯穿AC循环的均匀控制趋向于引起从AC线的正和负部分拉出对称的功率，由此避免电流和功率不平衡。电流或功率不平衡可能导致从AC线拉出DC电流。
在各个实现方式中，更新限制模块740可以将在电流需求上的改变限制为在AC信号的任何一个过零处出现——即，每半个循环一次。作为另一个替代，更新限制模块740可以将在电流需求上的改变限制为AC信号的其他递增，诸如每四分之一循环一次。仅作为示例，更新限制模块740可以在诸如每一个循环一次的更限制的更新速率下运行，并且然后适于更快的更新速率，诸如每四分之一循环一次。可以基于负载来执行这种适应。仅作为示例，在负载上的大改变可以使得更新限制模块740提高更新速率。
在各个实现方式中，可以基于从图2的电动机控制模块260接收的值来计算负载，或者，可以从电动机控制模块260直接地接收负载本身的值。仅作为示例，可以从DC总线电压中的改变推断负载——在DC总线电压上的迅速改变可能是在负载上的大改变的结果。更快的更新速率允许PFC控制模块250迅速地响应在负载上的大改变，这可能比避免从AC线拉出不平衡的DC电流更重要。一旦大改变已经通过，则更新限制模块740可以降低更新速率。
在各个实现方式中，可以省略更新限制模块740，或者可以将更新限制模块740替换为或补充诸如低通滤波器的滤波器。更新限制模块740可以使用来自参考产生模块520的参考信号来确定AC信号的每一个循环或每一个半循环何时出现。
更新限制模块740的输出被称为电流需求信号。该电流需求信号可以是负的，其指示PFC模块204正在提供比用于保持期望的总线电压所需更多的电流。因为不能实现负电流需求，所以负电流需求的继续存在将导致DC总线电压上升，并且可能最终导致过电压切断条件。
饱和模块750接收负电流需求，饱和模块750可以施加0下限。然而，这未校正由负电流需求表示的潜在问题——即，由PFC模块204提供太多的电流。因此，PFC使能模块512可以当电流需求信号是0或负值时，将立即使能信号设置为无效状态。这停止了PFC模块204继续提供过量电流。
相乘模块760将饱和模块750的输出与参考信号相乘，以建立瞬时电流。因为参考信号是正弦的，所以相乘模块760的输出也是正弦的。因为随后施加偏移，所以相乘模块760的输出被称为无偏移期望瞬时电流。
返回误差控制模块710，相减模块770从期望的总线电压减去测量的总线电压，以确定DC电压误差。比例模块774将DC电压误差乘以比例常数。积分器模块778将DC电压误差与积分器模块778的前一个输出组合。积分器模块778可以首先将DC电压误差乘以积分常数。积分器模块778可以向其输出施加上限和/或下限。在各个实现方式中，由积分器模块778和饱和模块720施加的限制可以基于诸如平均绝对值的AC信号的值来改变。
积分器模块778可以当同步使能信号转换到无效状态或转换回有效状态时将其输出复位为0。在各个实现方式中，积分器模块778也可以当立即使能信号转换到无效状态或转换回有效状态时将其输出复位为0。在各个实现方式中，可以将比例常数和/或积分器常数设置为0，以去除比例模块774或积分器模块778的对应的影响。
求和模块786将比例模块774的输出加到积分器模块778的输出。来自求和模块786的和被作为控制值从误差控制模块710输出。虽然为了说明的目的而将误差控制模块710示出为比例积分控制器，但是可以以诸如使用非线性控制器的各种其他形式来实现在本公开中的误差控制模块(包括误差控制模块710)。仅作为示例，误差控制模块可以包括前向反馈分量，该前向反馈分量可以与反馈分量相加以产生控制值。
现在参照图8，示出电流控制模块560的示例实现方式的功能框图。电流控制模块560包括第一和第二绝对值模块810和812。第一绝对值模块810从图5的求和模块546接收期望的瞬时电流，并且输出其绝对值。第二绝对值模块812接收PFC相之一的电流，并且输出其绝对值。在三相PFC系统中，如在此所述，可以使用A相的电流，而在两相PFC系统中，可以使用B相的电流。
误差控制模块820输出电压值，该电压值被计算来最小化在期望的瞬时电流的绝对值和A相电流的绝对值之间的误差。饱和模块830处理电压值，然后陷波滤波器模块840处理电压值。陷波滤波器模块840向饱和模块830的输出施加陷波滤波器，以产生期望的瞬时电压。陷波滤波器模块840可以减少贯穿控制系统的由延迟的反馈产生的振荡。仅作为示例，可以与参考图10下述的陷波滤波器模块类似地实现陷波滤波器模块840。
误差控制模块820包括相减模块850、比例模块854、积分器模块858以及求和模块866，它们可以与图7的相减模块770、比例模块774、积分器模块778以及求和模块786类似地运行。来自求和模块866的和被从误差控制模块820作为电压值输出。积分器模块858可以当立即使能信号转换到无效状态或转换回有效状态时将其输出复位为0。在各个实现方式中，积分器模块858也可以当同步使能信号转换到无效状态或转换回有效状态时将其输出复位为0。
现在参照图9，示出占空比转换模块570的示例实现方式的功能框图。第一、第二和第三转换模块920-1、920-2和920-3(统称为转换模块920)从电流控制模块560接收期望的瞬时电压，并且也接收测量的总线电压。另外，转换模块920分别从延迟补偿模块580接收补偿的AC信号A、B和C。
补偿的AC信号的每一个对应于PFC模块204的相的不同的一个。转换模块920的每一个基于期望的瞬时电压来输出占空比。然而，因为补偿的AC信号A、B和C可以被延迟补偿模块580在时间上移位，所以占空比值可能不同。
转换模块920可以每一个基于表达式(Vdesired-(|VAC|-VDC)/VDC来计算占空比。在这个表达式中，Vdesired是期望的瞬时电压，VAC是补偿的AC信号的值，并且VDC是测量的总线电压。当在VDC上的变化是比VAC的数量级小的数量级时，预测VDC的未来值的益处可以忽略。因此，在各个实现方式中，当VAC是预测的补偿值时，VDC仅是当前测量的总线电压。
转换模块920的输出分别被饱和模块930-1、930-2和930-3(统称为饱和模块930)接收。饱和模块930可以对于占空比施加下限，以便保证可以获得精确的电流读数。例如，参照3a，其中，低占空比可能导致具有不足电流的分流电阻器380产生精确的电流读数。
当向(与电流感测电阻器接近的)下方开关施加的占空比太低时，测量通过电流感测电阻器的电流可能不够精确。例如，当电流流过PFC支路的给定的一个的下方开关达到至少最小的时间段时，能够测量通过该给定的PFC支路的电流。这个最小的时间段对应最小占空比。仅作为示例，该最小占空比可以大约是5％。另外，饱和模块930可以施加对应的上限，诸如95％。
翻转模块940-1、940-2和940-3(统称为翻转模块940)分别接收来自饱和模块930的输出。因为PFC开关以互补的方式运行，所以当逆变器支路的下方开关以例如20％的占空比在运行时，在同一支路中的上方开关以80％的占空比运行。然而，当AC线过零时，来自AC线的电流开始在相反方向上流动，并且顶部和底部开关的角色反转。一旦AC线过零，则下方开关仍然以20％的占空比运行，但是有效地作为上方开关。同时，上方开关仍然以80％的占空比运行，但是有效地作为下方开关。结果，当AC线过零时，PFC支路的有效占空比从80％转换为20％。
为了抵制这种反转，翻转模块940在AC线的每一个过零处或开始翻转或停止翻转占空比。然而，翻转占空比是大的不连续的改变。如果该改变不与实际过零一致，则可能引发大的电流波动。因为识别过零的时间可能困难，所以否则由翻转导致的在占空比上的大的不连续阶梯可以取代被实现为斜坡。斜坡防止在错误的时间产生大的不连续阶梯，并且在估计的过零时间附近扩展误差。
在各个实现方式中，速率限制模块950-1、950-2和950-3(统称为速率限制模块950)分别向翻转模块940的输出施加斜坡(例如，速率限制)。速率限制模块950的输出分别是期望的瞬时占空比A、B和C，它们被提供到PWM驱动模块530。
如果翻转模块940在估计的过零处精确地翻转，则速率限制模块950仅在过零后将占空比信号以斜坡改变为它们的新值。相反，在过零前执行斜坡的一半而在过零后留下斜坡的仅一半在AC线上更对称地分布误差。另外，较早地开始斜坡减少了如果AC线在预测的过零时间之前过零则出现的误差。
翻转模块940基于来自延迟补偿模块580的翻转信号来执行翻转。在各个实现方式中，延迟补偿模块580在每一个指令的翻转时反转翻转信号的极性。换句话说，当翻转信号转换到第一状态时，翻转模块940开始反转，并且当翻转信号转换到第二状态时，翻转模块940停止反转。为了较早地开始斜坡，延迟补偿模块580将翻转信号的时刻相对于估计的过零出现提前。
仅作为示例，如果在4个PWM周期上执行从一个极点至另一个的占空比的速率限制的翻转，则在过零的估计时间之前2个PWM周期反转信号的极性。这个2个PWM周期的时间被称为翻转提前量。在各个实现方式中，当由速率限制模块950施加的速率限制降低时，由翻转信号提供的翻转提前量的数量也增大。如在下面更详细所述，延迟补偿模块580可以顾及在PFC控制模块250中的系统控制延迟，其可以提高翻转提前量以抵消控制延迟。
比较模块960可以监控饱和模块930-1的输入和输出。当在饱和模块930-1的输出处的占空比大于在饱和模块930-1处的输入处的占空比时，比较模块960识别在占空比上的下限已经被饱和模块930-1施加。
比较模块960的输出可以被提供到PFC使能模块512，以指示已经检测到低占空比请求。当检测到低占空比请求时，PFC使能模块512可以将立即使能信号设置为无效。这禁用了PFC模块204，并且允许DC总线降低，直到出现了最低占空比(诸如5％)。在各个实现方式中，比较模块960可以简单地将饱和模块930-1的输入与预定限制作比较，该预定限制可以等于饱和模块930-1的下限。
现在参照图10，示出延迟补偿模块580的示例实现方式的功能框图。延迟补偿模块580包括陷波滤波器模块1010，陷波滤波器模块1010向AC信号应用陷波滤波。仅作为示例，控制回路延迟可以导致在控制值上的闭环震荡。术语控制回路延迟可以指的是归因于在请求(例如，在电流上的)增大时与当在测量的电流值上观察到该增大时之间的时间的延迟。
另外，在电流需求上的改变可能导致在AC线上的变化。电流振荡因此产生AC电压振荡，AC电压振荡反馈到电流振荡。在其中控制回路延迟是2个PWM周期的示例中，振荡周期可以是控制延迟的两倍或4个PWM周期。如果PWM转换频率例如仅是20kHz，则振荡频率因此是PWM转换频率的1/4或5kHz。
陷波滤波器模块1010可以以振荡频率为中心，以最小化振荡。在一个示例实现方式中，陷波滤波器模块1010通过向来自在过去的2个PWM周期的输入值加上陷波滤波器模块1010的当前输入值并且将和除以2来产生输出。换句话说，可以将陷波滤波器实现为AC信号的当前读数与来自在过去的2个PWM周期的AC信号的读数的平均值。
预测模块1020-1、1020-2和1020-3(统称为预测模块1020)从陷波滤波器模块1010接收滤波的AC信号。预测模块1020基于参考数据来预测滤波的AC信号的未来值。例如，可以使用参考梯度。如上所述，参考梯度是被锁相到AC信号的正弦参考信号的导数。因此，参考梯度提供了AC信号的改变的速率的无噪声估计。在各个实现方式中，参考梯度被缩放为AC信号的峰值电压。
通过对应的提前量输入来确定预测模块1020的每一个向未来多远预测滤波的AC信号。预测模块1020-1接收与A相对应的基本提前量。例如，可以在设计时确定基本提前量，并且将其存储在非易失性存储器中。在各个实现方式中，可以以PWM周期为单位或以时间为单位——诸如秒或微秒——来表达提前量的数量。也可以对于预测模块1020-2和1020-3预定义基本提前量。仅作为示例，用于预测模块1020-1、1020-2和1020-3的基本提前量可以分别是3.17PWM周期、3.08PWM周期和3.25PWM周期。
基于来自电流平衡模块590的输入，可以调整用于B和C相的基本提前量。例如，求和模块1030-1和1030-2分别向基本提前量B和基本提前量C加上来自电流平衡模块590的提前量调整B和提前量调整C。求和模块1030-1和1030-2的输出被预测模块1020-2和1020-3分别用作用于B和C相的提前量输入。
在各个实现方式中，预测模块1020可以通过向参考梯度和指定提前量的乘积加上滤波的AC信号值来计算补偿的AC信号。换句话说，预测模块1020基于参考信号的斜率(梯度)使用滤波的AC信号的线性外插。预测模块1020的输出被分别提供到占空比转换模块570来作为补偿的AC信号A、B和C。
预测过零检测模块1040预测AC信号的过零何时出现。预测过零检测模块1040可以使用来自陷波滤波器模块1010的滤波的AC信号，如图所示，或可以使用原始AC信号。预测过零检测模块1040可以提前等于控制延迟外加使用给定的速率限制的占空比的翻转所需的时间的一半的数量来进行预测。仅作为示例，当控制延迟是3个PWM周期并且速率限制使得翻转花费4个PWM周期时，可以提前5个PWM周期来预测过零。
一旦预测过零检测模块1040预测AC信号将过零，则预测过零检测模块1040反转翻转信号的极性。这指令占空比转换模块570或者开始或者停止翻转期望的占空比。仅作为示例，预测过零检测模块1040可以输出具有第一状态的翻转信号，直到达到预测的过零，在这个点，输出具有第二状态的翻转信号。当达到随后的预测过零时，翻转信号转换回第一状态。仅作为示例，翻转信号的第一状态可以对应于AC信号的负值，而翻转信号的第二状态可以对应于AC信号的正值。
现在参照图11，示出电流平衡模块590的示例实现方式的功能框图。电流平衡模块590包括分析模块1120-1、1120-2和1120-3(统称为分析模块1120)。分析模块1120分别分析PFC模块204的相电流的一个或更多个参数。仅作为示例，分析模块1120可以计算在AC线上的全循环上的相应相电流的值。该值可以例如是均方根、均方值、平均绝对值或峰值。
分析模块1120可以使用来自参考产生模块520的参考数据来确定何时AC线的每一个循环开始和结束。比较模块1130-1和1130-2(统称为比较模块1130)分别将A相电流与B和C相电流作比较。在各个实现方式中，比较模块1130-1和1130-2试图最小化在B和C相电流分别与A相电流之间的差。
如果一个或更多个相在承载较高电流，则在那些相中的损耗将不成比例地较高。这降低了PFC模块204的效率，并且可以导致在承载较高电流的相上的过多发热。在电流上的差可能源自制造变化，诸如在电感器上的变化。仅作为示例，当电感器的电感降低时，电感器承载的电流增大，并且导致在电阻热损耗上的增大。
在图11的示例中，A相电流是参考电流。比较模块1130向调整模块1140-1和1140-2(统称为调整模块1140)指示B和C相电流是否分别大于或小于A相电流。用于B和C相的提前量调整被选择性地改变，以将B和C相电流与A相电流匹配。
在各个实现方式中，调整模块1140对于其中相应的次要相电流大于A相电流的每一个线循环将它们的输出提高一个递增量。类似地，调整模块1140对于其中相应的次要相电流小于A相电流的每一个线循环将它们的输出降低一个递增量。
仅作为示例，调整模块1140-1可以对于其中相电流B大于相电流A的每一个AC线循环将提前量调整B增大PWM周期的1/1000。类似地，调整模块1140-1可以对于其中相电流B小于相电流A的每一个AC线循环将提前量调整B减小PWM周期的1/1000。
当提高和减小提前量调整信号时的预定递增量可以相同或可以不同。如果分析模块1120仅在每个AC线循环后输出新值，则调整模块1140也可以在每一个AC线循环将提前量调整信号仅更新一次。调整模块1140从PFC使能模块512接收同步使能信号，当同步的使能信号在无效状态中时，调整模块1140可以分别复位提前量调整信号B和C。仅作为示例，调整模块1140可以将提前量调整信号B和C复位为0。
典型的PFC系统可以基于来自交流(AC)线信号的测量结果控制切换元件(例如，晶体管)的占空比。然而，来自AC线信号的测量结果是实时获取的并且因此基于过去的测量结果控制占空比。换言之，在基于来自AC线信号的测量结果控制占空比时，存在固有延迟。此外，AC线信号易于受到AC线路电压降和/或噪声的影响并且因此AC线信号的测量结果可能是不正确的。更具体地，基于不正确的测量结果控制占空比可能导致诸如切断和/或故障的错误。
因此，提出了一种系统和方法，其预测沿AC线信号的第一预定数目的周期的提前，因此补偿固有延迟。更具体地，该系统和方法使用陷波滤波器对AC线信号进行滤波以去除谐波失真(即，波纹)。滤波的AC线信号以下被称为AC线信号。
该系统和方法随后通过使用参考信号的梯度(即，斜率)进行外推来提前预测沿AC线信号的第一预定数目的周期。仅作为示例，第一预定数目的周期可以是3。在一个实施例中，参考信号可以是与AC线信号同相的数学正弦曲线(即，正弦波)。该系统和方法这样可以基于预测控制占空比。
该系统和方法还通过使用参考信号的梯度进行外推来提前预测沿AC线信号的第二预定数目的周期。该系统和方法可以基于预测的AC线信号产生翻转信号。例如，翻转信号可以是提前的(即，提前预测的)AC线信号的符号。换言之，当预测的AC线信号是正值(大于零)时，翻转信号可以是第一状态(例如，“1”)，并且当AC线信号的预测是负值(小于零)时，翻转信号可以是第二状态(例如，“0”)。
现在参照图12，一种用于补偿延迟的方法开始于1204。在1204处，延迟补偿模块580确定基本提前量。例如，延迟补偿模块580可以从存储器取回预定的基本提前量值。此外，延迟补偿模块580可以确定各种数量的基本提前量。例如，延迟补偿模块580可以确定一个基本提前量(A，诸如单相操作)、两个基本提前量(A和B，诸如两相操作)或者三个基本提前量(A、B和C，诸如三相操作)。然而，延迟补偿模块580还可以确定其他数目的基本提前量。
仅作为示例，在三相操作中，延迟补偿模块580可以从存储器取回如下值：基本提前量A可以是3.18，基本提前量B可以是3.07，并且基本提前量C可以是3.25。此外，仅作为示例，在两相操作中，延迟补偿模块580可以从存储器取回如下值：基本提前量A可以是2.5并且基本提前量B可以是2.5。相似地，在单相操作中，延迟补偿模块580可以从存储器取回2.5的基本提前量A。
在1208处，延迟补偿模块580调整从提前量。具体地，从提前量指的是相对于参考提前量调整的基本提前量。仅作为示例，在三相操作中，基本提前量B和C分别可以按提前量调整B和C进行调整。换言之，基本提前量B和C表示从提前量并且基本提前量A表示参考提前量。替选地，仅作为示例，在两相操作中，基本提前量A可以按提前量调整A进行调整。换言之，基本提前量A表示从提前量并且基本提前量B表示参考提前量。
在1212处，延迟补偿模块580对进入的AC线信号进行陷波滤波。更具体地，延迟补偿模块580可以对AC线信号进行滤波以去除与拐角频率对应的AC线信号中的不稳定性。
在1216处，延迟补偿模块580产生补偿的AC信号。更具体地，延迟补偿模块580可以基于陷波滤波的AC线信号、调整的提前量以及参考提前量来产生补偿的AC信号。仅作为示例，延迟补偿模块580可以基于参考提前量A和各个调整的提前量B和C以及陷波滤波的AC线信号，产生三个补偿的AC信号(A、B、C)。
在1220处，延迟补偿模块580可以产生预测的AC线信号。更具体地，延迟补偿模块580可以基于参考信号的梯度沿AC线信号进行提前预测。例如，参考信号可以是如前文描述的产生的参考信号。换言之，延迟补偿模块580可以通过使用产生的参考信号的斜率近似AC线信号的未来值来进行提前预测。
在1224处，延迟补偿模块580基于预测的AC线信号产生翻转信号。更具体地，延迟补偿模块580在预测的AC线信号指示过零时产生翻转信号。例如，翻转信号可以基于预测的AC线信号的符号。具体地，翻转信号可用于使占空比的极性翻转。
在1228处，占空比转换模块570可以基于补偿的AC信号和翻转信号控制占空比。仅作为示例，在三相操作中，占空比转换模块570可以基于三个补偿的AC信号A、B和C控制占空比。替选地，占空比转换模块570可以基于参考信号和翻转信号控制占空比。换言之，使用参考信号而非补偿的AC信号可以减小由于AC线路电压降和/或噪声引起的误差。控制随后可以返回1208。
可以以多种形式来实现本公开的广义教导。因此，虽然本公开包括具体示例，但是本公开的真实范围应当不限于此，因为其他修改对于学习了附图、说明书和随后的权利要求的技术人员变得显然。

Claims (20)

1.一种功率因数校正PFC系统，包括：
调整模块，基于N个预定时间提前量和(N-1)个时间提前量调整来产生N个时间提前量，其中N是大于零的整数；
补偿模块，通过使用正弦参考信号的梯度和所述N个时间提前量提前预测输入交流AC线信号，来分别产生所述输入AC线信号的N个补偿版本，其中所述正弦参考信号在相位和频率上与所述输入AC线信号同步；以及
占空比控制模块，基于所述输入AC线信号的N个补偿版本产生PFC占空比。
2.根据权利要求1所述的PFC系统，进一步包括：
预测过零检测模块，基于所述输入AC线信号的预测过零产生翻转信号，
其中所述预测过零检测模块基于所述输入AC线信号预测过零，
其中基于所述翻转信号使PFC占空比翻转。
3.根据权利要求2所述的PFC系统，其中：
在第一时间长度上发生PFC占空比的完全翻转，
所述预测过零检测模块基于所述输入AC线信号的提前版本的预测过零来切换所述翻转信号的状态，
所述预测过零检测模块通过按时间提前量进行提前预测来产生所述输入AC线信号的提前版本，以及
所述时间提前量基于所述PFC系统的控制系统延迟和所述第一时间长度的一半的和。
4.根据权利要求3所述的PFC系统，其中所述预测过零检测模块通过沿所述正弦参考信号的当前梯度按所述时间提前量外推所述输入AC线信号的当前值来产生所述输入AC线信号的提前版本。
5.根据权利要求2所述的PFC系统，进一步包括：
陷波滤波器，通过滤除所述输入AC线信号的预定频率来产生滤波的AC信号，其中所述预定频率基于所述PFC系统的控制系统延迟，其中所述补偿模块通过提前预测所述滤波的AC信号来产生所述输入AC线信号的N个补偿版本，以及其中所述预测过零检测模块基于所述滤波的AC信号来预测过零。
6.根据权利要求1所述的PFC系统，进一步包括：
陷波滤波器，通过滤除所述输入AC线信号的预定频率来产生滤波的AC信号，其中所述预定频率基于所述PFC系统的控制系统延迟，以及其中所述补偿模块通过提前预测所述滤波的AC信号来产生所述输入AC线信号的N个补偿版本。
7.根据权利要求1所述的PFC系统，其中对于所述输入AC线信号的N个补偿版本中的每个版本，所述补偿模块通过沿所述正弦参考信号的当前梯度按N个时间提前量中的相应的一个时间提前量外推所述输入AC线信号的当前值来产生所述版本。
8.根据权利要求1所述的PFC系统，其中所述(N-1)个时间提前量调整基于具有不同相位的N个测量电流之间的差，其中N是大于1的整数。
9.根据权利要求1所述的PFC系统，其中所述N个预定时间提前量被设定在设计时间。
10.一种用于功率因数校正PFC的方法，包括：
基于N个预定时间提前量和(N-1)个时间提前量调整来产生N个时间提前量，其中N是大于零的整数；
通过使用正弦参考信号的梯度和所述N个时间提前量提前预测输入交流AC线信号，来分别产生所述输入AC线信号的N个补偿版本，其中所述正弦参考信号在相位和频率上与所述输入AC线信号同步；以及
基于所述输入AC线信号的N个补偿版本产生PFC占空比。
11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括：
基于所述输入AC线信号的预测过零产生翻转信号，
基于所述输入AC线信号预测过零，
基于所述翻转信号使PFC占空比翻转。
12.根据权利要求11所述的方法，其中：
在第一时间长度上发生PFC占空比的完全翻转，
基于所述输入AC线信号的提前版本的预测过零来切换所述翻转信号的状态；以及
通过按时间提前量进行提前预测来产生所述输入AC线信号的提前版本，其中所述时间提前量基于所述PFC系统的控制系统延迟和所述第一时间长度的一半的和。
13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括通过沿所述正弦参考信号的当前梯度按所述时间提前量外推所述输入AC线信号的当前值来产生所述输入AC线信号的提前版本。
14.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
通过使用陷波滤波器滤除所述输入AC线信号的预定频率来产生滤波的AC信号，其中所述预定频率基于所述PFC系统的控制系统延迟。
15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括：
通过提前预测所述滤波的AC信号来产生所述输入AC线信号的N个补偿版本，以及
基于所述滤波的AC信号来预测过零。
16.根据权利要求10所述的方法，进一步包括：
通过使用陷波滤波器滤除所述输入AC线信号的预定频率来产生滤波的AC信号，其中所述预定频率基于所述PFC系统的控制系统延迟；以及
通过提前预测所述滤波的AC信号来产生所述输入AC线信号的N个补偿版本。
17.根据权利要求10所述的方法，进一步包括：对于所述输入AC线信号的N个补偿版本中的每个版本，通过沿所述正弦参考信号的当前梯度按N个时间提前量中的相应的一个时间提前量外推所述输入AC线信号的当前值来产生所述版本。
18.根据权利要求10所述的方法，其中所述(N-1)个时间提前量调整基于具有不同相位的N个测量电流之间的差，其中N是大于1的整数。
19.根据权利要求10所述的方法，其中所述N个预定时间提前量被设定在设计时间。
20.一种用于功率因数校正PFC的方法，包括：
接收输入交流AC线信号；
通过使用陷波滤波器滤除所述输入AC线信号的预定频率来产生滤波的AC信号，其中所述预定频率基于PFC系统的控制系统延迟；
产生在相位和频率上与所述输入AC线信号同步的正弦参考信号；
基于N个预定时间提前量和(N-1)个时间提前量调整来产生N个时间提前量，其中N是大于零的整数；
对于所述输入AC线信号的N个补偿版本中的每个版本，通过沿所述正弦参考信号的当前梯度按所述N个时间提前量中的相应的一个时间提前量外推所述滤波的AC线信号的当前值来产生所述版本；
基于所述输入AC线信号的N个补偿版本产生PFC占空比；
基于所述滤波的AC信号来预测过零；
基于所述滤波的AC线信号的预测过零产生翻转信号；
基于所述翻转信号使PFC占空比翻转；
通过按时间提前量进行提前预测来产生所述滤波的AC线信号的提前版本，所述时间提前量包括所述PFC系统的控制系统延迟和PFC占空比的完全翻转时间的一半的和；以及
基于所述滤波的AC线信号的提前版本的预测过零来切换所述翻转信号的状态。
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