CN103973096B

CN103973096B - 有源功率因数校正器电路

Info

Publication number: CN103973096B
Application number: CN201410041143.7A
Authority: CN
Inventors: A·皮杜蒂; A·卡勒蒂
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2013-01-31
Filing date: 2014-01-28
Publication date: 2017-10-27
Anticipated expiration: 2034-01-28
Also published as: CN103973096A; US20140211526A1; DE102014101131A1; US9343955B2

Abstract

提供了一种有源功率因数校正器电路。根据实施例，一种电子设备包含控制器，其被配置为对功率因数校正器中的参考信号应用斜坡补偿。所述设备还被配置为基于所述功率因数校正器的输入电压来调节所述斜坡补偿。

Description

有源功率因数校正器电路

技术领域

本发明涉及电路领域，特别是涉及有源功率因数校正器电路。

背景技术

在电子设备中，功率因数校正器（PFC）电路越来越多地用于提高AC电力系统的功率因数（PF）。在电力系统中，对于所输送的相同数量的有用功率来说，具有较低功率因数的负载比具有较高功率因数的负载吸收更多的电流。当功率因数较低时，大电流致使在配电系统中损失能量，需要更大的电线以及可与具有较高功率因数的系统相比的能够处理较大电流的其它设备。

由于较大设备的成本以及损失的能量，电力公共事业将向具有较低功率因数的工业用户或商业用户收取比向具有较高功率因数的工业用户或商业用户更高的费用。功率因数调节也正变得越来越普遍。

功率因数校正可能尤其是与大功率应用相关。在大功率处，功率因数中的小差异能够导致明显的成本节约。在AC电力系统中，大功率电力系统正变得越来越重要。

功率因数校正器可以使用开关模式电源来实现。功率因数校正器电路常常执行斜坡补偿以防止振荡并保持稳定性。然而，斜坡补偿能够降低功率因数校正器电路的功率因数。

发明内容

根据实施例，一种电子设备包含控制器，控制器被配置为对功率因数校正器中的参考信号应用斜坡补偿。所述设备还被配置为基于所述功率因数校正器的输入电压来调节所述斜坡补偿。

附图说明

为了更完全地理解本发明及其优点，现在参考以下结合附图的描述，其中：

图1a-c图示有源PFC电路的实施例；

图2图示针对有源PFC电路的实施例的斜坡补偿校正的信号、斜坡补偿参考信号、电流信号、振荡信号以及比较器输出信号的波形图；

图3a-d图示有源PFC电路的实施例的仿真结果；以及

图4图示用于控制有源PFC电路的实施例方法的流程图。

除非以其它方式指明，否则在不同附图中的对应的数字和符号一般指对应的部分。附图是出于清楚地说明优选实施例的相关方面而绘制的，并且未必按照比例绘制。为了更清楚地图示某些实施例，指示相同结构、材料、或处理步骤的变型的字母可跟随图号。

具体实施方式

以下将详细地论述本优选实施例的实现和使用。然而，应当了解的是，本发明提供了可在大范围的各种特定上下文中实施的许多可应用的发明构思。所讨论的特定实施例仅是实现和使用本发明的特定方式的说明，并且不限制本发明的范围。

将针对特定上下文，即有源PFC电路，中的优选实施例，来描述本发明。然而，本发明还可应用于其它类型的电路和系统，诸如电源电路和系统。

功率因数，零和一之间的无量纲数，被定义为流入负载的有功功率与电路中的视在功率的比。有功功率是电路在特定时间执行工作的容量，而视在功率是电路的电压和电流的乘积。由于存储在负载中并返回到源的能量，并且由于非线性负载使从源吸收的电流的波形畸变，视在功率趋向于大于有功功率。

功率因数校正（PFC）电路可以是有源的或无源的。无源PFC电路包含电感器和/或电容器。另一方面，有源PFC电路是改变由负载所吸收的电流的波形以提高功率因数的电力系统。在功率因数校正的电路中，电压和电流更大程度地同相，并且减少了无功功率的量。

有源PFC电路可以使用升压变换器、降压变换器、降压-升压变换器、或其它拓扑结构来实现。有源PFC电路可以以各种模式运行，包含：连续导通模式（CCM）、不连续导通模式（DCM）、临界导通模式（CRM）以及其它运行模式。

在一个实施例中，例如通过依赖于AC输入信号的瞬时电压电平来增加斜坡补偿的信号电平，来调节斜坡补偿。在较低的瞬时电压电平处，由于斜坡补偿使电流进一步偏离于AC输入电压波形，因此功率因数的电流输入变得失真。此类失真导致功率因数损失。通过在这些较低输入电平处增加斜坡补偿的电平，电流信号更接近地跟随AC输入电压波形。因此，也提高了功率因数。

图1a-c图示了具有可调节的斜坡补偿的有源功率因数校正器（PFC）电路100的实施例。有源PFC电路100可以是连续导通模式（CCM）的有源PFC，尽管它可以以其它模式运行。

图1a图示了有源PFC电路的高级视图。有源PFC电路100通过开关126的控制以向电感器122和电容器134输送功率，起升压变换器的功能。来自电流检测信号172的反馈使反馈回路控制电流以跟随输入电压。有源PFC电路100的AC输入具有耦合至整流器142的输入150和输入152。整流器142对信号150和信号152进行整流以产生整流的输入电压154。在可替代的实施例中，可使用一相AC输入、两相AC输入或三相AC输入。

电容器140将整流的输入电压154耦合至地156。电阻器136和电阻器138创建了分压器，该分压器将整流的输入电压154和地156耦合至输入电压158。电阻器130和电阻器132创建分压器，该分压器将输出电压160和地156耦合至输出电压162。振荡器108输出振荡信号164。

参考信号170和输出电压162是运算放大器114的输入。运算放大器114输出运算放大器输出信号192。电容器116将运算放大器输出信号192耦合至地156。乘法器118将运算放大器输出信号192乘以输入电压158，以产生乘法器输出176。

加法器120将斜坡补偿校正信号166加到乘法器输出176，以产生斜坡补偿校正的信号168。斜坡补偿校正信号166是斜坡补偿校正器102的输出。基于输出电压162以及输入电压158，斜坡补偿校正器102确定斜坡补偿校正的信号168。斜坡补偿校正器102可以以模拟电路或数字电路来实现。基于输入电压158、输出电压162、斜坡补偿校正的信号168以及振荡器信号164，斜坡补偿模块104确定斜坡补偿的信号174。斜坡补偿模块104可以以模拟电路或数字电路来实现。斜坡补偿的信号174和电流检测信号172是比较器106的输入，比较器106输出比较器输出信号178。当重置时，RS锁存器110锁存比较器输出信号178，并且当置位时，RS锁存器110锁存振荡器信号164，RS锁存器110具有锁存器输出信号190为Q输出。锁存器输出信号190是驱动器112的输入，其输出开关控制信号188。

开关控制信号188闭合和关断开关126。开关126可以是DMOS晶体管，或其它类型的晶体管，诸如IGBT或JFET。电阻器128将开关126耦合至地156。当开关126闭合时，电流流过电感器122并且能量被存储在电感器122中，产生电流检测信号172。当开关126关断时，存储在电感器122中的能量流动经过二极管124、电容器134并且经过跨负载（未示出）的输出电压160。二极管124防止负载电容放电通过开关126。当开关126关断时，能量从电感器122流到电容器134。

图1b图示了斜坡补偿模块104的实施例。斜坡补偿模块104可在有源PFC电路100中使用，或它可以是另一类型的PFC系统的一部分。斜坡补偿模块104可以以模拟电路或数字电路来实现。斜坡补偿模块104的输入是输入电压158、输出电压162、斜坡补偿校正的信号168以及振荡器信号164。斜坡补偿模块104的输出是斜坡补偿信号174。开关180耦合斜坡补偿校正的信号168和电流源184。振荡器信号164控制开关180。电容器182还将斜坡补偿校正的信号168耦合到与开关180并联的电流源184。当开关180闭合时，来自斜坡补偿校正的信号168和电流源184的电流流到斜坡补偿的信号174。当开关180关断时，来自斜坡补偿校正的信号168的电流对电容器182进行充电，减少在斜坡补偿的信号174中流动的电流。在可替代实施例中，可以使用其它电路和方法来执行斜坡补偿。

图1c图示了斜坡补偿校正器102的实施例。斜坡补偿校正器102可以被用作有源PFC电路100的一部分，或者它可是另一PFC系统的一部分。模拟电路或数字电路可以实现斜坡补偿校正器102。为保持较高的功率因数，斜坡补偿校正器102针对斜坡补偿进行调节。

图1b中的跨电容器182的电压是将被补偿的斜坡补偿偏移。对这个电压进行校正的一种机制是将等于这个偏移的值增加到电压信号或电流信号。将被补偿的电压等于：

其中I_sc表示由电流源184所供应的电流，C是电容器182的电容，T_on是导通时间，其等于占空比乘以振荡器信号164的周期。占空比被定义为：

V_out可表示输出电压检测162。V_in表示输入电压158。因此，闭合时间等于：

电流源184中的电流等于：

Coeff_I×（V_out-V_in）。

Coeff_I是表示电流斜坡的设计参数。因此，将被补偿的电压是：

这个方程式可以使用数字电路或模拟电路来实现。

图1c中的斜坡补偿校正器102图示了斜坡补偿校正电路的模拟电路实施方式的示例。运算放大器202、晶体管214以及电阻器206将输出电压162转换成输出电流236，输出电流236等于输出电压162除以电阻器206的电阻。晶体管216、218和221镜像输出电流236。电流镜220镜像输出电流。运算放大器204、晶体管244和电阻器208将输入电压158转换成输入电流238，其与输入电压158除以电阻器208的电阻成比例。类似地，运算放大器205、晶体管245和电阻器209将输入电压158转换成输入电流238。电流240与输出电流236减去输入电流238成比例。电阻器227、229、230、232、226、228、234和235使电流242成比例于：

I_out可以由输出电流236表示，并且I_in可以由输入电流238表示。电流镜222镜像电流。晶体管224和电阻器210将电流242转换成电压246，其成比例于：

图2图示针对有源PFC电路的实施例的斜坡补偿校正的信号168、斜坡补偿参考信号252、电流检测信号172、振荡信号164以及比较器输出信号178的波形图250。斜坡补偿信号252开始等于斜坡补偿校正的信号168。当振荡器信号164输出脉冲时，斜坡补偿信号252减少，而电流检测信号172增加。当电流检测信号172等于斜坡补偿信号252时，比较器输出信号脉冲并且斜坡补偿信号252返回到斜坡补偿校正的信号168。

图3a-d图示有源PFC电路的实施例的仿真结果。图3a和图3b图示针对具有斜坡补偿信号而没有斜坡补偿校正的PFC的实施例的仿真结果。电流检测信号172在乘法器输出176附近波动。由于超过大约1/2的大占空比，因此由斜坡补偿因数304所造成的功率因数的减少是较大的。图3b描绘了实施例的功率因数302，其大约是97%。

图3c和图3d图示了针对具有斜坡补偿的信号并且具有斜坡补偿校正的实施例的仿真结果。电流检测信号172示出了更加均匀的形状，而由于大的占空比，因此斜坡补偿校正306是最大的。实施例的功率因数302几乎是99%。

图4图示了针对实施例的有源PFC电路的方法400的流程图。控制功率因数校正器的方法400包含：调节斜坡补偿（步骤404），应用斜坡补偿（步骤402），控制开关（步骤406），以及在电感器和电容器之间输送功率（步骤408）。可以通过当占空比增加时调节占空比以提高稳定性来执行应用斜坡补偿。调节斜坡补偿涉及调节信号以校正由斜坡补偿所引入的误差。在电感器和电容器之间输送功率涉及：当开关闭合时，能量流入电感器，并且当开关关断时，能量从电感器流入电容器。

实施例的优点包含：针对有源PFC电路中的斜坡补偿进行调节以提高功率因数的能力。斜坡补偿校正可以使用模拟或数字实施方式来获得。

虽然已经参照说明性实施例描述了本发明，但是本描述不是旨在被理解成限制的意思。对本领域的技术人员来说，根据参照本描述，说明性实施例的各种修改和组合，以及本发明的其它实施例将是明显的。

Claims

1.一种控制功率因数校正器的方法，所述方法包括：

在功率因数校正器中对参考信号应用斜坡补偿；以及

基于以下调节因子来调节所述斜坡补偿：

其中V_out是所述功率因数校正器的输出电压并且V_in是所述功率因数校正器的输入电压，C是所述功率因数校正器中的斜坡补偿模块的电容器的电容，周期是所述斜坡补偿模块的振荡器的周期，以及Coeff_I是电流斜坡。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括用斜坡补偿的参考信号控制开关。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述方法还包括将功率从电感器输送到电容器。

4.根据权利要求1所述的方法，其中在所述功率因数校正器中对所述参考信号应用斜坡补偿包括：

断开由所述振荡器控制的开关以使所述参考信号与电流源断开连接；

对与所述电流源串联的所述电容器进行充电；

基于所充电的电容器和所述参考信号来创建校正的信号；以及

将电流信号与校正的信号进行比较。

5.根据权利要求1所述的方法，其中调节所述斜坡补偿包括：

从所述功率因数校正器的所述输出电压中减去所述功率因数校正器的所述输入电压，以获得电压差；

将所述电压差除以所述输出电压，以获得占空比；

将所述占空比乘以所述周期，以获得导通时间；

将所述电压差值乘以所述电流斜坡，以获得电容器电流；

将所述电容器电流乘以所述导通时间并除以所述电容器的电容，以形成所述调节因子；以及

根据所述调节因子调节所述斜坡补偿。

6.一种包括控制器的电子设备，所述控制器被配置为在功率因数校正器中对参考信号应用斜坡补偿，以及基于以下校正因子来调节所述斜坡补偿：

其中V_out是所述功率因数校正器的输出电压并且V_in是所述功率因数校正器的输入电压，C是所述控制器的电容器的电容，周期是所述控制器的振荡器的周期，以及Coeff_I是电流斜坡。

7.根据权利要求6所述的设备，其中所述功率因数校正器被配置为以连续导通模式运行。

8.根据权利要求6所述的设备，其中所述控制器被配置为基于所述功率因数校正器的占空比计算所述斜坡补偿。

9.根据权利要求6所述的设备，其中所述斜坡补偿器包括：

由所述振荡器控制的开关；

与所述开关并联耦合的所述电容器；

耦合到所述电容器的电流源；以及

比较器的第一输入端，其耦合到所述电容器，所述比较器的第二输入端，其耦合到所述功率因数校正器的电流信号。

10.根据权利要求9所述的设备，其中所述控制器被配置为将参考信号添加到所述校正因子。

11.根据权利要求6所述的设备，其中所述控制器包括数字电子装置。

12.根据权利要求6所述的设备，其中所述控制器包括模拟电子装置。

13.根据权利要求12所述的设备，其中所述控制器被配置为执行斜坡补偿，所述控制器包括：

第一电压至电流变换器；

第一电流镜，其耦合到所述第一电压至电流变换器；

第二电压至电流变换器；

第二电流镜，其耦合到所述第二电压至电流变换器；

电流减法器，所述电流减法器的第一输入端耦合到所述第一电流镜，并且所述电流减法器的第二输入端耦合到所述第二电流镜；

分流器，所述分流器的第一输入端耦合到所述电流减法器的输出端，所述分流器的第一输出端耦合到所述第一电流镜；以及

电流至电压变换器，其耦合到所述分流器的输出端。

14.根据权利要求12所述的设备，其中所述控制器还包括：

乘法器，耦合到所述斜坡补偿器，所述乘法器的输入是输入电压信号和运算放大器输出信号；

运算放大器，耦合到所述乘法器；

参考信号，耦合到所述运算放大器；

输出电压信号，耦合到所述运算放大器；

比较器，耦合到所述斜坡补偿器，所述比较器的输入是与所述功率因数校正器中的电感电流成比例的信号；

锁存器，耦合到所述比较器；

振荡器，耦合到所述锁存器；

所述锁存器的输出端，耦合到驱动器；以及

驱动器，被配置为耦合到所述功率因数校正器的开关。

15.一种功率因数校正器电路，包括：

所述功率因数校正器的AC输入节点，耦合到控制器；

所述功率因数校正器的DC输出节点，耦合到所述控制器；

所述控制器被配置为：

在功率因数校正器中对参考信号应用斜坡补偿，以及

基于以下被配置为校正由所述斜坡补偿所引入的误差的校正因子来调节所述斜坡补偿：

其中V_out是所述DC输出节点的电压并且V_in是所述AC输入节点的电压，C是所述控制器的电容器的电容，周期是所述控制器的振荡器的周期，以及Coeff_I是电流斜坡；

开关，耦合到所述控制器；以及

电感器，耦合到所述开关。

16.根据权利要求15所述的功率因数校正器电路，还包括：

第一分压器，耦合在所述功率因数校正器电路的输出节点和接地点之间，所述第一分压器的输出端耦合到所述控制器的输入端；以及第二分压器，耦合在所述功率因数校正器电路的输入电压和接地节点之间，所述第二分压器的输出端耦合到所述控制器的输入端。

17.根据权利要求15所述的功率因数校正器电路，还包括耦合到所述电感器的整流器。

18.根据权利要求15所述的功率因数校正器电路，其中所述控制器被配置为基于所述功率因数校正器的占空比来计算所述斜坡补偿。

19.根据权利要求18所述的功率因数校正器电路，所述控制器包括：

由所述振荡器控制的开关；

与所述开关并联耦合的所述电容器；

耦合到所述电容器的电流源；以及

比较器的第一输入端，其耦合到所述电容器，所述比较器的第二输入端，其耦合到所述功率因数校正器的电流信号；

其中所述控制器被配置为将参考信号添加所述校正因子。