CN105048795A - 增强型功率因数校正 - Google Patents

Abstract

一种功率转换器被描述，其包括开关。该控制器还可包括控制器，该控制器控制该开关。该控制器可被配置为确定第一参数。此外，该控制器可被配置为确定第二参数。该控制器可基于该第一参数和第二参数动态地调制该开关的占空比，对占空比的调制可在该控制环路之外并且独立于该控制环路。

Description

增强型功率因数校正

技术领域

本公开涉及功率转换器，更具体地涉及与开关模式功率转换器相关联的技术和电路。

背景技术

一些电路可使用功率转换器，该功率转换器从电源接收功率输入并将该功率输入转换为功率输出，与该功率输入的电压电平或电流电平相比，该功率输出具有不同的(例如，调节过的)电压电平或电流电平。该转换器输出电力用于为部件、电路或其他电气设备供电。基于开关的功率转换器可以使用半桥电路和信号调制技术，以调节功率输出的电流电平或电压电平。在一些示例中，功率转换器可使用另外的反馈控制电路和技术(例如，电压检测、电流检测等)，以提高该功率输出的电压电平或电流电平的精确度和对其的控制。这些用于提高功率输出的电压或电流的精确度和对功率输出的电压或电流的控制的前述技术和电路可能会减少该功率转换器的总效率和/或增加该功率转换器的物理尺寸、复杂度和/或成本。

发明内容

通常，可优化功率转换器的功率因数和总谐波失真(THD,totalharmonicdistortion)的技术和电路被描述。在一些示例中，该功率转换器可以是单级功率转换器。然而，应当理解的是，本文中所描述的技术也可被应用于具有两级或多级的功率转换器(例如，双级功率转换器)。在示例中，所提出的方法还允许将功率因数校正(PFC)级和功率转换级组合成单级功率转换器，同时通过使用一个级执行PFC和电源转换两者，维持优良的功率因数以最小化尺寸和成本。本文所描述的技术可利用功率转换器的数字控制。该功率转换器的运行可基于各种参数(例如，输入电压、输出电压、输出电流、输出功率、输入滤波器阻抗、AC输入的相位角和其他参数)被调整。

在一些示例中，该功率转换器的运行可根据关于输入滤波器的行为的知识(例如，在输入滤波器中被使用的电容器的电容、输入滤波器的阻抗等)被调谐，这可导致该已知的输入滤波器阻抗和功率转换器阻抗的结合的优化的功率因数，而不论线路侧(即，输入电压侧或负载侧，也就是功率转换器的输出电压侧)上的变化。

在一个示例中，本公开指向一种功率转换器，该功率转换器包括开关和控制器，该控制器被配置为测量第一参数、确定第二参数，并且基于该第一参数和第二参数动态地调制该开关的占空比(dutycycle)。对占空比的调制可在该控制环路之外并且独立于该控制环路。该调制的频率可来源于输入频率，并且能够独立于开关频率和控制环路频率。

在另一个示例中，本公开指向一种方法，该方法包括测量第一参数，确定第二参数，并且基于该第一参数和第二参数动态地调制开关的占空比，该开关控制功率转换器。

在另一个示例中，本公开指向一种功率转换器，该功率转换器具有开关装置、用于测量第一参数的装置、用于确定第二参数的装置以及用于基于该第一参数和第二参数动态地调制该开关的占空比的装置。例如，对占空比的调制是对接通时间(on-time)的调制或对开关周期或开关频率的调制。

一个或多个示例的详细内容在附图和下面的具体实施方式中进行了陈述。本公开的其他特征、目标和优点从具体实施方式和附图以及权利要求中是显而易见的。

附图说明

图1是示出依照本公开的一个或多个方面的一种示例系统的方框图，该示例系统用于从电源转换功率；

图2是示出依照本公开的一个或多个方面的一种示例功率转换器的方框图；

图3是示出一种简化的输入滤波器电路的示例的示意图，该输入滤波器电路依照本文所描述的系统和方法可与功率转换器一起被使用；

图4是示出恒定的接通时间的示例波形的曲线图；

图5是示出依照本公开的一个或多个方面的占空比调制的示例波形的曲线图，该调制使用接通时间的调制；

图6是相对相位角示出电导G_FB和使用接通时间t_on(t)的调制的占空比调制的近似实施的示例的曲线图，该近似实施包括最小饱和及最大饱和；

图7是示出在依照本公开的一个或多个方面的示例实施上与功率因数相对的输入电压测量结果的曲线图；

图8是依照本公开的一个或多个方面，示出一种用于运行示例功率转换器的示例方法的流程图；

图9是依照本公开的一个或多个方面，示出一种用于运行示例功率转换器的示例方法的流程图；

图10是依照本公开的一个或多个方面，示出一种示例功率转换器的示例运行的流程图。

具体实施方式

在一些应用中，基于开关的功率转换器(下文中称为“功率转换器(powerconverter)”或简称“转换器(converter)”)可接收功率输入，并且将该功率输入转换成功率输出，例如该功率输入具有的电压电平或电流电平不同于(例如，调整过的)功率输入的电压电平或电流电平，以将该功率输出提供给滤波器用于为负载(例如，设备)供电。如本文所描述，术语“升压(step-up)”指的是功率转换器被配置为接收具有第一电压电平(或第一电流电平)的输入功率信号，并且输出具有第二电压电平(或电流电平)的功率信号，该第二电压电平(或电流电平)大于该第一电压电平(或电流电平)。同样如本文所描述的，术语“降压(step-down)”转换器指的是被配置为接收具有第一电压电平(或第一电流电平)的输入功率信号，并且输出具有具有第二电压电平(或电流电平)的功率信号，该第二电压电平(或电流电平)小于该第一电压电平(或电流电平)的功率转换器。

从电源(例如，电力分配网络)所吸取功率的质量可能具有约束。该约束可涉及设备如何从该电源吸取电力会使该电信号失真。通常地，该失真可被要求要低。相应地，吸取电力的设备可需要高功率因数，即，负载应当是电阻式的，而不是电容式或感应式的。

交流电电力系统的功率因数是流向负载的实际功率与电路中的表观功率的比值。功率因数是-1和1之间的无量纲数。实际功率是在特定时间用于执行工作的电路的能力。表观功率是该电路的电流和电压之积。电容式负载和感应式负载可存储能量，并且将其返回给电源，这可使该电源的波形形状失真。

电容式负载或感应式负载可通过将能量返回至电源，向电源(比如，电力分配网络)施加压力，然而电阻式负载并不会以此方式向该电力分配网络施加应力。相反，电阻式负载仅吸取电流，而不会将电流推回至该网络之上。如上所述，电容式负载或感应式负载可从该网络拉取电力，存储该电力，实际上未使用该电力中的一些，并且然后将该电力推回至该电力网络。这可比电阻式负载的电流吸取对该电力网络造成更大的负面影响。

一些系统可通过使用两级系统或双级系统根据可接受的功率因数和总谐波失真(THD)使设备适应电力网络，该两级系统或双级系统具有作为输入级的功率因数校正级和作为第二级的功率转换器。一种示例方法优化了单级功率转换器的功率因数和THD。一些优化功率因数和THD的示例方式包括(1)双级功率转换器的使用，(2)为单级功率转换器使用恒定的接通时间，以及(3)使用瞬时输入电压，以使反激式(flyback)转换器的接通时间成形。

双级功率转换器的使用可包括功率因数校正(PFC)级和主电源转换级。这所具有的缺点在于其需要“高付出(higheffort)”。换言之，这需要两级而不是单级。相应地，此选择可比其他选择使用较高的部件数量。这些额外的部件可增加零件成本，增加该电路在印刷电路板或裸片上所需要的空间，增加用于该电源供应器的材料清单的复杂度或包括这种电源供应器的设备的复杂度。此外，在某些情况下，这些额外的部件可吸取额外的电流，增加电路的电力消耗。

然而，对于经典的单级功率转换器，对于功率因数校正(PFC)的通常解决方案是使用恒定接通时间。这通常将对于高输出功率和低输入电压优化功率因数。相应地，如果输入滤波器具有有效的非电阻式阻抗，该功率转换器和输入滤波器的组合的功率因数可能是不足的。

在一些示例中，功率因数可通过基于瞬时输入电压使反激式转换器的接通时间成某一形状而被提高。该接通时间可对于低输入电压被增加，以改善该输入电流的形状，因为接通时间与反激式转换器的电导有关系。这通常改善在输入信号的半波结束时的输入电流形状。然而，这可在具有非电阻式阻抗输入滤波器的拓扑中，使输入电流在半波开始时的形状变得更坏。换言之，该输入电流可在输入信号的半波开始时未跟随输入电压。

最佳功率因数出现在AC电流和AC电压恰好彼此同相时。所提出的方法允许将功率因数校正(PFC)级和电源转换级结合成单级功率转换器，同时保持良好的功率因数。在一些示例中，这可使大小和成本最小化。

功率转换器的数字控制可被利用。相应地，功率转换器的运行可基于各种参数(例如，输入电压、输出电压、输出电流、输出功率、输入滤波器阻抗、AC输入的相位角和其他参数)被调节。

利用所提出的方法，功率转换器的运行可根据与输入滤波器的行为有关的知识被调频。例如，如果输入滤波器包括电容器，该功率转换器的运行可根据与该电容器的大小有关的知识被调频。更一般地，功率转换器的运行可根据与该功率转换器的输入阻抗有关的知识被调频，该输入阻抗可与输入电容器的大小以及其他部件有关，该其他部件例如是组成结合本公开的一个或多个方面的功率转换器的输入滤波器的其他电容器和电感器。结果可以是优化的功率因数。这可以是基于已知输入滤波器阻抗和功率转换器阻抗的结合，而不论线路侧或负载侧上的变化。

在一些示例中，功率转换器可包括晶体管(例如，作为开关)，该晶体管可被控制以执行本公开的一个或多个方面。控制器可被配置为测量第一参数和确定(例如，从存储器中读取或使用测量设备测量)第二参数。该控制器还可以被配置为基于该第一参数和第二参数，通过对接通时间、开关周期、开关频率或调制所输送的电力的其他测量的调制，动态地调制该开关的占空比。对占空比的调制及其频率可在该控制环路、控制环路频率和开关频率之外，并且独立于该控制环路、控制环路频率和开关频率。如本文所描述的，一些示例可使用例如脉冲宽度调制、脉冲持续时间调制或脉冲密度调制对该开关的占空比进行调制。脉冲宽度调制或脉冲持续时间调制是其中脉冲的宽度(即，脉冲持续时间)基于调制器信号被调制的各调制技术。在脉冲密度调制中，脉冲的相对密度相当于模拟信号的振幅。其他示例可使用脉冲频率调制或另一种适当的调制技术。在脉冲频率调制中，脉冲列的频率基于调制信号的瞬时振幅以取样间隔被改变。

图1是依照本公开的一个或多个方面，示出系统100的方框图，该系统100用于转换来自电源102的功率。图1示出了系统100具有四个分开且不同的部件，该四个部件被示出为电源102、功率转换器104、滤波器106和负载108，但是系统100也可包括额外的部件或更少的部件。例如，电源102、功率转换器104、滤波器106和负载108可以是四个独立部件，或者可表示为提供如本文所描述的系统100的功能一个或多个部件的组合。

系统100可包括向负载108提供电力的电源102。例如，当电源102包括发电机(一个或多个)、变压器、电池、太阳能板或再生制动系统时，系统100可包括电源102。在其他示例中，系统100可与电源102分开。例如，当电源102包括电力网、发电机、变压器、外部电池、外部太阳能板、风车、水力发电机或风力发电机，或者能够向系统100提供电力的任何其他形式的设备时，系统100可与电源102分开。如上所述，电源102的许多示例存在，并且可包括但不限于，电力网、发电机、变压器、电池、太阳能板、风车、再生制动系统、水力发电机或风力发电机，或者能够向系统100提供电力的任何其他形式的设备。

系统100包括作为基于开关的功率转换器的功率转换器104，该功率转换器104将一种电源102所提供的形式电力转换成为不同的且可用形式的电力为负载108供电。功率转换器104可以是增压转换器，与该增压转换器所接收的输入电力的电压电平相比，输出具有较高电压电平的电力。一个此增压转换器的示例可被称为升压转换器(boostconverter)。功率转换器104相反可包括降压转换器，该降压转换器被配置为与该降压转换器所接收的输入电力的电压电平相比，输出具有较低电压电平的电力。一个此降压转换器的示例可被称为降压转换器(buckconverter)。在其他示例中，功率转换器4可以是升压和降压转换器(例如，降压-升压转换器)，其能够输出电力具有的电压电平高于或低于该升压和降压转换器所接收的功率输入的电压电平。功率转换器104的示例可包括电池充电器、微处理器电源供应器等。通常地，本文中所讨论的系统和方法可被应用于单级反激式AC-DC转换器。然而，应当可以理解的是，功率转换器104可以是DC-DC转换器、DC-AC转换器或除反激式转换器之外的一些类型的AC-DC转换器。

系统100进一步包括滤波器106和负载108。负载108在功率转换器104所转换的电力(例如，电压、电流等)通过滤波器106之后，接收该电力。在一些示例中，负载108使用来自功率转换器104和滤波器106的被滤过电力以执行功能。滤波器106的许多示例存在，并且可包括用于为负载滤波电力的任何适当电子滤波器。滤波器106的示例包括，但不限于，无源电子滤波器或有源电子滤波器、模拟滤波器或数字滤波器、高通滤波器、低通滤波器、带通滤波器、陷波滤波器或全通滤波器、电阻器-电容器滤波器、电感器-电容器滤波器、电阻器-电感器-电容器滤波器等。类似地，负载108的许多示例存在，并且包括，但不限于，计算设备和相关部件(比如，微处理器、电气部件、电路)、便携计算机、台式计算机、平板计算机、移动电话、电池、扬声器、照明单元、汽车/船舶/航天/火车相关部件、马达、变压器或者从功率转换器接收电压或电流的任何其他类型的电气设备和/或电路。

电源102可通过连接110提供具有第一电压电平或电流电平的电力。负载108可接收具有第二电压电平或电流电平的电力，该电力通过功率转换器104被转换并且在连接114之上通过滤波器106被滤波。连接110、112和114表示能够将电力从一个位置传导至另一个位置的任何媒介。连接110、112和114的示例包括，但不限于，物理电传输媒介和/或无线电传输媒介(比如，电线、电气轨迹、导电气管、双绞线对等)。连接110和112中的每个分别提供电源102和功率转换器104之间以及功率转换器104和滤波器106之间的电耦接。连接114提供滤波器106和负载108之间的电耦接。此外，连接114功率转换器提供用于携带信息至功率转换器104的反馈环路或反馈电路，该信息与经滤波器106所滤波的功率输出的特性相关联。

在系统100的示例中，电源102所递送的电力可由功率转换器104转换成具有调整的电压电平和/或电流电平的电力，该电压电平和/或电流电平满足负载108的电力要求。例如，在连接110处，电源102可输出具有具有第一电压电平的电力，并且功率转换器104可接收该电力。功率转换器104可将该具有第一电压电平的电力转换成具有第二电压电平的电力，该第二电压电平是负载108所需的。功率转换器104可在连接112处输出具有该第二电压电平的电力。滤波器106可从功率转换器104接收该电力，并且在连接114处输出具有该第二电压电平的经滤波的电力。

负载108可在连接114处接收该具有第二电压电平的经滤波的电力。负载108可使用该具有第二电压电平的经滤波的电力，以执行功能(例如，为微处理器供电)。功率转换器104可在连接114之上接收与该具有第二电压电平的经滤波电力相关联的信息。例如，功率转换器104的反馈控制(例如，电流检测)电路可检测该经滤波的功率输出在连接114处的电压电平或电流电平，并且功率转换器104的驱动逻辑/控制逻辑可基于所检测的电压电平或电流电平调节连接112处的功率输出，以使所滤波的功率输出具有不同的电压电平或电流电平，该不同的电压电平或电流电平在负载108所要求的电压电平或电流电平误差窗口范围内。依照本公开的一个或多个方面，功率转换器的数字控制可被利用，以提升功率因数、THD或输出稳定性。该功率转换器的运行可基于各种参数(例如，输入电压、输出电压、输入电流、输出电流、输入功率、输出功率、输入滤波器阻抗、AC输入的相位角以及调节AC电流和AC电压的其他参数)被调节。例如，这些参数中的一些可被用于将AC输入电流和AC输入电压调整为同相的或彼此接近同相以提升功率因数，因为最佳功率因数是在AC电流和AC电压恰好彼此同相时。

在一些示例中，所提出的方法可允许功率因数校正(PFC)级和电源转换级结合成单级功率转换器，同时保持良好的功率因数。这可最小化该功率转换器的尺寸和成本。在其他示例中，本公开的方面可与多级功率转换器结合被使用，以通过提升功率因数、THD或输出稳定性，进一步增强该多级功率转换器的运行。在一些示例中，本公开的技术可被用于提升单级功率转换器运行或多个功率转换器运行的其他方面。

随着所提出的方法，功率转换器的运行还可根据与输入滤波器的行为有关的知识被调谐。结果是已知输入滤波器阻抗和功率转换器阻抗的结合的优化的功率因数，而不论线路(即，输入侧)或负载侧(即，输出侧)上的变化。

如上所述，在一些示例中，功率转换器104可以是单级功率转换器。在其他示例中，该功率转换器可以是双级功率转换器。功率转换器104可包括开关(比如，晶体管210)，该晶体管210可被控制以实施本公开的一个或多个方面。例如，控制器212可控制晶体管210以执行本公开的一个或多个方面，以便提升功率因数、THD或输出稳定性中的一个或多个。

在一些示例中，控制器可被配置为测量第一参数。该第一参数可以是输入电压、输出电压、输出电流、相位角或与该功率转换器的运行相关的其他参数(比如，输入电流、运行温度、频率、电容等)中的一个。通常地，该第一参数可以是测得的。在其他示例中，该第一参数可以通过例如从存储器中读取预定值被确定，而不是被测得。

该控制器还可以被配置为确定第二参数。在一些示例中，类似于第一参数，该第二参数可以通过测量被确定。在其他示例中，确定该第二参数可涉及例如从存储器中读取预定值。

该控制器还可被配置为基于该第一参数和第二参数动态地调制该开关的占空比，例如通过对接通时间、开关周期、开关频率或调制被转移电力的其他测量值的调制。对占空比的调制及其频率可在控制环路、控制环路频率和开关频率之外，并独立于该控制环路、控制环路频率和开关频率。该开关的占空比基于第一参数和第二参数的动态调制可包括应用该第一参数和第二参数的函数以确定接通时间、开关周期或开关频率。根据权利要求，至少两个参数(第一参数和第二参数)被用于动态地调制开关的占空比。然而，应当理解的是，许多不同的参数和参数的组合可以被用于动态地调制开关的占空比。

图2是示出一种依照本公开的一个或多个方面的反激式功率转换器200的示例的方框图。图1的功率转换器104可以是反激式功率转换器，然而，应当理解的是本公开的方面可被应用于其他类型的功率转换器。反激式转换器可被用于AC/DC转换和DC/DC转换两者，并且可提供输入和输出之间的电流隔离。电流隔离是隔离电气系统的功能部分的原理，以防止电流流动；没有直接的传导路径是被允许的。图2的所示反激式转换器200可具有AC输入202，AC输入202可被输入滤波器204滤波并且通过桥整流器206被整流。桥整流器206的输出可进一步通过电容器C1被滤波。

反激式功率转换器200是具有拆分的电感器的升压转换器，以形成变压器208，从而该电压比可被倍增。当晶体管210被闭合(例如，控制器212使用通过R2的信号将晶体管210接通)时，变压器的初级线圈被连接在输入电压源和通过电阻器R1的接地之间。在该变压器中的初级线圈电流和磁通量增加，在该变压器中存储能量。在次级线圈中所诱导的电压V_SECONDARY将会是负的，因此二极管D1被反向偏置。相应地，在此状态期间，输出电容器或电池可向该输出供应能量。此外，当晶体管210被闭合时，D2被反向偏置，并且电流并不流经二极管D2。该D2/C2/R5电路形成缓冲电路。缓冲器(snubber)是被用于抑制(“缓冲(snub)”)电气系统中的电压瞬变的设备。电阻器R3和R4被用于测量输入电压，该输入电压可在晶体管210的接通时间期间，被从初级线圈反映至辅助线圈。

当晶体管210被打开(例如，使用控制器212通过R2的输出)时，初级电流和磁通量下降。次级电压V_SECONDARY是正的，正向偏置二极管，允许电流从该变压器流出。来自该变压器芯的能量对该输出电容器或电池进行再充电，并且供应负载。此外，当晶体管210打开时，D2通过该变压器的电压被正向偏置。电流流经D2，直至该变压器电压降至零。如上所描述，晶体管210可由控制器212进行控制，这可被配置为实施如本文所描述的反激式转换器200。

如上所述，依照本公开的一个或多个方面，功率转换器的数字控制可被利用。例如，该数字控制可由控制器212提供。控制器212可通过基于许多参数调节功率转换器功能，控制该功率转换器的运行，该许多参数例如是输入电压、输出电压、输出电流、输出功率、输入滤波器阻抗、AC输入的相位角以及将AC电流和AC电压调节为彼此同相或基本同相的其他参数，因为最佳功率因数是在AC电流和AC电压恰好彼此同相时。这些参数(输入电压、输出电压、输出电流、输出功率、输入滤波器阻抗、AC输入的相位角以及其他)中的每个可以被输入至控制器212，从而控制器212可基于这些参数做出决定。

使用输入电压、输入电流、输入功率、输出电压、输出电流、输出功率、输入滤波器阻抗、AC输入的相位角以及其他参数，控制器212可提供功率因数校正和提升的THD。例如，控制器212可通过可配置函数调制占空比控制功率转换器的功能，该可配置函数可考虑输入电压、输入电流、输入功率、输出电压、输出电流、输出功率、输入滤波器阻抗、AC输入的相位角以及其他参数。

在一些示例中，反激式功率转换器200可以是单级功率转换器。在其他示例中，该功率转换器可以是双级功率转换器。反激式功率转换器200可包括开关(比如，晶体管210)，该开关可被控制以实施本公开的一个或多个方面。例如，控制器212可控制晶体管210以实施本公开的一个或多个方面。

在一些示例中，控制器212可被配置为测量第一参数。该第一参数可以是输入电压、输出电压、输出电流、相位角或与该功率转换器的运行相关的其他参数(比如，输入电流、运行温度、频率以及电容)中的一个。控制器212可被配置为确定1/U_RMS/sin(φ)，其可被用于优化输出波纹和增加输出稳定性。相应地，功率转换器200可具有一电路(未示出)以测量输入电压、输入功率、输出电压、输入电流、输出电流、相位角、运行温度、频率、电容或其他参数中的一个或多个。所测得的电容可以是该功率转换器的输入电路(例如，电容器C1)的电容。如本文所使用的，测量第一参数(或第二参数)可包括从控制器212之外的测量设备读取数值、从是控制器212的部分或者在控制器212内部的测量设备读取数值、读取被写入所测得值的存储位置等。

控制器212还可被配置为确定第二参数。在一些示例中，该第二参数可通过测量被确定。相应地，该第二参数可以是输入电压、输入电流、输入功率、输出电压、输出电流、输出功率、相位角、运行温度、频率、电容或与功率转换器的运行相关的其他参数中的一个。因此，确定可包括测量该第二参数，测量该第二参数包括从控制器212之外的测量设备读取数值、从是控制器212的部分或者在控制器212内部的测量设备读取数值、读取被写入所测得值的存储位置等。

参数的确定还可包括例如从存储器读取预定值。相应地，该第二参数例如可以是输入滤波器阻抗的预定值，控制器212可从存储器、寄存器、其他数据存储设备等中读取该预定值。该存储器、寄存器、其他数据存储设备等可在控制器212的内部或在控制器212的外部。

控制器212还可被配置为基于该第一参数和第二参数，通过对开关(例如，晶体管210)的接通时间、开关频率或开关周期的调制，动态地调制占空比。对占空比的调制及其频率可在控制环路、控制环路频率和开关频率之外，并且独立于该控制环路、控制环路频率和开关频率。如上所述，基于该第一参数和第二参数对开关的占空比的动态调制可包括应用该第一参数和第二参数的函数，以确定该占空比。在一些示例中，对于交流输入信号波形，对开关(例如，晶体管210)的占空比的动态调制出现在每个周期。

图3是示出一个桥整流器206的示例的示意图，该桥整流器206可与依照本公开的一个或多个方面的功率转换器一起被使用。图3示出了简化的桥整流器206及其基本设置以及输入EMI滤波器、C1的使用。在图3所示示例中，单电容C1被用于滤波该桥整流器206的输出。其他滤波技术也可被使用。

在图3的所示示例中，AC电源可提供电流I_in。在AC线路半波期间，该电容可存储大量能量。所存储的能量可在该线路电压最高时和在所连接的任何负载最低时是最高的，并且可取决于该电容的大小。对于具有恒定接通时间的反激式功率转换器200(在图3中未示出)，当该线路电压下降至该电容器电压以下，且桥整流器206因此阻断任何输入电流时，所存储的能量通常可被用于提供输出功率。

因此，当该线路电压降至在该电容器电压以下时，该输入电流降至零。一旦该电压再次开始上升，可在输入电流中存在尖峰(spike)，以在该输入电压上升至该电容两端的剩余电压之上时就对该电容器进行充电。在该桥整流器充当阻断时的低电流或零电流和后来的电流尖峰以及电容性行为通常影响系统的功率因数和THD。

对于良好的功率因数，输入电流应当跟随输入电压，如同电阻式负载与功率P一样。(在所示示例中，省略绝对值运算符，所有下面的方程式仅对于单个半波有效)：

$U_{\mathrm{in}}\left(t\right)=U_{\mathrm{RMS}}\sqrt{2}\sin \left(2\mathrm{\πft}\right)$

$I_{\mathrm{in}}\left(t\right)=\frac{P}{U_{\mathrm{RMS}}}\sqrt{2}\sin \left(2\mathrm{\πft}\right)$

为实现输入电压和输入电流之间的该关系，在该桥之后的电容必须根据输入电压被放电和充电。否则，该桥将不会传导电流，并且输入电流将不会降至零。因此，电容器C1处的电压必须是通过该桥的二极管压降来降低的输入电压：

$U_{\mathrm{FB}}\left(t\right)=U_{\mathrm{RMS}}\sqrt{2}\sin \left(2\mathrm{\πft}\right)-2U_D$

进入电容器C1的电流取决于该输入电压的变化：

$I_C\left(t\right)=C\frac{{\mathrm{dU}}_{\mathrm{FB}}}{\mathrm{dt}}=C2\mathrm{\πf}{U}_{\mathrm{RMS}}\sqrt{2}\cos \left(2\mathrm{\πft}\right)$

该功率转换器电流必须对I_in和I_C之间的差异进行补偿：

$I_{\mathrm{FB}}\left(t\right)=I_{\mathrm{in}}\left(t\right)-I_C\left(t\right)=\frac{P}{U_{\mathrm{RMS}}}\sqrt{2}\sin \left(2\mathrm{\πft}\right)-U_{\mathrm{RMS}}C2\mathrm{\πf}\sqrt{2}\cos \left(2\mathrm{\πft}\right)$

因此，该功率转换器的电导可以是：

$G_{\mathrm{FB}}\left(t\right)=\frac{I_{\mathrm{FB}}\left(t\right)}{U_{\mathrm{FB}}\left(t\right)}=\frac{\frac{P}{U_{\mathrm{RMS}}}\sqrt{2}\sin \left(2\mathrm{\πft}\right)-U_{\mathrm{RMS}}C2\mathrm{\πf}\sqrt{2}\cos \left(2\mathrm{\πft}\right)}{U_{\mathrm{RMS}}\sqrt{2}\sin \left(2\mathrm{\πft}\right)-{2U}_D}$

为了简化该方程式，通常假设：U_D<<U_RMS，相应地：

$G_{\mathrm{FB}}\left(t\right)\&ap;\frac{P}{{U_{\mathrm{RMS}}}^2}-\frac{C2\mathrm{\&pi;f}}{\tan \left(2\mathrm{\&pi;ft}\right)}$

现在参考图4和图5，功率因数提升的效果通过对比图4和图5被示出。图4是示出具有恒定接通时间的功率转换器的示例波形的曲线图。该功率转换器具有纯电阻式行为(I_FB)。所产生的输入电流的两种特性可对电源(比如，电力分配网络)具有负面影响，这将相对图4被示出。输入滤波器电流(I_C)和功率转换器电流(I_FB)的叠加是输入电流I_in。如图4所示，I_in具有对输入电压的显著偏移。这可导致较差的功率因数。此外，在桥整流器之后的输入滤波器电容器C1不被放电，因此该输入电流(I_in)降至零，并且该反激式转换器通过该输入滤波器电容器被供应。这导致较差的THD。相应地，如图4所示，对于该图示例，功率因数和THD都较差。

图5是示出依照本公开的一个或多个方面的占空比调制的示例波形的曲线图，该占空比调制使用接通时间的调制。在产生输入电流I_in的程度上被输入滤波器电流(I_C)所补偿的功率转换器电流(I_FB)是与输入电压同步的。换言之，随着输入电压增加，输入电流通常也增加，并且随着输入电压降低，输入电流通常也降低。这导致非常的功率因数。此外，THD稍微被提升。然而，在半波开始时，因为输入电压的急剧增加，输入滤波器必须非常快速地进行充电。反激式功率转换器不能够从次级侧提供该电流，因此该电流必须从输入中被吸取。这导致如通过图5的输入电流波形所示的输入电流中的“角(corner)”(即，尖峰)。一种避免这种情况的方法可以是通过使用能够将电力从输出反转至输入滤波器的功率转换器。另一种解决方案可以是另外的电路，该电路在该半波期间存储一些能量，并且在该半波开始时将其反馈至输入滤波器。

如本文所讨论的，依照本公开的一个或多个方面，功率转换器的接通时间可通过可配置函数被调制，该可配置函数考虑被转移的电力P(即，功率输出)、输入电压U_in、输入阻抗以及该半波的相位角和其他参数。

G_FB(并因此I_FB)不能是负的，因为在此情况下，功率转换器将必须向输入滤波器提供电流。更因为应用限制，G_FB需要在G_(FB,min)和G_(FB,max)时是饱和的。如图5中所示的，这些界限可限制功率因数的提升。

对于瞬时电导(每个符号之后假设(t))：

$\begin{array}{c}{G}_{\mathrm{FB}}=\frac{I_{\mathrm{FB}}}{U_{\mathrm{FB}}}=\frac{t_{\mathrm{on}}{I}_{\mathrm{pp}}}{T_{\mathrm{period}}2}=\frac{t_{\mathrm{on}}{t}_{\mathrm{on}}{U}_{\mathrm{FB}}}{T_{\mathrm{period}}L2}=\frac{t_{\mathrm{on}}{t}_{\mathrm{on}}{U}_{\mathrm{FB}}}{(t_{\mathrm{on}}+\frac{t_{\mathrm{on}}{U}_{\mathrm{FB}}}{n{U}_{\mathrm{out}}}+\frac{T_{\mathrm{osc}}}{2})L2}\\ =t_{\mathrm{on}}\frac{U_{\mathrm{FB}}}{(2+\frac{2U_{\mathrm{FB}}}{n{U}_{\mathrm{out}}}+\frac{T_{\mathrm{osc}}}{t_{\mathrm{on}}})L}\end{array}$

假设t_on>>T_osc：

$t_{\mathrm{on}}\left(t\right)\&ap;(\frac{2L}{U_{\mathrm{FB}}\left(t\right)}+\frac{2L}{n{U}_{\mathrm{out}}})(\frac{P}{{U_{\mathrm{RMS}}}^2}-\frac{C2\mathrm{\&pi;f}}{\tan \left(2\mathrm{\&pi;ft}\right)})$

为了调节输出电流或输出电压，通常开关的接通时间可通过例如PI调节器被调节。该调节器的结果是固定的接通时间t_on，avg：t_on(t)＝t_on，avg×p(t)，

其中：

$p\left(t\right)=1-\frac{{U_{\mathrm{RMS}}}^2}{P}\frac{C2\mathrm{\&pi;f}}{\tan \left(2\mathrm{\&pi;ft}\right)}$

相应地，使用这些函数，在一些示例中，第一参数可包括输入电压、U_RMS或输出电压U_OUT中的一个；并且第二参数可包括输入滤波器的电容C或输入交流电信号的频率f中的一个。

对PFC所产生的示例调制因数p(t)随着输入电压U_RMS、电容C和功率的倒数1/P成比例。对于低输入电压、大功率和小电容，t_on可基本上被固定为平均值，以实现可接受的功率因数。这相当于恒定接通时间的解决方案。

在其他示例中，其他函数可被用于优化其他变量。通常，在一些示例中，当输入电压低时，更多能量可被提供给功率转换器输出，并且当输入电压高时，较少能量可被提供给功率转换器输出。此配置可提供更稳定的输出。更稳定的输出可能不要求在输出处较少滤波。例如，这可减少被用于滤波该输出的滤波电容器所需要的电容。反过来，这可减少成本和减少输出电容器的大小。实施本公开的一个或多个方面的功率转换器以及使用此种功率转换器的电气设备或电子设备通常可减少成本和减少尺寸。

在各种示例中，功率因数、THD、输出稳定性可使用本文所描述的一个或多个方面被提升。一些示例实施可以功率因数为代价优化功率转换器的输出稳定性。换言之，随着功率转换器的输出稳定性上升，功率因数可能不太理想。

在一些示例中，为功率因数对接通时间进行调制还可稍微提升THD。不同接通时间方程式可更好地提升输出稳定性。

在一些示例中，AC/DC电源供应器可结合光发射二极管(LED)照明设备被使用。相应地，这可有利于应用本公开的一个或多个方面，以提供可能便宜的电路，该电路在一些示例中可提供良好的功率因数。LED照明设备可使用许多并联的LED。因此，虽然本公开的一个或多个方面在一些情况下不被单个LED所需要，但是当为LED阵列供电时，该一个或多个方面可以是有用的。此外，在一些情况下，LED照明设备可被变暗。因此，为LED照明设备供电的功率转换器可需要适应于变化的电力需求。通常，更明亮的LED照明设备将需要更多电力，并且更暗的LED照明设备将需要较少电力。一些示例可提供接通时间控制和峰值输出电流控制两者。

图6是示出相对相位角的电导G_FB和对于接通时间t_on(t)的近似实施的示例的曲线图，该近似实施包括最小饱和/最大饱和。

图7是示出相对依照本公开的一个或多个方面的示例实施上的功率因数，输入电压的测量结果的曲线图。功率因数优化曲线和功率因数未优化曲线示出了对于所提出方面在功率因数方面的提升，即，功率因数优化曲线相对于功率因数未优化曲线的提升。图7的所示示例示出了依照本公开的一个或多个方面的优化，包括调制函数p(t)的使用结合另外的输入滤波器硬件的优化。数字核心的使用允许调制函数p(t)的灵活配置。

图8是依照本公开的一个或多个方面，示出一种示例功率转换器的示例运行的流程图。在一些示例中，反激式功率转换器200可以是单级功率转换器。在其他示例中，功率转换器可以是双级功率转换器。反激式功率转换器200可包括开关(比如，晶体管210)，该开关可被控制以实施本公开的一个或多个方面。例如控制器212可控制晶体管210，以实施本公开的一个或多个方面。

如图8中所示，控制器212可被配置为确定第一参数(步骤800)。在一些示例中，确定第一参数可包括测量该第一参数。该第一参数可以是输入电压、输出电压、输出电流、相位角或与该功率转换器的运行相关的其他参数(比如，输入电流、运行温度、频率、电容等)中的一个。相应地，功率转换器可具有电路，以测量该输入电压、输出电压、输入电流、输出电流、相位角、运行温度、频率、电容或其他参数。所测得的电容可以是该功率转换器的输入电路的电容。如本文所用，测量该第一参数(或测量第二参数)包括从控制器212之外的测量设备读取数值、从是控制器212的部分或者在控制器212内部的测量设备读取数值、读取被写入所测得值的存储位置等。

控制器212还可被配置为确定第二参数(步骤802)。在一些示例中，该第二参数可通过测量被确定。相应地，该第二参数可以是输入电压、输出电压、输入电流、输出电流、相位角、运行温度、频率、电容或与功率转换器的运行相关的其他参数中的一个。因此，确定可包括测量该第二参数，测量该第二参数包括从控制器212之外的测量设备读取数值、从是控制器212的部分或者在控制器212内部的测量设备读取数值、读取被写入所测得值的存储位置等。

确定还可包括例如从存储器读取预定值。相应地，例如，该第二参数可以是输入滤波器阻抗的预定值，控制器212可从存储器、寄存器、其他数据存储设备等中读取该预定值。该存储器、寄存器、其他数据存储设备等可在控制器212的内部或在控制器212的外部。

控制器212还可被配置为基于该第一参数和第二参数，通过对开关的接通时间、开关频率或开关周期的调制，动态地调制占空比(步骤804)。对占空比的调制及其频率可在控制环路、控制环路频率和开关频率之外，并且独立于该控制环路、控制环路频率和开关频率。如上所述，基于该第一参数和第二参数对开关的占空比的动态调制可包括应用该第一参数和第二参数的函数，以确定该占空比。在一些示例中，对于输入的交流电波形，对开关(例如，晶体管210)的占空比的动态调制出现在每个周期。

图9是依照本公开的一个或多个方面示出一种示例功率转换器的示例运行的流程图。图9示出了两个特定参数的更详细示例，该两个参数可被测得以实施本公开的一个或多个方面。

如图9所示，控制器212可被配置为确定输入电压(步骤900)。相应地，实施本公开的一个或多个方面的功率转换器可具有测量该输入电压的电路。该输入电压可通过控制器212被直接测得，如果控制器212包括用于执行此测量的电路。相应地，读取电压测量值可包括读取是控制器212的部分或者在控制器212内部的测量设备。在一些示例中，测量该输入电压可包括从在控制器212外部的测量设备读取电压测量值。在一些示例中，测量该输入电压可包括读取被写入测得值的存储器位置。

控制器212还可被配置为确定电容值(步骤902)。该电容值可以是构成该功率转换器的电压输入上的滤波器的电容器的电容值。在一些示例中，该电容值可通过从例如存储器中读取预定值被确定。例如，已知电容器值可被用于输入电容，并且该值的表示可被存储在存储器位置中，从而其可通过控制器212被读取。控制器212可从存储器、寄存器、其他数据存储设备等中读取，以确定该电容值(例如，在表示电容值的位置中所存储的值)。该存储器、寄存器、其他数据存储设备可在控制器212内部或在控制器212的外部。

控制器212还可被配置为基于该输入电压和该电容值，通过对接通时间、开关频率或开关周期的调制，动态地调制占空比(步骤904)。例如，对该开关的占空比的动态调制基于应用该输入电压和该电容的函数，以确定该占空比。在一些示例中，上文所讨论的方程式：t_on(t)＝t_on，avg×p(t)，(其中：)，可被用来调制接通时间。在该方程式中，t_on(t)是输入电压、U_RMS、和输入滤波器的电容C的函数。在方程式中，t_on(t)是功率P、输入频率f和平均接通时间t_on,avg的函数，该平均接通时间由独立控制环路所确定。相应地，控制器212还可确定这些值。

图10是依照本公开的一个或多个方面示出一种示例功率转换器的示例运行的流程图。如上所述，控制器212可基于许多参数通过调节功率转换器功能，控制该功率转换器的运行，该许多参数例如是输入电压、输出电压、输出电流、输出功率、输入滤波器阻抗、AC输入的相位角以及将AC电流和AC电压调节为彼此同相或彼此基本同相的其他参数，因为最佳功率因数是在AC电流和AC电压恰好彼此同相时。

确定第一参数和第二参数，该第一参数和第二参数中的每个可包括输入电压、输出电压、输出电流、输出功率、输入滤波器阻抗、AC输入的相位角、输入滤波器阻抗的预定值或其他参数中的至少一个(步骤1000)。

基于该第一参数和第二参数，通过电阻器，将变压器208的初级线圈连接在输入电压源和接地之间(步骤1002)。例如，在一些情况下，该第一参数和第二参数的函数可被用于确定何时执行该连接。

在一些示例中，该输入电压源和接地之间通过变压器208的初级线圈和电阻器的连接可被形成，从而变压器208中的初级电流和磁通量增加，在变压器208中存储能量。在次级线圈中所产生的电压V_SECONDARY将会是负的，因此二极管D1被反向偏置。相应地，在此状态期间，输出电容器或电池可向该输出供应能量。此外，当晶体管210被闭合时，D2被反向偏置，并且电流并不流经二极管D2。

基于该第一参数和第二参数，断开变压器的初级线圈在输入电压和接地之间(通过电阻器)的连接(步骤1004)。例如，在一些情况下，该第一参数和第二参数的函数可被用于确定何时执行该断开连接。

如果晶体管210被使用，当晶体管210通过R2被打开(例如，使用控制器212的输出)，初级电流和磁通量下降。次级电压V_SECONDARY是正的，正向偏置该二极管，允许电流从该变压器流出。来自该变压器芯的能量对该输出电容器或电池进行再充电，并且供应负载。此外，当晶体管210打开时，D2被反向偏置，并且电流并不流经二极管D2。

本公开的技术可在各种各样的设备或装置中被实施，包括集成电路(IC)或IC组(例如，芯片组)。各种部件、模块或单元在本公开被描述，以强调设备被配置为执行所公开的技术的功能性方面，但并不一定要求通过不同的硬件单元来实现。当然，如上面所描述的，各种单元可被结合在硬件单元中，或者通过一些可互操作的硬件单元(包括如上描述的一个或多个处理器)连同合适的软件和/或固件来提供。

各种示例已进行描述。该示例和其他示例均在下面的权利要求范围之内。

Claims (20)

1.一种功率转换器，包括：

开关；以及

控制器，其被配置为：

确定至少一个第一参数；

确定至少一个第二参数；

基于至少所述第一参数和所述第二参数并且独立于控制环路，使用脉冲宽度调制、脉冲持续时间调制或脉冲密度调制中的一种或多种动态地调制所述开关的占空比。

2.如权利要求1所述的功率转换器，其中所述功率转换器包括单级功率转换器，并且所述单级功率转换器被耦接至发光二极管(LED)。

3.如权利要求1所述的功率转换器，其中以交流输入信号波形为基础，所述动态地调制所述开关的所述占空比发生在每个周期，所述交流输入信号波形具有独立于所述控制环路而被控制的频率。

4.如权利要求1所述的功率转换器，其中所述第一参数通过测量被确定，并且所述第一参数包括输入电压、输出电压、输出电流、输入功率、输出功率和相位角中的一个。

5.如权利要求1所述的功率转换器，其中所述第二参数包括输入滤波器阻抗的预定值，并且所述第二参数通过从存储器中读取所述预定值被确定。

6.如权利要求1所述的功率转换器，其中所述第二参数通过测量被确定。

7.如权利要求1所述的功率转换器，其中基于所述第一参数和所述第二参数动态地调制所述开关的所述占空比进一步包括应用所述第一参数和所述第二参数的函数以确定所述占空比。

8.如权利要求7所述的功率转换器，其中输入滤波器电容、所述占空比的输出电压调制、所述占空比的输出电流调制、所述占空比的输出功率调制、所述占空比的输入电压调制中的一个或多个取决于如下占空比调制：

为增加输入滤波器电容，所述占空比的所述调制被增加，为减少输入滤波器电容，所述占空比的所述调制被减少；

为增加输出电压，所述占空比的所述调制被减少，为减少输出电压，所述占空比的所述调制被增加；

为增加输出电流，所述占空比的所述调制被减少，为减少输出电流，所述占空比的所述调制被增加；

为增加输出功率，所述占空比的所述调制被减少，为减少输出功率，所述占空比的所述调制被增加；或者

为增加输入电压，所述占空比的所述调制被增加，为减少输入电压，所述占空比的所述调制被减少。

9.一种方法，包括：

确定至少一个第一参数；

确定至少一个第二参数；以及

基于至少所述第一参数和所述第二参数并且独立于控制环路，使用脉冲宽度调制、脉冲持续时间调制或脉冲密度调制中的一种或多种动态地调制开关的占空比，所述开关控制功率转换器。

10.如权利要求9所述的方法，其中以交流输入信号波形为基础，动态地调制所述开关的所述占空比发生在每个周期，所述交流输入信号波形具有独立于所述控制环路而被控制的频率。

11.如权利要求9所述的方法，其中所述第一参数通过测量被确定，并且所述第一参数包括输入电压、输入电流、输入功率、输出电压、输出电流、输出功率和相位角中的一个。

12.如权利要求9所述的方法，其中所述第二参数包括输入滤波器阻抗的预定值，并且所述第二参数通过从存储器中读取所述预定值被确定。

13.如权利要求9所述的方法，其中所述第二参数通过测量被确定。

14.如权利要求9所述的方法，其中基于所述第一参数和所述第二参数动态地调制所述开关的所述占空比进一步包括应用所述第一参数和所述第二参数的函数以确定所述占空比。

15.一种功率转换器包括：

用于开关的装置；

用于确定至少一个第一参数的装置；

用于确定至少一个第二参数的装置；以及

用于独立于控制环路，基于至少所述第一参数和所述第二参数，动态地调制所述用于开关的装置的占空比的装置。

16.如权利要求15所述的功率转换器，其中所述用于开关的装置包括晶体管。

17.如权利要求15所述的功率转换器，其中所述功率转换器包括单级功率转换器。

18.如权利要求15所述的功率转换器，其中所述用于动态地调制所述用于开关的装置的所述占空比的装置在每个周期以交流输入信号波形的至少一些周期为基础调制所述开关的接通时间、开关频率或开关周期，所述交流信号波形具有能独立于所述控制环路的频率。

19.如权利要求15所述的功率转换器，其中所述第一参数通过测量被确定，并且所述第一参数包括输入电压、输入电流、输入功率、输出电压、输出电流、输出功率和相位角中的一个。

20.如权利要求15所述的功率转换器，其中所述第二参数包括输入滤波器阻抗的预定值，并且其中所述第二参数通过从数据存储装置中读取所述预定值被确定。