CN107005153B

CN107005153B - 响应于ac线失真的电路操作的调整

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Publication number: CN107005153B
Application number: CN201580066447.1A
Authority: CN
Inventors: M·索亚雷斯; M·B·纽斯鲍姆; J·T·默索巴
Original assignee: Bose Corp
Current assignee: Bose Corp
Priority date: 2014-10-22
Filing date: 2015-10-20
Publication date: 2019-06-04
Anticipated expiration: 2035-10-20
Also published as: EP3210031A1; US20160118897A1; CN107005153A; US9595872B2; WO2016064876A1

Abstract

一种用于控制电路的示例方法，可以包括：确定电路中的输入信号，输入信号包括失真；确定输入信号的基波分量；使用输入信号和基波分量确定输入信号的误差；使用误差确定失真度量；以及根据失真度量控制电路。

Description

响应于AC线失真的电路操作的调整

技术领域

本公开一般涉及响应于AC线失真的电路操作的调整。

背景技术

各种类型的电源(也被称为功率转换器)提供来自正弦(例如，AC或“交流”)输入电压(例如，来自AC干线电源)的近似恒定的(例如，DC或“直流”)输出电压，从而提供AC-DC转换(也被称为“整流”)。其他类型的电源提供AC-AC转换、DC-DC转换、或DC-AC转换(也被称为“逆变”)。一些电源包括多级，其可以包括转换器的不同类型的组合，例如DC-AC电源中的DC-DC转换级。提供DC电压的转换级可以使用稳压器以维持近似恒定值的DC电压。线性电源使用线性稳压器、并且开关式(或“开关”)电源使用开关稳压器，其在打开和关闭状态间转换以调节功率传递并且维持DC电压。

对于功率转换器操作，输入电压中的失真可以引起特别的关注。

发明内容

一方面，用于控制电路的示例方法通常可以包括：确定电路中的输入信号，输入信号包括失真；确定输入信号的基波分量；使用输入信号和基波分量确定输入信号的误差；使用误差确定失真度量；以及根据失真度量控制电路。

方面可以包括下列特征的一个或多个。输入信号可以是交流电压。

确定输入信号可以包括对输入信号进行采样。确定基波分量可以包括使输入信号通过数字带通滤波器。

确定误差可以包括确定输入信号和基波分量之间的差异。

确定失真度量可以包括对误差进行滤波以产生经滤波的误差；确定经滤波的误差的绝对值的峰值；对绝对值的峰值进行滤波以产生绝对值的经滤波的峰值，以及通过预先定义的最小值和预先定义的最大值中的至少一个来约束绝对值的经滤波的峰值。

确定失真度量可以包括对误差进行滤波以产生经滤波的误差；确定经滤波的误差的绝对值的峰值；对绝对值峰值进行滤波以产生绝对值的经滤波的峰值；相对于输入信号，归一化绝对值的经滤波的峰值；以及通过预先定义的最小值和预先定义的最大值中的至少一个来约束绝对值的经归一化的经滤波的峰值。归一化绝对值的经滤波的峰值可以包括用输入信号的峰值除以绝对值的经滤波的峰值。

根据失真度量控制电路可以包括：动态地确定阈值，其中阈值是失真度量的函数；以及当经整流的输入信号越过阈值时切换电路的一个或多个开关。

一个或多个开关可以是开关式电源的一部分。开关式电源可以是使用具有峰值电流模式控制的零电压开关的升压转换器。

一方面，示例电路通常包括：电压源，配置为产生到电路的交流输入电压；控制模块，配置为确定交流电压中的失真量；基于失真量确定阈值电压；以及当经整流的输入信号的电压下降到阈值电压以下时切换电路的一个或多个开关；连接到电压源的数字带通滤波器，以产生交流电压的基波分量；连接到电压源和数字带通滤波器的减法器，以产生交流电压和基波分量之间的差异；连接到减法器的第一低通滤波器，以产生经滤波的差异；连接到第一低通滤波器的峰值检测器，以产生经滤波的差异的绝对值峰值；连接到峰值检测器的第二低通滤波器，以产生绝对值的经滤波的峰值；连接到第二低通滤波器的除法器设备，以产生经归一化的绝对值的经滤波的峰值；连接到除法器设备的缩放设备，以产生失真度量，其中根据失真度量动态地修改阈值电压。

本文描述的所有示例和特征，包括发明内容部分，可以以任何技术上可行的方式进行结合以组成本文没有明确描述的实现。

在下面的附图和描述中阐明一个或多个实现的细节。根据描述和附图、以及根据权利要求，其他特征、对象、和优点将是明显的。

附图说明

图1示出了功率转换器的示例电路图。

图2示出了示例曲线图。

图3示出了理想正弦波形、失真正弦波形(即具有失真的正弦曲线)、和恒定的阈值电压的示例示意图。

图4示出了用于动态地确定阈值电压的示例方法。

图5示出了用于动态地确定阈值电压的示例框图。

图6示出了动态地确定阈值电压的示例示意图。

图7示出了理想正弦波形、失真的正弦波形和动态地确定的阈值电压的示例示意图。

自始至终，相同的附图标记表示相应的部件和/或部分。

具体实现方式

开关式电源(“SMPS”)可以被归类为具有不同类型的电路拓扑。例如，一些拓扑包括具有部件的某些布置的一个或多个级，这些部件执行特定的功能(例如降压、升压、或降压-升压级)。一些“隔离的”电路拓扑使用变压器以防止某些电流在电源的隔离的级之间流动来提供“隔离”。可以被配置为提供隔离的不同的电路拓扑的示例包括，但不限于：全桥、半桥、以及推挽式电路。这些电路拓扑对应于开关的不同布置，并且可以用于隔离式或非隔离式电源。可以被配置为提供隔离的电路拓扑的另一示例是反激，其是指使用变压器的特定的方法。例如，反激式转换器拓扑可以包括具有作为变压器的分离电感器的降压-升压DC到DC转换器拓扑(例如转换器拓扑，其中输出电压幅度大于或小于输入电压幅度)。某些类别的电源可以由其电路拓扑的某些特定的特征识别。例如，直接从AC干线源操作的电源(开关式或线性)被称为“离线”电源。

一些电源电路使用功率因数校正(PFC)来增加电路的“功率因数”，功率因数可以被定义为总“有功功率”(从源汲取的真实功率)与从源汲取的总“视在功率”(基于在输出处的真实功率与无效功率的矢量和)的比率。增加功率因数减小上游功率分布系统中发生的损耗。在一些情况中，具有PFC功能的电源包括两级：被控制作为PFC级的前端升压转换器，以及作为第二级的隔离的DC/DC转换器。一些两级转换器具有若干积极的属性，包括对于给定的输出功率的减小的总开关均方根(RMS)电流，但是两级转换器倾向于需要显著的复杂性，其具有很多半导体开关和无源部件(例如电感器和电容器)。对于一些应用，提供大峰值功率的能力是有用的。例如用于音频应用的电源，通常需要提供平均功率的至少3倍的峰值功率。在这些情况下，除最大输出处的RMS电流之外的其他属性可以主导电源的经济性和可取性。

一些开关式电源利用零电压开关(“ZVS”)，其中当开关的漏极电压近似是0伏特时控制器切换转换器开关。零电压开关可以帮助减少开关转换期间的功率消耗并且可以提高一系列拓扑的效率。

图1示出了具有电流馈电推挽拓扑的示例转换器。该转换器与共同未决的名称为"管理电源中的漏电感"并且于2013年5月10日提交的、第13/891,503号美国申请中的图2所示和描述的转换器相似，其整体内容通过引用并入本文。

图1中示出的示例电流馈电推挽转换器可以适于利用具有峰值电流模式控制的零电压开关。从当两个开关S1和S2闭合时开始，通过使用具有峰值电流模式控制的ZVS来执行的步骤的示例是：步骤1：检测通过电感器110的电流何时增加到大于规定的电流；步骤2：断开开关S1；步骤3：检测S1两端的电压何时降到低于规定的电压；步骤4：闭合开关S1；步骤5：检测通过电感器110的电流何时增加到大于规定的电流；步骤6：断开开关S2；步骤7：检测S2两端的电压何时降到低于规定的电压；步骤8：闭合开关S2；从步骤1重复。在这一方面，以及在文献中常见的，术语“峰值电流模式控制”是指凭借在比较峰值电感器电压增加到大于规定的电流基准确定的瞬间断开开关，使峰值电感器电流跟随规定的电流基准的方法。由于该转换器的电流馈电特性，开关的一个保持闭合，而另一开关则循环通过其断开-闭合转换。

在一些实现中，仅当经整流的AC线电压在任何时刻都保持大于最小阈值V_{ac_OnOff_Min}时，才可以实现零电压开关峰值电流模式控制。也就是说，当经整流的AC线电压降到低于V_{ac_OnOff_Min}时，转换器可能停止(并且断开两个开关)。在正弦整流AC输入电压不具有失真的情况下，略低于V_{ac_OnOff_Min}的电压对应于大约过零的相位角(θ_min)，可以被表示为：

其中V_{ac_pk}表示峰值整流AC线电压。相位角θ_min可以表示过零点线周围的“不活跃区”，其中不能实现ZVS开关并且两个开关保持断开。

当AC线电压很小时，开关(例如S2)两端的电压可以变得很小以致无法被检测，并且该开关可能保持卡在断开状态(例如步骤6之后)。这可能导致不正确的开关模式和/或错误的停止。例如，错误的停止可以由超时故障条件或过载电流硬件跳闸引起，通知控制器在θ_min之前断开两个开关。

例如，当预期事件不存在时超时故障条件可以发生。例如，在开关(例如，S2)断开后(例如步骤6之后)，控制器无法检测开关两端的电压，可以引起超时故障条件。在一些实现中，超时持续时间可以被设置为近似67微秒，以允许高于20kHz的开关频率的正常转换器操作。但是在超时发生之前，通过另一开关(例如S1)的瞬态电流可以变得足够大以触发过载电流硬件跳闸。例如，如图2所示，当AC线电压在由失真引起的降落后反弹回到高电压水平时，可以通过S1产生大的瞬态电流。过载电流硬件跳闸可以使得转换器完全停止工作。

图3示出了理想正弦波形301、失真正弦波形302(即具有失真的正弦曲线)、以及阈值电压V_{ac_OnOff_Min}303的示例示意图300。如图3所示，AC线电压中的失真在时间310处导致错误的停止。

当在AC线电压中存在太多的失真时，在错误的停止发生前可能期望安排预防性停止。在预防性停止之后，在接下来的半周期中可以做出重新开始的尝试。

回想一下，当经整流的AC线电压降到低于V_{ac_OnOff_Min}时示例转换器停止(并且断开两个开关)。在一些实现中，可以通过动态地确定作为所检测的线失真的函数的阈值电压V_{ac_OnOff_Min}来实现预防性停止。例如，控制器可以随着失真量增加而增加V_{ac_OnOff_Min}的值和/或随着失真量减少而减少V_{ac_OnOff_Min}的值。进一步，在一些实现中，V_{ac_OnOff_Min}的值可以由被分别地表示为V_{ac_OnOff_Min_Lo}和V_{ac_OnOff_Min_Hi}的最小和最大值来约束。

图4示出了用于动态地确定作为线失真的函数的阈值电压(例如V_{ac_OnOff_Min})的示例方法400。图5使用框图500示出了示例方法400的示例实现。

在示例操作401中，可以确定AC线电压501(V_ac)。例如，可以通过对AC线电压进行采样确定AC线电压。

在示例操作402中，可以确定AC线电压(V_ac)501的基波分量V_{ac_BPF}(例如，最低频率分量)。例如，通过将AC线电压(V_ac)输入到数字带通滤波器(“BPF”)502中可以确定V_{ac_BPF}。在一些情况中，将数字BPF置于线频率的中心，促进噪声抑制并且可以引起小的相位延迟/提前。

在示例操作403中，可以确定所采样的AC线电压的误差(V_{ac_err})。例如，使用减法器503确定V_ac和V_{ac_BPF}之间的差异从而确定V_{ac_err}。

在示例操作404中，可以确定失真度量。例如，可以通过处理V_{ac_er}确定失真度量。在一些实现中，处理V_{ac_err}包括多个操作。例如，在一个实现中，可以首先将V_{ac_err}输入到低通滤波器504中以减小由主转换器开关的操作引起的开关噪声和振铃，从而产生V_{ac_err_IPF.}。然后，可以确定V_{ac_err_IPF.}的绝对值的峰值并且将其输入到第二低通滤波器506以移除误差的AC分量，从而产生V_{ac_err_abs_IPF.}。V_{ac_err_abs_IPF.}的值表示示例失真度量。低通滤波器504和低通滤波器506的示例截止频率分别是800Hz和200Hz，然而可以使用其他截止频率，。

在示例操作405中，可以归一化失真度量。例如，可以通过除法器框507用V_{ac_err_abs_IPF}除以AC峰值电压V_{ac_pk}来获得归一化的失真度量(例如V_{ac_err_abs_pu})。归一化失真度量使其独立于AC线电压水平。

在示例操作406中，可以确定V_{ac_OnOff_Min}的新值509。例如，可以通过将V_{ac_err_abs_pu}输入到缩放框508来确定V_{ac_OnOff_Min}。图6示出了根据V_{ac_err_abs_pu}缩放V_{ac_OnOff_Min}的示例示意图。如图6所示，V_{ac_OnOff_Min}可以随着归一化失真度量V_{ac_err_abs_pu}的增加而增加。进一步，V_{ac_OnOff_Min}的值可以被V_{ac_OnOff_Min_Lo}601和V_{ac_OnOff_Min_Hi}602约束。图6中所示的V_{ac_OnOff_Min}的缩放，以及V_{ac_OnOff_Min_Lo}和V_{ac_OnOff_Min_Hi}的值不是限制性的，并且对于不同的电路可以是不同的。

与BPF相关联的带宽可以代表(a)快速瞬态检测和(b)瞬态结束后BPF的输出的缓慢稳定时间之间的折衷。如果BPF的带宽相对窄，可以有相对快的瞬态检测，这是因为BPF的输出具有较少的失真并且瞬态检测基于未滤波的AC线电压和BPF的输出之间的差。然而，瞬态结束后BPF可能会很慢地调整到新的AC线特征，潜在地指示存在在过去失效的瞬态事件。例如，如果AC线振幅立即减小并且保持减小，则BPF可能不准确地指示在瞬态结束后的一段时间存在瞬态事件。相反地，如果BPF的带宽相对宽，则可能会有相对慢的瞬态检测，然而BPF的输出具有相对快的稳定时间。带通滤波器的一个示例是锁相环。BPF502的示例截止频率是f_{bpf_c1}＝14Hz和f_{bpf_c2}＝212Hz，然而可以使用其他截止频率。

图7示出了理想正弦波形301、失真的正弦波形302(即具有失真的正弦曲线)、以及动态确定的阈值电压V_{ac_OnOff_Min}703的示例示意图700。如图7所示，V_{ac_OnOff_Min}响应于线失真在整个周期内变化，而不是在整个AC线周期保持恒定。例如，从恰好148ms之后到几乎154ms的时间，V_{ac_OnOff_Min}响应于AC线失真中的增加(如通过失真的正弦波形302示出)而增加。因此，假设使用与图1中相同的基础转换器拓扑，控制器将在时间710处命令转换器预防性停止(即，转换器将会关闭)。在没有预防性停止的情况下，转换器可能在之后的时间停止，并且很可能经历不正确的零电压开关模式，触发过载电流硬件跳闸。

例如，当可以进行重新启动操作的尝试时，预防性停止可以关闭转换器直到恰好下一AC半周期。重新启动可以延迟直到在下一AC半周期的θ_min之后(并且在经整流的AC线电压增加到大于V_{ac_OnOff_Min}之后)，以防止转换器在AC电压期间操作，非单调增长并且导致当前的不正常行为。在一些实现中，如果归一化的失真度量被确定是相对高的(即，失真的水平是相对高的)，则重新启动可能延迟额外的半周期或更长时间。在一些实现中，重新启动可能延迟直到不能容忍跳过更多的周期，并且故障条件被确定。

在上面的示例中，没有动态地确定θ_min。在其他实现中，动态地确定θ_min。例如，θ_min可以动态地确定为线失真的函数。

如在开关式电源的上下文中应用的本文所公开的系统和方法的不同实现的整体设计和操作的各种优点包括降低的成本和增强的性能。此外，通过将电流传导约束到每个AC半周期内的更加保守的区域，转换器可以保持更长的操作，或当插入包含高谐波水平的电压源时可以运行，例如源于连接到便携式柴油引擎发电机的六步或多级逆变器的滤波不足的输出。

下面描述的技术可以应用在具有或接收交流信号的各种设备和系统中的任何一个。因此，本文公开的方法还可以被应用在除开关式电源之外的的电路中。例如，这些方法还可以被应用在逆变器电路或放大器电路中。

虽然附图的若干视图的元件可以在框图中被示出和描述为离散元件，并且可以被称为“电路”，除非另有说明，这些元件可以被实现为模拟电路、数字电路或执行软件指令的一个或多个微处理器中的一个或其组合。软件指令可以包括数字信号处理(DSP)指令。操作可以由模拟电路或执行实施与模拟操作等效的数学或逻辑的软件的微处理器来进行。除非另有说明，否则信号线可以被实现为离散的模拟或数字信号线，作为具有适当的信号处理以处理单独的音频信号流的单个离散数字信号线，或者作为无线通信系统的元件。可以在框图中描述一些处理。在每个块中进行的活动可以由一个元件或由多个元件进行，并且可以在时间上分离。进行块的活动的元件可以在物理上分离。一个元件可以进行多于一个块的活动。除非另有说明，音频信号可以以数字或模拟形式编码及传输；附图中可能没有示出常规的数模转换器或模数转换器。

本文使用的和/或描述的任何“电连接”可能意指直接的物理连接或包括介于中间的部件的连接，但是仍然允许电信号(包括无线信号)在连接的部件间流动。除非另有说明，否则涉及本文提到的和/或描述的电气电路的任何“连接”是电连接而不一定是直接的物理连接，不管词“电”是否用于修饰“连接”。

可以使用多个离散元件组合成一个提供期望的功能的元件来实现一些元件。本文描述的不同实现的元件可以组合以形成上面没有具体阐述的其他示例。元件可以从本文所述的结构中省略而不会不利地影响它们的操作。此外，各种单独的元件可以组合成一个或多个单独的元件以执行本文所述的功能。例如，低通滤波器可以被配置为使足够高的频率通过的带通滤波器替换。作为另一示例，可以使用低通滤波器在减法器503之前对AC线电压501进行滤波，以便减小由主转换器开关的操作引起的开关噪声和振铃。在一些实现中，可以使用该低通滤波器代替低通滤波器504。作为另一示例，带通滤波器502可以通过使用滤波器的反馈布置结合与减法器503相关联的功能，并且还可以通过使用带通滤波器的多级(级联)布置或滤波器的嵌套环路反馈布置结合与低通滤波器504相关联的功能。

已经描述了多种实现方式。然而，应当理解，在不脱离本文所描述的发明构思的范围的情况下，可以进行额外的修改，相应的，其他示例在所附权利要求的范围内。

本文描述的系统和技术，或其一部分，可以实施为包括储存在一个或多个非暂态的机器可读的存储媒介上并且可在一个或多个处理设备上执行的指令的计算机程序产品。本文描述的系统和技术，或其一部分，可以实施为可能包括一个或多个处理设备和存储可执行的指令的存储器的装置、方法或电子系统，以实施所述操作。例如，本领域技术人员应当理解，任何计算机实施的步骤可以在计算机可读介质、诸如举例而言是软盘、硬盘、光盘、闪存ROMS、非易失性ROM和RAM上被存储为计算机可执行指令。另外，本领域技术人员应当理解可以在多种处理器、诸如举例而言是微处理器、数字信号处理器、门阵列等上执行计算机可执行指令。为了易于说明，本文中没有将上述系统和方法的每个步骤或者单元描述为计算机系统的部分，但是本领域技术人员将认识到每个步骤或者单元可以具有对应的计算机系统或者软件部件。

Claims

1.一种用于控制电路的方法，包括：

确定电路中的输入信号，所述输入信号包括失真；

确定所述输入信号的基波分量；

使用所述输入信号和所述基波分量来确定所述输入信号的误差；

使用所述误差确定失真度量；以及

根据所述失真度量来控制电路；

其中确定所述失真度量包括：

对所述误差进行滤波以产生经滤波的误差；

确定所述经滤波的误差的绝对值的峰值；以及

对所述绝对值的所述峰值进行滤波以产生所述绝对值的经滤波的峰值。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述输入信号是交流电压。

3.根据权利要求1所述的方法，其中：

确定所述输入信号包括对所述输入信号进行采样；以及

确定所述基波分量包括使所述输入信号通过数字带通滤波器。

4.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述误差包括确定所述输入信号和所述基波分量之间的差异。

5.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述失真度量进一步包括：通过预先确定的最小值和预先确定的最大值中的至少一个，来约束所述绝对值的所述经滤波的峰值。

6.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述失真度量进一步包括：相对于所述输入信号归一化所述绝对值的所述经滤波的峰值。

7.根据权利要求6所述的方法，其中归一化所述绝对值的所述经滤波的峰值包括：用所述绝对值的所述经滤波的峰值除以所述输入信号的峰值。

8.根据权利要求7所述的方法，其中确定所述失真度量进一步包括：通过预先确定的最小值和预先确定的最大值中的至少一个，来约束所述绝对值的经归一化的所述经滤波的峰值。

9.根据权利要求1所述的方法，其中根据所述失真度量控制所述电路包括：

动态地确定阈值，其中所述阈值是所述失真度量的函数；以及

当经整流的输入信号越过所述阈值时切换所述电路的一个或多个开关。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述一个或多个开关是开关式电源的一部分。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述开关式电源是被配置为利用具有峰值电流模式控制的零电压开关的升压转换器。

12.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述输入信号是交流电压；

确定所述输入信号包括对所述输入信号进行采样；

确定所述基波分量包括使所述输入信号通过数字带通滤波器；

确定所述误差包括确定所述输入信号和所述基波分量之间的差异；

确定所述失真度量包括：对所述误差进行滤波以产生经滤波的误差；确定所述经滤波的误差的绝对值的峰值；对所述绝对值的所述峰值进行滤波以产生所述绝对值的经滤波的峰值；以及相对于所述输入信号，归一化所述绝对值的所述经滤波的峰值；以及

根据所述失真度量控制所述电路包括：动态地确定阈值，其中所述阈值是所述失真度量的函数；以及当经整流的输入信号越过所述阈值时切换所述电路的一个或多个开关。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述一个或多个开关是开关式电源的一部分。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述开关式电源是使用零电压开关的升压转换器。

15.一种用于控制电路的方法，所述方法包括：

确定到所述电路的输入电压中的失真量；

基于所述失真量动态地修改阈值电压；以及

当经整流的输入电压越过所述阈值电压时，切换所述电路的一个或多个开关。

16.一种电路，所述电路包括：

电压源，被配置为产生到所述电路的交流输入电压；以及

控制模块，被配置为确定所述交流电压中的失真量；基于所述失真量确定阈值电压；以及当经整流的输入信号的电压降低到所述阈值电压以下时切换所述电路的一个或多个开关。

17.根据权利要求16所述的电路，所述电路进一步包括：

连接到所述电压源的数字带通滤波器，以产生所述交流电压的基波分量；

连接到所述电压源和所述数字带通滤波器的减法器，以产生所述交流电压和所述基波分量之间的差异；

连接到所述减法器的第一低通滤波器，以产生经滤波的差异；

连接到所述第一低通滤波器的峰值检测器，以产生所述经滤波的差异的绝对值的峰值；

连接到所述峰值检测器的第二低通滤波器，以产生失真度量，其中所述阈值电压根据所述失真度量被动态地修改。

18.根据权利要求16所述的电路，进一步包括：

连接到所述峰值检测器的第二低通滤波器，以产生所述绝对值的经滤波的峰值；

连接到所述第二低通滤波器的除法器设备，以产生所述绝对值的经归一化的经滤波的峰值，以产生失真度量，其中所述阈值电压根据所述失真度量被动态地修改。

19.根据权利要求16所述的电路，进一步包括：

连接到所述第二低通滤波器的除法器设备，以产生所述绝对值的经归一化的经滤波的峰值，以获取失真度量；

连接到所述除法器设备的缩放设备，以获取阈值电压，其中所述阈值电压根据所述失真度量被动态地修改。