CN108075634B - 用于功率因数校正变换器的控制装置及控制方法 - Google Patents

用于功率因数校正变换器的控制装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于功率因数校正变换器的控制装置及控制方法，用于功率因数校正变换器的控制装置包含PID控制单元、关断时间调节单元、开通时间调节单元及开关频率控制单元；PID控制单元基于功率因数校正变换器的输出电压而输出控制信号Vm；关断时间调节单元基于控制信号Vm而输出功率因数校正变换器的功率开关管的关断时间调节信号；开通时间调节单元基于功率因数校正变换器的输入电压Vin、控制信号Vm以及功率开关管电流采样信号而输出开通时间调节信号；开关频率控制单元基于关断时间调节信号和开通时间调节信号来调节功率开关管的开关频率。

Description

用于功率因数校正变换器的控制装置及控制方法
技术领域
本发明涉及一种用于功率因数校正变换器的控制装置及控制方法，尤其涉及一种能够减少功率因数校正变换器的功率开关管的损耗的控制装置及控制方法。
背景技术
开关电源具有体积小、效率高、功率密度大等优点，已广泛应用于电力系统、工业、交通以及家庭等领域。由此产生的电网侧输入功率因数降低以及谐波污染等问题也日趋严重。与此同时，随着绿色能源的发展，电源的能耗情况得到越来越多的重视，电源作为电气设备的动力源，其工作效率将直接影响电气设备的能耗情况。现有开关电源技术的功率因数校正变换器(PFC)的控制器一般采用电流连续模式(CCM)控制方式，但由于电感电流连续，功率开关管存在开通损耗，在轻载或者待机效率要求较高的应用场合很难满足要求。所以，在轻载和待机情况下，常采用电流断续模式(DCM)控制方式，但现有的DCM控制策略都会随着PFC负载功率降低开关频率升高，如电压跟随型控制和临界电流模式(CrCM)控制等，导致轻载和待机情况下功率开关管驱动损耗大，也难以满足高效率要求。
因此为了降低谐波污染，提高功率因数，同时为了提高电源的工作效率，减小轻载和待机损耗，本发明创新性地提出了一种克服上述缺陷的用于功率因数校正变换器的控制装置及控制方法，其能够在在一个正弦半波内存在DCM和CCM两种模式，并且随着PFC负载功率的降低，DCM所占比例逐渐增大，同时，开关频率也逐渐降低，可以有效减少开通损耗及驱动损耗。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于功率因数校正变换器的控制装置，其中，包含：
PID控制单元，基于所述功率因数校正变换器的输出电压而输出控制信号Vm；
关断时间调节单元，基于所述控制信号Vm而输出所述功率因数校正变换器的功率开关管的关断时间调节信号；
控制单元，基于所述关断时间调节信号来调节所述功率开关管的开关频率周期，从而减小所述功率开关管在轻载或待机情况下的损耗。
上述的控制装置，其中，还包含开通时间调节单元，所述开通时间调节单元基于所述功率因数校正变换器的输入电压Vin和控制信号Vm而产生的内环参考电压控制信号以及功率开关管的采样电压信号而输出一开通时间调节信号；所述控制单元基于所述关断时间调节信号和所述开通时间调节信号来调节所述功率开关管的开关频率周期。
上述的控制装置，其中，所述关断时间调节单元根据以下公式获得所述关断时间调节信号T1：
T1＝Km*(VmMax-Vm)+ToffMin，其中，ToffMin为所述功率开关管的最小关断时间，VmMax为控制信号Vm的最大值，Km为预设的所述关断时间调节单元的调制系数。
上述的控制装置，其中，所述开通时间调节单元包含：
输入电压采样模块，采集所述输入电压Vin的电压峰值信号VinPeak，并基于所述电压峰值信号VinPeak输出正弦峰值信号；
内环参考电压控制信号产生模块，基于所述正弦峰值信号和所述控制信号Vm输出所述内环参考电压控制信号；及
比较模块，将所述内环参考电压控制信号与所述功率开关管的采样电压信号比较后输出所述开通时间调节信号。
上述的控制装置，其中，所述输入电压采样模块包含：
二个极管Dac，所述二个极管Dac的阳极分别耦接于所述功率因数校正变换器的电压源的两端，所述二个极管Dac采集所述电压峰值信号VinPeak的正半波正弦峰值信号|VinPeak*sinθ|，θ为输入电压的相角；
多个第一分压电阻Rac，所述多个第一分压电阻Rac串联连接后的第一端耦接于所述二个极管Dac的阴极，所述多个第一分压电阻Rac串联连接后的第二端耦接于地，所述正半波正弦峰值信号|VinPeak*sinθ|经所述多个第一分压电阻Rac分压后获得电压控制信号|Kac*VinPeak*sinθ|，Kac为所述多个第一分压电阻Rac的分压比；及
第一模数转换器，其一端耦接于所述第二端，所述第一模数转换器的另一端耦接于所述内环参考电压控制信号产生模块，所述电压控制信号|Kac*VinPeak*sinθ|经所述第一模数转换器输出至所述内环参考电压控制信号产生模块。
上述的控制装置，其中，所述内环参考电压控制信号产生模块包含：
输入电压峰值的平方值计算器，基于所述电压峰值信号VinPeak输出电压峰值平方信号VinPeak 2；
除法器，基于所述电压峰值平方信号VinPeak 2和所述电压控制信号|Kac*VinPeak*sinθ|输出正弦参考控制信号|Kac*sinθ|/VinPeak；及
乘法器，基于所述正弦参考控制信号|Kac*sinθ|/VinPeak和所述控制信号Vm而输出所述内环参考电压控制信号|Vm*Kac*sinθ|/VinPeak至所述比较模块。
上述的控制装置，其中，所述开通时间调节单元还包含功率开关管电压信号采集模块，采集所述功率开关管的采样电压信号并输出至所述比较模块。
上述的控制装置，其中，所述功率因数校正变换器包含输出滤波电容Cbulk，所述PID控制单元基于所述输出滤波电容Cbulk两端的电压信号而输出所述控制信号Vm。
上述的控制装置，其中，所述PID控制单元包含：
输出电压采样模块，采集所述输出滤波电容Cbulk的电压信号Vbulk；
PID模块，基于所述输出滤波电容Cbulk的电压信号Vbulk输出所述控制信号Vm。
上述的控制装置，其中，所述输出电压采样模块包含多个串联连接的第二分压电阻Rbulk，所述多个串联连接的第二分压电阻Rbulk并联于所述输出滤波电容Cbulk的两端，所述输出滤波电容Cbulk的电压信号Vbulk经多个串联连接的第二分压电阻Rbulk分压后获得分压控制信号Kbulk*Vbulk，为Kbulk多个串联连接的第二分压电阻Rbulk的分压比。
上述的控制装置，其中，所述PID模块包含：
第二模数转换器，其一端耦接于所述多个串联连接的第二分压电阻Rbulk的任意相邻二者之间的连接通路上，所述第二模数转换器接收输出所述分压控制信号Kbulk*Vbulk；
减法器，基于所述分压控制信号Kbulk*Vbulk和基准电压信号Vref输出参考控制电压信号；
PID控制器，基于所述参考控制电压信号输出所述控制信号Vm。
本发明还提供一种用于功率因数校正变换器的控制方法，其中，包含：
PID控制信号产生步骤：用于功率因数校正变换器的控制装置的PID控制单元基于所述功率因数校正变换器的输出电压而输出控制信号Vm；
关断时间调节信号产生步骤：所述控制装置的关断时间调节单元基于所述控制信号Vm而输出所述功率因数校正变换器的功率开关管的关断时间调节信号；
开关频率周期调节步骤：所述控制装置的控制单元基于所述关断时间调节信号来调节所述功率开关管的开关频率周期，当所述功率因数校正变换器的负载功率较大时减小所述功率开关管的关断时间，当所述负载功率较小时增大所述功率开关管的关断时间，从而减小所述功率开关管在轻载或待机情况下的损耗。
上述的控制方法，其中，还包含开通时间调节信号产生步骤：所述控制装置的开通时间调节单元基于所述功率因数校正变换器的输入电压Vin和控制信号Vm而产生的内环参考电压控制信号以及功率开关管的采样电压信号而输出一开通时间调节信号。
上述的控制方法，其中，于开关频率周期调节步骤中还包含，所述控制单元基于所述关断时间调节信号和所述开通时间调节信号来调节所述功率开关管的开关频率周期。
上述的控制方法，其中，于所述关断时间调节信号产生步骤中所述关断时间调节单元根据以下公式获得所述关断时间调节信号T1：
T1＝Km*(VmMax-Vm)+ToffMin，其中，ToffMin为所述功率开关管的最小关断时间，VmMax为控制信号Vm的最大值，Km为预设的所述关断时间调节单元的调制系数。
上述的控制方法，其中，所述开通时间调节信号产生步骤包含：
正弦峰值信号产生步骤：所述开通时间调节单元的输入电压采样模块采集所述输入电压Vin的电压峰值信号VinPeak，并基于所述电压峰值信号VinPeak输出正弦峰值信号；
内环参考电压控制信号产生步骤：所述开通时间调节单元的内环参考电压控制信号产生模块基于所述正弦峰值信号和所述控制信号Vm输出所述内环参考电压控制信号；及
开通时间调节信号输出步骤：所述开通时间调节单元的比较模块将所述内环参考电压控制信号与所述功率开关管的采样电压信号比较后输出所述开通时间调节信号。
上述的控制方法，其中，于所述正弦峰值信号产生步骤中所述输入电压采样模块包含：
二个极管Dac，所述二个极管Dac的阳极分别耦接于所述功率因数校正变换器的电压源的两端，所述二个极管Dac采集所述电压峰值信号VinPeak的正半波正弦峰值信号|VinPeak*sinθ|，θ为输入电压的相角；
多个第一分压电阻Rac，所述多个第一分压电阻Rac串联连接后的第一端耦接于所述二个极管Dac的阴极，所述多个第一分压电阻Rac串联连接后的第二端耦接于地，所述正半波正弦峰值信号|VinPeak*sinθ|经所述多个第一分压电阻Rac分压后获得电压控制信号|Kac*VinPeak*sinθ|，Kac为所述多个第一分压电阻Rac的分压比；及
第一模数转换器，其一端耦接于所述第二端，所述第一模数转换器的另一端耦接于所述内环参考电压控制信号产生模块，所述电压控制信号|Kac*VinPeak*sinθ|经所述第一模数转换器输出至所述内环参考电压控制信号产生模块。
上述的控制方法，其中，于所述内环参考电压控制信号产生步骤中所述内环参考电压控制信号产生模块包含：
输入电压峰值的平方值计算器，基于所述电压峰值信号VinPeak输出电压峰值平方信号VinPeak 2；
除法器，基于所述电压峰值平方信号VinPeak 2和所述电压控制信号|Kac*VinPeak*sinθ|输出正弦参考控制信号|Kac*sinθ|/VinPeak；及
乘法器，基于所述正弦参考控制信号|Kac*sinθ|/VinPeak和所述控制信号Vm而输出所述内环参考电压控制信号|Vm*Kac*sinθ|/VinPeak至所述比较模块。
上述的控制方法，其中，所述开通时间调节信号产生步骤还包含采样电压信号产生步骤：所述开通时间调节单元的功率开关管电压信号采集模块采集所述功率开关管的采样电压信号。
上述的控制方法，其中，所述功率因数校正变换器包含输出滤波电容Cbulk，所述PID控制单元基于所述输出滤波电容Cbulk两端的电压信号而输出所述控制信号Vm。
上述的控制方法，其中，所述PID控制信号产生步骤包含：
输出电压采样步骤：所述PID控制单元的输出电压采样模块采集所述输出滤波电容Cbulk的电压信号Vbulk；
获得PID控制信号步骤：所述PID控制单元的PID模块基于所述输出滤波电容Cbulk的电压信号Vbulk输出所述控制信号Vm。
上述的控制方法，其中，于所述输出电压采样步骤中所述输出电压采样模块包含多个串联连接的第二分压电阻Rbulk，所述多个串联连接的第二分压电阻Rbulk并联于所述输出滤波电容Cbulk的两端，所述输出滤波电容Cbulk的电压信号Vbulk经多个串联连接的第二分压电阻Rbulk分压后获得分压控制信号Kbulk*Vbulk，为Kbulk多个串联连接的第二分压电阻Rbulk的分压比。
上述的控制方法，其中，于所述获得PID控制信号步骤中所述PID模块包含：
第二模数转换器，其一端耦接于所述多个串联连接的第二分压电阻Rbulk的任意相邻二者之间的连接通路上，所述第二模数转换器接收输出所述分压控制信号Kbulk*Vbulk；
减法器，基于所述分压控制信号Kbulk*Vbulk和基准电压信号Vref输出参考控制电压信号；
PID控制器，基于所述参考控制电压信号输出所述控制信号Vm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
随着功率因数校正变换器负载功率的变化，基于关断时间调节信号和所述开通时间调节信号来调节功率因数校正变换器的功率开关管的开关频率周期，使得当功率因数校正变换器的负载功率较大时减小功率开关管的关断时间，当负载功率较小时增大功率开关管的关断时间，从而减小功率开关管的损耗。
附图说明
图1为本发明用于功率因数校正变换器的控制装置的结构示意图；
图2为功率因数校正变换器的功率开关及电感电流波形图；
图3为本发明用于功率因数校正变换器的控制方法的流程图；
图4为图3中步骤3的分步骤流程图；
图5为图4中步骤31的分步骤流程图；
图6为图4中步骤32的分步骤流程图；
图7为图3中步骤S1的分步骤流程图；
图8为图7中步骤S12的分步骤流程图。
具体实施方式
兹有关本发明的详细内容及技术说明，现以一较佳实施例来作进一步说明，但不应被解释为本发明实施的限制。
请参照图1，图1为本发明用于功率因数校正变换器的控制装置的结构示意图。如图1所示，功率因数校正变换器1包含整流桥BD、输入滤波电容Cin、升压电感L、功率开关管Q、二极管D及输出滤波电容Cbulk，功率因数校正变换器1从交流AC输入端获取交流输入电压Vin，经过功率因数校正变换器转换得直流输出电压Vbulk。控制装置2包含PID控制单元21、关断时间调节单元22、开通时间调节单元23及控制单元24；PID控制单元21基于功率因数校正变换器的输出电压而输出控制信号Vm；关断时间调节单元22基于控制信号Vm而输出功率开关管Q的关断时间调节信号T1；开通时间调节单元23基于功率因数校正变换器的输入电压Vin、控制信号Vm以及功率开关管电流采样信号Vcs而输出开通时间调节信号T2；控制单元24基于关断时间调节信号T1及开通时间调节信号T2来调节功率开关管Q的开关频率T，从而减小功率开关管在轻载或待机情况下的损耗。当功率因数校正变换器负载功率较大时，使功率开关管Q关断时间Toff时间减少，从而提升开关频率，有效避免重载情况下功率因数校正变换器的电感的饱和；在功率因数校正变换器负载功率较小时，使功率开关管Q关断时间Toff时间增长，从而降低开关频率，有效地降低功率开关管的驱动损耗，关断时间调节单元22根据以下公式获得关断时间调节信号T1：
T1＝Km*(VmMax-Vm)+ToffMin，其中，ToffMin为功率开关管Q的最小关断时间，VmMax为控制信号Vm的最大值，Km为预设的关断时间调节单元22的调制系数，当功率因数校正变换器最大负载功率输出时，Vm＝VmMax，T1＝ToffMin，通过设置ToffMin大小，可以限制功率因数校正变换器最大开关频率，当功率因数校正变换器最小负载功率输出时，Vm＝0，T1＝Km*VmMax+ToffMin，通过设置调制系数Km，可得到最大关断时间调节信号T1＝Km*VmMax+ToffMin，可以用于限制功率因数校正变换器最小开关频率。
进一步地，开通时间调节单元23开通时间调节单元23基于功率因数校正变换器的输入电压Vin和控制信号Vm而输出内环参考电压控制信号，开通时间调节单元23还基于内环参考电压控制信号和功率开关管电流采样信号而输出开通时间调节信号T2。当内环参考电压控制信号大于功率开关管电流采样信号时，功率开关管Q保持导通，当内环参考电压控制信号小于等于功率开关管电流采样信号时，功率开关管Q立刻关断。在采样电阻Rcs一定的情况下，PFC负载功率增大或者减小时，iLpeak会增大或者减小，通过多个周期的反馈调节，实现输出滤波电容(Cbulk)电压的稳定；控制单元24基于关断时间调节信号T1和开通时间调节信号T2来调节功率开关管Q的开关频率T，T＝T1+T2。其中，在本实施例中控制单元为一加法器，但本发明并不以此为限。
开通时间调节单元23包含：输入电压采样模块231、内环参考电压控制信号产生模块232、比较模块233及功率开关管电压信号采集模块244；输入电压采样模块231采集输入电压Vin的瞬时电压值信号VinPeak*sinθ，其中VinPeak为输入电压Vin的电压峰值，θ为输入电压Vin的电压相角，并基于瞬时电压值信号VinPeak*sinθ输出正弦峰值信号VinPeak；内环参考电压控制信号产生模块232基于瞬时电压值信号VinPeak*sinθ、正弦峰值信号VinPeak和控制信号Vm输出内环参考电压控制信号；比较模块233将内环参考电压控制信号与功率开关管Q的采样电压信号Vcs比较后输出开通时间调节信号T2。PID控制单元21包含输出电压采样模块211及PID模块212；输出电压采样模块211采集输出滤波电容Cbulk的电压信号Vbulk；PID模块212基于输出滤波电容Cbulk的电压信号Vbulk输出控制信号Vm；功率开关管电流信号采集模块234采集功率开关管Q的电流流过采样电阻Rcs的电压信号Vcs为功率开关管电流采样信号。其中在本实施例中，功率开关管电流信号采集模块234为一采样电阻Rcs，采样电阻Rcs的一端耦接于功率开关管Q及比较模块233，采样电阻Rcs的另一端耦接于整流桥BD但本发明并不以此为限。
再请参照图1，进一步举例说明前述各单元的具体结构，单本发明并不以此为限。
输入电压采样模块231包含：二个极管Dac、多个第一分压电阻Rac及第一模数转换器2311；二个极管Dac的阳极分别耦接于功率因数校正变换器的输入电压源AC的两端，二个极管Dac采集输入电压瞬时值信号VinPeak*sinθ整流后的电压信号|VinPeak*sinθ|，θ为输入电压的相角；多个第一分压电阻Rac1、Rac2、Rac3、Rac4串联连接后的第一端耦接于二个极管Dac的阴极，多个第一分压电阻Rac1、Rac2、Rac3、Rac4串联连接后的第二端耦接于地，电压信号|VinPeak*sinθ|经所述多个第一分压电阻Rac1、Rac2、Rac3、Rac4分压后获得电压控制信号|Kac*VinPeak*sinθ|，Kac为多个第一分压电阻Rac1、Rac2、Rac3、Rac4的分压比；第一模数转换器2311的一端耦接于第一分压电阻Rac3与另一第一分压电阻Rac4之间的连接通路上，第一模数转换器2311的另一端耦接于内环参考电压控制信号产生模块232，电压控制信号|Kac*VinPeak*sinθ|经第一模数转换器2311输出至内环参考电压控制信号产生模块232。其中，在本实施例中以第一分压电阻数量为4个为较佳的实施方式，但本发明并不以此为限，在其他实施方式中，第一分压电阻数量可根据设计者的需求进行相应的增加或减少。
内环参考电压控制信号产生模块232包含：输入电压峰值的平方值计算器2321、除法器2322及乘法器2323；输入电压峰值的平方值计算器2321基于瞬时电压值信号VinPeak*sinθ输出电压峰值平方值信号VinPeak 2；除法器2322基于电压峰值平方值信号VinPeak 2和电压控制信号|Kac*VinPeak*sinθ|输出正弦参考控制信号|Kac*sinθ|/VinPeak，这样在AC输入电压发生变化的时候，控制装置可以不依赖直流输出电压的变化，控制装置就可以做出反应，从而提高系统的动态响应；乘法器2323基于正弦参考控制信号|Kac*sinθ|/VinPeak和控制信号Vm而输出内环参考电压控制信号|Vm*Kac*sinθ|/VinPeak至比较模块233。
电压控制信号|Kac*VinPeak*sinθ|是一个与AC输入电压有关的控制量，当AC输入电压发生变化的时候，电压控制信号|Kac*VinPeak*sinθ|也会发生改变，为了维持输入功率不变，当AC输入电压增大或者缩小为原来两倍的时候，需要控制电压控制信号|Kac*VinPeak*sinθ|相应地缩小或者增大为原来的两倍。为了实现这个控制效果，本发明专利引入输入电压峰值的平方值计算器2321及除法器2322，将电压控制信号|Kac*VinPeak*sinθ|通过除法器除以输入峰值电压的平方值VinPeak 2，从而得到正弦参考控制信号|Kac*sinθ|/VinPeak。这样在AC输入电压发生变化的时候，控制器可以不依赖直流输出电压的变化，控制器就可以做出反应，从而提高系统的动态响应。
值得注意的是，在本实施例中功率因数校正变换器包含输出滤波电容Cbulk，PID控制单元21基于输出滤波电容Cbulk两端的电压信号而输出控制信号Vm，但本发明并不以此为限。
输出电压采样模块211包含多个串联连接的第二分压电阻Rbulk1、Rbulk2、Rbulk3、Rbulk4，多个串联连接的Rbulk1、Rbulk2、Rbulk3、Rbulk4并联于输出滤波电容Cbulk的两端，输出滤波电容Cbulk的电压信号Vbulk经多个串联连接的第二分压电阻Rbulk1、Rbulk2、Rbulk3、Rbulk4分压后获得分压控制信号Kbulk*Vbulk，为Kbulk多个串联连接的第二分压电阻Rbulk的分压比。其中，在本实施例中以第二分压电阻数量为4个为较佳的实施方式，但本发明并不以此为限，在其他实施方式中，第二分压电阻数量可根据设计者的需求进行相应的增加或减少。
PID模块212包含：第二模数转换器2121、减法器2122及PID控制器2123；第二模数转换器2121的一端耦接于第二分压电阻Rbulk3及第二分压电阻Rbulk4之间的连接通路上，第二模数转换器2121接收并输出分压控制信号Kbulk*Vbulk；减法器2122基于分压控制信号Kbulk*Vbulk和基准电压信号Vref输出差值控制电压信号；PID控制器2123基于差值控制电压信号输出所述控制信号Vm。
请参照图2，图2为功率因数校正变换器的功率开关及电感电流波形图。如图2所示，曲线Mc为开关管电流，曲线Ic为电感电流，曲线Ipce为电感电流峰值包络线，曲线Iac为电感电流平均值，曲线Dc为二极管电流，θ为临界角；当工作在0～θ或(π-θ)～π的区间时，变换器工作在DCM；当工作在θ～(π-θ)，变换器工作在CCM。并且随着负载功率的逐渐降低，θ逐渐变大，DCM所占比较逐渐变大，功率开关管开关损耗逐渐变小。
请参照图3，图3为本发明用于功率因数校正变换器的控制方法的流程图。如图3所示，本发明用于功率因数校正变换器的控制方法，其中，包含：
PID控制信号产生步骤S1：通过功率因数校正变换器的控制装置的PID控制单元21基于功率因数校正变换器的输出电压而输出控制信号Vm，其中本实施例中，PID控制单元21基于输出滤波电容Cbulk两端的电压信号而输出控制信号Vm，但本发明并不以此为限；
关断时间调节信号产生步骤S2：控制装置的关断时间调节单元22基于控制信号Vm而输出功率因数校正变换器的功率开关管Q的关断时间调节信号T1；
开通时间调节信号产生步骤S3：控制装置的开通时间调节单元23基于功率因数校正变换器的输入电压Vin和控制信号Vm以及功率开关管电流的采样信号Vcs而输出开通时间调节信号T2，其中开通时间调节单元23基于功率因数校正变换器的输入电压Vin和控制信号Vm而输出的内环参考电压控制信号，开通时间调节单元23还基于内环参考电压控制信号以及功率开关管电流的采样信号Vcs而输出开通时间调节信号T2；
开关频率周期调节步骤S4：控制装置的开关频率控制单元24基于关断时间调节信号T1和开通时间调节信号T2来调节功率开关管Q的开关频率T，T＝T1+T2，当功率因数校正变换器的负载功率较大时减小功率开关管Q的关断时间Toff，提高开关频率T，当负载功率较小时增大功率开关管Q的关断时间Toff，降低开关频率T，从而减小功率开关管Q在轻载或待机情况下的损耗。
其中，于关断时间调节信号产生步骤S2中，关断时间调节单元22根据以下公式获得关断时间调节信号T1：
T1＝Km*(VmMax-Vm)+ToffMin，其中，ToffMin为所述功率开关管的最小关断时间，VmMax为控制信号Vm的最大值，Km为预设的关断时间调节单元的调制系数，当功率因数校正变换器最大负载功率输出时，Vm＝VmMax，T1＝ToffMin，通过设置ToffMin大小，可以限制功率因数校正变换器最大开关频率，当功率因数校正变换器最小负载功率输出时，Vm＝0，T1＝Km*VmMax+ToffMin，通过设置调制系数Km，可得到最大关断时间调节信号T1＝Km*VmMax+ToffMin，可以用于限制功率因数校正变换器最小开关频率。虽然在本实施方式中揭露了获得关断时间调节信号T1的公式，但本发明并不以此为限，在其他实施方式中设计者或可根据其需求设置关断时间调节信号T1。
请参照图4，图4为图3中步骤S3的分步骤流程图。进一步地，开通时间调节信号产生步骤S3包含：
正弦峰值信号产生步骤S31：通过开通时间调节单元的输入电压采样模块采集输入电压Vin的瞬时电压值信号VinPeak*sinθ，并基于瞬时电压值信号VinPeak*sinθ输出正弦峰值信号；
内环参考电压控制信号产生步骤S32：开通时间调节单元的内环参考电压控制信号产生模块基于瞬时电压值信号、正弦峰值信号以及所述控制信号Vm输出所述内环参考电压控制信号；
功率开关管电流采样信号产生步骤S33：通过开通时间调节单元的功率开关管电流信号采集模块采集功率开关管电流采样信号；其中，在本实施例中采集功率开关管的电流流过采样电阻Rcs的电压信号为功率开关管电流采样信号，但本发明并不以此为限；
开通时间调节信号输出步骤S34：开通时间调节单元的比较模块将内环参考电压控制信号与功率开关管电流采样信号比较后输出开通时间调节信号。
请参照图5，图5为图4中步骤S31的分步骤流程图。再进一步地，正弦峰值信号产生步骤S31包含：
整流后电压信号采集步骤S311：通过二个极管Dac采集瞬时电压值信号VinPeak*sinθ整流后的电压信号|VinPeak*sinθ|，θ为输入电压的相角；
电压控制信号输出步骤：电压信号|VinPeak*sinθ|经多个第一分压电阻Rac分压后获得电压控制信号|Kac*VinPeak*sinθ|，Kac为多个第一分压电阻Rac的分压比；及
第一模数转换步骤S312：通过第一模数转换器接收并输出电压控制信号|Kac*VinPeak*sinθ|至内环参考电压控制信号产生模块。
请参照图6，图6为图4中步骤S32的分步骤流程图。内环参考电压控制信号产生步骤S32包含：
输入电压峰值的平方值产生步骤S321：通过输入电压峰值的平方值计算器基于瞬时电压值信号VinPeak*sinθ输出电压峰值平方值信号VinPeak 2；
正弦参考控制信号产生步骤S322：通过除法器基于电压峰值平方值信号VinPeak 2和电压控制信号|Kac*VinPeak*sinθ|输出正弦参考控制信号|Kac*sinθ|/VinPeak；及
获得内环参考电压控制信号步骤S323：通过乘法器基于正弦参考控制信号|Kac*sinθ|/VinPeak和控制信号Vm而输出内环参考电压控制信号|Vm*Kac*sinθ|/VinPeak至比较模块。
请参照图7，图7为图3中步骤S1的分步骤流程图。更进一步地，PID控制信号产生步骤S1包含：
输出电压采样步骤S11：PID控制单元的输出电压采样模块采集输出滤波电容Cbulk的电压信号Vbulk，输出滤波电容Cbulk的电压信号Vbulk经多个串联连接的第二分压电阻Rbulk分压后获得分压控制信号Kbulk*Vbulk，Kbulk为多个串联连接的第二分压电阻Rbulk的分压比；
获得PID控制信号步骤S12：PID控制单元的PID模块基于输出滤波电容Cbulk的电压信号Vbulk输出控制信号Vm。
请参照图8，图8为图7中步骤S12的分步骤流程图。获得PID控制信号步骤S12包含：
第二模数转换步骤S121：通过第二模数转换器接收并输出分压控制信号Kbulk*Vbulk；
差值控制电压信号产生步骤S122，通过减法器基于分压控制信号Kbulk*Vbulk和基准电压信号Vref输出差值控制电压信号；
控制信号产生步骤S123：通过PID控制器基于差值控制电压信号输出控制信号Vm。
需要说明的是：以上实施例仅仅用以说明本发明，而并非限制本发明所描述的技术方案；同时，尽管本说明书参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；因此，一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，均应涵盖在本发明所附权利要求的保护范围之内。

Claims (22)

1.一种用于功率因数校正变换器的控制装置，其特征在于，包含：
PID控制单元，基于所述功率因数校正变换器的输出电压而输出控制信号Vm；
关断时间调节单元，基于所述控制信号Vm而输出所述功率因数校正变换器的功率开关管的关断时间调节信号；
开通时间调节单元，基于所述功率因数校正变换器的输入电压Vin、所述控制信号Vm以及功率开关管电流采样信号而输出一开通时间调节信号；
开关频率控制单元，基于所述关断时间调节信号和所述开通时间调节信号来调节所述功率开关管的开关频率，且当所述功率因数校正变换器的负载功率较大时减小所述功率开关管的关断时间，提高开关频率，当所述负载功率较小时增大所述功率开关管的关断时间，降低开关频率，从而减小所述功率开关管在轻载或待机情况下的损耗。
2.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述开通时间调节单元单元基于所述功率因数校正变换器的输入电压Vin和控制信号Vm而输出内环参考电压控制信号，所述开通时间调节单元还基于所述内环参考电压控制信号和所述功率开关管电流采样信号而输出所述开通时间调节信号。
3.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述关断时间调节单元根据以下公式获得所述关断时间调节信号T1：
T1＝Km*(VmMax-Vm)+ToffMin，其中，ToffMin为所述功率开关管的最小关断时间，VmMax为控制信号Vm的最大值，Km为预设的所述关断时间调节单元的调制系数。
4.如权利要求2所述的控制装置，其特征在于，所述开通时间调节单元包含：
输入电压采样模块，采集所述输入电压Vin的瞬时电压值信号VinPeak*sinθ，其中VinPeak为输入电压Vin的电压峰值，θ为输入电压Vin的电压相角，并基于所述瞬时电压值信号VinPeak*sinθ输出正弦峰值信号VinPeak；
内环参考电压控制信号产生模块，基于所述瞬时电压值信号VinPeak*sinθ和正弦峰值信号VinPeak以及所述控制信号Vm输出所述内环参考电压控制信号；及
比较模块，比较所述内环参考电压控制信号与所述功率开关管电流采样信号后输出所述开通时间调节信号。
5.如权利要求4所述的控制装置，其特征在于，所述输入电压采样模块包含：
二个极管Dac，所述二个极管Dac的阳极分别耦接于所述功率因数校正变换器的输入电压源的两端，所述二个极管Dac采集所述瞬时电压值信号VinPeak*sinθ整流后的电压信号|VinPeak*sinθ|，θ为输入电压的相角；
多个第一分压电阻Rac，所述多个第一分压电阻Rac串联连接后的第一端耦接于所述二个极管Dac的阴极，所述多个第一分压电阻Rac串联连接后的第二端耦接于地，所述整流后的电压信号|VinPeak*sinθ|经所述多个第一分压电阻Rac分压后获得电压控制信号|Kac*VinPeak*sinθ|，Kac为所述多个第一分压电阻Rac的分压比；及
第一模数转换器，其一端耦接于所述多个第一分压电阻Rac的其中之一者，所述第一模数转换器的另一端耦接于所述内环参考电压控制信号产生模块，所述电压控制信号|Kac*VinPeak*sinθ|经所述第一模数转换器输出至所述内环参考电压控制信号产生模块。
6.如权利要求5所述的控制装置，其特征在于，所述内环参考电压控制信号产生模块包含：
输入电压峰值的平方值计算器，基于所述瞬时电压值信号VinPeak*sinθ输出电压峰值平方值信号VinPeak 2；
除法器，基于所述电压峰值平方值信号VinPeak 2和所述电压控制信号|
Kac*VinPeak*sinθ|输出正弦参考控制信号|Kac*sinθ|/VinPeak；及
乘法器，基于所述正弦参考控制信号|Kac*sinθ|/VinPeak和所述控制信号Vm而输出所述内环参考电压控制信号|Vm*Kac*sinθ|/VinPeak至所述比较模块。
7.如权利要求4所述的控制装置，其特征在于，所述开通时间调节单元还包含功率开关管电流信号采集模块，采集所述功率开关管的电流流过采样电阻Rcs的电压信号并输出至所述比较模块。
8.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述功率因数校正变换器包含输出滤波电容Cbulk，所述PID控制单元基于所述输出滤波电容Cbulk两端的电压信号而输出所述控制信号Vm。
9.如权利要求8所述的控制装置，其特征在于，所述PID控制单元包含：
输出电压采样模块，采集所述输出滤波电容Cbulk的电压信号Vbulk；
PID模块，基于所述输出滤波电容Cbulk的电压信号Vbulk输出所述控制信号Vm。
10.如权利要求9所述的控制装置，其特征在于，所述输出电压采样模块包含多个串联连接的第二分压电阻Rbulk，所述多个串联连接的第二分压电阻Rbulk并联于所述输出滤波电容Cbulk的两端，所述输出滤波电容Cbulk的电压信号Vbulk经多个串联连接的第二分压电阻Rbulk分压后获得分压控制信号Kbulk*Vbulk，Kbulk为多个串联连接的第二分压电阻Rbulk的分压比。
11.如权利要求10所述的控制装置，其特征在于，所述PID模块包含：
第二模数转换器，其一端耦接于所述多个串联连接的第二分压电阻Rbulk的其中之一者，所述第二模数转换器接收输出所述分压控制信号Kbulk*Vbulk；
减法器，耦接于所述第二模数转换器的另一端，所述减法器基于所述分压控制信号Kbulk*Vbulk和基准电压信号Vref输出差值控制电压信号；
PID控制器，基于所述差值控制电压信号输出所述控制信号Vm。
12.一种用于功率因数校正变换器的控制方法，其特征在于，包含：
PID控制信号产生步骤：通过功率因数校正变换器的控制装置的PID控制单元基于所述功率因数校正变换器的输出电压而输出控制信号Vm；
关断时间调节信号产生步骤：所述控制装置的关断时间调节单元基于所述控制信号Vm而输出所述功率因数校正变换器的功率开关管的关断时间调节信号；
开通时间调节信号产生步骤：通过所述控制装置的开通时间调节单元基于所述功率因数校正变换器的输入电压Vin、控制信号Vm以及功率开关管电流的采样信号而输出一开通时间调节信号；
开关频率调节步骤：所述控制装置的开关频率控制单元基于所述关断时间调节信号和所述开通时间调节信号来调节所述功率开关管的开关频率，当所述功率因数校正变换器的负载功率较大时减小所述功率开关管的关断时间，提高开关频率，当所述负载功率较小时增大所述功率开关管的关断时间，降低开关频率，从而减小所述功率开关管在轻载或待机情况下的损耗。
13.如权利要求12所述的控制方法，其特征在于，于所述开通时间调节信号产生步骤中，通过所述开通时间调节单元基于所述功率因数校正变换器的输入电压Vin和控制信号Vm而输出的内环参考电压控制信号，所述开通时间调节单元还基于所述内环参考电压控制信号以及功率开关管电流的采样信号而输出所述开通时间调节信号。
14.如权利要求12所述的控制方法，其特征在于，于所述关断时间调节信号产生步骤中所述关断时间调节单元根据以下公式获得所述关断时间调节信号T1：
T1＝Km*(VmMax-Vm)+ToffMin，其中，ToffMin为所述功率开关管的最小关断时间，VmMax为控制信号Vm的最大值，Km为预设的所述关断时间调节单元的调制系数。
15.如权利要求13所述的控制方法，其特征在于，所述开通时间调节信号产生步骤包含：
正弦峰值信号产生步骤：通过所述开通时间调节单元的输入电压采样模块采集所述输入电压Vin的瞬时电压值信号VinPeak*sinθ，并基于所述瞬时电压值信号VinPeak*sinθ输出正弦峰值信号；
内环参考电压控制信号产生步骤：所述开通时间调节单元的内环参考电压控制信号产生模块基于所述瞬时电压值信号、正弦峰值信号以及所述控制信号Vm输出所述内环参考电压控制信号；及
开通时间调节信号输出步骤：所述开通时间调节单元的比较模块将所述内环参考电压控制信号与所述功率开关管电流采样信号比较后输出所述开通时间调节信号。
16.如权利要求15所述的控制方法，其特征在于，所述正弦峰值信号产生步骤包含：
整流后电压信号采集步骤：通过二个极管Dac采集所述瞬时电压值信号VinPeak*sinθ整流后的电压信号|VinPeak*sinθ|，θ为输入电压的相角；
电压控制信号输出步骤：所述电压信号|VinPeak*sinθ|经多个第一分压电阻Rac分压后获得电压控制信号|Kac*VinPeak*sinθ|，Kac为所述多个第一分压电阻Rac的分压比；及
第一模数转换步骤：通过第一模数转换器接收并输出所述电压控制信号|Kac*VinPeak*sinθ|至所述内环参考电压控制信号产生模块。
17.如权利要求16所述的控制方法，其特征在于，所述内环参考电压控制信号产生步骤包含：
输入电压峰值的平方值产生步骤：通过输入电压峰值的平方值计算器基于所述瞬时电压值信号VinPeak*sinθ输出电压峰值平方值信号VinPeak 2；
正弦参考控制信号产生步骤：通过除法器基于所述电压峰值平方值信号VinPeak 2和所述电压控制信号|Kac*VinPeak*sinθ|输出正弦参考控制信号|Kac*sinθ|/VinPeak；及
获得内环参考电压控制信号步骤：通过乘法器基于所述正弦参考控制信号|Kac*sinθ|/VinPeak和所述控制信号Vm而输出所述内环参考电压控制信号|
Vm*Kac*sinθ|/VinPeak至所述比较模块。
18.如权利要求15所述的控制方法，其特征在于，所述开通时间调节信号产生步骤还包含功率开关管电流采样信号产生步骤：通过所述开通时间调节单元的功率开关管电流信号采集模块采集所述功率开关管的电流流过采样电阻Rcs的电压信号并输出至所述比较模块。
19.如权利要求12所述的控制方法，其特征在于，所述功率因数校正变换器包含输出滤波电容Cbulk，所述PID控制单元基于所述输出滤波电容Cbulk两端的电压信号而输出所述控制信号Vm。
20.如权利要求19所述的控制方法，其特征在于，所述PID控制信号产生步骤包含：
输出电压采样步骤：所述PID控制单元的输出电压采样模块采集所述输出滤波电容Cbulk的电压信号Vbulk；
获得PID控制信号步骤：所述PID控制单元的PID模块基于所述输出滤波电容Cbulk的电压信号Vbulk输出所述控制信号Vm。
21.如权利要求20所述的控制方法，其特征在于，于所述输出电压采样步骤中所述输出滤波电容Cbulk的电压信号Vbulk经多个串联连接的第二分压电阻Rbulk分压后获得分压控制信号Kbulk*Vbulk，Kbulk为多个串联连接的第二分压电阻Rbulk的分压比。
22.如权利要求21所述的控制方法，其特征在于，所述获得PID控制信号步骤包含：
第二模数转换步骤：通过第二模数转换器接收并输出所述分压控制信号Kbulk*Vbulk；
差值控制电压信号产生步骤，通过减法器基于所述分压控制信号Kbulk*Vbulk和基准电压信号Vref输出差值控制电压信号；
控制信号Vm产生步骤，通过PID控制器基于所述差值控制电压信号输出所述控制信号Vm。
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