CN111969843A - 功率因数校正电路及其输入电容的电流补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率因数校正电路及输入电容的电流补偿方法，通过根据输入电压生成一表征流过所述输入电容的电流的补偿信号，将所述补偿信号叠加至所述电流反馈信号或者所述电流参考信号中，以减小流过所述输入电容的电流对功率因数的影响。

Description

功率因数校正电路及其输入电容的电流补偿方法

技术领域

本发明涉及一种电力电子技术，更具体地说，涉及一种应用于电源中的功率因数校正电路及其方法。

背景技术

功率因数校正(PFC)电路被广泛应用于电源转换系统中，用于校正电流的相位，提高功率因数，减小系统损耗。功率因数(PF)的定义为平均功率与视在功率的比值。功率因数(PF)与输入电压与输入电流基波分量的相位差θ相关，控制的要求为尽量使行为差θ为零度角。

图1示意性地示出了一种现有的功率因数校正电路。如图1所示，功率因数校正电路包括：整流电路11，用以接收输入电压Vin，该输入电压Vin通常为正弦波形，以将输入电压Vin整流成直流输入电压Vz(即通常所说的馒头波)；输入电容Cin，耦接在整流电路11和参考地之间；开关型变换器12，包括至少一个功率开关S，开关型变换器12耦接至整流电路12，接收直流输入电压Vz，并将直流输入电压Vz转化成所需的输出电压Vo，以提供给负载或者后级电路；控制电路13，根据输入电压Vin或者表征输入电压Vin的电压采样信号、流过开关型变换器12的电流Is或者表征流过开关型变换器12的电流的电流采样信号以及输出电压Vo，以产生控制信号Q，用以控制功率开关S，使输出电压Vo满足要求。

由于在功率因数校正电路运行过程中，输入电容Cin上有电流Icin流过，而在实际电路控制中，控制电路13接收的是表征流过开关型变换器12的电流Is，而不是功率因数校正电路的输入电流Iin。因此，在现有功率因数校正电路控制下，电路的输入电流Iin和输入电压Vin之间仍旧存在较大的相位差。因此，输入电容会影响功率因数，并且输入电容的电容值越大，功率因数的值越低，尤其在轻载状态下，由于输入电容Cin上电流Icin占比的增大，会导致更为严重。常见的补偿方法中，一是减小输入电容Cin的容值，但这会影响低压正常工作和EMI特性；二是斜坡补偿，但只是增加一个正偏置量，补偿效果有限且会影响电路控制。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种功率因数校正电路及输入电容的电流补偿方法，以解决现有的轻载工况下，输入电容对功率因数影响较大的问题。

第一方面，提供一种PFC控制电路，应用于功率因数校正电路中，所述功率因数校正电路包括输入电容以及开关型变换器，其特征在于，所述PFC控制电路包括：

补偿信号电路，用以根据输入电压生成一表征流过所述输入电容的电流的补偿信号；

电流控制电路，接收所述补偿信号，以根据所述补偿信号调节所述开关型变换器的控制信号，以减小流过所述输入电容的电流对功率因数的影响。

优选地，所述电流控制电路根据所述补偿信号调节电流参考信号或者表征流入所述开关型变换器的电流的电流反馈信号，并根据所述电流反馈信号以及所述电流参考信号生成开关型变换器的控制信号。

优选地，所述补偿信号为类正弦电流，且频率为输入交流电源的频率的两倍。

优选地，所述补偿信号电路通过对所述输入电压进行微分运算，以生成所述补偿信号。

优选地，所述补偿信号电路通过对所述输入电压的斜率变化进行采样，以生成所述补偿信号。

优选地，所述补偿信号电路通过在固定的采样时间内获取一中间电压的增长幅值，并将每个采样时间产生的最大值或平均值进行采样保持以获得所述输入电压的斜率变化，从而据此生成所述补偿信号，其中，所述中间电压随所述输入电压变化。

优选地，所述补偿信号电路通过控制所述采样时间的大小来控制所述补偿信号的幅值。

优选地，所述电流补偿电路包括，

第一电容，其第一端与将所述输入电压进行整流后的整流电压连接，第二端生成所述中间电压；

第一开关，连接至所述第一电容的第二端与控制地之间，用以随所述采样时间周期性地导通以将所述中间电压周期性地清零；

第二电容，其第一端连接至所述第一电容的第二端，用以对所述中间电压进行滤波以获得其每个采样时间产生的最大值或平均值，并在第一端生成所述补偿信号。

优选地，所述补偿信号电路通过对所述输入电压进行滤波,以得到表征相位延迟的输入电压的滤波电压,并根据所述滤波电压生成所述补偿信号。

优选地，所述电流补偿电路通过在所述输入电压两端并联电容器件获取所述补偿信号。

优选地，所述电流补偿电路通过并联连接在所述输入电容两端的第三电容获取所述补偿信号，并将所述补偿信号直接加到电流反馈环路中，以减小流过所述输入电容的电流对功率因数的影响。

第二方面，提供一种功率因数校正电路，其特征在于，包括：

上述的PFC控制电路。

第三方面，提供一种输入电容的电流补偿方法，应用于功率因数校正电路中，所述功率因数校正电路包括输入电容以及开关型变换器，其特征在于，包括：

根据输入电压生成一表征流过所述输入电容的电流的补偿信号；

根据所述补偿信号调节所述开关型变换器的控制信号，以减小流过所述输入电容的电流对功率因数的影响。

优选地，所述补偿信号为类正弦电流，且频率为输入交流电源的频率的两倍。

优选地，通过对所述输入电压进行微分运算，以生成所述补偿信号。

优选地，通过对所述输入电压的斜率变化进行采样，以生成所述补偿信号。

优选地，通过对所述输入电压进行滤波,以得到表征相位延迟的输入电压的滤波电压,并根据所述滤波电压生成所述补偿信号。

优选地，通过在所述输入电压两端并联电容器件获取所述补偿信号。

本发明技术通过根据输入电压生成一表征流过所述输入电容的电流的补偿信号，将所述补偿信号叠加至所述电流反馈信号或者所述电流参考信号中，以减小流过所述输入电容的电流对功率因数的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术的功率因数校正电路的结构框图；

图2为依据本发明的一个实施例的功率因数校正电路的电路结构图；

图3为依据本发明的PFC控制电路的电路结构图；

图4为依据本发明的补偿信号电路的电路结构图；

图5为依据本发明的补偿信号电路的工作波形图；

图6为依据本发明的功率因数校正电路的工作波形图

图7为依据本发明的另一个实施例的功率因数校正电路的电路结构图；

图8为依据本发明的又一个实施例的功率因数校正电路的电路结构图；

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

图2为依据本发明的一个实施例的功率因数校正电路的电路结构图。如图2所示，本发明的功率因数校正电路包括：整流电路11，用以接收输入电压Vin，该输入电压Vin通常为正弦波形，以将输入电压Vin整流成直流输入电压Vz；输入电容Cin，耦接在整流电路11和参考地之间；开关型变换器12，包括至少一个功率开关S，开关型变换器12耦接至整流电路12，接收直流输入电压Vz，并将直流输入电压Vz转化成所需的输出电压Vo，以提供给负载或者后级电路。

PFC控制电路20，用以根据表征流入开关型变换器12的电流Is的电流反馈信号Ifb以及电流参考信号Viref生成开关型变换器12的功率开关S的控制信号Q以调节功率因数。进一步地，PFC控制电路20还根据输入电压Vin生成一表征流过输入电容Cin的电流的补偿信号Ic，并将补偿信号Ic叠加至电流反馈信号Ifb或者所述电流参考信号Viref中，以减小流过输入电容Cin的电流对功率因数的影响。本发明旨在采用频率为输入交流电源的两倍频率的类正弦电流，即补偿信号Ic对输入电容Cin的电流Icin进行补偿，可以有效减小输入电容Cin的电流Icin对输入电流的影响，从而提高轻载PF值。

再次参考图2，优选地，PFC控制电路20包括电流控制电路21以及补偿信号电路22。具体地，电流控制电路21，用以根据表征流入开关型变换器12的电流Is的电流反馈信号Ifb以及电流参考信号Viref生成开关型变换器12的功率开关S的控制信号Q以调节功率因数。这里，电流参考信号Viref可以为直流母线电压，也即上述的直流输入电压Vz。补偿信号电路22，根据输入电压Vin生成一表征流过输入电容Cin的电流的补偿信号Ic，并将补偿信号Ic叠加至电流反馈信号Ifb或者所述电流参考信号Viref中，以减小流过输入电容Cin的电流对功率因数的影响。

本发明实施例中，通过对输入电压Vin或者其分压电压进行微分处理，即可得到表征流过输入电容Cin的电流的补偿信号Ic。将补偿信号Ic引入到电流控制电路21中,弥补或者减弱输入电容Cin的电流对功率因数的影响,从而提高PF。基于此，PFC控制电路20可以选用图3所示的电路结构。如图3所示，PFC控制电路20包括电流控制电路21以及补偿信号电路22。具体地，补偿信号电路22为一微分电路，微分电路22将输入电压Vin经整流后的直流输入电压Vz进行微分处理，对直流输入电压Vz的斜率变化进行采样，以生成补偿信号Ic。电流控制电路21包括叠加电路211、误差补偿电路212。其中，叠加电路211将电流参考信号Viref与补偿信号Ic进行叠加，在本发明实施例中，根据功率因数的校正原理，即使得输入电流Iin跟随输入电压Vin的变化而变化，才可得到较高的PF值，又由于电流参考信号Viref表征的是输入电压Vin，且输入电流Iin为输入电容Cin的电流Icin以及流入开关型变换器12的电流Is的和，因此，将电流参考信号Viref减去补偿信号Ic后生成的补偿电流参考信号Viref,c与表征流入开关型变换器12的电流Is的电流反馈信号Ifb进行比较，才能获得较高的PF值。故这里的叠加电路211将电流参考信号Viref与补偿信号Ic进行反相叠加。接着，误差补偿电路212的同相输入端接收补偿电流参考信号Viref,c，反相输入端接收电流反馈信号Ifb，将两者进行误差放大补偿后，生成开关型变换器12的功率开关S的控制信号Q以调节功率因数。

图4所示为一种具体的由微分电路构成的补偿信号电路22的电路结构图。图5为图4所示的补偿信号电路22的工作波形图。补偿信号电路22将输入电压Vin经整流后的直流输入电压Vz进行微分处理可获得补偿信号Ic。更具体地，补偿信号电路22通过在固定的采样时间Ts内获取一中间电压Vmid的增长幅值，并将每个采样时间Ts产生的最大值或平均值进行采样保持以获得输入电压Vin的斜率变化，进而输入电压Vin的斜率变化即可表征流过输入电容Cin的电流Icin，故可将获取的输入电压Vin的斜率变化直接作为补偿信号Ic。其中，中间电压Vmid随输入电压Vin变化，且补偿信号电路22通过控制采样时间Ts的大小来控制补偿信号Ic的幅值。

基于此，优选地，电流补偿电路22包括，第一电容C1，第一开关S1以及第二电容C2。具体地，第一电容C1，其第一端与将输入电压Vin进行整流后的直流输入电压Vz连接，第二端生成中间电压Vmid；第一开关S1，连接至第一电容C1的第二端与控制地之间，用以随采样时间Ts周期性地导通以将中间电压Vmid周期性地清零；第二电容C2，其第一端连接至第一电容C1的第二端，第二端与控制地连接，用以对中间电压Vmid进行滤波以取得每个采样时间Ts内中间电压Vmid产生的最大值，并在第二电容C2的第一端生成补偿信号Ic。

优选地，电流补偿电路22包括还包括第二开关S2，通过微分采样控制电路，使得其在每个采样时间Ts内导通一次，将中间电压Vmid传输至第二电容C2，在第二开关S2导通后的一段延迟时间结束后，导通第一开关S1，将中间电压Vmid清零，随后关断第一开关S1，中间电压Vmid随输入电压Vin变化。

如图5所示，在固定的采样时间Ts内中间电压Vmid的增长幅值可以看作是输入电压Vin的斜率变化，将每个采样时间Ts产生的中间电压Vmid的最大值或平均值提取出来构成流过输入电容Cin的电流信息，这里即补偿信号Ic，因此，通过控制采样时间Ts的大小可以控制补偿信号Ic的幅值。且可以看出，补偿信号Ic为类正弦电流，且频率为输入交流电源的频率的两倍。

图6为依据本发明的功率因数校正电路的工作波形图。如图6所示，输入电流Iin为输入电容Cin的电流Icin以及流入开关型变换器12的电流Is的和，也即Iin＝Icin+Is，在现有技术的控制方案中是对流入开关型变换器12的电流Is进行控制，在现有技术的方案中会将流入开关型变换器12的电流Is调制成一个与输入电压Vin相同的正弦波，在输入电容Cin的电流Icin的影响下，实际合成的输入电流Iin的波形会发生畸变从而影响PF，尤其在轻载状态下，由于输入电容Cin上的电流Icin占比的增大，会导致更为严重的畸变；而在本发明中，在控制流入开关型变换器12的电流Is时，引入输入电流Iin中包含的输入电容Cin的电流信息，在电流参考信号Viref上导入一个微分量即补偿信号Ic，形成补偿电流参考信号Viref,c，此时控制得到的流入开关型变换器12的电流Is已经对输入电容Cin的电流Icin做了补偿，使得合成的输入电流Iin波形更接近正弦波，对功率因数的改善有很大帮助。

至此可知，本发明的功率因数校正电路，通过采用频率为输入交流电源的两倍频率的的类正弦补偿信号对输入电容的电流进行补偿，可以有效减小输入电容的电流相移对输入电流的影响，提高轻载时的PF值，同时不会影响低压正常工作和EMI，且补偿信号为交流，不会影响电路原有的工作状态。

图7为依据本发明的另一个实施例的功率因数校正电路的电路结构图。本发明实施例与第一个实施例的区别仅在于，PFC控制电路中的补偿信号电路72的结构和原理不同。具体在于，补偿信号电路72通过对输入电压Vin经整流后的直流输入电压Vz进行滤波,以得到表征相位延迟的输入电压的滤波电压,并将该滤波电压作为所述补偿信号Ic。

优选地，补偿信号电路72将直流输入电压Vz由第一电阻R1和第二电阻R2构成的分压电路进行分压后，利用滤波电路进行滤波后得到的滤波电压即为补偿信号Ic。这里，滤波电路由第三电容C3构成，其一端连接至分压电路的输出端，另一端连接至一固定的直流电压处。当然，可以理解的是，滤波电路并不限于本实施例中的结构，其他能实现滤波功能的电路结构均可被采用。还需要说明的是，这里采用分压电路只是为了优化参数设计，在其他实施方式中，也可以不设置分压电路。

电流控制电路71将表征流过输入电容Cin的电流Icin的补偿信号Ic，叠加至电流参考信号Viref中生成补偿电流参考信号Viref,c，并根据表征流入开关型变换器12的电流Is的电流反馈信号Ifb以及补偿电流参考信号Viref,c生成开关型变换器12的功率开关S的控制信号Q以调节功率因数，从而减小流过输入电容Cin的电流Icin对功率因数的影响。

图8为依据本发明的又一个实施例的功率因数校正电路的电路结构图；本发明实施例与第一个实施例的区别仅在于，PFC控制电路中的补偿信号电路82的结构和原理不同。具体在于，补偿信号电路82通过在输入电压Vin两端并联电容器件获取补偿信号Ic。

优选地，补偿信号电路82将直流输入电压Vz由第一电阻R1和第二电阻R2构成的分压电路进行分压后，利用电容器件生成补偿信号Ic，并将补偿信号Ic直接加到电流反馈环路中，以减小流过所述输入电容的电流对功率因数的影响。通过使得并联在输入电容Cin两端的电容器件上的电压与输入电容Cin两端的电压相同或者成一定比例关系，从而采样流过电容器件的电流即可表征流过输入电容Cin的电流Icin。这里，电容器件由第四电容C4构成，其一端连接至分压电路的输出端，另一端与一采样电阻R3连接，采样电阻R3的另一端连接至用于采样流入开关型变换器12的电流Is的采样电阻Rcs的非接地端，从而使得流过采样电阻R3的补偿信号Ic，能够流经采样电阻Rcs，则在采样电阻Rcs和R3上得到的电流反馈信号即为经过补偿信号Ic补偿后的补偿电流反馈信号Ifb,c。当然，可以理解的是，电容器件并不限于本实施例中的结构，其他能实现相同功能的电路结构均可被采用。还需要说明的是，这里采用分压电路只是为了优化参数设计，在其他实施方式中，也可以不设置分压电路，将电容器件直接并联连接至输入电容Cin的两端，只要可以获取与流过输入电容Cin的电流Icin成一定比例关系的电流即可。

电流控制电路81将表征流过输入电容Cin的电流Icin的补偿信号Ic，叠加至电流反馈信号Ifb中生成补偿电流反馈信号Ifb,c，并根据该补偿电流反馈信号Ifb,c以及电流参考信号Viref生成开关型变换器12的功率开关S的控制信号Q以调节功率因数，从而减小流过输入电容Cin的电流Icin对功率因数的影响。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种PFC控制电路，应用于功率因数校正电路中，所述功率因数校正电路包括输入电容以及开关型变换器，其特征在于，所述PFC控制电路包括：

补偿信号电路，用以根据输入电压生成一表征流过所述输入电容的电流的补偿信号；

电流控制电路，接收所述补偿信号，以根据所述补偿信号调节所述开关型变换器的控制信号，以减小流过所述输入电容的电流对功率因数的影响。

2.根据权利要求1所述的PFC控制电路，其特征在于，所述电流控制电路根据所述补偿信号调节电流参考信号或者表征流入所述开关型变换器的电流的电流反馈信号，并根据所述电流反馈信号以及所述电流参考信号生成开关型变换器的控制信号。

3.根据权利要求1所述的PFC控制电路，其特征在于，所述补偿信号为类正弦电流，且频率为输入交流电源的频率的两倍。

4.根据权利要求1所述的PFC控制电路，其特征在于，所述补偿信号电路通过对所述输入电压进行微分运算，以生成所述补偿信号。

5.根据权利要求1所述的PFC控制电路，其特征在于，所述补偿信号电路通过对所述输入电压的斜率变化进行采样，以生成所述补偿信号。

6.根据权利要求5所述的PFC控制电路，其特征在于，所述补偿信号电路通过在固定的采样时间内获取一中间电压的增长幅值，并将每个采样时间产生的最大值或平均值进行采样保持以获得所述输入电压的斜率变化，从而据此生成所述补偿信号，其中，所述中间电压随所述输入电压变化。

7.根据权利要求6所述的PFC控制电路，其特征在于，所述补偿信号电路通过控制所述采样时间的大小来控制所述补偿信号的幅值。

8.根据权利要求6所述的PFC控制电路，其特征在于，所述电流补偿电路包括，

第一电容，其第一端与将所述输入电压进行整流后的整流电压连接，第二端生成所述中间电压；

第一开关，连接至所述第一电容的第二端与控制地之间，用以随所述采样时间周期性地导通以将所述中间电压周期性地清零；

第二电容，其第一端连接至所述第一电容的第二端，用以对所述中间电压进行滤波以获得其每个采样时间产生的最大值或平均值，并在第一端生成所述补偿信号。

9.根据权利要求1所述的PFC控制电路，其特征在于，所述补偿信号电路通过对所述输入电压进行滤波,以得到表征相位延迟的输入电压的滤波电压,并根据所述滤波电压生成所述补偿信号。

10.根据权利要求1所述的PFC控制电路，其特征在于，所述电流补偿电路通过在所述输入电压两端并联电容器件获取所述补偿信号。

11.根据权利要求10所述的PFC控制电路，其特征在于，所述电流补偿电路通过并联连接在所述输入电容两端的第三电容获取所述补偿信号，并将所述补偿信号直接加到电流反馈环路中，以减小流过所述输入电容的电流对功率因数的影响。

12.一种功率因数校正电路，其特征在于，包括：

根据权利要求1-11中任一项所述的PFC控制电路。

13.一种输入电容的电流补偿方法，应用于功率因数校正电路中，所述功率因数校正电路包括输入电容以及开关型变换器，其特征在于，包括：

根据输入电压生成一表征流过所述输入电容的电流的补偿信号；

根据所述补偿信号调节所述开关型变换器的控制信号，以减小流过所述输入电容的电流对功率因数的影响。

14.根据权利要求13所述的输入电容的电流补偿方法，其特征在于，所述补偿信号为类正弦电流，且频率为输入交流电源的频率的两倍。

15.根据权利要求13所述的输入电容的电流补偿方法，其特征在于，通过对所述输入电压进行微分运算，以生成所述补偿信号。

16.根据权利要求13所述的输入电容的电流补偿方法，其特征在于，通过对所述输入电压的斜率变化进行采样，以生成所述补偿信号。

17.根据权利要求13所述的输入电容的电流补偿方法，其特征在于，通过对所述输入电压进行滤波,以得到表征相位延迟的输入电压的滤波电压,并根据所述滤波电压生成所述补偿信号。

18.根据权利要求13所述的输入电容的电流补偿方法，其特征在于，通过在所述输入电压两端并联电容器件获取所述补偿信号。

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