CN115804001A - 电源转换器、控制器及方法 - Google Patents

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Abstract

一种电源转换器，包括有源功率因数校正(APFC)电路。第一补偿电路向所述APFC电路提供第一补偿信号。第二补偿电路向所述APFC电路提供第二补偿信号。负载需求感测电路接收负载需求信号以接通所述第二补偿电路来提供所述第二补偿信号。还提供了一种用于电源转换器的控制器，其中所述控制器包括用于向有源功率因数校正(APFC)电路提供第一补偿信号的第一补偿电路，以及用于向所述APFC电路提供第二补偿信号的第二补偿电路。所述控制器还包括负载需求感测电路，用于接收负载需求信号以接通所述第二补偿电路来提供所述第二补偿信号。

Description

电源转换器、控制器及方法
技术领域
本发明涉及电源转换器、用于电源转换器的控制器以及转换功率和控制电源转换的方法。本发明特别涉及具有有源功率因数校正(APFC)控制电路的电源转换器，所述有源功率因数校正(APFC)控制电路接触到附接的DC-DC转换器的负载条件的瞬态变化。本发明被描述为与电源和发光二极管(LED)驱动器一起使用，但是本发明不限于这些特定应用。
背景技术
有源功率因数校正(APFC)电路(也称为预调节器)广泛用于电源转换器中，以便根据法定EMC和FCC规定控制输入电源因数和谐波发射。这些APFC电路通常被放置在输入桥式整流器和输出DC-DC转换器之间，从而对经整流的AC输入进行升压以提供经调节的高压(HT)输出。这种拓扑通常被称为“两级电源转换器”。APFC控制器的控制回路通常被设计为对线路和负载变化具有非常慢的响应，当DC-DC输出上存在负载阶跃时，例如在启动时发生的负载阶跃，会导致HT轨中出现大峰值或谷值的不良影响。
解决这个问题的一种方法是将DC-DC转换器设计为具有宽的输入电压范围，但这对成本和效率产生负面影响。另一个昂贵的解决方案是增加HT轨电容器的尺寸。又一种解决方案是折衷DC-DC转换器响应以确保其负载需求不能快速变化。存在响应于HT轨的电压而修改所述APFC控制回路的速度的现有电路。然而，实现该方法所需的附加电路包括精确的比较器和基准电压，这显著增加了成本，从而减少了收益。
本发明的目标是克服或改善现有技术的至少一个缺点，或提供有用的替代方案。
本发明的至少一些实施例的目的是提供修改APFC控制回路的速度的较低成本的方法，以显著降低当DC-DC输出上存在负载阶跃时发生的HT轨电压中的大电压峰值和谷值。
发明内容
本发明的实施例在第一方面提供了一种电源转换器，包括：
有源功率因数校正(APFC)电路；
第一补偿电路，用于向所述APFC电路提供第一补偿信号；
第二补偿电路，用于向所述APFC电路提供第二补偿信号；以及
负载需求感测电路，用于接收负载需求信号以接通所述第二补偿电路来提供所述第二补偿信号。
本发明的实施例在第二方面中提供了一种具有如上所述的电源转换器的LED照明设备。
本发明的实施例在第三方面提供了一种用于电源转换器的控制器，所述控制器包括：
第一补偿电路，用于向有源功率因数校正(APFC)电路提供第一补偿信号；
第二补偿电路，用于向所述APFC电路提供第二补偿信号；以及
负载需求感测电路，用于接收负载需求信号以接通所述第二补偿电路来提供所述第二补偿信号。
本发明的实施例在第四方面中提供了一种控制具有有源功率因数校正(APFC)电路的电源转换器的方法，所述方法包括：
向所述APFC电路提供第一补偿信号；
在接收到负载需求信号时向所述APFC电路提供第二补偿信号。
本发明的其他特征和实施例可以在所附权利要求中找到。
在整个说明书中，包括权利要求书，除非另有明确说明或上下文另有明确要求，否则词语“包括(comprise)”、“包括(comprising)”和其他类似术语应被解释为包含性意义，即，在“包括但不限于”的意义上，而不是在排他性或穷举性意义上。
附图说明
附图包括描绘现有技术的以下附图：
图1是US 9,325,235中描述的现有电路；
图2是US 9,812,951中描述的现有电路；
图3是WO 2016096887中描述的现有电路；以及
图4是典型的两级电源转换器的示意图，包括有源功率因数校正(APFC)输入级和DC-DC转换器输出级。
现在将参考下面列出的附图，仅通过示例的方式描述本发明的最佳模式的优选实施例，其中除非另有说明，否则在下面列出的所有附图中相同的附图标记、名称或其他附图标记表示相同的部分，并且其中：
图5是根据本发明的实施例的电源转换器的示意图；
图6是根据本发明的另一实施例的电源转换器的示意图；
图7是根据本发明的又一实施例的电源转换器的示意图；
图8是关于图4的电源转换器在启动时的典型波形；以及
图9是关于图5的电源转换器在启动时的典型波形。
为了完整起见，图1至图4和图8中指示的全部描绘现有技术的附图标记、名称或其他附图标记不对应于描绘本发明实施例的其余附图中指示的任何附图标记、名称或其他附图标记，除非另有说明。
具体实施方式
参考图5至图7和图8，提供了包括有源功率因数校正(APFC)电路2的电源转换器1。第一补偿电路3向所述APFC电路2提供第一补偿信号。第二补偿电路4向所述APFC电路2提供第二补偿信号。负载需求感测电路5接收负载需求信号6以接所述通第二补偿电路4来提供所述第二补偿信号。
所述APFC电路2连接到负载电路7，并且所述负载需求信号6是来自所述负载电路7的负载感测信号8。通常，所述负载感测信号8指示瞬态负载状况。
在典型的实施例中，所述负载电路7包括DC-DC转换电路9。
所述负载需求信号6也可以采取负载改变请求信号10的形式。可以存在所述负载感测信号8和所述负载改变请求信号10中的一个或两个，并将其提供给所述负载需求感测电路5。
所述负载改变请求信号10可以例如由外部控制器提供。
在一些实施例中，如图6中最佳所示，所述负载需求感测电路5接收一个或多个所述负载需求信号6，以也将所述第一补偿电路3接通来提供所述第一补偿信号。所述负载需求感测电路5接收所述负载需求信号6中的一个或多个，并且提供第一开关信号11以接通或关断所述第一补偿电路3，并且提供第二开关信号12以接通或关断所述第二补偿电路4。在一些情况下，所述第一开关信号11是所述第二开关信号12的反相形式。
为了避免或最大程度地减少可能的不稳定性，所述第二补偿电路4可以在所述第一补偿电路3接通之后的定时延迟之后接通。例如，所述定时延迟可以大于或等于10ms。也就是说，所述第一补偿电路3瞬时接通，而所述第二补偿电路4的接通被延迟例如10ms。
在其他实施例中，如图5中最佳所示，所述第一补偿电路3持续地为所述APFC电路2提供所述第一补偿信号。例如，所述第一补偿电路3与所述APFC电路2短路连接，而不是与所述APFC电路2开关连接。
由所述第二补偿电路4提供的所述第二补偿信号给出正常的控制响应，而由所述第一补偿电路3提供的所述第一补偿信号给出更快的控制响应。例如，所述第二补偿信号提供具有7Hz的闭合带宽的控制响应，并且所述第一补偿信号提供具有70Hz的闭合带宽的控制响应。
在另一方面，本发明的实施例提供具有上述电源转换器1的LED(发光二极管)照明设备。所述负载电路7可以包括一个或多个LED 13。
本发明的实施例包括用于电源转换器的控制器14形式的实施例。控制器14包括用于向有源功率因数校正(APFC)电路2提供第一补偿信号的第一补偿电路3，以及用于向所述APFC电路2提供第二补偿信号的第二补偿电路4。所述控制器14还包括负载需求感测电路5，用于接收负载需求信号6，以接通所述第二补偿电路4，从而提供所述第二补偿信号。
上述电路的全部或部分可以由分立元件形成，或者以例如半导体芯片的形式集成在一起。作为更具体的例子，所述控制器14可以是半导体芯片的形式。在该例子中，所述控制器14可以具有第一端子P1、第二端子P2、第三端子P3和第四端子P4。所述第一端子P1和所述第二端子P2用于将所述第一补偿电路3和所述第二补偿电路4连接到所述APFC电路2。所述第三端子P3用于接收所述负载感测信号8，并且所述第四端子用于接收所述负载改变请求信号10。在另一例子中，所述控制器14与所述APFC电路2和/或所述DC-DC转换器9一起可以采用半导体芯片的形式。
在又一方面，本发明的实施例提供了一种控制具有有源功率因数校正(APFC)电路2的电源转换器1的方法。所述方法包括：向所述APFC电路2提供第一补偿信号；以及在接收到负载需求信号6时向所述APFC电路2提供第二补偿信号。本发明的实施例还提供了一种转换电源的方法，所述方法包括：利用有源功率因数校正(APFC)电路2接收交流(AC)输入电源15；向所述APFC电路2提供第一补偿信号；以及在接收到负载需求信号6时向所述APFC电路2提供第二补偿信号。该方法通常还包括在所述输入电源15通过所述APFC电路2之后利用DC-DC转换来转换所述输入电源15。在DC-DC转换之后，然后将所述输入电源提供给负载13。所述负载需求信号6可以从DC-DC转换电路和/或负载取得。
本发明的实施例提供了用于改善两级电源转换器的瞬态线路和负载性能的低成本方法，其通过响应于观察到的负载电压和/或电流的变化而修改控制回路来实现。
更详细地，典型的两级电源转换器中的所述APFC控制回路，如图4所示的APFC控制回路，具有非常慢的控制回路响应，其具有在5至10Hz范围内的典型闭环带宽。这种缓慢的响应导致启动时的困难，并且随后还导致输出负载的急剧变化。图8示出了这种系统的典型启动波形，其中当输出DC-DC转换器开始汲取电源时，升压的HT电压显著下降(到电压VHTDIP)。VHTDIP以及VHTMAX是关键的设计参数，因为这些参数限定了DC-DC转换器的所需输入范围。
通过增加所述APFC控制回路的闭环带宽可以显著改善所述VHTDIP的值，因为这具有降低HT纹波电压的效果。然而，这也具有减少输入PF和增加谐波发射的效果。现有的电路通过前馈/反馈控制策略监控所述APFC的输入和输出电压来实现高功率因数和良好的响应。
对于启动和负载阶跃瞬态，忽略PF和谐波发射规则，仅适用于稳态条件。本发明的实施例利用了这一点，使用了如上所述的更简单和更低成本的方法，并在下面进一步详细描述。
参考图6，所述负载需求感测电路5监测所述负载感测信号8和所述负载改变请求信号10，以确定是否将所述控制回路从慢速模式(慢速或正常控制响应)改变为快速模式(快速控制响应)。所述负载感测信号8可以从所述负载电路7的负载电压、负载电流或负载功率取得或响应于所述负载电路7的负载电压、负载电流或负载功率。当输出功率将有实质性变化时，例如当调光LED驱动器实质性地改变调光水平时，所述负载改变请求信号10可以由外部控制器(诸如微计算机(MCU))生成。开关S1、S2选择两个可用的环路补偿网络(即，所述第一补偿电路3和所述第二补偿电路4)中的一个，以给出正常(慢速)控制响应(用于稳态条件)或更快的控制响应以用于处理短期瞬变。例如，正常环路补偿网络(所述第二补偿电路4)可以给出7Hz的闭合带宽，而快速环路补偿网络(所述第一补偿电路3)可以提供70Hz的带宽。
通过考虑每个应用的具体要求来确定用于检测瞬态负载状况的标准。所述负载感测信号8可以响应于所述负载电路7的所述负载电压、所述负载电流或所述负载功率。有利地，在启动时将检测到瞬态负载状况。此外，外部微计算机(MCU)可以在调光水平改变之前发送负载改变请求信号10，迫使所述负载需求感测电路5选择快速模式(通过所述第一补偿电路3)。
为了避免可能的不稳定性，快速/慢速切换定时优选地是不对称的，其中切换到快速模式是瞬时的，而切换到慢速(正常)模式是延迟的，通常为>10ms。
图9中给出的由本发明的实施例产生的改进的启动波形可以直接与图8中关于现有电路的波形进行比较。特别地，如VHTDIP和VHTMAX所示，启动后HT电压的变化大大减小。
如图5所示，通过将开关S2替换为短路，可以简化图6的开关布置，且该折衷可以忽略不计。
为了避免控制回路中不可预测的阶跃，在每个开关两端连接电阻器是有利的，以确保在开关断开时每个补偿回路中的电容器被适当地充电。优选地，高值电阻器连接在每个开关两端。
在图7中给出了根据本发明实施例的隔离恒流(CC)LED驱动器的简单实现的示意图。在这种情况下检测到的瞬态负载状况是低负载电压，例如在启动或负载重新连接时发生的低负载电压。所述负载电压由所述负载感测电压(负载感测信号8)感测，所述负载感测电压经由变压器T1反映所述负载电压。当负载感测信号8足够高以导通NMOS开关S1时，环路补偿网络CF2，RF2被切换到电路中，从而支配放大器A1的反馈。电容CA2和RA2提供用于切换到正常(慢速)模式的时间延迟。如果所述负载电压下降到由变压器匝数比，VREF和NMOS导通电压确定的阈值以下，则二极管D2和RA1提供快速复位到快速模式。在启动时，电容器CA1，CA2放电，MOSFET S1关断，并且所述反馈网络仅包括CN1(RF1和CF1)，从而提供快速控制回路响应。在负载电压已经上升到预定阈值之后，在由RA2、CA2确定的定时延迟之后，CA1上的反射电压足以接通S1。在S1接通的情况下，所述反馈网络CN2(RF2和CF2)被切换到与CN1并联，从而选择慢回路响应。
在可以使用控制微处理器的数字调光驱动器的情况下，在显著预测负载变化的情况下，所述微处理器可以提供负载变化请求信号以直接控制S1。
更详细地观察所述APFC控制回路，所述APFC电路2通过升高经整流的线电压来产生HT电源。R1和R2提供电压感测信号，使得APFC控制器(即所述APFC电路2)能够调节所述HT电源电压。所述APFC电路2通常利用比例积分(PI)控制回路。这可以通过以下等式来描述：
Figure BDA0004027094910000081
当选择快速补偿网络(所述第一补偿电路3)时，常数Kp和Ki取决于快速补偿网络元件：
Kp＝RF1/R1 <1a>
Ki＝1/R1.CF1 <1b>
当选择慢速补偿网络(所述第二补偿电路4)并且提供开关S2时，常数Kp和Ki取决于慢速补偿网络元件：
Kp＝RF2/R1 <2a>
Ki＝1/R1.CF2 <2b>
当选择慢速补偿网络(所述第二补偿电路4)并且不提供开关S2时，常数Kp和Ki取决于所述快速补偿网络元件和所述慢速补偿网络元件的组合阻抗。当组合时，所述慢速补偿网络的阻抗占主导地位，通常是所述快速补偿网络的十分之一，使得Kp和Ki的值由上述等式2a、2b近似。
应当理解，上述实施例仅是用于描述本发明原理的示例性实施例，并且本发明不仅限于此。在不脱离本发明的精神和实质的情况下，本领域普通技术人员可以进行各种变型和修改，并且这些变型和修改也涵盖在本发明的范围内。因此，尽管已经参考具体例子描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解，本发明可以以许多其他形式实施。本领域技术人员还应当理解，所描述的各种例子的特征可以以其他组合进行组合。特别地，本领域技术人员应当理解，在本发明的范围内，存在上述电路的不同变型。本领域技术人员可以理解，上述电路布置有许多可能的排列。因此，实施例中所示的电路元件可以自由互换，以不同的布置或顺序放置，但是仍然提供关于在所描述的实施例中原来布置或排序的电路描述的功能，因此仍然落入本发明的范围内。

Claims (18)

1.一种电源转换器，包括：
有源功率因数校正(APFC)电路；
第一补偿电路，用于向所述APFC电路提供第一补偿信号；
第二补偿电路，用于向所述APFC电路提供第二补偿信号；以及
负载需求感测电路，用于接收负载需求信号以接通所述第二补偿电路来提供所述第二补偿信号。
2.根据权利要求1所述的电源转换器，其中所述APFC电路连接到负载电路，并且所述负载需求信号是来自所述负载电路的负载感测信号。
3.根据权利要求2所述的电源转换器，其中所述负载感测信号指示瞬态负载状况。
4.根据权利要求2至3中任一项所述的电源转换器，其中所述负载电路包括DC-DC转换电路。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电源转换器，其中，所述负载需求信号是负载改变请求信号。
6.根据权利要求5所述的电源转换器，其中所述负载改变请求信号由外部控制器提供。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的电源转换器，其中所述负载需求感测电路接收所述负载需求信号以接通所述第一补偿电路来提供所述第一补偿信号。
8.根据权利要求7所述的电源转换器，其中所述负载需求感测电路接收所述负载需求信号，并提供第一开关信号以接通或关断所述第一补偿电路以及提供第二开关信号以接通或关断所述第二补偿电路。
9.根据权利要求8所述的电源转换器，其中，所述第一开关信号是所述第二开关信号的反相形式。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的电源转换器，其中，所述第二补偿电路在所述第一补偿电路接通之后的定时延迟之后接通。
11.根据权利要求10所述的电源转换器，其中，所述定时延迟大于或等于10ms.
12.根据权利要求1至6中任一项所述的电源转换器，其中，所述第一补偿电路持续地为所述APFC电路提供所述第一补偿信号。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的电源转换器，其中，所述第二补偿信号给出正常控制响应，并且所述第一补偿信号给出更快的控制响应。
14.根据权利要求13所述的电源转换器，其中所述第二补偿信号提供具有7Hz的闭合带宽的控制响应。
15.根据权利要求13至14中任一项所述的电源转换器，其中所述第一补偿信号提供具有70Hz的闭合带宽的控制响应。
16.一种具有根据权利要求1至15中任一项所述的电源转换器的LED照明设备。
17.一种用于电源转换器的控制器，所述控制器包括：
第一补偿电路，用于向有源功率因数校正(APFC)电路提供第一补偿信号；
第二补偿电路，用于向所述APFC电路提供第二补偿信号；以及
负载需求感测电路，用于接收负载需求信号以接通所述第二补偿电路来提供所述第二补偿信号。
18.一种控制具有有源功率因数校正APFC电路的电源转换器的方法，所述方法包括：
向所述APFC电路提供第一补偿信号；
在接收到负载需求信号时，向所述APFC电路提供第二补偿信号。
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