CN1274514A - 预调节器 - Google Patents

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Abstract

一个用作升压稳定器的镇流器预调节器包括一个功率因子控制器。该预调节器还包括一个用于产生一个基本为DC电压的电容器和一个用于响应一个开关信号来控制存于电容器中的能量的开关。该功率因子控制器包括一个具有用于存储至少一个波形的数据的查询表的波形发生器。由一个较低因子控制器产生的开关信号是基于由该查询表得到的至少一个波形。

Description

预调节器
本发明一般地涉及一个电子镇流器的预调节器和，更具体地，涉及一个电子镇流器预调节器的功率因子控制器。
功率因子控制器响应于镇流器输入电压控制镇流器输入电流以试图提供一个1.0的功率因子(即，是镇流器的输入看来象一个简单电阻)。该镇流器功率因子是交流或脉冲电流以的实际功率与由一个镇流器所汲取的视在功率之比。当与输入电压有关的输入电流包括相位偏移，谐波失真或两者都有时，功率因子将小于1.0。在电压与电流之间的移动指示出负载呈电抗性的程度。谐波失真，也即，谐波频率的产生，来自一个镇流器在由一个电源正弦信号汲取能量的非线性操作过程。
一个传统的功率因子控制器经常假设输入到镇流器的电压基本是正弦的。由电源汲取能量的非线性负载(例如，机器，发动机)可能暂时使电源电压失真，从而导致一个非正弦输入电压。基于一个非正弦输入电压来对输入电流进行控制可能很困难，并可能导致一个远小于1.0的功率因子。维持一个小于10％的总谐波失真(THD)而不会对功率因子造成不利影响也可能是困难。
当将一个具有低纹波的DC电压施加到该镇流反向器时维持低的THD要求一个令人生厌的大，昂贵的电解电容。这种电容随时问恶化(即，变干)而失去它们的容性并因而失去它们维持低纹波的能力。可能导致不可接受的THD级别。这些电解电容的相对较大尺寸也妨碍了该镇流预调节器的组件集成到一个集成电路中去，从而限制了镇流器输出成本和尺寸的降低。
因此本发明希望提供一种改进的功率因子控制器，它不受电源电压的暂时失真的影响。改进的功率因子控制器应维持一个相对较高的功率因子(例如，大于95％)而无需为了维持一个低THD而使用相对较大的电解电容。
根据本发明的第一方面，一个镇流预调节器包括一个用于产生一个基本DC电压的电容；一个用于响应一个开关信号来控制存储在电容器中的能量的开关；一个用于产生该开关信号的功率因子控制器。该功率因子控制器包括一个具有用于存储至少一个波形数值的查询表的参考波形发生器。该由功率因子控制器产生的开关信号是基于至少一个该查询表访问得到的波形。
该功率因子控制器不受由诸如机器的非线性负载通过存于查询表中的波形引起的电源电压的暂时失真的影响。所存的波形通常为半个周期的正弦波。
本发明的一个特征是，该预调节器包括一个缩放比例电路，用于调整由查询表访问得到的波形的大小。该缩放比例电路响应于预调节器输出两端的电压来调整由查询表访问得到的波形的大小。
该预调节器由一个处于第一频率的AC信号供电。参考波形发生器通常还包括一个具有处于第二频率的脉冲输出信号的锁相环。该第二频率为第一频率的倍数。作为读取存储于该查询表中的至少一个波形的时钟信号的该脉冲输出信号是一系列脉冲(该脉冲链的链起始端与一个基本为零值电压条件的AC信号同步。因此，在输入镇流电压和用于开启开关的信号之间的任何相位偏移基本上被消除。该功率因子控制器可以包括一个具有用作查询表的只读存储器的微控制器。
根据本发明的另一方面，一种用于操作一个镇流预调节器的方法包括基于存储于一个查询表中的值来产生一个波形，基于所产生的波形来产生一个开关信号，响应于该开关信号来控制存于一个电容器中的能量，和基于所存的能量来在电容器两端产生一个基本为DC的电压。
本发明的第二方面的特征在于，该方法还包括调整基于在该预调节器两端的电压而产生的波形大小。
因此，本发明的一个目的是提供一种具有不受电源电压的暂时失真影响的功率因子控制器的改进的镇流器预调节器。
本发明的另一个目的是提供一种具有无需为了维持一个低的THD使用相对较大电解电容的维持一个相对较大功率因子的功率因子控制器的改进的镇流器预调节器。
本发明的其他方面和优点将通过下面的描述变得更清晰。
为了更好地理解本发明，将参照下面的附图进行描述。
图1是根据本发明的一个功率因子控制器的部分框图和部分电路原理图。
如图1所示，一个电源AC电压源10连接到一个镇流器12上。源10连接到镇流器12的一个全桥整流器13的一对输入节点N1和N2。在整流器13的一对输出节点N3和N4上提供的一个整流的正弦电压施加于一个预调节器14。该整流的正弦电压由该预调节器14转换为一个具有低纹波的基本为DC的电压，该基本为DC的电压施加于一个镇流器12的反向器(未示出)。换句话说，预调节器14用作一个升压稳定器。预调节器14通过一个功率因子控制器31还响应于一个镇流输入电压来控制镇流输入电流以维持一个高的镇流功率因子(例如高于95％)，同时维持一个低的THD(例如小于10％)。
由整流器13提供的整流的正弦电压施加于预调节器14的一个变压器19的初级线圈16。一个电容器22，通常为电解电容，存储由初级线圈16基于通过一个二极管25的能量而提供的能量。一个开关28，一般为一个场效应晶体管(FET)，连接到一个将初级线圈16接合到二极管25的结点上。提供该电容器22的能量由开关28的开关状态来控制。一个基本为DC的电压在电容器22的两端产生，该电压提供给镇流器12的一个反向器。
功率因子控制器31当开关28开启和关闭时通过控制来确定电源输入电流的形状以及与电源输入电压有关的电源输入电流的相位。一个功率因子控制器31的参考波形发生器包括零交点检测器34，一个数字锁相环(PLL)37和查询表(LUT)40。检测器34比较在连接于一个DC偏置(Voffset)上的非反向输入端(+)上的电压和一个在连接于一个全桥整流器13的输出节点N4上的反向输入端(-)上的电压。当在非反向输入端(+)上的电压等于或大于在反向输入端(-)上的电压时，检测器34的输出电压处于高逻辑电平。当在非反向输入端(+)上的电压小于在反向输入端(-)上的电压时，检测器34的输出电压处于低逻辑电平。无论何时当由全桥整流器13产生的电压处于大约为零伏特，也即该整流的正弦电压的每半个周期时，检测器34将产生一个电压脉冲。一个具有第一频率N的8比特数字脉冲信号提供给PLL37并代表由源10提供给镇流器12的正弦电压。
PLL37输出一个具有比第一频率N大数倍的第二频率M(也即，M为N的倍数)的脉冲信号Vp。脉冲信号Vp(即，一系列脉冲形成一个脉冲链)是基于由源10产生一个AC电压的零交点的，从而基本消除了在输入镇流电压与用于开启开关28的信号之间的任何相位偏移。这些零电压交点是在整流器13的输出端产生的基本为零电压条件的整流AC信号。信号Vp用作为读取存储于LUT40中的正弦波的数字化值的时钟信号。M个数字化值的每一个是一个8比特字，它们一起表示存于LUT40中的一个正弦波的正半周期。根据本发明，一个诸如一个80C51微控制器的微控制器可以使用，其中该微控制器的一个只读存储器(ROM)存储表示一个正弦波的正半周期的M个数字化值。
由LUT40输出的8比特字提供给一个乘法器43，该乘法器43将该8比特字乘以一个缩放比例因子。该缩放比例因子由一个包括一个模数转换器(ADC)46，一个数字减法器49和一个滤波补偿器52的缩放比例电路确定。该缩放比例因子是基于在电容器22两端的电压，也即预调节器14的输出电压。通过将数字化的正半周期正弦波进行比例缩放，功率因子控制器31可以调整预调节器14的输出电压。
预调节器14的输出电压通过一个由一对电阻55和58串联形成并连接在将二极管25接合到电容器22的结点与地之间的分压器而被抽样。所抽样的电压施加于一个开关61，该开关只要检测器34的输出处于高逻辑电平时就断开。ADC46将抽样电压转换为一个输入到数字减法器49的8比特数字信号。数字化的抽样电压由一个参考电压Vref中减去并用于使其中的差别最小。参考电压Vref表示在预调节器14的输出端所期望的DC输出电压。
数字减法器49的输出用作一个误差信号并基于在表示在预调节器14输出端的实际电压的抽样电压和期望电压的差别。滤波器补偿器52，它是一个数字低通滤波器，接收数字减法器49的输出。一个额外的极点可以由滤波器补偿器52加到控制系统中以提供更稳定和可靠的运行。另一个实施例可以包括，但不限于，多极点或极点和零点的实现方式。滤波器补偿器52包括一个加法器64，其输出提供给一个乘法器65。乘法器65的输出用作一个该乘法器43的缩放比例因子。加法器64的输出也提供给由乘法器67和一个寄存器形成的反馈路径。寄存器70用作一个单位延迟器。分别与乘法器65和67有关的一对系数K1和K2是可编程的并基于系统负载。
由乘法器43输出的比例缩放的数字正弦波由数模转换器(DAC)转换为一个模拟信号。现在为模拟形式的乘法器43的输出用作提供给该电流检测比较器76的非反向输入端的参考电流。该参考电流是一个基于存于LUT40中的连续正弦波二进制数字代码和基于并在由AC源10施加于镇流器12的输入电压的每一零交点时由一个缩放因子调整的。
流过初级线圈16的电流的一个抽样被一个电阻79转换为一个电压并施加于电流检测比较器76的反向输入端。比较器76将流过初级线圈16的抽样电流与参考电流相比较。一个RS锁存器82，它接收在其S输入端的比较器76的输出，确保只有一个单独的脉冲出现在锁存器82的Q输出端用于开启(即，驱使导通)开关28。当基本为零的电流流经初级线圈16时，锁存器82复位。该基本为零的电流被检测为通过监测流过初级线圈16的电流并将相同电流提供该施米特触发器85的转换器19的次级线圈。施米特触发器85输出一个高逻辑电平并将它提供给锁存器82的R输入端用于只要当一个基本为零的电流级被检测到流过初级线圈16时将锁存器复位。
比较器76提供一个开关序列该开关28，该开关28迫使流经初级线圈16的电流峰基本等于由DAC73提供的参考电流。LUT40的大小40依赖于期望由DAC73输出的模拟信号的精度和与PLL37有关的在第二频率M与第一频率N之间的比率。一个由DAC73产生的高精度可以合成一个基本完美的正弦波形，这样由镇流器12提供的输入电流的THD可以显著减少。
如上所知，一个具有功率因子控制器31的改进的预调节器14不受电源电压的暂时失真通过存于LUT40中的正弦波的影响。功率因子控制器14维持相对较高的功率因子(例如大于95％)，而无需为了维持低THD使用相对校大的电解电容。
如上所述，本发明的目的被有效地实现，因为可以在上述结构中作某些改变而不背离本发明的精神和范围，所以上面说明书中包含和附图中所示的所有方面都只是示例性而非限制性的。

Claims (8)

1.一种镇流器预调节器(14)，包括：
包括一个用于产生一个基本为DC电压的输出电容器(22)；
一个用于响应于一个开关信号来控制存于该电容器中的能量的开关(28)；和
一个用于产生该开关信号的功率因子控制器(31)，
其特征在于，该功率因子控制器包括一个参考波形发生器(34，37，40)，该参考波形发生器具有一个用于存储至少一个波形的数据的查询表(40)，其中由功率因子控制器产生的开关信号是基于至少一个由查询表得到的波形。
2.权利要求1的预调节器，其中该功率因子控制器还包括一个用于调整由查询表得到的波形大小的缩放比例电路(52，49，46)。
3.权利要求2的预调节器，其中缩放比例电路(52，49，46)响应于在预调节器(14)的输出电容器两端的电压而调整由查询表得到的波形大小。
4.权利要求1的预调节器，其中预调节器(14)可操作地由一个为第一频率的AC信号供电而其中参考波形发生器还包括一个具有处于第二频率的脉冲输出信号的锁相环(37)，该第二频率为第一频率的倍数。
5.权利要求4的预调节器，其中脉冲输出信号是一个脉冲链，该脉冲链的起始由一个基本为零电压条件的AC信号同步。
6.权利要求4或5的预调节器，其中脉冲输出信号用作一个用于读取存于查询表中至少一个波形的数据的时钟信号。
7.权利要求1的预调节器，其中，存于查询表中至少一个波形的数据代表半个周期的正弦波。
8.权利要求1的预调节器，其中功率因子控制器包括一个具有用作查询表的只读存储器的微控制器。
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