TWI475789B - 功率因子校正功率轉換器之控制電路以及其控制方法 - Google Patents

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Description

功率因子校正功率轉換器之控制電路以及其控制方法
本發明係有關於一種功率因子校正(power factor correction，PFC)功率轉換器之控制電路，用以於PFC轉換器操作在連續電流模式(continuous current mode，CCM)與非連續電流模式(discontinuous current mode，DCM)，提供適當的頻率補償。
在習知的功率因子校正(power factor correction，PFC)功率轉換器中，具有經過一電感器的電流迴路。PFC功率操作在連續電流模式(continuous current mode，CCM)與非連續電流模式(discontinuous current mode，DCM)時此電流迴路的迴路增益相異。在CCM操作下，迴路增益較高。因此，需要較低的頻寬來實現電流迴路的迴路穩定。然而，較低頻寬的電流迴路導致不佳的功率因子數值。
因此，期望提供一種PFC功率轉換器的控制電路，其提供改善的頻率補償給PFC功率轉換器之電流迴路。
本發明提供一種功率因子校正(power factor correction，PFC)功率轉換器之控制電路，其包括一脈波寬度調變電路、一放大器、一偵測電路、以及一電容器。脈波寬度調變電路根據一迴路信號產生一切換信號。放大器耦合來接收一切換電流以產生迴路信號。偵測電路產生一模式信號，此模式信號耦合來改變放大器之輸出阻抗。 電容器耦接放大器，以用於迴路頻率補償。切換信號耦合來切換PFC功率轉換器之一電感且產生切換電流。
本發明另提供一種功率因子校正(power factor correction，PFC)功率轉換器之控制方法。此控制方法包括以下步驟：根據一迴路信號產生一切換信號；根據一切換電流以產生迴路信號；產生一模式信號，用以改變放大器之輸出阻抗；以及以一電容器補償迴路信號。切換信號係耦合來切換PFC功率轉換器之一電感且產生切換電流。
為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
本發明提供一種方法與裝置，適用在連續電流模式(continuous current mode，CCM)與非連續電流模式(discontinuous current mode，DCM)下操作功率因子校正(power factor correction，PFC)功率轉換器之功率因子校正(power factor correction，PFC)功率轉換器的頻率補償。第1圖係表示PFC功率轉換器。參閱第1圖，PFC功率轉換器包括電阻器35，此電阻器35用來取樣電感器20之切換電流IL ，並產生耦合至PFC控制電路100之切換電流信號VS 。根據切換電流信號VS ，控制電路100將產生切換信號SW 以切換電感器20並產生經由功率電晶體30的切換電流IL 。透過切換電流信號VS 的感測，控制電路100產生切換信號SW 以產出切換電流IL 。切換電流IL 更在電阻器 35上產生切換電流信號VS ，這形成PFC控制的電流迴路。電容器53用於電流路徑的頻率補償。如上所述，當PFC功率轉換器操作在連續電流模式(continuous current mode，CCM)與非連續電流模式(discontinuous current mode，DCM)時，此電流迴路的迴路增益相異。需要較低的頻寬(電容器53之較高電容值)來實現電流迴路的迴路穩定。然而，較低頻寬的電流迴路導致不佳的功率因子數值。本發明之目的在於提供適當的頻率補償給電流路徑，以實現穩定的CCM操作以及提供對於CCM與DCM而言為較佳的PF數值。
電阻器50用來偵測耦合至電感器20之輸入電壓VIN ，且產生耦接至控制電路100之輸入電壓信號IAC 。輸入電壓VIN 係根據AC電壓VAC 而由整流器10所產生。電感器20之切換電流IL 透過電感器20而放電至輸出電容器45，以產生輸出電壓VO 。電阻器41與42形成一分壓器，其耦接PFC功率轉換器之輸出以偵測輸出電壓VO 且產生耦合至控制電路100之信號VFB ，用於輸出電壓VO 的調整。信號VFB 、切換信號SW 、以及輸出電壓VO 形成PFC控制之電壓迴路。電容器51用於此電壓迴路之頻率補償。
第1A圖係表示切換信號SW 、切換電流IL 、以及切換電流信號VS 之DCM波形。在下一切換週期開始前，電感器20之切換電流IL 完全地放電。
第1B圖係表示切換信號SW 、切換電流IL 、以及切換電流信號VS 之CCM波形。在下一切換週期開始前，電感器20之切換電流IL 仍具有存在於電感器20之電流I1 。因 此，CCM的增益較高。
其中，L表示電感器20之電感值，T表示切換期間，TON 表示切換信號SW 之導通時間。
式(3)表示電流路徑增益(切換電流IL 相對於”切換信號SW 之導通時間TON ”)。連續電流I1 導致較高的電流路徑增益。式(6)表示電壓路徑增益(輸出電壓VO 對於相對於”切換信號SW 之導通時間TON ”)。連續電流I1 也導致較高的電壓路徑增益。
第2圖係表示根據本發明實施例之控制電路100。轉導放大器(Gm)110接收信號VFB 以及參考信號VR 以產生電壓路徑信號VEA 。電容器51耦接用於電壓迴路補償的電壓路徑信號VEA (顯示於第1圖)。電流源115提供偏壓電流IB1 給轉導放大器110。乘法-除法器130根據電壓迴路信號VEA 以及輸入電壓信號IAC 來產生”一切換電流控制信號VM ”。
合成電路(IAV )150接收切換電流信號VS ，以產生合成電流信號VI 。切換電流信號VS 只在切換信號SW 的導通時間TON 期間中為有效的。由於電晶體30關閉，因此在切 換信號SW 的關閉時間期間中切換電流信號VS 其數值為0，這顯示於第1A圖以及第1B圖。在電感器20之放電期間(切換信號SW 的關閉期間)，合成電路150用來模擬(emulate)切換電流IL 。因此，合成電流信號VI 包括切換電流信號VS 以及其在放電期間的放電信號。信號VFB 、輸入電壓信號IAC 、切換電流信號VS 、以及切換信號SW 耦合至合成電路150以模擬放電信號。合成電路150更產生耦合至偵測電路(DET)200之信號IVO 與IVIN 。信號IVO 與輸出電壓VO 的位準相關聯。信號IVIN 與輸入電壓VIN 之位準相關聯。偵測電路200接收切換信號SW 、輸入電壓信號IAC 、以及脈波信號PLS，以產生CCM信號(模式信號)SCCM 。CCM信號SCCM 用來指示CCM或DCM操作。例如，在此實施例中，當切換電流IL 操作在CCM時，產生CCM信號SCCM 。
轉導放大器(Gm)120接收切換電流控制信號VM 。以及合成電流信號VI ，以產生電流迴路信號IEA 。電容器53耦接關於電流迴路補償之電流迴路信號IEA 。電流源125與127形成偏壓電流IB2 給轉導放大器120。在DCM操作期間，電流源127關閉；而在CCM操作期間，電流源127開啟。開關145以及電流源127串聯於轉導放大器120與接地之間。開關145透過反向器140而受到CCM信號SCCM 控制而導通或關閉。因此，電流源127的開啟/關閉狀態係透過反向器140而由CCM信號SCCM 以及開關145所控制。偏壓電流源IB2 將提供最大輸出電流給轉導放大器120。與電容器53連結之轉導放大器120的最大輸出電流決定電流 迴路信號IEA 。脈波寬度調變(pulse width modulation)電路(PWM)300根據電流迴路信號IEA 產生切換信號SW 。PWM電路300更產生脈波信號PLS，耦合至偵測電路200。
第3圖係表示根據本發明實施例之合成電路150。在切換信號SW 之導通時間期間中，與電阻器161-163一起操作的放大器160透過開關165而對切換電流信號VS 取樣。在開關165關閉之後，切換電流信號VS 維持在電容器164。模擬電路170根據信號VFB 與輸入電壓信號IAC 而產生放電電流IDS 。放電電流IDS 用來使電容器167放電，以模擬在電感器20(第1圖)之放電期間中合成電流信號VI 的放電信號。模擬電路170更產生耦合至偵測電路200之信號IVO 與IVIN 。
模擬電路170用來產生放電電流IDS 。
其中，k為常數。
放電電流IDS 與放電時間TDS 相關聯。輸入電壓信號IAC 與輸入電壓VIN 相關聯。信號VFB 與輸出電壓VO 相關聯。與電容器167之電容相牽連的放電電流IDS 決定放電時間TDS 。
第4圖係表示根據本發明實施例的模擬電路170。放大器171、電阻器173、以及電晶體172形成電壓-電流轉換器，以根據信號VFB 產生電流I172 。電晶體180、181、182、185、與186形成第一電流鏡以產生信號IVO 以及電流I182 。電晶體192、193、與194形成第二電流鏡以產生信號IVIN 以及電流I192 。電晶體195與196則形成第三電流鏡以根據電流I182 與電流I192 產生放電電流IDS 。
其中，R41 、R42 、以及R173 分別是電阻器41、42、以及173之電阻值。
式(8)所表示的放電電流IDS 可表示如式(9)： 其中，k1與k2為電流鏡比率。
切換電流信號VS 之充電斜率等於合成電流信號VI 之放電斜率，其表示如式(10)： 其中，R35 表示電阻器35之電阻值。
其可重寫為如式(11)與式(12)：
VIN ×kA ×TON =(VO ×kB -VIN ×kC )×TDS -------------------(12)其中，R50 表示電阻器50之電阻值。C167 表示電容器167之電容。
設定kB =kC 時，則。
式(12)可重寫為如式(7)：
第5圖係表示根據本發明實施例之偵測電路200。信號IVIN 用來在切換信號SW 之導通時間期間中透過電晶體210、211、215、與216以及開關220來對電容器230充電。當切換信號SW 關閉時，信號IVO 與信號IVIN 在放電時間TDS 期間中透過開關225以及電晶體217來使電容器230放電。放電信號SD 控制開關225。放電信號SD 的致能即是代表著放電時間TDS 。切換信號SW 控制開關220。脈波產生器250根據切換信號SW 之上升緣產生脈波信號SP (一併參閱第7圖)，用以透過電晶體251使電容器230放電。因此，鋸齒信號S230 反應於切換信號SW 而產生於電容器230。
比較器240用來比較鋸齒信號S230 與臨界值VT 。當切換信號SW 關閉且鋸齒信號S230 高於臨界值VT 時，比較器240之輸出透過及閘242以及反向器241來致能放電信號SD 。放電信號SD 以及脈波信號PLS耦合至正反器260以產生CCM信號SCCM 。脈波信號PLS之上升緣實施來致能切換信號SW 以及拴鎖放電信號SD 的狀態(於正反器260中)。假使在放電時間TDS (放電信號SD )結束之前切換信號SW 被致能(開始一個切換週期)，切換操作為CCM。式(13)表示偵測電路200之操作。
(IVIN ×ka)×TON =(IVO -IVIN ×kb)×TDS ---------------------(13)
式(13)可表示如式(14)：(VIN ×kc)×TON =(VO ×kd-VIN ×ke)×TDS ------------------(14)設定kd=ke以及時，式(14)將如同於式(7)。其中，ka、kb、kc、kd、以及ke為電路參數所決定之常數。
第6圖係表示PWM電路300之參考電路。振盪器(OSC)310產生脈波信號PLS以及斜坡信號RMP。脈波信號PLS用來產生切換信號SW 以及提供停滯時間(dead-time)給切換信號SW 。斜坡信號RMP藉由比較器320來與電流迴路信號IEA 比較，以重置正反器350。透過及閘360以及輸出緩衝器365，正反器350產生切換信號SW 。
第7圖係表示第6圖中斜坡信號RMP、脈波信號PLS、切換信號SW 、以及第7圖中脈波信號SP 之波形。一併參閱第6與7圖，脈波信號PLS以及斜坡信號RMP。脈波信號PLS用來產生切換信號SW 以及提供停滯時間(dead-time)給切換信號SW 。而脈波信號SP 則是根據切換信號SW 之上升緣通過脈波產生器250而產生。
第8圖係表示轉導放大器120之等效電路。電容53耦接轉導放大器120之輸出。等效輸出電阻ROT 以及電容器53之電容形成低通濾波器以濾波電流迴路信號IEA 。轉導放大器120之增益Gm可以表示為： 其中，IOT 表示等效電流。VINP 表示轉導放大器120之差動 輸入電壓。
第9圖係表示第8圖所顯示之電路的等效電路。
VOT =IOT ×ROT =Gm ×VINP ×ROT
然而，轉導放大器120之最大輸出電壓被其供應電壓VCC 所限制，其中，等效電壓VOT 將根據差動輸入電壓VINP 之一較高數值而飽和且被供電電壓VCC 箝制。等效輸出電阻可表示為： 其中，m為常數。
根據式(15)，可以發現等效輸出電阻(也稱為輸出阻抗)ROT 可根據偏壓電流IB2 的變化所改變。與電容器53連結的等效輸出電阻ROT 產生關於迴路補償之極點(pole)FP 。極點FP 將減少電流迴路增益。較低的偏壓電流IB2 產生較高的等效輸出電阻ROT 以及較低的頻率極點FP 。
根據本發明，較低的偏壓電流IB2 用來減少頻寬以及電流迴路增益以穩定CCM操作。較高的偏壓電流IB2 用來增加頻寬以實現為較佳的PF數值給PFC功率轉換器。
第10圖係表示切換電流控制信號VM 、合成電流信號VI 、等效電壓VOT 、以及電流迴路信號IEA 之波形。
本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界 定者為準。
第1圖：
10‧‧‧整流器
20‧‧‧電感器
30‧‧‧電晶體
35‧‧‧電阻器
40‧‧‧電感器
41、42‧‧‧電阻器
45‧‧‧電容器
50‧‧‧電阻器
51、53‧‧‧電容器
100‧‧‧控制電路
IAC ‧‧‧輸入電壓信號
IEA ‧‧‧電流迴路信號
IL ‧‧‧切換電流
SW ‧‧‧切換信號
VAC ‧‧‧AC電壓
VEA ‧‧‧電壓迴路信號
VFB ‧‧‧信號
VIN ‧‧‧輸入電壓
VO ‧‧‧輸出電壓
VS ‧‧‧切換電流信號
第1A-1B圖：
I1 ‧‧‧連續電流
IL ‧‧‧切換電流
SW ‧‧‧切換信號
TON ‧‧‧導通時間
VS ‧‧‧切換電流信號
第2圖：
100‧‧‧控制電路
110‧‧‧轉導放大器(Gm)
115‧‧‧電流源
120‧‧‧轉導放大器(Gm)
125、127‧‧‧電流源
130‧‧‧乘法-除法器
140‧‧‧反向器
145‧‧‧開關
150‧‧‧合成電路(IAV )
200‧‧‧偵測電路(DET)
300‧‧‧脈波寬度調變電路(PWM)
IAC ‧‧‧輸入電壓信號
IB1 、IB2 ‧‧‧偏壓電流
IEA ‧‧‧電流迴路信號
IVO 、IVIN ‧‧‧信號
PLS‧‧‧脈波信號
SCCM ‧‧‧CCM信號(模式信號)
SW ‧‧‧切換信號
VEA ‧‧‧電壓迴路信號
VFB ‧‧‧信號
VI ‧‧‧合成電流信號
VM ‧‧‧切換電流控制信號
VR ‧‧‧參考信號
VS ‧‧‧切換電流信號
第3圖：
150‧‧‧合成電路(IAV )
160‧‧‧放大器(Gm)
161...163‧‧‧電阻器
165‧‧‧開關
167‧‧‧電容器
170‧‧‧模擬電路
IAC ‧‧‧輸入電壓信號
IDS ‧‧‧放電電流
IVO 、IVIN ‧‧‧信號
SW ‧‧‧切換信號
VFB ‧‧‧信號
VI ‧‧‧合成電流信號
VS ‧‧‧切換電流信號
第4圖：
170‧‧‧模擬電路
171‧‧‧放大器
173‧‧‧電阻器
172‧‧‧電晶體
180、181、182、185、186‧‧‧電晶體
192、193、194‧‧‧電晶體
195、196‧‧‧電晶體
I172 、I182 、I192 ‧‧‧電流
IAC ‧‧‧輸入電壓信號
IDS ‧‧‧放電電流
IVO 、IVIN ‧‧‧信號
VCC ‧‧‧供應電壓
VFB ‧‧‧信號
第5圖：
200‧‧‧偵測電路(DET)
210、211、215、216‧‧‧電晶體
220‧‧‧開關
230‧‧‧電容器
217‧‧‧電晶體
225‧‧‧開關
251‧‧‧電晶體
240‧‧‧比較器
241‧‧‧反向器
242‧‧‧及閘
250‧‧‧脈波產生器
260‧‧‧正反器
IVO 、IVIN ‧‧‧信號
PLS‧‧‧脈波信號
S230 ‧‧‧鋸齒信號
SCCM ‧‧‧CCM信號(模式信號)
SD ‧‧‧放電信號
SP ‧‧‧脈波信號
SW ‧‧‧切換信號
VCC ‧‧‧供應電壓
VT ‧‧‧臨界值
第6圖：
300‧‧‧脈波寬度調變電路(PWM)
310‧‧‧振盪器(OSC)
320‧‧‧比較器
350‧‧‧正反器
360‧‧‧及閘
365‧‧‧輸出緩衝器
IEA ‧‧‧電流迴路信號
PLS‧‧‧脈波信號
RMP‧‧‧斜坡信號
SW ‧‧‧切換信號
VCC ‧‧‧供應電壓
第7圖：
PLS‧‧‧脈波信號
RMP‧‧‧斜坡信號
SP ‧‧‧脈波信號
SW ‧‧‧切換信號
第8圖：
53‧‧‧電容器
IEA ‧‧‧電流迴路信號
IOT ‧‧‧等效電流
ROT ‧‧‧等效輸出電阻
VI ‧‧‧合成電流信號
VINP ‧‧‧差動輸入電壓
VM ‧‧‧切換電流控制信號
第9圖：
53‧‧‧電容器
IEA ‧‧‧電流迴路信號
ROT ‧‧‧等效輸出電阻
VI ‧‧‧合成電流信號
VINP ‧‧‧差動輸入電壓
VM ‧‧‧切換電流控制信號
VOT ‧‧‧等效電壓
第10圖：
IEA ‧‧‧電流迴路信號
PLS‧‧‧脈波信號
VI ‧‧‧合成電流信號
VM ‧‧‧切換電流控制信號
第1圖表示PFC功率轉換器；第1A圖表示第1圖中切換信號、切換電流、以及切換電流信號之DCM波形；第1B圖表示第1圖中切換信號、切換電流、以及切換電流信號之CCM波形；第2圖表示根據本發明實施例在第1圖之PFC功率轉換器中的控制電路；第3圖表示根據本發明實施例在第2圖之控制電路中的合成電路；第4圖表示根據本發明實施例在第3圖之合成電路中的模擬電路；第5圖表示根據本發明實施例在第2圖之控制電路中的偵測電路；第6圖表示根據本發明實施例在第2圖之控制電路中的PWM電路；第7圖表示在第2圖之控制電路中斜坡信號、脈波信號、切換信號、以及脈波信號之波形；第8以及9圖表示在第2圖之控制電路中轉導放大器的等效電路；以及第10圖表示在第2圖之控制電路中切換電流控制信號、合成電流信號、等效電壓、以及電流迴路信號之波形。
100‧‧‧控制電路
110‧‧‧轉導放大器(Gm)
115‧‧‧電流源
120‧‧‧轉導放大器(Gm)
125、127‧‧‧電流源
130‧‧‧乘法-除法器
140‧‧‧反向器
145‧‧‧開關
150‧‧‧合成電路(IAV )
200‧‧‧偵測電路(DET)
300‧‧‧脈波寬度調變電路(PWM)
IAC ‧‧‧輸入電壓信號
IB1 、IB2 ‧‧‧偏壓電流
IEA ‧‧‧電流迴路信號
IVO 、IVIN ‧‧‧信號
PLS‧‧‧脈波信號
SCCM ‧‧‧CCM信號(模式信號)
SW ‧‧‧切換信號
VEA ‧‧‧電壓迴路信號
VFB ‧‧‧信號
VI ‧‧‧合成電流信號
VM ‧‧‧切換電流控制信號
VR ‧‧‧參考信號
VS ‧‧‧切換電流信號

Claims (15)

  1. 一種功率因子校正(power factor correction，PFC)功率轉換器之控制電路，包括：一脈波寬度調變電路，用以根據一迴路信號產生一切換信號；一放大器，耦合來接收一切換電流以產生該迴路信號；一偵測電路，用以產生一模式信號，該模式信號耦合來改變該放大器之輸出阻抗；以及一電容器，耦接該放大器；其中，該切換信號耦合來切換該PFC功率轉換器之一電感且產生該切換電流。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之PFC功率轉換器之控制電路，其中，該模式信號指示一連續電流模式(continuous current mode，CCM)或一非連續電流模式(discontinuous current mode，DCM)。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之PFC功率轉換器之控制電路，其中，該模式信號係根據該PFC功率轉換器之一輸入電壓、該PFC功率轉換器之一輸出電壓、以及該切換信號而產生。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之PFC功率轉換器之控制電路，其中，該放大器為一轉導放大器。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之PFC功率轉換器之控制電路，其中，該模式信號耦合來改變該放大器之一偏壓電流。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之PFC功率轉換器之控制電路，其中，該迴路信號為藉由比較該切換電流與一控制信號而產生之一電流迴路信號。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之PFC功率轉換器之控制電路，其中，該控制信號是根據該PFC功率轉換器之一輸入信號而產生。
  8. 一種功率因子校正(power factor correction，PFC)功率轉換器之控制方法，包括：根據一迴路信號產生一切換信號；根據一切換電流以產生該迴路信號；產生一模式信號，用以改變該放大器之輸出阻抗；以及以一電容器補償該迴路信號；其中，該切換信號耦合來切換該PFC功率轉換器之一電感且產生該切換電流。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之PFC功率轉換器之控制方法，其中，該模式信號指示一連續電流模式(continuous current mode，CCM)或一非連續電流模式(discontinuous current mode，DCM)。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之PFC功率轉換器之控制方法，其中，該模式信號係根據該PFC功率轉換器之一輸入電壓、該PFC功率轉換器之一輸出電壓、以及該切換信號而產生。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之PFC功率轉換器之控制方法，其中，該放大器為一轉導放大器。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之PFC功率轉換器之控制方法，其中，該模式信號耦合來改變該放大器之一偏壓電流。
  13. 如申請專利範圍第8項所述之PFC功率轉換器之控制方法，其中，該迴路信號為藉由比較該切換電流與一控制信號而產生之一電流迴路信號。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之PFC功率轉換器之控制方法，其中，該控制信號是根據該PFC功率轉換器之一輸入信號而產生。
  15. 如申請專利範圍第8項所述之PFC功率轉換器之控制方法，其中，與該迴路信號相連結之阻抗以及該電容器之電容形成一低通濾器以濾波該迴路信號。
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