TWI758707B - 功率因數校正電路、控制方法和控制器 - Google Patents

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Abstract

公開了一種功率因數校正電路、控制方法和控制器，透過根據測量的總諧波失真和各諧波分量的幅值比例調整電流基準訊號，以在進行功率因數校正的同時最小化總諧波失真，從而不需要針對單獨某一類影響總諧波失真指標的因素做專門的補償設計，簡化了整體的控制方法。

Description

功率因數校正電路、控制方法和控制器
本發明涉及電力電子技術，具體涉及一種功率因數校正電路、控制方法和控制器。
功率因數(Power Factor，PF)是電壓與電流之間的相位差的餘弦，也可表示為有效功率和視在功率的比值。功率因數是用來衡量用電設備用電效率的參數，低功率因數代表低電力效能。透過進行功率因數校正(Power Factor Correction，PFC)操作，可以消除或減小電壓和電流之間的相差，從而提高系統的功率因數，提高有功功率的傳輸效率，改善電網環境。
有源PFC電路通常依靠快速的輸入電流閉環調節，使得PFC的輸入電流能夠實時跟蹤正弦的交流輸入電壓，達成功率因數校正的目的。當今工業界對功率因數校正的性能在總諧波失真(Total Harmonic Distortion，THD)方面提出的要求越來越高，除了在重載條件下的總諧波失真要求以外，還專門針對半載條件甚至輕載條件規定了與重載條件下相當規格的總諧波失真要求。
現有的降低總諧波失真的方案通常針對影響 總諧波失真指標的因素進行理論分析，進而基於建立的模型來提出對應的補償控制策略。但是，這類方案通常只適用於某一個特定的條件。
有鑒於此，本發明涉及一種功率因數校正電路、控制方法和應用所述控制方法的控制器，以透過較為普適的方法改善功率因數校正電路的總諧波失真。
第一方面，提供一種功率因數校正電路，包括：功率計，用於測量輸入端口的總諧波失真(THD)和各諧波分量的幅值比例；開關型調節器，受控於開關控制訊號以調節輸入訊號的功率因數；以及，控制器，被配置為產生開關控制訊號控制所述開關型調節器以進行功率因數校正，其中，所述控制器根據測量的總諧波失真和各諧波分量幅值比例調整電流基準訊號以最小化總諧波失真，所述電流基準訊號用於表徵預期的電感電流。
較佳地，所述控制器被配置為在電流基準訊號中反相疊加預定的至少一個諧波分量以調整所述電流基準訊號。
較佳地，所述控制器被配置為根據測量的總諧波失真調整各諧波分量的相位以最小化總諧波失真。
較佳地，所述控制器被配置為按照預定順序逐一先根據測量的各諧波分量的幅值比例設置對應的各諧波分量的幅值比例，然後調整各諧波分量的相位直至測量的總諧波失真不再下降。
較佳地，所述各諧波分量的相位由零遞增，直至測量的總諧波失真不再下降。
較佳地，將相位進行分區，判斷各諧波分量的相位所在的區域，在該區域中調整各諧波分量的相位直至測量的總諧波失真不再下降。
較佳地，選擇各諧波分量的相位所在的區域的中點作為起點，判斷相位調節方向為增大或減小，按照判斷的方向繼續調整各諧波分量的相位直至測量的總諧波失真不再下降。
較佳地，所述控制器被配置為在輸入電壓採樣訊號上疊加與各諧波分量對應的、幅值比例相同、相位相反的電壓諧波，並將進行疊加操作後的訊號與補償訊號相乘產生電流基準訊號，其中，所述輸入電壓採樣訊號用於表徵所述開關型調節器的輸入電壓，所述各諧波分量根據所述輸入電壓採樣訊號獲取，所述補償訊號表徵電壓基準訊號和輸出電壓的差；或者，所述控制器被配置為將各諧波分量對應的、幅值比例相同、相位相反的電壓諧波分別與補償訊號相乘，再將各相乘後的訊號疊加在輸入電壓採樣訊號與補償訊號的乘積上產生電流基準訊號，其中，所述輸入電壓採 樣訊號用於表徵所述開關型調節器的輸入電壓，所述各諧波分量根據所述輸入電壓採樣訊號獲取，所述補償訊號表徵電壓基準訊號和輸出電壓的差。
較佳地，所述電壓諧波為將各諧波分量和對應的各諧波分量的幅值比例的乘積經過相位調節後得到。
較佳地，所述電壓諧波為各諧波分量經過相位調節後與對應的各諧波分量的幅值比例的乘積。
較佳地，所述預定的至少一個諧波分量為與基波相鄰的一個或多個諧波分量。
第二方面，提供一種控制方法，用於控制進行功率因數校正的開關型調節器，所述方法包括：根據測量的總諧波失真和各諧波分量的幅值比例調整所述開關型調節器的電流基準訊號以最小化所述總諧波失真。
較佳地，透過在電流基準訊號中反相疊加預定的至少一個諧波分量以調整所述電流基準訊號。
較佳地，根據測量的總諧波失真和各諧波分量的幅值比例調整所述開關型調節器的電流基準訊號包括：根據測量的總諧波失真調整各諧波分量的相位以最小化總諧波失真。
較佳地，各諧波分量按照預定順序逐一先根據測量的各諧波分量的幅值比例設置對應的各諧波分量的幅值比例，然後調整各諧波分量的相位直至測量的總諧波 失真不再下降。
較佳地，所述各諧波分量的相位幅值由零遞增，直至測量的總諧波失真不再下降。
較佳地，將相位進行分區，判斷各諧波分量的相位所在的區域，在該區域中調整各諧波分量的相位直至測量的總諧波失真不再下降。
較佳地，選擇各諧波分量的相位所在的區域的中點作為起點，判斷相位調節方向為增大或減小，按照判斷的方向繼續調整各諧波分量的相位直至測量的總諧波失真不再下降。
較佳地，所述控制器被配置為在輸入電壓採樣訊號上疊加與各諧波分量對應的、幅值比例相同、相位相反的電壓諧波，並將進行疊加操作後的訊號與補償訊號相乘產生電流基準訊號，其中，所述輸入電壓採樣訊號用於表徵所述開關型調節器的輸入電壓，所述各諧波分量根據所述輸入電壓採樣訊號獲取，所述補償訊號表徵電壓基準訊號和輸出電壓的差；或者，所述控制器被配置為將各諧波分量對應的、幅值比例相同、相位相反的電壓諧波分別與補償訊號相乘，再將各相乘後的訊號疊加在輸入電壓採樣訊號與補償訊號的乘積上產生電流基準訊號，其中，所述輸入電壓採樣訊號用於表徵所述開關型調節器的輸入電壓，所述各諧波分量根據所述輸入電壓採樣訊號獲取，所述補償訊號表徵電壓基準訊號和輸出電壓的差。
第三方面，提供一種控制器，包括：處理器；用於儲存處理器可執行指令的記憶體；其中，所述處理器被配置為適於執行如上所述的方法。
本發明的技術方案透過根據測量的總諧波失真和各諧波分量的幅值比例調整電流基準訊號以在進行功率因數校正的同時最小化總諧波失真，從而不需要針對單獨某一類影響總諧波失真指標的因素做專門的補償設計就能夠有效降低總諧波失真，簡化了整體的控制方法。
1:功率計
2:功率因數校正器
3:控制器
21:整流電路
22:開關型調節器
51:減法器
52:電壓補償模組
53:乘法器
54:減法器
55:電流補償模組
56:PWM產生模組
61:諧波產生模組
62:諧波幅值比例設置模組
63:諧波相位調節模組
64:加法器
65-1:乘法器
65-n:乘法器
C1:電容
D1:二極體
L1:電感
M:開關
m:中間端
透過以下參照圖式對本發明實施例的描述，本發明的上述以及其它目的、特徵和優點將更為清楚，在圖式中：[圖1]是本發明功率因數校正電路的示意圖；[圖2]是本發明功率因數校正電路的功率級的實施例示意圖；[圖3]是本發明控制方法的流程圖；[圖4]是本發明調節諧波相位的方法一流程圖；[圖5]是本發明調節諧波相位的方法二流程圖； [圖6]是現有技術的控制器的資料流向圖；[圖7]是本發明控制器實施例一的資料流向圖；[圖8]是本發明控制器實施例二的資料流向圖；[圖9]是本發明實施例的功率因數校正電路的工作波形圖；[圖10]是本發明實施例的功率因數校正電路的另一個工作波形圖。
以下基於實施例對本發明進行描述，但是本發明並不僅僅限於這些實施例。在下文對本發明的細節描述中，詳盡描述了一些特定的細節部分。對本領域技術人員來說沒有這些細節部分的描述也可以完全理解本發明。為了避免混淆本發明的實質，公知的方法、過程、流程、元件和電路並沒有詳細敘述。
此外，本領域普通技術人員應當理解，在此提供的圖式都是為了說明的目的，並且圖式不一定是按比例繪製的。
同時，應當理解，在以下的描述中，“電路”是指由至少一個元件或子電路透過電氣連接或電磁連接構成的導電回路。當稱元件或電路“連接到”另一元件或稱元件/電路“連接在”兩個節點之間時，它可以是直接耦接或 連接到另一元件或者可以存在中間元件，元件之間的連接可以是物理上的、邏輯上的、或者其結合。相反，當稱元件“直接耦接到”或“直接連接到”另一元件時，意味著兩者不存在中間元件。
除非上下文明確要求，否則整個說明書和申請專利範圍中的“包括”、“包含”等類似詞語應當解釋為包含的含義而不是排他或窮舉的含義；也就是說，是“包括但不限於”的含義。
在本發明的描述中，需要理解的是，術語“第一”、“第二”等僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。此外，在本發明的描述中，除非另有說明，“多個”的含義是兩個或兩個以上。
諧波失真是指由系統內的非線性元件引起的輸出訊號比輸入訊號含有額外的諧波成分。總諧波失真(THD)定義為在特定階數H以內的所有諧波分量的有效值Gn與基波分量的有效值G1比值的平方和根，也即，
Figure 109111600-A0305-02-0010-1
當一個設備的總諧波失真(THD)過高時，會引起電源網路上的電壓和電流波形畸變，進而影響該電源網路中其他設備的正常工作。在有源功率因數校正(PFC)電路中，由於含有非線性元件，輸入電流中會含有高次諧波，為了不影響電源網路，必須降低其總諧波失真(THD)。
圖1是本發明實施例的功率因數校正電路的示意圖。如圖1所示，本實施例的功率因數校正電路包括功率計1、功率因數校正器2和控制器3。其中，功率計1和功率因數校正器2構成了功率因數校正電路的功率級。
圖2是所述功率級的示意圖。如圖2所示，功率因數校正器2可以包括整流電路21和開關型調節器22。整流電路21用於將輸入源AC輸入的交流電Iac轉換為直流電。整流電路21可以採用各種現有的整流電路來實現，例如半橋整流電路或全橋整流電路。開關型調節器22用於受控於開關控制訊號Q進行功率因數校正。在圖2中，以採用升壓型拓撲(BOOST)的開關型調節器22為例進行說明。但是，本領域技術人員容易理解，開關型調節器22也可以替換為其它的拓撲，包括但不限於降壓型拓撲(BUCK)、升降壓型拓撲(BUCK-BOOST)以及反激型拓撲(FLYBACK)等。在圖2中，開關型調節器22包括用於儲能的電感L1、開關M、二極體D1和電容C1。其中，電感L1連接在輸入端和中間端m之間。開關M連接在中間端m和接地端之間。二極體D1連接在中間端m和輸出端之間，用於對來自電感的電流進行整流。電容C1連接在輸出端和接地端之間，用於對輸出電壓進行濾波。開關M受控於開關控制訊號Q在導通和關斷之間切換，從而控制電感電流的變化，以主動方式校正功率因數。
為了實現本實施例的降低總諧波失真的目的，功率級中還設置有多個採樣電路以對開關型調節器22 的輸入電壓Vin、輸出電壓Vout以及電感電流IL進行採樣，輸出輸入電壓採樣訊號SVin、輸出電壓採樣訊號SVout和電感電流採樣訊號SIL。上述各採樣訊號被反饋到控制器3以作為產生開關控制訊號Q的依據。同時，功率計1連接在功率校正器2的輸入端口，用於測量輸入端口訊號的總諧波失真THD和各諧波分量的幅值比例Hn。測量的總諧波失真和各諧波分量的幅值比例也被反饋到控制器3作為產生開關控制訊號Q的依據。
控制器3被配置為根據輸入電壓採樣訊號SVin、輸出電壓採樣訊號SVout、電感電流採樣訊號SIL、測量的總諧波失真THD以及各諧波分量的幅值比例Hn來產生開關控制訊號Q控制開關型調節器22。具體地，控制器3控制開關型調節器22的電感電流趨向於由電流基準訊號表徵的預期的電感電流。其中，電感電流採樣訊號SIL可以表徵電感電流IL的平均值或峰值或實時變化值。其中，控制器3根據測量的總諧波失真THD和各諧波分量的幅值比例Hn調整電流基準訊號以在進行功率因數校正的同時最小化總諧波失真。可選地，控制器3採用數位方式來執行控制策略產生對應的開關控制訊號Q。也就是說，控制器3將測量的總諧波失真THD納入到控制環路中，透過閉環控制以最小化總諧波失真為目標之一產生開關控制訊號Q。由此，根據測量的總諧波失真和各諧波分量的幅值比例調整電流基準訊號，可以在進行功率因數校正的同時最小化總諧波失真，從而不需要針對單獨某一類影響總諧波失真指 標的因素做專門的補償設計就能夠抑制總諧波失真，簡化了整體的控制方法。
如上所述，諧波失真是指由系統內的非線性元件引起的輸出訊號比輸入訊號含有額外的諧波成分。由於輸入到功率因數校正電路的功率級的交流電是周期訊號。根據傅立葉分析，周期訊號均可以分解為直流訊號和不同的頻率的正弦訊號的疊加。根據周期訊號的波形可以獲取周期訊號含有的各次諧波分量的波形(也即，與周期訊號的頻率成倍數關係的正弦波)，由此，可以在訊號上疊加有效值相同，相位相反的各次諧波訊號(也即，反相疊加)，以抵消其含有的各次諧波分量，達到降低總諧波失真(THD)的效果。具體的，疊加的各次諧波訊號按照功率計1得到的輸入訊號的各諧波分量的幅值比例Hn設置各諧波分量的幅值比例，然後調節各諧波分量的相位，使得總諧波失真THD最小，從而達到反向疊加有效值相同的諧波訊號的效果。進一步地，由於開關型調節器22的電感電流實際上與輸入的交流訊號基本相同，也即，IL=Iac，而且，控制器3包括電流控制環路以控制使得電感電流IL逼近電流基準訊號Iref。因此，可以在電流基準訊號Iref中反相疊加預定的至少一個諧波分量以調整電流基準訊號Iref，進而實現對於電感電流IL的調整，從而抵消輸入交流電中不需要的諧波分量，降低或最小化總諧波失真。
較佳地，由於偶次諧波分量(例如2次諧波分量、4次諧波分量等)在整流中會因為兩相對稱而抵消，因 此，只需要反相疊加奇次諧波分量時進行操作即可就可以大幅降低總諧波失真。當然，容易理解，也可以對於偶次諧波分量和奇次諧波分量均反相疊加到電流參考訊號，這樣可以更加精確地降低總諧波失真，但是計算複雜度會有所上升。
其中，預定的一個或多個諧波分量有系統設計者設定。例如，可以將控制器3配置為僅對3次諧波進行補償，具體的，按照功率計1得到的輸入訊號的3次諧波分量的幅值比例H3設置3次諧波分量的幅值比例，並調節其相位，使得其與輸入訊號的3次諧波分量反向，如果輸入訊號中還包含5次諧波或7次諧波，則可能得不到補償，但是系統的會具有較低的複雜度，反應速度快。又例如，還可以將控制器3配置為對3次諧波、5次諧波、7次諧波、9次諧波等均進行補償，如果輸入訊號中僅包含5次諧波和7次諧波，則按照功率計1得到的輸入訊號的各諧波分量的幅值比例Hn，3次諧波和9次諧波的幅值比例被設置為零，5次諧波和7次諧波的幅值比例不為零，並調節分別調節5次諧波和7次諧波的相位，使得其分別與輸入訊號的5次諧波分量和7次諧波分量反向，由此，可以對較多的諧波分量進行補償。
在本實施例中，測量的總諧波失真被引入到控制環路中以輔助確定疊加的各次諧波分量的相位，以使得疊加的各次諧波分量分別與輸入訊號中各諧波分量的相位相反。可選地，控制器3被配置為按照功率計1得到的輸 入訊號的各諧波分量的幅值比例Hn設置疊加的各諧波分量的幅值比例後，根據測量的總諧波失真調整各諧波分量的相位以最小化總諧波失真。
圖3是本實施例所採用的控制方法的流程圖。如圖3所示，所述方法包括： 步驟S100、獲取測量的總諧波失真THD、各諧波分量的幅值比例Hn、輸入電壓採樣訊號SVin、電感電流採樣訊號SIL以及輸出電壓採樣訊號SVout。
步驟S200、根據各諧波分量的幅值比例Hn和總諧波失真THD調節電流基準訊號Iref以最小化總諧波失真THD。
當然，在步驟S200中，還需要在其它的控制環路中基於輸入電壓採樣訊號SVin、電感電流採樣訊號SIL以及輸出電壓採樣訊號SVout來達成其原有的進行功率因數校正的目的。
具體地，步驟S200最小化總諧波失真THD的目的可以透過逐一設置各次諧波分量的幅值比例，調節各次諧波分量的相位實現。圖4所示為本發明調節諧波分量相位的方法一流程圖，其中諧波分量相位調節為遞增方式，其具體包括如下步驟： 步驟S210、根據輸入電壓採樣訊號獲取預定的至少一個諧波分量的波形。
由於輸入電壓中的諧波分量可能很多，因此，通常只能對頻率與基波頻率靠近的一個或多個諧波分 量來進行補償。其中，預先對於預定的多個諧波分量進行排序，後面按順序來逐一地按照測量的各諧波分量的幅值比例Hn分別對應設置諧波分量的幅值比例，並調整諧波分量的相位。
步驟S220、將所有諧波分量的幅值比例的初始值和相位均設為零。步驟S230、根據測量的各次諧波分量幅值比例Hn獲取待調節的諧波分量的幅值比例； 步驟S240、在電流基準訊號上加入同樣幅值比例的反向諧波分量。
具體地，可以先計算獲取諧波分量波形，然後與諧波分量對應的幅值比例乘積後，反相疊加在電流基準訊號Iref上。
步驟S250、遞增當前諧波波形的相位。其中，可以按照預定的步長來進行遞增操作，也可以每次計算不同的增加幅度。
步驟S260、在調整了電流基準訊號後，測量獲取新的總諧波失真。
步驟S270、判斷遞增當前諧波分量的相位後，總諧波失真是否減小，如果減小則轉步驟S250，繼續遞增當前諧波分量的相位，如果未減小，則說明遞增前的諧波分量的相位與當前諧波分量在輸入訊號中的實際相位相反，因此轉步驟S280。
步驟S280、將當前諧波分量的相位恢復到總諧波失真增大之前的值。
同時，保持在電流基準訊號上疊加具有該相位的當前諧波分量。
步驟S290、將下一個諧波分量切換為當前諧波分量，返回步驟S230，對下一個諧波分量來進行相位的調整。
上述調節相位遞增的方式簡單，但在相位比較大時，則可能找到使得總諧波失真最小的諧波分量的相位比較慢。而分區方式可以加快尋找使得總諧波失真最小的諧波分量的相位，圖5為本發明調節諧波相位的方法二流程圖，其中諧波分量相位調節為分區方式，其具體包括如下步驟： 步驟S210、根據輸入電壓採樣訊號獲取預定的至少一個諧波分量的波形。
由於輸入電壓中的諧波分量可能很多，因此，通常只能對頻率與基波頻率靠近的一個或多個諧波分量來進行補償。其中，預先對於預定的多個諧波分量進行排序，後面按順序來逐一地按照測量的各諧波分量的幅值比例Hn分別對應設置諧波分量的幅值比例，並調整諧波分量的相位。
步驟S211、將所有諧波分量的幅值比例和相位的初始值均設為零；步驟S212、獲取當前的總諧波失真THD記為THD0；步驟S213、根據測量的各諧波分量幅值比例 Hn獲取待調節的諧波分量的幅值比例，在電流基準訊號上加入同樣幅值比例的反向諧波分量。
具體地，可以先計算獲取諧波分量波形，然後與諧波分量對應的幅值比例乘積後，反相疊加在電流基準訊號Iref上。
步驟S214、將加入的反向諧波分量的相位依次設置為0°、120°、240°，獲取新的總諧波失真THD並記錄為THD1、THD2、THD3。
步驟S215、比較THD0，THD1，THD2，THD3的大小，得到反向諧波分量相位值所在的角度區間。
具體的，若THD1，THD2，THD3均大於THD0，則說明該反向諧波分量的含量不進行該次諧波補償。比較THD1，THD2，THD3的大小，得到反向諧波分量相位值所在的角度區間。
需要注意的是，步驟S214和步驟S215分區方式多種多樣，這裏僅僅給出了一個實施例，本發明對比不進行限制。
步驟S216、將加入的反向諧波相位值設置為相位區間的中點，獲取新的總諧波失真THD並記錄；步驟S217、增大相位值，獲取新的總諧波失真THD；步驟S218、判斷增大相位值後，總諧波失真THD是否減小，若THD減小，說明相位調節方向為增大， 轉到步驟S219，若THD未減小，說明相位調節為減小，則轉步驟220；步驟S219、相位調節方向為增大；步驟S220、相位調節方向為減小；步驟S221、按照方向繼續調節加入的反向諧波的相位值；具體的，若相位調節方向為增加，則遞增當前相位值；若相位方向為減小，則遞減當前相位值；步驟S222、獲取新的THD；步驟S223、判斷總諧波失真THD是否減小，如果減小則轉步驟S221，繼續按照方向調節當前諧波分量的相位，如果未減小，則說明遞增前的諧波分量的相位與當前諧波分量在輸入訊號中的實際相位相反，因此轉步驟S224。
步驟S224、將相位值恢復到總諧波失真增大之前的值，調節結束，保持在電流基準訊號上疊加具有該相位的當前諧波分量。將下一個諧波分量切換為當前諧波分量，返回步驟S212，對下一個諧波分量來進行相位的調整。
由此，對於預定的一個或多個諧波分量，以逐一掃描的方式根據測量的各諧波分量的幅值比例Hn分別對應設置諧波分量的幅值比例，然後調節諧波分量的相位，使得諧波分量的相位和其在輸入訊號中實際相位相反，從而總諧波失真達到最小值，減小了諧波失真。在系 統工作期間保持對於諧波分量相位的調整，從而可以始終抑制系統的總諧波失真。
需要說明的是，各諧波分量相位調整方式不止這兩種，例如還可以是在對於相位進行分區後，然後在區域內不斷遞增來獲取使得總諧波失真最小的相位，本發明的保護範圍為透過任意方式調節諧波分量的相位以使得總諧波失真最小的方法。
圖6是現有技術的控制器的資料流向圖。如圖6所示，控制器透過閉環控制來控制電感電流IL。其中，透過電壓環路來控制輸出電壓Vout，進而透過電流環路來控制電感電流IL。在現有技術中，透過減法器51獲取輸出電壓採樣訊號SVout和電壓基準訊號Vref差值，進而透過電壓補償模組52輸出補償訊號Vcmp。透過乘法器53將補償訊號Vcmp與輸入電壓採樣訊號Vin相乘。將乘法器53輸出的乘積訊號作為電流基準訊號Iref輸入到減法器54，減法器54獲取電流基準訊號Iref和電感電流採樣訊號SIL的差值，並經由電流補償模組55輸出表徵所需占空比的訊號D。PWM產生模組56根據表徵所需占空比的訊號D產生開關控制訊號Q。現有技術的控制器缺乏對於電路的總諧波失真進行補償的普適機制。
圖7是本發明控制器實施例一的資料流向圖。圖7所示，控制器除了設置有減法器51、電壓補償模組52、乘法器53、減法器54、電流補償模組55以及PWM產生模組56外，還包括諧波產生模組61、諧波幅值比例設置 模組62、諧波相位調節模組63、加法器64以及對應於預定的諧波分量的數量的乘法器65-1至65-n。其中，透過減法器51根據輸出電壓採樣訊號SVout和電壓基準訊號Vref獲取兩者差值，將兩者差值輸入到電壓補償模組52，進而透過電壓補償模組52輸出補償訊號Vcmp。諧波幅值比例設置模組62根據測量的各諧波分量的幅值比例Hn設置預定的各次諧波分量的幅值比例。諧波相位調節模組63根據測量的總諧波失真THD輸出各諧波分量對應的相位到諧波產生模組61，並調節該相位以最小化總諧波失真。諧波產生模組61根據輸入電壓採樣訊號SVin產生預定的各諧波分量，例如，3次諧波SH3、5次諧波SH5等，並且根據諧波相位調節模組63的輸出相位調節各諧波分量的相位。諧波幅值比例設置模組62輸出的幅值比例在乘法器65-1至65-n與諧波產生模組61輸出的對應的帶有相位的諧波分量相乘。相乘後的乘積實際上就是與輸入訊號諧波分量幅值比例相同幅值相反的各次諧波分量。所有諧波分量在加法器64與輸入電壓採樣訊號疊加，從而獲得一個輸出參量SVin’滿足：SVin’=SVin+SH3 * Ratio3+SH5 * Ratio5+...
其中，SVin’為疊加諧波分量後的參量，Ratioi為i次諧波分量對應的幅值比例，該比例由諧波幅值比例設置模組62根據功率計測量的各諧波分量的幅值比例Hn進行設置，SH3、SH5為帶有相位的諧波分量
乘法器53輸入訊號SVin’和補償訊號Vcmp，輸出兩者 的乘積作為電流基準訊號Iref。由此，電流基準訊號Iref滿足：Iref=Vcmp * (SVin+SH3 * Ratio3+SH5 * Ratio5+...)=Vcmp * SVin+Vcmp * SH3 * Ratio3+Vcmp * SH5 * Ratio5+...
也就是說，透過上述設置，可以在電流基準訊號Iref反相疊加根據輸入電壓提取的多個諧波分量。
諧波相位調節模組63可以依據如圖4或圖5所示的方法調節各諧波分量的相位直至測量的總諧波失真不再下降，由此控制使得電流基準訊號Iref中反相疊加的各諧波分量的相位盡可能與實際輸入訊號中的諧波成分的相位相反，進而透過控制電感電流趨近於電流基準訊號Iref去除其中的諧波分量，最小化總諧波失真THD。
圖8是本發明控制器實施例二的資料流向圖。控制器除了設置有減法器51、電壓補償模組52、乘法器53、減法器54、電流補償模組55以及PWM產生模組56外，還包括諧波產生模組61、諧波幅值比例設置模組62、諧波相位調節模組63和加法器64。諧波產生模組61根據輸入電壓採樣訊號SVin產生預定的各諧波分量，例如，3次諧波SH3、5次諧波SH5等，諧波幅值比例設置模組62根據測量的各諧波分量的幅值比例Hn設置諧波產生模組61產生的預定的各次諧波分量的幅值比例。預定各次諧波分量與各次諧波分量對應的幅值比例乘積後，諧波相位調節模組63根據測量的總諧波失真THD輸出各諧波分量對應的相位到諧波產生模組61，並調節該相位以最小化總諧波失真。 諧波產生模組61輸出的值為實際上就是與輸入訊號諧波分量幅值比例相同幅值相反的各次諧波分量。即圖8所示的實施例是預定各次諧波分量先對應幅值比例乘積後再進行相位調節，和其餘部分與圖7所示的實施例一相同。
本發明實施例一和實施例二由於引入了測量的總諧波失真THD這一反饋參量，能夠以閉環方式來直接調節總諧波失真，由此，不需要針對單獨某一類影響總諧波失真指標的因素做專門的補償設計，簡化了整體的控制方法。
反相疊加預定的至少一個諧波分量以調整電流基準訊號並不限於上述方式。本領域技術人員還可以對上述提及的參量和模組進行修改以實現相同的目的。例如，在實施例一和實施例二中先將SVin’中的各個分量分別乘以Vcamp，即將SVin、SH3 * Ratio3、SH5 * Ratio5、...先乘以Vcamp，再將其各個乘積相加後作為電流基準訊號Iref，也可以得到Iref=Vcmp * SVin+Vcmp * SH3 * Ratio3+Vcmp * SH5 * Ratio5+...
可以和實施例一和實施例二實現相同的功能。
還應理解，上述方法、過程、單元和模組可以是實體電路或裝置來實現，也可以具體化為代碼和/或資料，該代碼和/或資料可儲存在可讀儲存媒體中。處理器讀取並執行上述代碼和/或資料時，處理器執行具體化為資料結構和代碼並儲存於可讀儲存媒體內的方法和過 程。
本公開中所述的控制器可透過多種方式來實現。例如，這些技術可以用硬體、韌體、軟體或它們結合的方式來實現。對於硬體實現，在接收站處用於速率控制的處理單元可以實現在一個或多個專用積體電路(ASIC)、數位訊號處理器(DSP)、數位訊號處理裝置(DSPD)、可程式化邏輯裝置(PLD)、現場可程式化閘陣列(FPGA)、處理器、控制器、微控制器、微處理器、用於執行本發明所述功能的其它電子單元或其組合中。
對於韌體或軟體實現，速率控制技術可用執行本發明所述功能的模組(例如，過程、函數等)來實現。這些軟體代碼可以儲存在記憶體中，並由處理器執行。記憶體可以實現在處理器內，也可以實現在處理器外，在後一種情况下，它經由各種手段可通信地連接到處理器，這些都是本領域中所公知的。
以下結合工作波形圖來說明本發明實施例。
圖9和圖10是現有技術的功率因數校正電路的工作波形圖。如圖8所示，假設輸入交流電流Iac的總諧波失真為25%，諧波分量完全為3次諧波。圖9中，Iac為功率因數校正電路的輸入電流波形。I1為基波電流波形，I3為3次諧波分量的波形。Iac=I1+I3。在系統開始運行時，採用與開關型調節器22的輸入電壓Vin相位和形狀相同的正弦波。在採用這一電流基準訊號的前提下，功率計1測量的總諧波失真為25%。控制器3可以根據輸入電壓採樣 訊號SVin的波形獲取其對應的3次電壓諧波的波形(也即，3倍頻的正弦訊號)。控制器3進而開始按照設定在輸入電壓上反相疊加3次諧波分量Iref_3rd，疊加後的電流基準訊號Iref_new如圖10所示。同時，控制器3從零開始逐漸遞增3次諧波分量的幅值比例。根據反饋的總諧波失真THD來控制幅值比例的調整，直至幅值比例使得總諧波失真最小。3次諧波補償後，獲得輸入電流Iac_new與調整前的輸入電流Iac_old的對比可以參見圖10。可見，輸入電流的3次諧波被最大程度地去除。如果預定的諧波分量還包括5次諧波、7次諧波等，則可以重複調整的過程，以最小化總諧波失真。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用於限制本發明，對於本領域技術人員而言，本發明可以有各種改動和變化。凡在本發明的精神和原理之內所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
1:功率計
2:功率因數校正器
3:控制器

Claims (18)

  1. 一種功率因數校正電路，包括：功率計，用於測量輸入端口的總諧波失真(THD)和各諧波分量的幅值比例；開關型調節器，受控於開關控制訊號，以調節由該輸入端口所輸入的輸入訊號的功率因數；整流電路，設置於該開關型調節器和該輸入端口之間；以及，控制器，被配置為產生該開關控制訊號控制該開關型調節器以進行功率因數校正，其中，該控制器根據測量的總諧波失真和各諧波分量幅值比例調整電流基準訊號以最小化總諧波失真，該電流基準訊號用於表徵該開關型調節器的預期的電感電流，其中，該控制器被配置為在電流基準訊號中反相疊加預定的至少一個諧波分量以調整該電流基準訊號。
  2. 如請求項1所述的功率因數校正電路，其中，該控制器被配置為根據測量的總諧波失真調整各諧波分量的相位以最小化總諧波失真。
  3. 如請求項2所述的功率因數校正電路，其中，該控制器被配置為按照預定順序逐一先根據測量的各諧波分量的幅值比例設置對應的各諧波分量的幅值比例，然後調整各諧波分量的相位直至測量的總諧波失真不再下降。
  4. 如請求項3所述的功率因數校正電路，其 中，該各諧波分量的相位由零遞增，直至測量的總諧波失真不再下降。
  5. 如請求項3所述的功率因數校正電路，其中，將相位進行分區，判斷各諧波分量的相位所在的區域，在該區域中調整各諧波分量的相位直至測量的總諧波失真不再下降。
  6. 如請求項5所述的功率因數校正電路，其中，選擇各諧波分量的相位所在的區域的中點作為起點，判斷相位調節方向為增大或減小，按照判斷的方向繼續調整各諧波分量的相位直至測量的總諧波失真不再下降。
  7. 如請求項1所述的功率因數校正電路，其中，該控制器被配置為在輸入電壓採樣訊號上疊加與各諧波分量對應的幅值比例相同、相位相反的電壓諧波，並將進行疊加操作後的訊號與補償訊號相乘產生電流基準訊號，其中，該輸入電壓採樣訊號用於表徵該開關型調節器的輸入電壓，該各諧波分量根據該輸入電壓採樣訊號獲取，該補償訊號表徵電壓基準訊號和輸出電壓的差；或者，該控制器被配置為將各諧波分量對應的、幅值比例相同、相位相反的電壓諧波分別與補償訊號相乘，再將各相乘後的訊號疊加在輸入電壓採樣訊號與補償訊號的乘積上產生電流基準訊號，其中，該輸入電壓採樣訊號用於表徵該開關型調節器的輸入電壓，該各諧波分量根據該輸入電壓採樣訊號獲取，該補償訊號表徵電壓基準訊號和輸出電 壓的差。
  8. 如請求項7所述的功率因數校正電路，其中，該電壓諧波為將各諧波分量和各諧波分量對應的幅值比例的乘積經過相位調節後得到。
  9. 如請求項7所述的功率因數校正電路，其中，該電壓諧波為各諧波分量經過相位調節後與各諧波分量對應的幅值比例的乘積。
  10. 如請求項1所述的功率因數校正電路，其中，該預定的至少一個諧波分量為與基波相鄰的一個或多個諧波分量。
  11. 一種控制方法，用於控制進行功率因數校正的開關型調節器，該方法包括：根據輸入端口的測量的總諧波失真和各諧波分量的幅值比例調整該開關型調節器的電流基準訊號以最小化該總諧波失真，該電流基準訊號用於表徵該開關型調節器的預期的電感電流，其中，透過在電流基準訊號中反相疊加預定的至少一個諧波分量以調整該電流基準訊號。
  12. 如請求項11所述的控制方法，其中，根據測量的總諧波失真和各諧波分量的幅值比例調整該開關型調節器的電流基準訊號包括：根據測量的總諧波失真調整各諧波分量的相位以最小化總諧波失真。
  13. 如請求項12所述的控制方法，其中，各 諧波分量按照預定順序逐一先根據測量的各諧波分量的幅值比例設置對應的各諧波分量的幅值比例，然後調整各諧波分量的相位直至測量的總諧波失真不再下降。
  14. 如請求項13所述的控制方法，其中，該各諧波分量的相位幅值由零遞增，直至測量的總諧波失真不再下降。
  15. 如請求項13所述的控制方法，其中，將相位進行分區，判斷各諧波分量的相位所在的區域，在該區域中調整各諧波分量的相位直至測量的總諧波失真不再下降。
  16. 如請求項15所述的控制方法，其中，選擇各諧波分量的相位所在的區域的中點作為起點，判斷相位調節方向為增大或減小，按照判斷的方向繼續調整各諧波分量的相位直至測量的總諧波失真不再下降。
  17. 如請求項11所述的控制方法，其中，該控制器被配置為在輸入電壓採樣訊號上疊加與各諧波分量對應的幅值比例相同、相位相反的電壓諧波，並將進行疊加操作後的訊號與補償訊號相乘產生電流基準訊號，其中，該輸入電壓採樣訊號用於表徵該開關型調節器的輸入電壓，該各諧波分量根據該輸入電壓採樣訊號獲取，該補償訊號表徵電壓基準訊號和輸出電壓的差；或者，該控制器被配置為將各諧波分量對應的、幅值比例相同、相位相反的電壓諧波分別與補償訊號相乘，再將各相乘後的訊號疊加在輸入電壓採樣訊號與補償訊號的乘積上 產生電流基準訊號，其中，該輸入電壓採樣訊號用於表徵該開關型調節器的輸入電壓，該各諧波分量根據該輸入電壓採樣訊號獲取，該補償訊號表徵電壓基準訊號和輸出電壓的差。
  18. 一種控制器，包括：處理器；用於儲存處理器可執行指令的記憶體；其中，該處理器被配置為適於執行如請求項11至17中任一項所述的方法。
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