專利名稱：高頻局部增強(qiáng)功率因子校正控制電路和方法
相關(guān)申請本申請要求2004年6月28日提交的名稱為“A NEW HIGH-FREQUENCYPARTIAL BOOST POWER-FACTOR-CORRECTION CONTROL METHOD”的臨時(shí)申請No.60/583,752的優(yōu)先權(quán)，其公開內(nèi)容作為引用而完整結(jié)合于此。
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及功率因子校正電路，即減少提供電源特別是開關(guān)模式電源的功率線路中產(chǎn)生的失真和諧波的電路。利用功率因子校正(PFC)電路以減少功率線路上的諧波，特別是使得具有負(fù)載的電路看起來完全具有純阻性負(fù)載。功率因子校正電路的目標(biāo)是確保AC電壓和電流完全同相。這樣提高了效率并且同時(shí)消除了不利的諧波。
過去，采用了圖1所示的無源解決方案。在整流器的輸出提供了電感。由于電感在線頻率下工作，其物理尺寸和電感大小通常非常大，要求很高的成本并且增加了電路尺寸。輸入電流波形被平滑，并且通常不滿足當(dāng)今的規(guī)定要求。
圖2顯示了另一種現(xiàn)有技術(shù)方法，該方法提供了有源解決方案，其中將可控開關(guān)S與串聯(lián)電感一起添加在整流器前端。所述開關(guān)在線頻率例如120Hz或者100Hz的每個(gè)半周期內(nèi)的很短時(shí)間內(nèi)被開啟。制造商使用該方法以平滑輸入電流，能夠滿足某些應(yīng)用的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，特別是日本，但是并不滿足歐洲市場的嚴(yán)格IEC標(biāo)準(zhǔn)。電感同樣工作在線頻率下，并且其物理尺寸和電感仍然很大，導(dǎo)致很高的成本和電路尺寸。
第三種方法是另一種有源解決方案，其中使用高頻全局增強(qiáng)功率因子校正。這是最常見的PFC控制方法，如圖3所示，提供DC電壓給驅(qū)動電機(jī)ML的電機(jī)驅(qū)動逆變器INV。開關(guān)例如IGBT Q1在高開關(guān)頻率下切換，通常為50KHz至100KHz的范圍。這樣可以達(dá)到接近100％的功率因子，實(shí)際上超過了多數(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求。由于所述高頻PWM，因此需要較小物理尺寸的電感和較小的電感值。然而，該電路仍然具有缺陷。特別的，所述高頻PWM開關(guān)導(dǎo)致了高開關(guān)損耗，更低的效率，并且產(chǎn)生了電磁干擾(EMI)噪聲，并且100％的PFC對于多數(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)用的要求來說過高了。
本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是滿足應(yīng)用規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)但是并不一定超過這些標(biāo)準(zhǔn)，從而在降低損耗的功率因子和通過降低開關(guān)損耗和噪聲而增加效率之間平衡。圖4顯示了圖3所示的傳統(tǒng)有源高頻全局增強(qiáng)PFC電路的波形圖。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種可替換的PFC電路和方法。依賴于規(guī)范要求，可以在PFC性能(功率因子和諧波產(chǎn)生)與開關(guān)損耗和效率之間折衷平衡。該方法使用與圖3所示的傳統(tǒng)高頻增強(qiáng)PFC電路類似的電路拓?fù)洌蔷哂胁煌目刂聘拍睢?br> 根據(jù)本發(fā)明，采用了局部增強(qiáng)PFC，將AC輸入電壓與DC總線電壓進(jìn)行即時(shí)比較，并且在有源增強(qiáng)PFC控制環(huán)的上層對各個(gè)線周期的特定時(shí)間段啟用和禁用PFC PWM開關(guān)。當(dāng)輸入電壓低于DC總線電壓時(shí)，PWM開關(guān)信號的產(chǎn)生被啟用，并且開關(guān)在高頻例如50KHz下切換。由于高帶寬的電流回路，輸入電流被構(gòu)建為由電壓回路產(chǎn)生的正弦參考的形狀。當(dāng)輸入電壓大于DC總線電壓時(shí)，PWM開關(guān)信號的產(chǎn)生被禁用。依賴于輸入電壓和DC總線電壓的差值，整流器和PFC二極管均會接通，并且輸入電流持續(xù)流通。在此局部PFC操作中，在PWM開關(guān)被啟用的時(shí)間段內(nèi)保持閉環(huán)電流控制，并且保持全局閉合的電壓環(huán)控制。


在下文中參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明，其中圖1顯示了現(xiàn)有技術(shù)的無源PFC電路；圖2顯示了現(xiàn)有技術(shù)的有源PFC電路；圖3顯示了另一種有源PFC電路；圖4顯示了圖3所示電路的波形；圖5顯示了根據(jù)本發(fā)明的高頻局部PFC電路；圖6顯示了圖5所示電路的波形；以及圖7顯示了圖5所示電路的進(jìn)一步波形。
本發(fā)明的其他目標(biāo)、特征和優(yōu)點(diǎn)通過下面的詳細(xì)描述可以更加明白。
具體實(shí)施例方式
再次參考附圖，圖5顯示了根據(jù)本發(fā)明的PFC電路。所述電路包括由AC電源供電的橋路整流器BR1。整流后的AC被提供給增強(qiáng)電感L1。PFC開關(guān)Q1串聯(lián)耦合到所述電感并且在電感之后跨接到所述橋路整流器的輸出端。增強(qiáng)二極管BD與電感L1串聯(lián)耦合，并且輸出電容C1通過公知方式耦合在增強(qiáng)轉(zhuǎn)換器電路的輸出端。電容C1上的電壓包括提供給負(fù)載的DC總線電壓，所述負(fù)載例如可以包括驅(qū)動三相電機(jī)負(fù)載ML的DC-AC逆變器。
DC總線的輸出VDC被提供給A-D轉(zhuǎn)換器10，A-D轉(zhuǎn)換器10利用DC總線電壓VDC，通過電阻R1或者其他檢測設(shè)備而檢測的電感L1中的電流IIN以及整流后的AC輸入電壓VIN作為輸入。A-D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生三個(gè)輸出，包括DC總線電壓的數(shù)字實(shí)現(xiàn)，VdcFdb，輸入電壓VIN和電感電流IIN。盡管在電路中顯示了數(shù)字實(shí)現(xiàn)，所述電路也可以通過模擬元件實(shí)現(xiàn)。如下文所述，VIN和VDC也提供給電路40。
所述電路包括斜坡產(chǎn)生器20，用于接收DC目標(biāo)電壓VdcTgt。將斜坡產(chǎn)生器的輸出提供給差值電路22，其中從所述斜坡電壓減去DC總線電壓。將斜坡產(chǎn)生器的輸出提供給電壓調(diào)節(jié)器，其中可以包括PI控制器24。將PI控制器24的輸出提供給乘法電路26，其中將來自電壓調(diào)節(jié)器(PI控制器)的電壓輸出和輸入電壓VIN相乘。相乘的結(jié)果為參考PFC信號IREF_PFC28，在差值級30中從其中減去電感電流。將差值級30的輸出提供給包括PI控制器的電流調(diào)節(jié)器32。將控制器32的輸出提供給比較器34，其中通過將振蕩器信號(通常為振蕩器產(chǎn)生的斜坡或者鋸齒信號36)與控制器32的輸出比較而產(chǎn)生PWM信號。所述PWM信號控制PWM信號的占空比，從而控制開關(guān)QI并且控制功率因子校正。
將PFC啟用信號提供給模塊20、24、32以及34以禁用來自其他電路的PFC操作。
所述控制電路基本為圖3所示的傳統(tǒng)電路。圖3中的電壓調(diào)節(jié)環(huán)包括元件20和24，其中將DC總線電壓與目標(biāo)電壓相比較而提供電壓調(diào)節(jié)控制信號給乘法器26。電流環(huán)包括元件32和PWM比較器34，PWM比較器34的輸出被耦合以控制開關(guān)Q1。
根據(jù)本發(fā)明，提供優(yōu)選的數(shù)字形式的控制信號VIN和VDC給局部PFC控制電路40。在本發(fā)明的范圍之內(nèi)，所述控制信號也可以以模擬形式實(shí)現(xiàn)。如前所述，VIN是即時(shí)整流后的AC輸入電壓并且VDC是即時(shí)的DC總線電壓。局部PFC控制電路40按照如下方式工作。電路40將整流后的AC輸入電壓VIN與DC總線電壓VDC比較。當(dāng)整流后的AC輸入電壓小于DC總線電壓時(shí)，局部PFC控制電路40提供信號給PWM比較器34以啟用PWM比較器，從而提供PWM信號以控制開關(guān)Q1的開啟時(shí)間。如同現(xiàn)有技術(shù)一樣，這是在高頻例如50KHz下進(jìn)行的。由于高帶寬的電路環(huán)，輸入電流被構(gòu)建為通過電壓環(huán)產(chǎn)生的正弦參考IREF PFC的形狀。當(dāng)VIN大于VDC時(shí)，即整流后的AC輸入電壓大于DC輸入電壓時(shí)，開關(guān)Q1的PWM切換在很多應(yīng)用中并不必要，因此PWM切換信號的產(chǎn)生被禁用。局部PFC控制電路40提供關(guān)斷信號給PWM比較器34以禁用PWM操作并且由此開關(guān)Q1保持在關(guān)斷狀態(tài)。然而，由于整流后的AC輸入電壓比DC總線電壓更大，橋路整流器和增強(qiáng)二極管BD會繼續(xù)接通并且輸入電流會持續(xù)流通。
在所述局部PFC操作中，當(dāng)啟用PWM開關(guān)并且保持全局閉環(huán)電壓環(huán)控制時(shí)，閉環(huán)控制電流被保持。
圖6顯示了圖5中的高頻局部PFC電路的控制時(shí)序。圖6顯示了整流后的AC輸入電壓VIN和DC總線電壓VDC。如圖所示，當(dāng)整流后的AC輸入電壓大于DC總線電壓時(shí)，PWM開關(guān)被禁用。當(dāng)整流后的AC輸入電壓小于DC總線電壓時(shí)，PWM開關(guān)被啟用。圖6還顯示了電感電流IIN。
圖7顯示了圖5所示電路中的信號，包括PWM控制信號，DC總線電壓，AC輸入電壓和AC輸入電流。如同PWM控制信號所示，當(dāng)整流后的AC輸入電壓超過DC總線電壓時(shí)，PWM開關(guān)被禁用。
表1比較了測量的功率因子THD(總諧波失真)和效率，將簡單的二極管橋路整流器電路、本發(fā)明的局部增強(qiáng)PFC電路和圖3所示的傳統(tǒng)全局增強(qiáng)PFC電路進(jìn)行比較。根據(jù)本發(fā)明的電路的主要特征如下與橋路整流器電路相比，改善的波峰因子和THD。
由于當(dāng)PWM開關(guān)被啟用時(shí)開關(guān)頻率很高，PFC電感尺寸和成本大大低于圖1和圖2所示的PFC開關(guān)頻率僅為線頻率的現(xiàn)有技術(shù)解決方案。
由于與圖3所示傳統(tǒng)增強(qiáng)PFC相比產(chǎn)生更少的切換動作，因此具有更低的開關(guān)損耗和噪聲。這樣可以提高效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)相對好的PFC性能。
盡管參考特定實(shí)施例描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以做出各種變化和修改。因此，本發(fā)明并不限于在此公開的特定內(nèi)容，而是僅由所附權(quán)利要求書限定。
表1測量的功率因子和效率的比較

權(quán)利要求
1.一種提供功率因子校正的電路，包括增強(qiáng)轉(zhuǎn)換器電路，具有增強(qiáng)電感和與所述增強(qiáng)電感串聯(lián)耦合的功率因子校正開關(guān)，所述增強(qiáng)電感和功率因子校正開關(guān)跨接耦合在整流器的輸出端，從AC線路提供AC功率給所述整流器，所述增強(qiáng)轉(zhuǎn)換器電路進(jìn)一步包括耦合到所述電感和所述開關(guān)之間的接合點(diǎn)的增強(qiáng)二極管，所述增強(qiáng)二極管的輸出耦合到輸出電容，通過所述輸出電容提供DC總線電壓，進(jìn)一步包括控制電路，接收來自所述整流器的整流后的AC輸入電壓、與流經(jīng)所述電感的電流成正比的信號以及所述電容上的DC總線電壓作為輸入，并且其中所述控制電路提供脈沖寬度調(diào)制信號以控制所述功率因子校正開關(guān)的開啟時(shí)間，進(jìn)一步包括啟用/禁用電路，接收整流后的AC輸入電壓和DC總線電壓作為輸入，所述電路即時(shí)將所述整流后的AC輸入電壓與所述DC總線電壓比較，并且控制所述控制電路，從而所述控制電路在所述整流后的AC輸入電壓小于所述DC總線電壓時(shí)提供脈沖寬度調(diào)制信號以控制所述功率因子校正開關(guān)，并且在所述整流后的AC輸入電壓大于所述DC總線電壓時(shí)禁止對所述功率因子校正開關(guān)產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中所述啟用/禁用電路從A/D轉(zhuǎn)換器或者從模擬信號處理電路接收包含整流后的AC輸入電壓和DC總線電壓的數(shù)字輸入或者模擬輸入，并且提供啟用/禁用輸出給所述控制電路的脈沖寬度調(diào)制比較器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電路，其中所述控制電路包括電壓調(diào)節(jié)器回路，接收輸入目標(biāo)電壓和DC總線電壓，并且提供誤差電壓輸出，并且進(jìn)一步包括電流調(diào)節(jié)器，接收所述誤差電壓輸出、整流后的AC輸入電壓以及電感電流信號作為輸入，并且提供輸出信號給所述脈沖寬度調(diào)制比較器。
4.一種在增強(qiáng)轉(zhuǎn)換器電路中提供功率因子校正的方法，其中所述增強(qiáng)轉(zhuǎn)換器電路具有增強(qiáng)電感和與所述增強(qiáng)電感串聯(lián)耦合的功率因子校正開關(guān)，所述增強(qiáng)電感和功率因子校正開關(guān)跨接耦合在整流器的輸出端，從AC線路提供AC功率給所述整流器，所述增強(qiáng)轉(zhuǎn)換器電路進(jìn)一步包括耦合到所述電感和所述開關(guān)之間的接合點(diǎn)的增強(qiáng)二極管，所述增強(qiáng)二極管的輸出耦合到輸出電容，通過所述輸出電容提供DC總線電壓，進(jìn)一步包括控制電路，接收來自所述整流器的整流后的AC輸入電壓、與流經(jīng)所述電感的電流成正比的信號以及所述電容上的DC總線電壓作為輸入，并且其中所述控制電路提供脈沖寬度調(diào)制信號以控制所述功率因子校正開關(guān)的開啟時(shí)間，所述方法包括即時(shí)將所述整流后的AC輸入電壓與所述DC總線電壓比較，并且控制所述控制電路，從而所述控制電路在所述整流后的AC輸入電壓小于所述DC總線電壓時(shí)提供脈沖寬度調(diào)制信號以控制所述功率因子校正開關(guān)，并且在所述整流后的AC輸入電壓大于所述DC總線電壓時(shí)禁止對所述功率因子校正開關(guān)產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其進(jìn)一步包括從A/D轉(zhuǎn)換器或者從模擬信號處理電路接收包含整流后的AC輸入電壓和DC總線電壓的數(shù)字輸入或者模擬輸入，并且提供啟用/禁用輸出給所述控制電路的PWM比較器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其進(jìn)一步包括接收輸入目標(biāo)電壓和DC總線電壓，并且提供誤差電壓輸出，并且進(jìn)一步包括接收所述誤差電壓輸出、整流后的AC電壓以及電感電流信號作為輸入，并且提供輸出信號給所述脈沖寬度調(diào)制比較器。
全文摘要
一種提供功率因子校正的電路，包括增強(qiáng)轉(zhuǎn)換器電路，具有增強(qiáng)電感和與所述增強(qiáng)電感串聯(lián)耦合的功率因子校正開關(guān)，所述增強(qiáng)電感和功率因子校正開關(guān)跨接耦合在整流器的輸出端，從AC線路提供AC功率給所述整流器，所述增強(qiáng)轉(zhuǎn)換器電路進(jìn)一步包括耦合到所述電感和所述開關(guān)之間的接合點(diǎn)的增強(qiáng)二極管，所述增強(qiáng)二極管的輸出耦合到輸出電容，通過所述輸出電容提供DC總線電壓，進(jìn)一步包括控制電路，接收來自所述整流器的整流后的AC輸入電壓、與流經(jīng)所述電感的電流成正比的信號以及所述電容上的DC總線電壓作為輸入，并且其中所述控制電路提供脈沖寬度調(diào)制信號以控制所述PFC開關(guān)的開啟時(shí)間，進(jìn)一步包括啟用/禁用電路，接收整流后的AC輸入電壓和DC總線電壓作為輸入，所述電路即時(shí)將所述整流后的AC輸入電壓與所述DC總線電壓比較，并且控制所述控制電路，從而所述控制電路在所述整流后的AC輸入電壓小于所述DC總線電壓時(shí)提供脈沖寬度調(diào)制信號以控制所述PFC開關(guān)，并且在所述整流后的AC輸入電壓大于所述DC總線電壓時(shí)禁止對所述PFC開關(guān)產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制信號。
文檔編號G05F1/10GK101014920SQ200580021702
公開日2007年8月8日 申請日期2005年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月28日
發(fā)明者敏男高橋, 李勇 申請人:國際整流器公司