CN101009468A - 利用前馈电压补偿的电源转换装置及其方法 - Google Patents

Abstract

一种利用前馈电压补偿以启用功率因数校正电路的电源转换装置及其方法，使用分压单元与反馈单元获取与输入电压及输出电压等比例的补偿电压与反馈电压，再通过运算单元利用补偿电压补偿反馈电压，以及通过比较单元根据已完成补偿的反馈电压，在预设的输入功率范围内启用PFC电路。通过本发明无论输入电压高低如何变动，在输入功率达到75W之前，必能启用PFC电路。

Description

利用前馈电压补偿的电源转换装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种利用前馈电压补偿以启用功率因数校正(Power FactorCorrection，简称PFC)电路的电源转换装置及其方法，尤其涉及一种可在相同输入功率条件下，启用PFC电路的电源转换装置及方法。

背景技术

根据IEC1000-3-2的国际标准，具有PFC电路的电源转换装置在输入功率达到75W前，需要启用PFC电路以进行升压程序。为了达到省电的目的，在轻载条件下，具有PFC电路的电源转换装置必须停用PFC电路。而在电源转换装置中使用PFC电路为公知的技术，用来降低电源转换装置电源端的电流谐波，进而使得电源转换装置输入电源的功率因子接近为1，并且，PFC电路具有升压功能。

参考图1，公知具有PFC电路的电源转换装置的电路示意图。电源转换装置1包括有PFC电路10、功率转换单元20、反馈单元30及比较单元40。PFC电路10包括有PFC转换器102、PFC控制器104及总线电容C_B。功率转换单元20包括有PWM转换器202与PWM控制器204。

输入电压V_IN通过PFC电路10的PFC控制器104控制PFC转换器102，进行功率因数校正及升压程序，并在总线电容C_B上建立总线电压V_BUS，功率转换单元20通过PWM转换器202将总线电压V_BUS转换成输出电压V_OUT以提供给负载使用。

再参考图1，反馈单元30从功率转换单元20的负载端取得与负载成正比的反馈电压V_FB，该反馈电压V_FB的大小与负载成正比。重载下的反馈电压V_FB电平较高，轻载下的反馈电压V_FB电平较低。在电源转换装置1的输出端，当负载由轻载逐渐增加至重载时，反馈电压V_FB随之升高。电源转换装置1的输入功率会随着负载增加而增加，依照国际标准IEC1000-3-2的要求，电源转换装置1的输入功率在到达75W之前，电源转换装置1必须启用PFC电路10。

比较单元40负端接收参考电压V_T；而其正端则接收反馈电压V_FB。其中比较单元40可由磁滞比较器实现。因此当电源转换装置1的负载大于比较单元40磁滞范围的上限时，比较单元40送出高电平的控制信号S_C，进而使得PFC控制器104传送高电平的功率因数驱动信号S_PFC至PFC转换器102，使PFC转换器102启动功率因数校正及升压程序。此时储存于总线电容C_B的输入电压V_IN瞬间提升至很高的直流电平，而反馈电压V_FB相对地下降。当电源转换装置1的负载减少，反馈电压V_FB降低至比较单元40磁滞范围的下限时，比较单元40送出低电平的控制信号S_C，进而使得PFC控制器104传送低电平的功率因数驱动信号S_PFC至PFC转换器102，使PFC转换器102停止功率因数校正及升压程序。

再参考图1，当功率转换单元20中的功率开关Q导通时，储存于变压器T上的激磁电感L_P上的能量W_IN可表示为：

$W_{\mathrm{IN}}=\frac{1}{2}\×L_P\×I_P^2=P_{\mathrm{IN}}\×T_S---\left(1\right)$

流过变压器T一次侧的切换电流I_P可表示为：

$I_P=\frac{V_{\mathrm{IN}}}{L_P}\×t_{\mathrm{on}}---\left(2\right)$

在正常负载下，反馈电压V_FB会影响变压器T一次侧的切换电流I_P。而切换电流I_P的大小与负载有关，因此负载的大小正比于反馈电压V_FB。所以重载下，输出功率相对提高，反馈电压V_FB电平较高，轻载下输出功率与的反馈电压V_FB电平较低。

方程式(2)代入(1)可以得到最大输入功率P_IN：

$P_{\mathrm{IN}}=\frac{L_P}{2\×T_S}\×I_P^2=\frac{V_{\mathrm{IN}}^2\×t_{\mathrm{on}}^2}{2\×L_P\×T_S}---\left(3\right)$

其中方程式(1)至(3)之中的t_on为功率开关Q导通时，脉宽控制信号V_PWM的导通时间；T_S为脉宽控制信号V_PWM的切换周期。

公知电源转换装置1通过反馈电压V_FB以及比较单元40的磁滞范围控制PFC电路10进行功率因数校正及升压程序。当反馈电压V_FB上升至磁滞范围的上限时，PFC电路10进行功率因数校正及升压程序；当反馈电压V_FB下降至磁滞范围的下限时，PFC电路10停止功率因数校正及升压程序。由于输入电压V_IN较高(V_H)时，反馈电压V_FB电平较低，因此电源转换装置经常在输入功率大于75W时，PFC电路10才会启动功率因数校正及升压程序。

参考图2，公知启用PFC电路时，电源转换装置1的输入电压与输入功率的关系坐标示意图。由方程式(3)得知，电源转换装置1输入功率P_IN与输入电压V_IN的平方成正比。因此负载越重，输入电压V_IN越高(V_H)，电源转换装置1要达到较大的输入功率P_INH才能控制PFC电路10启动升压程序。

因此，公知电源转换装置1在高输入电压V_H(大于180Vac)与负载较重(大于150W)的条件下，输入功率大于75W时，才会启用PFC电路10，并不符合国际标准IEC1000-3-2的要求。

发明内容

因此，本发明提供一种利用前馈电压补偿以启用PFC电路的电源转换装置及方法，利用反馈电压与输入电压具有互补式的变动关系，使电源转换装置接收不同的输入电压时，都能在输入功率达到75W前，启用PFC电路的功率因数校正及升压程序。

本发明的电源转换装置包括有：PFC电路、功率转换单元、反馈单元、分压单元、运算单元及比较单元。其中PFC电路接收输入电压，输出总线电压。功率转换单元接收总线电压，输出输出电压。反馈单元获取该输出电压产生反馈电压。分压单元接收该输入电压，输出补偿电压。运算单元搭配比较单元，对反馈电压、该补偿电压与参考电压进行运算，以产生控制信号，控制信号控制该PFC电路与启用功率因数校正及升压程序。

作为实现本发明基本构思的第一种技术方案，其中运算单元，耦接于该反馈单元与该分压单元，该运算单元累加该反馈电压与该补偿电压，以及输出第一临界电压；及

比较单元，耦接于该运算单元与该功率因数校正电路，该比较单元接收该第一临界电压与参考电压，当该第一临界电压大于该参考电压时，该比较单元输出控制信号，该控制信号可致能该功率因数校正电路，用以启用功率因数校正与升压程序。

根据所述的利用前馈电压补偿以启用功率因数校正电路的电源转换装置，其中该功率因数校正电路包括有：

功率因数校正控制器，连接到该比较单元，接收该控制信号，用以输出功率因数驱动信号；

功率因数校正转换器，耦接于该功率因数校正控制器，该功率因数校正转换器受控于该功率因数驱动信号，当该功率因数驱动信号为致能时，用以启用功率因数校正与将该输入电压升压成为该总线电压；及

总线电容，耦接于该功率因数校正转换器，接收并暂存该总线电压。

根据所述的利用前馈电压补偿以启用功率因数校正电路的电源转换装置，其中该比较单元为磁滞比较单元，该磁滞比较单元根据该参考电压提供一个磁滞范围，该比较单元比较该磁滞范围与该第一临界电压，用以输出该控制信号。

作为实现本发明基本构思的第二种技术方案，其中运算单元，耦接于该分压单元与参考电压，用来将该参考电压减去该补偿电压，以及输出第二临界电压；及

比较单元，耦接于该运算单元、该功率因数校正电路及该反馈单元，该比较单元接收该第二临界电压与该反馈电压，当该反馈电压大于该第二临界电压时，该比较单元输出控制信号，该控制信号可致能该功率因数校正电路，用以启用功率因数校正与升压程序。

根据所述的利用前馈电压补偿以启用功率因数校正电路的电源转换装置，其中该功率因数校正电路包括有：

功率因数校正控制器，连接于该比较单元，接收该控制信号，用以输出功率因数驱动信号；

功率因数校正转换器，耦接于该功率因数校正控制器，该功率因数校正转换器受控于该功率因数驱动信号，当该功率因数驱动信号为可致能时，用以启用功率因数校正与将该输入电压升压成为该总线电压；及

总线电容，耦接于该功率因数校正转换器，接收并暂存该总线电压。

根据所述的利用前馈电压补偿以启用功率因数校正电路的电源转换装置，其中该比较单元为磁滞比较单元，该磁滞比较单元依据该第二临界电压提供有一个磁滞范围，该比较单元比较该磁滞范围与该反馈电压，用以输出该控制信号。

另外，本发明还提供一种利用前馈电压补偿以启用PFC电路的方法，其步骤如下：首先从输入电压分压取得补偿电压，同时取得与输出电压等比例的反馈电压；然后提供参考电压；接着对该参考电压、该补偿电压及该反馈电压进行运算，以产生控制信号；接下来根据该控制信号控制PFC电路，在输入功率在达到75W前进行功率因数校正及升压程序。

根据所述的利用前馈电压补偿以启用功率因数校正电路的方法，其中对该参考电压、该补偿电压及该反馈电压进行运算的步骤中，包括有：

使用该补偿电压加上该反馈电压，以产生第一临界电压；及

比较该参考电压与该第一临界电压，以产生该控制信号。

根据所述的利用前馈电压补偿以启用功率因数校正电路的方法，其中比较该参考电压与该第一临界电压的步骤中，该参考电压提供一个磁滞范围，当该第一临界电压大于该磁滞范围的上限时，该控制信号启用该功率因数校正电路的功率因数校正与升压程序，又当该控制电压小于该磁滞范围的下限时，该控制信号关闭该功率因数校正电路的功率因数校正与升压程序。

根据所述的利用前馈电压补偿以启用功率因数校正电路的方法，其中对该参考电压、该补偿电压及该反馈电压进行运算的步骤中，包括有：

使用该参考电压减去该补偿电压，以产生第二临界电压；及

比较该反馈电压与该第二临界电压，以产生该控制信号。

根据所述的利用前馈电压补偿以启用功率因数校正电路的方法，其中比较该反馈电压与该第二临界电压的步骤中，该第二临界电压提供一个磁滞范围，当该反馈电压大于该磁滞范围的上限时，该控制信号启用该功率因数校正电路的功率因数校正与升压程序，又当该反馈电压小于该磁滞范围的下限时，该控制信号关闭该功率因数校正电路的功率因数校正与升压程序。

本发明的电源转换装置通过前馈电压补偿的方法，可以改善在不同的输入电压下，启用PFC转换器所产生输入功率差异过大的缺点。并且，此种补偿方法让电源转换装置在负载较重(大于150W)与高输入电压(大于180Vac)下，可以在输入功率大于75W前，启用PFC电路，以符合国际标准的要求。

以上的概述与接下来的详细说明皆为示范性质，是为了进一步说明本发明的权利要求。而有关本发明的其它目的与优点，将在后续的说明与附图中加以阐述。

附图说明

图1为公知具有PFC电路的电源转换装置的电路示意图；

图2为公知启用PFC电路时，电源转换装置的输入电压与输入功率的关系的坐标示意图；

图3为本发明第一较佳实施例的电路示意图；

图4为本发明第二较佳实施例的电路示意图；及

图5为本发明启用PFC电路时，电源转换装置的输入电压与输入功率的关系的坐标示意图。

其中，附图标记说明如下：

公知：

电源转换装置1      PFC电路10

PFC转换器102       PFC控制器104

功率转换单元20     PWM转换器202

PWM控制器204       反馈单元30

比较单元40

本发明：

电源转换装置2      PFC电路10

PFC转换器102       PFC控制器104

功率转换单元20     PWM转换器202

PWM控制器204       反馈单元30

比较单元40         分压单元50

运算单元60         运算单元60a

电源转换装置2a     总线电容C_B

具体实施方式

参考图3，本发明第一较佳实施例的电路示意图。本发明的电源转换装置2包括有PFC电路10、功率转换单元20、反馈单元30、分压单元50、运算单元60及比较单元40。PFC单元10接收输入电压V_IN并输出总线电压V_BUS。在PFC电路10中，PFC控制器104受控于比较单元40输出的控制信号S_C。于该控制信号S_C致能时，该PFC控制器104输出高电平的功率因数驱动信号S_PFC到PFC转换器102，用以控制该PFC转换器102对该输入电压V_IN进行功率因数校正及升压，并在总线电容C_B上建立与输入电压V_IN等比例的总线电压V_BUS。功率转换单元20，通过其内部的PWM控制器204输出的脉宽控制信号V_PWM控制功率开关Q切换，使PWM转换器202将总线电压V_BUS转换为输出电压V_OUT。

反馈单元30用以提供与输出电压V_OUT等比例的反馈电压V_FB。在此第一较佳实施例，反馈单元30是利用获取功率转换单元20的输出电压V_OUT以产生反馈电压V_FB。其中反馈单元30另外耦接至PWM控制器204，使PWM控制器204可根据反馈电压V_FB，调整脉宽控制信号V_PWM，控制功率开关Q的切换。

分压单元50获取该输入电压V_IN，输出补偿电压V_RMS。补偿电压V_RMS是利用前馈反馈通过分压单元50从电源转换装置2接收输入电压V_IN取得。高输入电压V_H的条件下，补偿电压V_RMS电平较高。而在低输入电压V_L时，补偿电压V_RMS电平较低。

运算单元60根据该补偿电压V_RMS以及该反馈电压V_FB或参考电压V_T，用以输出第一临界电压V_C。其中运算单元60可由加法器或减法器来实现。第一较佳实施例中运算单元60是利用加法器来实现，因此第一临界电压V_C为累加反馈电压V_FB与该补偿电压V_RMS所产生。

比较单元40连接运算单元60。比较单元40正端连接运算单元60的输出端，用以接收第一临界电压V_C；负端连接参考电压V_T。比较单元40比较运算参考电压V_T与第一临界电压V_C，当第一临界电压V_C大于参考电压V_T时，比较单元40输出控制信号S_C，该控制信号S_C可致能该PFC电路10，用以启用功率因数校正与升压程序。考虑实际的电路应用下，比较单元40可利用磁滞比较器实现，使参考电压V_T具有磁滞范围。

根据上述说明，电源转换装置2在相同输入功率的条件下，当输入电压V_IN较高时，补偿电压V_RMS较大，但参考电压V_T不变，通过运算单元60进行加法运算产生的第一临界电压V_C较高，因此仅需较小的反馈电压V_FB便可达到比较单元40的磁滞范围的上限，比较单元40根据与反馈电压V_FB相关的第一临界电压V_C，输出可使该PFC电路102进行功率因数校正及升压程序的控制信号S_C。当输入电压V_IN较低时，补偿电压V_RMS较低，较大的反馈电压V_FB才可达到比较单元40的磁滞范围的上限，使PFC电路102进行功率因数校正及升压程序。当第一临界电压V_C小于磁滞范围的低电平时，比较单元40输出的控制信号S_C使PFC转换器102停止功率因数校正及升压程序。

配合图3，请参考图5，本发明启用PFC电路时，电源转换装置的输入电压与输入功率的关系坐标示意图。本发明利用补偿电压V_RMS补偿反馈电压V_FB，因此运算单元60输出的第一临界电压V_C会维持一个稳定的范围，使高输入电压V_H启用PFC转换器102进行升压程序的输入功率P_INH与低输入电压V_L启用PFC转换器102进行升压程序的输入功率P_INL会近似相等，改善公知技术在高输入电压V_IN下，无法于输入功率达到75W前，启用PFC电路10进行功率因数校正及升压程序的缺点。

配合图3，请参考图4，本发明第二较佳实施例的电路示意图。第二较佳实施例与第一较佳实施例主要差异在于，第二较佳实施例中运算单元是以减法器来实现。运算单元60a、比较单元40、与反馈单元30之间的连接关系稍有改变。第二较佳实施例中，运算单元60a耦接分压单元50接收补偿电压V_RMS与参考电压V_T，并输出第二临界电压V_TH以建立起比较单元40磁滞范围。该第二临界电压V_TH取参考电压V_T与补偿电压V_RMS的差额。

比较单元40的负端耦接运算单元60a以接收第二临界电压V_TH，其正端耦接反馈单元30以接收反馈电压V_FB。当反馈电压V_FB大于比较单元40的磁滞范围的高电平时，控制信号S_C启用该PFC电路10的功率因数校正及升压程序；当该反馈电压V_FB小于磁滞范围的低电平时，控制信号S_C关闭该PFC电路10的功率因数校正及升压程序。

再参考图4，电源转换装置2a在相同输入功率的条件下，当高输入电压V_H时，补偿电压V_RMS较大，参考电压V_T不变，通过运算单元60a进行减法运算产生的第二临界电压V_TH较小，因此仅需较小的反馈电压V_FB便能达到比较单元40的磁滞范围的上限。比较单元40根据与反馈电压V_FB相关的第二临界电压V_TH，输出可使该PFC电路102进行功率因数校正及升压程序的控制信号S_C。当低输入电压V_L时，补偿电压V_RMS较小，参考电压V_T不变，通过运算单元60a进行减法运算产生的第二临界电压V_TH增大，需较大的反馈电压V_FB才能达到比较单元40的磁滞范围的上限，使PFC电路102进行功率因数校正及升压程序。

因此，本发明的电源转换装置通过前馈电压补偿的方法，可以改善在不同的输入电压V_IN下，启用PFC转换器102所产生输入功率P_IN差异过大的缺点。并且，此种补偿方法让电源转换装置在负载较重(大于150W)与高输入电压(大于180Vac)下，可以在输入功率大于75W前，启用PFC电路，以符合国际标准的要求。

以上所述，仅为本发明最佳之一的具体实施例的详细说明与附图，本领域的技术人员在不脱离本发明的权利要求书所公开的范围和精神的情况下，所做的更改与修饰，均属本发明的专利保护范围之内。

Claims (11)

1.一种利用前馈电压补偿以启用功率因数校正电路的电源转换装置，其特征在于，包括有：

功率因数校正电路，接收输入电压，以及输出总线电压；

功率转换单元，耦接于该功率因数校正电路，该功率转换单元接收该总线电压，以及输出一输出电压；

反馈单元，耦接于该功率转换单元，该反馈单元根据该输出电压产生反馈电压；

分压单元，接收该输入电压，以及输出补偿电压；

运算单元，耦接于该反馈单元与该分压单元，该运算单元累加该反馈电压与该补偿电压，以及输出第一临界电压；及

比较单元，耦接于该运算单元与该功率因数校正电路，该比较单元接收该第一临界电压与一参考电压，当该第一临界电压大于该参考电压时，该比较单元输出控制信号，该控制信号能致能该功率因数校正电路，用以启用功率因数校正与升压程序。

2.如权利要求1所述的利用前馈电压补偿以启用功率因数校正电路的电源转换装置，其特征在于，该功率因数校正电路包括有：

功率因数校正控制器，连接到该比较单元，接收该控制信号，用以输出功率因数驱动信号；

功率因数校正转换器，耦接于该功率因数校正控制器，该功率因数校正转换器受控于该功率因数驱动信号，当该功率因数驱动信号为致能时，用以启用功率因数校正与将该输入电压升压成为该总线电压；及

总线电容，耦接于该功率因数校正转换器，接收并暂存该总线电压。

3.如权利要求1所述的利用前馈电压补偿以启用功率因数校正电路的电源转换装置，其特征在于：该比较单元为磁滞比较单元，该磁滞比较单元根据该参考电压提供一个磁滞范围，该比较单元比较该磁滞范围与该第一临界电压，用以输出该控制信号。

4.一种利用前馈电压补偿以启用功率因数校正电路的电源转换装置，其特征在于，包括有：

功率因数校正电路，接收输入电压，以及输出总线电压；

功率转换单元，耦接于该功率因数校正电路，该功率转换单元接收该总线电压，以及输出一输出电压；

反馈单元，耦接于该功率转换单元，该反馈单元根据该输出电压产生反馈电压；

分压单元，接收该输入电压，以及输出补偿电压；

运算单元，耦接于该分压单元与一参考电压，用来将该参考电压减去该补偿电压，以及输出第二临界电压；及

比较单元，耦接于该运算单元、该功率因数校正电路及该反馈单元，该比较单元接收该第二临界电压与该反馈电压，当该反馈电压大于该第二临界电压时，该比较单元输出控制信号，该控制信号能致能该功率因数校正电路，用以启用功率因数校正与升压程序。

5.如权利要求4所述的利用前馈电压补偿以启用功率因数校正电路的电源转换装置，其特征在于，该功率因数校正电路包括有：

功率因数校正控制器，连接于该比较单元，接收该控制信号，用以输出功率因数驱动信号；

功率因数校正转换器，耦接于该功率因数校正控制器，该功率因数校正转换器受控于该功率因数驱动信号，当该功率因数驱动信号为致能时，用以启用功率因数校正与将该输入电压升压成为该总线电压；及

总线电容，耦接于该功率因数校正转换器，接收并暂存该总线电压。

6.如权利要求4所述的利用前馈电压补偿以启用功率因数校正电路的电源转换装置，其特征在于：该比较单元为磁滞比较单元，该磁滞比较单元依据该第二临界电压提供一个磁滞范围，该比较单元比较该磁滞范围与该反馈电压，用以输出该控制信号。

7.一种利用前馈电压补偿以启用功率因数校正电路的方法，其特征在于，步骤包括有：

从输入电压分压取得补偿电压；

从输出电压反馈取得反馈电压；

提供参考电压；

对该参考电压、该补偿电压及该反馈电压进行运算，以产生控制信号；及

该控制信号启用功率因数校正电路，对该输入电压进行功率因数校正与升压程序。

8.如权利要求7所述的利用前馈电压补偿以启用功率因数校正电路的方法，其特征在于，在对该参考电压、该补偿电压及该反馈电压进行运算的步骤中，包括有：

将该补偿电压加上该反馈电压，以产生第一临界电压；及

比较该参考电压与该第一临界电压，以产生该控制信号。

9.如权利要求8所述的利用前馈电压补偿以启用功率因数校正电路的方法，其特征在于：比较该参考电压与该第一临界电压的步骤中，该参考电压提供一个磁滞范围，当该第一临界电压大于该磁滞范围的上限时，该控制信号启用该功率因数校正电路的功率因数校正与升压程序，又当该控制电压小于该磁滞范围的下限时，该控制信号关闭该功率因数校正电路的功率因数校正与升压程序。

10.如权利要求7所述的利用前馈电压补偿以启用功率因数校正电路的方法，其特征在于，在对该参考电压、该补偿电压及该反馈电压进行运算的步骤中，包括有：

使用该参考电压减去该补偿电压，以产生第二临界电压；及

比较该反馈电压与该第二临界电压，以产生该控制信号。

11.如权利要求10所述的利用前馈电压补偿以启用功率因数校正电路的方法，其特征在于：比较该反馈电压与该第二临界电压的步骤中，该第二临界电压提供一个磁滞范围，当该反馈电压大于该磁滞范围的上限时，该控制信号启用该功率因数校正电路的功率因数校正与升压程序，又当该反馈电压小于该磁滞范围的下限时，该控制信号关闭该功率因数校正电路的功率因数校正与升压程序。

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