CN105391296B - 功率变换器中的功率因数校正 - Google Patents

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Abstract

各方面指向功率变换的方法、电路和装置。在一种示例的实施方式中，一种装置包括升压变换器，其具有电流回路，该电流回路由至少一个补偿校正参数和电流回路中电感的变化所影响。该装置还包括功率因数校正装置，其包括一个电路，配置和布置为基于电流回路的电感的变化而适应性地修改补偿校正参数。

Description

功率变换器中的功率因数校正
技术领域
本发明的各实施方式的方面涉及功率变换器中的功率因数校正。
背景技术
升压变换器是一种开关电源，其可以提供经调节的输出电压，该输出电压高于整流的输入电压。一种示例的升压变换器包括电感器、输出电容器和开关电路。开关电路调节升压变换器中的电流路径，以交替地对电感器和输出电容器进行充电和放电。在第一模式中，开关电路调节电流路径以对电感器进行充电。在第二模式中，开关电路调节电流路径，以将电荷从电感器转移到输出电容器。输出电容器上的电压被提供为升压变换器的输出电压。
升压变换器的电感器所表现出的电感取决于流经电感器的电流。例如，当流经电感器的电流增大时，电感器所展现的电感可能减小。为方便指代，流经电感器的电流可称为扼流。当电感器的心由磁粉组成时，电感与扼流之间的关系特别明显。由于具有软饱和、低成本以及高功率密度的特性，具有磁粉心的电感器广泛应用于功率变换器中。
由于电感与扼流之间的关系，由电感器所展现的电感在不同的运行条件(例如，不同的负载条件)下可能发生变化。电感的这种变化将使得为了优化效率而调节功率变换器的开关控制变得困难。例如，一些升压变换器使用具有恒定增益的反馈回路来控制开关电路，该开关电路将升压变换器在第一、第二运行模式之间切换。例如，反馈回路的增益可以基于在最小输入电压和全输出功率下对应于最大扼流的最小电感而设定。然而，如果运行条件使得扼流减小，由电感器展现的电感从而得到增大，进而降低升压变换器的交叉频率，导致功率因数和总谐波失真(total harmonic distortion，THD)变劣。
发明内容
各示例的实施方式指向功率变换的方法、电路及装置。
揭示的方法用于功率变换。在一个示例的实施方式中，提供了一种升压变换器。该升压变换器包括电流回路，该电流回路由至少一个补偿校正参数和电流回路中电感的变化所影响。使用功率因数校正电路，基于电流回路的电感的变化而适应性地修改补偿校正参数。
还描述了用于功率变换的电路和装置。在一种示例的实施方式中，一种装置包括升压变换器，其具有电流回路，该电流回路由至少一个补偿校正参数和电流回路中电感的变化所影响。该装置还包括功率因数校正装置，其包括一个电路，配置和布置为基于电流回路的电感的变化而适应性地修改补偿校正参数。
以上的讨论/概要并不应视为描述了本发明的每一种实施方式或所有实施例。以下的附图和描述同样示出了各种实施方式。
附图说明
通过以下结合各附图进行的详细说明，可以更完整地理解各示例的实施方式，其中：
图1所示的是根据一个或多个实施方式配置的第一功率变换器电路的框图；
图2所示的是根据一个或多个实施方式配置的第二功率变换器电路的框图；以及
图3所示的是升压整流器在运行时的示例信号。
具体实施方式
各实施方式的方面通过附图中的例子示出，并进行详细说明，此处所讨论的各实施方式亦可适于修改和替换形式。然而，应当理解的是，本发明不局限于所描述的特定实施方式。相反地，意欲覆盖所有落入包括定义在权利要求中的各方面中的本发明的所有修改、等同和替换。此外，本申请全文中所指的“示例”仅为表述之用，非为限制。
应当相信，本发明的各方面适用于涉及功率变换的多种不同类型的装置、***和方法。本发明的多个方面可以通过上下文所描述的种种示例展示，本发明并不限于所述的示例。
描述了各种示例的实施方式，其指向用于功率变换的方法、电路和装置。在一种示例的实施方式中，一种装置包括升压变换器，其具有电流回路，该电流回路由至少一个补偿校正参数和电流回路中电感的变化所影响。该装置还包括功率因数校正装置，其包括一个电路，配置和布置为基于电流回路的电感的变化而适应性地修改补偿校正参数。功率因数校正装置基于电感而动态地调节补偿校正参数，以减小由于电感变化导致的升压变换器功率因数的降低。
在一些实施方式中，升压变换器在电流回路中包括电感器和开关电路。开关电路在闭合时增大流经电感器的电流，从而对电感器充电。当开关电路打开时，电荷被从电感器上转移到输出电容上。在一些实现中，开关电路配置和布置为响应于控制信号中的脉冲而闭合，以及当控制信号中没有脉冲时打开。脉冲的宽度可以由脉宽调制器基于反馈信号而调节，以保证升压变换器可以输出所需的电压和/或电流。示例地，该反馈信号可以基于测得的流经电感器的电流与参考电流之间的差异而生成，参考电流由升压变换器的输出电压乘以输入参考电压的乘积得到。
功率因数校正电路配置和布置为基于电感器的电感变化来调节反馈信号的增益。在一些实现中，功率因数校正电路调节反馈的增益，以显示出与电感器的电感变化大致相同的变化。在一些实现中，功率因数校正电路可以基于用来生成反馈信号的参考电流来调节该增益。由于扼流通常以比例积分补偿Gvea(s)强制地跟随参考电流，参考电流展现的变化与流经电感器的电流的变化成比例，并可以被用来确定电感器的电感的变化。
现在参考图示，图1示出了根据本发明一个或多个实施方式配置的第一功率变换器电路的框图。该功率变换器电路100包括整流器110，配置为整流交流电压，以生成直流电压。升压变换器120被连接以接收来自整流器110的直流电压。升压变换器120包括电感器122、二极管124、输出电容器126以及开关电路128。开关电路128调节升压变换器120中的电流路径，以交替地对电感器122和输出电容器126进行充电和放电。在第一模式中和第二模式中，直流电流从整流器110经过电感器122和二极管124而流向输出电容器126。在第一模式中，开关电路128闭合，以提供从电感器122到地的额外电流路径。流经开关电路128的电流路径增大了流经电感器122的电流，从而对电感器进行充电。而在第一模式中，二极管124阻止了经过开关电路128的电流路径对输出电容器126的放电。在第二模式中，开关电路128被打开，从而存储在电感器122中的电荷被通过二极管124转移到输出电容器126。输出电容器126上的电压被提供为输出电压，供给电阻性负载130。
开关电路128的打开和闭合是由反馈回路控制的。在该实例中，开关电路128配置为响应于脉宽调制器140输出的控制信号(Ctrl)中的脉冲而闭合。脉宽调制器响应于反馈信号而调节脉冲的持续时间。反馈信号由反馈电路160生成，以保证升压变换器可以输出所需的电压和/或电流。示例地，该反馈信号可以基于测得的流经电感器122的电流与参考电流之间的差异而生成。示例地，该参考电流可以由升压变换器120的输出电压乘以输入参考电压的乘积得到。
功率变换器电路100包括补偿电路150，配置为适应性地调节反馈电路160所生成的反馈信号，以补偿电流回路中电感的变化。在一些实现中，补偿电路150配置为，基于电感器122的电感，调节反馈电路160所生成的反馈信号的增益。补偿电路150向脉宽调制器140提供所得到的反馈信号。
图2示出根据一个或多个实施方式而配置的功率变换器电路的框图。该功率变换器电路200包括整流器210，配置为整流交流电压，以生成直流电压。升压变换器220被连接以接收来自整流器210的直流电压。升压变换器220包括电感器222、二极管224、输出电容器226以及开关电路228。其配置为与图1中所示的升压变换器120的电感器122、二极管124、输出电容器126和开关电路128所参照描述的。输出电容器226上的电压被输出给电阻性负载230。
开关电路228的打开和闭合是由脉宽调制器240所输出的控制信号(Ctrl)中的脉冲来控制的。脉宽调制器240响应于反馈信号而调节脉冲的持续时间。反馈信号由反馈电路260生成，以保证升压变换器220可以输出所需的电压和/或电流。在该示例中，该反馈信号是反馈电路260基于测得的流经电感器222的电流(Isen)与参考电流(Iref)之间的差异而生成的。参考电流Iref可以是基于输入电压的尖峰检测、升压变换器220的电压输出(Vsen)、输入参考电压(Vref)以及流经电感器222的扼流而生成的。在一些实现中，测得的电压和/或电流中的各个可以相应地由各自的缩放电路(如272、274、276和278)来进行缩放。对于这些电压和/或电流的缩放量的更多信息，可以参考Lloyd，H.Dixon Jr.(Unitrode(现为TexasInst.)电源设计讲座，SEM-800，1991)的“High Power Factor Preregulator for Off-Line Power Supplies”，其全部作为参考引用在此。
一个示例的实现中的参考电流可以表示为：
Iref＝Krms·Gvea_out·Kin·Vin_peak·sin(ωt)
其中Gvea_out是由下式给出
Gvea_out＝Gvea(s)·(Vref-Vsen)
其中，典型的比例积分补偿Gvea(s)由下式给出：
功率变换器电路200包括补偿电路250，配置为适应性地调节由反馈电路260所生成的反馈信号，以补偿电流回路中电感的变化。在一些实现中，补偿电路250配置为，基于电感器222的电感，调节反馈电路260所生成的反馈信号的增益。补偿电路250所进行的比例积分补偿的传递函数表示为：
其中，Kp(Iref)为补偿电路250所进行的动态增益调节。可能进行的示例性动态增益调节表示为：
升压变换器的开环传递函数可表示为：
只要Kp(Iref)与L(Iref)保持为相同的变化，电感变化对传递函数的影响就可以被消除，交叉频率可以得以最大化。
由于电感可以近似为相对其偏置电流是线性的：
L(Iref)＝Linitial-Kchoke·Iref
Linitial是在零偏置电流时的最大电感，Kchoke是近似的线性增益。据此，开环传递函数可改写为
Kpmax由Linitial和回路稳定性确定。Kref被计算以消除Iref的变化。
补偿增益Kp适应性地随着Iref而变化，对于不同情况，交叉频率得以最大化。
图3所示的是升压整流器在运行时的示例信号。第一波形310显示的是升压变换器在运行时，在输入到整流器的交流电压的一个周期中，扼流的示例的变化。第二波形320显示的是由于波形310所示的扼流而导致的电感器的电感变化。
波形360显示的是，当如波形340所示的恒定增益(Kp_constant)被用来调节反馈信号时，波形320所示的电感变化所得到的交叉频率的示例。如先前指出的，反馈回路增益Kp_constant可以基于最大电流处的最小电感而计算为恒定。从而，在交流电压为零交叉时或者在低输入电流条件时，在大电感下交叉频率将会降低。由于频宽有限，这种交叉频率的降低可能导致电流变形。
波形350显示的是，当增益Kp(Iref)被基于波形330所示的电感器的电感而动态调节时，由于波形320所示的电感的变化而得到的交叉频率的示例。如波形350所示，作为电感的函数的增益的动态调节，可以用来在各种运行条件下实现大体恒定的交叉频率。
参考各示例所示的或讨论的模块、模组、电路和功能可以使用各种模拟或数字电路来实现。例如，在一些实施方式中，数字控制环可用来更新反馈信号和/或其增益。在一些实施方式中，一种装置可包括数字控制的750W功率因数补偿的功率变换器。在一种实现中，该变换器具有627uH的Linitial，在0A下为219uH，以及12.5A的偏置电流，其Kchoke为32.6uH/A。如表1所示，在适应性增益下测得的输入功率因数和THD与恒定增益下进行比较。在不同负载条件下，功率因数平均增长0.01，而THD得以降低。通过该改善，可以实现电源的功率因数的更大余量，以通过国际标准，例如对于服务器电源的白金80plus，在50％负载下PF＞0.95。
表1
一些提升功率因数和THD的解决措施会增大控制回路的刷新频率，以降低在更高交叉频率下数字回路的相位延迟。然而，控制回路的计算速度直接由微控制器(MCU)的时钟速度决定，这意味着需要使用更高的MCU时钟速度，成本更高，功耗更大。在一些实施方式中，数字控制回路被配置为使用基于电感可变的增益来刷新反馈信号。该数字控制回路可以利用低速MCU来实现，从而降低制造成本以及功耗。其他一些实施方式可以使用专用的硬件和周边来实现控制回路，以缩短相位延迟。
各种模块、模组或其他电路也可实现用来进行此处所述的和/或图中所示的动作和行为中的一个或多个。在这些情况中，“模块”(有时为“逻辑电路”或“模组”)是一种电路，其进行这些或相关的动作/行为中的一个或多个(如高速取样缓冲器或波滤器)。例如，在以上所讨论的一些实施方式中，一个或多个模组为分立的逻辑电路或可编程逻辑电路，配置和布置为进行如图1和图2中的电路模组的这些动作/行为。在特定实施方式中，这样的可编程电路是一个或多个计算机电路，被编程用来执行一组(或多组)指令(和/或配置数据)。在部分实施方式中，这种可编程电路是一个或多个计算机电路，被编程用于执行一组(或多组)指令(和/或配置数据)。所述指令(和/或配置数据)可以固件或软件的形式存储于存储器(电路)，并可自所述存储器(电路)读出。作为一种示例，第一模块和第二模块包括由CPU基于硬件的电路和一组以固件形式存在的指令的集合，其中第一模块包括第一CPU硬件电路和一组指令，第二模块包括第二CPU硬件电路和另一组指令。
特定的实施方式指向计算机程序产品(例如非易失性存储器装置)，其包括机器或计算机可读媒介，在其上存储有指令，指令可以由计算机(或其他电子设备)运行，来执行这些动作/行为。
根据以上讨论和描述，所属技术领域的技术人员可以在无须严格遵从于前述实施方式和应用的情况下对本发明作出种种修改或变动。例如，在某些情况下本发明的方面和特点在单独的附图中进行展示，但应当理解的是，尽管未必明确地在本发明的附图或说明书中指出，但其中一幅附图中的某些特征可以被结合到另一附图的特征中实施。进一步地，各个实施方式中的各方面可以实现为单独的实施方式。此等修改并不背离本发明的真实精神和范围，包括以下权利要求所示的。

Claims (9)

1.一种用于功率变换的方法，其特征在于，所述方法包括：
使用升压变换器，其包括电流回路、在电流回路中的电感器、以及包括开关电路，该电流回路由至少一个补偿校正参数和电流回路中电感的变化所影响；以及所述开关电路配置和布置为响应于控制信号的脉冲而闭合、并在闭合时增大流经电感器的电流；
使用功率因数校正电路，基于电流回路的电感的变化而适应性地修改补偿校正参数；以及基于电感器的电感变化来调节反馈信号的增益，以维持所述升压变换器的恒定的交叉频率；以及
基于反馈信号而调节控制信号的脉冲的脉宽。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
升压变换器的开关电路配置和布置为在闭合时对电感器充电。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述功率因数校正电路调节反馈信号的增益， 调节所述增益以使所述增益的变化与电感器的电感的变化实质相等。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，进一步包括：基于测得的流经电感器的电流与参考电流之间的差异而生成反馈信号；所述参考电流是由升压变换器输出的电压乘以输入参考电压的乘积所得到的。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述调节反馈信号的增益作为参考电流的函数而动态地调节所述增益。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述升压变换器的功率因数通过电感的变化而降低，以及
所述基于电感的变化而适应性地修改补偿校正参数减轻由电感变化引起的功率因数降低。
7.一种用于功率变换的装置，其特征在于，包括：
升压变换器，其具有电流回路，该电流回路由至少一个补偿校正参数和电流回路中电感的变化所影响；以及
功率因数校正电路，配置和布置为基于电流回路的电感的变化而适应性地修改补偿校正参数；
脉宽调制器，配置为基于反馈信号而调节控制信号中的脉冲的宽度，其中
升压变换器包括在电流回路中的电感器，以及包括开关电路，配置和布置为在闭合时增大流经电感器的电流；
开关电路配置和布置为响应于控制信号的脉冲而闭合；以及
功率因数校正装置配置和布置为基于电感器的电感变化来调节反馈信号的增益，以在所述电感器的电感增大时维持所述升压变换器的恒定的交叉频率。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，
升压变换器的开关电路配置和布置为在闭合时对电感器充电。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于：功率因数校正装置配置和布置为引起反馈信号的增益的变化实质等于电感器的电感变化。
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