TWI439037B - 功率因數改善裝置及其控制方法 - Google Patents

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TWI439037B
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Fumikazu Takahashi
Masahiro Hamaogi
Yen Shin Lai
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Hitachi Info & Telecomm Eng
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Description

功率因數改善裝置及其控制方法
本發明係關於功率因數改善裝置及其控制方法，例如適合使用於AC/DC轉換器等之開關電源裝置者。
以往，作為電源裝置，廣泛地使用：於輸出商用交流的絕對值之全波整流電路後段，配置有由扼流線圈(choke coil)、開關元件及電容器等所構成的功率因數改善電路(以下，將此稱為PFC(Power Factor Collection)電路)者(參照專利文獻1)。
此種PFC電路，係藉由以高頻來使開關元件進行開啟/關閉動作，於扼流線圈產生三角波形的線圈電流，藉由電容器將此線圈電流整流平滑化，將輸入電流補正為和輸入電壓相同相位的正弦波狀後予以輸出。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2007-288892號公報
作為上述之PFC電路的動作模式，有於開關元件之每一開啟/關閉動作的重複週期(以下，稱此為開關週期)，以線圈電流成為「0」安培之方式來控制開關元件的開啟/關閉之臨界模式。
在以臨界模式使PFC電路動作的情形時，由於需要檢測施加線圈電流成為「0」安培之時機用的零電流檢測電路，因此電路規模變大，存在有成本提高的問題。
另外，零電流檢測電路的精度因產品而不同，難以正確地檢測線圈電流成為「0」安培之時機。每一開關週期，線圈電流無法正確地控制成為「0」安培時，PFC電路的動作變得不穩定，其結果，有電源裝置的輸出變得不穩定的問題。
本發明係考慮以上問題點所完成者，提出一面可以使構造變得簡易化及小型化，一面可以做為電源裝置的輸出而獲得穩定的輸出之功率因數改善裝置及其控制方法的方案。
為了解決此種課題，本發明為一種具有：線圈及開關元件、及開啟/關閉控制前述開關元件之控制部的功率因數改善裝置，設置：檢測該功率因數改善裝置的輸入電壓之輸入電壓檢測部；及檢測輸出電壓之輸出電壓檢測部；及檢測伴隨前述開關元件的開啟/關閉動作所產生於前述線圈的線圈電流之線圈電流檢測部，前述控制部為依據：藉由前述輸入電壓檢測部所被檢測到的前述輸入電壓的電壓值、及藉由前述輸出電壓檢測部所被檢測到的前述輸出電壓的電壓值、及藉由前述線圈電流檢測部所被檢測到的前述線圈電流的電流值，以臨界模式來預測控制前述開關元件用的每一開關週期的前述開關元件的關閉時間，依據預測結果來開啟/關閉控制前述開關元件。
另外，本發明為一種具有：線圈及開關元件、及開啟/關閉控制前述開關元件的控制部之功率因數改善裝置之控制方法，前述功率因數改善裝置，為具有：檢測該功率因數改善裝置的輸入電壓之輸入電壓檢測部；及檢測輸出電壓之輸出電壓檢測部；及檢測伴隨前述開關元件的開啟/關閉動作所發生於前述線圈的線圈電流之線圈電流檢測部，且設置：前述控制部依據藉由前述輸入電壓檢測部所被檢測到的前述輸入電壓的電壓值、及藉由前述輸出電壓檢測部所被檢測到的前述輸出電壓的電壓值、及藉由前述線圈電流檢測部所被檢測到的前述線圈電流的電流值，以臨界模式來預測控制前述開關元件用的每一開關週期的前述開關元件的關閉時間之第1步驟；及前述控制部依據前述預測結果來開啟/關閉控制前述開關元件之第2步驟。
如依據本發明，不需要檢測開關時之線圈電流的零點用之零電流檢測電路，可以進行臨界模式之功率因數改善控制，可以將功率因數改善裝置的規模縮小，且可使使用本功率因數改善裝置的電源裝置整體的構造簡化及小型化。
另外，如依據本發明，能使功率因數改善裝置穩定地動作，可以抑制功率因數改善裝置的輸出電壓的變動，得以獲得穩定的輸出。
如此依據本發明，得以實現一面使構造簡易化及小型化，一面做為電源裝置的輸出可以獲得穩定的輸出之功率因數改善裝置及其控制方法。
以下，依據圖面詳細敘述本發明的一實施型態。
(1)第1實施型態 (1-1)依據本實施型態之電源裝置的構造
第1圖中，1是表示作為整體之依據本實施型態的電源裝置。此電源裝置1係具備：EMI(ElectroMagnetic Interference)濾波器部3、全波整流部4、PFC部5及DC/DC轉換部6所構成。
EMI濾波器部3係由商用交流電源2所給予之如第2(A)圖所示的交流電源電壓V1 及交流電源電流I1 去除雜訊。另外，全波整流部4例如是由二極體橋所構成，將從EMI濾波器部3所給予的雜訊予以去除後的交流電源電壓V1 及交流電源電流I1 予以全波整流，將如此所獲得之如第2(B)圖所示的輸入電壓V2 及輸入電流I2 輸出至PFC部5。
PFC部5係如第2(C)圖所示般，係橫跨輸入週期的全部區間控制輸入電流I2 ，使得從全波整流部4所給予之輸入電流I2 的平均值ILAVE 成為正弦波，補正輸入電壓V2 及輸入電流I2 間的相位偏差。另外，PFC部5將補正過相位偏差的輸入電壓V2 及輸入電流I2 予以平滑化，將如此獲得的第2(D)圖所示之輸出電壓V4 及輸出電流I4 輸出至DC/DC轉換部6。
DC/DC轉換部6係將從PFC部5所給予之輸出電壓V4 轉換為成為所期望的直流電壓，將如此所獲得的特定位準為直流電壓輸出至電力供給對方(負載)。
(1-2)PFC部的構造
此處，PFC部5係如第3圖所示般，由PFC電路10及控制部11所構成。
PFC電路10係具備被串聯連接於全波整流部4的正側輸出端子與DC/DC轉換部6的正側輸入端子間的扼流線圈L1 及返流用輸出二極體D1 ，於扼流線圈L1 及返流用輸出二極體D1 的連接中點與連接全波整流部4的負側輸出端子及DC/DC轉換部6的負側輸入端子間之接地線15之間連接有開關元件Q1 。
開關元件Q1 例如是由MOS型FET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor：金屬氧化半導體場效電晶體)所構成，汲極(drain)被連接於扼流線圈L1 及返流用輸出二極體D1 的連接中點，源極(source)被連接於接地線15。另外，開關元件Q1 的閘極係被連接於控制部11。
另外，於返流用輸出二極體D1 及DC/DC轉換部6的正側輸入端子的連接中點和接地線15之間，連接有輸出平滑用電容器C1 。
進而於全波整流部4的正側輸出端子及扼流線圈L1 間，設置有檢測基於開關元件Q1 的開啟/關閉所產生於扼流線圈L1 之線圈電流IL 用的電流檢測器12。然後，電流檢測器12將所檢測的線圈電流IL 當成線圈電流檢測訊號S1 送至控制部11。作為電流檢測器，例如可以使用分流阻抗(shunt resistor)或霍爾元件等。
進而於全波整流部4的正側輸出端子及負側輸出端子間，連接有由第1及第2分壓阻抗R1 、R2 所形成的第1分壓阻抗器13。且第1分壓阻抗器13係將由全波整流部4所輸出的脈動電流電壓V2 以因應第1及第2分壓阻抗R1 、R2 的各阻抗值之比例予以分壓，將如此獲得的第1分壓電壓V10 輸出至控制部11。
相對於此，於返流用輸出二極體D1 及輸出平滑用電容器C1 的連接中點與接地線15之間，連接有由第3及第4分壓阻抗R3 、R4 所形成的第2分壓阻抗器14。然後第2分壓阻抗器14係如上述般，將由PFC部5輸出至DC/DC轉換部6的輸出電壓V4 以因應第3及第4分壓阻抗R3 、R4 之各阻抗值的比例予以分壓，將如此獲得的第2分壓電壓V11 輸出至控制部11。
控制部11係依據由電流檢測器12所給予之線圈電流檢測訊號S1 、與由第1分壓阻抗器13所給予之第1分壓電壓V10 、與由第2分壓阻抗器14所給予之第2分壓電壓V11 ，作為開關元件Q1 的驅動訊號，產生如第7(B)圖所示之PWM(Pulse Width Modulation：脈寬調變)訊號S2 ，將所產生的PWM訊號S2 施加於開關元件Q1 的閘極。
於以上構造中，在PFC部5，由全波整流部4所給予之輸入電壓V2 係被施加於PFC電路10的扼流線圈L1 ，此時，於PFC電路10，開關元件Q1 係依據由控制部11所給予之PWM訊號S2 進行開啟/關閉動作，伴隨此開關元件Q1 的開啟/關閉動作，如第2(C)圖所示之臨界模式的線圈電流IL 產生於扼流線圈L1 。
然後，此線圈電流IL 及扼流線圈端子電壓(Q1 的汲極一源極間電壓)，此後在返流用輸出二極體D1 及輸出平滑用電容器C1 被平滑處理後，被輸出於DC/DC轉換部6。
(1-3)控制部的構造
接著，說明PFC部5的控制部11的構造。此時，首先說明藉由控制部11所執行的PFC控制的原理。
(1-3-1)依據本實施型態之PFC控制的原理
第4圖中，第4(A)圖係表示產生於扼流線圈L1 的線圈電流IL ，第4(B)圖係表示為了數位控制，於控制部11所執行的取樣處理中之取樣時機。具體而言，第4(B)圖係表示於每一取樣週期，以過了開關元件Q1 的開啟時間的一半之時機來將線圈電流IL 進行取樣的情形。
此處，PFC控制穩定的情形(穩定時)，開關元件Q1 的第(n+1)次之開啟時間Ton [n+1]，可以假定和1取樣前的開啟時間Ton [n]幾乎相等，下一式子成立。
[數學式1]
另外，PFC控制用之開關頻率，比商用交流的頻率高非常多，開關元件Q1 之第n次的開關週期Ts [n]與(n+1)次之開關週期Ts [n+1]之間，下一式子成立。
[數學式2]
因此，依據(1)式及(2)式，開關元件Q1 的第n次之關閉時間Toff [n]與第(n+1)次之關閉時間Toff [n+1]之間，下一式子成立。
[數學式3]
另外，PFC部5於臨界模式穩定動作的狀態中，由第4圖可以明白，下一式子成立。
[數學式4]
另外，於此(4)式中，m1 係表示第n次之開啟時間Ton [n]中之線圈電流IL 的增加比例(第4圖之波形的開啟時間Ton [n]中之斜率)，m2 係表示第n次之關閉動作的動作時間(以下，稱此為關閉時間)Toff [n]中之線圈電流IL 的減少比例(由第4圖之波形的關閉時間Toff [n]中之斜率去掉[-]之部分)。另外，IL [n]係表示第n次之取樣時機中之線圈電流IL 的實際值。
然後，將此(4)式就Toff [n]求解時，可以獲得下一式子。
[數學式5]
進而，(3)式係如上述般，第n次之關閉時間Toff [n]與第(n+1)次之關閉時間Toff [n+1]，被認為幾乎相同。因此，第(n+1)次之關閉時間Toff [n+1]利用(5)式可以表示如下一式子。
[數學式6]
因此，第(n+1)次之開關週期Ts [n+1]是對此(6)式加上第n次的開啟時間Ton [n]者，可以表示如下一式子。
[數學式7]
另一方面，上述第n次的開啟時間Ton [n]中之線圈電流IL 的增加比例m1 ，可以表示如下一式子。
[數學式8]
另外，第n次之關閉時間Toff [n]中之線圈電流IL 的減少比例m2 ，可以表示如下一式子。
[數學式9]
但是在(8)式及(9)式中，賦予「」之Vin 係表示由全波整流部4給予PFC部5之輸入電壓V2 的實際的峰值，Vin [n]為第n次之取樣時機中之輸入電壓V2 的實際值，L為扼流線圈L1 的電感值，Vout [n]是表示由PFC部5輸出至DC/DC轉換部6之輸出電壓V4 的第n次的取樣時機中之實際值。
依據以上之(6)式、(8)式及(9)式，第(n+1)次之關閉動作時之關閉時間Toff [n+1]，係如下一式子般，可以進行預測。
[數學式10]
此時之第(n+1)次之開關週期Ts [n+1]，依據(7)式～(9)式，可以表示如下式般。
[數學式11]
因此，藉由控制開關元件Q1 的關閉時間(即控制使開關元件Q1 的關閉時間滿足(10)式)使得開關週期滿足(11)式，可以不用使用零電壓檢測電路，以臨界模式進行PFC控制。
(1-3-2)控制部的具體構造
第5圖係表示考慮以上之點所構築的控制部11的具體構造。由此第5圖可以明白，控制部11是由：類比/數位轉換部20、關閉時間預測部21、開啟時間控制部22、加法電路23及PWM產生部24所構成。
類比/數位轉換部20係如之後敘述般，為依據來自PWM產生部24的載波產生部33(第6圖)的通知，將由第1分壓阻抗器13(第3圖)所給予之第1分壓電壓V10 、及由電流檢測器12(第3圖)所給予之線圈電流檢測訊號S1 ，於分別經過開啟時間的一半之時機進行取樣(類比/數位轉換)。
然後，類比/數位轉換部20將以藉由此取樣所獲得的第1分壓電壓V10 的取樣值所形成的第1分壓電壓值VV10 、及以線圈電流檢測訊號S1 的取樣值所形成的線圈電流檢測值VS1 分別送出至關閉時間預測部21。
另外，類比/數位轉換部20將由第2分壓阻抗器14(第3圖)所給予之第2分壓電壓V11 以和第1分壓電壓V10 及線圈電流檢測訊號S1 相同時機予以取樣，將以如此獲得之第2分壓電壓V11 的取樣值所形成的第2分壓電壓值VV11 送出至關閉時間預測部21及開啟時間控制部22。
開啟時間控制部22係由：基準值輸出電路30、減法電路31及PI控制部32所構成，將由類比/數位轉換部20所給予之第2分壓電壓值VV11 輸入至減法電路31的負側輸入端。
此時，於此減法電路31的正側輸入端，在既定電壓由PFC部5被輸出時，為了取得第2分壓電壓值VV11 ，基準電壓值VR從基準值輸出電路30被給予。如此，減法電路31由此基準電壓值VR減去第2分壓電壓值VV11 ，將獲得的值當成誤差值VE而送出至PI控制部32。
PI控制部32係依據由減法電路31所給予之誤差值VE，藉由PI控制，算出下一取樣週期中之開啟時間的目標值，將此當成開啟時間指令值Ton_com 分別送出至關閉時間預測部21、加法電路23的一方之訊號輸入端、及PWM產生部24。
關閉時間預測部21係依據由類比/數位轉換部20所給予之第1分壓電壓值VV10 、線圈電流檢測值VS1 及第2分壓電壓值VV11 、及由開啟時間控制部22所給予之開啟時間指令值Ton_com ，使用上述之(10)式來預測下次取樣週期中之臨界模式控制用的關閉時間。
具體而言，關閉時間預測部21係依據第1分壓電壓值VV10 ，由全波整流部4(第1圖)算出給予PFC部5之輸入電壓V2 的電壓值(相當於(10)式之Vin [n])，且依據線圈電流檢測值VS1 ，算出線圈電流IL的電流值(相當於(10)式之IL [n])。另外，關閉時間預測部21係依據第2分壓電壓值VV11 ，算出由PFC部5給予DC/DC轉換部6(第1圖)之輸出電壓V4 的電壓值(相當於(10)式之Vout [n])。
然後關閉時間預測部21依據如此獲得的輸入電壓V2 的電壓值、及線圈電流值IL 、及輸出電壓V4 的電壓值、及由開啟時間控制部22所給予之開啟時間指令值Ton_com (相當於(10)式之Ton [n])，依據(10)式，算出下一取樣週期中之關閉時間(相當於(10)式之Toff [n+1])。另外，扼流線圈L1 的電感L預先被給予關閉時間預測部21，關閉時間預測部21將此電感L儲存保留在未圖示出的內部記憶體。
另外，關閉時間預測部21將如此獲得的下次取樣週期中之關閉時間的預測值作為關閉時間指令值Toff_com ，輸出至加法電路23的另一方之訊號輸入端。
加法電路23係藉由將由開啟時間控制部22所給予之開啟時間指令值Ton_com 、及由關閉時間預測部21所給予之關閉時間指令值Toff_com 予以相加，算出以上述(11)式所給予之下次取樣週期，將算出結果當成取樣週期指令值Vm 送出至PWM產生部24。
PWM產生部24係如第6圖所示般，由：載波產生部33、比較部34及輸出部35所構成。然後，載波產生部33係如第7(C)圖所示般，產生具有因應由加法電路23所給予之取樣週期指令值Vm 之峰值Vmp 的三角波形的載波CA，將該載波CA的位準值以內部時脈之週期依序送出至比較部34。
另外，於本實施型態之情形，載波產生部33係由計數器所構成。而且，載波產生部33係由零開始計數，以內部時脈週期一面往上計數一面依序將該計數值送出至比較部34。另外，載波產生部33在計數值一到達此峰值Vmp 時，之後，一面往下計數一面將該時之計數值依序送出至比較部34。然後載波產生部33藉由連續地重複此種計數處理，可使連續地產生具有因應從加法電路23所給予之取樣週期指令值Vm 的峰值Vmp 之載波CA。
另外，載波產生部33將載波CA的位準值(計數值)成為零之時機(第7(D)圖之箭頭所示的時機)通知類比/數位轉換部20。如此類比/數位轉換部20以接受此通知之時機取樣第1分壓電壓V10 、線圈電流檢測訊號S1 及第2分壓電壓V11 。
比較部34係比較由載波產生部33以內部時脈週期所給予的載波CA的位準值、及由開啟時間控制部22(第5圖)所給予之開啟時間指令值Ton_com 之大小，將比較結果送出至輸出部35。
然後，輸出部35依據此比較部34的比較結果，產生於開啟時間指令值Ton_com 比載波CA的位準值高的期間，上升為高位準，於開啟時間指令值Ton_com 比載波CA的位準值低的期間，下降為低位準之第7(B)圖所示的PWM訊號S2 ，將生成的PWM訊號S2 送出至開關元件Q1 的閘極。
如此開關元件Q1是依據此PWM訊號S2 進行開啟/關閉動作，藉此，使扼流線圈L1 產生如第7(A)圖所示之三角波形的線圈電流IL 。
(1-3-3)控制部的內部時脈與載波的峰值Vmp 之關係
接著，說明控制部的內部時脈與載波的峰值Vmp 的關係。
第n次之取樣週期Ts [n]中之載波的峰值Vmp ，如考慮第7(C)圖所示之載波的各三角形狀的部位都是二等邊三角形、及載波產生部33(第6圖)以內部時脈CLK的週期進行往上計數或往下計數之計數，可以表示如下一式子。
[數學式12]
另外，於(12)式中，CLK係表示控制部的內部時脈(例如150MHz)。
另外，由開啟時間控制部22所輸出之第n次的取樣週期中之開啟時間指令值Ton_com [n]、及該第n次的取樣週期中之開啟時間Ton [n]的關係，如參照第7(c)圖時，可以表示如下一式子。
[數學式13]
因此，於本實施型態的情形時，第(n+1)次之取樣週期Ts [n+1]中之載波的峰值Vmp [n+1]，可以使用(11)～(13)式，表示如下一式子。
[數學式14]
(1-4)本實施型態的效果
如上述般，於依據本實施型態之電源裝置1中，依據1個之前的取樣週期中之對PFC部5的脈衝電流電壓(輸入電壓V2 )、及由該PFC部5之平滑化電壓(輸出電壓V4 )、及線圈電流IL 、及開關元件Q1 之開啟時間，預測臨界模式之進行PFC控制時之下次取樣週期的開關元件Q1 的關閉時間，依據此預測結果，進行開關元件Q1 的開啟/關閉控制，不需要檢測線圈電流IL 的零點用之零電流檢測電路，可以進行臨界模式之PFC控制。如此，可以使PFC部5的電路規模縮小，且能使電源裝置1整體之構造簡化及小型化。
另外，於依據本實施型態之電源裝置1中，藉由上述之手法，能高精度地進行臨界模式控制，可使PFC部5穩定地動作。因此，可以抑制PFC部5的輸出電壓變動或輸出鏈波，做為電源裝置1的輸出，可以獲得穩定的輸出。
(2)第2實施型態 (2-1)依據本實施型態之PFC電路的構造
對和第1圖之對應部分賦予相同符號所表示的第8圖，係表示代替依據第1實施型態之PFC部5之適用於第1圖的電源裝置1之第2實施型態的PFC部40。此PFC部40做為PFC控制方式，採用二相交錯方式，此與依據第1實施型態之PFC部5不同。
即依據本實施型態之PFC部40，係由PFC電路41及控制部42所構成。
然後PFC電路41具備被串聯連接於全波整流部4的正側輸出端子與DC/DC轉換部6的正側輸入端子之間的主動側扼流線圈L10M 及主動側返流用輸出二極體D10M 。另外，於主動側扼流線圈L10M 及主動側返流用輸出二極體D10M 之連接中點，與接地線15之間連接有主動側開關元件Q10M 。
主動側開關元件Q10M 係和第1實施型態的開關元件Q1 相同，例如由MOS型FET所構成，汲極被連接於主動側扼流線圈L10M 及主動側返流用輸出二極體D10M 的連接中點，源極被連接於接地線15。另外，主動側開關元件Q10M 的閘極係被連接於控制部42。
進而於全波整流部4的正側輸出端子及主動側扼流線圈L10M 之間，設置有藉由主動側開關元件Q10M 的開啟/關閉動作，產生於主動側扼流線圈L10M 的線圈電流ILM 用之主動側電流檢測器12M。然後，主動側電流檢測器12M係將所檢測的線圈電流ILM 當成主動側線圈電流檢測訊號S10M 送出至控制部42。
另一方面，PFC電路41係設置有和主動側扼流線圈L10M 及主動側返流用輸出二極體D10M 並列地被串聯連接之從屬側扼流線圈L10S 及從屬側返流用輸出二極體D10S ，於從屬側扼流線圈L10S 及從屬側返流用輸出二極體D10S 的連接中點，及接地線15之間連接有從屬側開關元件Q10S 。
從屬側開關元件Q10S 係和主動側開關元件Q10M 相同，例如由MOS型FET所構成，汲極被連接於從屬側扼流線圈L10S 及從屬側返流用輸出二極體D10S 的連接中點，源極被連接於接地線15。另外，從屬側開關元件Q10S 的閘極被連接於控制部42。
進而，於全波整流部4的正側輸出端子及從屬側扼流線圈L10S 間，設置有檢測藉由從屬側開關元件Q10S 的開啟/關閉動作而產生於從屬側扼流線圈L10S 之線圈電流ILS 用之從屬側電流檢測器12S。然後，從屬側電流檢測器12S將檢測到的線圈電流ILS 當成從屬側線圈電流檢測訊號S10S 送出至控制部42。
控制部42係依據由主動側電流檢測器12M及從屬側電流檢測器12S分別所給予之主動側線圈電流檢測訊號S10M 及從屬側線圈電流檢測訊號S10S 、由第1分壓阻抗器13所給予之第1分壓電壓V10 、及由第2分壓阻抗器14所給予之第2分壓電壓V11 ，產生如第9(C)圖所示之主動側PWM訊號S11M 、及對於該主動側PWM訊號S11M ，相位移位180度之第9(D)圖所示之從屬側PWM訊號S11S ，將主動側PWM訊號S11M 施加於主動側開關元件Q10M 的閘極，將從屬側PWM訊號S11M 施加於從屬側開關元件Q10S 的閘極。
於以上構造中，在PFC部40，由全波整流部4所給予之輸入電壓V2 分別被施加於PFC電路41的主動側扼流線圈L10M 及從屬側扼流線圈L10S 。
此時主動側開關元件Q10M 係依據由控制部42所給予之主動側PWM訊號S11M 進行開啟/關閉動作，伴隨此主動側開關元件Q10M 的開啟/關閉動作，如第9(A)圖所示之臨界模式的主動側線圈電流ILM 產生於主動側扼流線圈L10M 。同樣地，此時從屬側開關元件Q10S 依據由控制部42所給予之從屬側PWM訊號S11S 進行開啟/關閉動作，伴隨此從屬側開關元件Q10S 的開啟/關閉動作，如第9(B)圖所示之臨界模式的從屬側線圈電流ILS 產生於從屬側扼流線圈L10S 。
然後，此等主動側線圈電流ILM 及從屬側線圈電流ILS ，之後在主動側返流用輸出二極體D10M 或從屬側返流用輸出二極體D10S 中被整流後被合成，如此獲得的整流線圈訊號在輸出平滑用電容器C1 中被平滑化，而被輸出至DC/DC轉換部6。
(2-2)控制部的構造 (2-2-1)依據本實施型態之PFC控制的原理
於藉由上述之交錯方式的PFC控制中，主動側與從屬側之電流分配需要相等。即如第10(A)圖所示般，產生於主動側扼流線圈L10M 之主動側線圈電流ILM 與產生於從屬側扼流線圈L10S 之從屬側線圈電流ILS 之間的相位差，需要正確地為180度。另外，第10(B)圖之箭頭，係表示為了數位控制，於控制部42所被執行之取樣的時機。
但是基於主動側之各零件(扼流線圈、開關元件等)與從屬側之對應零件之間的特性的不同，主動側線圈電流ILM 及從屬側線圈電流ILS 之間的相位差，有時無法正確地成為180度。在此種情形時，主動側和從屬側之電流比亂掉，在零件應力施加於某一方之外，於最差的情形時，控制變得不穩定。
此處第11(A)圖係表示產生於主動側扼流線圈L10M 之主動側線圈電流ILM 與產生於從屬側扼流線圈L10S 之從屬側線圈電流ILS 之間的相位差，由180度偏離之情形的一例。另外，第11(B)圖係表示為了數位控制，於控制部42所執行的取樣的時機。
於此第11(A)圖中，將主動側線圈電流ILM 增加之期間中的該主動側線圈電流ILM 的增加比例(對應第11圖的直線部分之斜率)設為m1_ILM (參照第10圖)、將從屬側線圈電流ILS 增加之期間中之該從屬側線圈電流ILS 的增加比例(對應第11圖之直線部分的斜率)設為m1_ILS (參照第10圖)，假定下一式子。
[數學式15]
另外，於第11(A)圖中，將主動側線圈電流ILM 減少期間中之該主動側線圈電流ILM 的減少比例(對應第11圖之直線部分的斜率)設為-m2_ILM (參照第10圖)、將從屬側線圈電流ILS 減少期間中之該從屬側線圈電流ILS 的減少比例(對應第11圖之直線部分的斜率)設為-m2_ILS (參照第10圖)，假定下一式子。
[數學式16]
進而參照第11(A)圖，下一式子成立。
[數學式17]
另外，於此(17)式中，ΔTon [n]係表示從第11(A)圖之情形中之從屬側線圈電流ILS 的開啟時間Ton [n]的正確時機起之時間性偏差量。另外，ΔIL [n]係表示於第11(A)圖之情形中，第n次之取樣時機(第11(B)圖之箭頭)中之主動側線圈電流ILM 及從屬側線圈電流ILS 間的位準差。
此處，將此(17)式就時間性偏差量ΔTon [n]進行求解，成為如下一式子。
[數學式18]
此(18)式，可以依據上述之(8)式及(9)式而變形為下一式子。
[數學式19]
於此(19)式中，ILM [n]係表示第n次之取樣時機(參照第11(B)圖之箭頭)中之主動側線圈電流ILM 的值、ILS [n]係第n次之取樣時機中之從屬側線圈電流ILS 的值。
因此，藉由將此(19)式所表示之時間性偏差量ΔTon [n]加於從屬側之開啟時間指令值，可以獲得主動側線圈電流ILM 與從屬側線圈電流ILS 之間的相位差被補正為正確地成為180度之從屬側的開啟時間指令值(以下，將此稱為從屬側開啟時間指令值)Ton_com,S 。另外，此從屬側開啟時間指令值Ton_com,S ，在將取樣週期指定值設為Vm 、主動側之開啟時間指令值(以下，將此稱為主動側開啟時間指令值)設為Ton_com,M 時，可以表示為如下一式子。
[數學式20]
(2-2-2)控制部的構造
對與第5圖的對應部分賦予相同符號之第12圖，係表示依據考慮以上之點所構成之第2實施型態的控制部42的構造。本控制部42係與依據第1實施型態之控制部11(參照第5圖)相同，具備：類比/數位轉換部20、關閉時間預測部21、開啟時間控制部22、加法電路23及PWM產生部54。另外，依據本實施型態之控制部42，係於此構造之外，進而具備：從屬側開啟時間補正部51、從屬側開啟時間運算部52及加法電路53。
類比/數位轉換部20係如之後敘述般，依據由PWM產生部54之載波產生部33(第13圖)所給予之通知，將由第1分壓阻抗器13(第8圖)所給予之第1分壓電壓V10 、及主動側電流檢測器12M(第8圖)所給予之主動側線圈電流檢測訊號S10M 分別進行類比/數位轉換。
然後，類比/數位轉換部20將以藉由此取樣所獲得的第1分壓電壓V10 的取樣值所形成的第1分壓電壓值VV10 送出至關閉時間預測部21，且將以主動側線圈電流檢測訊號S10M 的取樣值所形成之主動側線圈電流檢測值VS10M 送出至關閉時間預測部21及從屬側開啟時間補正部51。
另外，類比/數位轉換部20係將由第2分壓阻抗器14(第8圖)所給予之第2分壓電壓V11 以和第1分壓電壓V10 及主動側線圈電流檢測訊號S10M 相同時機進行取樣，將以如此獲得之第2分壓電壓V11 的取樣值所形成的第2分壓電壓值VV11 送出至關閉時間預測部21及開啟時間控制部22。
進而類比/數位轉換部20係將由從屬側電流檢測器12S(第8圖)所給予之從屬側線圈電流檢測訊號S10S 進行類比/數位轉換，將如此獲得之從屬側線圈電流檢測值VS10S 送出至從屬側開啟時間補正部51。
開啟時間控制部22係和第1實施型態相同，算出下一取樣週期中之主動側的開啟時間之目標值，將此當成主動側開啟時間指令值Ton_com,M ，分別輸出至關閉時間預測部50、加法電路23之之一方的訊號輸入端、PWM產生部54及從屬側開啟時間運算部52。
關閉時間預測部21係依據由類比/數位轉換部20所給予之第1分壓電壓值VV10 、主動側線圈電流檢測值VS10M 及第2分壓電壓值VV11 、及由開啟時間控制部22所給予之主動側開啟時間指令值Ton_com,M ，使用上述之(10)式預測下一取樣週期中之臨界模式控制用的主動側之關閉時間。然後，關閉時間預測部50將如此獲得的下一取樣週期中之主動側的關閉時間的預測值當成主動側關閉時間指令值Toff_com,M 輸出至加法電路23的另一方之訊號輸入端。
加法電路23藉由將由開啟時間控制部22所給予之主動側開啟時間指令值Ton_com,M 、及由關閉時間預測部所給予之主動側關閉時間指令值Toff_com,M 予以相加，算出以(11)所給予之取樣週期，將算出結果當成取樣週期指令值Vm 分別送出至PWM產生部54及從屬側開啟時間運算部52。
從屬側開啟時間補正部51係依據由類比/數位轉換部20所給予之主動側線圈電流檢測值VS10M 及從屬側線圈電流檢測值VS10S ，依據(19)式算出上述之從屬側開啟時間補正值ΔTon [n]，將所獲得之從屬側開啟時間補正值ΔTon [n]送出至加法電路53的一方之訊號輸入端。
另外，此時從屬側開啟時間運算部52依據由開啟時間控制部22所給予之主動側開啟時間指令值Ton_com,M 、及由加法電路23所給予之取樣週期指令值Vm ，算出從屬側之開啟時間指令值，將此開啟時間指令值送出至加法電路53的另一方之訊號輸入端。
加法電路53係藉由對於由從屬側開啟時間運算部52所給予之開啟時間指令值，加上由從屬側開啟時間補正部51所給予之從屬側開啟時間補正值ΔTon ，產生相位補償過之上述(20)式所給予之從屬側開啟時間指令值Ton_com,S ，將其送出至PWM產生部54。
PWM產生部54係如第13圖所示般，由：載波產生部33、主動側比較部60M、從屬側比較部60S、主動側輸出部61M及從屬側輸出部61S所構成。
然後載波產生部33係如第9(E)圖所示般，和第1實施型態相同，產生具有因應由加法電路23所給予之取樣週期指令值Vm 之峰值Vmp 之三角波形的載波CA，將該載波CA的位準值以內部時脈的週期依序送出至主動側比較部60M及從屬側比較部60S。
另外，載波產生部33將載波CA的位準值(計數值)成為零之時機(第9(F)圖之箭頭的時機)通知類比/數位轉換部20。如此類比/數位轉換部20以接收到此通知之時機取樣第1分壓電壓V10 、第2分壓電壓V11 、主動側線圈電流檢測訊號S10M 及從屬側線圈電流檢測訊號S10S 。
主動側比較部60M係將由載波產生部33所給予之載波的位準值、及由開啟時間控制部所給予之主動側開啟時間指令值Ton_com,M 的大小予以比較，將比較結果送出至主動側輸出部61M。
然後，主動側輸出部61M產生依據此主動側比較部60M的比較結果，主動側開啟時間指令值Ton_com,M 比載波的位準值還低之期間，上升為高位準，主動側開啟時間指令值Ton_com,M 比載波的位準值還高之期間，下降為低位準之第9(C)圖所示之主動側PWM訊號S11M ，將所產生的主動側PWM訊號S11M 送出至主動側開關元件Q11M 的閘極。
如此主動側開關元件Q11M 係依據此主動側PWM訊號S11M 進行開啟/關閉動作，伴隨此主動側開關元件Q11M 之開啟/關閉動作，如上述般，於主動側扼流線圈L10M 產生如第9(A)圖所示之主動側線圈電流ILM 。
另外，從屬側比較部60S係將由載波產生部33所給予之載波的位準值和由從屬側開啟時間運算部52(第12圖)所給予之從屬側開啟時間指令值Ton_com,S 的大小加以比較，將比較結果送出至從屬側輸出部61S。
然後從屬側輸出部61S係產生依據此從屬側比較部60S的比較結果，於從屬側開啟時間指令值Ton_com,S 比載波的位準值還高之期間，上升為高位準，於從屬側開啟時間指令值Ton_com,S 比載波的位準值還低之期間，下降為低位準之第9(D)圖所示之從屬側PWM訊號S11S ，將產生的從屬側PWM訊號S11S 送出至從屬側開關元件Q10S 的閘極。
如此從屬側開關元件Q10S 係依據此從屬側PWM訊號S11S 進行開啟/關閉動作，伴隨此從屬側開關元件Q10S 之開啟/關閉動作，如上述般，於從屬側扼流線圈L10S 產生由主動側線圈電流ILM 具有180度相位差的第9(B)圖所示之從屬側線圈電流ILS 。
(2-3)本實施型態的效果
如上述般，依據本實施型態之PFC部40，係和依據第1實施型態之PFC部5相同，依據由類比/數位轉換部20所給予之第1分壓電壓值VV10 、主動側線圈電流檢測值VS10M 及第2分壓電壓值VV11 、及由開啟時間控制部22所給予之主動側開啟時間指令值Ton_com,M ，預測下一取樣週期中之臨界模式控制用的主動側的關閉時間，此外，於從屬側開啟時間補正部51及從屬側開啟時間運算部52等，補正從屬側PWM訊號S11S 的相位，可以保持從屬側PWM訊號S11S 的相位對於主動側PWM訊號S11M 可以高精度地具有180度的相位差。
如此，可以抑制PFC部40的輸出電壓變動或輸出鏈波，作為電源裝置1的輸出，可以獲得穩定的輸出。
(3)其他的實施型態
另外，於上述之第1實施型態中，係就藉由電流檢測器12來檢測產生於扼流線圈L1 之線圈電流IL 的電流值，依據檢測到的線圈電流IL 的電流值，進行依據如上述之本實施型態的PFC控制之情形進行說明，但本發明並不限定於此，例如如第14圖所示般，於開關元件Q1 的源極及接地線15間連接阻抗R10 ，由開關元件Q1 的源極及阻抗R10 的連接中點取得流經開關元件Q1 之電感電流Ids (Q1 的汲極一源極間電流)，依據此電感電流Ids ，進行依據如上述之本實施型態的PFC控制亦可。
以上，關於第2實施型態也相同。但在此情形，由第9圖也可以明白，以載波CA的山谷部分取樣，主動側線圈電流ILM 可以取得線圈電流的上升部分(即主動側PWM訊號S11M 的開啟期間之剛好1/2的時機)之值。另一方面，從屬側線圈電流ILS 係成為在線圈電流的下降部分之取樣。此如考慮電感電流Ids 成為鋸齒波狀的電流波形，變成可以檢測下降部分的電流。因此，在此情形，如只是從屬側電流檢測器12S以半週期前(主動側電流檢測為1週期前)之時機取得取樣值(即載波CA的山的部分)，與主動側線圈電流ILM 相同，於上升部分之電流檢測成為可能。
另外，於上述之第2實施型態中，雖針對於控制部42，以主動側為基準，對於主動側PWM訊號S11M ，補正從屬側PWM訊號S11S 的相位，使得從屬側PWM訊號S11S 的相位成為180度偏差的情形做說明，但本發明並不限定於此，例如以從屬側為基準，對於從屬側PWM訊號S11S ，補正主動側PWM訊號S11M 的相位，使得從屬側PWM訊號S11M 的相位成為180度偏差亦可。
進而於上述之第1及第2實施型態中，雖針對藉由第1及第2分壓阻抗R1 、R2 來構成檢測輸入電壓的輸入電壓檢測部，藉由第3及第4分壓阻抗R3 、R4 來構成檢測輸出電壓之輸出電壓檢測部的情形來做說明，但本發明並不限定於此，作為輸入電壓檢測部及輸出電壓檢測部的構造，也可以廣泛地使用其他種種的構造。
進而於上述之第1及第2實施型態中，雖針對藉由(10)式來預測下一取樣週期中之關閉時間的情形來說明，但本發明並不限定於此，藉由其他種種的運算手法，來預測下次的取樣週期中之關閉時間亦可。
1．．．電源裝置
4．．．全波整流部
5、40．．．PFC部
6．．．DC/DC轉換部
10、41．．．PFC電路
11、42．．．控制部
12、12M、12S．．．電流檢測器
13、14．．．分壓阻抗器
20．．．類比/數位轉換部
21．．．關閉時間預測部
22．．．開啟時間控制部
23、53．．．加法電路
24、54．．．PWM產生部
33．．．載波產生部
34、60M、60S．．．比較部
35、61M、61S．．．輸出部
51．．．從屬側開啟時間補正部
52．．．從屬側開啟時間運算部
C1 ．．．輸出平滑用電容器
CA ．．．載波
D1 、D10M 、D10S ．．．返流用輸出二極體
I2 ．．．輸入電流
I4 ．．．輸出電流
IL 、ILM 、ILS ．．．線圈電流
L1 、L10M 、L10S ．．．扼流線圈
R1 ～R4 ．．．阻抗
S1 、S10M 、S10S ．．．線圈電流檢測訊號
S2 、S11M 、S11S ．．．PWM訊號
Ton_com 、Ton_com,M 、Ton_com,S ．．．開啟時間指令值
Toff_com 、Toff_com,M ．．．關閉時間指令值
V2 ．．．輸入電壓
V4 ．．．輸出電壓
V10 、V11 ．．．分壓電壓
VV10 、VV11 ．．．分壓電壓值
VS1 、VS10M 、VS10S ．．．線圈電流檢測值
Vmp ．．．峰值
第1圖係表示依據本實施型態之電源裝置的概略構造方塊圖。
第2圖係表示依據本實施型態之電源裝置中之電壓波形及電流波形的波形圖。
第3圖係表示依據第1實施型態之PFC電路的構造之電路圖。
第4圖係用為依據第1實施型態之PFC控制的原理說明之波形圖。
第5圖係表示依據第1實施型態之控制部的構造方塊圖。
第6圖係表示依據第1實施型態之PMW產生部的構造方塊圖。
第7圖係用為依據第1實施型態之PFC電路的動作說明之波形圖。
第8圖係表示依據第2實施型態之PFC電路的構造之電路圖。
第9圖係用為依據第2實施型態之PFC電路的動作說明之波形圖。
第10圖係用為依據第2實施型態之PFC控制的原理說明之波形圖。
第11圖係用為依據第2實施型態之PFC控制的原理說明之波形圖。
第12圖係表示依據第2實施型態之控制部的構造方塊圖。
第13圖係表示依據第2實施型態之PMW產生部的構造方塊圖。
第14圖係用為其他實施型態的說明之電路圖。
11．．．控制部
20．．．類比/數位轉換部
21．．．關閉時間預測部
22．．．開啟時間控制部
23．．．加法電路
24．．．PWM產生部
30．．．基準值輸出電路
31．．．減法電路
32．．．PI控制部
S1 ．．．線圈電流檢測訊號
S2 ．．．PWM訊號
V10 ．．．分壓電壓
V11 ．．．分壓電壓
Vm ．．．取樣週期指令值
VS1 ．．．線圈電流檢測值
VV10 ．．．分壓電壓值
VV11 ．．．分壓電壓值
Ton_com ．．．開啟時間指令值
Toff_com ．．．關閉時間指令值
VE．．．誤差值
VR．．．基準電壓值

Claims (6)

  1. 一種功率因數改善裝置，為具有：線圈及開關元件、及開啟/關閉控制前述開關元件之控制部的功率因數改善裝置，其特徵為：具備：檢測該功率因數改善裝置的輸入電壓之輸入電壓檢測部；及檢測輸出電壓之輸出電壓檢測部；及檢測伴隨前述開關元件的開啟/關閉動作所產生於前述線圈的線圈電流之線圈電流檢測部，前述控制部，係依據：藉由前述輸入電壓檢測部所被檢測到的前述輸入電壓的電壓值、及藉由前述輸出電壓檢測部所被檢測到的前述輸出電壓的電壓值、及藉由前述線圈電流檢測部所被檢測到的前述線圈電流的電流值，以臨界模式來預測控制前述開關元件用的每一開關週期的前述開關元件的關閉時間，並依據預測結果來開啟/關閉控制前述開關元件；且於將第n次的取樣時機中之前述輸入電壓的電壓值設為Vin 〔n〕、將前述輸入電壓設為Vout 〔n〕、將前述線圈電流的電流值設為IL 〔n〕、將前述開關元件的開啟時間設為Ton 〔n〕、將前述線圈的電感設為L，則以下式之方式 來預測第(n+1)次之前述開關元件的關閉時間Toff 〔n+1 〕。
  2. 如申請專利範圍第1項所記載之功率因數改善裝置，其中，前述線圈、前述開關元件及前述線圈電流檢測部，係各被設置於主動側及從屬側，前述控制部係依據：藉由前述輸入電壓檢測部所被檢測到的前述輸入電壓的電壓值、及藉由前述輸出電壓檢測部所被檢測到的前述輸出電壓的電壓值、及藉由一方的主動側或從屬側的前述線圈電流檢測部所被檢測到的前述線圈電流的電流值，以臨界模式來預測控制前述開關元件用的每一開關週期的前述一方的主動側或從屬側的前述開關元件的關閉時間，依據預測結果來分別開啟/關閉控制主動側及從屬側的各前述開關元件。
  3. 如申請專利範圍第2項所記載之功率因數改善裝置，其中，主動側及從屬側之前述開關元件，為依據從前述控制部所施加的被脈衝調變的驅動訊號進行開啟/關閉動作，前述控制部，係依據在前次的取樣週期中，藉由主動側及從屬側的前述線圈電流檢測部所分別被檢測到的主動側及從屬側的各前述線圈電流，以對於前述一方之主動側或從屬側之前述開關元件的開啟/關閉動作，另一方的從屬側或主動側的前述開關元件具有180度的相位差來開啟/關閉動作的方式，來補正施加於另一方的從屬側或主動側的前述開關元件的前述驅動訊號的相位。
  4. 一種功率因數改善裝置之控制方法，係具有：線 圈及開關元件、及開啟/關閉控制前述開關元件的控制部之功率因數改善裝置之控制方法，其特徵為：前述功率因數改善裝置，為具有：檢測該功率因數改善裝置的輸入電壓之輸入電壓檢測部；及檢測輸出電壓之輸出電壓檢測部；及檢測伴隨前述開關元件的開啟/關閉動作所發生於前述線圈的線圈電流之線圈電流檢測部，且具備：前述控制部依據藉由前述輸入電壓檢測部所被檢測到的前述輸入電壓的電壓值、及藉由前述輸出電壓檢測部所被檢測到的前述輸出電壓的電壓值、及藉由前述線圈電流檢測部所被檢測到的前述線圈電流的電流值，以臨界模式來預測控制前述開關元件用的每一開關週期的前述開關元件的關閉時間之第1步驟；及前述控制部依據前述預測結果來開啟/關閉控制前述開關元件之第2步驟，於前述第1步驟中，控制部於將第n次的取樣時機中之前述輸入電壓的電壓值設為Vin 〔n〕、將前述輸出電壓設為Vout 〔n〕、將前述線圈電流的電流值設為IL 〔n〕、將前述開關元件的開啟時間設為Ton 〔n〕、將前述線圈的電感設為L，則以下式之方式 來預測第(n+1)次之前述開關元件的關閉時間Toff 〔n+1 〕。
  5. 如申請專利範圍第4項所記載之功率因數改善裝置之控制方法，其中前述功率因數改善裝置，係個別具備：主動側及從屬側之前述線圈、前述開關元件及前述線圈電流檢測部，於前述第1步驟中，前述控制部係依據藉由前述輸入電壓檢測部所被檢測到的前述輸入電壓的電壓值、及藉由前述輸出電壓檢測部所被檢測到的前述輸出電壓的電壓值、及藉由一方的主動側或從屬側的前述線圈電流檢測部所被檢測到的前述線圈電流的電流值，以臨界模式來預測控制前述開關元件用的每一開關週期的前述一方的主動側或從屬側的前述開關元件的關閉時間，於前述第2步驟中，前述控制部係依據預測結果來分別開啟/關閉控制主動側及從屬側的各前述開關元件。
  6. 如申請專利範圍第5項所記載之功率因數改善裝置之控制方法，其中，前述主動側及從屬側之前述開關元件，係依據由前述控制部所被施加的被脈衝調變過的驅動訊號進行開啟/關閉動作，於前述第2步驟中，依據在前次的取樣週期中，藉由主動側及從屬側之前述線圈電流檢測部所分別被檢測出的主動側及從屬側之各前述線圈電流，以對於前述一方的主動側或從屬側之前述開關元件的開啟/關閉動作，另一方 的從屬側或主動側之前述開關元件具有180度的相位差來進行開啟/關閉動作之方式，補正施加於另一方的從屬側或主動側之前述開關元件的前述驅動訊號的相位。
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