TWI442681B - Power factor correction circuit for estimating input current and its control method - Google Patents

Power factor correction circuit for estimating input current and its control method Download PDF

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Description

可估測輸入電流的功率因數校正電路及其控制方法
本發明是有關一種功率因數校正電路，特別是指可估測輸入電流的功率因數校正電路及其控制方法。
請參考圖9所示，係一個已知的功率因數校正電路，其包含有一整流器50、一功因控制電路60與一直流/直流轉換電路80。
該整流器50的輸入端接收市電電源(VAC )並產生一弦波直流電壓，其中整流器50的輸入端連接一濾波電容CX 。
該功因控制電路60的輸入端連接整流器50的輸出端，以接收該弦波直流電壓，且其輸入端連接另一濾波電容Cin ；在此該功因控制電路60以一升壓式電源電路(Boost converter)舉例說明，其具有一主動開關61。
該功因控制電路60的輸出端連接該直流/直流轉換電路80，該直流/直流轉換電路80的輸出端連接一負載90，該直流/直流轉換電路80將功因控制電路60所輸出的直流電壓(如380V)轉換為不同準位的直流電壓(如28V、12V等)之後，輸出給負載90使用。
請參考圖10所示，該功因控制電路60包含一電壓迴路控制模組71、一電流迴路控制模組72與一驅動器73。該電壓迴路控制模組71係根據該功因控制電路60的輸出電壓Vout 與一參考電壓Vref 之誤差，以及功因控制電路60 的輸入電壓Vin 而產生一參考電流信號iref ；該電流迴路控制器72係根據該參考電流信號iref 與該功因控制電路60電感電流IL 的差值而產生一責任週期控制信號，該驅動器73根據該責任週期控制信號輸出一脈寬調變信號至該主動開關61，以控制該主動開關61的導通週期，藉此使電感電流IL 的波形追隨輸入電壓Vin 的波形，以改善功因控制電路60輸入端的功率因數。
上述方法中，僅是控制電感電流IL 的波形追隨功因控制電路60輸入電壓Vin 的波形，是改善功因控制電路60的功率因數與總諧波失真，然而市電電源是連接到整流器50的輸入端，對於調整整流器50輸入端的電壓、電流VAC 、IAC 才是可實際改善市電電源的功率因數。功率因數校正電路輸入端的電壓VAC 、電流IAC 波形可參考圖11所示，因電感電流IL 與輸入電流IAC 並不相同，因此已知的功率因數校正方法對於輸入端的功率因數與總諧波失真的改善有限，故已知技術有待進一步改良。
因此本發明的主要目的是提供一種具輸入電流估測補償功能的功率因數校正電路，係估測濾波電容將在功率因數校正電路中產生的影響，並根據估測電流信號進行功率因數校正，以改善對於功率因數校正電路輸入端之功率因數與總諧波失真。
為達前揭目的，本發明所採用的技術手段是令該可估測輸入電流的功率因數校正電路包含有：一交直流轉換電路，包含有兩輸入端與兩輸出端，且該兩輸入端之間連接一第一濾波電容，該交直流轉換電路包含至少一電感與至少一主動開關；一功率因數控制器，係電連接該交直流轉換電路且包含有一輸出控制端電連接該至少一主動開關，該功率因數控制器輸出一脈寬調變信號到該至少一主動開關，該脈寬調變信號的責任週期係根據一估測電流信號與一參考電流信號的差值而得，其中：該估測電流信號係根據加總一補償電流信號與該交直流轉換電路的電感電流信號而得，該補償電流信號係根據該交直流轉換電路的輸入電壓與該第一濾波電容值而得；該參考電流信號係根據該交直流轉換電路的輸出電壓與一參考電壓信號的差值而得。
本發明的另一目的是提供一種估測輸入電流的控制方法，包含有以下步驟：根據一交直流轉換電路的輸入電壓與一濾波電容值而產生一補償電流信號；加總該補償電流信號與該交直流轉換電路的電感電流信號而產生一估測電流信號；根據交直流轉換電路的輸出電壓與一參考電壓的差值而產生一參考電流信號；根據該估測電流信號與該參考電流信號的差值產生一責任週期控制信號；根據該責任週期控制信號輸出一脈寬調變信號至該交直流轉換電路。
因本發明電路可估測濾波電容在交直流轉換電路產生的電流信號，並根據所估測的電流信號控制該脈寬調變信號的責任週期，因為該脈寬調變信號並非僅依據該交直流轉換電路的輸入電壓、電流信號進行功率因數校正，而是進一步依據估測的電流信號而得，故可直接改善交直流轉換電路的輸入端，即市電電源端之功率因數並降低總諧波失真。
請參考圖1所示，係本發明的第一較佳實施例電路示意圖，第一較佳實施例包含有一交直流轉換電路100與一功率因數控制器30。
該交直流轉換電路100包含有兩輸入端與兩輸出端，且該兩輸入端之間連接一第一濾波電容Cx，該交直流轉換電路包含至少一電感L、至少一電容C與至少一主動開關。該交直流轉換電路100的輸入端接收一交流電源，其輸出端可連接一直流/直流轉換電路400，由該直流/直流轉換電路400對該交直流轉換電路100所輸出的電壓進行降壓，以產生可供應負載的低壓直流電源。
於第一較佳實施例中，該交直流轉換電路100包含有一整流器10與一交換式電路20。
該整流器10包含兩輸入端與兩輸出端，該兩輸入端作為交直流轉換電路100的輸入端且供連接市電電源(Vac)，且兩輸入端之間連接該第一濾波電容Cx ，該第一濾波電容CX 作為濾波用途以降低電磁干擾，本實施例 中，該整流器10為全橋整流器。
該交換式電路20具有兩輸入端以電連接該整流器10的兩輸出端，並於其兩輸入端之間連接一第二濾波電容Cin ，該第二濾波電容Cin 作為濾波用途；該交換式電路20用於將整流器10所輸出的直流弦波電壓轉換為直流電壓。
請參考圖2所示，該交換式電路20可為升壓式(Boost)電路，包含有所述的電感L與主動開關Q，及一二極體D、一電容C與一電阻R，該主動開關Q具有一控制端，其中該電感L、二極體D、電容C與電阻R串接，該主動開關Q電連接於該二極體D的陽極端與該電阻R之間，該電容C的端電壓作為交直流轉換電路100的輸出電壓Vout ，該電感L與該電阻R的一端作為交換式電路20的兩輸入端以電連接該整流器的輸出端。
請參考圖3所示，該交換式電路20可為降壓式(Buck)電路，包含有所述的電感L、電容C、主動開關Q，及二極體D、電阻R與，該主動開關Q具有一控制端，該主動開關Q、該電感L、該電容C與電阻R串接，該二極體D的陽極端連接該電阻R，陰極端連接於主動開關Q與電感L之間，該電容C的端電壓作為交直流轉換電路100的輸出電壓Vout ，該主動開關Q的一端與二極體D的陽極端作為交換式電路20的兩輸入端以電連接整流器的輸出端。
請參考圖4所示，該交直流轉換電路100包含有兩個二極體D、兩個主動開關Q與兩個電感L，該兩主動開關Q電連接該兩個二極體D而構成一無橋式整流器，該兩電 感L分別連接該無橋式整流器的兩輸入端以作為該交直流轉換電路100的兩輸入端，該無橋式整流器的輸出電壓作為交直流轉換電路100的輸出電壓Vout 。
請再參考圖1所示，該功率因數控制器30係電連接該交直流轉換電路100且包含有一輸出控制端電連接該交直流轉換電路100的主動開關，該功率因數控制器30用於輸出一脈寬調變信號，以控制該主動開關Q的導通週期。
請參考圖5所示，本較佳實施例中，該功率因數控制器30包含有一電壓迴路控制模組31、一電感電流估測模組32、一電流迴路控制模組33與一驅動器34。
該電壓迴路控制模組31接收一參考電壓Vref 與該交換式電路20的輸入電壓Vin 、輸出電壓Vout ，該電壓迴路控制模組31包含一電壓迴路補償器310，係根據該輸出電壓Vout 與參考電壓Vref 的差值，以及該差值與該輸入電壓Vin 運算後而產生一參考電流信號iref 。
該電感電流估測模組32電連接該交換式電路20的輸入端，其包含有一電感電流補償器320，係根據該交換式電路20的輸入電壓Vin 與一濾波電容值而產生一補償電流信號IC,COM ，其中該濾波電容值是選自該第一濾波電容CX 、該第二濾波電容Cin 的電容值，或兩者總和的電容值(CX +Cin )；該電感電流估測模組32加總該補償電流信號IC,COM 與該交換式電路20的電感電流信號IL 而產生一估測電流信號IL,COM 。
該電流迴路控制模組33的輸入端電連接該電壓迴路 控制模組31與該電感電流估測模組32的輸出端；該電流迴路控制模組33包含有一電流迴路補償器330，係根據該參考電流信號iref 與該估測電流信號IL,COM 而輸出一責任週期控制信號。
該驅動器34電連接於該電流迴路控制模組33的輸出端與該交換式電路的主動開關Q之間，係根據該責任週期控制信號而輸出脈寬調變信號至該主動開關Q。
以下進一步說明該補償電流信號IC,COM 的產生方式。配合參考圖1所示，該交直流轉換電路100輸入端的電壓VAC 及該交換式電路20的輸入電壓Vin 的關係為：V AC =V in =V inpeak sinwt
上式中，是在不考慮整流器10中二極體的壓降，以及0<ω t<π的前提下而得。
該第一濾波電容CX 的電流信號ICX 以及第二濾波電容Cin 的電流信號IC 可用電容電流的連續表示式：。
因此可推得取樣的電容電流離散表示式如下
其中Vin [n]係指一次電壓Vin 的取樣值，Vin [n-1]係指前一次電壓Vin 的取樣值。
又IL =Iin -IC ，其中Iin =IACIN =(IAC -ICX )；故IL =(IAC -ICX )-IC ，移項後如下式：IAC =IL +ICX +IC
故
其中，IL,COM ：估測電流。
IAC ：市電電源電流。
ICX ：電容電流。
IACIN ：市電電源電流的分流。
Iin ：同IACIN 。
IC ：電容電流。
IL ：電感電流。
Vin [n]：取樣的輸入電壓。
第一濾波電容CX 的電流ICX 及第二濾波電容Cin 的電流IC 係無法從交換式電路20量測出，而根據(1)式，本發明提供的估測電流IL,COM 係交換式電路20的電感電流IL 與兩個電容電流ICX 、IC 之總和，使估測電流信號IL,COM 更接近於交直流轉換電路100輸入端的電流IAC 。
根據估測電流信號IL,COM 所得結果，請參考圖6所示，可令該電感電流補償器320包含有一微分單元321與一比例放大單元323，或進一步在該微分單元321與該比例放大單元323之間連接一低通濾波單元322；該微分單元321係對該交換式電路20的輸入電壓Vin 微分，假設交換式電路的輸入電壓V in (t )=V inpeak sinwt ，則：
上式可以離散表示式改寫如下
該比例放大單元323提供一濾波電容值，該濾波電容值選自該第一濾波電容CX 、該第二濾波電容Cin 的電容值，或兩者總和Cin +CX ，於本較佳實施例中，該濾波電容值為Cin +CX ，因此可得出一補償電流信號IC,COM ，其連續表示式如下I C,COM (t )=(C in +C X )M in (t )=(C in +C X )wV inpeak coswt .......................(3)
而(3)式的離散表示式如下
故(1)式可改寫如下式I L,COM =I L +I C,COM
又，該低通濾波單元322係用於濾除該輸入電壓Vin 微分後所產生的雜訊，其可提供一濾波參數LPF，而令估測電流信號IL,COM 改寫為下式：I L,COM =I L +I C,COM ．LPF
其中濾波參數LPF係一濾波參數。
請參考表1與表2所示，可以比較出在進行功率校正時，於交直流轉換電路100輸入端中，加上估測電流信號IL,COM 與未加上估測電流信號IL,COM 進行功率校正的實驗數據；當加上估測電流信號IL,COM 後，交直流轉換電路100輸入端的功率因數PF提升，且諧波失真明顯下降。又如圖7(相較於先前技術的圖11)所示，交直流轉換電路100輸入端的電流IAC 波形更接近電壓VAC 波形。
請進一步參考圖8所示，係本發明的第二較佳實施例，該電流補償器320包含有一積分單元324、一位移單元325與一比例放大單元326。該積分單元324係對該交 換式電路20的輸入電壓Vin 積分，積分後其連續表示式如下
該位移單元325提供一預設的位移參數，因此
該比例放大單元326提供一預設的比例參數-(C lin +C X )ω 2 ，因此I C,COM (t )=M out (t )．[-(C in +C X )ω 2 ]=(C in +C X )wV inpeak coswt ..................(4)
其中(4)式的離散表示式可改寫如下I C,COM [n ]=(C in +C X )(V in [n ]-V in [n -1])
是以，第二較佳實施例的(4)式與第一較佳實施例的(3)式可獲得相同的結果。
總結以上所述，該功率因數校正電路係執行以下步驟。
根據一交直流轉換電路100的輸入電壓Vin 與一濾波電容值而產生一補償電流信號IC,COM (101)。
加總該補償電流信號IC,COM 與該交直流轉換電路100的電感電流信號IL 而產生一估測電流信號IL,COM (102)。
根據交直流轉換電路100的輸出電壓Vout 與一參考電壓Vref 的差值而產生一參考電流信號iref (103)。
根據該估測電流信號IL,COM 與該參考電流信號iref 的差值產生一責任週期控制信號(104)。
根據該責任週期控制信號輸出一脈寬調變信號(105)至該交直流轉換電路100。
其中在第一較佳實施例中執行產生補償電流信號IC,COM (101)時，係對輸入電壓Vin 微分並經比例放大後，以產生該補償電流信號IC,COM ；或對輸入電壓Vin微分後通過一低通濾波器，再進行比例放大而產生該補償電流信號IC,COM 。
在第二較佳實施例中執行產生補償電流信號IC,COM (101)時，係對輸入電壓Vin 積分後進行位移，最後經比例放大後，以產生該補償電流信號IC,COM 。
綜合以上所述，該電感電流估測模組係根據該交直流轉換電路100的輸入電壓Vin 以及濾波電容值產生估測電流信號IL,COM ，使估測電流信號IL,COM 接近於市電電源輸入到本發明電路的電流IAC ，又該功率因數校正電路根據該估測電流信號IL,COM 輸出脈寬調變信號，從而控制使交直流轉換電路100輸入端的電流IAC 波形更接近電壓波形VAC ，以提升輸入端的的功率因數以及降低諧波失真。
100‧‧‧交直流轉換電路
10‧‧‧整流器
20‧‧‧交換式電路
30‧‧‧功率因數控制器
31‧‧‧電壓迴路控制模組
310‧‧‧電壓迴路補償器
32‧‧‧電感電流估測模組
320‧‧‧電感電流補償器
321‧‧‧微分單元
322‧‧‧低通濾波單元
323‧‧‧比例放大單元
324‧‧‧積分單元
325‧‧‧位移單元
326‧‧‧比例放大單元
33‧‧‧電流迴路控制模組
330‧‧‧電流迴路補償器
34‧‧‧驅動器
400‧‧‧直流/直流轉換電路
50‧‧‧整流器
60‧‧‧功率因數校正電路
61‧‧‧主動開關
71‧‧‧電壓迴路控制模組
72‧‧‧電流迴路控制模組
73‧‧‧驅動器
80‧‧‧直流/直流轉換電路
90‧‧‧負載
圖1：本發明功率因數校正電路的電路示意圖。
圖2：升壓式電路(Boost)示意圖。
圖3：降壓式電路(Buck)示意圖。
圖4：功率因數校正電路使用無橋式整流器示意圖。
圖5：本發明功率因數校正電路的控制方塊示意圖。
圖6：電感電流估測模組的方塊示意圖。
圖7：圖1中整流器的輸入電壓、電流波形示意圖。
圖8：另一電感電流估測模組的方塊示意圖。
圖9：已知的功率因數校正電路示意圖。
圖10：圖9的控制方塊示意圖。
圖11：圖9中整流器的輸入電壓、電流波形示意圖。
21．．．主動開關
30．．．功率因數控制器
31．．．電壓迴路控制模組
310．．．電壓迴路補償器
32．．．電感電流估測模組
320．．．電感電流補償器
33．．．電流迴路控制模組
330．．．電流迴路補償器
34．．．驅動器

Claims (12)

  1. 一種可估測輸入電流的功率因數校正電路，其包含有：一交直流轉換電路，包含有兩輸入端與兩輸出端，且該兩輸入端之間連接一第一濾波電容，該交直流轉換電路包含至少一電感與至少一主動開關，該至少一電感和主動開關電性連接；一功率因數控制器，係電連接該交直流轉換電路且包含有一輸出控制端電連接該至少一主動開關，該功率因數控制器輸出一脈寬調變信號到該至少一主動開關，該脈寬調變信號的責任週期係根據一估測電流信號與一參考電流信號的差值而得，其中：該估測電流信號係根據加總一補償電流信號與該交直流轉換電路的電感電流信號而得，該補償電流信號係根據該交直流轉換電路的輸入電壓與該第一濾波電容值而得；該參考電流信號係根據該交直流轉換電路的輸出電壓與一參考電壓信號的差值而得。
  2. 如申請專利範圍第1項所述可估測輸入電流的功率因數校正電路，該功率因數控制器包含有：一電壓迴路控制模組，包含有一電壓迴路補償器，用於產生所述的參考電流信號；一電感電流估測模組，用於產生所述的估測電流信號，其中該電感電流估測模組包含有一電感電流補償器，用於產生所述的補償電流信號；一電流迴路控制模組，係根據該參考電流信號與該估測電流信號而產生一責任週期控制信號；及一驅動器，係根據該責任週期控制信號而產生所述的脈寬調變信號。
  3. 如申請專利範圍第2項所述可估測輸入電流的功率因數校正電路，其中該電感電流估測模組包含有：一微分單元，對該交直流轉換電路的輸入電壓微分；一比例放大單元，提供一比例參數。
  4. 如申請專利範圍第3項所述可估測輸入電流的功率因數校正電路，該電感電流估測模組進一步包含一低通濾波單元，連接於該微分單元與比例放大單元之間。
  5. 如申請專利範圍第2項所述可估測輸入電流的功率因數校正電路，該電感電流估測模組包含有：一積分單元，對該交直流轉換電路的輸入電壓積分；一位移單元，對積分的結果進行位移；一比例放大單元，提供一預設的比例參數。
  6. 如申請專利範圍第1項所述可估測輸入電流的功率因數校正電路，該交直流轉換電路包含有：一整流器，其輸入端作為該交直流轉換電路的輸入端；一交換式電路，係一升壓式電路，包含有所述的電感與主動開關，以及一二極體、一電容與一電阻，該主動開關具有一控制端，該電感、二極體、電容與電阻串接，該主動開關電連接於該二極體的陽極端與該電阻之間，該電容的端電壓作為交直流轉換電路的輸出電壓，該電感與該電阻的一端作為交換式電路的兩輸入端以電連接該整流器的輸出端。
  7. 如申請專利範圍第1項所述可估測輸入電流的功率因數校正電路，該交直流轉換電路包含有：一整流器，其輸入端作為該交直流轉換電路的輸入端；一交換式電路，係一降壓式電路，包含有所述的電感與主動開關，以及一二極體一電容與一電阻，該主動開關具有一控制端，該主動開關、該電感、該電容與電阻串接，該二極體的陽極端連接該電阻，陰極端連接於主動開關與電感之間，該電容的端電壓作為交直流轉換電路的輸出電壓，該主動開關的一端與二極體的陽極端作為交換式電路的兩輸入端以連接該整流器的輸出端。
  8. 如申請專利範圍第1項所述可估測輸入電流的功率因數校正電路，該交直流轉換電路包含有：兩個二極體；兩個主動開關，電連接該兩個二極體而構成一無橋式整流器，該無橋式整流器的輸出電壓作為交直流轉換電路的輸出電壓；兩個電感，分別連接於該無橋式整流器的兩輸入端以作為該交直流轉換電路的兩輸入端。
  9. 一種估測輸入電流的控制方法，包含以下步驟：根據一交直流轉換電路的輸入電壓與一濾波電容值而產生一補償電流信號；加總該補償電流信號與該交直流轉換電路的電感電流信號而產生一估測電流信號；根據交直流轉換電路的輸出電壓與一參考電壓的差值而產生一參考電流信號；根據該估測電流信號與該參考電流信號的差值產生一責任週期控制信號；根據該責任週期控制信號輸出一脈寬調變信號至該交直流轉換電路。
  10. 如申請專利範圍第9項所述估測輸入電流的控制方法，在產生補償電流信號的步驟中，係對該輸入電壓微分並經比例放大後，以產生該補償電流信號。
  11. 如申請專利範圍第10項所述估測輸入電流的控制方法，在對交直流轉換電路的輸入電壓微分之後，先通過一低通濾波器，再進行比例放大。
  12. 如申請專利範圍第9項所述估測輸入電流的控制方法，在產生補償電流信號的步驟中，係先對交直流轉換電路的輸入電壓積分後進行位移，最後經比例放大以產生該補償電流信號。
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