提高功率因數(shù)校正電路中的效率的方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開提高功率因數(shù)校正電路中的效率的方法和裝置。一種功率因數(shù)校正控制器，包括：第一積分器，被耦合為對功率因數(shù)校正變換器的輸入電流進(jìn)行積分，其中，第一信號響應(yīng)于第一積分器被生成，以結(jié)束功率因素校正變換器的功率開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間；第二積分器，被耦合為對功率因數(shù)校正變換器的輸入電壓和恒定電壓之間的差進(jìn)行積分，其中，第二信號響應(yīng)于第二積分器被生成，以結(jié)束功率因素校正變換器的功率開關(guān)的關(guān)斷時(shí)間；驅(qū)動(dòng)器電路，被耦合為響應(yīng)于第一信號和第二信號來改變功率因素校正變換器的功率開關(guān)的開關(guān)頻率，以及輸出第三信號以對功率因素校正變換器的功率開關(guān)進(jìn)行開關(guān)，從而將所述輸入電流控制為與所述輸入電壓實(shí)質(zhì)上成比例。
【專利說明】提高功率因數(shù)校正電路中的效率的方法和裝置
[0001]本申請是申請日為2009年11月9日、申請?zhí)枮?00910222203.4并且發(fā)明名稱為“提高功率因數(shù)校正電路中的效率的方法和裝置”的發(fā)明專利申請的分案申請。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明一般涉及電源中的功率因數(shù)校正電路(power factor correctioncircuit)，并且更具體地，本發(fā)明涉及提高功率因數(shù)校正電路的效率。
【背景技術(shù)】
[0003]電源通常被用于將由電源插座(electrical outlet)提供的交流(“ac”)功率轉(zhuǎn)換成可供電設(shè)備使用的直流(“dc”)功率。電源設(shè)計(jì)的一個(gè)重要考慮方面是向電源遞送功率的效率如何。為了提高功率遞送效率，在電源中可以使用功率因數(shù)校正(PFC)電路。更具體地，功率因數(shù)校正電路試圖將電流波形整形為與電壓波形的形狀相接近。
[0004]通常，PFC電路被設(shè)計(jì)為包括功率開關(guān)(power switch)，功率開關(guān)被控制為在關(guān)斷狀態(tài)和導(dǎo)通狀態(tài)之間切換，以將從配電線(distribution line)傳送的變形的輸入電流波形轉(zhuǎn)變成與類似于輸入電壓波形的形狀的更理想的電流波形。更具體地，功率開關(guān)被耦合到能量傳遞元件，以向電源的輸出傳遞能量。然而，在操作期間，PFC電路經(jīng)受到由于寄生電容而在功率開關(guān)中產(chǎn)生的開關(guān)損耗。通常，寄生電容可以被定義為由于電組件的各部分的彼此接近而存在于它們之間的不希望的電容。在能量傳遞元件中還實(shí)現(xiàn)了其它的損耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種在功率因數(shù)校正變換器中使用的控制器，該控制器包括:功率因數(shù)校正控制器電路，所述功率因數(shù)校正控制器電路被耦合用于輸出驅(qū)動(dòng)信號，以在導(dǎo)通狀態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)之間對功率開關(guān)進(jìn)行開關(guān)，從而向功率因數(shù)校正變換器的輸出傳遞能量；以及開關(guān)頻率調(diào)節(jié)器，所述開關(guān)頻率調(diào)節(jié)器被耦合用于向功率因數(shù)校正控制器電路輸出頻率調(diào)節(jié)信號，以響應(yīng)于表示耦合到功率因數(shù)校正變換器的輸出的負(fù)載的負(fù)載信號來調(diào)節(jié)功率開關(guān)的平均開關(guān)頻率，其中，所述頻率調(diào)節(jié)信號響應(yīng)于負(fù)載情況的范圍。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種在功率因數(shù)校正變換器中使用的控制器，該控制器包括:第一積分器，所述第一積分器被耦合用于對功率因數(shù)校正變換器的輸入電流進(jìn)行積分并且用于輸出第一信號以結(jié)束功率變換器的功率開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間；第二積分器，所述第二積分器被耦合用于對功率因數(shù)校正變換器的輸入電壓和輸出電壓之間的差進(jìn)行積分并且用于輸出第二信號以結(jié)束功率開關(guān)的關(guān)斷時(shí)間；驅(qū)動(dòng)器電路，所述驅(qū)動(dòng)器電路被耦合用于響應(yīng)于第一信號和第二信號來改變功率開關(guān)的開關(guān)頻率并且用于輸出第三信號以對功率開關(guān)進(jìn)行開關(guān)，從而將輸入電流控制為與輸入電壓實(shí)質(zhì)上成比例；以及頻率調(diào)節(jié)電路，所述頻率調(diào)節(jié)電路被耦合用于接收表示功率因數(shù)校正變換器的輸出處的負(fù)載的誤差電壓信號，其中，所述頻率調(diào)節(jié)電路還被耦合用于輸出經(jīng)過調(diào)節(jié)的誤差信號，以響應(yīng)于誤差電壓信號來調(diào)節(jié)功率開關(guān)的關(guān)斷時(shí)間的結(jié)束。[0007]根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種方法，該方法包括對功率開關(guān)進(jìn)行開關(guān)，以調(diào)整功率因數(shù)校正變換器的輸出；通過對功率開關(guān)進(jìn)行的開關(guān)來控制功率因數(shù)校正變換器的輸入電流，以使得輸入電流與功率因數(shù)校正變換器的輸入電壓成比例；并且在全部負(fù)載情況的范圍中響應(yīng)于功率因數(shù)校正變換器的負(fù)載來調(diào)節(jié)功率開關(guān)的平均開關(guān)頻率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]參考下面的附圖描述本發(fā)明的非限制性并且非窮舉性的實(shí)施例，其中，在各個(gè)示圖中相似的標(biāo)號指代相似的部件，除非另外指定。
[0009]圖1是根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的包括示例控制器的示例升壓變換器(boostconverter)的功能框圖；
[0010]圖2是根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的進(jìn)一步示出圖1的示例控制器的功能框圖；
[0011]圖3A示出根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的與圖1和圖2相關(guān)聯(lián)并且與開關(guān)信號和負(fù)載信號相應(yīng)的示例輸入波形；
[0012]圖3B示出圖3A中的輸入波形中一個(gè)波形的放大示圖以及相應(yīng)的開關(guān)波形；
[0013]圖4A示出根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的負(fù)載和平均開關(guān)頻率之間的示例關(guān)系；
[0014]圖4B示出根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的負(fù)載和平均開關(guān)頻率之間的替代示例關(guān)系；
[0015]圖4C示出根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的負(fù)載和平均開關(guān)頻率之間的替代示例關(guān)系；
[0016]圖4D示出根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的負(fù)載和平均開關(guān)頻率之間的替代示例關(guān)系；
[0017]圖5A示出根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的實(shí)施用于功率因數(shù)較正(PFC)的控制技術(shù)的示例集成電路；
[0018]圖5B示出根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的示例開關(guān)頻率調(diào)節(jié)器；
[0019]圖6A示出根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的誤差電壓、經(jīng)過調(diào)節(jié)的誤差電壓和負(fù)載之間的示例關(guān)系；
[0020]圖6B示出根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的經(jīng)過調(diào)節(jié)的誤差電壓的示例曲線圖；以及
[0021]圖7是示出根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的用于響應(yīng)于PFC電路中的變化的負(fù)載來調(diào)節(jié)平均開關(guān)頻率的示例方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]在本發(fā)明的一方面中，在這里為了說明的目的而公開的方法和裝置利用控制技術(shù)來提高功率因數(shù)校正(PFC)電路中的效率。在下面的描述中，許多特定細(xì)節(jié)被提出以便提供對本發(fā)明的全面理解。然而，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，很明顯，不必必須采用這些特定細(xì)節(jié)來實(shí)施本發(fā)明。沒有詳細(xì)描述與實(shí)施有關(guān)的公知方法，以避免對本發(fā)明造成模糊。
[0023]在整個(gè)說明書中，對“一個(gè)實(shí)施例”、“實(shí)施例”、“一個(gè)示例”或“示例”的提及意味著結(jié)合該實(shí)施例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)或特性被包含在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。因此，在整個(gè)說明書的各個(gè)地方出現(xiàn)的短語“在一個(gè)實(shí)施例中”、“在實(shí)施例中”、“在一個(gè)示例中”或“在示例中”不一定都指同一實(shí)施例。例如，具體的特征、結(jié)構(gòu)或特性可以組合成一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中的任何適當(dāng)?shù)慕M合和/或子組合。
[0024]如下面將要論述的，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的各種示例實(shí)施用于功率因數(shù)校正電路的控制技術(shù)，以進(jìn)一步提高功率高效遞送。更具體地，該控制技術(shù)響應(yīng)于耦合在PFC電路的輸出處的變化的負(fù)載來調(diào)節(jié)PFC電路中的功率開關(guān)的平均開關(guān)頻率。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，負(fù)載表示要被耦合到PFC校正電路的輸出的dc-dc變換器。本思想將根據(jù)下面描述的附圖來說明。
[0025]為了進(jìn)行說明，圖1是根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的包括控制器102的示例升壓PFC變換器100 (也被稱為PFC變換器)的功能框圖。在所示的示例中，PFC變換器100是升壓功率變換器，其接收與ac線電壓Ve106對應(yīng)的ac線電流Ie104。通常，ac線電流Ie104和對應(yīng)的ac線電壓Ve106由配電系統(tǒng)(例如,發(fā)電廠)通過電插座(electrical socket)提供。如圖所示，橋式整流器108將ac線電壓Ve106變換成dc輸入電壓VIN110。
[0026]現(xiàn)在參考圖3A，示例波形302、304和306分別代表ac線電壓Ve106、dc輸入電壓VinIIO和dc輸入電流IIN111。如圖所示，‘a(chǎn)c’波形由在某些時(shí)間間隔極性被反轉(zhuǎn)的波形表示。例如，ac線電壓Ve106由在正值和負(fù)值之間交變的波形302代表。相比較而言，‘dc’波形由總是相同極性的波形表示。例如，如波形304和306所示，dc輸入電壓VinIIO和dc輸入電流IinIII實(shí)質(zhì)上總是為正。注意，dc輸入電壓VinIIO (即，波形304)和dc輸入電流IinIII (即，波形306)在大小上隨時(shí)間變化。
[0027]返回參考圖1，在所示的示例中，濾波器112耦合在橋式整流器108的兩端，以對來自dc輸入電流IinIII的高頻噪聲電流進(jìn)行濾波。在本發(fā)明的一方面中，dc輸入電流IinI 11實(shí)質(zhì)上被控制為跟隨dc輸入電壓VinI 10的波形形狀。如圖3A所示，表示dc輸入電流IinI 11的波形306 —般跟隨表不dc輸入電壓VinIIO的波形304的形狀。
[0028]如在圖1的示例中所示，被示為電感器L1IH的能量存儲元件的一端被耦合到控制器102，而電感器L1IH的另一端被耦合到功率開關(guān)SWJ18。在操作中，當(dāng)開關(guān)118能夠傳導(dǎo)電流時(shí)，功率開關(guān)SW1IlS處于‘導(dǎo)通’或‘閉合’狀態(tài)，并且當(dāng)開關(guān)118不能傳導(dǎo)電流時(shí)處于‘關(guān)斷’或‘?dāng)嚅_’狀態(tài)。開關(guān)周期被定義為當(dāng)開關(guān)為導(dǎo)通的時(shí)間段以及隨后當(dāng)開關(guān)為關(guān)斷的時(shí)間段。例如，開關(guān)周期可以包括當(dāng)開關(guān)SW1IlS能夠?qū)щ姷膶?dǎo)通時(shí)間段以及跟隨的當(dāng)開關(guān)SW1IlS不能導(dǎo)電的關(guān)斷時(shí)間段。在另一示例中，開關(guān)周期可以包括當(dāng)SW1IlS不能導(dǎo)電的關(guān)斷時(shí)間段以及跟隨的當(dāng)開關(guān)SW1IlS能夠?qū)щ姷膶?dǎo)通時(shí)間段。導(dǎo)通時(shí)間可以被定義為開關(guān)周期期間開關(guān)SW1IlS導(dǎo)電的時(shí)間段，并且關(guān)斷時(shí)間可以被定義為開關(guān)周期期間開關(guān)SR118不導(dǎo)電的時(shí)間段。
[0029]在圖1的示例中，輸入回波(input return) 120被耦合到功率開關(guān)SWJ18。在操作中，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，能量存儲電感器L1IH響應(yīng)于開關(guān)SWJ18的開關(guān)來向功率變換器100的輸出傳遞能量。如在該示例中所示，體電容器122被耦合以向負(fù)載126提供基本恒定的輸出電壓Vqut124。在一個(gè)不例中，負(fù)載126可以是對dc-dc電源的輸入。二極管DJ28被耦合以使得防止來自體電容器122的電流回流通過電感器L1IlL在圖1的示例中，表示dc輸入電壓VinIIO的輸入電壓信號Uvin130被控制器102接收。表不dc輸入電流IinIII的輸入電流感測信號Uiin132也被控制器102接收。更具體地，例如，諸如電流變壓器(currenttransformer)，或者分立電阻器兩端的電壓、當(dāng)晶體管導(dǎo)電時(shí)晶體管兩端的電壓，或者耦合到功率開關(guān)的感測FET元件之類的電流感測134可以用于測量dc輸入電流IIN111。在圖1的不例中，表不輸出電壓Vqut124的輸出電壓信號Uvqut136也被控制器102接收。在一個(gè)不例中，輸出電壓信號UvajT136可以表不恒定的參考值。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，感測信號Uvin130、Uiin132和Utout136可以具有電壓的形式或電流的形式。[0030]在操作中，控制器102響應(yīng)于輸入電壓信號UVIN130、輸入電流信號UIIN132和/或輸出電壓信號UV()UT136而輸出控制開關(guān)SW1IlS的開關(guān)的開關(guān)信號Usw119,以調(diào)整輸出電壓Vout124和控制dc輸入電流IinIII跟隨dc輸入電壓VinIIO的波形，dc輸入電壓VinIIO也被稱為‘輸入電壓VinI 10’。在一個(gè)示例中，控制器102通過改變開關(guān)SW1118的每個(gè)開關(guān)周期(也被稱為可變開關(guān)頻率控制技術(shù))來調(diào)整輸出電壓Vot124和控制dc輸入電流IinIII。在另一示例中，控制器102通過維持開關(guān)SWJ18的恒定的開關(guān)周期(也被稱為固定開關(guān)頻率控制)來調(diào)整輸出電壓VQUT124和控制dc輸入電流IinIII。在本發(fā)明的一方面中，控制器102還響應(yīng)于負(fù)載124來調(diào)節(jié)開關(guān)的平均開關(guān)頻率，以進(jìn)一步提高PFC變換器100的效率。特別地，平均開關(guān)頻率被定義為多個(gè)開關(guān)周期中的開關(guān)頻率。更具體地，控制器102采用了通過響應(yīng)于負(fù)載126調(diào)節(jié)開關(guān)SWJ18的平均開關(guān)頻率來降低功率損耗的控制技術(shù)。
[0031]現(xiàn)在參考圖2，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，功率變換器100的功能框圖進(jìn)一步示出圖1的控制器102的示例。如圖所示，控制器102包括功率因數(shù)校正(PFC)電路202和開關(guān)頻率調(diào)節(jié)器204。根據(jù)圖2的示例，PFC電路202輸出開關(guān)信號Usw119和表示耦合到PFC變換器100的輸出的負(fù)載126的負(fù)載信號隊(duì)_206。PFC電路202接收輸入電壓信號UVIN130、輸出電壓信號Uvqut136和/或輸入電流信號Uiin134。開關(guān)頻率調(diào)節(jié)器204接收負(fù)載信號隊(duì)_206并且輸出頻率調(diào)節(jié)fAW信號208。
[0032]在操作中，作為一個(gè)示例，PFC電路202響應(yīng)于輸入電壓信號UVIN130、輸入電流信號UiinI34和/或輸出電壓信號Utout136來調(diào)整電源的輸出和控制輸入電流以使得輸入電流IinI 11跟隨輸入電壓VinI 10的波形。開關(guān)頻率調(diào)節(jié)器204響應(yīng)于負(fù)載信號隊(duì)_206來輸出頻率調(diào)節(jié)信號fAW208，并且PFC電路202響應(yīng)于頻率調(diào)節(jié)信號fm208來調(diào)節(jié)功率開關(guān)SW1118的平均開關(guān)頻率。
[0033]如圖所示，控制器102、電流感測134和開關(guān)SW1IlS可以包括在集成電路210中。在一個(gè)示例中，開關(guān)SWJ18可以包括在與控制器102相同的單個(gè)單片電路設(shè)備(singlemonolithic device)上。在一個(gè)替代實(shí)施例中，控制器102可以被包括在沒有開關(guān)SW1118的單個(gè)單片電路設(shè)備上。在一個(gè)實(shí)施例中，開關(guān)SW1IlS可以是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(M0SFET)。在操作中，當(dāng)開關(guān)SWJ18為導(dǎo)通時(shí)，開關(guān)SWJ18允許從漏極端212向源極端214的電流的傳導(dǎo)，并且當(dāng)開關(guān)SW1IlS為關(guān)斷時(shí)，實(shí)質(zhì)上阻止電流的傳導(dǎo)。在另一示例中，如圖所不，電流感測134可以I禹合到開關(guān)SW1IlS以測量開關(guān)電流Isw216。因?yàn)樵陂_關(guān)周期的導(dǎo)通時(shí)間期間開關(guān)電流Isw216實(shí)質(zhì)上等于dc輸入電流IinIII (如圖3B所示)，所以在開關(guān)周期的導(dǎo)通時(shí)間期間，可以感測開關(guān)電流Isw216，而不感測dc輸入電流IIN111。如圖所示，電流感測134可以感測功率開關(guān)SWJ18的漏極端212處的輸入電流IIN111。在一個(gè)替代實(shí)施例中，電流感測134可以感測功率開關(guān)SWJ18的源極端214處的輸入電流IIN111。在一個(gè)替代實(shí)施例中，電流感測134可以在漏極端212之前或源極端214之后感測開關(guān)電流 Isw216。
[0034]如圖所示，開關(guān)SW1IlS包括寄生電容Cp222。更具體地，寄生電容可以被定義為由于電組件的各部分彼此接近而存在于它們之間的不希望的電容。在操作中，當(dāng)開關(guān)SW1IlS切換到關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，PFC變換器100中的寄生電容Cp222存儲電能。雖然，示出雜散電容(stray capacity) Cp222接在功率開關(guān)SWJ18的兩端，但是雜散電容可能是從PFC控制器100內(nèi)的所有組件貢獻(xiàn)來的。當(dāng)開關(guān)SW1118切換到導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，在PFC變換器100的組件內(nèi)所存儲的電能被放電，并且能量在功率開關(guān)SWJ18中耗散。在控制器100的操作期間，隨著開關(guān)SW1IiS的開關(guān)頻率的提聞并且開關(guān)SW1IiS在導(dǎo)通狀態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)之間更加頻繁地切換，更多的能量被耗散在開關(guān)SWJ18中。因此，盡可能最小化開關(guān)SWJ18的開關(guān)頻率可能是有益的。在一個(gè)示例中，開關(guān)SW1118的開關(guān)頻率可以隨著接在PFC變換器100的輸出的兩端的負(fù)載126的減少而降低，以限制SWJ18中的功率耗散。然而，當(dāng)對SWJ18的頻率進(jìn)行限制時(shí)，能量傳遞元件L1IH中的損耗被增大。更具體地，隨著功率開關(guān)SW1IlS的開關(guān)頻率變低，峰電流的增大可能在電感器中產(chǎn)生更多的功率耗散。另外，能量變壓器磁芯(energy transformer core)中的損耗由于磁芯中的磁通量的偏移(excursion)而變大。通常，在PFC變換器中，能量傳遞元件L1IH中的損耗比開關(guān)SW1IlS中當(dāng)開關(guān)頻率被降低時(shí)所防止的損耗大很多。然而，在某些PFC變換器設(shè)計(jì)中，降低開關(guān)頻率可能是有益的，因?yàn)楣β书_關(guān)中的損耗大于從能量傳遞元件L1IH引起的附加的功率損耗。
[0035]如在所描述的示例中所示，濾波器112包括但不限于電容器220，其對來自dc輸入電流IINlll的高頻噪聲進(jìn)行濾波。更具體地，在一個(gè)示例中，電容器220的電容值是被選取使得電容器220可以濾出高頻噪聲，但是未大到足以降低dc輸入電壓VinIIO的時(shí)變分量的值。在一個(gè)替代實(shí)施例中，集成電路210可以用在包括反激式變換器的PFC變換器100中。
[0036]如之前所參考的，圖3A示出根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的ac線電壓波形302、dc輸入電壓波形304、dc輸入電流波形306、開關(guān)信號UswI 19和負(fù)載信號隊(duì)_206。ac線電壓波形302代表ac線電壓Ve106并且實(shí)質(zhì)上是正弦波形。線周期(line cycle)被定義為ac線電壓波形302的三個(gè)連續(xù)的過零點(diǎn)之間的時(shí)間間隔并且對應(yīng)于表示完成一個(gè)線周期所花費(fèi)的時(shí)間的線周期時(shí)段?Υ310。更具體地，在所示的示例中，線周期時(shí)段?Υ310依賴于ac線電壓Ve106的頻率。例如，如果ac線電壓Ve106的頻率提高，則線周期時(shí)段?Υ310將變短。相反，如果ac線電壓Ve106的頻率降低，則線周期時(shí)段?Υ310將變長。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，線周期時(shí)段Tl310比開關(guān)周期時(shí)段Tsw312長得多。為了進(jìn)一步地說明，在一個(gè)示例中，線頻率是60Hz，對應(yīng)于16666微秒的線周期時(shí)`段?Υ310，并且在分段I中的平均開關(guān)頻率是100kHz，對應(yīng)于10微秒的開關(guān)周期時(shí)段Tsw312。
[0037]如圖所示，dc輸入電壓波形304表示dc輸入電壓VinI 10并且是ac線電壓波形302的經(jīng)過整流的波形。在操作中，橋式整流器108對由ac線電壓波形302表示的ac線電壓Vg106進(jìn)行整流，以生成由dc輸入電壓波形304表示的dc輸入電壓VinI 10。dc輸入電流波形306表不dc輸入電流IinIII。如圖所不，dc輸入電流波形306疊在輸入電壓波形304之上，以示出在開關(guān)周期期間dc電流IinIII如何被控制為跟隨dc輸入電壓VIN110。在圖3B中示出了 dc輸入電流波形306的放大視圖314。
[0038]如在圖3A中所示，開關(guān)信號Usw119的平均開關(guān)頻率隨著信號U_206的大小而變化。根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，平均開關(guān)頻率響應(yīng)于負(fù)載126而被調(diào)節(jié)。更具體地，平均開關(guān)頻率被定義為至少半個(gè)線周期或者更多周期中的平均開關(guān)頻率。因此，即使當(dāng)PFC電路的控制方案實(shí)施可變開關(guān)頻率時(shí)，平均開關(guān)頻率也可以被調(diào)節(jié)。如在分段I中所示，負(fù)載信號Uload206處于最高大小并且對應(yīng)于處于最高平均開關(guān)頻率的開關(guān)信號Usw119。如在分段2中所示，負(fù)載信號隊(duì)_206在大小上被降低并且對應(yīng)于具有較低平均開關(guān)頻率的開關(guān)信號UsffI 190如在分段3中所示，負(fù)載信號U塵206進(jìn)一步在大小上被降低，對應(yīng)于具有更低的平均開關(guān)頻率的開關(guān)信號Usw119。如圖3A所示，開關(guān)輸入電流波形306描述了連續(xù)傳導(dǎo)模式中的輸入電流IIN111。更具體地，連續(xù)傳導(dǎo)模式是這樣一種開關(guān)控制技術(shù)，其被實(shí)施以使得在開關(guān)周期內(nèi)防止輸入電流IinIII達(dá)到零，因?yàn)殚_關(guān)SWJ18在能量傳遞元件L1IH中的能量變?yōu)榱阒氨粚?dǎo)通。將會意識到，因?yàn)镻FC變換器100的輸入是ac信號，所以當(dāng)輸入電壓為零時(shí)，ac輸入電流將為零，即使在連續(xù)傳導(dǎo)模式中也是如此。不連續(xù)傳導(dǎo)模式控制技術(shù)可以被實(shí)施以使得在每個(gè)開關(guān)周期的每個(gè)關(guān)斷時(shí)間期間PFC控制器102防止輸入電流IinIII變?yōu)榱恪Ｔ诟鶕?jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)平均開關(guān)頻率被降低時(shí)，PFC控制器102可以從連續(xù)傳導(dǎo)操作模式切換到不連續(xù)的操作模式。相反，當(dāng)平均開關(guān)頻率提高時(shí)，輸入電流IinIII可以從不連續(xù)操作模式變到連續(xù)操作模式。
[0039]如圖3B所示，放大的示圖314描述了連續(xù)傳導(dǎo)模式中的圖3A的輸入電流波形306的一部分。如圖所示，dc輸入電流IinIII對應(yīng)于開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間期間的開關(guān)電流Isw216。在操作中，響應(yīng)于由控制器102確定的第一導(dǎo)通時(shí)間Tm318和第一關(guān)斷時(shí)間?^η320，針對第一開關(guān)周期時(shí)段TSW1316控制輸入電流IIN111。如在放大示圖314中所示，開關(guān)周期TSW1、Tsff2和Tsw3因控制器102所實(shí)施的用于PFC校正的可變頻率控制技術(shù)而不同。因此，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，為了進(jìn)行PFC，控制器102可以在多個(gè)線周期中響應(yīng)于變化的負(fù)載來調(diào)節(jié)開關(guān)SW1IlS的平均開關(guān)頻率，并且也可以逐周期地調(diào)節(jié)開關(guān)頻率以調(diào)整輸出電壓和控制輸入電流IinIII為跟隨輸入電壓VinI 10。
[0040]現(xiàn)在參考圖4A、圖4B、圖4C和圖4D，可以以多種方式響應(yīng)于PFC變換器100的負(fù)載來調(diào)節(jié)平均開關(guān)頻率。在圖4A中，開關(guān)SW1118的平均開關(guān)頻率隨著負(fù)載126線性連續(xù)地變化。在圖4B中，開關(guān)SWJ18的平均開關(guān)頻率隨著負(fù)載126指數(shù)連續(xù)地變化。在圖4C中，開關(guān)SWJ18的平均開關(guān)頻率隨著負(fù)載126線性離散地變化。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，如在圖4A、圖4B和圖4C中所示，在升壓變換器的全部負(fù)載范圍中調(diào)節(jié)平均開關(guān)頻率。也就是，平均開關(guān)頻率可以響應(yīng)于最小負(fù)載情況而處于最小頻率，并且平均開關(guān)頻率可以響應(yīng)于升壓變換器的最大負(fù)載情況而處于最大頻率。在另一實(shí)施例中，如圖4D所示，平均開關(guān)頻率在全部負(fù)載范圍的一部分`中被線性連續(xù)地調(diào)節(jié)。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，可以以任何類型的組合對圖4A、圖4B、圖4C和圖4D進(jìn)行組合來確定開關(guān)SWJ18的平均開關(guān)頻率和負(fù)載126之間的關(guān)系。
[0041]現(xiàn)在參考圖5A，示出了根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的示例集成電路控制器500，其利用具體控制技術(shù)來實(shí)施PFC并且還包括開關(guān)頻率控制器501以提高效率。在該示例中，功率M0SFET502在導(dǎo)通狀態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)之間切換，以允許和防止輸入電流IIN503在漏極端D504和源極端S506之間流動(dòng)。電壓端VIN507被耦合用于接收輸入電壓信號VinI 10。如圖所示，輸入電壓檢測器508輸出表示PFC變換器100的瞬時(shí)dc輸入電壓的電流Ivin512。在操作中，從輸入電壓檢測器508得出生成的電流信號IVIN2513。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的教導(dǎo)，生成的電流信號IVIN2513可以表示半個(gè)線周期的峰值輸入電壓，或者輸入電壓的有效值，或者在半個(gè)周期中的平均輸入電壓。反饋端FB514接收電SVvtot,電壓Vtout表示PFC變換器100的輸出處的輸出電壓。在一個(gè)不例中，電壓Vvotjt可以是任何恒定的值。
[0042]如圖所示,參考電流Ikef以與從電流源522流出的成比例電流(scaled current)Isvin相反的方向從電流源520流出。更具體地，成比例電流Isvin等于電流Ivin乘以用于信號處理的比例因子。電容器Cqff524耦合在晶體管Tqff526的兩端。在操作中，當(dāng)晶體管TQFF526關(guān)斷時(shí)，電容器Cqff524進(jìn)行充電。更具體地，對電容器Cqff524進(jìn)行充電的電流是參考電流Ikef和成比例電流Isvin之間的差。當(dāng)晶體管!'_526變?yōu)閷?dǎo)通時(shí)，電容器(:_524經(jīng)由公共回波(common return)529進(jìn)行放電。電壓比較器528被耦合到電容器CQFF524，以使得比較器528的負(fù)端處于與電容器CQFF524相同的電勢電壓。當(dāng)電容器CQFF524上的電壓等于經(jīng)過調(diào)節(jié)的誤差電壓V’ eee530時(shí)，電壓信號Vqff532從低轉(zhuǎn)變到高，這使得功率M0SFET502轉(zhuǎn)變到導(dǎo)通狀態(tài)。按照此方式，功率M0SFET502的開關(guān)周期的關(guān)斷時(shí)間被調(diào)節(jié)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，電容器Cqff524用作積分器(integrator)，其對恒定電壓和功率變換器的輸入電壓之間的差進(jìn)行積分，以確定開關(guān)周期的關(guān)斷時(shí)間。
[0043]在操作中，在所示的實(shí)施例中，誤差電壓Vekk531是誤差放大器533的輸出。在操作中，誤差放大器533對電壓Vvqut與參考電壓Vkef535進(jìn)行比較以確定誤差電壓VEKK531，誤差電壓vm?531表不功率變換器的輸出處的輸出電壓。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，電壓誤差信號Vekk531給出功率變換器100的輸出電壓以及控制器的輸出處的負(fù)載的指示。根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，誤差信號Vekk531被設(shè)計(jì)為具有與開關(guān)信號Usw119 (例如驅(qū)動(dòng)信號554)相比慢得多的響應(yīng)時(shí)間。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，誤差信號Vekk531是表不若干線周期中的輸出電壓V0UT124的平均大小的平均化的值，以使得當(dāng)在線周期中控制輸入電流時(shí)，輸出電壓Vtot124被認(rèn)為實(shí)質(zhì)上是恒定的值。
[0044]更具體地，在本示例中，誤差信號Vekk531實(shí)質(zhì)上不對線周期中輸出電壓V.124的ac時(shí)間變化做出響應(yīng)。還可以假定誤差信號V-531在多個(gè)開關(guān)周期中實(shí)質(zhì)上是恒定的。在一個(gè)示例中，誤差電壓Vekk531可以經(jīng)由COMP端537被輸出到增益設(shè)定濾波器，增益設(shè)定濾波器用于調(diào)整誤差電壓Vekk531的響應(yīng)時(shí)間。
[0045]如在示例中所示，開關(guān)頻率調(diào)節(jié)器501耦合在誤差放大器533的輸出和比較器528的非反相端(non-1nverting terminal)之間。開關(guān)頻率調(diào)節(jié)器501是圖2的開關(guān)頻率調(diào)節(jié)器204的一個(gè)可能的實(shí)施方式，而集成電路控制器500的一些或者所有其余的電路是PFC電路202的可能的實(shí)施方`式。在操作中，開關(guān)頻率調(diào)節(jié)器501響應(yīng)于接收誤差電壓信號Veee531來輸出經(jīng)過調(diào)節(jié)的誤差信號V’ekk530。在一個(gè)示例中，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，誤差電壓信號Vekk531基于下面的公式被修改:
[0046]V’ EEE=VC-VEEE 公式 I
[0047]其中，Vc是基于PFC變換器100的反饋回路的設(shè)計(jì)參數(shù)而確定的恒定的值。根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，誤差電壓信號V-531可以被認(rèn)為等于圖2中所示的負(fù)載信號隊(duì)_206。更具體地，誤差電壓信號Vekk531的大小與功率變換器的輸出處的負(fù)載成正比。通常，誤差電壓信號V-531的大小可以通過變化的輸入電壓和改變的負(fù)載情況而被影響，因此可能難以建立反饋信號Vekk531的大小和功率變換器的輸出處的負(fù)載情況之間的正比關(guān)系。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，輸入電壓檢測器生成信號電流Ira2，信號電流表不平均輸入電壓值，并且乘以電流源534以抵消輸入電壓對誤差電壓信號Vekk531的影響。換句話說，在前饋系統(tǒng)中，電流Ivin2乘以電流源534以使得誤差電壓信號Vekk531的大小獨(dú)立于輸入電壓VIN111，并且可以表示耦合到PFC變換器100的輸出的負(fù)載126。在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，經(jīng)過調(diào)節(jié)的誤差信號V eee530可以被認(rèn)為等同于在圖2中的頻率調(diào)節(jié)信號fAw208。
[0048]在根據(jù)本發(fā)明的另一示例實(shí)施例中，開關(guān)頻率調(diào)節(jié)器501被耦合在誤差放大器533和電壓比較器544的正輸入端之間。在本示例的操作中，經(jīng)過調(diào)節(jié)的誤差信號V’EKK530被電壓比較器544接收。
[0049]如在圖5A的示例中所示，電流源534輸出成比例電流Isiin,成比例電流Isiin表示乘以了用于信號處理的比例因子的感測的輸入電流Is538。電容器(^Ν540被耦合在晶體管Ton542的兩端。在操作中，當(dāng)晶體管Tw542為關(guān)斷時(shí)，成比例電流Isiin對電容器CQN540進(jìn)行充電。當(dāng)晶體管TQN542為導(dǎo)通時(shí)，電容器Cw540經(jīng)由公共回波529被放電。電壓比較器544率禹合到電容器Cqn540,以使得比較器544的負(fù)輸入處于與電容器CQN540相同的電勢電壓。當(dāng)電容器Cqn540的電壓等于誤差電壓Vekk531時(shí)，比較器544的輸出處的電壓信號VQN546從低信號轉(zhuǎn)變?yōu)楦咝盘枺@導(dǎo)致將功率M0SFET502設(shè)定成關(guān)斷狀態(tài)。按照此方式，用于功率率M0SFET502的開關(guān)周期的導(dǎo)通時(shí)間被控制。在本發(fā)明的一方面中，電容器(；Ν540用作積分器，其對功率變換器的輸入電流進(jìn)行積分以確定開關(guān)周期的導(dǎo)通時(shí)間。
[0050]如在圖5Α的示例中所示，OR門548的第一輸入被耦合到比較器544的輸出，并且OR門548的第二輸入被耦合到AND門550的輸出。在操作中，當(dāng)電壓信號Vw546轉(zhuǎn)變?yōu)楦呋蛘哌^流保護(hù)(OCP)信號553轉(zhuǎn)變?yōu)楦邥r(shí)，OR門548向鎖存器552的復(fù)位端(R)輸出高信號。在操作中，當(dāng)鎖存器552的復(fù)位輸入R接收到高信號時(shí)，輸出Q被設(shè)定成高并且互補(bǔ)輸莊0被設(shè)定為低。相反，當(dāng)電壓信號V-532轉(zhuǎn)變成高時(shí)，鎖存器552的輸入S將輸出Q設(shè)定為低，并且將互補(bǔ)輸出&設(shè)定為高。按照此方式，互補(bǔ)輸出g輸出控制功率M0SFET502的開關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號DRIVE554。放大器556對驅(qū)動(dòng)信號DRIVE554進(jìn)行放大，以提供足夠電流來對功率M0SFET502的柵極進(jìn)行充電和放電，以便控制功率M0SFET502的開關(guān)。
[0051]如在示例中所示，電流限制比較器558對感測的輸入電流Is538與電流限制參考Ili?559進(jìn)行比較。在一個(gè)示例中，當(dāng)感測的輸入電流Is538達(dá)到電流限制參考IUM559時(shí)，電流限制比較器558的輸出變?yōu)楦摺８唧w地，在本示例中，感測的輸入電流IS538是輸入電流Iin503的一部分。在一個(gè)不例中，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，感測的輸入電流Is538表不輸入電流Iin503。在一個(gè)示例中，驅(qū)動(dòng)信號554在被施加到AND門550的輸入之前被前沿消隱(leading edge blanking, LEB)電路562延遲，以防止在功率M0SFET502轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通而暫時(shí)對雜散電容進(jìn)行放電時(shí)過流保護(hù)信號553指示虛假的電流限制情況。更具體地，過流保護(hù)信號553指示功率M0SFET502中的電流何時(shí)達(dá)到電流限制參考IUM559，以防止對功率M0SFET502和/或集成電路500的任何其它內(nèi)部組件的損壞。
[0052]如上面所論述的，本發(fā)明的教導(dǎo)允許功率變換器采用控制技術(shù)來對功率變換器的輸入電流波形進(jìn)行整形。另外，平均頻率調(diào)節(jié)電路501被包括來沿著所有負(fù)載范圍調(diào)節(jié)M0SFET502的平均開關(guān)頻率，從而限制控制器中的損耗。在所論述的示例中，PFC控制器通過改變功率變換器中的功率開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間來控制輸入電流波形使之跟隨輸入電壓波形的形狀。更具體地，在每半個(gè)線周期中，輸入電流被控制為與輸入電壓成正比。然而，當(dāng)在多個(gè)半個(gè)線周期中輸入電流被平均化時(shí)，輸入電流IinIII不再與輸入電壓VinIIO成比例。更具體地，控制技術(shù)通過為關(guān)斷時(shí)間設(shè)定恒定的伏特-秒來強(qiáng)迫功率開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間與經(jīng)過整流的時(shí)變輸入電壓VIN(t)成反比。關(guān)斷時(shí)間被控制為恒定的乘積:
[0053](Vout-Vin) XToff 公式 2
[0054]特別地，在關(guān)斷時(shí)間期間對下面的量進(jìn)行積分:
[0055]Vout-Vin 公式 3
[0056]允許在關(guān)斷時(shí)間期間設(shè)定恒定的伏特-秒。 通過對關(guān)斷時(shí)間進(jìn)行設(shè)定以具有恒定的的伏特-秒，在一些開關(guān)周期中導(dǎo)通時(shí)間伏特-秒被強(qiáng)制為實(shí)質(zhì)上是恒定的，以便維持滿足升壓電感器的特性的伏特-秒平衡。升壓電感器上的伏特-秒的平衡允許導(dǎo)通時(shí)間實(shí)質(zhì)上與輸入電壓成反比。導(dǎo)通時(shí)間對輸入電壓的這種關(guān)系建立了一種用于將輸入電流控制為表示輸入線電壓的經(jīng)整流時(shí)變輸入電壓vIN(t)的函數(shù)的方便并且簡單的手段。如果通過在導(dǎo)通時(shí)間期間對輸入電流積分而感測輸入電流，則導(dǎo)通時(shí)間可以通過達(dá)到以下恒定的積分值而終止:
[0057]
【權(quán)利要求】
1.一種功率因數(shù)校正控制器，包括: 第一積分器，所述第一積分器被耦合用于對功率因數(shù)校正變換器的輸入電流進(jìn)行積分，其中，第一信號響應(yīng)于所述第一積分器被生成，以結(jié)束所述功率因素校正變換器的功率開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間； 第二積分器，所述第二積分器被耦合用于對所述功率因數(shù)校正變換器的輸入電壓和恒定電壓之間的差進(jìn)行積分，其中，第二信號響應(yīng)于所述第二積分器被生成，以結(jié)束所述功率因素校正變換器的所述功率開關(guān)的關(guān)斷時(shí)間； 驅(qū)動(dòng)器電路，所述驅(qū)動(dòng)器電路被耦合用于響應(yīng)于所述第一信號和所述第二信號來改變所述功率因素校正變換器的所述功率開關(guān)的開關(guān)頻率，以及用于輸出第三信號以對所述功率因素校正變換器的所述功率開關(guān)進(jìn)行開關(guān)，從而將所述輸入電流控制為與所述輸入電壓實(shí)質(zhì)上成比例。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率因素校正控制器，還包括:頻率調(diào)節(jié)電路，所述頻率調(diào)節(jié)電路被耦合用于接收表示所述功率因數(shù)校正變換器的輸出的誤差電壓信號，其中，所述頻率調(diào)節(jié)電路還被耦合用于輸出經(jīng)過調(diào)節(jié)的誤差信號，以響應(yīng)于所述誤差電壓信號來調(diào)節(jié)所述功率因素校正變換器的所述功率開關(guān)的關(guān)斷時(shí)間的結(jié)束。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的功率因素校正控制器，其中，所述驅(qū)動(dòng)器電路被耦合用于對所述功率因數(shù)校正變換器的輸出電壓進(jìn)行調(diào)整。
4.根據(jù)權(quán)利要求11所述的功率因素校正控制器，其中，所述功率因素校正變換器的所述功率開關(guān)包括金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的功率因素校正控制器，還包括誤差放大器，所述誤差放大器被耦合用于響應(yīng)應(yīng)于表示所述功率因素校正變換器的輸出的反饋信號和參考電壓來生成所述誤差電壓信號。`
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率因素校正控制器，其中，所述第一積分器包括第一電容器，所述第一電容器被耦合為在所述功率開關(guān)導(dǎo)通時(shí)以成比例電流充電，其中，所述成比例電流表示所述輸入電流。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的功率因素校正控制器，其中，所述成比例電流的比例因子表示半個(gè)線周期的峰值輸入電壓。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的功率因素校正控制器，其中，所述成比例電流的比例因子表示所述輸入電壓的均方根值。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的功率因素校正控制器，其中，所述成比例電流的比例因子表示半個(gè)周期的平均輸入電壓。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的功率因素校正控制器，還包括第一比較器，所述第一比較器將所述第一電容器上的電壓與表示所述功率因素校正變換器的輸出的誤差電壓信號進(jìn)行比較，并生成所述第一信號。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率因素校正控制器，其中，所述第二積分器包括第二電容器，所述第二電容器被耦合為在所述功率開關(guān)關(guān)斷時(shí)以成比例電流與參考電流之間的差充電，其中，所述成比例電流表示所述輸入電流。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的功率因素校正控制器，其中，所述成比例電流的比例因子表不即時(shí)直流輸入電壓。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的功率因素校正控制器，還包括第二比較器，所述第二比較器將所述第二電容器上的電壓與經(jīng)過調(diào)節(jié)的誤差信號進(jìn)行比較，并生成所述第二信號。
14.一種方法,包括: 對功率開關(guān)進(jìn)行開關(guān)，以調(diào)整功率因數(shù)校正變換器的輸出； 通過對所述功率開關(guān)進(jìn)行的開關(guān)來控制所述功率因數(shù)校正變換器的輸入電流，以使得所述輸入電流與所述功率因數(shù)校正變換器的輸入電壓實(shí)質(zhì)上成比例；并且 在全部負(fù)載情況的范圍中響應(yīng)于所述功率因數(shù)校正變換器的負(fù)載來調(diào)節(jié)所述功率開關(guān)的平均開關(guān)頻率。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，對所述功率開關(guān)進(jìn)行開關(guān)以調(diào)整所述功率因數(shù)校正變換器的所述輸出包括:對所述功率開關(guān)進(jìn)行開關(guān)以調(diào)整輸出電壓并且控制所述輸入電流以使得所述輸入電流與所述功率因數(shù)校正變換器的輸入電壓實(shí)質(zhì)上成比例。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，還包括: 輸出表示負(fù)載的負(fù)載信號至平均開關(guān)頻率調(diào)節(jié)器； 從所述平均開關(guān)頻率調(diào)節(jié)器接收頻率調(diào)節(jié)信號，以響應(yīng)于所述負(fù)載信號調(diào)節(jié)所述平均開關(guān)頻率。
【文檔編號】H02M1/42GK103607111SQ201310479250
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2009年11月9日 優(yōu)先權(quán)日:2008年11月7日
【發(fā)明者】羅蘭·塞爾威爾·賽恩特-皮埃爾 申請人:電力集成公司