有源功率因數(shù)校正器電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及有源功率因數(shù)校正器電路。根據(jù)實(shí)施例，一種電子設(shè)備包括被配置成耦合到功率因數(shù)校正器的第一開(kāi)關(guān)的控制器。所述控制器被配置成依賴于負(fù)載電流產(chǎn)生可變開(kāi)關(guān)頻率。對(duì)于第一負(fù)載電流，所述控制器被配置成產(chǎn)生第一開(kāi)關(guān)頻率，并且對(duì)于第二負(fù)載電流，所述控制器被配置成產(chǎn)生第二開(kāi)關(guān)頻率。
【專利說(shuō)明】有源功率因數(shù)校正器電路
發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及電路領(lǐng)域，特別涉及有源功率因數(shù)校正器電路。
【背景技術(shù)】
[0002]在電子設(shè)備中，功率因數(shù)校正器(PFC)電路越來(lái)越多地被用于提高AC電力系統(tǒng)的功率因數(shù)(PF)。在電力系統(tǒng)中，對(duì)于所傳輸?shù)南嗤瑪?shù)量的有用功率，與有高功率因數(shù)的負(fù)載相比，有低功率因數(shù)的負(fù)載汲取更多的電流。當(dāng)功率因數(shù)低時(shí)，在分布系統(tǒng)中，高電流使能量被損耗，從而與有較高功率因數(shù)的系統(tǒng)相比需要能夠處理更高電流的更大的線和其他裝置。
[0003]由于較大裝置和浪費(fèi)能量的成本，與具有較高功率因數(shù)的客戶相比，電氣設(shè)施會(huì)對(duì)具有低功率因數(shù)的工業(yè)或商業(yè)客戶收取更高的費(fèi)用。功率因數(shù)調(diào)節(jié)也變得越來(lái)越普遍。
[0004]功率因數(shù)校正尤其可以與高功率應(yīng)用相關(guān)。在高功率處，功率因數(shù)中的細(xì)小差別能夠?qū)е嘛@著的成本節(jié)省。高功率電力系統(tǒng)在AC電力系統(tǒng)中變得越來(lái)越重要。
[0005]功率因數(shù)校正器可以使用開(kāi)關(guān)式電源來(lái)實(shí)現(xiàn)。功率因數(shù)校正器電路通常被優(yōu)化以具有用于特定開(kāi)關(guān)頻率和負(fù)載的高功率因數(shù)。然而，應(yīng)用通常涉及變化的負(fù)載電流。相應(yīng)地，存在對(duì)能夠在負(fù)載電流的范圍內(nèi)維持高功率因數(shù)的有源PFC電路的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]根據(jù)實(shí)施例，一種電子設(shè)備包括被配置成耦合到功率因數(shù)校正器的第一開(kāi)關(guān)的控制器。所述控制器被配置成依賴于負(fù)載電流而產(chǎn)生可變開(kāi)關(guān)頻率。對(duì)于第一負(fù)載電流，所述控制器被配置成產(chǎn)生第一開(kāi)關(guān)頻率，并且對(duì)于第二負(fù)載電流，所述控制器被配置成產(chǎn)生第二開(kāi)關(guān)頻率。
[0007]在附圖和下述描述中闡明本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的細(xì)節(jié)。本發(fā)明的其他特征、目的和優(yōu)勢(shì)將從該描述和附圖以及從權(quán)利要求中顯而易見(jiàn)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0008]為了更完整地理解本發(fā)明及其優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)在參考結(jié)合附圖進(jìn)行的下述描述，在附圖中:
圖la-b圖示有源PFC的實(shí)施例；
圖2a_d圖示有源PFC電路的實(shí)施例的開(kāi)關(guān)電流和輸入電流的波形圖；
圖3圖示針對(duì)電池的充電的電壓相對(duì)于電流的曲線圖；
圖4圖示有源PFC電路的實(shí)施例控制器；
圖5a-b圖示根據(jù)另一實(shí)施例的有源PFC ；
圖6a-f圖示有源PFC電路的實(shí)施例的仿真結(jié)果；以及 圖7圖示用于輸出DC電壓的實(shí)施例方法的流程圖。
[0009]不同附圖中的對(duì)應(yīng)數(shù)字和符號(hào)通常指代對(duì)應(yīng)的部分，除非另有所指。附圖被繪制以清晰地圖示優(yōu)選實(shí)施例的有關(guān)方面并且不必按比例繪制。為了更清晰地圖示某些實(shí)施例，指示相同結(jié)構(gòu)、材料或過(guò)程步驟的變形的字母可以跟在圖號(hào)之后。
【具體實(shí)施方式】
[0010]當(dāng)前優(yōu)選的實(shí)施例的制作和使用在下文中詳細(xì)討論。然而，應(yīng)該意識(shí)到的是，本發(fā)明提供了能夠在多種多樣特定上下文中體現(xiàn)的許多適用的發(fā)明構(gòu)思。所討論的特定實(shí)施例僅僅說(shuō)明了制作和使用本發(fā)明的特定方式，并不限制本發(fā)明的范圍。
[0011]本發(fā)明將參考特定上下文(即有源PFC電路)中的優(yōu)選實(shí)施例來(lái)描述。然而，本發(fā)明也可以適用于其他類型的電路、系統(tǒng)、和方法。
[0012]功率因數(shù)(在零和一之間的無(wú)量綱數(shù))被定義為流動(dòng)到負(fù)載的實(shí)際功率與電路中的視在功率之比。實(shí)際功率是電路在特定時(shí)間執(zhí)行工作的能力，而視在功率是電路的電流和電壓的乘積。由于在負(fù)載中存儲(chǔ)且被返回到源的能量以及由于使從源汲取的電流的波形失真的非線性負(fù)載，視在功率趨向于大于實(shí)際功率。
[0013]功率因數(shù)校正(PFC)電路可以是有源或無(wú)源的。無(wú)源PFC電路包括電感器和/或電容器。另一方面，有源PFC電路是改變由負(fù)載汲取的電流的波形以改進(jìn)功率因數(shù)的電力電子系統(tǒng)。在功率因數(shù)校正電路中，電壓和電流更多地同相，并且無(wú)功功率的量被減少。
[0014]有源PFC電路可以使用升壓轉(zhuǎn)換器、降壓轉(zhuǎn)換器、降壓-升壓轉(zhuǎn)換器或其他拓?fù)鋪?lái)實(shí)現(xiàn)。有源PFC電路能夠操作于各種模式，包括連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)、非連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)、臨界導(dǎo)電模式(CRM)以及其他操作模式。
[0015]有源PFC電路的一個(gè)應(yīng)用是對(duì)電池(特別是電動(dòng)車電池)的充電。過(guò)度充電可能損壞電池。對(duì)電池進(jìn)行充電開(kāi)始于電流控制模式并且通過(guò)功率控制模式進(jìn)展到電壓控制模式。在該進(jìn)展期間，電路上的負(fù)載以及電流可能變化。
[0016]圖1a和Ib圖示有源功率因數(shù)校正器(PFC)電路100的實(shí)施例，其中，有源PFC的開(kāi)關(guān)頻率根據(jù)輸出負(fù)載電流而變化。有源PFC 100可以是包括具有適合于對(duì)電池進(jìn)行充電的輸出特性的僅一個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí)(converter stage)的單級(jí)PFC。在實(shí)施例中，有源PFC電路100操作于連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM);然而，有源PFC電路100可以操作于其他導(dǎo)電模式。圖1a圖示有源PFC電路的高級(jí)別視圖。有源PFC電路100包括AC輸入112、118和120、濾波塊130、整流階段140、涌入(in-rush)電流限制階段150、功率因數(shù)校正器階段160、和DC輸出階段190。DC輸出階段190可以耦合到電池以對(duì)該電池進(jìn)行充電(電池未示出)。
[0017]AC輸入包括耦合到EMC濾波器132的輸入端子112、中性相位輸入118和接地120。在濾波塊130中，EMC濾波器132輸出信號(hào)144和信號(hào)146以減少來(lái)自輸入電流的開(kāi)關(guān)噪聲分量。整流階段140中的整流器142對(duì)輸出信號(hào)144和EMC輸出146進(jìn)行整流以產(chǎn)生整流后的信號(hào)148。整流后的電流是有兩倍于電網(wǎng)電壓頻率的頻率的整流后的正弦信號(hào)。在可替代實(shí)施例中，代替示出的單相AC輸入，可以使用兩相AC輸入或三相AC輸入。AC輸入相位110可以從正弦電力網(wǎng)獲得。
[0018]涌入電流限制階段150可以包括電阻器152、154、156和開(kāi)關(guān)158。在啟動(dòng)期間，涌入控制167使開(kāi)關(guān)158打開(kāi)，從而使電流流經(jīng)電阻器152，以便避免大電流瞬變。在系統(tǒng)穩(wěn)定之后，涌入控制167使開(kāi)關(guān)158閉合并且設(shè)旁路繞過(guò)電阻器152。在正常操作期間，開(kāi)關(guān)158可以保持閉合。電阻器154和電阻器156形成分壓器并給控制器170提供與整流后的信號(hào)148成比例的信號(hào)。涌入電流可以使用本領(lǐng)域中已知的其他方法加以限制。
[0019]功率因數(shù)校正器階段160被配置成依賴于輸入電流來(lái)生成輸出電壓和輸出電流，以使得在輸入電壓和輸入電流之間存在諸如零之類的預(yù)定義相位差。然而，也存在可能的操作場(chǎng)景，其中，期望除零之外的相位差。控制器170基于電壓輸出感測(cè)166、電壓輸入感測(cè)162和開(kāi)關(guān)電流信號(hào)164來(lái)提供涌入控制信號(hào)167和開(kāi)關(guān)控制信號(hào)168。電阻器178和180形成分壓器以使得輸出感測(cè)電壓166可以被測(cè)量。開(kāi)關(guān)控制168接通和關(guān)斷開(kāi)關(guān)174。開(kāi)關(guān)174可以使用MOSFET、IGBT或其他開(kāi)關(guān)設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)開(kāi)關(guān)174被接通時(shí)，電流流經(jīng)電感器172并且能量被存儲(chǔ)在電感器172中。當(dāng)開(kāi)關(guān)174被關(guān)斷時(shí)，存儲(chǔ)在電感器172中的能量流過(guò)二極管176、電容器192并且通過(guò)負(fù)載(未示出)流過(guò)DC電壓194。負(fù)載可以是可再充電電池，諸如鋰離子電池。電壓194表示電池的充電電壓。二極管176防止負(fù)載電容通過(guò)開(kāi)關(guān)174放電。當(dāng)開(kāi)關(guān)174關(guān)斷時(shí)，能量從電感器172流動(dòng)到電容器192。通過(guò)控制開(kāi)關(guān)174，可以控制諸如輸出電壓、輸出電流和輸入電流之類的各種系統(tǒng)參數(shù)。
[0020]圖1b圖示控制器170的實(shí)施例。圖1b中的控制器170可以被用作有源PFC電路100中的控制器170 ;然而，控制器170可以是另一種類型的PFC系統(tǒng)的部分。控制器170可以被實(shí)現(xiàn)在模擬或數(shù)字電路中。去往控制器170的輸入是電壓輸入感測(cè)162、開(kāi)關(guān)電流信號(hào)164、電壓輸出感測(cè)166、和其他輸入165。其他輸入165可以包括對(duì)有源PFC 100的負(fù)載電流有影響的任何其他系統(tǒng)變量，諸如負(fù)載狀態(tài)、系統(tǒng)狀態(tài)或其他系統(tǒng)測(cè)量。控制器170的輸出是涌入控制信號(hào)167和開(kāi)關(guān)控制168。涌入控制計(jì)算器218使用本領(lǐng)域中已知的技術(shù)、基于內(nèi)部功率狀態(tài)來(lái)確定涌入控制信號(hào)167。
[0021]估計(jì)器200基于開(kāi)關(guān)電流信號(hào)164、電壓輸出感測(cè)166、和/或被表不為輸入165的其他輸入來(lái)確定校正因數(shù)418。接下來(lái)，頻率評(píng)估器202基于校正因數(shù)418來(lái)輸出頻率420。頻率評(píng)估器202可以使用從輸出感測(cè)418內(nèi)插的查找表來(lái)確定輸出頻率420，或者通過(guò)使用將信號(hào)輸出感測(cè)418用作輸入的公式計(jì)算輸出頻率420來(lái)確定輸出頻率420。頻率限制器204將頻率420限制到處于從大約20kHz到大約500kHz的可接受范圍內(nèi)的頻率，并且輸出校正后的頻率422?？商娲兀梢砸蕾囉谙到y(tǒng)及其特定規(guī)范來(lái)使用其他范圍。校正后的頻率422然后使振蕩器206輸出振蕩器信號(hào)212。
[0022]參考電流信號(hào)發(fā)生器216基于電壓輸入感測(cè)162和校正因數(shù)418來(lái)生成參考電流信號(hào)414。參考電流信號(hào)414可以與電壓輸入感測(cè)162同相。參考電流信號(hào)414表不與系統(tǒng)的輸入處的電壓162完美同相的理想電流信號(hào)。在一些實(shí)施例中，參考電流信號(hào)414可以與輸入電壓162成比例。在其他實(shí)施例中，根據(jù)本領(lǐng)域中已知的技術(shù)，可以添加斜率補(bǔ)償(slope compensation)。參考電流信號(hào)414和開(kāi)關(guān)電流信號(hào)164是去往比較器208的輸入，所述比較器208輸出比較器輸出214。RS鎖存器210將比較器輸出214鎖存為重置并且將振蕩器信號(hào)212鎖存為設(shè)置，其中開(kāi)關(guān)控制168作為Q輸出，在本實(shí)施例中為非反相輸出。
[0023]在操作期間，每當(dāng)經(jīng)由振蕩器信號(hào)212設(shè)置鎖存器210時(shí)，開(kāi)關(guān)電流信號(hào)164都開(kāi)始增加，這在開(kāi)關(guān)控制168假定接通級(jí)并將圖1a中的開(kāi)關(guān)174接通時(shí)發(fā)生。當(dāng)開(kāi)關(guān)電流信號(hào)164達(dá)到參考信號(hào)414時(shí),鎖存器210被重置。參考信號(hào)414取決于電壓輸入感測(cè)162和校正因數(shù)418。一些實(shí)施例可以結(jié)合于2012年5月15日提交的、名稱為"Power ConverterCircuit"的美國(guó)專利申請(qǐng)N0.13/472，215中描述的構(gòu)思、系統(tǒng)和方法，通過(guò)引用其全文將該美國(guó)專利申請(qǐng)并入本文。[0024]圖2a_d圖示了示出有源PFC電路的實(shí)施例的開(kāi)關(guān)電流和輸入電流的波形圖。圖2a針對(duì)兩個(gè)不同開(kāi)關(guān)頻率圖示了參考電流信號(hào)414、開(kāi)關(guān)電流信號(hào)164和包絡(luò)254。在圖2a中，參考電流信號(hào)414表示與電壓相位匹配的理想“平均”電流，并且參考電流信號(hào)414是有源PFC電路嘗試匹配的電流。開(kāi)關(guān)電流信號(hào)164表示由有源PFC生成的實(shí)際電流。開(kāi)關(guān)電流信號(hào)164隨包絡(luò)254在參考電流信號(hào)414之上和之下變化。當(dāng)開(kāi)關(guān)電流信號(hào)164緊密跟隨參考電流信號(hào)414時(shí)，如圖2a中那樣，功率因數(shù)較高。與下面的曲線相比，上面的曲線圖示了更高電流和更低開(kāi)關(guān)頻率。在一些實(shí)施例中，頻率隨更低的負(fù)載電流而增加。這可能被完成以保持恒定百分比波紋(ripple)。
[0025]圖2b圖示了對(duì)于具有40A峰值電流和IOOkHz開(kāi)關(guān)頻率的CCM有源PFC電路的開(kāi)關(guān)電流信號(hào)164、開(kāi)關(guān)電流414。開(kāi)關(guān)電流信號(hào)164在正弦參考電流信號(hào)之上和之下變化并且具有跟隨該參考電流信號(hào)的形狀的包絡(luò)。電流信號(hào)414是在有源PFC的輸入管腳上測(cè)量的開(kāi)關(guān)電流。
[0026]圖2c圖示了對(duì)于具有4A峰值電流還具有IOOkHz開(kāi)關(guān)頻率的CCM有源PFC的開(kāi)關(guān)電流信號(hào)164和開(kāi)關(guān)電流414。保持開(kāi)關(guān)頻率恒定而降低峰值電流使開(kāi)關(guān)電流信號(hào)164失真，使得其包絡(luò)不緊密跟隨正弦的參考電流信號(hào)的形狀。波形中的失真引起功率因數(shù)的降低。進(jìn)一步可見(jiàn)，開(kāi)關(guān)電流164可以取負(fù)值。電流信號(hào)414是在有源PFC的輸入管腳上測(cè)量的開(kāi)關(guān)電流。
[0027]圖2d圖示了對(duì)于具有4A峰值電流但具有310kHz的增加的開(kāi)關(guān)頻率的CCM有源PFC的開(kāi)關(guān)電流信號(hào)164、開(kāi)關(guān)電流414。如所示，與操作于IOOkHz的系統(tǒng)相比，開(kāi)關(guān)電流信號(hào)164的包絡(luò)更緊密地跟隨正弦參考電流信號(hào)的形狀。
[0028]圖3圖示用于對(duì)電池進(jìn)行充電的電壓和電流?？稍俪潆婋姵乜梢园ù?lián)或以另一配置連接的多個(gè)電池單元?？稍俪潆婋姵乜梢允卿囯x子電池或任何其他類型的可再充電電池。當(dāng)電池被完全放電時(shí)，在點(diǎn)306處，電池電壓處于最小值。開(kāi)始于完全放電狀態(tài)，對(duì)電池進(jìn)行充電開(kāi)始于電流控制體制(regime) 300。在電流控制體制300中，電流恒定于最大電流處，而電壓增加。一旦達(dá)到特定的電壓，電池充電器就進(jìn)入功率控制體制302。在功率控制體制302中，電壓增加，而電流減小，保持功率恒定。當(dāng)電壓在充電點(diǎn)308處達(dá)到最大電壓時(shí)，電池充電器進(jìn)入電壓控制體制304。在電壓控制體制304中，電壓保持恒定，而電流減小，直到電池達(dá)到完全充電點(diǎn)312，并且充電停止。在對(duì)電池進(jìn)行充電的過(guò)程期間，隨著電池變得更加完全充電，電池充電器減小其充電電流。
[0029]圖4圖示可被用于對(duì)電池進(jìn)行充電的有源PFC電路的實(shí)施例控制器170。控制器400基于電壓輸出感測(cè)166以及可選地基于開(kāi)關(guān)電流信號(hào)164來(lái)確定校正因數(shù)418。在一些實(shí)施例中，校正因數(shù)418基于電池充電曲線。例如，在一些實(shí)施例中，控制器400將生成校正因數(shù)418,使得當(dāng)輸出電壓低于第一閾值時(shí)，輸出負(fù)載電流恒定。當(dāng)輸出電壓高于第一閾值da但低于第二閾值時(shí)，將電流控制為使得當(dāng)電壓增大時(shí)電流減小，保持輸出功率恒定。在恒定功率模式中，電流可以以逐步的方式減小而不是連續(xù)地減小，如所示的那樣。當(dāng)輸出電壓高于第二閾值時(shí)，將輸出電壓控制為基本恒定。輸出電流減小，并且一旦輸出電流降低到低于預(yù)定閾值，操作就停止。控制器400可以使用模擬或數(shù)字電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。控制器400可以使用具有必需分段線性傳遞函數(shù)的數(shù)字處理器或模擬電路來(lái)確定校正因數(shù)418。接下來(lái)，頻率評(píng)估器202基于校正因數(shù)418、峰值輸入電流408、和可選地電壓輸出感測(cè)166來(lái)輸出頻率420。峰值輸入電流408表示在輸入AC相位線路中可用的最大電流。峰值輸入電流408可以是恒定值、校準(zhǔn)值或可變值?？梢允褂煤线m的通信線路來(lái)手動(dòng)或自動(dòng)地更新峰值輸入電流。在一些實(shí)施例中，頻率評(píng)估器202使用查找表來(lái)確定頻率420。在其他實(shí)施例中，頻率評(píng)估器202使用公式來(lái)計(jì)算頻率420。頻率限制器204將頻率420限制到處于對(duì)于系統(tǒng)的可使用范圍內(nèi)的頻率。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，振蕩器206的輸入422被限制為使得振蕩器206的輸出頻率被限制到從大約20kHz到大約500kHz的范圍。
[0030]電壓歸一化器402基于PFC的輸入電壓來(lái)產(chǎn)生參考信號(hào)410。在實(shí)施例中，通過(guò)峰值輸入電壓將電壓輸入感測(cè)162歸一化成輸出參考信號(hào)410。由乘法器404將參考信號(hào)410與峰值輸入電流408相乘以得到參考電流412。由乘法器406將參考電流412與校正因數(shù)418相乘以得到校正后的參考電流信號(hào)414。
[0031]校正后的參考電流信號(hào)414和開(kāi)關(guān)電流信號(hào)164被輸入到比較器208，所述比較器208提供比較器輸出214。比較器輸出214 f禹合到重置輸入，并且振蕩器信號(hào)212 f禹合到RS鎖存器210的設(shè)置輸入。RS鎖存器210的輸出Q耦合到開(kāi)關(guān)控制168。涌入控制計(jì)算器218基于開(kāi)關(guān)電流信號(hào)164來(lái)確定涌入控制167，如關(guān)于上述圖1b那樣。
[0032]圖5a和5b圖示能夠改變開(kāi)關(guān)頻率的有源功率因數(shù)轉(zhuǎn)換器(PFC)電路500的實(shí)施例。圖5a-b中的電路與圖la-b中的電路100和170類似，區(qū)別在于:整流階段140被省略并且輸出整流器二極管176被開(kāi)關(guān)506代替以提供同步整流。圖5a圖示有源PFC電路的高級(jí)別視圖。EMC輸出146直接連接到涌入電流限制階段150。
[0033]控制器550基于電壓輸出感測(cè)166、電壓輸入感測(cè)162、開(kāi)關(guān)電流信號(hào)164和接地196來(lái)輸出涌入控制167、開(kāi)關(guān)控制508和開(kāi)關(guān)控制510。開(kāi)關(guān)506的體二極管之一充當(dāng)電路500中的二極管。在實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)控制信號(hào)508和510是不重疊的信號(hào)。開(kāi)關(guān)控制信號(hào)510可以對(duì)應(yīng)于開(kāi)關(guān)控制168，如上所述。開(kāi)關(guān)控制510耦合到開(kāi)關(guān)174，而開(kāi)關(guān)控制信號(hào)508耦合到開(kāi)關(guān)506。當(dāng)開(kāi)關(guān)174被接通并且開(kāi)關(guān)506被關(guān)斷時(shí)，電流流經(jīng)電感器172并且能量被存儲(chǔ)在電感器172中。當(dāng)開(kāi)關(guān)174被關(guān)斷并且開(kāi)關(guān)506被接通時(shí)，存儲(chǔ)在電感器172中的能量流動(dòng)到電容器192，并通過(guò)負(fù)載(未示出)流過(guò)DC電壓194。當(dāng)開(kāi)關(guān)174關(guān)斷時(shí)，能量從電感器172流動(dòng)到電容器192。
[0034]圖5b圖示輸出涌入控制信號(hào)167、開(kāi)關(guān)控制508和開(kāi)關(guān)控制510的控制器550的實(shí)施例。RS鎖存器210生成開(kāi)關(guān)控制信號(hào)510和508。在一些實(shí)施例中，不重疊時(shí)鐘發(fā)生器可以耦合到RS鎖存器210的輸出。
[0035]圖6a_f圖示實(shí)施例有源PFC電路的仿真結(jié)果。圖6a和6b圖示在5000W處、在IOOkHz頻率處、在40A峰值功率的情況下操作的實(shí)施例的仿真結(jié)果。有功功率603和視在功率602均為5000W。無(wú)功功率606為220W。該配置具有99.8%的功率因數(shù)608。輸出功率604是4840W，并且效率是96.8%。
[0036]圖6c和6d圖示在650W處、在IOOkHz頻率處、在4A峰值電流的情況下操作的實(shí)施例的仿真結(jié)果。有功功率603是650W，而視在功率602是700W。無(wú)功功率606是230W。該配置的功率因數(shù)608是92.5%。輸出功率604是631W，并且效率是97.1%。
[0037]圖6e和6f圖示在690W功率處、在310kHz頻率處、在4A峰值電流的情況下操作的實(shí)施例的仿真結(jié)果。在該示例中，有功功率603是大約690W，而視在功率602是大約700W。無(wú)功功率606是大約120W，功率因數(shù)是大約98.5%，輸出功率604是大約641W，并且效率是92.9%。應(yīng)該意識(shí)到的是，描述于圖6a-f中的仿真結(jié)果表示一個(gè)示例實(shí)施例的性能。在可替代實(shí)施例中，可以實(shí)現(xiàn)不同的性能。
[0038]圖7圖示用于實(shí)施例有源PFC電路的方法700的流程圖。輸出DC電壓的方法700包括對(duì)輸入AC電流進(jìn)行濾波(步驟702)，對(duì)輸入AC電流進(jìn)行整流(步驟704)，對(duì)開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行控制(步驟708)，對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制(步驟710)，以及在電感器和電容器之間傳輸功率(步驟712)。
[0039]根據(jù)實(shí)施例，一種電子設(shè)備可以包括被配置成耦合到功率因數(shù)校正器的第一開(kāi)關(guān)的控制器。所述控制器被配置成產(chǎn)生針對(duì)第一負(fù)載電流的第一開(kāi)關(guān)頻率以及針對(duì)第二負(fù)載電流的第二開(kāi)關(guān)頻率，以使得當(dāng)?shù)谝回?fù)載電流高于第二負(fù)載電流時(shí)，第一開(kāi)關(guān)頻率低于第二開(kāi)關(guān)頻率。當(dāng)?shù)谝回?fù)載電流高于第二負(fù)載電流時(shí)，第一開(kāi)關(guān)頻率低于第二開(kāi)關(guān)頻率?？商娲?，當(dāng)?shù)谝回?fù)載電壓低于第二負(fù)載電壓時(shí)，第一開(kāi)關(guān)頻率低于第二開(kāi)關(guān)頻率。所述控制器可以包括被配置成從該設(shè)備的輸出信號(hào)確定校正因數(shù)的估計(jì)器。
[0040]在實(shí)施例中，該設(shè)備可以包括耦合到估計(jì)器的頻率評(píng)估器。所述頻率評(píng)估器可以被配置成基于校正因數(shù)和峰值輸入電流來(lái)確定頻率，并可以被配置成基于輸出電壓來(lái)確定頻率。輸出信號(hào)可以是電流、電壓或功率。在實(shí)施例中，所述頻率評(píng)估器可以使用查找表來(lái)實(shí)現(xiàn)。可替代地，所述頻率評(píng)估器可以基于公式來(lái)計(jì)算校正因數(shù)。所述頻率評(píng)估器可以進(jìn)一步被配置成基于電池充電特性來(lái)計(jì)算校正因數(shù)。
[0041]所述控制器可以包括具有耦合到頻率評(píng)估器的頻率控制輸入的振蕩器。此外，所述控制器可以包括耦合在頻率評(píng)估器和振蕩器的頻率控制輸入之間的限制器。在一些實(shí)施例中，所述控制器可以包括:鎖存器，具有耦合到振蕩器的第一輸入和被配置成耦合到第一開(kāi)關(guān)的控制節(jié)點(diǎn)的輸出；以及比較器，耦合到鎖存器的第二輸入。所述控制器還可以包括耦合到比較器的參考電流信號(hào)發(fā)生器。參考電流信號(hào)發(fā)生器可以被配置成基于電壓輸入來(lái)確定參考電流信號(hào)。所述鎖存器可以從比較器輸出信號(hào)和振蕩器的輸出來(lái)確定第二開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。
[0042]在實(shí)施例中，所述電子設(shè)備可以包括耦合到控制器的第一開(kāi)關(guān)。所述電子設(shè)備可以包括耦合到第一開(kāi)關(guān)的電感器和耦合到所述電感器的第二開(kāi)關(guān)。此外，所述電子設(shè)備可以包括耦合到第一開(kāi)關(guān)的電容器和耦合到第二開(kāi)關(guān)的第一二極管。所述電子設(shè)備還可以包括耦合到第一二極管的第二二極管以及耦合到第一二極管和控制器的第一分壓器。
[0043]可替代地，所述電子設(shè)備可以包括耦合到控制器的第一開(kāi)關(guān)。所述電子設(shè)備還可以包括耦合到第一開(kāi)關(guān)的電感器和耦合到第一開(kāi)關(guān)的二極管。此外，所述電子設(shè)備可以包括耦合到第一開(kāi)關(guān)的電容器和耦合到控制器的第一分壓器。所述電子設(shè)備還可以包括耦合到控制器的第二分壓器、耦合到控制器的涌入電流限制器、和耦合到所述涌入電流限制器的涌入控制計(jì)算器。
[0044]在另一實(shí)施例中，所述電子設(shè)備可以包括AC輸入節(jié)點(diǎn)以及耦合在所述AC輸入節(jié)點(diǎn)和控制器之間的整流器。
[0045]在實(shí)施例中，一種控制功率因數(shù)校正器的方法可以包括確定功率因數(shù)校正器的開(kāi)關(guān)頻率，其包括確定負(fù)載電流并針對(duì)所述負(fù)載電流分配開(kāi)關(guān)頻率。當(dāng)?shù)谝回?fù)載電流可以高于第二負(fù)載電流時(shí)，第一開(kāi)關(guān)頻率低于第二開(kāi)關(guān)頻率。可替代地，當(dāng)?shù)谝回?fù)載電壓低于第二負(fù)載電壓時(shí)，第一開(kāi)關(guān)頻率低于第二開(kāi)關(guān)頻率。[0046]此外，所述方法可以包括以所確定的開(kāi)關(guān)頻率控制耦合到功率因數(shù)校正器的電感器的開(kāi)關(guān)。所述方法可以進(jìn)一步包括:當(dāng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，在電感器和電容器之間傳輸功率。確定負(fù)載電流可以包括測(cè)量負(fù)載電流，同時(shí)，確定負(fù)載電流可以包括基于功率因數(shù)校正器的輸出電壓來(lái)確定負(fù)載電流。
[0047]在另一實(shí)施例中，一種電路包括功率因數(shù)校正器電路，所述功率因數(shù)校正器電路包括控制器，所述控制器被配置成產(chǎn)生針對(duì)第一負(fù)載電流的第一開(kāi)關(guān)頻率和針對(duì)第二負(fù)載電流的第二開(kāi)關(guān)頻率。所述電路還包括耦合到功率因數(shù)校正器電路的AC輸入和耦合到功率因數(shù)校正器電路的DC輸出。當(dāng)?shù)谝婚_(kāi)關(guān)頻率低于第二開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，第一負(fù)載電流高于第二負(fù)載電流。此外，所述電路可以包括耦合在AC輸入和功率因數(shù)校正器電路之間的整流器。
[0048]功率因數(shù)校正器電路還可以包括耦合到控制器的開(kāi)關(guān)、耦合到所述開(kāi)關(guān)的電感器、耦合到所述開(kāi)關(guān)的電容器、以及耦合在所述電感器和接地節(jié)點(diǎn)之間的分壓器。所述分壓器的輸出電壓可以耦合到控制器的輸入。
[0049]所述控制器可以包括被配置成基于DC輸出的信號(hào)來(lái)確定校正因數(shù)的估計(jì)器。此夕卜，所述控制器可以包括耦合到估計(jì)器的頻率評(píng)估器。所述頻率評(píng)估器可以被配置成基于校正因數(shù)和峰值輸入電流來(lái)確定第一開(kāi)關(guān)頻率和第二開(kāi)關(guān)頻率。所述信號(hào)可以包括電流、電壓或功率。所述頻率評(píng)估器可以被配置成基于輸出電壓來(lái)確定第一開(kāi)關(guān)頻率和第二頻率。所述控制器可以包括耦合到頻率評(píng)估器的振蕩器。所述振蕩器可以被配置成基于頻率來(lái)提供振蕩器信號(hào)。所述控制器可以包括:鎖存器，具有耦合到振蕩器的第一輸入、被配置成耦合到第一開(kāi)關(guān)的控制節(jié)點(diǎn)的輸出；以及比較器，耦合到鎖存器的第二輸入。此外，所述控制器可以包括耦合到比較器的參考電流信號(hào)發(fā)生器。所述參考電流信號(hào)發(fā)生器可以被配置成基于電壓輸入來(lái)確定參考電流。
[0050]在實(shí)施例中，一種用于對(duì)電池進(jìn)行充電的設(shè)備包括功率因數(shù)轉(zhuǎn)換器。所述功率因數(shù)轉(zhuǎn)換器包括控制器，所述控制器被配置成產(chǎn)生針對(duì)第一負(fù)載電流的第一開(kāi)關(guān)頻率和針對(duì)第二負(fù)載電流的第二開(kāi)關(guān)頻率。開(kāi)關(guān)頻率可以基于電池充電曲線加以確定。當(dāng)?shù)谝婚_(kāi)關(guān)頻率低于第二開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，第一負(fù)載電流高于第二負(fù)載電流。在實(shí)施例中，所述功率因數(shù)轉(zhuǎn)換器可以包括耦合到控制器的開(kāi)關(guān)、耦合到所述開(kāi)關(guān)的電感器、和耦合到所述開(kāi)關(guān)的電容器。所述功率因數(shù)轉(zhuǎn)換器可以包括耦合到電池的DC輸出和AC輸入。所述控制器可以被配置成基于電池電壓來(lái)控制DC輸出電流或功率或電壓。此外，所述控制器可以被配置成控制DC輸出以使得如果電池被充電最多到第一百分比，則DC輸出具有恒定的電流和增加的電壓。如果電池被充電第一百分比和第二百分比之間，則DC輸出具有在恒定功率的情況下減小的電流和增加的電壓?？商娲?，如果電池被充電大于第二百分比，則DC輸出具有減小的電流和恒定的電壓。
[0051]實(shí)施例的優(yōu)勢(shì)包括下述能力:變更有源PFC的開(kāi)關(guān)頻率以調(diào)整變化的負(fù)載電流，使得較高的開(kāi)關(guān)頻率能被用于較低的負(fù)載電流，從而導(dǎo)致用于多種負(fù)載電流的高功率因數(shù)。
[0052]雖然已經(jīng)參考說(shuō)明性實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是并不意圖在限制的意義上理解該描述。在參考該描述的情況下，說(shuō)明性實(shí)施例以及本發(fā)明的其他實(shí)施例的各種修改和組合將對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)顯而易見(jiàn)。
【權(quán)利要求】
1.一種電子設(shè)備,包括: 控制器，被配置成耦合到功率因數(shù)校正器的第一開(kāi)關(guān)，所述控制器被配置成產(chǎn)生可變開(kāi)關(guān)頻率，所述控制器被配置成產(chǎn)生針對(duì)第一負(fù)載電流或第一負(fù)載電壓的第一開(kāi)關(guān)頻率以及針對(duì)第二負(fù)載電流或第二負(fù)載電壓的第二開(kāi)關(guān)頻率。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中第一負(fù)載電壓低于第二負(fù)載電壓，并且第一開(kāi)關(guān)頻率低于第二開(kāi)關(guān)頻率。
3.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中第一負(fù)載電流高于第二負(fù)載電流，并且第一開(kāi)關(guān)頻率低于第二開(kāi)關(guān)頻率。
4.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中所述控制器進(jìn)一步包括: 估計(jì)器，被配置成從所述設(shè)備的輸出信號(hào)來(lái)確定校正因數(shù)；以及 頻率評(píng)估器，耦合到估計(jì)器，所述頻率評(píng)估器被配置成基于校正因數(shù)和峰值輸入電流來(lái)確定頻率。
5.如權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中所述頻率評(píng)估器進(jìn)一步被配置成基于輸出電壓來(lái)確定頻率。
6.如權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中所述輸出信號(hào)包括電流、電壓或功率。
7.如權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中所述頻率評(píng)估器包括查找表。
8.如權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中所述頻率評(píng)估器被配置成基于公式來(lái)計(jì)算校正因數(shù)。
9.如權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中所述頻率評(píng)估器進(jìn)一步被配置成基于電池充電特性來(lái)計(jì)算校正因數(shù)。
10.如權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中所述控制器進(jìn)一步包括具有耦合到頻率評(píng)估器的頻率控制輸入的振蕩器。
11.如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中所述控制器進(jìn)一步包括: 鎖存器，具有耦合到振蕩器的第一輸入、以及輸出，所述輸出被配置成: 耦合到第一開(kāi)關(guān)的控制節(jié)點(diǎn)；以及 從比較器輸出信號(hào)和振蕩器的輸出來(lái)確定第二開(kāi)關(guān)控制信號(hào)； 比較器，耦合到鎖存器的第二輸入；以及 耦合到比較器的參考電流信號(hào)發(fā)生器，其中所述參考電流信號(hào)發(fā)生器被配置成基于電壓輸入來(lái)確定參考電流信號(hào)。
12.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備進(jìn)一步包括: 耦合到控制器的第一開(kāi)關(guān)； 耦合到第一開(kāi)關(guān)的電感器； 耦合到電感器的第二開(kāi)關(guān)； 耦合到第一開(kāi)關(guān)的電容器； 耦合到第二開(kāi)關(guān)的第一二極管； 耦合到第一二極管的第二二極管； 耦合到第一二極管且耦合到控制器的第一分壓器；以及 AC輸入節(jié)點(diǎn)。
13.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括:耦合到控制器的第一開(kāi)關(guān)； 耦合到第一開(kāi)關(guān)的電感器； 耦合到第一開(kāi)關(guān)的二極管； 耦合到第一開(kāi)關(guān)的電容器； 耦合到控制器的第一分壓器；以及 耦合到控制器的第二分壓器。
14.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備， 其中AC輸入耦合到功率因數(shù)校正器；以及 其中DC輸出耦合到功率因數(shù)校正器。
15.一種控制功率因數(shù)校正器的方法，所述方法包括確定功率因數(shù)校正器的開(kāi)關(guān)頻率，所述確定包括: 確定負(fù)載電流和負(fù)載電壓中的至少一個(gè)；以及 基于負(fù)載電流和負(fù)載電壓中的所述至少一個(gè)來(lái)分配開(kāi)關(guān)頻率。
16.如權(quán)利要求15所述的方法,其中第一開(kāi)關(guān)頻率低于第二開(kāi)關(guān)頻率,并且第一負(fù)載電流高于第二負(fù)載電流。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其中第一開(kāi)關(guān)頻率低于第二開(kāi)關(guān)頻率，并且第一負(fù)載電壓低于第二負(fù)載電壓。
18.如權(quán)利要求15所述`的方法，進(jìn)一步包括以所確定的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)控制耦合到功率因數(shù)校正器的電感器的開(kāi)關(guān)。
19.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括: AC輸入；以及 耦合到電池的DC輸出，其中所述控制器被配置成基于電池電壓來(lái)控制DC輸出電流或功率或電壓。
20.如權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其中所述控制器被配置成控制DC輸出，以使得在電池被充電最多到第一百分比的情況下，DC輸出具有恒定的電流和增加的電壓，在電池被充電第一百分比和第二百分比之間的情況下，DC輸出具有在恒定功率的情況下減小的電流和增加的電壓，并且在電池被充電大于第二百分比的情況下，DC輸出具有減小的電流和恒定的電壓。
【文檔編號(hào)】H02M1/42GK103731022SQ201310480331
【公開(kāi)日】2014年4月16日 申請(qǐng)日期:2013年10月15日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月15日
【發(fā)明者】A.卡爾萊蒂, A.皮杜蒂 申請(qǐng)人:英飛凌科技股份有限公司