專利名稱：應(yīng)用于功率因子校正器的頻率控制系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于集成電路技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種頻率控制系統(tǒng)，尤其涉及一種應(yīng)用于功率因子校正器的頻率控制系統(tǒng)；同時，本發(fā)明還涉及一種應(yīng)用于功率因子校正器的頻率控制方法。
背景技術(shù)：
以開關(guān)電源為代表的各種電力電子設(shè)備給我們的工業(yè)生產(chǎn)和社會生活帶來了極大的促進和進步，然而電源整機的諧波干擾和對電網(wǎng)的污染問題，很早就提出來了。但以前的電源數(shù)量少，它們的諧波干擾也較小，因而沒有引起普遍的注意。近三十年以來，隨著現(xiàn)代經(jīng)濟和技術(shù)的大發(fā)展，越來越多的電氣設(shè)備加入電網(wǎng)，產(chǎn)生出大量的諧波分量又經(jīng)過電 網(wǎng)串入其它電氣設(shè)備，對計算機等重要電子設(shè)備的穩(wěn)定工作造成了嚴重的電磁干擾。傳統(tǒng)的AC/DC電能轉(zhuǎn)換器和開關(guān)電源，在輸入電路普遍采用了全橋二極管不控整流方式。雖然不控整流器電路簡單可靠，但它們會從電網(wǎng)中吸取高峰值電流，使得輸入端電流和交流電壓均發(fā)生畸變。也就是說，大量的電氣設(shè)備自身的穩(wěn)壓電源，其輸入前置級電路實際上是一個峰值檢波器，在高壓電容濾波器上的充電電壓，使得整流器的導(dǎo)通角大大縮小，電流脈沖變成了非正弦波的窄脈沖，因而在電網(wǎng)輸入接口端產(chǎn)生失真很大的諧波尖峰干擾。如圖I所示為一個典型的AC/DC電源轉(zhuǎn)換器的輸入電壓和電流波形；其中，上方線條表示電壓波形，下方線條表示電流波形。由于傳統(tǒng)的穩(wěn)壓電源數(shù)量大增，其輸入級不控整流器和高壓大濾波電容產(chǎn)生的嚴重諧波電流干擾，已成為強噪聲發(fā)射源，危害了電網(wǎng)的正常工作，使得220V交流電網(wǎng)輸送線路上損耗劇增，浪費了大量的電能。開關(guān)電源的輸入級峰值電流很高，使得網(wǎng)側(cè)的功率因子下降到O. 5^0. 65，即視在功率遠大于有用功率，電網(wǎng)質(zhì)量嚴重受損。所以發(fā)達國家率先采用了多種功率因子校正(PFC, Power Factor Correction)方法,來實現(xiàn)“綠色能源”革命，并強制推行了國際標準ICE555-2、EN60555-2等，限制電子生產(chǎn)廠家入網(wǎng)電氣設(shè)備的電流諧波值。當前最新的“能源之星”規(guī)范對所有外部用電設(shè)備的要求是75W以上強制使用PFC0照明領(lǐng)域的最新規(guī)范是15W以上強制使用PFC。所謂功率因子PF，指的是用有效功率除以視在功率的比值，功率因子值愈大，其電力利用率愈高。功率因子校正器的運作原理，是控制調(diào)整交流電電流輸入的時間與波型，使其與直流電電壓波型盡可能一致，讓功率因子趨近于I.功率因子越低，代表電力效能越低，即越多電力會無形地消失、耗損掉。一般電子設(shè)備沒有功率因子校正時，其功率因子只有約O. 5;而有PFC功能的電子設(shè)備，可以增加電力系統(tǒng)容量、穩(wěn)定電流，減少電力浪費。圖3中顯示了一個外部用電設(shè)備前端采用了 PFC的輸入電壓和電流波形，從中可以看出，在交流電網(wǎng)端看來，PFC相當于將負載轉(zhuǎn)換成純阻抗形式，從而實現(xiàn)交流電流與電壓完全同步，且都呈現(xiàn)正弦波，從而實現(xiàn)接近于I的功率因子。經(jīng)過PFC處理后的用電設(shè)備在電網(wǎng)端輸入電流的諧波分量大大減小，從而減小了對電網(wǎng)的污染，如圖3所示。PFC功率因子校正線路可分為主動式(Active)、被動式(Passive)2種。被動式PFC由電感、電容等組合電路來降低諧波電流，輸入電流為低頻的50Hz到60Hz，需要大量的電感與電容，其功率因子校正僅達75°/Γ80%。主動式PFC使用控制線路及功率型開關(guān)組件，通過調(diào)整輸入電流波型使其與輸出電壓波形盡可能相似，功率因子校正值近乎100%。整體來說，采用主動式PFC的電源的重量，比用笨重組件的被動式PFC產(chǎn)品輕巧許多，符合消費性電子產(chǎn)品輕薄設(shè)計趨勢；且主動式PFC提高功率因子值可達95%以上，被動式PFC約只能改善至75%。采用主動式PFC比被動式PFC能節(jié)約更多的能源。目前主動式PFC的主流架構(gòu)是采用升壓結(jié)構(gòu)，從交流線輸入端先進行全橋整流，然后就是PFC升壓級,之后就是后級電源,如圖5所示。從圖5中可以看出，PFC級包括一個升壓電感、一個整流二極管、一個功率開關(guān)，和一個PFC控制器。其中最核心的是PFC控制器。目前實現(xiàn)主動式PFC的主要方法有平均電流控制法(Continuous Conduction Mode PFC, CCM PFC)、峰值電流控制法、臨界導(dǎo)通模式控制法(Transition Mode PFC, TM PFC)、非線性負載控制法等。其中以CCM PFC和TM PFC應(yīng)
用最為廣泛，其中CCM PFC通常應(yīng)用在300W以上的系統(tǒng)中，而TM PFC廣泛地應(yīng)用在500W以下的系統(tǒng)中。由于本發(fā)明涉及臨界導(dǎo)通模式即TM PFC，下面簡單介紹一下TM PFC0 TM PFC的體系架構(gòu)如圖6所示。TM PFC的控制系統(tǒng)相對來說比較簡單。主要包括一個零電流檢測器(Z⑶，zerocurrent detector),一個模擬乘法器,一個誤差放大器EA(Error amplifier),等等,如圖6所示。其實現(xiàn)功率因子校正的原理很簡單，通過將EA反饋環(huán)路帶寬設(shè)計在10-20HZ，導(dǎo)致工作時EA輸出基本為恒定電平。系統(tǒng)通過將整流正弦波信息引入芯片，以控制升壓電感電流的包絡(luò)，從而實現(xiàn)功率因子校正功能。系統(tǒng)每次觸發(fā)新的開關(guān)周期是由ZCD完成，ZCD偵測升壓電感電流的信息，一旦降到零，即開啟新的開關(guān)周期，如圖7所示。臨界導(dǎo)通模式TM PFC的系統(tǒng)頻率會隨著輸入電壓、負載大小、升壓電感，以及交流整流正弦波相角變化而變化?？梢宰C明，TM PFC的頻率的理論表達式為
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用于功率因子校正器的頻率控制系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括 零電流檢測器Z⑶、模擬乘法器、誤差放大器、電流檢測比較器、頻率校正器； 所述誤差放大器的輸出端連接模擬乘法器的一個輸入端，模擬乘法器的輸出端連接電流檢測比較器的一個輸入端，電流檢測比較器的輸出端連接頻率校正器的一個輸入端，零電流檢測器ZCD的輸出端連接頻率校正器的一個輸入端； 所述零電流檢測器ZCD用以檢測功率因子校正器PFC的升壓電感的電流，當升壓電感電流降到零時，觸發(fā)新的開關(guān)周期； 所述模擬乘法器的接收信號包括來自整流橋后的交流整流電壓，以及來自所述誤差放大器的輸出信號； 所述模擬乘法器輸出的電壓控制電流檢測比較器，從而控制開關(guān)周期的關(guān)斷； 所述頻率校正器接收零電流監(jiān)測器ZCD的輸出、電流檢測比較器輸出和模擬乘法器的輸入電壓MULT電壓，頻率校正器輸出PFC功率管控制信號，補償或者校正PFC電源系統(tǒng)的開關(guān)頻率。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的應(yīng)用于功率因子校正器的頻率控制系統(tǒng)，其特征在于 所述頻率校正器包括RS觸發(fā)器、可調(diào)計時器、邏輯或門； 所述可調(diào)計時器接收MULT電壓和清零信號，清零信號來自于輸出PFC功率管控制信號的邏輯取反信號； 所述可調(diào)計時器的輸出信號接入邏輯或門的一個輸入端，電流檢測比較器的輸出信號接入邏輯或門的另一個輸入端； 所述邏輯或門的輸出信號接入RS觸發(fā)器的一個輸入端，所述零電流檢測器ZCD的輸出信號接入RS觸發(fā)器的一個輸入端。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的應(yīng)用于功率因子校正器的頻率控制系統(tǒng)，其特征在于 所述頻率校正器包括RS觸發(fā)器、可調(diào)計時器、邏輯或門； 所述可調(diào)計時器接收MULT電壓和清零信號，清零信號來自于輸出PFC功率管控制信號; 所述可調(diào)計時器的輸出信號接入邏輯或門的一個輸入端，所述零電流檢測器ZCD的輸出信號接入邏輯或門的另一個輸入端； 所述邏輯或門的輸出信號接入RS觸發(fā)器的一個輸入端，電流檢測比較器的輸出信號接入RS觸發(fā)器的一個輸入端。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的應(yīng)用于功率因子校正器的頻率控制系統(tǒng)，其特征在于 所述可調(diào)計時器包括恒定電流源(11)，第一電容(Cl)，清零開關(guān)(SI)及其控制輸入信號，一個帶遲滯的比較器或者施密特觸發(fā)器，參考電壓(Vth)，可調(diào)電流源(12); 所述第一電容(Cl)、清零開關(guān)(SI)并聯(lián)，恒定電流源(Il)的一端連接帶遲滯的比較器或者施密特觸發(fā)器的正極、第一電容(Cl)的第一端、可調(diào)電流源(12)的第一端；可調(diào)電流源(12)的第二端連接第一電容(Cl)的第二端；參考電壓(Vth)接入帶遲滯的比較器或者施密特觸發(fā)器的負極； 所述模擬乘法器接收的交流整流電壓為“饅頭波”電壓，所述可調(diào)電流源(12)受“饅頭波”電壓的調(diào)制； 在“饅頭波”電壓位于谷底時，可調(diào)電流源(12)最小，第一電容(Cl)的凈充電電流最大，從而充電時間最快，相當于增加了 PFC電源系統(tǒng)最低鉗位頻率； 在“饅頭波”位于谷頂時，可調(diào)電流源(12)最大，第一電容(Cl)的凈充電電流最小，從而充電時間最慢，相當于降低了 PFC電源系統(tǒng)最低鉗位頻率。
5.一種應(yīng)用于功率因子校正器的頻率控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟 通過一零電流檢測器ZCD檢測功率因子校正器PFC的升壓電感的電流，當升壓電感電流降到零時，觸發(fā)新的開關(guān)周期； 通過一模擬乘法器接收來自整流橋后的整流電壓以及來自所述誤差放大器的輸出信號，其輸出的電壓信號接入至一電流檢測比較器； 電流檢測比較器根據(jù)模擬乘法器輸出的電壓信號控制開關(guān)周期的關(guān)斷； 頻率校正器接收零電流監(jiān)測器ZCD的輸出、電流檢測比較器輸出和模擬乘法器的輸入電壓MULT電壓，輸出PFC功率管控制信號，補償或者校正PFC電源系統(tǒng)的開關(guān)頻率。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的應(yīng)用于功率因子校正器的頻率控制方法，其特征在于 所述頻率校正器包括RS觸發(fā)器、可調(diào)計時器、邏輯或門； 所述可調(diào)計時器接收MULT電壓和清零信號，清零信號來自于輸出PFC功率管控制信號的邏輯取反信號； 所述可調(diào)計時器的輸出信號接入邏輯或門的一個輸入端，電流檢測比較器的輸出信號接入邏輯或門的另一個輸入端； 所述邏輯或門的輸出信號接入RS觸發(fā)器的一個輸入端，所述零電流檢測器ZCD的輸出信號接入RS觸發(fā)器的一個輸入端。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的應(yīng)用于功率因子校正器的頻率控制方法，其特征在于 所述頻率校正器包括RS觸發(fā)器、可調(diào)計時器、邏輯或門； 所述可調(diào)計時器接收MULT電壓和清零信號，清零信號來自于輸出PFC功率管控制信號; 所述可調(diào)計時器的輸出信號接入邏輯或門的一個輸入端，所述零電流檢測器ZCD的輸出信號接入邏輯或門的另一個輸入端； 所述邏輯或門的輸出信號接入RS觸發(fā)器的一個輸入端，電流檢測比較器的輸出信號接入RS觸發(fā)器的一個輸入端。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的應(yīng)用于功率因子校正器的頻率控制方法，其特征在于 所述可調(diào)計時器包括恒定電流源(11 )，第一電容(Cl )，清零開關(guān)(SI)及其控制輸入信號，一個帶遲滯的比較器或者施密特觸發(fā)器，參考電壓(Vth)，可調(diào)電流源(12); 所述第一電容(Cl)、清零開關(guān)(SI)并聯(lián)，恒定電流源(Il)的一端連接帶遲滯的比較器或者施密特觸發(fā)器的正極、第一電容(Cl)的第一端、可調(diào)電流源(12)的第一端；可調(diào)電流源(12)的第二端連接第一電容(Cl)的第二端；參考電壓(Vth)接入帶遲滯的比較器或者施密特觸發(fā)器的負極； 所述模擬乘法器接收的交流整流電壓為“饅頭波”電壓，所述可調(diào)電流源(12)受“饅頭波”電壓的調(diào)制； 在“饅頭波”電壓位于谷底時，可調(diào)電流源(12)最小，第一電容(Cl)的凈充電電流最大，從而充電時間最快，相當于增加了 PFC電源系統(tǒng)最低鉗位頻率；在“饅頭波”位于谷頂時，可調(diào)電流源(12)最大，第一電容(Cl)的凈充電電流最小，從而充電時間最慢，相當于降低了 PFC電源系統(tǒng)最低鉗位頻率。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種應(yīng)用于功率因子校正器的頻率控制系統(tǒng)及方法，所述系統(tǒng)包括零電流檢測器、模擬乘法器、誤差放大器、電流檢測比較器、頻率校正器；所述誤差放大器的輸出端連接模擬乘法器的一個輸入端，模擬乘法器的輸出端連接電流檢測比較器的一個輸入端，電流檢測比較器的輸出端連接頻率校正器的一個輸入端，零電流檢測器的輸出端連接頻率校正器的一個輸入端。本發(fā)明提出的應(yīng)用于功率因子校正器的頻率控制系統(tǒng)及方法，通過實時監(jiān)測AC輸入電壓，來補償或者校正系統(tǒng)的開關(guān)頻率，從而達到降低系統(tǒng)總諧波失真THD，同時提高功率因數(shù)PF值的目的。
文檔編號H02M1/42GK102801301SQ20121031679
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月30日
發(fā)明者葉俊, 林官秋, 李茂 , 職春星 申請人:佛山市南海賽威科技技術(shù)有限公司