專利名稱：功率因數(shù)校正裝置和方法
功率因數(shù)校正裝置和方法
優(yōu)先權要求
本申請要求2011年9月2日提交的未決美國臨時專利申請No. 61/530，886的權益，其全部內容通過引用結合于此。技術領域
披露了電磁干擾(EMI)濾波器和功率因數(shù)校正(PFC)設備。更具體地，披露了在開關功率轉換器中的PFC設備的EMI降低濾波器。
發(fā)明背景
功率電子器件的快速發(fā)展已至少部分地依賴于開關功率轉換器不斷減小的尺寸。 遺憾的是，更高的功率因數(shù)轉換(PFC)設備中的輸入濾波器的物理尺寸尚未實現(xiàn)與轉換器組件的其它部分成比例的尺寸減小。因此，PFC設備中使用的輸入濾波器可能占轉換器組件中的重量和物理尺寸的很大比例。發(fā)明內容
披露了開關功率轉換器中的電磁干擾(EMI)濾波器和功率因數(shù)校正(PFC)設備。 在一個方面，電源可包括與電源的功率級聯(lián)系的第一環(huán)路。電源也可包括與第一環(huán)路聯(lián)系的第二環(huán)路，該第二環(huán)路可被配置成產生負電抗值，該負電抗值使電源的功率因數(shù)增至大約I。在另一方面，電源可包括可耦合于輸入電源的整流器。電源也可包括耦合于整流器的功率因數(shù)補償電路，該功率因數(shù)補償電路被配置成產生負電抗。負電抗可作用為減小提供給輸入電源的電流和電壓之間的相位角。在又一方面，電源中功率因數(shù)校正的方法可包括 感測電源的輸出，并調節(jié)所感測的值。所調節(jié)的值可與基準值進行比較以產生誤差值。可將誤差值和負電抗值組合并將結果提供給電源。


圖I
圖2
圖3
圖4
圖5
圖6分。
圖7
圖8
圖9具體實施方式
在下面的說明中，結合各實施例闡述某些細節(jié)以提供充分的理解?？梢岳斫猓跊]有這些具體細節(jié)的情況下也可實施各實施例。此外將能理解，下面描述的各實施例不對范圍作出限定，并且多種各實施例和各實施例諸要素的改型、等效替代和組合落在當前預期的范圍內?？赡馨ū雀鲗嵤├腥我粚嵤├娜抗_要素更少要素的實施例也落在范圍內，盡管沒有明確地詳細描述。盡管可能沒有詳細示出或闡述某些公知的組件和/或已知過程，然而可進行這些省略以避免不必要地混淆如所描述的各個實施例。
作為前言，對來自電子設備的非期望電磁輻射的減少在近些年來已受到大量規(guī)章約束的關注。例如，開關功率轉換器以及許多其它電子設備可產生大量非期望的電磁輻射， 這在美國受由聯(lián)邦法規(guī)規(guī)程(CFR)第47章、部分15 (子部分B)所授權的當局的約束和/ 或替代地在MIL-STD 461C下的約束。在美國之外，對于使用離散頻率或重復率的來自電子設備的非期望電磁輻射可適用類似的規(guī)章約束，例如VDE(德國電氣工程師協(xié)會德國電氣工程師協(xié)會，Verband Deutscher Electrotechniker)0871。根據(jù)前面的標準，一般強制要求相對低的電磁干擾(EMI)水平以顯著衰減開關功率噪聲。輸入濾波器設計應當被配置成獲得相對低的EMI水平并維持相對小的尺寸，同時獲得大約單位的功率因數(shù)。
圖I是輸入級10的功能框圖，該輸入級10可構成開關電源一部分。輸入級10可包括被配置成稱合于輸入電源14的輸入濾波器12。該輸入濾波器12可包括能適宜地被配置在多種濾波器設計中的任何適宜的元件操作性構造。例如，輸入濾波器12可包括電阻、電容、電感和變壓器的任意適宜構造，這些構造可被配置成形成無源濾波器，例如契貝雪夫(Chebyshev)濾波器設計，盡管也可使用其它適宜的濾波器配置。例如，其它無源濾波器設計可包括非線性元件或較復雜的線性元件，例如傳輸線。輸入濾波器12可被耦合于功率因數(shù)補償(PFC)電路14，PFC電路14可被配置成提供在施加于輸入級10的輸入電壓 (例如來自輸入電源14)和電流之間的相對低的相位角。因此，PFC電路14可提供大致等于O的相位角以及大致等于I的功率因數(shù)。
現(xiàn)在參見圖2，示出了相位圖20，該相位圖20用來進一步描述圖I的輸入級10的電壓和電流關系。簡單地說，相位圖20用于圖表地示出例如感性和容性器件之類的多種電抗性元件的效果，這些效果可引入在施加于輸入級10的電壓和電流之間的相位差。線路輸入電壓22 (例如來自圖I的輸入電源14)在圖表中可沿復平面內的實軸(Re)延伸。相應地，電抗性分量24在圖表中沿復平面內的虛軸延伸。電抗性分量24可表征輸入濾波器12 中的容性和感性效果的諸個效果(如圖I所示)。盡管電抗性分量24在圖2中被示出為沿虛軸上的正方向延伸，然而要理解，電抗性分量24也可沿虛軸上的負方向延伸，這取決于輸入濾波器12的電抗特性。因此，線路輸入電流26可從實軸(Re)偏移開相位角Θ。至 (如圖I所示的)PFC電路14的電壓輸入28可減小。有效PFC電路14因此可減小相位角 Θ的大小，因此轉移至(圖I的)輸入級10的功率可增加。
圖3是根據(jù)各實施例的輸入級30的功能框圖，該輸入級30可形成開關電源的一部分。輸入級30可包括輸入濾波器32，該輸入濾波器32被配置成耦合于輸入電源34。現(xiàn)在另簡單地參見圖4，輸入濾波器32可包括被配置成“L”濾波器配置的電感器36和電容器 38，盡管也可使用其它濾波器配置(包括額外的感性元件和容性元件)，或甚至使用其它無源電路元件。輸入濾波器32可耦合于PFC電路40?？偟貋碚f，PFC電路40的輸入阻抗可被解析成等效電阻(R^1) 42。由于輸入濾波器32中電抗性元件(例如圖4中示出的電感器36和電容器38)的出現(xiàn)，等效電阻(Req)42可能不足以向PFC電路40提供阻性輸入阻抗。 根據(jù)各實施例，PFC電路40可被配置成包括與等效電阻(Req) 42電氣并聯(lián)的負電容(-044。
現(xiàn)在還參見圖5，圖5示出相位圖，該相位圖可被用來進一步描述圖3的輸入級30 的電壓和電流關系。如圖所示，與通過輸入濾波器32(如圖3所示)的電流大小相對應的電流分量52由于電抗性分量56在圖表上可從實(Re)軸偏移一相位角Θ。進入PFC電路 40的電流分量54在圖表上也可偏離(Re)實軸，并“滯后于”電流分量52。由于電抗性分量58沿相位圖50的虛軸相反地延伸，因此由負電容(_C)44(如圖3所示)引入的電抗性分量58可至少部分地抵消電抗性分量56。因此，結果得到的輸入電流分量60可基本沿相位圖50的實軸延伸，由此相位角Θ在幅度上可減少，并且功率因數(shù)可接近I。
圖6是根據(jù)各實施例的輸入級70的部分示意圖，該輸入級70可形成開關電源的一部分。輸入級70可被配置成耦合于輸入電源72，所述輸入電源72可包括傳統(tǒng)的交流電 (AC)電源，例如具有預定均方根(RMS)電壓和預定線路頻率的傳統(tǒng)AC電力干線。輸入電源 72可耦合于具有預定匝數(shù)比的共模變壓器74。簡單地說，共模換能器74可被配置成減少在與AC電力干線相關聯(lián)的相對長的導電體上可能存在的共模噪聲。輸入級70也可包括一對電感器76，這對電感器76可被配置成減小可能與AC電力干線相關聯(lián)的差模噪聲。輸入級70也可包括耦合于輸入電源72的整流器78，該整流器78可被配置成對從輸入電源72 接收到的AC電壓進行整流，并將AC電壓轉換至具有相對穩(wěn)定DC值的脈動波形。因此，整流器78可包括半波整流裝置，或者包括全波整流裝置。
輸入級70可包括PFC電路80，該PFC電路80可被配置成產生如前所述的負電容， 例如負電容(_C)44。下面將進一步描述關于負電容(-C)產生的額外細節(jié)。輸入級70也可包括在第一位置稱合于輸入級70的第一安全電容器82,以及在第二位置稱合于輸入級70 的第二安全電容器84。第一安全電容器82和第二安全電容器84可被配置成“X型”安全電容器，以抑制電氣噪聲并保護輸入級70不受由于電氣浪涌而發(fā)生的災難性損壞。第一安全電容器82和第二安全電容器84也可防止輸入級70接收到不期望的電磁干擾和無線電頻率干擾。由于第一安全電容器82和第二安全電容器84可耦合在線路相之間(例如圖6 所示橫跨線路)，因此第一安全電容器82和第二安全電容器84可有效地減少可能發(fā)生的對稱干擾。盡管圖6示出跨線路耦合成X型安全電容器的第一安全電容器82和第二安全電容器84，然而要理解也可出現(xiàn)在線路相和零電勢點之間耦合的Y型安全電容器，并因此可認為其落在本實施例的范圍內。
仍然參見圖6，第一安全電容器82和第二安全電容器84可耦合在輸入級70內的各個位置。例如，第二安全電容器84可替代地在第三位置耦合于輸入級70 (如圖6中的虛線所示，其代表第二安全電容器84)。發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，第二安全電容器84從第二位置至第三位置(例如從整流器78之前的位置移動至整流器78之后的位置)的移動可通過在PFC電路80中產生負電容(_C)44(如圖3所示)來實現(xiàn)。將第二安全電容器84從第二位置定位至第三位置可以得到各種優(yōu)勢。例如，第一安全電容器82和第二安全電容器84中的至少一個可以更緊湊，由此顯著減小輸入級70的物理尺寸，并且連帶地減小了包含輸入級70的開關電源的尺寸。此外，發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，在包含輸入級70的開關電源上的高輸入線路電壓和輕負載條件的情況下，將第一安全電容器82定位在第一位置并將第二安全電容器84定位在第二位置可使功率因數(shù)劣化發(fā)生。因此，將第二安全電容器84定位在第三位置，加上在PFC電路80中產生負電容，可允許開關電源操作的顯著改善。
圖7是根據(jù)各實施例的開關電源90的功能框圖。開關電源90可被配置成耦合于輸入電源92,該輸入電源92可包括傳統(tǒng)AC電源,例如之前描述的傳統(tǒng)AC電力供電干線。 開關電源90也可包括整流級94，該整流級94可被配置成將從輸入電源92接收的對稱AC 波形轉換至具有DC分量的脈動波形。因此，整流級94可包括半波整流器件，或者包括全波整流器件。在任一情形下，整流級94可耦合于功率級96，該功率級96可被配置成除了執(zhí)行例如升壓之類的其它操作外還切換和調整從整流級96接收的經整流波形。功率級98也可率禹合于電負載100。
開關電源90可包括第一環(huán)路102和第二環(huán)路104。第一環(huán)路102可以是電壓控制環(huán)路，該電壓控制環(huán)路可被配置成將輸出電壓與基準電壓作比較，并基于輸出電壓和基準電壓之間的差來產生誤差信號。第一環(huán)路102可具有將近約10赫茲(Hz)的相對窄的帶寬，盡管也可使用其它適宜的帶寬值。第二環(huán)路104可以是電流控制環(huán)路，它具有稍大于第一環(huán)路102的帶寬。例如，根據(jù)各實施例，第二環(huán)路104可具有將近功率級98中的晶體管切換速度的大約十分之一的帶寬。因此，帶寬可從將近2千赫(kHz)至將近150kHz之間變化，盡管其它帶寬值也是適用的。第二環(huán)路104的一種工作機能可以是維持開關電源90中通過電感元件的近似平衡的電流脈沖。
第二環(huán)路104可被配置成產生結合圖3描述的負電容。簡言之，負電容可提供適宜的功率因數(shù)補償以使從輸入電源34(如圖3所示)汲取的電流基本與由輸入電源34提供的電壓同相。
現(xiàn)在參見圖8，目前討論根據(jù)各實施例的第二控制環(huán)路104的功能框圖。繼續(xù)參見圖7，第二環(huán)路104可包括電流感測增益級110，該電流感測增益級110作用以感測通向負載100的電流，并將負載Ki施加于所感測到的電流。電流感測增益級110的輸出可通向電流補償級112，該電流補償級112可被配置成將電流感測增益級110的輸出與基準電壓Vref 比較。根據(jù)各個實施例，基準電壓可與經整流的電壓(例如圖7的整流級96的輸出) 成比例，而gmi可以是電流感測增益級110的增益值。來自電流補償級112的輸出可通向電容器115和負電容發(fā)生級114，在負電容發(fā)生級114，輸出可與Vneg。結合，Vneg c也可與經整流的電壓(例如圖7的整流級96的輸出)成比例。因此，Vneg c可被表示為為kff。乘以經整流的電壓，其中kff。可以是縮放因子。負電容發(fā)生級114可使輸出通向脈寬調制級116， 該脈寬調制級116可作用以將縮放因子(1/VJ施加于脈寬調制級116的輸出，其中Vm可包括功率級98的經切換輸出的振幅。負電容(-C)可基于下面的表達式來確定
Ceq [(Vm/V0)_kff—JCF/Kigmi
其中(^是電容器115的電容。因此，當量[(Vm/VQ)_kff。] < I或(等同地)當kff e > (Vm/V0)時，電容值Ceq將呈負值。
圖9是用來描述對電源中的功率因數(shù)進行調節(jié)的方法120的流程圖。在122，可感測電源的輸出。在124，可調節(jié)感測值。在126，來自124的調節(jié)值可與基準值進行比較以基于經調節(jié)的值和基準值之間的差來確定誤差。在128，該誤差值可與負電容值組合。根據(jù)各實施例，負電容值可與電壓比和縮放因子之間的差成比例，其中所述差包括負值。在130， 可將組合值提供給電源以使負電容產生，該負電容抵銷了電源中的電抗效果。
要理解，即使在前面的公開中已闡述了各實施例和各實施例的眾多細節(jié)，然而這被認為僅僅是解說性的，并可作出多種改變，并且仍然保持在各實施例的寬泛原理中。例如，某些前述組件可使用數(shù)字或模擬電路或兩者的組合來實現(xiàn)，并且在合適時可部分地或甚至全部地通過配置成在適當處理設備上執(zhí)行的軟件來實現(xiàn)。還應當注意，由各實施例中的組件所執(zhí)行的各種功能可被組合以體現(xiàn)為更少的要素或由更多的要素劃分和執(zhí)行。因此，各實施例僅由所附權利要求書限定。另外，盡管已披露了Σ -△模-數(shù)轉換器的諸個實施例，然而與各實施例關聯(lián)的各種屬性也可適用于數(shù)-模Σ-Δ轉換器，而就這些原理適用于這類數(shù)-模轉換器來說，這些轉換器落在各實施例的范圍內。
權利要求
1.一種電源,包括 與所述電源的功率級連通的第一環(huán)路；以及 與所述第一環(huán)路連通的第二環(huán)路，所述第二環(huán)路配置成產生負電抗值，所述負電抗值増加所述電源的功率因數(shù)至大約I。
2.如權利要求I所述的電源，其特征在于，所述負電抗值包括負電容值。
3.如權利要求I所述的電源，其特征在于，所述第二環(huán)路包括第一級，所述第一級被配置成接收電源的輸出值并調節(jié)所接收的輸出值；第二級，所述第二級耦合于所述第一級，所述第二級被配置成將來自第一級的輸出值與基準值進行比較并基于來自所述第一級的輸出值和基準值之間的差來產生誤差值。
4.如權利要求3所述的電源，其特征在于，包括第三級，所述第三級被配置成接收所述誤差值并將所述誤差值與所述負電抗值組合。
5.如權利要求4所述的電源，其特征在于，所述負電抗值與縮放因子和電壓比之間的差成比例。
6.如權利要求I所述的電源，其特征在于，包括耦合于所述功率級的整流級和負載。
7.—種電源,包括 整流器，可耦合于輸入電源；以及 功率因數(shù)補償電路，所述功率因數(shù)補償電路耦合于所述整流器并被配置成產生負電抗，所述負電抗作用以減小被提供給所述輸入電源的電流和電壓之間的相位角。
8.如權利要求7所述的電源，其特征在于，包括至少ー個安全電容器，所述安全電容器耦合于所述整流器的輸出和所述功率因數(shù)補償電路的輸入。
9.如權利要求8所述的電源，其特征在于，所述至少ー個安全電容器包括X型安全電容器和Y型安全電容器中的ー個。
10.如權利要求8所述的電源，其特征在于，包括耦合于所述整流器的輸入的至少ー個安全電容器。
11.如權利要求10所述的電源，其特征在于，所述至少ー個安全電容器包括X型安全電容器和Y型安全電容器中的ー個。
12.如權利要求7所述的電源，其特征在于，還包括共模變壓器和差模濾波器中的至少ー個。
13.如權利要求7所述的電源，其特征在于，所述負電抗包括負電容。
14.一種電源中的功率因數(shù)校正的方法，包括 感測所述電源的輸出； 調節(jié)所述感測的值； 將經調節(jié)值與基準值進行比較以產生誤差值；以及 將所述誤差值與負電抗值組合并將結果提供至電源。
15.如權利要求14所述的方法，其特征在干，感測輸出包括感測與電負載接近的輸出。
16.如權利要求14所述的方法，其特征在于，調節(jié)所述感測值包括將增益因數(shù)施加于所述感測值。
17.如權利要求14所述的方法，其特征在于，將經調節(jié)值與基準值進行比較包括將經調節(jié)值與基準值進行比較，所述基準值與所述電源的整流級的經整流電壓值成比例。
18.如權利要求14所述的方法，其特征在于，將所述誤差值和負電抗值組合包括將所述誤差值與負電容值組合。
19.如權利要求18所述的方法，其特征在于，將所述誤差值與負電容值組合包括使電壓比和縮放因子的差保持為小于1，并將所述差與誤差值組合。
20.如權利要求14所述的方法，其特征在于，將結果提供給所述電源包括通過開關功率值的振幅將結果歸一化。
全文摘要
本發(fā)明涉及功率因數(shù)校正裝置和方法。各實施例可包括電源，該電源具有與電源的功率級連通的第一環(huán)路。與第一環(huán)路連通的第二環(huán)路可產生負電抗值，該負電抗值使電源的功率因數(shù)增加至大約1。電源也可包括耦合于輸入電源的整流器。耦合于整流器的功率因數(shù)補償電路可產生負電抗。該負電抗可減小提供至輸入電源的電流和電壓之間的相位差。該方法可包括感測電源的輸出；并調節(jié)感測的值。經調節(jié)的值可與基準值進行比較以產生誤差值。該誤差值和負電抗值可組合并且其結果可被提供給電源。
文檔編號H02M1/42GK102983737SQ20121004171
公開日2013年3月20日 申請日期2012年2月14日 優(yōu)先權日2011年9月2日
發(fā)明者M·謝, Z·梁 申請人:英特賽爾美國股份有限公司