Pfc變換器的製作方法

2023-04-23 00:43:11 2

專利名稱：Pfc變換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及輸入交流電源輸出直流電壓的AC-DC變換器，尤其涉及抑制諧波電流的PFC變換器。
背景技術：
連接於商用電源的電氣設備根據其電力容量而具有諧波電流限制，輸入商用電源的開關電源裝置為了消除該限制而大多具備PFC(功率因數改善電路)變換器。
以商用交流電源為輸入電源的一般開關電源裝置對商用交流電源進行整流平滑從而變換為直流電壓後，利用DC-DC變換器對其進行開關，所以輸入電流變得不連續，從正弦波產生較大畸變。這是產生諧波電流的原因。
因此，為了抑制該諧波電流，在全波整流電路的後級並且基於平滑電容器的平滑電路的跟前設置PFC變換器。
該PFC變換器由斬波電路構成，進行工作使得輸入電流波形成為與輸入電壓波形相近似形且同相位的正弦波狀。因此諧波電流被抑制在一定等級(level)以下，功率因數也得到改善。
作為控制理論，一般已知有P(Proportional 比例)控制、 PI (proportional-Integral 比{列 & 禾只分)控帝[J、PID (Proportional-Integral-Different ial 比例&積分&微分)控制等，但是在PFC變換器中，因為與輸出電壓的穩定特性相比， 響應性優先，所以一般採用P控制。
作為進行P控制的PFC變換器的示例，有專利文獻1。圖1是專利文獻1中示出的 PFC變換器的電路圖。這裡，參照圖1來說明專利文獻1的PFC變換器。
圖1構成了所謂升壓型電壓變換器。該變換器將利用整流電路1對商用電源的交流電壓Va進行整流所得到的電壓Vr提供給電抗器2，一邊通過開關電晶體3對流過電抗器2的電流進行斷續，一邊經由二極體4取出電流遮斷時在電抗器2中產生的電壓作為輸出電壓Vo，並且通過電容器5使其平滑化且穩定化。
將輸出電壓Vo的分壓電路6的檢測值V0提供給誤差放大電路7，使其輸出表示與其設定值VS的差的誤差電壓ve。乘法電路8接收誤差電壓ve和整流電壓Vr，通過兩者的乘法運算，輸出與誤差電壓ve成比例並且具有與整流電壓Vr相同的脈動波形的電壓誤差信號％。
通過檢測電阻9檢測開關電晶體3導通時流過的電流及其波形，並將該電流波形信號&以及上述電壓誤差信號％提供給電流誤差檢測電路10，使其將表示兩信號的波形差的電流誤差信號Sl輸出給比較器20的同相輸入。比較器20將該電流誤差信號Sl與從高頻振蕩電路21接收的指定開關電晶體3的斷續周期的鋸齒狀波的周期信號SO進行比較，向開關電晶體3輸出作為PWM信號的導通截止指令信號Sw。據此，以由該導通截止指令 Sw所指定的佔空比來使流過電抗器2的電流斷續。 專利文獻1日本特開平7-87744號公報 專利文獻2日本特開2007-U9849號公報 專利文獻1中示出的PFC變換器在低頻區域具有高增益，但是是有限的增益。即在穩定狀態下也存在誤差。圖1所示的輸出電壓誤差ve越大，輸出電壓Vo與目標電壓vs 之差變得越大，輸出電壓降低。
專利文獻2中示出的PFC變換器，利用直流，增益成為無限大，所以能夠使在穩定狀態的誤差為零，但是在負載驟變等的過渡狀態，電容器的充放電花費時間，所以與圖1中示出的P控制的PFC變換器相比，到達輸出電壓收斂的時間變長。

發明內容
因此，本發明的目的在於提供一種PFC變換器，能夠同時具備P控制的響應性和PI 控制的穩定性，不會使過渡響應性劣化，並且能夠抑制由輸入電壓、負載的變動引起的輸出電壓的變動。
為了解決上述課題，本發明如下構成。
(1) 一種PFC變換器，具備整流電路，其對從交流輸入電源輸入的交流電壓進行整流；串聯電路，其連接在上述整流電路的次級，包括電感器以及開關元件；整流平滑電路，其與上述開關元件並聯連接；和開關控制單元，其對上述開關元件進行導通/截止控制，使得從上述交流輸入電源輸入的輸入電流對於上述交流電壓成為相似形狀， 其中，上述PFC變換器具備 輸入電壓檢測單元，其檢測從上述交流輸入電源輸入的輸入電壓； 電感器電流檢測單元，其檢測流過上述電感器的電流；和 輸出電壓檢測單元，其檢測上述整流平滑電路的輸出電壓， 上述開關控制單元是將上述輸出電壓的檢測值對輸出電壓目標值的誤差即輸出電壓誤差與上述輸入電壓的檢測值之積作為電流基準振幅值，並根據該電流基準振幅值與流過上述電感器的電流之差來控制上述開關元件的導通時間的單元， 上述PFC變換器中設置了輸出電壓控制值補正單元，該輸出電壓控制值補正單元利用上述電流基準振幅值的比例值來補正上述輸出電壓的目標值或者上述輸出電壓誤差。
(2)上述開關控制單元以及上述輸出電壓控制值補正單元由保持相當於上述輸出電壓目標值的數字值的DSP (數位訊號處理器，Digital Signal I^rocessor)構成，上述輸出電壓控制值補正單元利用上述電流基準振幅值的比例值來補正上述數字值。
(發明效果) 根據本發明，能夠在不使過渡響應性劣化的情況下，抑制由輸入電壓、負載的變動引起的輸出電壓的變動。


圖1是專利文獻1中示出的PFC變換器的電路圖。
圖2是第1實施方式的PFC變換器的電路圖。
圖3是以用電流連續模式進行控制的狀態中的開關周期的單位的PFC變換器101 的電壓/電流的波形圖。
圖4是將圖2所示的數位訊號處理電路13的處理內容模塊化來表示的圖。
圖5是與輸出電壓的反饋控制相關的框圖。
圖6是第2實施方式的輸出電壓誤差放大器的電路圖。
符號說明 101 ...PFC 變換器 11…輸入電壓檢測電路 12…輸出電壓檢測電路 13…數位訊號處理電路 31…加法單元 32…輸出電壓誤差放大器 33…乘法器 ；34…加法單元 ；35…輸入電流誤差放大器 36…脈衝生成器 38…係數單元 39…加法單元 Bl…二極體橋 Cl…平滑電容器 Cref…電容器 D…調製信號 Dl…二極體 ei…輸入電流誤差值 ev…誤差 iL···電感器電流檢測值 ir…電流基準值 Ll…電感器 OP…運算放大器 Ql…開關元件 Rcd…電流檢測用電阻 Toff…截止期間 Ton…導通期間 Vac…交流輸入電源 Vds…源極間電壓 Vi…輸入電壓檢測值 vm…電流基準振幅值 vo…輸出電壓檢測值 vrO…基準值 Vref…輸出電壓目標值
具體實施例方式《第1實施方式》 參照圖2 圖6說明第1實施方式的PFC變換器。
圖2是第1實施方式的PFC變換器的電路圖。在圖2中，符號P11、P12是PFC變換器101的輸入埠，符號P21、P22是PFC變換器101的輸出埠。在輸入埠 P11-P12 中輸入作為商用交流電源的交流輸入電源Vac，在輸出埠 P21-P22連接負載電路100。
負載電路100例如是DC-DC變換器以及通過該DC-DC變換器接受電源供給的電子設備的電路。
在PFC變換器101的輸入級設置對交流輸入電源Vac的交流電壓進行全波整流的二極體橋Bi。二極體橋Bl相當於本發明的「整流電路」。在二極體橋Bl的輸出側連接電感器Li、開關元件Ql以及電流檢測用電阻Rcd的串聯電路。在開關元件Ql的兩端並聯連接由二極體Dl以及平滑電容器Cl構成的整流平滑電路。通過該電感器Li、開關元件Q1、 二極體Dl以及平滑電容器Cl構成所謂的升壓斬波電路。
電流檢測用電阻Rcd以及輸入其信號的數位訊號處理電路13的輸入部相當於本發明的「電感器電流檢測單元」。
在二極體橋Bl的輸出側的兩端間設置輸入電壓檢測電路11。此外在輸出埠 P21-P22間設置輸出電壓檢測電路12。數位訊號處理電路13由DSP(Digital Signal ft~OCeSSOr，數位訊號處理器)構成，通過數位訊號處理來控制該PFC變換器101。S卩，對數位訊號處理電路13輸入輸入電壓檢測電路11的輸出信號，檢測交流輸入電源的電壓的相位。此外對數位訊號處理電路13輸入輸出電壓檢測電路12的輸出信號來檢測輸出電壓。 而且，以規定的開關頻率使開關元件Ql導通/截止。
數位訊號處理電路13相當於本發明的「開關控制單元」。上述輸入電壓檢測電路11以及輸入其信號的數位訊號處理電路13的輸入部相當於本發明的「輸入電壓檢測單元」。此外，上述輸出電壓檢測電路12以及輸入其信號的數位訊號處理電路13的輸入部相當於本發明的「輸出電壓檢測單元」。
而且，數位訊號處理電路13具備用於在與負載電路100之間進行通信的埠，例如進行數據通信或者信號的輸入輸出，總是對負載電路(電子設備)發送變換器的狀態等， 或者發送輸入電壓、輸出電壓、輸出電流等，或者從負載電路側接收負載狀態等從而反映於開關控制。
圖3是以用電流連續模式進行控制的狀態中的開關周期的單位的PFC變換器101 的電壓/電流的波形圖。
數位訊號處理電路13進行開關控制，使得對PFC變換器101的輸入電流、即流過電感器Ll的電流的平均值成為與全波整流波形相似的形狀。如此通過輸入電壓和流過相似形狀的輸入電流，能夠抑制諧波、改善功率因數。
在圖3中(A)是以商用電源頻率的半周期單位的、流過電感器Ll的電流的平均值 Ii的電流波形，(B)是擴大其一部分時間軸來表示的、以開關周期的單位的流過電感器Ll 的電流IL的波形圖，(C)是開關元件Ql的漏極-源極間電壓Vds的波形圖。
在開關元件Ql的導通期間Ton，在電感器Ll中流過電流IL，電流IL以根據電感器Ll的兩端間電壓以及電感器Ll的電感而決定的斜率上升。之後，在開關元件Ql的截止期間Toff，電流IL以電感器Ll的兩端電壓和由其電感而決定的斜率下降。如此在電流紋波(ripple) AIL的幅度，流過電感器Ll的電流IL以開關周期變動。
圖4是將圖2所示的數位訊號處理電路13的處理內容模塊化來表示的圖。
在圖4中，加法單元31計算輸出電壓檢測值to對於後述的輸出電壓目標值Vref 的誤差ev。輸出電壓誤差放大器32對誤差ev乘以規定的比例係數從而計算電流基準振幅值vm(通常，PFC中的誤差放大器因為需要使輸出電壓不與輸入電壓的紋波響應，所以具有上限遮斷特性)。乘法器33對電流基準振幅值vm乘以輸入電壓檢測值vi來計算電流基準值ir。加法單元34計算電感器電流檢測值iL對於電流基準值ir的差分即輸入電流誤差值ei。輸入電流誤差放大器35對輸入電流誤差值ei乘以規定的比例係數，從而產生對脈衝生成器的調製信號D。脈衝生成器36基於上述調製信號D，輸出作為二值邏輯信號的脈衝信號。該脈衝信號是對開關元件Ql的開關控制信號。即，利用與上述電流誤差值ei成比例的值，對開關控制信號進行PWM調製。據此控制開關元件Ql的導通時間。
係數單元38產生對上述電流基準振幅值vm乘以規定的係數而得到的值。加法單元39將係數單元38產生的值與基準值vrO相加從而計算輸出電壓目標值Vref。該係數單元38以及加法單元39相當於本發明的「輸出電壓控制值補正單元」。
係數單元38根據輸出電壓誤差放大器32的輸出vm，使輸出電壓目標值Vref發生變化。因此，根據條件不同，有時發生異常振蕩。在該情況下，使係數單元38具有上限遮斷特性。據此，即使在電流基準振幅值vm急劇變化的情況下，Vref的變化也成為低速，能夠避免過渡的響應。
圖5是與輸出電壓的反饋控制相關的框圖。圖5(A)是由圖4所示的加法單元31、 輸出電壓誤差放大器32、係數單元38、加法單元39構成的反饋系的框圖。圖5(B)是比較例，是沒有設置圖4所示的係數單元38以及加法單元39時的框圖。
在圖5(B)所示的比較例的反饋系中，計算輸出電壓檢測值VO對於輸出電壓目標值Vref的誤差ev，輸出電壓誤差放大器32輸出電流基準振幅值vm，控制對象(PFC變換器)50根據電流基準振幅值vm來控制輸出電壓(輸出電壓檢測值to)。
另一方面，在圖5 (A)所示的反饋系中，進一步地將係數單元38對電流基準振幅值 vm乘以係數所得到的值與基準的(固定的)目標值vrO相加，來修正輸出電壓目標值Vref。
如此，通過根據電流基準振幅值vm使目標值vrO變動，能夠基本上利用P控制，來進行不產生殘差(在穩定狀態的輸出電壓檢測值vo和輸出電壓目標值Vref的差)的控制。
如以上所示，通過利用DSP來構成數位訊號處理電路13，因為沒有信號的劣化、噪聲(noise)的混入、元件偏差的影響，所以能夠進行高精度的目標值的補正。此外，能夠細化條件判斷、條件分支，複雜地進行。例如在負載大時目標值也變大，在該狀態下檢測到負載急劇變小時，將輸出電壓目標值Vref復位(reset)為初始值。據此，抑制負載急劇變小時的輸出電壓的暴漲。
《第2實施方式》 在第1實施方式中，如圖2以及圖4所示，採用由DSP形成的數位訊號處理電路13 來進行開關控制，但是第2實施方式是利用模擬元件構成圖4所示的輸出電壓誤差放大器 32的例。
圖6是第2實施方式的輸出電壓誤差放大器的電路圖。用下面的⑴式表示運算放大器OP的同相輸入端子⑴的輸入電壓Vref。這裡，vm是運算放大器OP的輸出電壓(輸出電壓誤差放大器的輸出)，VO是輸出電壓檢測值，Vref是輸出電壓目標值。
Vref = (vrO/Rrl+vm/Rr3)/(1/Rrl+1/Rr2+1/Rr3)…(1) 其中，對於電阻Rr2並聯連接電容器Cref，所以該電容器Cref的容量越大，每時間單位的輸出電壓目標值Vref的變化變小。即，具備低通濾波器的作用。
如以上兩個實施方式所示，對誤差放大器採用比例器來進行P控制時，在穩定狀態下，對於輸出電壓目標值Vref，在輸出電壓Vo中產生殘差。因此，根據殘差使輸出電壓目標值Vref變化。因為vm與殘差具有比例關係，所以通過利用與vm成比例的值來補正 Vref,能夠將輸出電壓控制為恆定值。但是，在Vref急劇變化而系統不穩定的情況下，使其具備低通濾波器特性來使Vref低速地變化。
其結果，能不使過渡響應性劣化，使輸出電壓不依賴於輸入電壓、負載而恆定。
權利要求
1.一種PFC變換器，具備整流電路，其對從交流輸入電源輸入的交流電壓進行整流； 串聯電路，其連接在上述整流電路的次級，包括電感器以及開關元件； 整流平滑電路，其與上述開關元件並聯連接；和開關控制單元，其對上述開關元件進行導通/截止控制，使得從上述交流輸入電源輸入的輸入電流相對於上述交流電壓成為相似形狀， 其中，上述PFC變換器具備輸入電壓檢測單元，其檢測從上述交流輸入電源輸入的輸入電壓； 電感器電流檢測單元，其檢測流過上述電感器的電流；和輸出電壓檢測單元，其檢測上述整流平滑電路的輸出電壓，上述開關控制單元是將上述輸出電壓的檢測值相對於輸出電壓目標值的誤差即輸出電壓誤差、與上述輸入電壓的檢測值之積作為電流基準振幅值，並根據該電流基準振幅值與流過上述電感器的電流之差來控制上述開關元件的導通時間的單元，上述PFC變換器中設置了輸出電壓控制值補正單元，該輸出電壓控制值補正單元利用上述電流基準振幅值的比例值來補正上述輸出電壓的目標值或者上述輸出電壓誤差。
2.根據權利要求1所述的PFC變換器，其中，上述開關控制單元以及上述輸出電壓控制值補正單元由保持相當於上述輸出電壓目標值的數字值的數位訊號處理器(DSP)構成，上述輸出電壓控制值補正單元利用上述電流基準振幅值的比例值來補正上述數字值。
全文摘要
同時具備P控制的響應性和PI控制的穩定性，不會使過渡響應性劣化，並且抑制由輸入電壓、負載的變動引起的輸出電壓的變動。輸出電壓誤差放大器(32)在由反饋控制使輸出電壓穩定化的低頻區域作為比例器發揮作用，對於輸出電壓檢測值(vo)對輸出電壓目標值(Vref)的誤差(ev)乘以規定的比例係數來計算電流基準振幅值(vm)。係數單元(38)對電流基準振幅值(vm)乘以規定的係數，並將所得到值與基準值(vr0)相加來計算輸出電壓目標值(Vref)。係數單元(38)在低頻區域使輸出電壓目標值(Vref)根據電流基準振幅值(vm)變化，在高頻區域使係數值變小從而作為低通濾波器起作用。
文檔編號H02M3/155GK102187559SQ200980140888
公開日2011年9月14日 申請日期2009年5月28日 優先權日2008年11月25日
發明者鵜野良之 申請人:株式會社村田製作所