CN102820658A - 数字功率因数校正装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种数字功率因数校正装置，该数字功率因数校正装置是全数字式控制模块，包括电压回路控制单元、输入功率控制单元、电流回路控制单元以及脉冲宽度调变产生单元，藉以配合外部驱动器以及开关单元而调节输入电流以极小化输入电流及输入电压之间的相差，而达到功率因数校正，其中电压回路控制单元以及电流回路控制单元具有比例积分微分控制器，并分别形成电压控制回路及电流控制回路，输入功率控制单元依据输入电源的功率以调节电流波形，而脉冲宽度调变产生单元设定脉冲宽度调变的停滞时间以产生脉冲宽度调变信号，控制外部驱动器及开关单元以消除负载的影响。

Description

数字功率因数校正装置

技术领域

本发明涉及一种功率因数校正装置，尤其涉及利用数字式电压回路控制单元以及电流回路控制单元以形成双回路控制机制并达到功率因数校正(Power Factor Correction)的功能。

背景技术

由于具有非线性特征的负载会使电源端流入的电流的相位不同于电源端电压的相位，导致功率因数降低，形成电力的浪费，因此，需要利用功率因数校正(Power Factor Correction)装置以进行功率因数校正，可降低电力设备必须传输的电压-电流、减少虚功、提升实功率，进而减少谐波干扰，改善供电质量。

现有技术中，一般PFC的原理是藉调整输入电流波形，使得尽可能相似于输入电压波形，以降低或消除电流及电压之间的相差。常使用电压回路或电流回路，藉以依据负载的变化构成对电流的控制机制。然而，现有技术的缺点在于，利用模拟电路实现PFC功能很容易受到噪声干扰，而影响实际操作的稳定性及效率。此外，现有技术缺乏同时使用电压回路及电流回路以建立更稳定的控制机制。

因此，需要一种同时具有电压回路及电流回路的双回路的数字功率因数校正装置，藉以解决上述现有技术的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种数字功率因数校正装置，该数字功率因数校正装置是全数字式控制模块，包括电压回路控制单元、输入功率控制单元、电流回路控制单元以及脉冲宽度调变产生单元，藉以配合外部驱动器以及开关单元而调节输入电流以极小化输入电流及输入电压之间的相差，而达到功率因数校正，其中电压回路控制单元以及电流回路控制单元具有比例积分微分控制器，并分别形成电压控制回路及电流控制回路，输入功率控制单元依据输入电源的功率以调节电流波形，而脉冲宽度调变产生单元设定脉冲宽度调变的停滞时间以产生脉冲宽度调变信号，用以控制外部驱动器及开关单元。

因此，本发明的数字功率因数校正装置可改善功率因数，并降低负载变化对输入电源的影响，很适合用于改善各种电源供应器，比如用于计算机、服务器、液晶电视/监视器或直流电马达的电源供应器。

附图说明

图1为本发明数字功率因数校正装置的示意图；

图2为本发明数字功率因数校正装置的应用实例示意图；

图3为本发明中电压回路控制单元的功能方块图；

图4为本发明中输入功率控制单元的功能方块图；

图5为本发明中电流回路控制单元的功能方块图；以及

图6为本发明中PWM产生单元的功能方块图。

具体实施方式

以下配合说明书附图对本发明的实施方式做更详细的说明，以使本领域技术人员在研读本说明书后能据以实施。

参考图1，图1为本发明数字功率因数校正装置的示意图。如图1所示，本发明的数字功率因数校正装置1包括电压回路控制单元10、输入功率控制单元20、电流回路控制单元30以及脉冲宽度调变(PWM)产生单元40，其中所有单元是以数字式设计而实现，亦即本发明的数字功率因数校正装置不含模拟电路。

本发明的电压回路控制单元10接收第一负载电压VO1以及第二负载电压VO2，以产生第一信号S1；输入功率控制单元20接收第一信号S1以及外部输入电源电压VAC，以产生第二信号S2；电流回路控制单元30接收第二信号S2、第一输入电流I1以及第二输入电流I2，以产生第三信号S3；PWM产生单元40接收第三信号S3，以产生脉冲宽度调变(PWM)信号VPWM。

为清楚说明本发明的特征，请参考图2，图2为本发明数字功率因数校正装置的应用实例示意图。外部电源电压Vin，比如市电的交流电源电压，可经电磁干扰(Electromagnetic Interference，EMI)滤波器F的滤波处理后产生输入滤波电源电压VI，且进一步利用第一电源电感LB1、第二电源电感LB2、第一驱动晶体管M1、第二驱动晶体管M2、整流二极管D、第一电源电容CF1以及第二电源电容CF2，以产生第一输出电压V1以及第二输出电压V2，用以分别供电给第一负载装置RL1以及第二负载装置RL2。另一方式为不使用EMI滤波器F，亦即输入滤波电源电压VI为原始的外部电源电压Vin。

本发明数字功率因数校正装置1配合多个滤波器以及多个传感器而将输入滤波电源电压VI、第一输出电压V1以及第二输出电压V2转换成所需的外部输入电源电压VAC、第一输入电流I1、第二输入电流I2、第一负载电压VO1以及第二负载电压VO2，进而产生PWM信号VPWM，并经PWM驱动器DVR产生PWM驱动信号PWMDRV，用以控制开关单元中第一驱动晶体管M1以及第二驱动晶体管M2的栅极。

要注意的是，图2只是本发明的应用实例而已，并非用以限定本发明数字功率因数校正装置的范围。

参考图3，图3为本发明中电压回路控制单元的功能方块图。如图3所示，电压回路控制单元10包括电压回路运算处理单元11、负载补偿器15以及电压回路缓存器17，其中电压回路运算处理单元11接收第一负载电压VO1以及第二负载电压VO2，并依据电压回路缓存器17的选取参数以选取第一负载电压VO1以及第二负载电压VO2的其中之一而传送至负载补偿器15，藉以进行负载补偿处理，并产生负载补偿信号，电压回路运算处理单元11接收负载补偿信号，进一步利用内建的补偿控制器(图中未显示)，并依据电压回路缓存器17的电压回路设定参数以进行相对应的补偿控制处理，进而产生第一信号S1，且补偿控制器为比例(P)控制器、比例-积分(PI)控制器以及比例-积分-微分(PID)控制器的其中之一。

参考图4，图4为本发明中输入功率控制单元的功能方块图，且输入功率控制单元20包括功率调节单元21以及功率控制缓存器23，其中功率调节单元21接收第一信号S1以及外部输入电源电压VAC，并相乘以得到电流波形，且依据功率控制缓存器23的调节参数以进行调节处理，产生第二信号S2。此外，功率调节单元21可依据功率控制缓存器23的调节选择设定以取消调节处理，而直接将第一信号S1设定成第二信号S2。

参考图5，图5为本发明中电流回路控制单元的功能方块图。如图5所示，电流回路控制单元30包括电流回路运算处理单元31、补偿控制器33、电流回路滤波器35以及电流回路缓存器37。电流回路运算处理单元31接收第二信号S2、第一输入电流I1以及第二输入电流I2，并依据电流回路缓存器37的选取参数以选取第一输入电流I1以及第二输入电流I2的其中之一，且减去第二信号S2以产生相对应误差值；由补偿控制器33依据电流回路缓存器37的电流回路设定参数以进行相对应的补偿控制处理，进而产生电流回路补偿控制信号。电流回路缓存器37接收电流回路补偿控制信号，并依据电流回路缓存器37的电流回路滤波参数以进行滤波处理，并产生电流回路滤波信号，亦即第三信号S3，而由电流回路运算处理单元31传送出去，且补偿控制器为比例控制器、比例-积分控制器以及比例-积分-微分控制器的其中之一。

参考图6，图6为本发明中PWM产生单元的功能方块图。如图6所示，本发明的PWM产生单元40包括PWM产生器41以及PWM缓存器43，其中PWM产生器41接收第三信号S3，并依据PWM缓存器43的停滞时间参数以决定脉冲宽度调变的停滞时间，并进行脉冲宽度调变处理而产生PWM信号VPWM。

上述的电压回路缓存器17、功率控制缓存器23、电流回路缓存器37以及PWM缓存器43，也可部分结合成多个缓存器或全部结合成单一缓存器而实现。

要注意的是，图3至图6中的电路方块是用以说明本发明特征的示范性实例而已，并非用以限定本发明的范围，因此，本发明包括可达成所需电气功能的相对等电路。

本发明的特点在于数字功率因数校正装置是完全以数字设计实现，因此具有很高的操作稳定性及可靠度，可大幅降低外部噪声的干扰。

本发明的另一特点在于利用电压回路控制单元以及电流回路控制单元分别感测电流及电压以构成双回路控制机制，可改善系统的稳定性，并提高电源使用效率，减少浪费。

以上所述者仅为用以解释本发明的较佳实施例，并非企图据以对本发明做任何形式上的限制，因此，凡有在相同的发明精神下所作有关本发明的任何修饰或变更，皆仍应包括在本发明意图保护的范畴。

Claims (7)

1.一种数字功率因数校正装置，其特征在于，包括：

一电压回路控制单元，接收一第一负载电压以及一第二负载电压，进行电压回路控制处理以产生一第一信号；

一输入功率控制单元，接收该第一信号以及一外部输入电源电压，进行输入功率控制处理以产生一第二信号；

一电流回路控制单元，接收该第二信号、一第一输入电流以及一第二输入电流，进行电流回路控制处理以产生一第三信号；以及

一脉冲宽度调变产生单元，接收该第三信号，进行脉冲宽度调变处理以产生一脉冲宽度调变信号，

其中该脉冲宽度调变信号提供给外部的一脉冲宽度调变驱动器，藉以驱动外部的一开关单元，进而供电给外部的一第一负载装置以及一第二负载装置，该第一负载电压以及该一第二负载电压是分别相关于该第一负载装置以及该第二负载装置的端电压，该第一输入电流以及该第二输入电流来自一外部电源电压，且分别相关于该第一负载装置以及该第二负载装置所流过的电流，该外部输入电源电压是由该外部电源电压经一电磁干扰滤波器而产生，或该外部输入电源电压为该外部电源电压。

2.如权利要求1所述的数字功率因数校正装置，其特征在于，该外部输入电源电压为一交流电源。

3.如权利要求1所述的数字功率因数校正装置，其特征在于，该电压回路控制单元包括一电压回路运算处理单元、一负载补偿器以及一电压回路缓存器，该电压回路运算处理单元接收该第一负载电压以及该第二负载电压，并依据该电压回路缓存器的一选取参数以选取该第一负载电压以及该第二负载电压的其中之一而传送至该负载补偿器，藉以进行负载补偿处理，并产生一负载补偿信号，该电压回路运算处理单元接收该负载补偿信号，利用所内建的一补偿控制器，并依据该电压回路缓存器的一电压回路设定参数以进行相对应的补偿控制处理，进而产生该第一信号，且该补偿控制器为比例控制器、比例-积分控制器以及比例-积分-微分控制器的其中之一。

4.如权利要求1所述的数字功率因数校正装置，其特征在于，该输入功率控制单元包括一功率调节单元以及一功率控制缓存器，该功率调节单元接收该第一信号以及该外部输入电源电压，并相乘以得到一电流波形，且依据该功率控制缓存器的一调节参数以进行调节处理，产生该第二信号。

5.如权利要求4所述的数字功率因数校正装置，其特征在于，该功率调节单元依据该功率控制缓存器的一调节选择设定以取消调节处理，而直接将该第一信号设定成该第二信号。

6.如权利要求1所述的数字功率因数校正装置，其特征在于，该电流回路控制单元包括一电流回路运算处理单元、一补偿控制器、一电流回路滤波器以及一电流回路缓存器，该电流回路运算处理单元接收该第二信号、该第一输入电流以及该第二输入电流，并依据该电流回路缓存器的一选取参数以选取该第一输入电流以及该第二输入电流的其中之一，且减去该第二信号以产生相对应的一误差值，由该补偿控制器依据该电流回路缓存器的一电流回路设定参数以进行相对应的补偿控制处理，进而产生一电流回路补偿控制信号，该电流回路缓存器接收该电流回路补偿控制信号，并依据该电流回路缓存器的一电流回路滤波参数以进行滤波处理，并产生一电流回路滤波信号，该电流回路运算处理单元将该电流回路滤波信号设定成该第三信号而传送出去，且该补偿控制器为比例控制器、比例-积分控制器以及比例-积分-微分控制器的其中之一。

7.如权利要求1所述的数字功率因数校正装置，其特征在于，该PWM产生单元包括一PWM产生器以及一PWM缓存器，该PWM产生器接收该第三信号，并依据该PWM缓存器的一停滞时间参数以决定脉冲宽度调变的停滞时间，并进行脉冲宽度调变处理而产生该PWM信号。

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