TWI635380B - 適用於功率因數校正電路之相位補償方法 - Google Patents

Abstract

本案提供一種相位補償方法，適用於功率因數校正電路，功率因數校正電路接收輸入電壓及輸入電流，相位補償方法包含步驟：(a)依據當下之輸入電流產生對應之輸入電流採樣信號，並進行濾波；(b)依據當下濾波後之輸入電流採樣信號及前次濾波後之輸入電流採樣信號，預測當下輸入電流之波形及前次輸入電流之波形，並依據波形差異產生電流誤差信號；(c)調整電流誤差信號，以產生調整信號；(d)疊加調整信號與前饋信號，以產生相位補償信號；(e) 疊加相位補償信號與電流控制信號，以產生脈衝寬度調變信號來控制功率因數校正電路之開關電路之運作。

Description

適用於功率因數校正電路之相位補償方法

本案關於一種相位補償方法，尤指一種適用於功率因數校正電路之相位補償方法。

負載對於電源轉換裝置而言，可能表現為電阻性阻抗、電感性阻抗、電容性阻抗或者其組合。當輸入至負載的電流與加到負載的電壓同相時，功率因數接近1。當功率因數小於1時，所傳輸的功率可能因電流和電壓之間的相位不匹配或雜訊的引入而有所損耗。

故為了避免功率因數降低而提高效率，習知電源轉換裝置通常具有功率因數校正功能，例如藉由配置主動型的功率因數校正(PFC)電路來實現，該功率因數校正電路可以前饋的方式採樣所接收之交流輸入電壓，進而依據交流輸入電壓調整自身所輸出之輸出電流，以使功率因數校正電路所接收之交流輸入電流追隨交流輸入電壓，藉此得到一個接近正弦波形且同相位的交流輸入電流，以提高功率因數，降低電流諧波。

然而，習知功率因數校正電路中多具有橋式整流二極體，而橋式整流二極體之順向壓降，以及設置於橋式整流二極體後之高頻濾波電容，會造成交流輸入電流在交流輸入電壓零點附近發生停頓及其畸變之現象，因而產生零交越失真，使得總諧波失真增加，並導致功率因數降低。

因此，如何發展一種可改善上述習知技術缺失之適用於功率因數校正電路之相位補償方法，實為目前迫切之需求。

本案之目的在於提供一種適用於功率因數校正電路之相位補償方法，俾解決習知功率因數校正電路具有零交越失真，使得總諧波失真增加及功率因數降低等缺失。

為達上述目的，本案提供一種相位補償方法，適用於功率因數校正電路，功率因數校正電路係接收輸入電壓及輸入電流，且包含開關電路及控制單元，開關電路係藉由控制單元之控制進行導通或截止之運作，使功率因數校正電路輸出輸出電壓及輸出電流，控制單元包含低通濾波器、微分控制器及餘弦乘法器，其中低通濾波器係持續接收反映當下輸入電流之輸入電流採樣信號，相位補償方法包含步驟：(a)依據當下之輸入電流產生對應之輸入電流採樣信號，並利用低通濾波器將輸入電流採樣信號進行濾波；(b)利用微分控制器而依據當下所接收之濾波後之輸入電流採樣信號及前次所接收之濾波後之輸入電流採樣信號，預測當下輸入電流之波形及前次輸入電流之波形，並依據當下輸入電流之波形及前次輸入電流之波形的差異產生電流誤差信號；(c)利用餘弦乘法器對電流誤差信號進行調整，以產生調整信號；(d)將調整信號與前饋信號進行疊加，以產生相位補償信號；(e)將相位補償信號與電流控制信號進行疊加，以產生脈衝寬度調變信號，並利用脈衝寬度調變信號控制開關電路之運作。

體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案之範圍，且其中的說明及圖式在本質上當作說明之用，而非架構於限制本案。

請參閱第1圖，其係為本案較佳實施例之功率因數校正電路之電路結構示意圖。如第1圖所示，本案之功率因數校正電路1可應用於一電源轉換裝置(未圖示)中，用以提高電源轉換裝置之功率因數，該功率因數校正電路1係接收一輸入電流Iin及一輸入電壓Vin，並輸出一輸出電流Iout及一輸出電壓Vout，且包含一開關電路10及一控制單元20。開關電路10可進行導通或截止之切換運作，使功率因數校正電路1產生輸出電流Iout及輸出電壓Vout。控制單元20係依據輸入電流Iin、輸入電壓Vin及輸出電壓Vout而輸出對應之一脈衝寬度調變信號D_pwm，以控制開關電路10之運作，藉此調整輸入電流Iin之相位與輸入電壓Vin之相位一致，並消除輸入電流Iin在輸入電壓Vin零點附近所發生之停頓及畸變之現象(零交越失真)。

請參閱第2圖並配合第1圖，其中第2圖係為第1圖所示之控制單元之運作原理示意圖。如第2圖所示，控制單元20包含一低通濾波器22、一微分控制器23、一餘弦乘法器24、一第一加法運算器25及一第二加法運算器26。

低通濾波器22可持續接收反映功率因數校正電路1當下所接收之輸入電流Iin之一輸入電流採樣信號，並對輸入電流採樣信號進行濾波。

微分控制器23電連接於低通濾波器22，其係接收每一次低通濾波器22所傳來之濾波後之輸入電流採樣信號，且具有可用來儲存信號之一暫存器，微分控制器23每一次接收到低通濾波器22所傳來之濾波後之輸入電流採樣信號時，係更新暫存器內的信號為當下所接收到之濾波後之輸入電流採樣信號，此外，在更新暫存器內的信號為當下所接收到之濾波後之輸入電流採樣信號之前，微分控制器23會先依據當下所接收到之濾波後之輸入電流採樣信號而預測當下輸入電流Iin之波形，以及依據暫存器所儲存之信號而預測暫存器所儲存之信號的波形，並比較當下輸入電流Iin之波形及暫存器所儲存之信號的波形，依據兩者波形之差異而對應輸出一電流誤差信號，其中若暫存器尚未儲存信號時，微分控制器23則輸出為零之電流誤差信號。因此於本實施例中，當功率因數校正電路1尚未運作時，微分控制器23之暫存器中實際上並無儲存任何信號，故當功率因數校正電路1開始運作而微分控制器23第一次接收到濾波後之輸入電流採樣信號時，由於此時暫存器中尚未存有任何信號，故微分控制器23輸出為零之電流誤差信號，且微分控制器23接續將此次所接收到之濾波後之輸入電流採樣信號儲存於暫存器內，而當微分控制器23第二次接收到濾波後之輸入電流採樣信號時，微分控制器23先依據第二次所接收到之濾波後之輸入電流採樣信號預測當下輸入電流Iin之波形，以及依據暫存器所儲存之信號而預測第一次所接收到之濾波後之輸入電流採樣信號的波形，並依據兩者波形之差異而對應輸出電流誤差信號，最後，再將第二次所接收到之濾波後之輸入電流採樣信號更新於暫存器中，換言之，微分控制器23實際上會依據當下所接收到之濾波後之輸入電流採樣信號而預測當下輸入電流Iin之波形，以及依據暫存器所儲存之前一次所接收到之濾波後之輸入電流採樣信號而預測前次對應之輸入電流Iin的波形，並依據兩者波形之差異而對應輸出電流誤差信號，且接續將當下所接收到之濾波後之輸入電流採樣信號更新於暫存器中。

於上述實施例中，微分控制器23可具有一補償因數，當微分控制器23比較輸入電流Iin之波形及暫存器所儲存之信號的波形後，係將比較結果與為常數值之補償因數進行乘法運算，藉此產生電流誤差信號。其中補償因數可為正數或負數。且補償因數可藉由輸入電流Iin與輸入電壓Vin之相位差預先設定。

餘弦乘法器24電連接於微分控制器23，用以接收微分控制器23所輸出之電流誤差信號，並對電流誤差信號進行調整，以輸出一調整信號，而藉由餘弦乘法器24的調整，可降低電流誤差信號之波形在峰值時的變化程度，並增加電流誤差信號之波形在零點時的變化程度。

第一加法運算器25電連接於餘弦乘法器24，其係可將所接收到的信號進行疊加，即將前饋信號D_ff及餘弦乘法器24所輸出之調整信號進行疊加，以對應輸出一相位補償信號D_comp，其中前饋信號D_ff主要是用來使功率因數校正電路1所輸出之輸出電流Iout可依據輸入電壓Vin進行調整，藉此使輸入電流Iin之相位與輸入電壓Vin之相位一致，且前饋信號D_ff實際上係依據輸入電壓Vin及輸出電壓Vout而產生，而前饋信號D_ff的推算方法如下式(1): D_ff = 1 – ( Vin / Vout ) (1) 另外，當微分控制器23輸出為零之電流誤差信號時，餘弦乘法器24所輸出之調整信號亦對應為零，故此時第一加法運算器25所輸出之相位補償信號D_comp實際上等於前饋信號D_ff。反之，當微分控制器23輸出非零之電流誤差信號時，第一加法運算器25所接收到之信號則包含餘弦乘法器24所輸出之調整信號及前饋信號D_ff，故第一加法運算器25所輸出之相位補償信號D_comp實際上等於調整信號與前饋信號D_ff之疊加。

第二加法運算器26電連接於第一加法運算器25，其係接收第一加法運算器25所輸出之相位補償信號D_comp及一電流控制信號D_curr_ctrl，並將相位補償信號D_comp與電流控制信號D_curr_ctrl進行疊加，以產生脈衝寬度調變信號D_pwm。其中，電流控制信號D_curr_ctrl乃是依據輸出電流Iout的一電流回授值與一預設電流的比較結果而對應產生，其係用來使功率因數校正電路1所輸出之輸出電流Iout可符合預設電流而對應進行調整。

請參閱第3圖並配合第1、2圖，其中第3圖係為本案較佳實施例之適用於第1圖所示之功率因數校正電路之相位補償方法的流程圖。本案較佳實施例之相位補償方法係包含下列步驟：

首先，依據當下之輸入電流Iin產生對應之輸入電流採樣信號，並利用低通濾波器22對輸入電流採樣信號進行濾波 (如步驟S301所示)。

接著利用微分控制器23依據當下所接收之濾波後之輸入電流採樣信號及前次所接收之濾波後之輸入電流採樣信號，預測當下輸入電流Iin之波形與前次輸入電流Iin之波形，並比較兩者波形之差異，以根據比較結果產生電流誤差信號 (如步驟S302所示)。

接著，利用餘弦乘法器24對電流誤差信號進行調整，以產生調整信號 (如步驟S303所示)。

然後，利用第一加法運算器25將依據輸入電壓Vin及輸出電壓Vout所產生之前饋信號D_ff與調整信號進行疊加，以產生相位補償信號D_comp (如步驟S304所示)。

最後，利用第二加法運算器26將依據輸出電流Iout之電流回授值與預設電流的比較結果所產生之電流控制信號D_curr_ctrl與相位補償信號D_comp進行疊加，以產生脈衝寬度調變信號D_pwm來控制開關電路10，以調整輸出電流Iout之相位(如步驟S305)。而在步驟S305中，因輸出電流Iout之相位可依據脈衝寬度調變信號D_pwm之調整而對應於輸入電壓Vin之相位，又因輸入電流之相位會與輸出電流之相位相同，故調整輸出電流Iout的相位即可調整輸入電流Iin之相位，使輸入電流Iin之相位與輸入電壓Vin之相位為一致，此外，藉由低通濾波器22、微分控制器23及餘弦乘法器24的設置，即採用上述之步驟S301~S303，便可使本案之功率因數校正電路1有效降低零交越失真，降低總諧波失真，進而提升功率傳輸之效率。

其中，在步驟S302中，若因功率因數校正電路1剛啟動而使微分控制器23初次接收到濾波後之輸入電流採樣信號，則如前所述，微分控制器23係輸出為零之電流誤差信號，故於步驟S304中，相位補償信號D_comp實際上等於前饋信號D_ff，而於步驟S305中，疊加電流控制信號D_curr_ctrl與相位補償信號D_comp所產生之脈衝寬度調變信號D_pwm則僅用來控制開關電路10，使輸入電流Iin之相位與輸入電壓Vin之相位為一致。

請參閱第4圖及第5圖，其中第4圖係為未使用本案之相位補償方法之習知功率因數校正電路所接收之輸入電流之波形圖，第5圖係為使用本案第3圖所示之相位補償方法之功率因數校正電路所接收之輸入電流之波形圖。如第4圖所示，習知功率因數校正電路所接收之輸入電流在輸入電壓處於零點時，即時間T1及時間T2時，會因功率因數校正電路所包含之橋式整流二極體及高頻濾波電容而造成停頓及其畸變之現象，因而產生零交越失真，使得總諧波失真增加。而如第5圖所示，本案之功率因數校正電路所接收之輸入電流Iin在輸入電壓處於零點時，即時間T3及時間T4時，會因使用本案之相位補償方法，使得停頓及其畸變之現象大幅減少，故零交越失真明顯較小。因此，比較第4圖及第5圖可知，相較於利用習知功率因數校正電路進行功率因數校正後之輸入電流，使用本案第3圖所示之相位補償方法之功率因數校正電路所接收之輸入電流Iin的零交越失真大幅降低，有效降低總諧波失真，進而提升功率傳輸之效率。

綜上所述，本案之適用於功率因數校正電路之相位補償方法藉由微分控制器依據當下所接收之濾波後之輸入電流採樣信號及前次所接收之濾波後之輸入電流採樣信號，預測當下輸入電流之波形與前次輸入電流之波形，並根據波形之差異產生電流誤差信號，接著利用餘弦乘法器對電流誤差信號進行調整以產生調整信號，而後將調整信號與前饋信號進行疊加以產生相位補償信號，最後藉由相位補償信號與電流控制信號疊加所產生之脈衝寬度調變信號來控制開關電路，如此一來，不僅調整輸入電流之相位與輸入電壓之相位為一致，更能有效降低零交越失真，降低總諧波失真，進而提升功率傳輸之效率。此外，本案之適用於功率因數校正電路之相位補償方法藉由餘弦乘法器對電流誤差信號之調整，降低電流誤差信號之波形在峰值時的變化程度，並增加電流誤差信號之波形在零點時的變化程度，使利用本案之相位補償方法之功率因數校正電路得以提升穩定裕度。

須注意，上述僅是為說明本案而提出之較佳實施例，本案不限於所述之實施例，本案之範圍由如附專利申請範圍決定。且本案得由熟習此技術之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附專利申請範圍所欲保護者。

1‧‧‧功率因數校正電路
10‧‧‧開關電路
20‧‧‧控制單元
22‧‧‧低通濾波器
23‧‧‧微分控制器
24‧‧‧餘弦乘法器
25‧‧‧第一加法運算器
26‧‧‧第二加法運算器
Iin‧‧‧輸入電流
Vin‧‧‧輸入電壓
Iout‧‧‧輸出電流
Vout‧‧‧輸出電壓
D_ff‧‧‧前饋信號
D_comp‧‧‧相位補償信號
D_curr_ctrl‧‧‧電流控制信號
D_pwm‧‧‧脈衝寬度調變信號
S301~S305‧‧‧相位補償方法的步驟
T1、T2、T3、T4‧‧‧時間

第1圖係為本案較佳實施例之功率因數校正電路之電路結構示意圖。

第2圖係為第1圖所示之控制單元之運作原理示意圖。

第3圖係為本案較佳實施例之適用於第1圖所示之功率因數校正電路之相位補償方法的流程圖。

第4圖係為未使用本案之相位補償方法之習知功率因數校正電路所接收之輸入電流之波形圖。

第5圖係為使用本案第3圖所示之相位補償之功率因數校正電路所接收之輸入電流之波形圖。

Claims (8)

1. 一種相位補償方法，適用於一功率因數校正電路，該功率因數校正電路係接收一輸入電壓及一輸入電流，且包含一開關電路及一控制單元，該開關電路係藉由該控制單元之控制進行導通或截止之運作，使該功率因數校正電路輸出一輸出電壓及一輸出電流，該控制單元包含一低通濾波器、一微分控制器及一餘弦乘法器，其中該低通濾波器係持續接收反映當下該輸入電流之一輸入電流採樣信號，該相位補償方法包含步驟： (a)利用該低通濾波器將該輸入電流採樣信號進行濾波； (b)利用該微分控制器依據當下所接收之濾波後之該輸入電流採樣信號及前次所接收之濾波後之該輸入電流採樣信號，預測當下該輸入電流之波形及前次該輸入電流之波形，並依據當下該輸入電流之波形及前次該輸入電流之波形的差異產生一電流誤差信號； (c)利用該餘弦乘法器對該電流誤差信號進行調整，以產生一調整信號； (d)將該調整信號與一前饋信號進行疊加，以產生一相位補償信號； (e)將該相位補償信號與一電流控制信號進行疊加，以產生一脈衝寬度調變信號，並利用該脈衝寬度調變信號控制該開關電路之運作。
2. 如申請專利範圍第1項所述之相位補償方法，其中該微分控制器更包含一暫存器，係用以儲存該微分控制器所接收之濾波後之該輸入電流採樣信號。
3. 如申請專利範圍第1項所述之相位補償方法，其中於該步驟(d)中，係依據該輸入電壓及該輸出電壓產生該前饋信號。
4. 如申請專利範圍第3項所述之相位補償方法，其中該前饋信號等於 1 - (Vin /Vout)，其中Vin係為該輸入電壓，Vout係為該輸出電壓。
5. 如申請專利範圍第1項所述之相位補償方法，其中於該步驟(e)中，係比較該輸出電流之一電流回授值與一預設電流，並依據比較結果產生該電流控制信號。
6. 如申請專利範圍第1項所述之相位補償方法，其中該微分控制器中儲存有一補償因數，且於該步驟(b)中，係將當下該輸入電流之波形及前次該輸入電流之波形的差異與該補償因數進行乘法運算，以產生該電流誤差信號。
7. 如申請專利範圍第6項所述之相位補償方法，其中該補償因數為正數或負數。
8. 如申請專利範圍第6項所述之相位補償方法，其中該補償因數係藉由該輸入電流與該輸入電壓之相位差而預先設定。