補(bǔ)償電力負(fù)載的功率因數(shù)的系統(tǒng)及方法
【專利摘要】用于諸如LED照明的電力負(fù)載的功率因數(shù)控制器（PFC）包括用于生成正弦輸入電流的功率因數(shù)校正變換器。PFC還包括用于估計(jì)相移乘數(shù)的可編程控制器。電流調(diào)節(jié)器響應(yīng)于輸入電壓、輸出負(fù)載以及相移以及隨后消隱的乘數(shù)而生成期望的PFC電流。電力負(fù)載至少部分地基于期望的PFC電流來(lái)操作以響應(yīng)于正弦輸入電流。
【專利說(shuō)明】補(bǔ)償電力負(fù)載的功率因數(shù)的系統(tǒng)及方法 技術(shù)背景
[0001] 本公開的主題一般涉及功率因數(shù)校正，并且更具體地涉及用于LED驅(qū)動(dòng)器的輕負(fù) 載期間補(bǔ)償諸如LED驅(qū)動(dòng)器輸入的電力負(fù)載中的超前電流的系統(tǒng)及方法。
[0002] 功率因數(shù)校正器(PFC)是眾所周知的。升壓變換器、反激變換器以及其他拓?fù)渫ǔ?用來(lái)為從AC線路供電的裝置提供功率因數(shù)校正。輸入電容器通常放置于升壓或其他PFC變 換器中的整流器前面和后面，以控制電磁干擾(EMI)。輸入電容器不利影響功率因數(shù)(PF)。
[0003] 圖1是圖示包括EMI降低電容器CjPC2的典型的功率因數(shù)校正器10的示意圖。在到 未示出的LED驅(qū)動(dòng)器的輸入處，電流調(diào)節(jié)器IPFC調(diào)節(jié)PFC變換器電流。LED驅(qū)動(dòng)器輸入電流 正弦曲線（sinusoid)。然而，在高線路電壓和輕負(fù)載的條件下，電容器電流處于支配地位， 引起不良PF。
[0004] 圖2是圖示包括瞬時(shí)功率18、二極管整流器之后的PFC電流20、變換器輸入電流22、 功率因數(shù)電容器電流24以及輸入電壓26的若干波形的圖表。示出的波形與在輕負(fù)載條件下 是典型的調(diào)節(jié)的電流波形對(duì)應(yīng)。凈輸入電流是總和，并且導(dǎo)致應(yīng)用PFC變換器的電壓。例如， 電容器&和(： 2中的電流引起輸入電流形狀在輕負(fù)載時(shí)不與輸入電壓對(duì)準(zhǔn)，并且在高壓線處 變得更差。
[0005] 已知的在到LED驅(qū)動(dòng)器的輸入處實(shí)現(xiàn)良好的PF的方法在范圍和應(yīng)用兩個(gè)方面都受 限制?？蓱?yīng)用的方法通常涉及感測(cè)電容器電流，并且將環(huán)路閉合以采用反饋環(huán)路來(lái)控制平 均輸入電流。然而，該方法未轉(zhuǎn)化成諸如邊界傳導(dǎo)模式升壓變換器或間斷模式反激變換器 的其他已知的功率因數(shù)校正的方法。因此，存在在到LED驅(qū)動(dòng)器的輸入處控制PF的技術(shù)的需 要，該技術(shù)在范圍和應(yīng)用兩個(gè)方面都不受限制，使得該技術(shù)能夠應(yīng)用于更廣泛的一類控制 方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，用于發(fā)光二極管(LED)照明的功率因數(shù)控制器(PFC)包含： 升壓變換器，用于生成升壓電流； 功率變換器，用于生成特定的電流作為可編程電流源； 可編程控制器，用于估計(jì)具有特定時(shí)間間隔的消隱（blanking)相移乘數(shù) (multiplier)； 電流調(diào)節(jié)器，用于生成期望的PFC電流以響應(yīng)于輸入電壓、輸出負(fù)載以及隨后推導(dǎo)的相 移乘數(shù);以及 LED驅(qū)動(dòng)器，其至少部分地基于期望的PFC電流來(lái)操作以響應(yīng)于期望的LED輸入電流。
[0007] 根據(jù)另一實(shí)施例，控制發(fā)光二極管(LED)照明的功率因數(shù)(PF)的方法包含： 經(jīng)由升壓變換器、間斷模式反激變換器或相似的變換器而生成正弦輸入電流； 經(jīng)由可編程控制器而計(jì)算相移以及消隱的乘數(shù)； 基于相移以及消隱的乘數(shù)而調(diào)節(jié)正弦輸入電流，以從其中生成期望的功率因數(shù)控制 (PFC)電流；以及 至少部分地基于期望的PFC電流來(lái)操作LED驅(qū)動(dòng)器以響應(yīng)于期望的輸入電流。
[0008] 根據(jù)又一實(shí)施例，功率因數(shù)控制器(PFC)包含： 升壓變換器、間斷模式反激變換器或相似的基于功率因數(shù)校正拓?fù)涞淖儞Q器，用于生 成編程電流； 可編程控制器，用于估計(jì)相移以及消隱的乘數(shù)；以及 電流調(diào)節(jié)器，用于至少部分地基于編程電流和相移以及消隱的乘數(shù)而生成期望的發(fā)光 二極管(LED)驅(qū)動(dòng)器電流。
[0009] 附圖 在參考附圖而閱讀下面詳細(xì)描述時(shí)，本發(fā)明的這些及其他特征、方面以及優(yōu)點(diǎn)將變得 更好理解，其中： 圖1是圖示用于生成調(diào)節(jié)的正弦電流的常見的輸入濾波器以及功率因數(shù)電流調(diào)節(jié)器的 示意圖； 圖2是圖示包括瞬時(shí)功率、輸入電壓、功率因數(shù)電容器電流、圖1中所描繪的電容器&的 電流以及用于對(duì)功率因數(shù)校正器電流進(jìn)行編程的參考電流的若干波形的圖表； 圖3是圖示假設(shè)不存在整流器的情況下的基于期望的輸入電流和功率因數(shù)校正器輸入 電容器電流的期望的PFC電流的圖表； 圖4是圖示根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的用于對(duì)發(fā)光二極管負(fù)載的正弦AC輸入電流的功率因數(shù)進(jìn) 行控制的系統(tǒng)的框圖； 圖5是圖示根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的微控制器的框圖，該微控制器使用輸入電壓以及電流開 關(guān)感測(cè)輸入信號(hào)來(lái)生成相移正弦波信號(hào)，該相移正弦波信號(hào)傳輸至LED驅(qū)動(dòng)器控制器的乘 數(shù)輸入以對(duì)LED驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制； 圖6是圖示若干波形的圖表，這些波形包括輸入電壓、功率因數(shù)校正電流、圖1中所描繪 的電容器&的電流以及用于對(duì)功率因數(shù)控制器電流進(jìn)行編程的參考電流，但其中參考電流 與移位以及消隱的乘數(shù)相對(duì)應(yīng)，從而產(chǎn)生更加改進(jìn)的功率因數(shù);以及 圖7是隨得到的輸入電流圖示相移以及消隱的乘數(shù)的實(shí)際波形的圖表。
[0010] 雖然上面所識(shí)別的附圖闡述特定的實(shí)施例，但如討論中所注意到的，還預(yù)期本發(fā) 明的其他實(shí)施例。在所有情況下，本公開通過(guò)表示，而非限制來(lái)提出本發(fā)明的所圖示的實(shí)施 例。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠設(shè)計(jì)落入本發(fā)明的原理的范圍和精神內(nèi)的許多其他修改和實(shí)施 例。
[0011] 詳述 再次查看圖1，針對(duì)LED驅(qū)動(dòng)器或AC/DC整流器中的功率因數(shù)校正前端10示出典型的布 置。AC線路12饋送至二極管整流器(或等效的無(wú)橋整流器配置）14中，其中無(wú)源元件的布置 形成輸入濾波器。該布置隨后饋送能夠根據(jù)所編程的參考而使電流消耗成形的升壓變換器 或反激變換器或類似的調(diào)節(jié)器16。
[0012] 通過(guò)首先考慮到其中忽視整流器14的簡(jiǎn)化的情況而能夠更好理解本文中所描述 的概念。圖3是圖示基于期望的LED驅(qū)動(dòng)器或其他負(fù)載輸入電流32和PFC級(jí)電流34的期望的 PFC電流30的圖表。再次參考圖1，在沒(méi)有整流器14的情況下，電容器(^和(：2合并成一個(gè)電容 器，我們將這一個(gè)電容器稱為C IN。因而，能夠通過(guò)假設(shè)如下的方程而確定用來(lái)確保LED驅(qū)動(dòng) 或負(fù)載輸入處的完美的PF的在調(diào)節(jié)器16處產(chǎn)生的期望的PFC電流30: 期望的LED驅(qū)動(dòng)器輸入電流&辦=sL:幽似及方程1 PFC變換器電容器電流K 并且因而，期望的PFC電流你 M處 現(xiàn)在，我們看到，期望的PFC電流18能夠表示為： 如果礙已知的，則為料猶-如編細(xì):。I奪麟。方程4 :: ... 能夠通過(guò)將期望的PFC電流(1/^)30添加到升壓變換器電容器電流34而獲得期望的LED 驅(qū)動(dòng)器輸入電流。
[0013]如果負(fù)載建模為電阻器7??，貝丨J .W O srm確Cy ;方程5 以及 方程6 其導(dǎo)致*雜，其是如方程4中示出的期望的結(jié)果。該結(jié)果與期望的 PFC電流波形精確地匹配，并且是輸入正弦曲線的相移縮放(scaled)版本，并且提供對(duì)所要 求的相移的估計(jì)。該結(jié)果假設(shè)不存在整流器14,并且作為圖示而提供，以幫助更好理解本文 中所描述的概念和原理。
[0014] 現(xiàn)在，前述的概念擴(kuò)展到其中包括二極管整流器14的情況。能夠領(lǐng)會(huì)，一旦添加整 流器14,電流就不能在兩個(gè)方向上流動(dòng)。PFC電流完全變?yōu)檎?，并且，假設(shè)這種情況，圖1中的 輸入電流現(xiàn)在變?yōu)椋?K後:敕:# 4 C丨_^如:￥沒(méi)銀+ 符號(hào)函數(shù)提供展開機(jī)制。然后，期望實(shí)現(xiàn)輸入電流，使得在假設(shè)全效率 的情況下輸送的輸出功率是。因而，必須選擇使得 錢_4_ __ 具有整流器14情況下來(lái)補(bǔ)償超前電容器電流，編程的PFC電流必須在初始相位中變成負(fù)。由 于這在沒(méi)有整流器情況下是不可能的，所以能夠進(jìn)行的最好的是要將電流設(shè)置成零，以創(chuàng) 建消隱相位。因而，除了相移之外，補(bǔ)償非線性的特征現(xiàn)在還需要消隱相位引入。
[0015] 消隱和相移能夠采用模擬電路系統(tǒng)來(lái)根據(jù)一個(gè)實(shí)施例而實(shí)現(xiàn)，或能夠例如使用數(shù) 字微控制器來(lái)根據(jù)另一實(shí)施例而編程。消隱和相移的作用在圖6中示出，在本文中進(jìn)一步詳 細(xì)地描述，其中，輸入電流現(xiàn)在與輸入電壓對(duì)準(zhǔn)。
[0016] 圖4是圖示根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的用于在一個(gè)或多個(gè)LED 42的輕負(fù)載期間對(duì)正弦輸入 電流的功率因數(shù)進(jìn)行控制的系統(tǒng)40的簡(jiǎn)化框圖。諸如參考圖1來(lái)針對(duì)一個(gè)實(shí)施例而描述的， 系統(tǒng)40包含升壓或類似的PFC變換器10,變換器10包括整流器區(qū)段14,整流器區(qū)段14后面有 EMI降低電容器44。系統(tǒng)40還包含電流調(diào)節(jié)器16和PFC控制器46，PFC控制器46被編程以計(jì)算 相移乘數(shù)，例如方程4中所表示的輸入正弦曲線的相移縮放版本。還包括諸如本文中所描述 的適當(dāng)?shù)南[間隔。一個(gè)或多個(gè)LED負(fù)載42基于來(lái)自用戶的調(diào)光輸入48而具有輸出功率變 化。LED負(fù)載功率變化可以作為負(fù)載反饋調(diào)光信號(hào)49而反饋至PFC控制器46。這些反饋信號(hào) 49允許PFC控制器46參考圖2而在本文中討論地那樣估計(jì)Req，并且進(jìn)一步計(jì)算相移乘數(shù)。 [0017]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，諸如圖5中所描繪的微控制器50用于功率因數(shù)控制;并且由微控 制器50所生成的相移正弦/乘數(shù)52傳輸至LED驅(qū)動(dòng)器/控制器56的乘數(shù)輸入?yún)^(qū)段/引腳54,因 而改進(jìn)LED驅(qū)動(dòng)/負(fù)載輸入信號(hào)的PF。更具體地，圖5是圖示根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的微控制器50的 框圖，微控制器50使用輸入電壓和負(fù)載電流開關(guān)傳感輸入信號(hào)58、59來(lái)生成相移正弦波信 號(hào)52,信號(hào)52傳送至用于對(duì)LED驅(qū)動(dòng)器負(fù)載進(jìn)行控制的LED驅(qū)動(dòng)器/控制器56的乘數(shù)輸入引 腳54 〇
[0018] 圖6是圖示根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的升壓變換器調(diào)節(jié)的輸出電流60的圖表，升壓變換器 調(diào)節(jié)的輸出電流60通過(guò)移位乘數(shù)62被支配以生成期望的PFC控制器電流。繼處理之后，升壓 或類似的PFC變換器調(diào)節(jié)的輸出電流60和LED驅(qū)動(dòng)器輸入電壓64彼此同步。升壓或類似的 PFC變換器調(diào)節(jié)的輸出電流60的微降（dip)66是由與移位乘數(shù)62相關(guān)聯(lián)的零交叉引起，并且 對(duì)LED驅(qū)動(dòng)器輸入電流有最小的影響。
[0019] 本文中所描述的實(shí)施例假設(shè)能夠使PFC電流成形。能夠領(lǐng)會(huì)，線路電壓零交叉可以 防止使PFC電流的某個(gè)部分例如圖6中所描繪的部分66成形。本文中所描述的實(shí)施例還可以 使用負(fù)載電流估計(jì)。根據(jù)一些方面，能夠使用與升壓開關(guān)串聯(lián)的電阻器來(lái)從一個(gè)或多個(gè)次 級(jí)或輸入電流而估計(jì)一個(gè)或多個(gè)負(fù)載電流。
[0020] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，LED驅(qū)動(dòng)器微控制器采用數(shù)字到模擬的變換器(DAC)，即使DAC具 有低分辨率，其也能夠生成正弦波并且實(shí)現(xiàn)在60Hz的良好的分辨率。這類實(shí)施例能夠用來(lái) 以能夠用來(lái)使用本文中所描述的原理來(lái)估計(jì)PFC電流I pfc的方式準(zhǔn)確地確定輸入電流和輸 入電壓。
[0021] 圖7是圖示與AC線路72同步的縮放乘數(shù)70的圖表?？s放乘數(shù)70在循環(huán)的第一部分 期間補(bǔ)償電容器電流，這引起線路電流74與線路電壓72不同步。根據(jù)一些實(shí)施例，本文中所 描述的原理能夠用來(lái)實(shí)現(xiàn)峰值電流控制或平均電流控制。部分成形允許在期望的點(diǎn)處將電 容器補(bǔ)償插入。此外，可編程的插入能夠有利地補(bǔ)償線路和負(fù)載變量例如電流和電壓的函 數(shù)。
[0022] 雖然根據(jù)各種具體的實(shí)施例而描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，在權(quán) 利要求的精神和范圍內(nèi)，能夠采用修改來(lái)實(shí)施本發(fā)明。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于預(yù)定的電力負(fù)載的功率因數(shù)校正器(PFC)，所述PFC包含： 升壓或類似的PFC變換器，用于生成控制的輸入電流； 可編程控制器，用于實(shí)現(xiàn)所述升壓或類似的PFC變換器的參考電流信號(hào)，其中，所述參 考電流信號(hào)由可預(yù)設(shè)的相移和消隱間隔定義；W及 電流調(diào)節(jié)器，用于生成期望的PFC電流W響應(yīng)于與所述預(yù)定的電力負(fù)載相關(guān)聯(lián)的負(fù)載 電流、與所述升壓或類似的PFC變換器相關(guān)聯(lián)的輸入電壓W及所述參考電流信號(hào)，其中，所 述控制的輸入電流至少部分地基于所述期望的PFC電流。2. 如權(quán)利要求1所述的PFC，其中，所述升壓或類似的PFC變換器包含至少一個(gè)電磁干擾 (EMI)降低電容器，其中，在輕電力負(fù)載期間，與所述至少一個(gè)EMI降低電容器相關(guān)聯(lián)的電流 支配所述控制的輸入電流，并且進(jìn)一步其中，輕負(fù)載定義為其中進(jìn)入所述EMI電容器中的所 述輸入電流的百分比與輸送至所述電力負(fù)載的輸入電流的比例在幅值上是可比較的負(fù)載 電流條件，并且在更高的線路電壓和更輕的負(fù)載下例如輕調(diào)光期間可能更差。3. 如權(quán)利要求2所述的PFC，其中，所述期望的PFC電流至少部分地基于所述至少一個(gè) EMI降低電容器電流。4. 如權(quán)利要求3所述的PFC，其中，所述期望的PFC電流進(jìn)一步至少部分地基于所述控制 的輸入電流。5. 如權(quán)利要求1所述的PFC，其中，所述預(yù)定的電力負(fù)載包含響應(yīng)于所述參考電流信號(hào) 而使L邸驅(qū)動(dòng)器輸入電流移位的微控制器。6. 如權(quán)利要求1所述的PFC，其中，所述期望的PFC電流遵循從輸入正弦曲線和所述輸出 負(fù)載推導(dǎo)的所述參考電流信號(hào)，其中，所述參考電流信號(hào)包含相^， 并且進(jìn)一步其中，Req是建模為電阻器的電力負(fù)載，/?頻率，并且C/A是PFC變換器輸入電容。7. 如權(quán)利要求6所述的PFC，其中，所述參考電流信號(hào)具有與電容器電流的峰值對(duì)應(yīng)的 預(yù)定義的消隱時(shí)期。8. 如權(quán)利里術(shù)7配WtPFr _甘由_化成配Ji日坦於TPFP由施Dl耐而平配'嗎隱時(shí)期和所 述相移，使得 中，C/和仿是 PFC變換器輸入電容，是與G和技相關(guān)聯(lián)的電容器電壓，并且，惠(!識(shí)/ 化M是符號(hào)函數(shù)。9. 如權(quán)利要求1所述的PFC，其中，所述預(yù)定的電力負(fù)載包含發(fā)光二極管(LED)驅(qū)動(dòng)器。10. -種對(duì)電力負(fù)載的功率因數(shù)(P巧進(jìn)行控制的方法，所述方法包含： 經(jīng)由PFC變換器而生成正弦輸入電流； 經(jīng)由可編程控制器而計(jì)算相移W及消隱的電流參考； 基于所述相移W及消隱的電流參考而調(diào)節(jié)所述正弦輸入電流，W從其中生成期望的功 率因數(shù)控制(PFC)電流;W及 至少部分地基于所述期望的PFC電流來(lái)操作電力負(fù)載W響應(yīng)于期望的輸入電流。11. 如權(quán)利要求10所述的方法，還包含： 經(jīng)由集成有所述PFC變換器的電磁干擾(EMI)電容器而產(chǎn)生PFC電容器電流；W及 基于所述PFC電容器電流和所述期望的輸入電流而計(jì)算所述期望的PFC電流。12. 如權(quán)利要求10所述的方法，其中，基于所述相移W及消隱的電流參考而調(diào)節(jié)所述正 弦輸入電流W從其中生成期望的PFC電流包含響應(yīng)于所述相移W及消隱的電流參考而使所 述正弦輸入電流移位。13. 如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述期望的PFC電流遵循從輸入正弦曲線和所述 輸出負(fù)載推導(dǎo)的信號(hào)，其中，所述電流參考包含定義為潛游K'架祕(mì)3?^斯如:如的相移，并 且進(jìn)一步其中，Req是建模為電阻器的電力負(fù)載，/?頻率，并且CiA是PFC變換器輸入電容。14. 如權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述期望的PFC電流信號(hào)參考具有與電容器電流 的所述峰值對(duì)應(yīng)的預(yù)定義的消隱時(shí)期。15. -種功率因數(shù)控制器(PFC)，包含： 升壓或類似的PFC變換器，用于生成期望的負(fù)載輸入電流； 可編程控制器，用于估計(jì)相移W及消隱的電流參考；W及 電流調(diào)節(jié)器，用于至少部分地基于所述相移W及消隱的電流參考而生成期望的PFC電 流，其中，所述期望的負(fù)載輸入電流至少部分地基于所述期望的PFC電流。16. 如權(quán)利要求15所述的PFC，其中，所述期望的負(fù)載輸入電流進(jìn)一步基于在Lm)驅(qū)動(dòng)器 的輕負(fù)載期間支配所生成的負(fù)載輸入電流的至少一個(gè)電容器電流，其中，輕負(fù)載被定義為 其中進(jìn)入EMI電容器中的輸入電流的百分比與輸送至所述負(fù)載的輸入電流的比例在幅值上 是可比較的負(fù)載電流條件，并且進(jìn)一步其中，諸如在輕調(diào)光期間在高壓線路電壓和更輕的 負(fù)載，所述負(fù)載電流條件可能更差。17. 如權(quán)利要求15所述的PFC，其中，所述負(fù)載包含響應(yīng)于所述相移W及消隱的電流參 考而使輸入電流成形W生成所述期望的負(fù)載輸入電流的微控制器。18. 如權(quán)利要求15所述的PFC，其中，所述負(fù)載包含發(fā)光二極管(LED)驅(qū)動(dòng)器。19. 如權(quán)利要求1 5所述的P F C，其中，生成所述期望的P F C電流，使得庚中，C/和技是PFC變換器輸入 電容，^^是與礎(chǔ)日技相關(guān)聯(lián)的電容器電壓，并且游|沒(méi)^^^是符號(hào)函數(shù)。20. 如權(quán)利要求15所述的PFC，其中，所述期望的PFC電流牽A部A郵甚干所述期望的負(fù) 載輸入電流，其中，所述期望的PFC電流Ipfc近似為定義為的正弦曲線，其 中，并且Req是建模為電阻器的負(fù)載，/電頻率，并且C/*是PFC變換 器輸入電容。
【文檔編號(hào)】H05B33/08GK105917563SQ201580006040
【公開日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2015年1月12日
【發(fā)明人】R.拉馬巴蘭, 姚剛, B.R.羅伯茨, J.J.納薩多斯基
【申請(qǐng)人】通用電氣公司