[發明專利]具有對于快速動態負載響應的適應性輸出電壓極限的高功率因數功率變換器

有效

• 申請號: 201580022396.2
• 申請日: 2015-07-08
• 公開（公告）號: CN107005149B
• 公開（公告）日: 2019-11-05
• 發明（設計）人: 葉知秋;陳一民;王乃龍;高小林
• 申請（專利權）人: 戴洛格半導體公司;戴洛格半導體（英國）有限公司
• 主分類號: H02M1/14
• 分類號: H02M1/14;H02M7/217
• 代理公司: 北京派特恩知識產權代理有限公司 11270
• 代理人: 康艷青;姚開麗

提供了一種開關功率變換器，其響應于輸出電壓與上輸出電壓極限和下輸出電壓極限的比較以在輸出電壓的低帶寬PI控制和高速控制之間切換。所述開關功率變換器響應于負載需求調適上電壓極限和下電壓極限。

技術領域

本申請涉及開關功率變換器，更具體地，涉及具有適應性輸出電壓極限的開關功率變換器。

背景技術

單級AC-DC功率變換是低成本并且因此受歡迎的電源拓撲。單級AC-DC功率開關變換器的一個重要參數是其功率因數，功率因數是由交流干線輸送到單級AC-DC開關功率變換器的實際功率相比于輸送到AC-DC開關功率變換器的視在功率的比率。與實際功率相反，視在功率對輸入電流和電壓之間的定相不敏感。因此，如果輸入電流和電壓是異相的，則會降低功率因數。到單級AC-DC開關功率變換器的整流的輸入電壓以對于AC干線兩倍的頻率從約零伏循環到峰值線路電壓(例如，在美國為120V*1.414)。考慮到整流的輸入電壓的這種正弦脈動或循環，輸入電流應當具有類似的分布以例如通過使用合適的峰值電流或恒定導通時間控制方法來取得高功率因數。

盡管單級AC-DC功率變換可因此提供高功率因數，但是為匹配整流的輸入電壓循環而對輸入電流的整形使得輸出電壓在某個標稱輸出值左右形成紋波。如果單級AC-DC開關功率變換器中的控制環路具有大于AC干線頻率的兩倍的帶寬，則其將采取行動以抑制這種輸出電壓紋波。但是在該情形中，由于輸入電流將不再具有與整流的輸入電壓的正弦分布相同的整流的正弦分布，因此功率因數將下降。因此，單級AC-DC開關功率變換器中控制環路的帶寬必須小于線路頻率的兩倍以取得高功率因數。產生的控制環路通常使用比例-積分(PI)控制器來實現。

然而，對于負載瞬變的響應來說，PI控制器的相對緩慢的響應速度是成問題的。例如，負載可能從對于功率相對輕的需求突然增加到相對高的需求。相反，在負載處高需求可能突然改變到低功率需求。為了適應這些瞬態改變，常規地將輸出電壓與上輸出電壓極限及下輸出電壓極限進行比較。輸出電壓極限也可以表示為輸出電壓閾值。如果輸出電壓反饋信號指示輸出電壓已經下降到下輸出電壓極限之下或上升到上輸出電壓極限之上，則顯著增加控制器響應速度。例如，如果越過下輸出電壓極限，則可對每個功率開關循環使用最大開關導通時間。類似地，如果超出上輸出電壓極限，則可以對每個功率開關循環使用最小導通時間。在輸出電壓恢復成使得輸出電壓反饋信號處于上電壓極限和下電壓極限之間之后，可以重新開始低帶寬PI控制。

盡管通過使用上電壓極限和下電壓極限實現的控制上的改變因此適應單級高功率因數校正(PFC)AC-DC功率變換器中的負載瞬變，但是輸出電壓將趨于下沖超過下輸出電壓極限并過沖超過上輸出電壓極限。例如，圖1示出了用于常規的高PFC AC-DC功率變換器的輸出電壓，其用于初始輕負載電流，該初始輕負載電流之后突然需求重負載電流。在重負載時段期間輸出電壓的上極限和下極限必須提供充足裕量以進行正常操作。例如，常規地，峰值輸出電壓和上輸出電壓極限之間的裕量至少為標稱輸出電壓(輸出電壓的DC平均值)的5％。同樣，常規地，最小輸出電壓與下輸出電壓極限之間的裕量至少為標稱輸出電壓的5％。在重負載操作期間，輸出電壓紋波自己可以為標稱輸出電壓的5％。但是在輕負載操作期間，輸出紋波明顯小于在重負載操作期間觀察到的5％紋波。在低負載操作期間下輸出電壓極限和V_輸出的最小值之間的裕量將因此是重要的。在V_輸出因重負載的施加而改變時，V_輸出因此趨于下沖過下輸出電壓極限。在這個點處，將常規的PI控制停止，以使得可以按上面討論地應用最大功率循環(或響應增益的增加)。輸出電壓將最終會恢復，因此常規PI控制可重新開始。當輸出電壓擺動到其期望最小值之下時，這種下沖是成問題的。

因此，在本技術領域中存在對于單級AC-DC功率變換器的改善瞬態響應的需要。

發明內容

提供了一種單級開關功率變換器，其適應性地改變用于區分輸出電壓的低帶寬PI控制和高速控制的上輸出電壓極限和下輸出電壓極限。產生的適應性輸出電壓極限減輕了常規的高功率因數單級AC-DC功率變換器遭受的輸出電壓過沖和下沖的問題。