补偿电力负载的功率因数的系统及方法
【专利摘要】用于诸如LED照明的电力负载的功率因数控制器（PFC）包括用于生成正弦输入电流的功率因数校正变换器。PFC还包括用于估计相移乘数的可编程控制器。电流调节器响应于输入电压、输出负载以及相移以及随后消隐的乘数而生成期望的PFC电流。电力负载至少部分地基于期望的PFC电流来操作以响应于正弦输入电流。
【专利说明】补偿电力负载的功率因数的系统及方法 技术背景
[0001] 本公开的主题一般涉及功率因数校正，并且更具体地涉及用于LED驱动器的轻负 载期间补偿诸如LED驱动器输入的电力负载中的超前电流的系统及方法。
[0002] 功率因数校正器(PFC)是众所周知的。升压变换器、反激变换器以及其他拓扑通常 用来为从AC线路供电的装置提供功率因数校正。输入电容器通常放置于升压或其他PFC变 换器中的整流器前面和后面，以控制电磁干扰(EMI)。输入电容器不利影响功率因数(PF)。
[0003] 图1是图示包括EMI降低电容器CjPC2的典型的功率因数校正器10的示意图。在到 未示出的LED驱动器的输入处，电流调节器IPFC调节PFC变换器电流。LED驱动器输入电流 正弦曲线（sinusoid)。然而，在高线路电压和轻负载的条件下，电容器电流处于支配地位， 引起不良PF。
[0004] 图2是图示包括瞬时功率18、二极管整流器之后的PFC电流20、变换器输入电流22、 功率因数电容器电流24以及输入电压26的若干波形的图表。示出的波形与在轻负载条件下 是典型的调节的电流波形对应。净输入电流是总和，并且导致应用PFC变换器的电压。例如， 电容器&和(： 2中的电流引起输入电流形状在轻负载时不与输入电压对准，并且在高压线处 变得更差。
[0005] 已知的在到LED驱动器的输入处实现良好的PF的方法在范围和应用两个方面都受 限制。可应用的方法通常涉及感测电容器电流，并且将环路闭合以采用反馈环路来控制平 均输入电流。然而，该方法未转化成诸如边界传导模式升压变换器或间断模式反激变换器 的其他已知的功率因数校正的方法。因此，存在在到LED驱动器的输入处控制PF的技术的需 要，该技术在范围和应用两个方面都不受限制，使得该技术能够应用于更广泛的一类控制 方法。
【发明内容】
[0006] 根据一个实施例，用于发光二极管(LED)照明的功率因数控制器(PFC)包含： 升压变换器，用于生成升压电流； 功率变换器，用于生成特定的电流作为可编程电流源； 可编程控制器，用于估计具有特定时间间隔的消隐（blanking)相移乘数 (multiplier)； 电流调节器，用于生成期望的PFC电流以响应于输入电压、输出负载以及随后推导的相 移乘数;以及 LED驱动器，其至少部分地基于期望的PFC电流来操作以响应于期望的LED输入电流。
[0007] 根据另一实施例，控制发光二极管(LED)照明的功率因数(PF)的方法包含： 经由升压变换器、间断模式反激变换器或相似的变换器而生成正弦输入电流； 经由可编程控制器而计算相移以及消隐的乘数； 基于相移以及消隐的乘数而调节正弦输入电流，以从其中生成期望的功率因数控制 (PFC)电流；以及 至少部分地基于期望的PFC电流来操作LED驱动器以响应于期望的输入电流。
[0008] 根据又一实施例，功率因数控制器(PFC)包含： 升压变换器、间断模式反激变换器或相似的基于功率因数校正拓扑的变换器，用于生 成编程电流； 可编程控制器，用于估计相移以及消隐的乘数；以及 电流调节器，用于至少部分地基于编程电流和相移以及消隐的乘数而生成期望的发光 二极管(LED)驱动器电流。
[0009] 附图 在参考附图而阅读下面详细描述时，本发明的这些及其他特征、方面以及优点将变得 更好理解，其中： 图1是图示用于生成调节的正弦电流的常见的输入滤波器以及功率因数电流调节器的 示意图； 图2是图示包括瞬时功率、输入电压、功率因数电容器电流、图1中所描绘的电容器&的 电流以及用于对功率因数校正器电流进行编程的参考电流的若干波形的图表； 图3是图示假设不存在整流器的情况下的基于期望的输入电流和功率因数校正器输入 电容器电流的期望的PFC电流的图表； 图4是图示根据一个实施例的用于对发光二极管负载的正弦AC输入电流的功率因数进 行控制的系统的框图； 图5是图示根据一个实施例的微控制器的框图，该微控制器使用输入电压以及电流开 关感测输入信号来生成相移正弦波信号，该相移正弦波信号传输至LED驱动器控制器的乘 数输入以对LED驱动器进行控制； 图6是图示若干波形的图表，这些波形包括输入电压、功率因数校正电流、图1中所描绘 的电容器&的电流以及用于对功率因数控制器电流进行编程的参考电流，但其中参考电流 与移位以及消隐的乘数相对应，从而产生更加改进的功率因数;以及 图7是随得到的输入电流图示相移以及消隐的乘数的实际波形的图表。
[0010] 虽然上面所识别的附图阐述特定的实施例，但如讨论中所注意到的，还预期本发 明的其他实施例。在所有情况下，本公开通过表示，而非限制来提出本发明的所图示的实施 例。本领域技术人员能够设计落入本发明的原理的范围和精神内的许多其他修改和实施 例。
[0011] 详述 再次查看图1，针对LED驱动器或AC/DC整流器中的功率因数校正前端10示出典型的布 置。AC线路12馈送至二极管整流器(或等效的无桥整流器配置）14中，其中无源元件的布置 形成输入滤波器。该布置随后馈送能够根据所编程的参考而使电流消耗成形的升压变换器 或反激变换器或类似的调节器16。
[0012] 通过首先考虑到其中忽视整流器14的简化的情况而能够更好理解本文中所描述 的概念。图3是图示基于期望的LED驱动器或其他负载输入电流32和PFC级电流34的期望的 PFC电流30的图表。再次参考图1，在没有整流器14的情况下，电容器(^和(：2合并成一个电容 器，我们将这一个电容器称为C IN。因而，能够通过假设如下的方程而确定用来确保LED驱动 或负载输入处的完美的PF的在调节器16处产生的期望的PFC电流30: 期望的LED驱动器输入电流&辦=sL:幽似及方程1 PFC变换器电容器电流K 并且因而，期望的PFC电流你 M处 现在，我们看到，期望的PFC电流18能够表示为： 如果礙已知的，则為料猶-如編細:。I夺麟。方程4 :: ... 能够通过将期望的PFC电流(1/^)30添加到升压变换器电容器电流34而获得期望的LED 驱动器输入电流。
[0013]如果负载建模为电阻器7??，贝丨J .W O srm確Cy ;方程5 以及 方程6 其导致*雜，其是如方程4中示出的期望的结果。该结果与期望的 PFC电流波形精确地匹配，并且是输入正弦曲线的相移缩放(scaled)版本，并且提供对所要 求的相移的估计。该结果假设不存在整流器14,并且作为图示而提供，以帮助更好理解本文 中所描述的概念和原理。
[0014] 现在，前述的概念扩展到其中包括二极管整流器14的情况。能够领会，一旦添加整 流器14,电流就不能在两个方向上流动。PFC电流完全变为正，并且，假设这种情况，图1中的 输入电流现在变为： K後:敕:# 4 C丨_^如:￥沒银+ 符号函数提供展开机制。然后，期望实现输入电流，使得在假设全效率 的情况下输送的输出功率是。因而，必须选择使得 錢_4_ __ 具有整流器14情况下来补偿超前电容器电流，编程的PFC电流必须在初始相位中变成负。由 于这在没有整流器情况下是不可能的，所以能够进行的最好的是要将电流设置成零，以创 建消隐相位。因而，除了相移之外，补偿非线性的特征现在还需要消隐相位引入。
[0015] 消隐和相移能够采用模拟电路系统来根据一个实施例而实现，或能够例如使用数 字微控制器来根据另一实施例而编程。消隐和相移的作用在图6中示出，在本文中进一步详 细地描述，其中，输入电流现在与输入电压对准。
[0016] 图4是图示根据一个实施例的用于在一个或多个LED 42的轻负载期间对正弦输入 电流的功率因数进行控制的系统40的简化框图。诸如参考图1来针对一个实施例而描述的， 系统40包含升压或类似的PFC变换器10,变换器10包括整流器区段14,整流器区段14后面有 EMI降低电容器44。系统40还包含电流调节器16和PFC控制器46，PFC控制器46被编程以计算 相移乘数，例如方程4中所表示的输入正弦曲线的相移缩放版本。还包括诸如本文中所描述 的适当的消隐间隔。一个或多个LED负载42基于来自用户的调光输入48而具有输出功率变 化。LED负载功率变化可以作为负载反馈调光信号49而反馈至PFC控制器46。这些反馈信号 49允许PFC控制器46参考图2而在本文中讨论地那样估计Req，并且进一步计算相移乘数。 [0017]根据一个实施例，诸如图5中所描绘的微控制器50用于功率因数控制;并且由微控 制器50所生成的相移正弦/乘数52传输至LED驱动器/控制器56的乘数输入区段/引脚54,因 而改进LED驱动/负载输入信号的PF。更具体地，图5是图示根据一个实施例的微控制器50的 框图，微控制器50使用输入电压和负载电流开关传感输入信号58、59来生成相移正弦波信 号52,信号52传送至用于对LED驱动器负载进行控制的LED驱动器/控制器56的乘数输入引 脚54 〇
[0018] 图6是图示根据一个实施例的升压变换器调节的输出电流60的图表，升压变换器 调节的输出电流60通过移位乘数62被支配以生成期望的PFC控制器电流。继处理之后，升压 或类似的PFC变换器调节的输出电流60和LED驱动器输入电压64彼此同步。升压或类似的 PFC变换器调节的输出电流60的微降（dip)66是由与移位乘数62相关联的零交叉引起，并且 对LED驱动器输入电流有最小的影响。
[0019] 本文中所描述的实施例假设能够使PFC电流成形。能够领会，线路电压零交叉可以 防止使PFC电流的某个部分例如图6中所描绘的部分66成形。本文中所描述的实施例还可以 使用负载电流估计。根据一些方面，能够使用与升压开关串联的电阻器来从一个或多个次 级或输入电流而估计一个或多个负载电流。
[0020] 根据一个实施例，LED驱动器微控制器采用数字到模拟的变换器(DAC)，即使DAC具 有低分辨率，其也能够生成正弦波并且实现在60Hz的良好的分辨率。这类实施例能够用来 以能够用来使用本文中所描述的原理来估计PFC电流I pfc的方式准确地确定输入电流和输 入电压。
[0021] 图7是图示与AC线路72同步的缩放乘数70的图表。缩放乘数70在循环的第一部分 期间补偿电容器电流，这引起线路电流74与线路电压72不同步。根据一些实施例，本文中所 描述的原理能够用来实现峰值电流控制或平均电流控制。部分成形允许在期望的点处将电 容器补偿插入。此外，可编程的插入能够有利地补偿线路和负载变量例如电流和电压的函 数。
[0022] 虽然根据各种具体的实施例而描述了本发明，但本领域技术人员将认识到，在权 利要求的精神和范围内，能够采用修改来实施本发明。
【主权项】
1. 一种用于预定的电力负载的功率因数校正器(PFC)，所述PFC包含： 升压或类似的PFC变换器，用于生成控制的输入电流； 可编程控制器，用于实现所述升压或类似的PFC变换器的参考电流信号，其中，所述参 考电流信号由可预设的相移和消隐间隔定义；W及 电流调节器，用于生成期望的PFC电流W响应于与所述预定的电力负载相关联的负载 电流、与所述升压或类似的PFC变换器相关联的输入电压W及所述参考电流信号，其中，所 述控制的输入电流至少部分地基于所述期望的PFC电流。2. 如权利要求1所述的PFC，其中，所述升压或类似的PFC变换器包含至少一个电磁干扰 (EMI)降低电容器，其中，在轻电力负载期间，与所述至少一个EMI降低电容器相关联的电流 支配所述控制的输入电流，并且进一步其中，轻负载定义为其中进入所述EMI电容器中的所 述输入电流的百分比与输送至所述电力负载的输入电流的比例在幅值上是可比较的负载 电流条件，并且在更高的线路电压和更轻的负载下例如轻调光期间可能更差。3. 如权利要求2所述的PFC，其中，所述期望的PFC电流至少部分地基于所述至少一个 EMI降低电容器电流。4. 如权利要求3所述的PFC，其中，所述期望的PFC电流进一步至少部分地基于所述控制 的输入电流。5. 如权利要求1所述的PFC，其中，所述预定的电力负载包含响应于所述参考电流信号 而使L邸驱动器输入电流移位的微控制器。6. 如权利要求1所述的PFC，其中，所述期望的PFC电流遵循从输入正弦曲线和所述输出 负载推导的所述参考电流信号，其中，所述参考电流信号包含相^， 并且进一步其中，Req是建模为电阻器的电力负载，/?频率，并且C/A是PFC变换器输入电容。7. 如权利要求6所述的PFC，其中，所述参考电流信号具有与电容器电流的峰值对应的 预定义的消隐时期。8. 如权利里术7配WtPFr _甘由_化成配Ji日坦於TPFP由施Dl耐而平配'吗隐时期和所 述相移，使得 中，C/和仿是 PFC变换器输入电容，是与G和技相关联的电容器电压，并且，惠(!识/ 化M是符号函数。9. 如权利要求1所述的PFC，其中，所述预定的电力负载包含发光二极管(LED)驱动器。10. -种对电力负载的功率因数(P巧进行控制的方法，所述方法包含： 经由PFC变换器而生成正弦输入电流； 经由可编程控制器而计算相移W及消隐的电流参考； 基于所述相移W及消隐的电流参考而调节所述正弦输入电流，W从其中生成期望的功 率因数控制(PFC)电流;W及 至少部分地基于所述期望的PFC电流来操作电力负载W响应于期望的输入电流。11. 如权利要求10所述的方法，还包含： 经由集成有所述PFC变换器的电磁干扰(EMI)电容器而产生PFC电容器电流；W及 基于所述PFC电容器电流和所述期望的输入电流而计算所述期望的PFC电流。12. 如权利要求10所述的方法，其中，基于所述相移W及消隐的电流参考而调节所述正 弦输入电流W从其中生成期望的PFC电流包含响应于所述相移W及消隐的电流参考而使所 述正弦输入电流移位。13. 如权利要求11所述的方法，其中，所述期望的PFC电流遵循从输入正弦曲线和所述 输出负载推导的信号，其中，所述电流参考包含定义为潛游K'架祕3?^斯如:如的相移，并 且进一步其中，Req是建模为电阻器的电力负载，/?频率，并且CiA是PFC变换器输入电容。14. 如权利要求13所述的方法，其中，所述期望的PFC电流信号参考具有与电容器电流 的所述峰值对应的预定义的消隐时期。15. -种功率因数控制器(PFC)，包含： 升压或类似的PFC变换器，用于生成期望的负载输入电流； 可编程控制器，用于估计相移W及消隐的电流参考；W及 电流调节器，用于至少部分地基于所述相移W及消隐的电流参考而生成期望的PFC电 流，其中，所述期望的负载输入电流至少部分地基于所述期望的PFC电流。16. 如权利要求15所述的PFC，其中，所述期望的负载输入电流进一步基于在Lm)驱动器 的轻负载期间支配所生成的负载输入电流的至少一个电容器电流，其中，轻负载被定义为 其中进入EMI电容器中的输入电流的百分比与输送至所述负载的输入电流的比例在幅值上 是可比较的负载电流条件，并且进一步其中，诸如在轻调光期间在高压线路电压和更轻的 负载，所述负载电流条件可能更差。17. 如权利要求15所述的PFC，其中，所述负载包含响应于所述相移W及消隐的电流参 考而使输入电流成形W生成所述期望的负载输入电流的微控制器。18. 如权利要求15所述的PFC，其中，所述负载包含发光二极管(LED)驱动器。19. 如权利要求1 5所述的P F C，其中，生成所述期望的P F C电流，使得庚中，C/和技是PFC变换器输入 电容，^^是与础日技相关联的电容器电压，并且游|没^^^是符号函数。20. 如权利要求15所述的PFC，其中，所述期望的PFC电流牵A部A邮甚干所述期望的负 载输入电流，其中，所述期望的PFC电流Ipfc近似为定义为的正弦曲线，其 中，并且Req是建模为电阻器的负载，/電频率，并且C/*是PFC变换 器输入电容。
【文档编号】H05B33/08GK105917563SQ201580006040
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2015年1月12日
【发明人】R.拉马巴兰, 姚刚, B.R.罗伯茨, J.J.纳萨多斯基
【申请人】通用电气公司