具有保持时间的交错的升压转换器的制作方法

该文件一般地但不限于电子电源，更具体地说，涉及功率因数校正电路。

背景技术：

电源通常将交流电源转换为直流电源以供电子设备使用。电源的结构和操作可引入谐波并导致交流(ac)源提供的电压的相位与从ac电源汲取的电流的相位之间的差异，从而降低功率因数，并因此降低电源的效率。功率因数校正电路，例如升压转换器，可用于通过减小这些相位差并抵消谐波的影响来校正或改善电源的功率因数。例如，升压转换器电路中的电感器可以在一个频率下在充电状态和放电状态之间切换，并且具有调制的占空比，其被选择为使电源产生大致恒定的输出。电压同时使流过电感器的平均电流与预期的电感器电流(例如，与ac电源电压同相的电流)对准或匹配。由于通过电感器的电流来自ac电源，因此将平均电感器电流与ac电源电压对准可以使ac电源电流与ac电源电压对准，从而改善电源的功率因数。通过交错例如两个升压转换器的操作，可以进一步改善电源的功率因数和总效率。

工业法规和设备要求可能需要电源以在ac源中的故障条件期间(例如，ac电源电压中的丢失)维持经调节的输出电压达阈值时间段(例如保持时间间隔)。满足这些要求的技术可以包括将能量存储装置(例如电容器)添加到电源以在输入电源故障期间延长保持时间。然而，增加的储能装置可以增加电源的尺寸和成本。另外，增加的储能装置可以通过降低其电源的功率因数来降低电源效率。例如，添加到电源输出以延长保持时间的存储电容器可以有助于提供给电源的ac电源电压和由电源汲取的ac电源电流之间的相位差。

技术实现要素：

本公开基于下列认识：用于为输入电源中的故障条件提供容差的功率因数校正装置可以包括第一升压电路、第二升压电路和控制器电路。控制器电路可被配置为当在所述功率因数校正装置接收到所述输入电源时，所述第一升压电路的操作和所述第二升压电路的操作交错以产生输出电压。控制器电路还可被配置为响应所述故障条件路由所述第二升压电路的存储电源到所述第一升压电路的输入。控制器电路可另外被配置为控制所述第一升压电路以保持所述输出电压。

本公开还基于下列认识：一种被配置为向输入电源中的故障条件提供容差的系统可包括输入电源和功率因数校正电路。功率因数校正电路可以包括第一升压电路、第二升压电路和控制器电路。控制器电路可被配置为当在所述功率因数校正装置接收到所述输入电源时，所述第一升压电路的操作和所述第二升压电路的操作交错以产生输出电压。控制器电路还可被配置为响应所述故障条件路由所述第二升压电路的存储电源到所述第一升压电路的输入。控制器电路可另外被配置为控制所述第一升压电路以保持所述输出电压。

本公开另外基于下列认识：用于操作功率因数校正装置以向输入电源中的故障条件提供容差的方法可包括交错第一升压电路的操作和第二升压电路的操作以从输入电源产生输出电压。该方法还可包括检测所述输入电源的故障条件。该方法另外可包括响应检测的故障条件路由所述第二升压电路的存储电源到所述第一升压电路的输入以维持所述输出电压。

该概述旨在提供本专利申请的主题的概述。其目的不是提供对本发明的排他性或详尽的解释。包括详细描述以提供关于本专利申请的进一步信息。

附图说明

图1描绘了具有配置有集成保持时间扩展电路的功率因数校正电路的示例系统的框图。

图2描绘了具有交错的升压转换器和集成的保持时间扩展电路的功率因数校正电路的示例的框图。

图3描绘了具有交错的升压转换器和集成的保持时间扩展电路的功率因数校正电路的控制电路的框图。

图4描绘了具有功率因数校正电路和被配置为以交错模式操作的集成保持时间扩展电路的系统的示意图的示例，其中功率因数校正电路具有交错的升压转换器。

图5描绘了具有功率因数校正电路和被配置为以保持时间扩展模式操作的集成保持时间扩展电路的系统的示意图的示例，其中功率因数校正电路具有交错的升压转换器。

图6描绘了具有带有交错的升压转换器的功率因数校正电路和具有半导体开关和控制电路的集成保持时间扩展电路的系统的示意图的示例。

图7描绘了用于操作具有交错的升压转换器和集成的保持时间扩展电路的功率因数校正电路的一组操作。

在不一定按比例绘制的附图中，相同的数字可以描述不同视图中的类似组件。具有不同字母后缀的相同数字可表示类似组件的不同实例。附图通过示例而非限制的方式示出了本文件中讨论的各种实施例。

具体实施方式

本公开基于下列认识：用于为输入电源中的故障条件提供容差的功率因数校正装置可以包括第一升压电路、第二升压电路和控制器电路。控制器电路可被配置为当在所述功率因数校正装置接收到所述输入电源时，所述第一升压电路的操作和所述第二升压电路的操作交错以产生输出电压。控制器电路还可被配置为响应所述故障条件路由所述第二升压电路的存储电源到所述第一升压电路的输入。控制器电路可另外被配置为控制所述第一升压电路以保持所述输出电压。

在延长由电源(例如线性电源，其被配置为将输入电源(例如，ac线电压)转换为用于操作电子设备的dc电源)产生的输出电压的保持时间(例如在输入电源故障期间)的背景下，可以理解本技术。这种电子设备可以包括安全系统、电子医疗设备、工业机器、消费电子产品和计算系统。将保持时间扩展电路集成到用作功率因数校正电路的交错的升压转换器中，与其他解决方案相比，可以在电源的故障条件期间以更低的成本和尺寸延长保持时间。交错的升压转换器电路的一对升压转换器中的每一个中的现有输出电容器可以分别作为用于维持输出电压的主要储能装置操作以保持输出电压，并且作为二次储能装置，用于对主储能装置进行再充电以延长保持时间。例如，在电源故障期间，二次储能装置可以作为具有主储能装置的升压转换器的输入操作，从而使储存在二次储能装置中的能量通过升压转换器排放到主储能装置中。通过使用功率因数校正电路的现有组件来扩展保持时间，本技术可以提供能够符合或超过工业和产品要求的电力系统，包括电源，例如效率和保持时间，例如降低成本和尺寸。

为了便于讨论，这里使用术语保持时间，然而，应当理解，本技术对于满足其他输入电源或电源、故障容差要求也是有用的。

现在参考附图，图1描绘了具有配置有集成保持时间扩展电路的功率因数校正电路110的系统100的示例的框图。系统100可包括输入电源105、功率因数校正电路110、负载120和控制电路125。系统100可以表示电力系统的一般应用，其中输入电源105(例如，ac电源)在控制电路125的控制下由功率因数校正电路110调节，以向负载120提供输出电压。

输入电源105可以是配置成提供整流ac电源或整流ac电源的任何部分的任何电路。例如，输入电源105可以配置为提供介于93和264伏之间的整流均方根电压。由ac电源提供的电压和从ac电源汲取的电流之间的相移可以降低输入电源105的功率因数，从而降低效率(例如，输入电源提供有用功的部分功率与输入电源提供的总功率之间的比率)。ac源中的谐波也可以类似地降低输入电源105的功率因数。

贯穿本公开，输入电源中的术语输入电源故障、输入电源故障条件和故障条件，并且可以用于指示由输入电源105提供的ac电源和/或整流ac电源的中断或异常的状况。例如，输入电源故障可以是整流ac电源的一个或多个周期的部分或完全衰减或丢失。其他输入电源故障可适用于本公开。

功率因数校正电路110可包括无源或有源电气部件，其可被配置用于调节或调节输入电源105(例如，由输入电源提供的整流ac电源)以抵消由ac源相变化和谐波引起的功率因数减小。例如，调整输入电源105可以包括调整(例如，调制)流过功率因数校正电路110的交错升压转换器的电流，以使得从输入电源105汲取的平均电流与由输入电源提供的电压的相位对准或匹配相位。功率因数校正电路110还可以包括用于响应于输入电源故障延长输出电压的保持时间的电路，例如使用本文所述的技术。

控制电路125可以包括一个或多个电路，用于监控系统100中的电源，例如启动功率因数校正电路110的一个或多个部件，以便改善输入电源105的功率因数。控制电路125可以监控交流电源为输入电源105供电，电流流过功率因数校正电路110，并输出电功率因数校正电路，以确定如何以及是否调制由功率因数校正电路绘制的电流，以提高输入电源的功率因数。控制电路125还可以包括用于控制集成在功率因数校正电路110中的保持时间扩展电路的电路，例如本文所述。

负载120可以包括功率转换设备，例如dc-dc转换器，例如可以配置用于将由功率因数校正电路110提供的输出电压转换为可由另一电子设备或系统使用的电压。例如，系统100或负载120可以要求由功率校正电路提供的输出电压处于阈值电压电平(例如，处于或高于最小电压电平)，以便支持负载的高效运行。系统100或负载120还可以指定保持时间要求。这里使用的术语“保持时间”通常是指在输入电源故障条件期间由功率因数校正电路110提供的输出电压保持在或高于阈值电压电平的时间长度。通常，保持时间可以指示输入电源故障条件的容差。

图2描绘了具有交错的升压转换器电路205和215的功率因数校正电路200以及集成的保持时间扩展电路210的示例的框图。尽管保持时间扩展电路210被描绘为可以与升压转换器电路205和升压转换器电路215分开，保持时间扩展电路可以与一个或多个升压转换器电路集成并且可以包括升压转换器电路中的一个或多个的一个或多个部件。功率校正电路200可以是功率因数校正电路110(图1)的示例，并且通常用于校正或抵消输入电源的功率因数的减小，例如输入电源105(图1)。。控制电路，例如控制电路125(图1)，可以交错升压转换器电路205的操作并操作升压转换器电路215，以使功率因数校正电路200产生输出电压具有高功率因数(例如，功率因数接近1)，例如响应于接收输入电源。

这里使用的术语交错或交织是指交替地操作至少两个电路(例如，操作两个开关电路以在相反的时间或180度异相之间在两个状态之间切换)以产生输出。例如，升压转换器电路205的操作和升压转换器电路215的操作可以通过使升压转换器电路205在升压转换器电路215充电的同时放电第一时间段来交错。然后，通过使升压转换器电路205充电第二时间段，同时升压转换器电路215放电，可以继续交错操作。

这里使用的术语交错或交织还可以指两个或更多个电子电路的至少部分重叠的操作模式以产生输出。例如，升压转换器电路205的操作和升压转换器电路215的操作可以通过使升压转换器电路205放电第一时间段来交错，而升压转换器电路215至少部分充电和放电。然后可以通过使升压转换器电路205至少部分地充电和放电第二时间段来继续交错操作，同时升压转换器电路215例如放电。

当功率因数校正电路200以交错模式操作时(例如，为输入电源供电的功率因数转换电路200的交流电源不具有故障条件的操作模式)，控制电路可以引起升压转换器电路205和升压转换器电路215交替地存储从输入电源接收的能量，并通过例如负载120(图1)之类的负载放电所存储的能量。在这样的条件下，保持时间扩展电路210的至少一部分可以提供存储在升压转换器215中的能量的路径以通过负载放电。

在输入电源故障条件期间(例如，当为输入电源供电的功率因数转换电路200的交流电源掉出时)，可以启动保持时间扩展电路210(例如，通过控制电路125)将升压转换器电路215的存储能量路由到升压转换器电路205的输入端。然后，升压转换器电路205可以使用升压转换器电路215的输入来替代故障的输入电源。

在输入电源故障条件期间，例如在功率因数校正电路200产生的输出电压下降到或低于阈值电压电平之后，可以启动保持时间扩展电路。升压转换器电路205可以使用升压转换器电路215的存储能量将功率因数校正电路200的输出电压保持在阈值电压电平或高于阈值电压电平一段时间，例如用于延长功率因数校正电路200的持续时间。

图3描绘了用于具有交错的升压转换器的功率因数校正电路和集成的保持时间扩展电路的控制电路300的框图。控制电路300可以实现控制电路125(图1)，并且可以用于操作功率因数校正电路200(图2)以在功率因数校正电路处接收到输入电源时产生输出电压。控制电路300例如可以控制升压转换器电路205的操作和升压转换器电路215(图2)的操作的交错。控制电路300可以致动保持时间扩展电路210(图2)，以响应输入电源故障条件，将升压转换器电路215的存储电源路由到升压转换器电路205的输入端(图2)例如将功率因数校正电路输出电压保持在阈值电压电平或高于阈值电压电平。控制电路300可包括传感电路305、升压转换器控制电路310和保持时间扩展控制电路315。

传感电路305可包括电路和电子部件，以监控例如输入电源105(图1)的ac电源电压和电流、流过功率因数校正电路200中的升压转换器的电流，以及功率因数校正电路的输出电压。通常，传感电路305可以包括有源和无源电子部件，用于监测例如系统100(图1)中的一个或多个物理特性(例如，幅度、频率和相位)，例如电压和电流。

升压转换器控制电路310可以包括用于交错例如升压转换器电路205的操作和升压转换器电路215的操作的电路，例如本文所述。升压转换器控制电路310可以使用传感电路305的输出，例如确定是否调整功率因数校正电路200所汲取的电流，以便将输入电源的功率因数修改为功率因数校正电路。例如，升压转换器控制电路310可以使用传感电路305的输出来确定频率和占空比调制，例如用于在升压转换器电路205和升压转换器电路215的充电和放电状态之间交替。

保持时间扩展控制电路315可包括用于操作保持时间扩展电路210的电路，以响应于输入电源故障条件，将升压转换器电路215的存储电源路由到升压转换器电路205的输入端。例如，保持时间扩展控制电路315可以控制升压转换器电路205以维持功率因数校正电路200的输出电压，例如使用升压转换器电路215的存储能量作为输入电源。升压转换器控制电路310可以控制升压转换器电路205以维持功率因数校正电路200的输出电压，例如使用升压转换器电路215的存储能量作为输入电源。

尽管传感电路305、升压转换器控制电路310和保持时间扩展控制电路315被示为单独的电路，但是这些电路中的一个或多个可以与其他电路集成，并且可以包括其他电路的组件。

图4描绘了具有功率因数校正电路(具有交错的升压转换器)和集成保持时间扩展电路(被配置为以交错模式操作)的系统400的示意图的示例。系统400可以利用未示出的控制电路125来实现系统100。系统400可包括由半导体器件415和开关s1形成的输入电源电路410(例如，输入电源)、升压转换器电路405和425、负载420和保持时间扩展电路。保持时间扩展电路还可包括储能装置，例如电容器c2。

升压转换器电路405和升压转换器电路425可以分别是升压转换器电路205(图2)和升压转换器215(图2)的示例。升压转换器电路405和升压转换器电路425可以配置有基本相同的部件并且可以根据相同的电气原理操作，除了升压转换器的操作通常可以交错，例如导致一个升压转换器充电而另一个升压转换器放电。例如，升压转换器电路405和升压转换器电路425中的每一个通常可包括充电或输入储能装置(例如，电感器l1或电感器l2)、放电或输出储能装置(例如，电容器c1或电容器c2)、开关装置(例如，开关s2和开关s3)以及偏置的半导体器件(例如，二极管，例如二极管d1或二极管d3，或二极管连接的晶体管)。

在由升压转换器电路405和升压转换器电路425形成的功率因数校正电路的一个交错模式操作阶段期间，开关s2闭合，而开关s1和s3断开。在这样的相位中，二极管d1被反向偏置，并且电流可以从由二极管d4、d5、d6和d7形成的桥式整流器流过电感器l1和开关s2。电流l1对电感器充电(例如，使电感器l1在磁场中存储能量)，而二极管d1的反向偏置使电容器c1通过负载420放电。在相同的工作阶段，电感器l2通过电容器c2和负载420放电，在过程中对电容器c2充电。在第二交错阶段，开关s3闭合，而开关s2和s1断开。在该第二交错阶段期间，升压转换器电路405和425的操作被互换(例如，电感器l2和电容器c1充电，而电感器l1和电容器c2放电)。

在交错模式中，当二极管d2正向偏置(例如，偏置以使电流流动)时，电容器c1和电容器c2通常形成单个储能装置。电容器c1和电容器c2的组合存储能量可以保持由功率因数校正电路产生的输出电压，例如通过滤波引起电感器l1和电感器l2的充电和放电的波纹，同时输入电源410可用(例如，在交流电源为输入电源供电中没有故障条件)。

开关s1、s2和s3中的一个或多个可以是电子开关(例如，诸如晶体管的半导体器件)或电控机械开关。

图5描绘了具有功率因数校正电路(具有交错的升压转换器)和集成保持时间扩展电路(被配置为以保持时间扩展模式操作)的系统500的示意图的示例。系统500可以与系统400(图4)基本相同，但是开关s1闭合并且ac源不可用(例如，存在ac源故障条件)。

当系统500处于保持模式时(例如，当ac源中存在故障时系统500的操作模式)，开关s1最初打开，而二极管d2正向偏置，连接电容器c1和电容器c2。电容器c1和电容器c2可以放电，例如直到功率因数校正电路的输出电压达到阈值电压电平。阈值电压电平可以通过例如指定的电压参考来确定。控制电路，例如控制电路300(图3)，可以监视功率因数校正电路输出端的电压，并可以将其与参考电压进行比较，以确定电容器c1和电容器c2何时放电到阈值电压电平。阈值电压电平可以被指定为功率因数校正电路的正常交错模式输出电压(例如，平均交错模式输出电压)或负载420的正常工作电压的百分比或分数。例如，阈值电压电平可以被指定为负载有效操作的最小电压。例如，阈值电压可以被指定为正常交错模式工作电压的至少80％。

保持时间可以表示电容器c1和电容器c2充分放电以使功率因数校正电路的输出电压达到阈值电压电平所花费的时间。通过闭合开关s1和控制开关s2(例如，以特定频率和特定占空比切换或循环开关s2)可以延长保持时间，以便在保持时间扩展模式操作升压转换器电路405和系统500。

在保持时间扩展模式期间，二极管d2变为反向偏置(例如，配置成抑制电流的流动)，使电容器c2与负载420断开(例如，去耦)。在开关s1闭合时闭合开关s2导致电流从电容器c2流过开关s1、电感器l1和开关s2，使用电容器c2的存储能量对电感器l1充电。随后，通过电容器c1和负载420对电感器l1放电，打开开关s2使用先前存储的电容器c2的能量对电容器c1充电。如上所述，重复闭合和断开开关s2的过程可以将存储的电容器c2的能量传递到电容器c1。以这种方式将所存储的能量从电容器c2传递到电容器c1可以使电容器c1能够将功率因数转换电路的输出电压维持在阈值电压电平或高于阈值电压电平。

电容器c2能够将功率因数转换电路的输出电压维持在阈值电压电平的时间量可以称为保持延长时间。通常，保持时间和保持延长时间可以至少部分地由电容器c1和c2的电容值、功率因数校正电路的阈值电压电平和负载420汲取的电流量确定。

图6描绘了系统600的示意图的示例，该系统600包括具有交错的升压转换器的功率因数校正电路和具有半导体开关和控制电路的集成保持时间扩展电路。系统600可以实现系统400(图4)，其中晶体管(例如，半导体器件)m1、m2和m3分别代替开关s1、s2和s3。系统600还可以包括调节电路605、比较电路610(例如放大器)和升压转换器控制电路615。

尽管晶体管m1、m2和m3被示为n沟道场效应晶体管(fet)，但是开关s1、s2和s3可以用其他开关器件代替，包括例如双极结型晶体管或其他类型的场效应晶体管(例如，p沟道fet)。

调节电路605和比较电路610可以是保持时间扩展控制电路315和传感电路305的至少一部分的示例，例如图3所示。比较电路610可以比较功率因数校正电路的输出到参考电压。比较电路610的输出可以被调节(例如，放大、衰减或以其他方式转换为不同的电压或信号)，例如通过调节电路605，并且可以用于控制晶体管m1(例如，图5中的开关s1)，例如在此描述的。参考电压可以是功率因数校正电路向负载420提供功率的阈值电压电平的函数或版本。

升压转换器控制电路615可以实现升压转换器控制电路310，如图3所示。升压转换器控制电路615可以使用一个或多个反馈信号(例如，由ac源提供的电流或电压的测量或指示、通过电感器l1或l2的电流，以及功率因数校正电路的输出电压)，例如可以由一个或多个传感电路提供，以便控制晶体管m2和m3的操作(例如，图4和5中的开关s2和s3)，如本文所述。

图7描绘了用于操作具有交错(例如，交替操作)升压转换器的功率因数校正电路的一组操作700的示例，其具有集成的保持时间扩展电路。可以执行操作700以例如向输入电源故障条件提供容差到功率因数校正电路。功率因数校正电路可以包括在图1-6的讨论中描述的任何功率因数校正电路。操作700可以由控制电路执行，例如控制电路125(图1)或控制电路300(图3)。

在705处，可以交替或交错主升压电路的操作和功率因数转换电路中的次升压电路的操作，以使功率因数校正电路从输入电源产生输出电压。这种交错可以包括监视从为输入电源供电的ac电源汲取的电流、由输入电源提供的电压、通过每个升压转换器电路的电流，以及功率因数转换电路的输出电压。这种交错还可以包括控制升压转换器电路中的储能装置(例如，电感器)的充电和放电的频率或占空比或两者，例如本文所述。

在710处，可以监视功率因数校正电路的输出电压，以便检测输入电源中的故障条件。故障条件可以包括例如输入电源电压的丢失，或输入电源中的另一个异常。在715处，可以确定在710处是否检测到故障条件。可以在没有检测到故障条件的情况下重复操作705、710和715。

如果检测到故障条件，则在720，可以将次级升压转换器电路的存储电源路由到初级升压转换器电路的输入，以便保持功率因数转换电路的输出电压。布线存储电源可以包括将次级升压转换器电路的储能装置(例如，电容器)与功率因数转换电路的输出电隔离。例如，这种隔离可以包括将储能装置耦合到升压转换器电路的输出的半导体器件(例如，二极管)反向偏置。对存储电源进行布线还可以包括将隔离的储能装置电耦合到主升压转换器电路的输入。隔离的储能装置可以耦合到主升压转换器电路的输入，例如通过闭合电开关，或者正向偏置半导体器件(例如，晶体管)，以便为电流创建闭合路径以在储能装置和主升压转换器之间流动。

在725处，可以使用第二升压电路的存储电源来操作第一升压电路，以便维持功率因数校正电路的输出电压，例如本文所述。

在730处，可以确定是否仍然检测到故障条件。可以在仍然检测到故障条件的同时重复操作725。如果未检测到故障条件(例如，存在输入电源)，则在735，次级升压转换器电路的存储电源可以与初级升压转换器电路断开。然后，操作700的执行可以在操作705继续。

本文描述的每个非限制性方面或示例可以独立存在，或者可以以各种排列组合或与一个或多个其他示例组合。

以上详细描述包括对附图的参考，附图形成详细描述的一部分。附图通过图示的方式示出了可以实施本发明的具体实施例。这些实施例在本文中也称为“示例”。这些示例可以包括除了示出或描述的那些之外的元件。然而，本发明人还考虑了仅提供所示出或描述的那些元件的实例。此外，本发明人还考虑使用所示或所述的那些元件(或其一个或多个方面)的任何组合或置换的示例，关于特定示例(或其一个或多个方面)，或关于本文示出或描述的其他示例(或其一个或多个方面)。

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在一个实施例中，其中所述半导体器件是二极管，并且其中去耦包括反向偏置所述二极管。

在一个实施例中，其中控制所述第一升压电路以维持所述输出电压包括使用所述存储电源作为输入来操作所述第一升压电路作为升压转换器。

在一个实施例中，其中路由所述存储电源包括使用所述第一升压电路将所述存储电源的至少一部分能量从所述第二储能装置传送到所述第一储能装置。

在一个实施例中，其中所述路由包括控制所述第一升压电路以保持所述输出电压包括使所述第一升压电路在第一升压电路中使用存储电源充电第三储能装置和通过所述第一储能装置放电所述第三储能装置之间交替。