CN100423436C - 一种单相高功率因数可控整流电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单相高功率因数可控整流电源，它由主电路、同步电路、隔离与触发电路、PWM控制电路、负载组成，主电路输入侧接到交流电网，输出接到负载，同步电路输入侧接到交流电网，输出接到隔离与触发电路，PWM控制电路接到隔离与触发电路相接。本发明的优点是：通过PWM方式调节输出电压，保证输入电流接近于正弦波，消除了电流的滞后现象，使输入功率因数接近于单位1；通过光电耦合器实现了主电路与控制电路的隔离，省去了常规整流器中的隔离电源和脉冲变压器；通过对电网电压的半波整流和稳压，既得到了同步信号也得到了隔离电源，省去了同步变压器；整流线路结构简单，可靠，可广泛应用于各种产品中。

Description

一种单相高功率因数可控整流电源

技术领域

本发明涉及电力电子、电能变换技术，尤其涉及一种单相高功率因数可控整流电源。

背景技术

目前，几乎所有实用的整流电源大都或采用二极管整流，输出电压不可控，输入电流谐波大，功率因数差；或采用可控硅移相控制，虽实现了输出电压可控，但随着移相脉冲的后移，其功率因数变得越来越差，而且需要隔离与同步电源，线路相对复杂。

传统的BOOST整流电源和专利CN1336717A所公布的整流电源也可实现接近单位功率因数的整流效果，但前者全桥BOOST整流电源需要的四个全控开关器件，并且输出直流电压将高于交流电压的峰值，增加了后置负载的电压应力。后者需要两个整流桥，因而需要较多的功率器件(六个二极管，一个全控开关器件)，在全控开关器件工作时，负载电流需要经过三个功率器件，损耗较大，并且控制电路相应复杂。

发明内容

本发明的目的是提供出了一种单相高功率因数可控整流电源。它由主电路、同步电路、隔离与触发电路、PWM控制电路、负载组成，同步电路依次与隔离与触发电路、主电路、负载相接，PWM控制电路与隔离与触发电路相接，所述的同步电路、隔离与触发电路由第十一二极管、第十电阻、第十一电阻、第一稳压管、第一光电耦合器、第十二电阻、第十三电阻、第十二二极管、第二十一二极管、第二十电阻、第二十一电阻、第二稳压管、第二光电耦合器、第二十二电阻、第二十三电阻、第二十二二极管组成；第十一二极管阳极与电源B端相接，第十一二极管阴极与第十一电阻一端相接，形成半波整流电路，第一稳压管阴极与第十一电阻另一端相接，第一稳压管阳极与电源A端相接，构成一路同步电路；第二十一二极管阳极与电源A端相接，第二十一二极管阴极与第二十一电阻一端相接，形成半波整流电路，第二稳压管阴极与第二十一电阻另一端相接，第二稳压管阳极与电源B端相接，构成另一路同步电路；第一光电耦合器输出侧晶体管的集电极与第一稳压管阴极相接，第一光电耦合器输出侧晶体管的发射极与第十二电阻一端、第十三电阻一端、第十二二极管阴极相接，第十二电阻另一端和第十二二极管阳极相接，接到第一主开关管栅极，第十三电阻另一端与电源A端相接，接到第一主开关管发射极，构成一路隔离与触发电路；第二光电耦合器输出侧晶体管的集电极与第二稳压管阴极相接，第二光电耦合器输出侧晶体管的发射极与第二十二电阻一端、第二十三电阻一端、第二十二二极管阴极相接，第二十二电阻另一端和第二十二二极管阳极相接，接到第二主开关管栅极，第二十三电阻另一端与电源一端B相接，接到第二主开关管发射极，构成另一路隔离与触发电路；两路同步电路分别向两路隔离与触发电路提供同步信号和电源。

本发明的优点是：1)主电路整流桥共阳极的两只主开关器件由常用的不可控二极管或可控硅替换为两只全控开关器件IGBT。2)通过PWM方式调节输出电压，输出电压范围达到0～0.9U₂(U₂为电源电压有效值)。3)通过PWM方式调节输出电压，保证输入电流接近于正弦波。4)通过PWM方式调节输出电压，消除了电流的滞后现象，使输入功率因数接近于单位1。5)通过光电耦合器实现了主电路与控制电路的隔离，省去了常规整流器中的隔离电源和脉冲变压器。6)通过对电源电压的半波整流和稳压，既得到了同步信号也得到了隔离电源，省去了同步变压器。7)整流与PWM控制在同一个功率变换单元完成，线路结构简单，可靠，可广泛应用于各种产品中。

附图说明

图1是单相高功率因数可控整流电源方框图；

图2是本发明的主电路图，所带负载为纯电阻负载；

图3(a)是本发明的电感性负载电路图；

图3(b)是本发明的电容性负载电路图；

图4是本发明的同步电源、隔离与触发电路图；

图5是本发明的PWM控制电路图；

图6(a)是本发明的电源输入电流波形；

图6(b)是本发明的输出电压波形。

具体实施方式

如图1所示，单相高功率因数可控整流电源由主电路、同步电路、隔离与触发电路、PWM控制电路、负载组成，同步电路依次与隔离与触发电路、主电路、负载相接，PWM控制电路与隔离与触发电路相接。Vs为电网交流电压，经过主电路可控整流，将交流电变换成可变的直流电送给负载。整流原理下面将详细介绍。PWM控制电路输出的PWM脉冲经过隔离触发电路，控制主电路开关管的开通与关断，隔离触发电路的电源由同步电路提供，同步电源的电源来自电网交流电源。

如图2所示，主电路其整流桥共阳极第一主开关器件Q1和第二主开关器件Q2为两只全控器件IGBT，共阴极主开关器件为第一二极管D1和第二二极管D2，负载为电阻负载。当电源电压在正半周时，A点电位为正，B点电位为负，第一二极管D1和第二主开关管Q2导通(要求开关管不能并联反向二极管，)第二二极管D2和第一主开关管Q1因承受反压而关断，通过第二主开关管Q2的PWM工作方式调节输出电压；当电源电压在负半周时，A点电位为负，B点电位为正，第二二极管D2和第一主开关管Q1导通，第一二极管D1和第二主开关管Q2因承受反压而关断，通过第一主开关管Q1的PWM工作方式调节输出电压；

如图3(a)所示，当负载为电感性负载时，在负载两端并联续流二极管D_L，为感性负载提供续流通路。当开关管处在PWM工作方式下的导通状态时，电网向负载提供电流，同时向电感充磁能。当开关管处在PWM工作方式下的关断状态时，电网不再向负载提供电流，电感通过续流二极管续流，释放磁能，同时保证负载电流的连续性。如图3(b)所示，当负载为电容性负载时，在负载端串联电感L后，再并联续流二极管D_L，串联电感L目的是可以降低充电电流的冲击，同时扩大开关管的导通范围。当不接电感时，只有电网电压高于电容电压时，才能使开关管道通，限制了开馆管导通的范围，另外，由于电容的阻抗较小，在开关管导通瞬时，将造成较大的电流冲击。

如图4所示，同步电路、隔离与触发电路由第十一二极管D11、第十电阻R10、第十一电阻R11、第一稳压管DW1、第一光电耦合器U1、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十二二极管D12、第二十一二极管D21、第二十电阻R20、第二十一电阻R21、第二稳压管DW2、第二光电耦合器U2、第二十二电阻R22、第二十三电阻R23、第二十二二极管D22组成；第十一二极管D11阳极与电源B端相接，第十一D11阴极与第十一电阻R11一端相接，形成半波整流电路，第一稳压管DW1阴极与第十一电阻R11另一端相接，第一稳压管DW1阳极与电源A端相接，构成一路同步电路；第二十一二极管D21阳极与电源A端相接，第二十一二极管D21阴极与第二十一电阻R21一端相接，形成半波整流电路，第二稳压管DW2阴极与第二十一电阻R21另一端相接，第二稳压管DW2阳极与电源B端相接，构成另一路同步电路；第一光电耦合器U1集电极与第一稳压管DW1阴极相接，第一光电耦合器U1发射极与第十二电阻R12一端、第十三电阻R13一端、第十二二极管D12阴极相接，第十二电阻R12另一端和第十二二极管D12阳极相接，接到第一主开关管Q1栅极，第十三电阻R13另一端与电源一端A相接，接到第一主开关管Q1发射极，构成一路隔离与触发电路；第二光电耦合器U2集电极与第二稳压管DW2阴极相接，第二光电耦合器U2发射极与第二十二电阻R22一端、第二十三电阻R23一端、第二十二二极管D22阴极相接，第二十二电阻R22另一端和第二十二二极管D22阳极相接，接到第二主开关管Q2栅极，第二十三电阻R23另一端与电源一端B相接，接到接到第二主开关管Q2发射极，构成另一路隔离与触发电路；两路同步电路分别向两路隔离与触发电路提供同步信号和电源。

同步电路由第十一二极管D11，第一稳压管DW1，第十电阻R10，第十一电阻R11和第二十一二极管D21，第二稳压管DW2，第二十电阻R20，第二十一电阻R21形成。当电源电压处于正半周时，A点电位为正，B点电位为负，第二十一二极管D21导通，电流流经第二十一二极管D21，第二十一电阻R21，第二稳压管DW2，经过第二稳压管DW2的稳压(稳压值为15V)，形成第一主开关管Q2的触发电源；而第十一二极管D11因承受反向电压关断，第一稳压管DW1承受正向电压，正向导通，电流流经第一稳压管DW1，第十一电阻R11，第十电阻R10，由于第一稳压管DW1正向导通，使得第一主开关管Q1的触发电源变成-0.7V，从而不能产生触发脉冲。在这里，第一主开关管Q1导通的两个条件(承受正向电压，获得合适的触发脉冲)均不能满足，所以确保了第一主开关管Q1的关断；而第二主开关管Q2导通的两个条件均能满足，所以第一主开关管Q2可以在有触发脉冲的条件下导通，在没有触发脉冲时关断，工作于PWM方式。当电源电压处于负半周时，A点电位为负，B点电位为正，第一主开关管Q1满足两个导通的条件，所以第一主开关管Q1工作于PWM方式，而第二主开关管Q2关断。第一光电耦合器U1，第二光电耦合器U2隔断了控制回路与主回路电气上的联系。当第一光电耦合器U1(或第二光电耦合器U2)输入端发光二极管发光时，输出端晶体管导通，经过第十二电阻R12(或第二十二电阻R22)，产生第一主开关管Q1(或第二主开关管Q2)的触发脉冲。当第一光电耦合器U1(或第二光电耦合器U2)输入端发光二极管不发光时，输出端晶体管截至，第一主开关管Q1(或第一主开关管Q2)关断。

如图5所示，PWM控制电路由PWM脉冲产生部件U0、调节电位器RP、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一三极管VT1、第二三极管VT2和第一光电耦合器U1、第二光电耦合器U2组成；PWM脉冲产生部件U0产生两路推挽PWM脉冲，分别经过由第一电阻R1、第一三极管VT1和第二电阻R2、第二三极管VT2、第三电阻R3构成的脉冲放大电路驱动第一光电耦合器U1和第二光电耦合器U2，第一光电耦合器U1和第二光电耦合器U2输入侧串联相接；调节电位器RP中间端接到PWM脉冲产生部件U0的输入端，PWM脉冲产生部件U0的两个输出端分别接到第一电阻R1和第二电阻R2的一端，第一电阻R1和第二电阻R2的另一端分别接到第一三极管VT1和第二三极管VT2的基极，第一三极管VT1和第二三极管VT2的发射极接到控制电源的地，第一三极管VT1和第二三极管VT2的集电极相接，接到第一光电耦合器U1输入侧发光二极管的阴极，第一光电耦合器U1输入侧的阳极与第二光电耦合器U2输入侧的阴极相接，第二光电耦合器U2输入侧的阳极与第三电阻R3一端相接，第三电阻R3另一端接到控制电源的正极。通过调节电位器RP来改变PWM脉冲产生部U0的输入电压，从而改变输出PWM脉冲的宽度，进而达到改变整流电源输出电压的目的。

本发明对于额定为2kW/220VDC的负载，其额定电流约为10A，第一主开关管Q1和第二主开关管Q2选用600V，30A的IGBT，第一二极管D1和第二二极管D2选用600V，25A的整流二极管。IGBT不能有反向并联二极管，当IGBT内部寄生有反并联二极管时，一定要在IGBT的集电极正向串联一个二极管，防止电流的倒流，这个二极管的选择与第一二极管D1和第二二极管D2型号相同。对于负载的连接，当负载为纯电阻负载时，负载可直接接到整流电源输出端，如图2所示。对于电压极性有要求的负载，如直流电机负载，充电电池负载，应注意整流电源的极性，N点为负极，P点为正极。当负载为电感性负载时，如图3(a)所示，如电磁铁负载，应在电源输出端并联一个续流二极管D_L，D_L的型号也应与第一二极管D1和第二二极管相同。当负载为电容性负载时，如图3(b)所示，如变频器负载，应在负载上串联一个电感L，然后再并联一个续流二极管D_L，D_L的型号也应与主二极管D1和D2相同，电感L的电感量按下式选取：

$L=\frac{(2~3)R_L^{2}C}{1+4{\mathrm{\π}}^2{f_c}^2{R}_L^2{C}^2}$

其中f_c是PWM脉冲的载波频率，C电容性负载的电容量。

图4中第十一二极管D11，第十电阻R10，第十一电阻R11，第一稳压管DW1为第一主开关管Q1提供同步信号和触发电源，第十一二极管D11选择600V/1A的普通整流二极管，如1N4007，第十一电阻R11选择51kΩ/1W，第一稳压管DW1选择15V/0.5W，第十电阻R10选择51kΩ/0.5W。相应的，第二十一二极管D21，第二十电阻R20，第二十一电阻R21，第二稳压管DW2为第二主开关管Q2提供同步信号和触发电源，其参数选择与第十一二极管D11，第十电阻R10，第十一电阻R11，第一稳压管DW1相同。第一光电耦合器U1、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十二二极管D12为第一主开关管Q1提供触发脉冲，并将PWM控制电路与主电路进行了电气隔离。第一光电耦合器U1选择快速光电耦合器，输入级电流＜20mA，输出级＞30V/25mA，如HCPL-4504。第十二电阻R12、第十三电阻R13分别选择为100Ω/0.25W和10kΩ/0.25W，第十二二极管D12选择开关二极管，如1N4148。相应的，第二光电耦合器U2、第二十二电阻R22、第二十三电阻R23、第二十二二极管D22为第二主开关管Q2提供触发脉冲，其参数选择与第一光电耦合器U1、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十二二极管D12相同。在PCB制作时，同步电路、隔离与触发电路应尽量靠近。

图5中PWM脉冲的产生可以由专用芯片如TL494或UC3525等产生，在本发明的实施例中，采用专用芯片UC3525产生，在UC3525的输出端，得到两路推挽的PWM脉冲列，将这两路PWM脉冲经过第一三极管VT1和第二三极管VT2逻辑或后，驱动第一光电耦合器U1、第二光电耦合器U2，经过第一光电耦合器U1、第二光电耦合器U2隔离后送到触发电路，分别触发第一主开关管Q1和第二主开关管Q2。第一三极管VT1和第二三极管VT2选择高频开关管，如9014。第一电阻R1、第二电阻R2选择51kΩ/0.25W，第三电阻R3选择2.4kΩ/0.5W。PWM脉冲的载波频率f_c选择为5kHz-25kHz，在本发明的实施例中，f_c选择为10kHz。

Claims (3)

1. 一种单相高功率因数可控整流电源，其特征在于：它由主电路、同步电路、隔离与触发电路、PWM控制电路、负载组成；主电路输入侧接到交流电网，输出接到负载，同步电路输入侧接到交流电网，输出接到隔离与触发电路，PWM控制电路接到隔离与触发电路，所述的同步电路、隔离与触发电路由第一二极管(D11)、第一电阻(R10)、第二电阻(R11)、第一稳压二极管(DW1)、第一光电耦合器(U1)、第三电阻(R12)、第四电阻(R13)、第二二极管(D12)、第三二极管(D21)、第五电阻(R20)、第六电阻(R21)、第二稳压二极管(DW2)、第二光电耦合器(U2)、第七电阻(R22)、第八电阻(R23)、第四二极管(D22)组成；第一二极管(D11)阳极与电网电源B端相接，第一二极管(D11)阴极与第二电阻(R11)一端相接，形成半波整流电路，第一稳压二极管(DW1)阴极与第二电阻(R11)另一端相接，第一稳压二极管(DW1)阳极与电网电源A端相接，构成一路同步电路；第三二极管(D21)阳极与电网电源A端相接，第三二极管(D21)阴极与第六电阻(R21)一端相接，形成半波整流电路，第二稳压二极管(DW2)阴极与第六电阻(R21)另一端相接，第二稳压二极管(DW2)阳极与电网电源B端相接，构成另一路同步电路；第一光电耦合器(U1)输出侧晶体管的集电极与第一稳压二极管(DW1)阴极相接，第一光电耦合器(U1)输出侧晶体管的发射极与第三电阻(R12)一端、第四电阻(R13)一端、第二二极管(D12)阴极相接，第三电阻(R12)另一端和第二二极管(D12)阳极相接，接到第一主开关管(Q1)栅极，第四电阻(R13)另一端与电网电源A端相接，接到第一主开关管(Q1)发射极，构成一路隔离与触发电路；第二光电耦合器(U2)输出侧晶体管的集电极与第二稳压二极管(DW2)阴极相接，第二光电耦合器(U2)输出侧晶体管的发射极与第七电阻(R22)一端、第八电阻(R23)一端、第四二极管(D22)阴极相接，第七电阻(R22)另一端和第七二极管(D22)阳极相接，接到第二主开关管(Q2)栅极，第八电阻(R23)另一端与电网电源一端B相接，接到第二主开关管(Q2)发射极，构成另一路隔离与触发电路；两路同步电路分别向两路隔离与触发电路提供同步信号和电网电源。

2. 根据权利要求1所述的一种单相高功率因数可控整流电源，其特征在于：所述的主电路其整流桥共阳极第一主开关器件(Q1)和第二主开关器件(Q2)为两只全控器件IGBT，共阴极主开关器件为第一主开关二极管(D1)和第二主开关二极管(D2)；第一主开关器件(Q1)发射极与第一主开关二极管(D1)阳极相接，接到电网电源的A端，第二主开关器件(Q2)发射极与第二主开关二极管(D2)阳极相接，接到电网电源的B端，第一主开关二极管(D1)的阴极和第二主开关二极管(D2)的阴极相接，作为该整流电源的正极P输出，接到负载的正极端；第一主开关器件(Q1)的集电极和第二主开关器件(Q2)集电极相接，作为该整流电源的负极N输出，接到负载的负极端。

3. 根据权利要求1所述的一种单相高功率因数可控整流电源，其特征在于：所述的PWM控制电路由PWM脉冲产生部件(U0)、调节电位器(RP)、第九电阻(R1)、第十电阻(R2)、第十一电阻(R3)、第一三极管(VT1)、第二三极管(VT2)和第一光电耦合器(U1)、第二光电耦合器(U2)组成；PWM脉冲产生部件(U0)产生两路推挽PWM脉冲，分别经过由第九电阻(R1)、第一三极管(VT1)和第十电阻(R2)、第二三极管(VT2)、第十一电阻(R3)构成的脉冲放大电路驱动第一光电耦合器(U1)和第二光电耦合器(U2)，第一光电耦合器(U1)和第二光电耦合器(U2)输入侧串联相接；调节电位器(RP)中间端接到PWM脉冲产生部件(U0)的输入端，另外两端分别接到控制电源正极和地，PWM脉冲产生部件(U0)的两个输出端分别接到第九电阻(R1)和第十电阻(R2)的一端，第九电阻(R1)和第十电阻(R2)的另一端分别接到第一三极管(VT1)和第二三极管(VT2)的基极，第一三极管(VT1)和第二三极管(VT2)的发射极接到控制电源的地，第一三极管(VT1)和第二三极管(VT2)的集电极相接，接到第一光电耦合器(U1)输入侧发光二极管的阴极，第一光电耦合器(U1)输入侧发光二极管的阳极与第二光电耦合器(U2)输入侧发光二极管的阴极相接，第一光电耦合器(U2)输入侧发光二极管的阳极与第十一电阻(R3)一端相接，第十一电阻(R3)另一端接到控制电源的正极。

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