CN101702587A - 提高功率因数校正负载响应的控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种控制电路，尤其是一种提高功率因数校正负载响应的控制电路，属于电源管理领域。按照本发明提供的技术方案，所述提高功率因数校正负载响应的控制电路，包括与交流电相连的整流电路，用于对输入的交流电整流后输出直流电；功率因数校正电路，与整流电路的输出端相连，用于调整整流电路输出电压与电流间的功率因数，并与负载相连接；反馈控制和驱动模块，用于接收整流电路输出的电压、电流及负载的反馈电压，对整流电路输出的电压、电流及负载的反馈电压进行比较及控制变换后，输出脉冲宽度调制信号，并控制功率因数校正电路中开关管的通断。本发明能够提高系统的负载响应，减少谐波对电网的干扰和影响。

Description

提高功率因数校正负载响应的控制电路

技术领域

本发明涉及一种控制电路，尤其是一种提高功率因数校正负载响应的控制电路，属于电源管理领域。

背景技术

功率因数校正电路的功用在于减少电器产生的谐波对电网的干扰和影响，从而减少损耗在电网上的无用功耗。功率因数校正的原理是调整输入电流波形使之和输入电压波形一致；如输入电压波形是正弦波交流电，输入电流波形也必须是正弦波，并且二者的相位要一致。

如图1所示，为常用功率因数校正的反馈控制电路。整流电路的输出电压V_in通过正弦波重构模块得到电压V_in|sin(2πF_LT)|，其中F_L为交流电的线频率；输出的负载电压V_o与输出的参考目标电压V_t间的误差电压为V_err，误差电压V_err经过电压环比例积分环节后得到误差电压的幅值I_p，I_p与V_in|sin(2πF_LT)|经过乘法器后得到参考电流值I_ref，参考电流值I_ref与测量的输入电流I_s比较后得到电流环的误差输入I_err，电流误差输入I_err与电流环比例积分环节的输入端相连，电流环比例积分环节的输出通过脉冲宽度调制PWM模块输出，从而控制开关电路的通断。

功率因数校正的反馈控制包括电流环和电压环。负载变化引起的输出电压变化通过电压环反馈控制电路达到稳压功能。为了减少总谐波失真，提高功率因数，电压环采用比例积分环节，因此电压环的环路带宽都设计得很窄。而且为了减小纹波的幅度，一般电路都需要很大的输出电容。这样造成负载变化引起的输出电压变化将非常缓慢。这样设计电压环的响应将非常的慢，无法满足很多应用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种提高功率因数校正负载响应的控制电路，其能够提高系统的负载响应，减少谐波对电网的干扰和影响。

按照本发明提供的技术方案，所述提高功率因数校正负载响应的控制电路，包括与交流电相连的整流电路，用于对输入的交流电整流后输出直流电；功率因数校正电路，与整流电路的输出端相连，用于调整整流电路输出电压与电流间的功率因数，并与负载相连接；反馈控制和驱动模块，用于接收整流电路输出的电压、电流及负载的反馈电压，对整流电路输出的电压、电流及负载的反馈电压进行比较及控制变换后，输出脉冲宽度调制信号，并控制功率因数校正电路中开关管的通断。

所述整流电路为全波整流电路。所述反馈控制和驱动模块包括正弦波重构模块、纹波电压信号预测模块、电压环比例积分微分模块、电流环比例积分模块及脉冲宽度调制模块；所述整流电路输出的电压与正弦波重构模块的输入端相连，所述正弦波重构模块输出单位整流电压的正弦信号及单位纹波电压的正弦信号；所述负载的反馈电压与参考目标电压进行比较，所述负载的反馈电压与参考目标电压的差值及纹波电压的单位正弦信号均与纹波电压信号预测模块的输入端相连，所述纹波电压信号预测模块输出预测纹波电压；所述负载的反馈电压与参考目标电压的差值与预测纹波电压比较的差值输入电压环比例积分微分模块，所述电压环比例积分微分模块输出的参考电流的幅值与正弦波重构模块输出整流电压的单位正弦信号均输入乘法器，所述乘法器输出重构的参考电流值；所述重构的参考电流值与整流电路的电流比较的差值输入到电流环比例积分模块；所述电流环比例积分模块的输出经过脉冲宽度调制模块输出脉宽调制信号，并与功率因数校正电路的开关管相连，控制功率因数校正电路中开关管的通断。

所述功率因数校正电路中的开关管为场效应管MOSFET。所述功率因数校正电路为Boost(升压)结构或Flyback(反激)结构的功率因数校正电路。所述整流电路为全波整流电路；所述纹波电压信号预测模块的输出电压为：

$V_f=-\frac{P_{\mathrm{in}}}{V_{\mathrm{odc}}*4*\mathrm{\π}*F_L*C_o}\sin \left(4\mathrm{\π}{F}_{L}t\right);$

其中，V_f为纹波电压信号预测模块的输出电压，P_in为整流电路输出电流的平均功率，V_odc为功率因数校正电路输出的直流电压，F_L为整流电路输出电压的线频率，C_o为功率因数校正电路的输出电容。

本发明的优点：在反馈控制和驱动模块中引入纹波电压预测模块，电压环采用比例积分微分控制，不影响功率因数控制电路对整流电路输出电压与电流间功率因数的调节，在电压环采用了比例积分和微分控制，使反馈环路带宽比较宽，可以有效的提高电路的负载响应，电路结构简单可靠，易于集成电路实现，降低系统成本。

附图说明

图1为常用功率因数校正的反馈控制电路。

图2为一种功率因数校正电路及反馈控制电路方框图。

图3为本发明的反馈控制和驱动电路的框图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图2和3所示：以Boost结构功率因数校正电路为例，本发明包括全波整流电路，Boost结构的功率因数校正电路及反馈控制和驱动模块。

所述全波整流电路对输入的交流电进行整流，全波整流电路输出的直流电经过Boost结构的功率因数校正电路后与负载相连，Boost结构的功率因数校正电路输出功率因数较高的电压与电流。所述全波整流电路的输出端与电感L的一端相连，所述电感L的另一端与二极管DD的阳极相连，所述二极管DD的阴极通过输出电容C_o接地，所述输出电容C_o的两端与负载相连接。所述全波整流电路与电感L相连的一端与反馈控制和驱动模块的输入端相连，所述负载的反馈电压V_o及电路的电流I_s均与反馈控制和驱动模块的输入端相连，所述反馈控制和驱动模块的输出端与Boost结构功率因数校正电路的开关管MT的栅极相连，所述开光管MT的源极接地，开光管MT的漏极与二极管DD的阳极相连。

所述全波整流电路的输出电压V_in与反馈控制和驱动模块的正弦波重构模块相连，正弦波重构模块输出单位整流电压正弦信号sin(2πF_Lt)和单位纹波电压正弦信号-sin(4πF_Lt)。采用全波整流电路时，纹波电压的频率为整流电压频率的2倍。负载的反馈电压V_o与参考目标电压V_t进行比较，所述反馈电压V_o与参考目标电压V_t的差值为V_err，所述V_err与单位纹波电压正弦信号-sin(4πF_Lt)均连接到纹波电压信号预测模块，所述纹波电压信号预测模块根据V_err与单位纹波电压正弦信号-sin(4πF_Lt)的输入值及Boost结构功率因数校正电路的参数输出预测的纹波电压：

$V_f=-\frac{P_{\mathrm{in}}}{V_{\mathrm{odc}}*4*\mathrm{\π}*F_L*C_o}\sin \left(4\mathrm{\π}{F}_{L}t\right);$

其中，V_f为纹波电压信号预测模块的输出电压，P_in为整流电路输出电流的平均功率，V_odc为功率因数校正电路输出的直流电压，F_L为整流电路输出电压的线频率，C_o为功率因数校正电路的输出电容。由纹波电压的公式知，预测纹波电压的幅度相对稳定，可以采样平均得到。所述参考目标电压为期望的输出电压。所述预测的纹波电压V_f与反馈电压V_o与参考目标电压V_t的差值V_err间经过比较器后得到电压环比例积分微分模块的输入信号XV_err，其中XV_err＝V_err-V_f。全波整流电路的输出电压V_in由正弦波重构模块输出单位整流电压正弦信号sin(2πF_Lt)和单位纹波电压正弦信号-sin(4πF_Lt)，在对纹波电压进行预测后，电压环可以采用比例积分和微分控制，在不影响功率因数指标的情况下，提高了反馈环路的带宽，提高了电路的负载响应。

所述电压环比例积分微分模块的输出为参考电流的幅值I_p，正弦波重构模块输出的单位电压正弦信号sin(2πF_Lt)与参考电流的幅值I_p利用乘法器得到参考电流值I_ref，所述参考电流值I_ref与电路电流值I_s通过加法器得到电流环比例积分模块的误差输入I_err，所述电流环比例积分模块的输出经过脉冲宽度调制模块后输出脉冲宽度调制信号，并与开光管MT的栅极相连。

通过预测全波整流电路的输出纹波电压，消除和减小纹波电压对反馈控制和驱动模块中电压环的影响，通过采用电压环比例积分和微分的控制方法，提高了反馈环路的带宽，使电路的负载响应速度提高。

Claims (6)

1.一种提高功率因数校正负载响应的控制电路，包括：

整流电路，与交流电相连，用于对输入的交流电整流后输出直流电；

其特征在于，还包括功率因数校正电路，与整流电路的输出端相连，用于调整整流电路输出电压与电流间的功率因数，并与负载相连接；

以及反馈控制和驱动模块，用于接收整流电路输出的电压、电流及负载的反馈电压，对整流电路输出的电压、电流及负载的反馈电压进行比较及控制变换后，输出脉冲宽度调制信号，并控制功率因数校正电路中开关管的通断。

2.根据权利要求1所述提高功率因数校正负载响应的控制电路，其特征是：所述整流电路为全波整流电路。

3.根据权利要求1所述提高功率因数校正负载响应的控制电路，其特征是：所述反馈控制和驱动模块包括正弦波重构模块、纹波电压信号预测模块、电压环比例积分微分模块、电流环比例积分模块及脉冲宽度调制模块；所述整流电路输出的电压与正弦波重构模块的输入端相连，所述正弦波重构模块输出单位整流电压的正弦信号及单位纹波电压的正弦信号；所述负载的反馈电压与参考目标电压进行比较，所述负载的反馈电压与参考目标电压的差值及纹波电压的单位正弦信号均与纹波电压信号预测模块的输入端相连，所述纹波电压信号预测模块输出预测纹波电压；所述负载的反馈电压与参考目标电压的差值与预测纹波电压比较的差值输入电压环比例积分微分模块，所述电压环比例积分微分模块输出的参考电流的幅值与正弦波重构模块输出整流电压的单位正弦信号均输入乘法器，所述乘法器输出重构的参考电流值；所述重构的参考电流值与整流电路的电流比较的差值输入到电流环比例积分模块；所述电流环比例积分模块的输出经过脉冲宽度调制模块输出脉宽调制信号，并与功率因数校正电路的开关管相连，控制功率因数校正电路中开关管的通断。

4.根据权利要求1所述提高功率因数校正负载响应的控制电路，其特征是：所述功率因数校正电路中的开关管为场效应管MOSFET。

5.根据权利要求1所述提高功率因数校正负载响应的控制电路，其特征是：所述功率因数校正电路为Boost结构或Flyback结构的功率因数校正电路。

6.根据权利要求1所述提高功率因数校正负载响应的控制电路，其特征在于，所述整流电路为全波整流电路；所述纹波电压信号预测模块的输出电压为：

$V_f=-\frac{P_{\mathrm{in}}}{V_{\mathrm{odc}}*4*\mathrm{\π}*F_L*C_o}\sin \left(4\mathrm{\π}{F}_{L}t\right);$

其中，V_f为纹波电压信号预测模块的输出电压，P_in为整流电路输出电流的平均功率，V_odc为功率因数校正电路输出的直流电压，F_L为整流电路输出电压的线频率，C_o为功率因数校正电路的输出电容。

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