CN102130579A - 精简开环控制的单级功率因数校正器 - Google Patents

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Abstract

一种电力电子技术领域的精简开环控制的单级功率因数校正器，包括：整流电路、输入电压检测电路、升压电路、输出检测电路和控制单元，其中：整流电路、输入电压检测电路、升压电路和输出检测电路依次级联，输入电压检测电路、升压电路和输出检测电路分别与控制单元连接，本发明能够实现单位输入功率因数的交流-直流变换，电路的设计灵活，控制算法简单，成本低，并且能够适应负载的随机变化，无论重载或轻载时，都能够获得较高的功率因数。

Description

精简开环控制的单级功率因数校正器
技术领域
本发明涉及的是一种电力电子技术领域的功率因数校正器，具体是一种精简开环控制的单级功率因数校正器。
背景技术
随着非线性负载的大量应用，电网中的谐波污染日益加重，功率因数校正器的应用范围也越来越广。传统功率因数校正器控制算法需要检测大量电路信息，包括：电感电流、输入交流电压、输入直流电压和输出直流电压。而过多的传感器和检测电路在增加了电路复杂度的同时也降低了系统的可靠性。无传感器控制算法虽然可以在一定程度上减少传感器数量，提高系统可靠性，但是它需要根据已检测到的电路信息来估计未检测的电路信息，控制算法复杂。因此，开环的功率因数校正器的研究已成为一个新的课题。主要追求的目标为简化电路设计，减少检测电路及传感器数量同时能够实现在负载变化较大时，保证单位功率因数。
经过对现有技术的检索发现，Francisco J.Azcondo，Angel de Castro，F.Javier Diaz1，Oscar Garcia.Current Sensorless Power Factor Correction based on Digital Current Rebuilding(基于数字电流重构的无电流传感器PFC控制)；Wanfeng Zhang，Guang Feng，Yan-Fei Liu and Bin Wu.A Digital Power Factor Correction(PFC)Control Strategy Optimized for DSP(一种数字功率因数校正(PFC)控制策略)，提出了一种带输入电压前馈补偿的预测算法来控制功率因数校正器工作；Tokuo Ohnishi and Masahide Hojo.DC Voltage Sensorless Single-Phase PFC Converter(无需直流电压传感器的单相PFC变换器)提出一种只需检测交流输入电压不需检测直流输出电压的功率因数校正器控制方法，对某一固定负载适用，不能够实时调节。
综合以上，对单级无传感器功率因数校正器现有技术的检索发现，采用复杂的控制算法来减少传感器数量不易实现，而且一般是在已知输出功率即功率因数校正器所带负载的情况下，设计实现控制算法的，无法应对实际应用中所出现的负载波动状况。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种精简开环控制的单级功率因数校正器，使其能够实现单位输入功率因数的交流-直流变换，电路的设计灵活，控制算法简单，成本低，并且能够适应负载的随机变化，无论重载或轻载时，都能够获得较高的功率因数。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：整流电路、输入电压检测电路、升压电路、输出检测电路和控制单元，其中：整流电路、输入电压检测电路、升压电路和输出检测电路依次级联，输入电压检测电路、升压电路和输出检测电路分别与控制单元连接。
所述的整流电路由两个并联的整流桥组成。
所述的输入电压检测电路包括：由电阻实现的电压采样电路和滤波放大电路，其中：电压采样电路分别与整流电路的输出端和升压电路并联，滤波放大电路的一端与电压采样电路连接，滤波放大电路的另一端与控制单元连接。
所述的升压电路包括：增压变换器和电解电容，其中：增压变换器分别与电解电容并联，电解电容接地，增压变换器与控制单元连接。
所述的增压变换器包括：升压电感、二极管和绝缘栅双极型晶体管，其中：绝缘栅双极型晶体管的栅极与控制单元连接，绝缘栅双极型晶体管的集电极分别与二极管的阳极和升压电感的一端连接，绝缘栅双极型晶体管的发射极接地。
所述的输出检测电路包括：两个滤波放大电路、均由电阻实现的电压采样电路和电流采样电路，其中：电压采样电路与升压电路的增压变换器并联，电压采样电路与电流采样电路串联后跨接于输出检测电路的输出端，电压采样电路、电流采样电路分别通过第一、第二滤波放大电路与控制单元连接。
所述的控制单元包括：数字信号处理单元和绝缘栅双极型晶体管驱动器，其中：绝缘栅双极型晶体管驱动器分别与数字信号处理单元和升压电路的增压变换器连接。
本发明通过以下方式进行工作：整流电路对输入交流电流整流并且提供正弦半波直流电压，输入电压检测电路检测整流后正弦半波直流电压信号，升压电路对输入正弦半波直流电压斩波升压后连接到电解电容两端能够输出恒定直流电压，输出检测电路检测输出电压和电流信号，提供负载信息，控制单元产生控制升压电路中绝缘栅双极型晶体管开通关断的PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)信号。
本发明根据开环控制和功率因数校正原理，利用较少的传感器和检测电路对功率因数校正电路进行开环控制，因此电路的设计更加简单灵活，控制算法简单，成本降低，效率得以提升，并且能够适应负载的随机变化，无论重载或轻载，都能够获得较高的功率因数。
附图说明
图1为本发明的电路原理图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例包括：整流电路1、升压电路2、输入电压检测电路3、输出检测电路4和控制单元5，其中：整流电路1、输入电压检测电路3、升压电路2和输出检测电路4依次级联，升压电路2、输入电压检测电路3和输出检测电路4分别与控制单元5连接。
所述的整流电路1由并联的第一整流桥B1、第二整流桥B2组成。
所述的输入电压检测电路3包括：由第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3组成的电压采样电路和滤波放大电路，其中：电压采样电路的第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3串联后分别与整流电路的输出端和升压电路2并联，采样第三电阻R3两端的电压连接滤波放大电路的一端，滤波放大电路的另一端与控制单元5连接。
所述的升压电路2包括：增压变换器和电解电容E1，其中：增压变换器分别与电解电容E1并联，电解电容E1接地，增压变换器与控制单元5连接。
所述的增压变换器包括：升压电感L1、二极管D2和绝缘栅双极型晶体管S1，其中：绝缘栅双极型晶体管S1的栅极与控制单元5连接，绝缘栅双极型晶体管S1的集电极分别与二极管D2的阳极和升压电感L1的一端连接，绝缘栅双极型晶体管S1的发射极接地。
所述的输出检测电路4包括：第一滤波放大电路、第二滤波放大电路、由第四电阻R4、第五电阻R5和第六电阻R6组成的电压采样电路和由第七电阻R7构成的电流采样电路，其中：电压采样电路的第四电阻R4、第五电阻R5和第六电阻R6串联后与升压电路的增压变换器并联，第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6和第七电阻R7串联后跨接于输出检测电路的输出端，采样第六电阻R6两端的电压通过第一滤波放大电路与控制单元5连接，采样流过第七电阻R7的电流通过第二滤波放大电路与控制单元5连接。
所述的控制单元5包括：数字信号处理单元和绝缘栅双极型晶体管驱动器DR1，其中：绝缘栅双极型晶体管驱动器DR1分别与数字信号处理单元和升压电路2的增压变换器连接。
所述的整流电路1对输入交流电进行整流，得到直流输出，通过并联第一整流桥和第二整流桥能够降低各个整流电路的电气应力。
所述的升压电路2的输入为正弦半波电压，其输入端的等效负载可以做到为阻性，即单位输入功率因数，同时能够使该升压变换输出稳定直流电压。
所述的输入电压检测电路3检测整流后输入电压信号滤波后供控制单元5使用。
所述的输出检测电路4检测出输出电压和输出电流，供控制器实时计算出负载状况，改变控制参数，从而实现负载的宽范围调节。
所述的控制单元5的数字信号处理根据检测的电路状态信号，计算输出PWM脉冲信号，经驱动器后驱动升压电路2的绝缘栅双极型晶体管S1的导通与关断，使升压电路2实现单位输入功率因数和直流恒压输出。
本实例中所述的整流电路1、升压电路2、输入电压检测电路3、输出检测电路4和控制单元5组成的精简开环控制的单级功率因数校正器，其主要作用有两点：一，使输入电流波形较好地跟踪输入电压波形，实现单位输入功率因数，二，作为电路的前级稳压器，输出稳定的直流电压，采用精简的开环控制能够简化电路设计，控制算法，降低成本，并且能够适应负载的随机变化，无论重载或轻载时，都能够获得较高的功率因数。

Claims (7)

1.一种精简开环控制的单级功率因数校正器，包括：整流电路、输入电压检测电路、升压电路、输出检测电路和控制单元，其特征在于，其中：整流电路、输入电压检测电路、升压电路和输出检测电路依次级联，输入电压检测电路、升压电路和输出检测电路分别与控制单元连接。
2.根据权利要求1所述的精简开环控制的单级功率因数校正器，其特征是，所述的整流电路由两个并联的整流桥组成。
3.根据权利要求1所述的精简开环控制的单级功率因数校正器，其特征是，所述的输入电压检测电路包括：由电阻实现的电压采样电路和滤波放大电路，其中：电压采样电路分别与整流电路的输出端和升压电路并联，滤波放大电路的一端与电压采样电路连接，滤波放大电路的另一端与控制单元连接。
4.根据权利要求1所述的精简开环控制的单级功率因数校正器，其特征是，所述的升压电路包括：增压变换器和电解电容，其中：增压变换器分别与电解电容并联，电解电容接地，增压变换器与控制单元连接。
5.根据权利要求4所述的精简开环控制的单级功率因数校正器，其特征是，所述的增压变换器包括：升压电感、二极管和绝缘栅双极型晶体管，其中：绝缘栅双极型晶体管的栅极与控制单元连接，绝缘栅双极型晶体管的集电极分别与二极管的阳极和升压电感的一端连接，绝缘栅双极型晶体管的发射极接地。
6.根据权利要求1所述的精简开环控制的单级功率因数校正器，其特征是，所述的输出检测电路包括：两个滤波放大电路、均由电阻实现的电压采样电路和电流采样电路，其中：电压采样电路与升压电路的增压变换器并联，电压采样电路与电流采样电路串联后跨接于输出检测电路的输出端，电压采样电路、电流采样电路分别通过第一、第二滤波放大电路与控制单元连接。
7.根据权利要求1所述的精简开环控制的单级功率因数校正器，其特征是，所述的控制单元包括：数字信号处理单元和绝缘栅双极型晶体管驱动器，其中：绝缘栅双极型晶体管驱动器分别与数字信号处理单元和升压电路的增压变换器连接。
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