CN102170221A

CN102170221A - 近似开环控制的交错功率因数校正器

Info

Publication number: CN102170221A
Application number: CN2011100993951A
Authority: CN
Inventors: 蒋婷; 江剑锋; 曹中圣; 王虎; 杨喜军
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2011-04-20
Filing date: 2011-04-20
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2031-04-20
Also published as: CN102170221B

Abstract

一种电力电子技术领域的近似开环控制的交错功率因数校正器，包括：整流电路、输入电压检测电路、升压电路、输出检测电路、电压极性检测电路和控制单元，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，电压极性检测电路、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，本发明实现交流-直流变换，具有线性输入阻抗，功率等级高，同时具有结构简单、控制容易和成本低廉的优点。

Description

近似开环控制的交错功率因数校正器

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，具体是一种近似开环控制的交错功率因数校正器。

背景技术

传统的单位输入功率因数AC-DC变换器，一般采用单相PFC(Power Factor Correction，功率因数校正)电路，需要检测输入电压、输出电压和电感电流，形成前馈与反馈的双闭环控制，以实现单位输入功率因数的要求。

随着大功率电路的发展，对于器件的耐压耐流能力提出了更高的要求。传统的单位输入功率因数AC-DC变换器，虽然功能齐全，性能较高，但控制繁琐，成本较高，耐压耐流能力有限，不适合大功率的场合。

经过对现有技术的检索发现，“大功率单相数字APFC(Active Power Factor Correction，有源功率因数校正)的研究与实现”(上海交通大学硕士学位论文，2009年1月)、“新型控制策略的数字有源PFC的实现”(电力电子技术，2010年第2期第44卷)、中国专利号：200410009471.5，发明名称：新型控制策略的数字有源PFC的实现和中国专利申请号：200810146300.5，发明名称：空调器PFC使能控制方法，所描述的PFC电路，需要检测的量多，都需要检测输出电压，电感电流等，特别是检测电感的电流较为繁琐，且需要输入前馈和输出反馈的双闭环控制，造成控制复杂。在大功率场合，为满足更高的功率等级要求，需要耐压耐流能力更高的功率开关等器件，成本较高。传统的闭环控制单相功率因数校正电路需要改善，如何设计一种结构简单、功能全面、控制容易、成本低廉、性能完善的功率因数校正电路，已成为本领域技术人员需要解决的问题。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种近似开环控制的交错功率因数校正器，实现交流-直流变换，具有线性输入阻抗，功率等级高，同时具有结构简单、控制容易和成本低廉的优点。

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、电压极性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，电压极性检测电路、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：两个分支增压电路、两个功率开关驱动电路和电解电容，其中：第一分支增压电路、第二分支增压电路以及电解电容并联，第一、第二分支增压电路中的绝缘栅双极型晶体管分别与第一、第二功率开关驱动电路的一端连接，第一、第二功率开关驱动电路的另一端分别与控制单元的增强型脉冲宽度调制单元连接。

所述的分支增压电路包括：电感、快速恢复二极管、绝缘栅双极型晶体管和电阻，其中：绝缘栅双极型晶体管的栅极与开关驱动电路连接，绝缘栅双极型晶体管的集电极分别与二极管的阳极和电感的一端连接，绝缘栅双极型晶体管的发射极与电阻连接接地。

所述的输出检测电路包括：两个滤波放大电路、均由电组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电路并联，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的芯片TMS320F28335的模数转换单元连接。

所述的电压极性检测电路包括：差分电路、RC滤波电路和两个均由电阻实现的分压电路，其中：差分电路的电容两端分别与两个分压电路连接，两个分压电路并联，差分电路的输出端与RC滤波电路连接，RC滤波电路的电容与控制单元的芯片TMS320F28335的增强型捕获单元连接。

所述的差分电路包括：运算放大器、两个二极管和电容，其中：极性相反的第一、第二二极管以及电容均并联于运算放大器的正向输入端、反向输入端，电容设置于差分电路的输入端。

所述的控制单元包括：模数转换单元、增强型脉冲宽度调制单元、增强型捕获单元和运算程序，其中：捕获单元根据ECAP1输入口的电平值判断输入电压极性和计算输入电压角频率，ADC转换单元包括输入电压瞬时绝对值、输出电压瞬时值和输出电流瞬时值的转换，根据上述信息，运算程序负责完成电感电流合成、输出等效阻抗、输出电压给定与输入电压瞬时绝对值的比Kd及等效电感量的计算。增强型脉冲宽度调制单元负责产生两路相差180°的PWM脉冲。如图1所示，根据占空比与各采样值和给定值的数学关系，设置各个所需控制器和寄存器的值。

本发明通过以下方式进行工作：整流电路将工频交流电压转换为全波输出电压，升压电路实现阻抗匹配以达到单位输入功率因数特征，且通过储能电容实现稳定的电压输出，电压极性检测电路检测输入电压的极性和判断输入电压的频率，输入电压检测电路检测输入电压瞬时绝对值，输出检测电路检测输出电压和电流的瞬时值，以达到计算输出实时等效阻抗的目的，控制单元根据输入电压瞬时值、输入电压角频率、输入电压极性、输出等效阻抗值、升压电路电感值、交错级数、输出参考电压与脉冲占空比的数学逻辑关系，产生所需相位相差180°的交错PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)脉冲，并且设置过流均流保护的功能，整个电路无真正意义上传统功率校正器的闭环控制，能够视为一种近似开环的控制方式，

本发明的控制单元中的增强型捕获单元根据输入的电平值判断输入电压极性和计算输入电压角频率，模数转换单元包括输入电压瞬时绝对值、输出电压瞬时值和输出电流瞬时值的转换，完成输出等效阻抗、输出电压给定与输入电压瞬时绝对值的比K_d及等效电感量的计算，根据占空比与各采样值和给定值的数学关系，设置各个寄存器的值。

本发明采用两个整流桥并联结构、两相交错分支增压电路，提高了电路的功率等级，克服了单相PFC电路的缺点，解决了大功率场合的需要。此外，运用软件实现近似开环的数字控制，无需检测电感电流及构成电压电流双闭环控制，解决了控制复杂的问题。具有设计构思新颖、通用性强等特征，同时具有结构简单、成本低廉的优点。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为整流电路和电压极性检测电路示意图。

图3为升压电路、输入电压检测电路和输出检测电路示意图。

图4为控制单元示意图。

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

如图1所示，本实施例包括：整流电路1、升压电路2、电压极性检测电路3、输入电压检测电路4、输出检测电路5和控制单元6部分，其中：整流电路1和电压极性检测电路3均与输入交流电压端相连，整流电路1、输入电压检测电路4、升压电路2和输出检测电路5依次级联，电压极性检测电路3、输入电压检测电路4、升压电路2和输出检测电路5分别与控制单元6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、电容C1、电容C2组成。

所述的输入电压检测电路4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的第一分支增压电路并联，采样R3上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的模数转换单元连接。

所述的升压电路包括：第一分支增压电路、第二分支增压电路、第一功率开关驱动电路DR1、第二功率开关驱动电路DR2和电解电容E1，其中：第一分支增压电路、第二分支增压电路以及电解电容E1并联，第一、第二分支增压电路中的第一绝缘栅双极型晶体管S1、第二绝缘栅双极型晶体管S2分别与第一功率开关驱动电路DR1、第二功率开关驱动电路DR2的一端连接，第一功率开关驱动电路DR1、第二功率开关驱动电路DR2的另一端分别与控制单元的芯片TMS320F28335的增强型脉冲宽度调制单元连接。

所述的第一分支增压电路包括：电感L1、快速恢复二极管D1、绝缘栅双极型晶体管S1和电阻R4，其中：第一绝缘栅双极型晶体管S1的栅极与第一功率开关驱动电路DR1连接，第一绝缘栅双极型晶体管S1的集电极分别与二极管D1的阳极和电感的一端连接，第一绝缘栅双极型晶体管S1的发射极与电阻R4连接接地。

所述的第二分支增压电路包括：电感L2、快速恢复二极管D2、绝缘栅双极型晶体管S2和电阻R5，其中：第一绝缘栅双极型晶体管S2的栅极与第一功率开关驱动电路DR2连接，第一绝缘栅双极型晶体管S2的集电极分别与二极管D2的阳极和电感的一端连接，第一绝缘栅双极型晶体管S2的发射极与电阻R5连接接地。

所述的输出检测电路5包括：第一滤波放大电路、第二滤波放大电路、由电阻R7、R8、R9组成的电压采样电路和由R16构成的电流采样电路，其中：电压采样电路的电阻R7、R8、R9串联后与升压电路的第二分支增压电路并联，电阻R7、R8、R9和R16串联后跨接于输出检测电路的输出端，采样R9上的电压通过第一滤波放大电路与控制单元的芯片TMS320F28335的ADC)单元连接，采样流过R16的电流通过第二滤波放大电路与控制单元的芯片TMS320F28335的模数转换单元连接。

所述的电压极性检测电路3包括：差分电路、RC滤波电路、由电阻R10、R12和R14组成的第一分压电路和由电阻R11、R13和R15组成的第二分压电路，其中：差分电路的电容C3两端分别与第一分压电路和第二分压电路连接，第一分压电路和第二分压电路并联，差分电路的输出端与RC滤波电路R6、C4连接，RC滤波电路的电容C4与控制单元的增强型捕获单元连接。

所述的差分电路包括：运算放大器A1、第一二极管D3、第二二极管D4和电容C3，其中：其中：极性相反的第一二极管D3、第二二极管D4以及电容C3均并联于运算放大器A1的正向输入端、反向输入端，第一二极管D3的阳极分别连接电阻R13和R15，第一二极管D3的阴极分别连接电阻R12和R14，第二二极管D4的阳极分别连接电阻R12和R14，第二二极管D4的阴极分别连接电阻R13和R15，电容C3设置于差分电路的输入端。

所述的控制单元6采用TI公司的芯片TMS320F28335，其中：所述的芯片TMS320F283356包括：模数转换单元、增强型脉冲宽度调制单元和增强型捕获单元。

电压极性检测电路3将判断输入交流电压的正负极性及频率，整流电路1输入该工频交流电压，输出全波电压，输入电压检测电路4通过电阻分压实时检测通过整流器后的输入电压瞬时值，升压电路2起到阻抗匹配作用，反映到整个近似开环控制的交错功率因数校正器的输入端，呈现单位输入功率因数特征，输出检测电路5实时检测输出电压和输出电流的瞬时值，以求得输出阻抗实时值，控制单元6根据检测到的各种瞬时值和给定值，合成电感电流，通过其与占空比的数学关系，修改相应的寄存器，给出升压电路功率开关的PWM脉冲控制信号。

所述的升压电路2采用相位相差180°的交错PWM脉冲信号分别驱动各自的功率开关，形成两相交错升压电路2，并且实现阻抗匹配以达到产生单位输入功率因数的目的，同时电容滤去电压纹波实现稳定的直流电压输出。

电压极性检测电路3中的带滞环比较环节的差分电路能够防止输入差模信号幅度过大而造成器件损坏，而且通过各自的电阻分压电路与交流输入的两端相连，当运放的正端电压高于负端电压时，输出为正电平，反之为零，即在输入电压正半周时，输出为正电平，负半周时输出为零，滤波电路能够滤去滞环比较后输出波形的毛刺。

所述的输出检测电路5检测输出电压和电流的瞬时值，以达到计算输出实时等效阻抗的目的。

所述的控制单元6采用TI公司的TMS320F28335控制芯片，根据输入电压瞬时值、输入电压角频率、输入电压极性、输出等效阻抗值、输出参考电压、升压电路等效电感值等的数学关系计算出实时占空比，产生相位相差180o的交错PWM脉冲，给出升压电路功率开关的控制信号，实现近似开环控制单位输入功率因数的目的。同时设置了过流均流保护环节，此环节采样两相分支增压电路功率开关上的电流，当采样值过大或差值超过一定范围时，都将停止脉冲的产生。

Claims

1.一种近似开环控制的交错功率因数校正器，包括：整流电路、输入电压检测电路、升压电路、输出检测电路、电压极性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，电压极性检测电路、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所述的近似开环控制的交错功率因数校正器，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所述的近似开环控制的交错功率因数校正器，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的第一分支增压电路并联，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的模数转换单元连接。

4.根据权利要求1所述的近似开环控制的交错功率因数校正器，其特征是，所述的升压电路包括：两个分支增压电路、两个功率开关驱动电路和电解电容，其中：第一分支增压电路、第二分支增压电路以及电解电容并联，第一、第二分支增压电路中的绝缘栅双极型晶体管分别与第一、第二功率开关驱动电路的一端连接，第一、第二功率开关驱动电路的另一端分别与控制单元的增强型脉冲宽度调制单元连接。

5.根据权利要求4所述的近似开环控制的交错功率因数校正器，其特征是，所述的分支增压电路包括：电感、快速恢复二极管、绝缘栅双极型晶体管和电阻，其中：绝缘栅双极型晶体管的栅极与第一功率开关驱动电路连接，绝缘栅双极型晶体管的集电极分别与二极管的阳极和电感的一端连接，绝缘栅双极型晶体管的发射极与电阻连接接地。

6.根据权利要求1所述的近似开环控制的交错功率因数校正器，其特征是，所述的输出检测电路包括：两个滤波放大电路、均由电组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第二分支增压电路并联，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的模数转换单元连接。

7.根据权利要求1所述的近似开环控制的交错功率因数校正器，其特征是，所述的电压极性检测电路包括：差分电路、RC滤波电路和两个均由电阻实现的分压电路，其中：差分电路的电容两端分别与两个分压电路连接，两个分压电路并联，差分电路的输出端与RC滤波电路连接，RC滤波电路的电容与控制单元的增强型捕获单元连接。

8.根据权利要求7所述的近似开环控制的交错功率因数校正器，其特征是，所述的差分电路包括：运算放大器、两个二极管和电容，其中：极性相反的第一、第二二极管以及电容均并联于运算放大器的正向输入端、反向输入端，电容设置于差分电路的输入端。

9.根据权利要求1所述的近似开环控制的交错功率因数校正器，其特征是，所述的控制单元包括：模数转换单元、增强型脉冲宽度调制单元、增强型捕获单元，其中：捕获单元根据ECAP1输入口的电平值判断输入电压极性和计算输入电压角频率，ADC转换单元包括输入电压瞬时绝对值、输出电压瞬时值和输出电流瞬时值的转换，根据上述信息，运算程序负责完成电感电流合成、输出等效阻抗、输出电压给定与输入电压瞬时绝对值的比Kd及等效电感量的计算。增强型脉冲宽度调制单元负责产生两路相差180°的PWM脉冲。根据占空比与各采样值和给定值的数学关系，设置各个所需控制器和寄存器的值。