CN102291018A - 带有apfc电路的单相整流器及其交流输入电压幅值检测方法 - Google Patents

带有apfc电路的单相整流器及其交流输入电压幅值检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明针对现有技术中，带有APFC电路的单相整流器交流输入电压检测存在的缺陷，提供一种带有APFC电路的单相整流器，以及该单相整流器交流输入电压幅值的检测方法。通过在单相整流电路的输出端设置分压采样电路，本发明提供了一种低成本的带有APFC电路的单相整流器，该单相整流器在尽可能少增加额外电路的情况下，实现低成本检测交流输入电压幅值，电路结构简单、可靠，通过设置辅助整流电路，可方便地适用不同的功率因数校正功率等级，避免了大负载情况下，单相整流电路二极管压降对交流输入电压幅值检测精度的影响。

Description

带有APFC电路的单相整流器及其交流输入电压幅值检测方法
技术领域
本发明涉及有源功率因数校正技术领域，更具体地说，涉及带有APFC电路的单相整流器及其交流输入电压幅值检测方法。  
背景技术
交流输入电源经整流和滤波后，非线性负载使得输入电流波形畸变，输入电流呈脉冲波形，含有大量的谐波分量，使得功率因数很低。由此带来的问题是：谐波电流污染电网，干扰其他用电设备；在输入功率一定的条件下，输入电流较大，必须增大输入断路器和电源线的量；三相四线制供电时中线中的电流较大，由于中线中无过流防护装置，有可能过热甚至着火。为此，没有功率因数校正电路的开关电源被逐渐限制应用。提高功率因数对于降低能源消耗，减小电源设备的体积和重量，缩小导线截面积，减弱电源设备对外辐射和传导干扰都具有重大意义。所以，设有功率因数校正电路使功率因数近于1的开关电源得到迅速的发展。
APFC技术（有源功率因数校正技术）的基本思想是将输入的交流电进行整流，在整流电路与滤波电容之间加入DC/DC变换，通过适当控制使输入电流的波形自动跟随输入电压的波形，即使整流器的输出电流跟随它输出直流脉动电压波形，且要保持贮能电容电压稳定，从而实现稳压输出和单位功率因数输入。
对于设有APFC电路的单相整流器在进行有源功率因数校正的过程中，需要对输入的单相交流电进行检测，比较常规的做法是采用电压互感器或者是采用模拟芯片构成的电路进行检测，上述做法的电路结构复杂、体积较大，电路成本较高。
为了解决上述问题，现有技术中有通过交流输入过零检测和电压幅值检测相结合的方式对输入的单相交流电进行检测，这样获得交流输入的过零点和电压幅值即可间接地完成交流输入的检测。过零检测技术比较成熟，对于电压幅值检测，尽可能不增加或者少增加额外电路，实现低成本检测交流输入电压幅值是一个急需解决的问题。 
 
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中，带有APFC电路的单相整流器交流输入电压检测存在的缺陷，提供一种带有APFC电路的单相整流器，以及该单相整流器交流输入电压幅值的检测方法。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
本发明的第一方面，一种带有APFC电路的单相整流器，包括单相输入端、输出端和单相整流电路，单相输入端连接单相交流电，输出端的输出为直流电，单相整流电路的正输出端通过一个电感跨接一个电子开关至整流电路的负输出端，电子开关的控制端和一个脉宽调制电路的输出端相连，单相整流电路的负输出端设有电流采样电阻，其特征在于：进一步包括分压采样电路，所述分压采样电路的正输入端连接单相整流电路的正输出端，或者通过辅助整流电路连接单相输入端，分压采样电路的负输入端连接电流采样电阻的高电势端。
本发明中，当负载较大时，分压采样电路的正输入端通过辅助整流电路连接单相输入端，分压采样电路的负输入端连接采样电阻的高电势端，以适用不同的功率因数校正功率等级。
所述分压采样电路包括电阻分压采样电路和线性光耦分压采样电路。
本发明中，单相整流器的控制地设置在电流采样电阻的高电势端，以避免控制过程中控制信号受到电流采样电阻的影响。
本发明的第二方面，带有APFC电路的单相整流器交流输入电压幅值检测方法，所述单相整流器包括单相输入端、输出端和单相整流电路，单相输入端连接单相交流电，输出端的输出为直流电，单相整流电路的正输出端通过一个电感跨接一个电子开关至整流电路的负输出端，电子开关的控制端和一个脉宽调制电路的输出端相连，单相整流电路的负输出端设有电流采样电阻，其特征在于：进一步包括分压采样电路，所述分压采样电路的正输入端连接单相整流电路的正输出端，或者通过辅助整流电路连接单相输入端，分压采样电路的负输入端连接电流采样电阻的高电势端，通过分压采样电路采集到的输出电压与交流输入电压幅值的关系，获得交流输入电压幅值。
本发明中，当负载较大时，分压采样电路的正输入端通过辅助整流电路连接单相输入端，分压采样电路的负输入端连接采样电阻的高电势端，以适用不同的功率因数校正功率等级。
所述分压采样电路包括电阻分压采样电路和线性光耦分压采样电路。
本发明提供了一种低成本的带有APFC电路的单相整流器，该单相整流器在尽可能少增加额外电路的情况下，实现低成本检测交流输入电压幅值，电路结构简单、可靠，通过设置辅助整流电路，可方便地适用不同的功率因数校正功率等级，避免了大负载情况下，单相整流电路二极管压降对交流输入电压幅值检测精度的影响。
说明书附图
图1为现有一种带有APFC电路的单相整流器的结构示意图。
图2为现有另一种带有APFC电路的单相整流器的结构示意图。
图3为现有另一种带有APFC电路的单相整流器的结构示意图。
图4为现有另一种带有APFC电路的单相整流器的结构示意图。
图5为本发明带有APFC电路的单相整流器一种实施方式的结构示意图。
图6为本发明带有APFC电路的单相整流器另一种实施方式的结构示意图。
图7为本发明带有APFC电路的单相整流器另一种实施方式的结构示意图。
图8为本发明带有APFC电路的单相整流器另一种实施方式的结构示意图。
 
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
本发明的主旨在于解决对于设有APFC电路的单相整流器在进行有源功率因数校正的过程中，采用电压互感器或者是采用模拟芯片构成的电路对输入的单相交流电进行检测时，电路结构复杂、体积较大，电路成本较高的缺陷，提供一种带有APFC电路的单相整流器，以及该单相整流器交流输入电压幅值的检测方法。
如图1所示，现有的带有APFC电路的单相整流器包括一单相输入端、输出端和单相整流电路，单相整流电路通常采用4个二极管构成的全波整流桥，单相输入端连接单相交流电，输出端的输出为直流电，单相整流电路的正输出端通过电感L0跨接电子开关至整流电路的负输出端，电子开关的控制端和一个脉宽调制电路的输出端相连。
图1中电子开关采用场效应管进行示例性说明，场效应管的D极与电感L0连接，场效应管的S极与单相整流电路的负输出端连接，场效应管的G极与脉宽调制电路的输出端连接。
除此之外，单相整流电路的输出端还设有电流采样电路，以对交流输入电流进行采样，现有技术中多采用电流互感器或者采用电阻的方式进行电流采样，电流互感器由于成本较高在很多低成本的应用场合已经被电流采样电阻所取代，这样，为了检测采样电阻端电压以采样电流信号，MCU的控制信号不再与单相整流电路的输出端电压隔离。
电流采样电阻的设置方式有很多，同样以电子开关采用场效应管进行说明，在图1所示的方式中，电流采样电阻R0设置在电感L0与场效应管D极之间，由于电流采样电阻R0两端电压均位于高电势侧，不利于电流采样电阻R0端电压测量，即不利于电流信号采样。
参见图2，图2所示的方式中，电流采样电阻R0位于场效应管的S极与单相整流电路的负输出端之间，这样，需配合场效应管的开关动作状态电流采样电阻R0才能正确采样，即只有部分时刻才能采样输入电流，电流采样有相当的局限性。
参见图3，图3所示的方式是基于图2所示的方式，在电容C0负端与单相整流电路的负输出端之间串接电流采样电阻R1，这样，尽管可以满足全时刻电流采样，但电路结构变的比较复杂，成本相对较高。
参见图4，图4所示的方式是为了解决图1、图2所示方式在电流采样中存在的不足以及图3所示的方式电路结构复杂，成本相对较高的问题。电流采样电阻R0位于单相整流电路的负输出端，这种设置方式具有结构简单，成本较低的特点，同时电流采样电阻R0可起到保护电阻的作用，是一种比较理想的设计方案。
本发明即针对电流采样电阻R0如图4所示方式的带有APFC电路的单相整流器，在尽可能少增加额外电路的情况下，实现低成本检测交流输入电压幅值。需要指出的是，由于本发明主要涉及交流输入电压幅值的检测，因此整流器的控制部分并未在本发明的附图中进行表示，本领域技术人员可以根据实际需要对控制部分进行设计，本发明中不再进行累述。
参见图5，本发明的一种实施方式中，在单相整流电路的正输出端和电流采样电阻R0的高电势端之间设置了电阻分压采样电路，电阻分压采样电路的正输入端连接单相整流电路的正输出端，分压采样电路的负输入端连接电流采样电阻R0的高电势端。本实施方式中，电阻分压采样电路由电阻R11和电阻R12串联构成，电阻R12上的电压Vout作为分压采样的输出电压。
参见图6，本发明的另一种实施方式中，在单相整流电路的正输出端和电流采样电阻R0的高电势端之间设置了线性光耦分压采样电路，线性光耦分压采样电路的正输入端连接单相整流电路的正输出端，线性光耦分压采样电路的负输入端连接电流采样电阻R0的高电势端，线性光耦分压采样电路的输出端作为分压采样的输出电压。
对于本领域的技术人员来说，在满足本发明主旨的前提下，分压采样电路还可以采用其他的形式，本发明实施例只是对分压采样电路进行示例性说明，并非对本发明的限制，所有满足本发明主旨的分压采样电路的形式，都应在本发明权利要求请求保护的范围中。
参见图7，本发明的另一种实施方式中，电阻分压采样电路的正输入端通过整流二极管D11和D12构成的辅助整流电路直接与单相输入端连接，电阻分压采样电路的负输入端同样连接电流采样电阻R0的高电势端。本实施方式中，辅助整流电路的整流二极管D11和D12实际是替代了单相整流电路中的整流二极管D1和D2，这样做的目的在于，当负载较大时，采用图5所示的实施方式，由于流经整流二极管D1和D2的电流较大，电流产生的压降会影响电压幅值检测精度。采用辅助整流电路，通过合理选择整流二极管D11、D12以及电阻R11、电阻R12的参数，可使得辅助整流电路与电阻分压采样电路构成的回路中电流较小，以避免影响电压幅值检测精度。因此，本实施方式相对图5所示的实施方式，可方便适用不同的功率因数校正功率等级。
参见图8，本发明的另一种实施方式中，线性光耦分压采样电路的正输入端通过整流二极管D11和D12构成的辅助整流电路直接与单相输入端连接，线性光耦分压采样电路的负输入端同样连接电流采样电阻R0的高电势端。本实施方式中，辅助整流电路的整流二极管D11和D12实际是替代了单相整流电路中的整流二极管D1和D2，这样做的目的在于，当负载较大时，采用图6所示的实施方式，由于流经整流二极管D1和D2的电流较大，电流产生的压降会影响电压幅值检测精度。采用辅助整流电路，通过合理选择整流二极管D11、D12以及电阻R11、电阻R12的参数，可使得辅助整流电路与电阻分压采样电路构成的回路中电流较小，以避免影响电压幅值检测精度。因此，本实施方式相对图6所示的实施方式，可方便适用不同的功率因数校正功率等级。
由于电流采样电阻R0的阻值较小，图5所示的实施方式如果不考虑电流采样电阻R0上的压降，电阻R12上的输出电压Vout=（R11/（R11+R12））（Vac(幅)-V（D1）-V（D4）），即可计算得到交流输入电压的幅值Vac(幅)；但是负载增大时，流经电流采样电阻R0的电流将会增大，相对于Vout压降将不能再忽略，那么，电阻R12上的输出电压Vout=（R11/（R11+R12））（Vac(幅)-V（D1）-V（D4）-V（R0）），计算即可得到交流输入电压的幅值Vac(幅)。
针对图7所示的实施方式，如果不考虑电流采样电阻R0上的压降，电阻R12上的输出电压Vout=（R11/（R11+R12））（Vac(幅)-V（D11）-V（D4）），负载增大时，相对于Vout压降将不能再忽略，那么，电阻R12上的输出电压Vout=（R11/（R11+R12））（Vac(幅)-V（D11）-V（D4）-V（R0）），交流输入电压的幅值Vac(幅)的计算方式与图5所示的方式是相同的。
对于图6和图8所示的实施方式，线性光耦的输入电压和输出电压成一定线性比例，输出电压可以有效反映交流电压幅值，但电路结构相对图5和图7所示的实施方式复杂且成本较高。
尽管本发明并不主要涉及带有APFC电路的单相整流器的控制部分，但对于图5至图8所示的实施方式，单相整流器的控制地较好的方式是设置在电流采样电阻R0的高电势端，这样可以避免控制过程中控制信号受到电流采样电阻R0的影响。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定                                                
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。
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Claims (7)

1.带有APFC电路的单相整流器，包括单相输入端、输出端和单相整流电路，单相输入端连接单相交流电，输出端的输出为直流电，单相整流电路的正输出端通过一个电感跨接一个电子开关至整流电路的负输出端，电子开关的控制端和一个脉宽调制电路的输出端相连，单相整流电路的负输出端设有电流采样电阻，其特征在于：进一步包括分压采样电路，所述分压采样电路的正输入端连接单相整流电路的正输出端，或者通过辅助整流电路连接单相输入端，分压采样电路的负输入端连接电流采样电阻的高电势端。
2.如权利要求1所述的带有APFC电路的单相整流器，其特征在于：当负载较大时，分压采样电路的正输入端通过辅助整流电路连接单相输入端，分压采样电路的负输入端连接采样电阻的高电势端。
3.如权利要求1所述的带有APFC电路的单相整流器，其特征在于：所述分压采样电路包括电阻分压采样电路和线性光耦分压采样电路。
4.如权利要求1至3任一所述的带有APFC电路的单相整流器，其特征在于：单相整流器的控制地设置在电流采样电阻的高电势端。
5.带有APFC电路的单相整流器交流输入电压幅值检测方法，所述单相整流器包括单相输入端、输出端和单相整流电路，单相输入端连接单相交流电，输出端的输出为直流电，单相整流电路的正输出端通过一个电感跨接一个电子开关至整流电路的负输出端，电子开关的控制端和一个脉宽调制电路的输出端相连，单相整流电路的负输出端设有电流采样电阻，其特征在于：进一步包括分压采样电路，所述分压采样电路的正输入端连接单相整流电路的正输出端，或者通过辅助整流电路连接单相输入端，分压采样电路的负输入端连接电流采样电阻的高电势端，通过分压采样电路采集到的输出电压与交流输入电压幅值的关系，获得交流输入电压幅值。
6.如权利要求5所述的带有APFC电路的单相整流器交流输入电压幅值检测方法，其特征在于：当负载较大时，分压采样电路的正输入端通过辅助整流电路连接单相输入端，分压采样电路的负输入端连接采样电阻的高电势端。
7.如权利要求5所述的带有APFC电路的单相整流器交流输入电压幅值检测方法，其特征在于：所述分压采样电路包括电阻分压采样电路和线性光耦分压采样电路。
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