CN102651606A - 单周期功率因数校正电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种单周期功率因数校正电路，包括：开关直流升压电路(10)以及采样比较电路(20)，用于形成脉宽调制信号，调整开关直流升压电路(10)的输入功率的功率因数，开关直流升压电路(10)还包括：电感(L)，第一端形成开关直流升压电路(10)的第一交流输入端；整流电路(12)，具有第一交流端、第二交流端、第一直流端以及第二直流端，第一交流端连接至电感(L)的第二端，第二交流端形成功率电路的第二交流输入端，第一直流端形成第一节点(A)，第二直流端连接至采样比较电路(20)的第一输入端。本发明通过将电感移至整流电路的交流侧，对输入电流进行缓冲和平稳，从而相对提高了单周期的PFC的使用寿命。

Description

单周期功率因数校正电路

技术领域

本发明涉及消除或补偿无功功率的装置，尤其涉及一种单周期功率因数校正电路。

背景技术

为了减少输入谐波电流，实现电流与电压的同步，需要采用功率因数校正(PFC，PowerFactor Correction)电路。但是传统功率因数矫正电路技术复杂、设计步骤繁琐、所需元件多、体积大而且成本高，因此设计时其往往要在性能和成本之间进行折衷。另一方面，对于传统拓扑有源PFC电路，在输入交流电压突变时会产生很大的尖峰电流，对整流桥部分造成不利影响。

近年来，正在兴起的单周期的PFC电路能够对传统PFC控制电路进行简化，避免使用复杂的模拟乘法器，取得很好的控制效果，目前已经有单周期PFC控制芯片研制成功。但现有技术中的单周期PFC，基本使用平均电流控制算法，需要采样整流桥的输出电压，因此电抗器必须位于整流桥后。在特殊工作环境引起输入交流电压突变情况下，会产生较大的尖峰电流；另在电网电压输入的初始时刻，由于母线电容起始电压为0，也会引起较大的冲击电流。在上述两种情况下，功率器件的可靠性均会降低，从而影响单周期的PFC的使用寿命。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种单周期功率因数校正电路，以解决现有技术中尖峰电流会使单周期功率因数校正电路使功率器件的可靠性降低的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种单周期功率因数校正电路，包括：开关直流升压电路，具有第一交流输入端以及第二交流输入端，用于与交流电源连接；以及采样比较电路，用于形成脉宽调制信号，调整开关直流升压电路的输入功率的功率因数，开关直流升压电路包括依次连接的功率开关电路、第一电容以及电压采样电路，开关直流升压电路还包括：电感，第一端形成开关直流升压电路的第一交流输入端；整流电路，具有第一交流端、第二交流端、第一直流端以及第二直流端，第一交流端连接至电感的第二端，第二交流端形成功率电路的第二交流输入端，第一直流端形成第一节点，第二直流端连接至采样比较电路的第一输入端。

进一步地，在开关直流升压电路中：功率开关电路的第一输入端连接至采样比较电路的输出端，功率开关电路的第二输入端连接至整流电路的第二直流端，第三输入端连接至第一节点；第一电容的第一端与功率开关电路的第一输出端连接，第一电容的第二端与功率开关电路的第二输出端连接；电压采样电路的第一输入端与第一电容的第一端连接，第二输入端与功率开关电路的第二输出端连接，电压采样电路的输出端与采样比较电路的第二输入端连接，其中，逆变器和负载连接于功率开关电路的第一输出端与功率开关电路的第二输出端之间。

进一步地，功率开关电路包括：功率开关管驱动电路，输入端形成功率开关电路的第一输入端；功率开关管，基极与功率开关管驱动电路的输出端连接，集电极形成功率开关电路的第三输入端连接至第一节点，发射极形成功率开关电路的第二输出端；二极管，阳极连接至功率开关管的集电极，阴极形成功率开关电路的第一输出端，第一电阻，第一端与功率开关管的发射极连接，第二端形成功率开关电路的第二输入端。

进一步地，功率开关管、二极管与整流电路交流侧的电感组成BOOST升压电路，对整流电路的输出电压进行抬高。

进一步地，电压采样电路包括：第二电阻，第一端与功率开关电路的第一输出端连接，第二端形成电压采样电路的输出端；第三电阻，第一端与第二电阻的第二端连接，第二端与功率开关电路的第二输出端连接。

进一步地，采样比较电路包括：电流转换电路，输入端形成采样比较电路的第一输入端，用于将获取的整流电路的电流信号转换成第一电压信号；电压调节器，输入端形成采样比较电路的第二输入端，用于对电压采样电路采集的电压值进行调整，形成第二电压信号；离散积分电路，输入端与电压调节器的输出端连接，用于根据预设的时间间隔将第二电压信号进行离散化处理，形成离散的第二电压信号；电压比较电路，第一输入端与电流转换电路的输出端连接，第二输入端与离散积分电路的输出端连接，输出端与功率开关电路的第一输入端连接，用于根据第一电压信号以及离散的第二电压信号形成驱动功率开关电路的脉宽调制信号。

进一步地，离散积分电路还包括控制端，采样比较电路还包括：时钟电路，与离散积分电路的控制端连接，为离散积分电路提供具有预定时间间隔的时钟信号。

进一步地，整流电路为由四个二极管形成的整流桥。

应用本发明的技术方案，由于电压采样电路位于第一电容之后，不需要在整流电路的输出端进行采样，因此可将电感移至整流电路的交流侧，一方面由于电感具有通直流、阻交流的作用，能够对输入电流进行缓冲和平稳，相对提高了单周期的PFC的使用寿命，从而解决了现有技术中的尖峰电流使单周期功率因数校正电路使功率器件的可靠性降低的问题。另一方面，实验证明电感提前不会影响原BOOST拓扑，仍具有抬高整流电路输出电压的功能。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明实施例的单周期功率因数校正电路原理示意图；以及

图2示出了利用本发明实施例的单周期功率因数校正电路的单周期功率因数校正方法的具体控制程序流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

图1示出了根据本发明实施例的单周期功率因数校正电路原理示意图。如图1所示，单周期功率因数校正电路包括：开关直流升压电路10，具有第一交流输入端以及第二交流输入端，用于与交流电源连接；以及采样比较电路20，用于形成脉宽调制信号，调整开关直流升压电路10的输入功率的功率因数。

其中，开关直流升压电路10包括依次连接的功率开关电路14第一电容C以及电压采样电路16。

如图1所示，开关直流升压电路10还包括：电感L，第一端形成开关直流升压电路10的第一交流输入端；整流电路12，具有第一交流端、第二交流端、第一直流端以及第二直流端，第一交流端连接至电感L的第二端，第二交流端形成功率电路的第二交流输入端，第一直流端形成第一节点A，第二直流端连接至采样比较电路20的第一输入端。

如图1所示，在开关直流升压电路10中，功率开关电路14的第一输入端连接至采样比较电路20的输出端，功率开关电路14的第二输入端连接至整流电路12的第二直流端，第三输入端连接至第一节点A；第一电容C的第一端与功率开关电路14的第一输出端连接，第一电容C的第二端与功率开关电路14的第二输出端连接；电压采样电路16的第一输入端与第一电容C的第一端连接，第二输入端与功率开关电路14的第二输出端连接，电压采样电路16的输出端与采样比较电路20的第二输入端连接，其中，逆变器IPM以及负载30连接于功率开关电路14的第一输出端与功率开关电路14的第二输出端之间。其中，负载30可以为如本实施例中示出的压缩机。

由于本实施例的单周期功率因数校正电路中的电压采样电路16位于第一电容C之后，不需要在整流电路12的输出端进行采样，因此可将电感移至整流电路12的交流侧，一方面由于电感具有通直流、阻交流的作用，能够对输入电流进行缓冲和平稳，相对提高了单周期的PFC的使用寿命，从而解决了现有技术中的尖峰电流使单周期功率因数校正电路使功率器件的可靠性降低的问题。另一方面，实验证明电感提前不会影响原BOOST拓扑，仍具有抬高整流电路输出电压的功能。

下面结合图1详细说明单周期功率因数校正电路各个部分的结构。

功率开关电路14包括：功率开关管驱动电路141，输入端形成功率开关电路14的第一输入端；功率开关管IGBT，基极与功率开关管驱动电路141的输出端连接，集电极形成功率开关电路14的第三输入端连接至第一节点A，发射极形成功率开关电路14的第二输出端；二极管D，阳极连接至功率开关管IGBT的集电极，阴极形成功率开关电路14的第一输出端，第一电阻Rs，第一端与功率开关管IGBT的发射极连接，第二端形成功率开关电路14的第二输入端。其中，功率开关管IGBT、二极管D与整流电路交流侧的电感L组成BOOST升压电路，对整流电路的输出电压进行抬高。

电压采样电路16包括：第二电阻R1，第一端与功率开关电路14的第一输出端连接，第二端形成电压采样电路16的输出端；第三电阻R2，第一端与第二电阻R1的第二端连接，第二端与功率开关电路14的第二输出端连接。

采样比较电路20包括：电流转换电路21，输入端形成采样比较电路20的第一输入端，用于将获取的整流电路12的电流信号转换成第一电压信号；电压调节器23，输入端形成采样比较电路20的第二输入端，用于对电压采样电路20采集的电压值进行调整，形成第二电压信号；离散积分电路25，输入端与电压调节器23的输出端连接，用于根据预设的时间间隔将第二电压信号进行离散化处理，形成离散的第二电压信号；电压比较电路27，第一输入端与电流转换电路21的输出端连接，第二输入端与离散积分电路25的输出端连接，输出端与功率开关电路14的第一输入端连接，用于根据第一电压信号以及离散的第二电压信号形成驱动功率开关电路14的脉宽调制信号。

采样比较电路20既可以采用如图1所示的结构，也可以将图1所示的各个电路集成在主控芯片上，由主控芯片完成各个电路的功能，从而可以大大降低电路连接的复杂性，降低成本。

并且，如图1所示，离散积分电路25还包括控制端，采样比较电路20还包括：时钟电路29，与离散积分电路25的控制端连接，为离散积分电路25提供具有预定时间间隔的时钟信号。

并且，在本实施例中，整流电路12为由四个二极管形成的整流桥。

虽然在本实施例中单周期功率因数校正电路仅给出了如图1所示的各个部分的结构，但是并不限于此，各个部分还可以采用其他的结构形式。如将采样比较电路20集成在一个处理芯片上，具体各个部分的结构在现有技术中已有详细说明，在此不再赘述。

下面结合图1简单说明本发明实施例的单周期功率因数校正电路的控制原理。

单周期PFC控制目的就是使整流后的瞬时电流i_g跟随整流后的输入电压的瞬时值u_g，同时又要保持输出电压U_o稳定。假定控制电路已经满足电感电流与输入电压成比例且相位一致，整个的单周期功率因数校正电路可以等效为一个电阻Re，则：

u_g＝R_ei_g    (1)

其中R_e为PFC变换电路的等效电阻，i_g为整流后的瞬时电流值，u_g为整流后的半波正弦输入电压的瞬时值，对于Boost型PFC功率因数矫正电路，即具有开关直流升压电路的PFC功率因数矫正电路来说在一个周期内，其输入电压u_g、输出电压U_o和开关管占空比d的关系为：

u_g＝U_o(1-d)        (2)

所以根据式(1)和式(2)可以得到：

R_ei_g＝U_o(1-d)        (3)

定义R_s为PFC变换器中电流检测电阻，可得：

$R_s{i}_g=U_o\frac{R_s}{R_e}(1-d)---\left(4\right)$

令

化简后就可以得到：

$R_s{i}_g=u_m\stackrel{\‾}{d}---\left(5\right)$

其中

为开关管的关断占空比，若占空比

可以满足上式，则可以保证电流i_g与半波正弦输入电压u_g一致。设定变换电路的开关周期为T，将其数字离散化，当载波频率远大于输入电压的频率时，可认为在一个周期内，电流i_g以及调节电压基本维持常数。从而，可以得到如下计算公式

$\left\{\begin{array}{cc}{u}_1\left(t\right)=i_g\left(t\right)R_s=i_g\left(\mathrm{nT}\right)R_s& \\ u_2\left(t\right)=\frac{1}{T}{\∫}_0^t{u}_m\left(\mathrm{nT}\right)\mathrm{d\τ}& ,0\≤t\≤T,0\≤\mathrm{\τ}\≤t\end{array}\right.---\left(6\right)$

由于公式6中的u_m在每个开关周期内的值是改变的，用计数器实现比较麻烦。但由于在一个开关周期内u_m和i_g的值是固定的，对公式5进行变形可以得到：

$\left\{\begin{array}{cc}{u}_1\left(t\right)\frac{i_g\left(\mathrm{nT}\right)R_s}{u_m\left(\mathrm{nT}\right)}& \\ u_2\left(t\right)=\frac{1}{T}{\∫}_0^{t}1\mathrm{d\τ}& ,0\≤t\≤T,0\≤\mathrm{\τ}\≤t\end{array}\right.---\left(7\right)$

u₂(t)通过DSP计数器来实现，当u₁(t)＜u₂(t)时开始开关导通，反之，开关关断。

图2为本专利提供单周期功率因数校正方法的具体控制程序流程图，包括如下步骤：

S201，判断是否软启动结束，是则直接进入步骤S205，否则进入步骤S203。

S203，缓慢增加输出电压参考值U_ref，然后进入步骤S205。

S205，根据采样比较电路中的A/D采样电路触发时刻读取母线电压采样值u_o和电感电流采样值i_g。A/D采用通过软件编程实现，将A/D采样触发时刻值送入定时器的比较寄存器中，用中断方式来触发A/D采样，以提供准确的A/D采样数据。S207，将输出母线电压参考值U_ref与母线电压采样值U_o之间的差送给电压调节器，输出为电压u_m。

S209，计算驱动开关管的脉宽调制信号的占空比。

具体地，根据公式(7)计算u₁及u₂，并获得脉宽调制信号(PWM)的占空比。其中，R_s为电流转换电路的等效电流检测电阻。

S211，根据脉宽调制信号的占空比，计算下一次的A/D采样触发时刻。

S213，根据脉宽调制信号的占空比，输出驱动开关管的脉宽调制信号。

S215，返回。结束本次调结果过程，并进入下一次调整过程。

具体地，如在下一次调整中，可以直接从步骤S205开始执行调整过程。

其中，在本实施例中，A/D采样电路以及计时器可以为硬件电路，并与采样电路20中对应的电路进行连接，也可以集成在一个主控芯片上，如集成在DSP芯片上，由主控芯片完成各个电路的功能，从而可以大大降低电路连接的复杂性，降低成本。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

由于电压采样电路位于第一电容之后，不需要在整流电路的输出端(A、B两点)进行采样，可将电感移至整流电路的交流侧，一方面由于电感具有通直流、阻交流的作用，能够对输入电流进行缓冲和平稳，相对提高了单周期的PFC的使用寿命，从而解决了现有技术中的尖峰电流使单周期功率因数校正电路使功率器件的可靠性降低的问题。另一方面电感与功率开关管、二极管组成BOOST拓扑，不会影响抬高整流电路的输出电压。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种单周期功率因数校正电路，包括：

开关直流升压电路(10)，具有第一交流输入端以及第二交流输入端，用于与交流电源连接；以及

采样比较电路(20)，用于形成脉宽调制信号，调整所述开关直流升压电路(10)的输入功率的功率因数，

所述开关直流升压电路(10)包括依次连接的功率开关电路(14)、第一电容(C)以及电压采样电路(16)，

其特征在于，所述开关直流升压电路(10)还包括：

电感(L)，第一端形成所述开关直流升压电路(10)的第一交流输入端；

整流电路(12)，具有第一交流端、第二交流端、第一直流端以及第二直流端，所述第一交流端连接至所述电感(L)的第二端，所述第二交流端形成所述功率电路的第二交流输入端，所述第一直流端形成第一节点(A)，第二直流端连接至所述采样比较电路(20)的第一输入端。

2.根据权利要求1所述的单周期功率因数校正电路，其特征在于，在所述开关直流升压电路(10)中：

所述功率开关电路(14)的第一输入端连接至所述采样比较电路(20)的输出端，

所述功率开关电路(14)的第二输入端连接至所述整流电路(12)的第二直流端，第三输入端连接至所述第一节点(A)；

所述第一电容(C)的第一端与所述功率开关电路(14)的第一输出端连接，所述第一电容(C)的第二端与所述功率开关电路(14)的第二输出端连接；

所述电压采样电路(16)的第一输入端与所述第一电容的第一端连接，第二输入端与所述功率开关电路(14)的第二输出端连接，所述电压采样电路(16)的输出端与所述采样比较电路(20)的第二输入端连接，

其中，逆变器(IPM)和负载(30)连接于所述功率开关电路(14)的第一输出端与所述功率开关电路(14)的第二输出端之间。

3.根据权利要求1所述的单周期功率因数校正电路，其特征在于，所述功率开关电路(14)包括：

功率开关管驱动电路(141)，输入端形成所述功率开关电路(14)的第一输入端；

功率开关管(IGBT)，基极与所述功率开关管驱动电路(141)的输出端连接，集电极形成所述功率开关电路(14)的第三输入端连接至所述第一节点(A)，发射极形成所述功率开关电路(14)的第二输出端；

二极管(D)，阳极连接至所述功率开关管(IGBT)的集电极，阴极形成所述功率开关电路(14)的第一输出端，

第一电阻(Rs)，第一端与所述功率开关管(IGBT)的发射极连接，第二端形成所述功率开关电路(14)的第二输入端。

4.根据权利要求1所述的单周期功率因数校正电路，其特征在于，所述功率开关电路(14)中的功率开关管(IGBT)、二极管(D)与电感(L)组成BOOST升压电路，对整流电路(12)的输出电压进行抬高。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的单周期功率因数校正电路，其特征在于，所述电压采样电路(16)包括：

第二电阻(R1)，第一端与所述功率开关电路(14)的第一输出端连接，第二端形成所述电压采样电路(16)的输出端；

第三电阻(R2)，第一端与所述第二电阻(R1)的第二端连接，第二端与所述功率开关电路(14)的第二输出端连接。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的单周期功率因数校正电路，其特征在于，所述采样比较电路(20)包括：

电流转换电路(21)，输入端形成所述采样比较电路(20)的第一输入端，用于将获取的所述整流电路(12)的电流信号转换成第一电压信号；

电压调节器(23)，输入端形成所述采样比较电路(20)的第二输入端，用于对电压采样电路(16)采集的电压值进行调整，形成第二电压信号；

离散积分电路(25)，输入端与所述电压调节器(23)的输出端连接，用于根据预设的时间间隔将所述第二电压信号进行离散化处理，形成离散的第二电压信号；

电压比较电路(27)，第一输入端与所述电流转换电路(21)的输出端连接，第二输入端与所述离散积分电路(25)的输出端连接，输出端与所述功率开关电路(14)的第一输入端连接，用于根据所述第一电压信号以及所述离散的第二电压信号形成驱动所述功率开关电路(14)的脉宽调制信号。

7.根据权利要求6所述的单周期功率因数校正电路，其特征在于，所述离散积分电路(25)还包括控制端，所述采样比较电路(20)还包括：

时钟电路(29)，与所述离散积分电路(25)的控制端连接，为所述离散积分电路(25)提供具有所述预定时间间隔的时钟信号。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的单周期功率因数校正电路，其特征在于，所述整流电路(12)为由四个二极管形成的整流桥。

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