CN103856034A - 两级移相驱动的功率因数校正器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种两级移相驱动的功率因数校正器，包括：功率单元和与功率单元相配套的控制单元，其中，功率单元为总体上两级交错结构的功率子电路，每一级功率子电路包含并联的两个功率器件，输入单相交流正弦电压，输出供电用直流电压，并产生输入电压信号、输出直流电压信号以及升压电感电流信号；控制单元输入直流电压参考信号以及来自功率电路的上述三路信号，经过功率因数校正算法产生四路各自相移1/4开关周期的移相驱动脉冲信号，用于对应驱动功率单元中的四个功率器件，控制四个功率器件的通断，实现功率因数校正。本发明电路结构简单，有利于电感的小型化设计，同时降低了功率器件的开关损耗和导通损耗，有利于功率器件的选型和散热处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种功率因数校正器，特别是涉及一种两级移相驱动的功率因数校正器。
背景技术
单相功率因数校正器（Power Factor Correction，PFC），即，AC-DC变换器，输入交流电压，得到直流电压和正弦输入电流。随着变频家电（例如：通讯电源和变频空调）的推广应用，单相功率因数校正器得到了大量使用，包括：单相无源功率因数校正器（PPFC）和单相有源功率因数校正器（APFC）。
随着大功率变频空调等的推广应用，需要推出大功率的单相APFC。截止目前为止，共计出现以下备选电路：第一种方案：多级交错APFC；第一种方案的优点是各级之间可以分摊功率，升压电感可以在板安装，不足是升压电感的纹波频率等同于载波频率，需要考虑各级之间均流问题，电感电流检测困难，控制程序较为复杂。第二种方案：两级APFC，考虑功率器件并联；第二种方案的优点是就可以提升功率等级，不足是升压电感的纹波频率等同于载波频率，升压电感不能在板安装，需要考虑功率器件之间均流问题。第三种方案：两级APFC，选择高功率器件；第三种方案的优点是可以提升功率等级，不足是升压电感的纹波频率等同于载波频率，升压电感不能在板安装器件选型非常困难，各项指标均难以改善。
为此，对于大功率APFC应用场合，需要对现有的技术进行改进，解决电感设计、功率器件选型和安装等问题，旨在提高整体性能。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的不足，本发明提供一种两级移相驱动的功率因数校正器，用于解决现有技术中电路结构复杂、升压电感的纹波频率等同于载波频率而导致的电感电流检测困难且控制复杂等问题。
本发明提供一种两级移相驱动的功率因数校正器，包括功率单元和与所述功率单元相配套的控制单元；
所述功率单元，用于接收单相交流输入电压和来自所述控制电路的移相驱动脉冲信号，进行功率因数校正，以得到所需的直流输出电压；所述功率单元包括：单相整流电路，包括：与单相交流电相连的火线输入端和零线输入端，用于对所述单相交流电进行整流处理的整流桥，以及与所述整流桥相连以分别输出第一正极电压和第一负极电压的第一正极电压输出端和第一负极电压输出端；与所述单相整流电路相连的功率电路，包括：呈交错结构的第一级功率子电路和第二级功率子电路、以及电解电容；所述电解电容的正极形成第二正极电压输出端，所述电解电容的负极形成第二负极电压输出端；每一级所述功率子电路中包括升压电感、快恢复二极管、以及受所述控制电路的移相驱动脉冲信号所控制而实现通断、且相互并联的两个功率器件；输入直流电压电路，位于所述第一正极电压输出端和所述第一负极电压输出端之间，用于产生输入直流电压信号并将其予以输出；输出直流电压电路，位于所述第二正极电压输出端和所述第二负极电压输出端之间，用于产生输出直流电压信号并将其予以输出；
所述控制单元，用于根据接收来自所述功率单元的所述输入直流电压信号、所述输出直流电压信号以及两级功率子电路中升压电感的两路升压电感电流信号而产生相位相差1/4开关周期的四路移相驱动脉冲信号；所述四路移相驱动脉冲信号与所述功率单元中所述两级功率子电路中的四个功率器件相对应。
可选地，所述整流桥为双臂二极管整流桥，包括：第一二极管、第二二极管、第三二极管、以及第四二极管，其中，第一二极管的正极与第二二极管的负极相连，第一二极管的负极与第一正极电压输出端相连，第二二极管的正极与第一负极电压输出端相连，第三二极管的正极与第四二极管的负极相连，第三二极管的负极与第一正极电压输出端相连，第四二极管的正极与第一负极电压输出端相连；第一二极管的正极与第二二极管的负极相连的公共端作为与所述单相交流电的火线相连的火线输入端，第三二极管的正极与第四二极管的正极相连的公共端作为与单相交流电的零线相连的零线输入端。
可选地，在所述单相交流电的火线和零线之间还连接有交流电容。
可选地，所述功率器件包括绝缘栅双极型晶体管；所述第一级功率子电路包括：第一升压电感、第一快恢复二极管、第一绝缘栅双极型晶体管、以及第二绝缘栅双极型晶体管；所述第一升压电感的第一端与所述第一正极电压输出端相连，所述第一升压电感的第二端与所述第一快恢复二极管的正极相连，所述第一快恢复二极管的负极与第二正极电压输出端相连，所述第一绝缘栅双极型晶体管的集电极与所述第一升压电感的第二端、所述第一快恢复二极管的正极相连，所述第一绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述第二负极电压输出端相连，所述第一绝缘栅双极型晶体管的栅极用于接收来自所述控制单元的一路移相驱动脉冲信号，所述第二绝缘栅双极型晶体管的集电极与所述第一升压电感的第二端、所述第一快恢复二极管的正极相连，所述第二绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述第二负极电压输出端相连，所述第二绝缘栅双极型晶体管的栅极用于接收来自所述控制单元的一路移相驱动脉冲信号；所述第二级功率子电路包括：第二升压电感、第二快恢复二极管、第三绝缘栅双极型晶体管、以及第四绝缘栅双极型晶体管；所述第二升压电感的第一端与所述第一正极电压输出端相连，所述第二升压电感的第二端与所述第二快恢复二极管的正极相连，所述第二快恢复二极管的负极与第二正极电压输出端相连，所述第三绝缘栅双极型晶体管的集电极与所述第二升压电感的第二端、所述第二快恢复二极管的正极相连，所述第三绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述第二负极电压输出端相连，所述第三绝缘栅双极型晶体管的栅极用于接收来自所述控制单元的一路移相驱动脉冲信号，所述第四绝缘栅双极型晶体管的集电极与所述第二升压电感的第二端、所述第二快恢复二极管的正极相连，所述第四绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述第二负极电压输出端相连，所述第四绝缘栅双极型晶体管的栅极用于接收来自所述控制单元的一路移相驱动脉冲信号。
可选地，所述输入直流电压电路包括第一电阻、第二电阻、以及第三电阻，所述第一电阻的第一端与所述第一正极电压输出端相连，所述第一电阻的第二端与所述第二电阻的第一端相连，所述第二电阻的第二端与所述第三电阻的第一端相连，所述第三电阻的第二端与所述第一负极电压输出端相连；所述第二电阻的第二端与所述第三电阻的第一端相连的公共端作为输入直流电压信号的输出端；所述输出直流电压电路包括第四电阻、第五电阻、以及第六电阻，所述第四电阻的第一端与所述第二正极电压输出端相连，所述第四电阻的第二端与所述第五电阻的第一端相连，所述第五电阻的第二端与所述第六电阻的第一端相连，所述第六电阻的第二端与所述第二负极电压输出端相连；所述第五电阻的第二端与所述第六电阻的第一端相连的公共端作为输出直流电压信号的输出端。
可选地，所述功率因数校正器还包括：第七电阻，所述第七电阻的第一端与所述第二正极电压输出端相连，所述第七电阻的第二端与所述第二负极电压输出端相连；第八电阻，所述第八电阻的第一端与所述第一负极电压输出端相连，所述第八电阻的第二端与所述第二负极电压输出端相连。
可选地，所述控制单元包括：输入直流电压处理电路，用于根据接收来自所述功率单元的输入直流电压信号而产生第一输入直流电压输出量和第二输入直流电压输出量；输出直流电压处理电路，用于根据接收来自所述功率单元的输出直流电压信号和预设的参考直流电压而产生输出直流电压输出量；乘法器，用于将接收的所述输入直流电压处理电路的所述第一输入直流电压输出量和所述第二输入直流电压输出量、以及所述输出直流电压处理电路的输出直流电压输出量进行相乘；升压电感电流处理电路，用于：根据接收来自所述第一级功率子电路的第一升压电感电流和所述乘法器获得的乘积而产生第一升压电感电流控制量，以及根据接收来自所述第二级功率子电路的第二升压电感电流和所述乘法器获得的乘积而产生第二升压电感电流控制量；移相驱动产生单元，用于：根据所述第一升压电感电流处理电路的第一升压电感电流控制量和经移相处理的载波信号而产生与所述第一级功率子电路中两个功率器件所对应的两路移相驱动脉冲信号，以及根据所述第二升压电感电流处理电路的第二升压电感电流控制量和经移相处理的载波信号而产生与所述第二级功率子电路中两个功率器件所对应的两路移相驱动脉冲信号。
可选地，所述输入直流电压处理电路包括：滤波电路、有效值电路、以及平方倒数电路；所述滤波电路的输入端与第二电阻和第三电阻的公共端相连，所述滤波电路的输出端的与所述乘法器的第一输入端、所述有效值电路的输入端相连，所述有效值电路的输出端与所述平方倒数电路的输入端相连，所述平方倒数电路的输出端与所述乘法器的第二输入端相连；所述输出直流电压处理电路包括：第二滤波电路、第一减法器、以及第一PID调节器；所述第二滤波电路的输入端与第五电阻和第六电阻的公共端相连，所述第二滤波电路的输出端与所述第一减法器的负极输入端相连，所述第一减法器的正极输入端用于接收参考直流电压，所述第一减法器的输出端与所述第一PID调节器的输入端相连，所述第一PID调节器的输出端与所述乘法器的第三输入端相连。
可选地，所述升压电感电流处理电路包括：第一差动放大滤波器、第二减法器、第二PID调节器、第二差动放大滤波器、第三减法器、以及第三PID调节器；所述第一差动放大滤波器的输入端用于接收来自所述第一级功率子电路的第一升压电感电流，所述第一差动放大滤波器的输出端与所述第二减法器的负极输入端相连，所述第二减法器的正极输入端与所述乘法器的输出端相连，所述第二减法器的输出端与所述第二PID调节器的输入端相连，所述第二PID调节器的输出端用于输出第一升压电感电流控制量；所述第二差动放大滤波器的输入端用于接收来自所述第二级功率子电路的第二升压电感电流，所述第二差动放大滤波器的输出端与所述第三减法器的负极输入端相连，所述第三减法器的正极输入端与所述乘法器的输出端相连，所述第三减法器的输出端与所述第三PID调节器的输入端相连，所述第三PID调节器的输出端用于输出第二升压电感电流控制量。
可选地，所述移相驱动产生单元，包括：第一比较器、第二比较器、第三比较器、第四比较器、第一隔离驱动器、第二隔离驱动器、第三隔离驱动器、第四隔离驱动器、第一移相器、第二移相器、以及第三移相器；所述第一比较器的第一输入端与所述第二PID调节器的输出端相连，所述第一比较器的第二输入端用于接收载波信号，所述第一比较器的输出端与所述第一隔离驱动器的输入端相连，所述第一隔离驱动器的输出端与所述第一绝缘栅双极型晶体管的栅极相连，用于输出第一路移相驱动脉冲信号；所述第二比较器的第一输入端与所述第二PID调节器的输出端相连，所述第二比较器的第二输入端用于接收经所述第一移相器移相处理后的载波信号，所述第二比较器的输出端与所述第二隔离驱动器的输入端相连，所述第二隔离驱动器的输出端与所述第二绝缘栅双极型晶体管的栅极相连，用于输出第二路移相驱动脉冲信号；所述第三比较器的第一输入端与所述第三PID调节器的输出端相连，所述第三比较器的第二输入端用于接收经所述第二移相器移相处理后的载波信号，所述第三比较器的输出端与所述第三隔离驱动器的输入端相连，所述第三隔离驱动器的输出端与所述第三绝缘栅双极型晶体管的栅极相连，用于输出第三路移相驱动脉冲信号；所述第四比较器的第一输入端与所述第三PID调节器的输出端相连，所述第四比较器的第二输入端用于接收经所述第三移相器移相处理后的载波信号，所述第四比较器的输出端与所述第四隔离驱动器的输入端相连，所述第四隔离驱动器的输出端与所述第四绝缘栅双极型晶体管的栅极相连，用于输出第四路移相驱动脉冲信号。
如上所述，本发明的两级移相驱动的功率因数校正器，包括功率单元和与所述功率单元相配套的控制单元，所述功率单元采用了呈交错结构的两级功率子电路，且每一级功率子电路中均包含了相互并联的两个功率器件，所述控制单元则可以产生与所述两级功率子电路中的四个功率器件相对应、且相位相差1/4开关周期的四路移相驱动脉冲信号，用于驱动四个功率器件，实现功率因数校正。相对于现有技术，本发明的两级移相驱动的功率因数校正器具有如下优点：在开关频率不变的情况下，每个功率器件的开关次数不变，但是开关损耗减半，每一个升压电感的纹波频率增加到原来的2倍，升压电感的设计可以得到大大简化，合成的总电流纹波频率为载波频率的4倍，有利于交流电容的滤波；在降低开关频率的情况下，则每一个功率器件的开关次数和开关损耗可以下降，升压电感的纹波频率可以保持不变，功率器件的功耗得到分散，其选型可以得到简化。
附图说明
图1显示为本发明两级移相驱动的功率因数校正器的原理框图。
图2显示为本发明两级移相驱动的功率因数校正器的一种优选方式的电路示意图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图1至图2。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
请参阅图1和图2，图1为本发明两级移相驱动的功率因数校正器的原理框图，图2为本发明两级移相驱动的功率因数校正器的一种优选方式的电路示意图。现结合图1和图2，对本发明的两级移相驱动的功率因数校正器进行详细说明。
本发明提供的两级移相驱动的功率因数校正器包括：功率单元1和与功率单元1相配套的控制单元2，其中，功率单元1用于：接收单相交流输入电压和来自所述控制电路的移相驱动脉冲信号，进行功率因数校正，以得到所需的直流输出电压；控制单元2用于：根据接收来自功率单元1的反馈信号而产生移相驱动脉冲信号，实现功率因数校正。
功率单元1进一步包括：单相整流电路11、功率电路13、输入直流电压电路15、以及输出直流电压电路17。
单相整流电路11包括：与单相交流电相连的火线输入端ACL和零线输入端ACN，用于对单相交流电进行整流处理的整流桥B1，以及与整流桥B1相连以分别输出第一正极电压和第一负极电压的第一正极电压输出端+DCP1和第一负极电压输出端-DCN1。
在本发明的一个具体实例中，整流桥B1较佳地为双臂二极管整流桥，包括：第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、以及第四二极管D4，其中，第一二极管D1的正极与第二二极管D2的负极相连，第一二极管D1的负极与第一正极电压输出端+DCP1相连，第二二极管D2的正极与第一负极电压输出端-DCN1相连，第三二极管D3的正极与第四二极管D4的负极相连，第三二极管D3的负极与第一正极电压输出端+DCP1相连，第四二极管D4的正极与第一负极电压输出端-DCN1相连；第一二极管D1的正极与第二二极管D2的负极相连的公共端作为与所述单相交流电的火线相连的火线输入端ACL，第三二极管D3的正极与第四二极管的正极相连的公共端作为与单相交流电的零线相连的零线输入端ACN。
另外，在本发明的一个较佳实施例中，在所述单相交流电的火线和零线之间还连接有交流电容C1。
功率电路13，与单相整流电路11相连，包括：呈交错结构的第一级功率子电路和第二级功率子电路、以及电解电容E1；每一级所述功率子电路中包括升压电感、快恢复二极管、以及受所述控制电路的移相驱动脉冲信号所控制而实现通断、且相互并联的两个功率器件；电解电容E1的正极形成第二正极电压输出端+DCP2，电解电容E1的负极形成第二负极电压输出端-DCN1。
在本发明的一个较佳实施例中：所述功率器件采用的是绝缘栅双极型晶体管。所述第一级功率子电路包括：第一升压电感L1、第一快恢复二极管FRD1、第一绝缘栅双极型晶体管S11、以及第二绝缘栅双极型晶体管S12，其中，第一升压电感L1的第一端与第一正极电压输出端+DCP1相连，第一升压电感L1的第二端与第一快恢复二极管FRD1的正极相连，第一快恢复二极管FRD1的负极与第二正极电压输出端+DCP2相连，第一绝缘栅双极型晶体管S11的集电极与第一升压电感L1的第二端、第一快恢复二极管FRD1的正极相连，第一绝缘栅双极型晶体管S11的发射极与第二负极电压输出端-DCN2相连，第一绝缘栅双极型晶体管S11的栅极用于接收来自控制单元的第一路移相驱动脉冲信号P1，第二绝缘栅双极型晶体管S12的集电极与第一升压电感L1的第二端、第一快恢复二极管FRD1的正极相连，第二绝缘栅双极型晶体管S12的发射极与第二负极电压输出端-DCN2相连，第二绝缘栅双极型晶体管S12的栅极用于接收来自控制单元2的第二路移相驱动脉冲信号P2。
所述第二级功率子电路包括：第二升压电感L2、第二快恢复二极管FRD2、第三绝缘栅双极型晶体管S21、以及第四绝缘栅双极型晶体管S22；第二升压电感L2的第一端与第一正极电压输出端+DCP1相连，第二升压电感L2的第二端与第二快恢复二极管FRD2的正极相连，第二快恢复二极管FRD2的负极与第二正极电压输出端+DCP2相连，第三绝缘栅双极型晶体管S21的集电极与第二升压电感L2的第二端、第二快恢复二极管FRD2的正极相连，第三绝缘栅双极型晶体管S21的发射极与第二负极电压输出端-DCN2相连，第三绝缘栅双极型晶体管S21的栅极用于接收来自控制单元2的第三路移相驱动脉冲信号P3，第四绝缘栅双极型晶体管S22的集电极与第二升压电感L2的第二端、第二快恢复二极管FRD2的正极相连，第四绝缘栅双极型晶体管S22的发射极与第二负极电压输出端-DCN2相连，第四绝缘栅双极型晶体管S22的栅极用于接收来自控制单元2的第四路移相驱动脉冲信号P4。
输入直流电压电路15，位于第一正极电压输出端+DCP1和第一负极电压输出端-DCN1之间，用于产生输入直流电压信号Uin并将其予以输出。在本发明的一个较佳实施例中，输入直流电压电路15包括相互串联的第一电阻R1、第二电阻R2、以及第三电阻R3，即，第一电阻R1的第一端与第一正极电压输出端+DCP1相连，第一电阻R1的第二端与第二电阻R2的第一端相连，第二电阻R2的第二端与第三电阻R3的第一端相连，第三电阻R3的第二端与第一负极电压输出端-DCN1相连；第二电阻R2的第二端与第三电阻R3的第一端相连的公共端作为输入直流电压信号Uin的输出端。
输出直流电压电路17，位于第二正极电压输出端+DCP2和第二负极电压输出端-DCN1之间，用于产生输出直流电压信号Uout并将其予以输出。在本发明的一个较佳实施例中，输出直流电压电路17包括相互串联的第四电阻R4、第五电阻R5、以及第六电阻R6，第四电阻R4的第一端与第二正极电压输出端+DCP2相连，第四电阻R4的第二端与第五电阻R5的第一端相连，第五电阻R5的第二端与第六电阻R6的第一端相连，第六电阻R6的第二端与第二负极电压输出端-DCN1相连；第五电阻R5的第二端与第六电阻R6的第一端相连的公共端作为输出直流电压信号Uout的输出端。
再有，在第二正极电压输出端+DCP2和第二负极电压输出端-DCN1之间还连接有第七电阻R7，在第一负极电压输出端-DCN1和第二负极电压输出端-DCN1之间还连接有第八电阻R8。
控制单元2进一步包括：输入直流电压处理电路21、输出直流电压处理电路23、乘法器M、升压电感电流处理电路25、以及移相驱动产生单元27。
输入直流电压处理电路21，用于根据接收来自功率单元1的输入直流电压信号Uin而产生第一输入直流电压输出量和第二输入直流电压输出量。在本发明的一个较佳实施例中，输入直流电压处理电路21包括：第一滤波电路F1、有效值电路RMS、以及平方倒数电路ISC，其中，第一滤波电路F1的输入端与第二电阻R2和第三电阻R3的公共端相连，第一滤波电路F1的输出端的与乘法器M的第一输入端、有效值电路RMS的输入端相连，有效值电路RMS的输出端与平方倒数电路ISC的输入端相连，平方倒数电路ISC的输出端与乘法器M的第二输入端相连。
输出直流电压处理电路23，用于根据接收来自功率单元1的输出直流电压信号Uout和预设的参考直流电压而产生输出直流电压输出量。在本发明的一个较佳实施例中，输出直流电压处理电路23包括：第二滤波电路F2、第一减法器S1、以及第一PID调节器PID1，其中，第二滤波电路F2的输入端与第五电阻R5和第六电阻R6的公共端相连，第二滤波电路F2的输出端与第一减法器S1的负极输入端相连，第一减法器S1的正极输入端用于接收参考直流电压Uref，第一减法器S1的输出端与第一PID调节器PID1的输入端相连，第一PID调节器PID1的输出端与乘法器M的第三输入端相连。
乘法器M，用于将接收的输入直流电压处理电路21的第一输入直流电压输出量和第二输入直流电压输出量、以及输出直流电压处理电路23的输出直流电压输出量进行相乘。
升压电感电流处理电路25，用于：根据接收来自第一级功率子电路131的第一升压电感电流iL1和乘法器M获得的乘积而产生第一升压电感电流控制量，以及根据接收来自第二级功率子电路133的第二升压电感电流iL2和乘法器M获得的乘积而产生第二升压电感电流控制量。在本发明的一个较佳实施例中，升压电感电流处理电路25包括：第一差动放大滤波器DAF1、第二减法器S2、第二PID调节器PID2、第二差动放大滤波器DAF2、第三减法器S3、以及第三PID调节器PID3，其中，第一差动放大滤波器DAF1的输入端用于接收来自第一级功率子电路131的第一升压电感电流iL1，第一差动放大滤波器DAF1的输出端与第二减法器S2的负极输入端相连，第二减法器S2的正极输入端与乘法器M的输出端相连，第二减法器S2的输出端与第二PID调节器PID2的输入端相连，第二PID调节器PID2的输出端用于输出第一升压电感电流控制量；第二差动放大滤波器DAF2的输入端用于接收来自第二级功率子电路133的第二升压电感电流iL2，第二差动放大滤波器DAF2的输出端与第三减法器S3的负极输入端相连，第三减法器S3的正极输入端与乘法器M的输出端相连，第三减法器S3的输出端与第三PID调节器PID3的输入端相连，第三PID调节器PID3的输出端用于输出第二升压电感电流控制量。
移相驱动产生单元27，用于：根据第一升压电感电流处理电路25的第一升压电感电流控制量和经移相处理的载波信号CS而产生与第一级功率子电路131中两个功率器件所对应的两路移相驱动脉冲信号，以及根据第二升压电感电流处理电路25的第二升压电感电流控制量和经移相处理的载波信号CS而产生与第二级功率子电路133中两个功率器件所对应的两路移相驱动脉冲信号。移相驱动产生单元产生的四路移相驱动脉冲信号之间相互移相1/4个开关周期。若一个开关周期为360°的话，1/4个开关周期即为90°。
在本发明的一个较佳实施例中，移相驱动产生单元27，包括：第一比较器CP1、第二比较器CP2、第三比较器CP3、第四比较器CP4、第一隔离驱动器ID1、第二隔离驱动器ID2、第三隔离驱动器ID3、第四隔离驱动器ID4、第一移相器PS1、第二移相器PS2、以及第三移相器PS3；第一比较器CP1的第一输入端与第二PID调节器PID2的输出端相连，第一比较器CP1的第二输入端用于接收载波信号CS，第一比较器CP1的输出端与第一隔离驱动器ID1的输入端相连，第一隔离驱动器ID1的输出端与第一绝缘栅双极型晶体管S11的栅极相连，用于输出第一路移相驱动脉冲信号P1；第二比较器CP2的第一输入端与第二PID调节器PID2的输出端相连，第二比较器CP2的第二输入端用于接收经第一移相器PS1移相处理后的载波信号，第二比较器CP2的输出端与第二隔离驱动器ID2的输入端相连，第二隔离驱动器ID2的输出端与所述第二绝缘栅双极型晶体管S12的栅极相连，用于输出第二路移相驱动脉冲信号P2；第三比较器CP3的第一输入端与第三PID调节器PID3的输出端相连，第三比较器CP3的第二输入端用于接收经第二移相器PS2移相处理后的载波信号，第三比较器CP3的输出端与第三隔离驱动器ID3的输入端相连，第三隔离驱动器ID3的输出端与第三绝缘栅双极型晶体管S21的栅极相连，用于输出第三路移相驱动脉冲信号P3；第四比较器CP4的第一输入端与第三PID调节器PID3的输出端相连，第四比较器CP4的第二输入端用于接收经第三移相器PS3移相处理后的载波信号CS，第四比较器CP4的输出端与第四隔离驱动器ID4的输入端相连，第四隔离驱动器ID4的输出端与第四绝缘栅双极型晶体管S22的栅极相连，用于输出第四路移相驱动脉冲信号P4。
以下对上述两级移相驱动的功率因数校正器在实际中的应用进行说明。
对于功率单元1而言：220V交流电通过单相整流电路11整流后输出正弦半波直流电压，作为功率器件的绝缘栅双极型晶体管S11、S12、S21、S22接收来自控制单元2的相位相差1/4开关周期的四路移相驱动脉冲信号，交错地完成导通，交错地使功率电路13中的两个升压电感L1、L2产生纹波电流，储存能量和释放能量，能量之差传输至电解电容E1，供后级电路使用。
对于控制单元2而言：接收来自功率单元1的输入直流电压信号、输出直流电压信号以及升压电感电流信号，采用电压外环，通过第二滤波电路F2、第一减法器S1和第一PID调节器PID1获得输出电压的输出量，所述电压环的输出量负责获得期望的直流输出电压；电压外环的输出量（即，第一PID调节器PID1的输出）与第一滤波电路F1输出的输入直流电压信号、平方倒数电路ISC输出的输入直流电压信号的平方倒数输入到乘法器进行相乘后得到乘积，所述乘积与经过第一差动放大滤波器DAF1检测来的第一电感电流信号通过第二减法器S2相减，得到的差再经过第二PID调节器PID2得到第一个电流内环的控制量，所述乘积与经过第二差动放大滤波器DAF2检测来的第二电感电流信号通过第三减法器S3相减，得到的差再经过第三PID调节器PID3得到第二个电流内环的控制量。两个电流内环的控制量再分别与经过第一、第二、第三移相器PS1、PS2、PS3移相后的四路载波信号（其中，第一路载波不进行移相，第二路载波通过第一移相器PS1进行移相，第三路载波通过第二移相器PS2进行移相，第四路载波通过第三移相器PS3进行移相）进行比较，从而产生相位相差1/4开关周期的四路PWM脉冲，这四路PWM脉冲分别通过四个隔离驱动器ID1、ID2、ID3、ID4驱动后，得到各自移相1/4开关周期后的四路移相驱动脉冲信号（第一路移相驱动脉冲信号P1不发生移相，第二路移相驱动脉冲信号P2相对于第一路移相驱动脉冲信号P1移相1/4开关周期，第三路移相驱动脉冲信号P3相对于第一路移相驱动脉冲信号P1移相2/4开关周期，第四路移相驱动脉冲信号P4相对于第一路移相驱动脉冲信号P1移相3/4开关周期，即，第一路移相驱动脉冲信号P1与第二路移相驱动脉冲信号P2之间的相位差为1/4开关周期，第二路移相驱动脉冲信号P2与第三路移相驱动脉冲信号P3之间的相位差为1/4开关周期，第三路移相驱动脉冲信号P3与第四路移相驱动脉冲信号P4之间的相位差为1/4开关周期，第四路移相驱动脉冲信号P4与第一路移相驱动脉冲信号P1之间的相位差为1/4开关周期），这四路移相驱动脉冲信号P1、P2、P3、P4分别对应传输至功率电路13中的四个绝缘栅双极型晶体管S11、S12、S21、S22，驱动四个绝缘栅双极型晶体管S11、S12、S21、S22实现通断，从而借助四个绝缘栅双极型晶体管S11、S12、S21、S22的通断，实现功率因数校正。
综上所述，本发明的两级移相驱动的功率因数校正器，包括功率单元和与所述功率单元相配套的控制单元，所述功率单元采用了呈交错结构的两级功率子电路，且每一级功率子电路中均包含了相互并联的两个功率器件，所述控制单元则可以产生与所述两级功率子电路中的四个功率器件相对应、且相位相差1/4开关周期的四路移相驱动脉冲信号，用于驱动四个功率器件，实现功率因数校正。相对于现有技术，本发明的两级移相驱动的功率因数校正器具有如下优点：在开关频率不变的情况下，每个功率器件的开关次数不变，但是开关损耗减半，每一个升压电感的纹波频率增加到原来的2倍，升压电感的设计可以得到大大简化，合成的总电流纹波频率为载波频率的4倍，有利于交流电容的滤波；在降低开关频率的情况下，则每一个功率器件的开关次数和开关损耗可以下降，升压电感的纹波频率可以保持不变，功率器件的功耗得到分散，其选型可以得到简化。
本发明采用多重功率器件的移相触发原理实现单位功率因数校正，倍增了电感的纹波频率，有利于电感的小型化设计，同时降低了功率器件的开关损耗和导通损耗，有利于功率器件的选型和散热处理，结构简单，设计新颖，具有明显的应用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种两级移相驱动的功率因数校正器，其特征在于，包括功率单元和与所述功率单元相配套的控制单元；
所述功率单元，用于接收单相交流输入电压和来自所述控制电路的移相驱动脉冲信号，进行功率因数校正，以得到所需的直流输出电压；
所述功率单元包括：
单相整流电路，包括：与单相交流电相连的火线输入端和零线输入端，用于对所述单相交流电进行整流处理的整流桥，以及与所述整流桥相连以分别输出第一正极电压和第一负极电压的第一正极电压输出端和第一负极电压输出端；
与所述单相整流电路相连的功率电路，包括：呈交错结构的第一级功率子电路和第二级功率子电路、以及电解电容；所述电解电容的正极形成第二正极电压输出端，所述电解电容的负极形成第二负极电压输出端；每一级所述功率子电路中包括升压电感、快恢复二极管、以及受所述控制电路的移相驱动脉冲信号所控制而实现通断、且相互并联的两个功率器件；
输入直流电压电路，位于所述第一正极电压输出端和所述第一负极电压输出端之间，用于产生输入直流电压信号并将其予以输出；
输出直流电压电路，位于所述第二正极电压输出端和所述第二负极电压输出端之间，用于产生输出直流电压信号并将其予以输出；
所述控制单元，用于根据接收来自所述功率单元的所述输入直流电压信号、所述输出直流电压信号以及两级功率子电路中升压电感的两路升压电感电流信号而产生相位相差1/4开关周期的四路移相驱动脉冲信号；所述四路移相驱动脉冲信号与所述功率单元中所述两级功率子电路中的四个功率器件相对应。
2.根据权利要求1所述的两级移相驱动的功率因数校正器，其特征在于，所述整流桥为双臂二极管整流桥，包括：第一二极管、第二二极管、第三二极管、以及第四二极管，其中，第一二极管的正极与第二二极管的负极相连，第一二极管的负极与第一正极电压输出端相连，第二二极管的正极与第一负极电压输出端相连，第三二极管的正极与第四二极管的负极相连，第三二极管的负极与第一正极电压输出端相连，第四二极管的正极与第一负极电压输出端相连；第一二极管的正极与第二二极管的负极相连的公共端作为与所述单相交流电的火线相连的火线输入端，第三二极管的正极与第四二极管的正极相连的公共端作为与单相交流电的零线相连的零线输入端。
3.根据权利要求2所述的两级移相驱动的功率因数校正器，其特征在于，在所述单相交流电的火线和零线之间还连接有交流电容。
4.根据权利要求2所述的两级移相驱动的功率因数校正器，其特征在于，
所述功率器件包括绝缘栅双极型晶体管；
所述第一级功率子电路包括：第一升压电感、第一快恢复二极管、第一绝缘栅双极型晶体管、以及第二绝缘栅双极型晶体管；所述第一升压电感的第一端与所述第一正极电压输出端相连，所述第一升压电感的第二端与所述第一快恢复二极管的正极相连，所述第一快恢复二极管的负极与第二正极电压输出端相连，所述第一绝缘栅双极型晶体管的集电极与所述第一升压电感的第二端、所述第一快恢复二极管的正极相连，所述第一绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述第二负极电压输出端相连，所述第一绝缘栅双极型晶体管的栅极用于接收来自所述控制单元的一路移相驱动脉冲信号，所述第二绝缘栅双极型晶体管的集电极与所述第一升压电感的第二端、所述第一快恢复二极管的正极相连，所述第二绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述第二负极电压输出端相连，所述第二绝缘栅双极型晶体管的栅极用于接收来自所述控制单元的一路移相驱动脉冲信号；
所述第二级功率子电路包括：第二升压电感、第二快恢复二极管、第三绝缘栅双极型晶体管、以及第四绝缘栅双极型晶体管；所述第二升压电感的第一端与所述第一正极电压输出端相连，所述第二升压电感的第二端与所述第二快恢复二极管的正极相连，所述第二快恢复二极管的负极与第二正极电压输出端相连，所述第三绝缘栅双极型晶体管的集电极与所述第二升压电感的第二端、所述第二快恢复二极管的正极相连，所述第三绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述第二负极电压输出端相连，所述第三绝缘栅双极型晶体管的栅极用于接收来自所述控制单元的一路移相驱动脉冲信号，所述第四绝缘栅双极型晶体管的集电极与所述第二升压电感的第二端、所述第二快恢复二极管的正极相连，所述第四绝缘栅双极型晶体管的发射极与所述第二负极电压输出端相连，所述第四绝缘栅双极型晶体管的栅极用于接收来自所述控制单元的一路移相驱动脉冲信号。
5.根据权利要求4所述的两级移相驱动的功率因数校正器，其特征在于，
所述输入直流电压电路包括第一电阻、第二电阻、以及第三电阻，所述第一电阻的第一端与所述第一正极电压输出端相连，所述第一电阻的第二端与所述第二电阻的第一端相连，所述第二电阻的第二端与所述第三电阻的第一端相连，所述第三电阻的第二端与所述第一负极电压输出端相连；所述第二电阻的第二端与所述第三电阻的第一端相连的公共端作为输入直流电压信号的输出端；
所述输出直流电压电路包括第四电阻、第五电阻、以及第六电阻，所述第四电阻的第一端与所述第二正极电压输出端相连，所述第四电阻的第二端与所述第五电阻的第一端相连，所述第五电阻的第二端与所述第六电阻的第一端相连，所述第六电阻的第二端与所述第二负极电压输出端相连；所述第五电阻的第二端与所述第六电阻的第一端相连的公共端作为输出直流电压信号的输出端。
6.根据权利要求5所述的两级移相驱动的功率因数校正器，其特征在于，还包括：
第七电阻，所述第七电阻的第一端与所述第二正极电压输出端相连，所述第七电阻的第二端与所述第二负极电压输出端相连；
第八电阻，所述第八电阻的第一端与所述第一负极电压输出端相连，所述第八电阻的第二端与所述第二负极电压输出端相连。
7.根据权利要求1、2、4或5所述的两级移相驱动的功率因数校正器，其特征在于，
所述控制单元包括：
输入直流电压处理电路，用于根据接收来自所述功率单元的输入直流电压信号而产生第一输入直流电压输出量和第二输入直流电压输出量；
输出直流电压处理电路，用于根据接收来自所述功率单元的输出直流电压信号和预设的参考直流电压而产生输出直流电压输出量；
乘法器，用于将接收的所述输入直流电压处理电路的所述第一输入直流电压输出量和所述第二输入直流电压输出量、以及所述输出直流电压处理电路的输出直流电压输出量进行相乘；
升压电感电流处理电路，用于：根据接收来自所述第一级功率子电路的第一升压电感电流和所述乘法器获得的乘积而产生第一升压电感电流控制量，以及根据接收来自所述第二级功率子电路的第二升压电感电流和所述乘法器获得的乘积而产生第二升压电感电流控制量；
移相驱动产生单元，用于：根据所述第一升压电感电流处理电路的第一升压电感电流控制量和经移相处理的载波信号而产生与所述第一级功率子电路中两个功率器件所对应的两路移相驱动脉冲信号，以及根据所述第二升压电感电流处理电路的第二升压电感电流控制量和经移相处理的载波信号而产生与所述第二级功率子电路中两个功率器件所对应的两路移相驱动脉冲信号。
8.根据权利要求7所述的两级移相驱动的功率因数校正器，其特征在于，
所述输入直流电压处理电路包括：滤波电路、有效值电路、以及平方倒数电路；所述滤波电路的输入端与第二电阻和第三电阻的公共端相连，所述滤波电路的输出端的与所述乘法器的第一输入端、所述有效值电路的输入端相连，所述有效值电路的输出端与所述平方倒数电路的输入端相连，所述平方倒数电路的输出端与所述乘法器的第二输入端相连；
所述输出直流电压处理电路包括：第二滤波电路、第一减法器、以及第一PID调节器；所述第二滤波电路的输入端与第五电阻和第六电阻的公共端相连，所述第二滤波电路的输出端与所述第一减法器的负极输入端相连，所述第一减法器的正极输入端用于接收参考直流电压，所述第一减法器的输出端与所述第一PID调节器的输入端相连，所述第一PID调节器的输出端与所述乘法器的第三输入端相连。
9.根据权利要求8所述的两级移相驱动的功率因数校正器，其特征在于，
所述升压电感电流处理电路包括：第一差动放大滤波器、第二减法器、第二PID调节器、第二差动放大滤波器、第三减法器、以及第三PID调节器；所述第一差动放大滤波器的输入端用于接收来自所述第一级功率子电路的第一升压电感电流，所述第一差动放大滤波器的输出端与所述第二减法器的负极输入端相连，所述第二减法器的正极输入端与所述乘法器的输出端相连，所述第二减法器的输出端与所述第二PID调节器的输入端相连，所述第二PID调节器的输出端用于输出第一升压电感电流控制量；所述第二差动放大滤波器的输入端用于接收来自所述第二级功率子电路的第二升压电感电流，所述第二差动放大滤波器的输出端与所述第三减法器的负极输入端相连，所述第三减法器的正极输入端与所述乘法器的输出端相连，所述第三减法器的输出端与所述第三PID调节器的输入端相连，所述第三PID调节器的输出端用于输出第二升压电感电流控制量。
10.根据权利要求9所述的两级移相驱动的功率因数校正器，其特征在于，
所述移相驱动产生单元，包括：第一比较器、第二比较器、第三比较器、第四比较器、第一隔离驱动器、第二隔离驱动器、第三隔离驱动器、第四隔离驱动器、第一移相器、第二移相器、以及第三移相器；所述第一比较器的第一输入端与所述第二PID调节器的输出端相连，所述第一比较器的第二输入端用于接收载波信号，所述第一比较器的输出端与所述第一隔离驱动器的输入端相连，所述第一隔离驱动器的输出端与所述第一绝缘栅双极型晶体管的栅极相连，用于输出第一路移相驱动脉冲信号；所述第二比较器的第一输入端与所述第二PID调节器的输出端相连，所述第二比较器的第二输入端用于接收经所述第一移相器移相处理后的载波信号，所述第二比较器的输出端与所述第二隔离驱动器的输入端相连，所述第二隔离驱动器的输出端与所述第二绝缘栅双极型晶体管的栅极相连，用于输出第二路移相驱动脉冲信号；所述第三比较器的第一输入端与所述第三PID调节器的输出端相连，所述第三比较器的第二输入端用于接收经所述第二移相器移相处理后的载波信号，所述第三比较器的输出端与所述第三隔离驱动器的输入端相连，所述第三隔离驱动器的输出端与所述第三绝缘栅双极型晶体管的栅极相连，用于输出第三路移相驱动脉冲信号；所述第四比较器的第一输入端与所述第三PID调节器的输出端相连，所述第四比较器的第二输入端用于接收经所述第三移相器移相处理后的载波信号，所述第四比较器的输出端与所述第四隔离驱动器的输入端相连，所述第四隔离驱动器的输出端与所述第四绝缘栅双极型晶体管的栅极相连，用于输出第四路移相驱动脉冲信号。
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| CN103856034B (zh) | 2016-10-05 |
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