CN104283414A - 一种功率因数校正器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种功率因数校正器，特别涉及一种带有源滤波器的功率因数校正器，包括一整流器，接受交流电，并为后级电路提供直流电；第一电感，所述第一电感的第一端和所述整流器的第一输出端连接；一有源滤波器，与所述第一电感的第二端连接，所述有源滤波器的输出端不串联电感；一负载，所述负载的第一输入端和所述第一电感的第二端连接，所述负载的第二输入端和所述整流器的第二输出端连接。由于第一电感滤除了整流器输出的高次电流谐波，使有源滤波器只需补偿负载侧输出的高次电流谐波，将极大减小控制难度。

Description

一种功率因数校正器

技术领域

本发明涉及功率因数校正器，特别涉及一种带有源滤波器的功率因数校正器。 

背景技术

传统的单相整流器往往有较大的总谐波失真和较差的功率因数，故而有源滤波器被应用到整流器的谐波消除和功率因数校正中。但是整流器和负载都会产生大量的谐波，如图1所示，从整流器输出端输出的电流带有大量的高次电流谐波I_{2_h}，同时从负载侧也会产生高次电流谐波I_{lo_h}。根据有源滤波器对电流波形进行补偿的工作原理，此时有源滤波器必须产生出能将I_{2_h}和I_{lo_h}抵消的高次谐波，以达到补偿波形的目的。在实际控制中，有源滤波器无法对高次谐波进行有效补偿，因而需要为带有有源滤波器的功率因数校正电路提供一种抑制高次谐波的方法，进一步优化电路的功率因数。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种功率因数校正器，其具有良好的功率因数校正功能。 

为了解决上述技术问题，本发明的方案，在整流滤波器的输出端串联一电感用以抑制整流滤波器中产生的高频谐波电流，更进一步的在负载的输入端串联一二极管抑制负载电流中的电流值为负的谐波。具体实施方案为： 

一种功率因数校正器，包括一整流器、一有源滤波器、第一电感、第二电感、一个二极管和一负载，其特征在于所述第一电感的第一端子和所述整流器的输出正极连接，所述电感的第二端子和所述二极管的阳极相连，其连接点与有源滤波器的输出端相连，所述二极管的阴极与第二电感的第一端子相连，所述第二电感的第二端子与所述负载连接。。

上述功率因数校正器中的有源滤波器为二象限有源滤波器，包括第一开关管、第二开关管和一电容，其特征在于第一开关管的源极与第二开关管的漏极相连，该连接点为所述有源滤波器的输出端，所述电容的第一端子与第一开关管的漏极相连，其第二端子与第二开关管的源极相连。 

上述功率因数校正器进一步包括一控制电路，所述控制电路包括同步波形采样电路、电流控制环路和电压控制环路以及驱动控制电路，其 

电压控制环路包括一误差放大电路，输入一固定电压值，并提供一电流控制信号给所述电流控制环路的加法器，

电流控制环路包括一加法器、一乘法器和一误差放大电路，所述电流控制信号依次经过所述电流控制环路的加法器、乘法器和误差放大电路，并提供一开关控制信号给所述驱动控制电路，

同步波形采样电路包括一变压器和一取模电路，所述变压器的原边与所述整流器的输入端并联，所述变压器的副边的第一端子与取模电路连接，第二端子与地连接，所述取模电路的输出端与所述电流控制环路的乘法器输入端连接，

驱动控制电路包括一PWM信号发生器，所述PWM信号发生器接收所述开关控制信号，并据此产生一PWM驱动信号，并提供给所述第一开关管和所述第二开关管。

上述电压控制环路进一步包括一电压采样电路，所述电压采样电路采样所述电容两端电压，并将电容电压信号提供给所述电压控制环路。 

上述电压采样电路进一步包括一带阻滤波器，所述电容电压信号经所述带阻滤波器提供给所述电压控制环路。所述带阻滤波器的截止频率为2倍工频。 

上述电流控制环路进一步包括第一电流采样电路，采样所述整流器第一输出端电流，并将采样得到的整流器第一输出端电流信号传输给所述电流控制环路的误差放大电路。 

上述电流控制环路进一步包括第二电流采样电路，采样所述负载电流，并将所述负载电流信号传输给所述电流控制环路的乘法器。 

上述第二电流采样电路进一步包括一比例放大电路，所述比例放大电路将所述负载电流信号进行比例放大后传输后给所述电流控制环路的乘法器。 

上述驱动控制电路进一步包括一非门，所述PWM驱动控制信号经过一非门驱动控制第一开关管，所述PWM驱动控制信号直接驱动控制第二开关管。 

附图说明

图1为一已知技术。 

图2为本发明主回路线路结构图。 

图3为已知技术主回路中的高频电流回路图。 

图4为本发明主回路中的高频电流回路图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。 

图2为本发明主回路线路结构图。在单相交流电源Vi两端装有功率因数校正器，包括整流器1，有源滤波器2，功率因数校正器的输出端和负载连接，整流器1的输出端串联一电感L1后与所述有源滤波器2的输出端连接，所述有源滤波器2的输出端上不串联电感。该校正器中的有源滤波器应工作在至少两个象限（输出电压为正，输出电流可正可负），并考虑到经济性，因此使用二象限有源滤波器，该有源滤波器4由一个开关管S1、一个开关管S2与一个电容Cf组成。电感L₁和二极管Diode串联，其连接点a和开关管S1与开关管S2同向串联的连接点b连接，电容Cf与开关管S1和开关管S2组成的桥壁单元并联。线路图的整体思想是通过控制有源滤波器产生的补偿电流，保持整流器输出电流I2与输出电压U2的波形形状一致、相位相同，从而达到高功率因数的目的。 

本发明将已知技术中串联在有源滤波器输出端的电感，改为串接在整流器输出端，这一改变，抑制了整流器2的高频谐波，并大幅降低控制的难度。由于电感L₁的阻抗值为ωL₁，显然当角频率ω很大时，该阻抗值也会很大，因此通过该电感的高频电流会变得很小，甚至可以忽略，于是就可以抑制整流器1产生的高频谐波。此时，有源滤波器只需要抵消来自负载侧的高次电流谐波I_{lo_h}。由于在实际控制中，对高次谐波进行补偿非常困难，所以此举将卓有成效地降低控制难度。 

本发明还在负载侧增加串联了一个二极管，如图3所示。这一举措会极大地减小功率因数校正器的成本。在功率因数校正器没有加装二极管Diode情况下，如果负载线路上的电感Lo比较小（比如电感值为1mH），则负载线路上的电流Io会出现大幅的波动，有可能会为负。由于负载电流Io决定了电流控制环路中整流器输出电流I2的参考电流幅值，因此Io的大幅波动也会造成I2幅值的频繁变动，使I2波形严重变形，结果使得功率因数校正器无法达到高功率因数。另一方面，这也会造成有源滤波器产生的补偿电流Ilf大幅波动，为此在实际运用中不得不使用输出电流范围更大的有源滤波器，造成价格成本上升。 

如果Lo选用较大的电感值（比如30mH），虽然可以明显减小负载电流Io和有源滤波器输出电流Ilf的波动，但大电感本身的体积大、价格昂贵，该方案也不具有生产使用的可行性。因此，在负载线路上的电感Lo仍为较小电感值的情况下，可以通过加装二极管消除上述不利影响。由于二极管电流的单向通过性，负载线路电流为负的部分被滤除，成为单向的直流电，从而减小了负载电流Io的波动，进而减小了有源滤波器输出电流Ilf的波动，并保证了整流器输出电流I2的波形与整流电压波形一致，实现高功率因数。综上，加装二极管Diode之后，即使L_o使用小电感（比如300μH），也可以达到使用大电感时的补偿效果。而通过将一个30mH的电感换成1mH，可以将电感的成本减小百倍，加装一个二极管远比使用大电感要经济实用。 

图4为本发明控制回路结构的一个例子。为实现该控制方案，需要从主回路中获得四个信号。首先在负载电阻上加装电流传感器，得到电流信号Iosense；在有源滤波器的电容Cf两端加装电压传感器，得到电压信号Vcfsense。为防止谐振，信号Vcfsense会经过一个带阻滤波器F(s)，根据FFT分析发现该信号2次谐波占多数，故将带阻滤波器的中心频率设为2倍工频。 

首先电压控制环路5中，由于有源滤波器开关两端的电压来自电容Cf，因此需要维持Cf两端的电压为固定值。我们可以给定有源滤波器两端工作电压参考值Vcfref（至少应高于整流器输出电压最大幅值），再将电压信号Vcfsense与该参考值Vcfref进行比较，其差值ev即为电压闭环的控制信号，并通过传递函数CV(s)转换成电流幅值信号Ivcf，提供给电流控制环路6，由电流控制环路一并实现稳压控制。 

另一方面，负载电阻电流采样信号Iosense经过比例放大电路K倍的比例放大变为负载电流幅值Iop。Iop与Ivcf相加合成此时刻整流器输出电流幅值的参考值I2p。 

为了实现输出电流Io与输入电压波形Vi的同步，可以在整流器交流侧，利用同步波形采样电路7采样整流器输入电压Vi的单位幅值的同步波形，同步波形采样电路包括变压器T1和取模电路Abs，由变压器T1得到交流电压波形，并将其减小为单位幅值的波形，再进行取模，得到单位幅值的同步波形Vsync。将波形Vsync与幅值I2p通过乘法器相乘，即得到此时刻整流器输出端的参考电流I2ref。 

通过闭环反馈，即可使电流I2跟踪参考电流I2ref。在整流器输出端加装电流传感器，得到反馈信号I2sense。该信号与参考电流I2ref通过加法器相比较，其差值eI即为电流闭环的控制信号。经过一个比例积分模块Ci(s)的处理后，信号进入PWM波形发生器，并由PWM波形发生器产生PWM信号，分别供给有源滤波器中S1和S2两个开关管的栅极，即实现了对有源滤波器的控制。这样，有源滤波器就会产生补偿电流Ilf，使I2与参考电流I2ref相一致，即保持I2与整流器输出电压U2的波形形状一致、相位相同。 

Claims (12)

1.一种功率因数校正器，包括：

一整流器，接受交流电，并为后级电路提供直流电，

第一电感，所述第一电感的第一端和所述整流器的第一输出端连接，

一有源滤波器，与所述第一电感的第二端连接，所述有源滤波器的输出端不串联电感，

一负载，所述负载的第一输入端和所述第一电感的第二端连接，所述负载的第二输入端和所述整流器的第二输出端连接。

2.如权利要求1所述一种功率因数校正器，其特征在于所述负载的输入端串联一二极管，使负载电流为单向直流电。

3.如权利要求1所述一种功率因数校正器，其特征在于所述功率因数校正器中的有源滤波器为二象限有源滤波器，进一步包括第一开关管、第二开关管和一电容，其特征在于第一开关管的源极与第二开关管的漏极相连，该连接点为所述有源滤波器的输出端，所述电容的第一端子与第一开关管的漏极相连，其第二端子与第二开关管的源极相连并接地。

4.如权利要求1所述一种功率因数校正器，其特征在于所述功率因数校正器进一步包括一控制电路，所述控制电路包括同步波形采样电路、电流控制环路和电压控制环路以及驱动控制电路，其电压控制环路包括一误差放大电路，输入一固定电压值，并提供一电流控制信号给所述电流控制环路，电流控制环路包括一加法器、一乘法器和一误差放大电路，所述电流控制信号依次经过所述电流控制环路的加法器、乘法器和误差放大器，并提供一开关控制信号给所述驱动控制电路，驱动控制电路包括一PWM信号发生器，所述PWM信号发生器接受所述开关控制信号，并据此产生一PWM驱动信号，并提供给所述第一开关管和所述第二开关管。

5.如权利要求4所述一种功率因数校正器，其特征在于所述电压控制环路进一步包括一电压采样电路，所述电压采样电路采样所述电容两端电压，并将电容电压信号提供给所述电压控制环路的误差放大电路。

6.如权利要求4所述一种功率因数校正器，其特征在于所述电压采样电路进一步包括一带阻滤波器，所述电容电压信号经所述带阻滤波器提供给所述电压控制环路。

7.如权利要求6所述一种功率因数校正器，其特征在于所述带阻滤波器的中心频率为二倍工频。

8.如权利要求4所述一种功率因数校正器，其特征在于所述电流控制环路进一步包括第一电流采样电路，采样所述整流器第一输出端电流，并将采样得到的整流器第一输出端电流信号传输给所述电流控制环路的误差方法电路。

9.如权利要求4所述一种功率因数校正器，其特征在于所述电流控制环路进一步包括第二电流采样电路，采样所述负载电流，并将所述负载电流信号传输给所述电流控制环路的乘法器。

10.如权利要求9所述一种功率因数校正器，其特征在于所述第二电流采样电路进一步包括一比例放大电路，所述比例放大电路将所述负载电流信号进行比例放大后传输后给所述电流控制环路的乘法器。

11.如权利要求4所述一种功率因数校正器，其特征在于所述同步波形采样电路进一步包括一变压器和一取模电路，所述变压器的原边与所述整流器的输入端并联，所述变压器的副边的第一端子与取模电路连接，第二端子与地连接，所述取模电路的输出端与所述乘法电路输入端连接。

12.如权利要求4所述一种功率因数校正器，其特征在于所述驱动控制电路进一步包括一非门，所述PWM驱动控制信号经过一非门驱动控制第一开关管，所述PWM驱动控制信号直接驱动控制第二开关管。