CN106330146A - 用于脉冲频率调制的载波发生电路 - Google Patents

用于脉冲频率调制的载波发生电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种单位功率因数校正领域的用于脉冲频率调制的载波发生电路，包括恒流电路、整流电路、倒正弦波发生电路和载波发生电路，所述恒流电路提供一个恒定的电流，整流电路首先对输入交流电压进行整流，形成全波整流电压，经由三极管TR2和TR3产生全波脉动电流，并与恒定电流做减法计算，在倒正弦波发生电路输出端形成倒正弦波电压，接着输入载波发生电路中产生载波电压。本发明硬件电路实现了产生锯齿载波功能，与一般使用微控制器相比节省了成本，同时采用倒正弦波的设计也使得电压高时开关管频率降低，减小了开关管损耗。

Description

用于脉冲频率调制的载波发生电路
技术领域
本发明涉及电力电子变换技术领域，具体地，涉及一种用于脉冲频率调制的载波发生电路。
背景技术
作为一种脉冲调制方法，脉冲频率调制(PFM)在DC-DC电力变换中应用广泛，其主要思想是使得调制信号的频率随输入信号的电压幅值而变化，而占空比不变。采用脉冲频率调制(PFM)可以提高轻负载的效率。
经过对现有技术的检索发现，关于脉冲频率调制的研究主要集中在控制算法等方面。常昌远在2011年的《微电子学》上提出了一种带纹波控制的全载高效率DC-DC变换器设计，采用带电感电流峰值控制的PFM技术，显著减小了轻载时的输出电压纹波，减小幅度最高达80％；黄建明等人在专利中提出了一种脉冲频率调制和准谐振双模式调制的微型并网逆变器控制方法，在反击时微型逆变器中，在电网电压过零点附近采用脉冲频率调制模式控制，保持MOS管的开通时间固定，通过调节开关频率Ts，保证了并网电流为正弦波。
在电力电子变换器的实际应用中，截止目前，仍然很少采用数字控制器设计脉冲频率调制技术进行电磁干扰(EMI)抑制。单相功率因数校正器大都应用在家用电器领域，家用电器设备对EMI的要求非常高，为此可以采用脉冲频率调制技术，包括数字控制器或模拟控制器。当采用模拟控制器时目前比较缺少一种产生脉冲频率调制的载波发生电路的硬件实现方法。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种单位功率因数校正领域的用于脉冲频率调制的载波发生电路，该电路是一种脉冲频率调制的硬件实现方法。
根据本发明提供的用于脉冲频率调制的载波发生电路，包括恒流电路、整流电路、倒正弦波发生电路和载波发生电路，所述恒流电路提供一个恒定电流，整流电路首先对输入交流电压进行整流，形成全波整流电压，全波整流电压经由倒正弦波发生电路产生全波脉动电流，并与恒定电流做减法计算后，在倒正弦波发生电路输出端形成倒正弦波电压，倒正弦波电压接着输入载波发生电路中产生载波电压。
优选地，所述恒流电路包括运放OP1、电阻R1、电阻R2和三极管TR1。
具体地，电阻R1的一端接电压Vr，电阻R1的另一端接入运放OP1的同相输入端，运放OP1的反相输入端分别与三极管TR1的发射极和电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端接地，三极管TR1的基极与运放OP1的输出端相连。
优选地，所述电压Vr＝10V。
优选地，所述整流电路包括电容C1、二极管D1和二极管D2。
具体地，电容C1并联在输入交流电压两端，二极管D1的阳极与电容C1的一端相连，二极管D2的阳极与电容C1的另一端相连，二极管D1和二极管D2的阴极相连。
优选地，所述倒正弦波发生电路包括电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、三极管TR2、三极管TR3和电流互感器CT1。
具体地，电阻R3的一端分别与二极管D1的阴极和二极管D2的阴极的连接点相连，电阻R3的另一端分别与三极管TR2的集电极和基极以及电阻R5的一端相连，三极管TR2的发射极接电阻R4的一端，电阻R4的另一端接地，电阻R5的另一端接三极管TR3的基极，三极管TR3的集电极接电阻R7的一端，电阻R7的另一端接电压VA，三极管TR3的发射极接电阻R6的一端，电阻R6的另一端接三极管TR1的集电极，电流互感器CT1一次侧的一端连接三极管TR1的集电极，电流互感器CT1一次侧的另一端接电压VB。
优选地，所述VA＝10V和/或VB＝15V。
优选地，所述载波发生电路包括电容C2、逆导型开关器件FET1、逆导型开关器件FET2、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13和运放OP2。
具体地，电容C2的一端分别连接电流互感器CT1二次侧的一端、逆导型开关器件FET1的漏极和电阻R12的一端，电流互感器CT1二次侧的另一端接地，电容C2的另一端接地，电阻R8的一端接电压VB，电阻R8的另一端分别接电阻R9、电阻R10和电阻R11的一端，电阻R9的另一端接逆导型开关器件FET2的漏极，电阻R11的另一端接地，运放OP2的同相输入端与电阻R12的另一端相连，运放OP2的反相输入端与电阻R10的另一端相连，运放OP2的输出端接电阻R13的一端，电阻R13的另一端分别接逆导型开关器件FET1的门极和逆导型开关器件FET2的门极，逆导型开关器件FET1的源极和逆导型开关器件FET2的源极分别接地。电容C2的两端电压作为整个载波发生电路的输出端。
优选地，所述VB＝15V。
本发明的工作过程及工作原理为：整流电路首先对输入交流电压进行整流，变为全波整流电压，接着经由三极管TR2和三极管TR3转换为全波脉动电流，并接入恒流电路中，由基尔霍夫电流定律可得，通过电流互感器CT1一次侧的电流为具有倒正弦波形式的电流，电流互感器CT1的二次侧也获得倒正弦波形式的电流，并对电容C2充电，电容C2两端的电压逐渐上升，当其上升到超过电阻R8和电阻R11的分压时，运放OP2输出正向电压，逆导型开关器件FET1和逆导型开关器件FET2的门极被导通，电容C2被接地，电压迅速下降，与此同时，电阻R9被接入电路，电阻R11和电阻R9并联，与电阻R8分压，运放OP2的反相输入端参考电压下降，当电容C2两端电压下降到比运放OP2的反相输入端电压更低时，运放OP2输出为0，逆导型开关器件FET1和逆导型开关器件FET2的门极关断，电阻R9从电路中切除，电容C2开始充电，如此循环往复，就形成了具有倒正弦波规律的锯齿载波。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明采用硬件搭建了脉冲频率调制的载波发生电路，与一般的用微控制器产生同样的载波相比，节约了硬件成本和算法设计开销；
2、使用倒正弦波产生载波，在电压高时开关频率低，损耗小。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的实施例的电路原理图。
图2为全波整流电路末端电压波形图。
图3为电流互感器二次侧电流波形图。
图4为电容C2两端电压波形图。
图1中，1为整流电路。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的用于脉冲频率调制的载波发生电路，包括恒流电路、整流电路、倒正弦波发生电路和载波发生电路，所述恒流电路提供一个恒定的电流(i1)，整流电路首先对输入交流电压进行整流，形成全波整流电压，经由倒正弦波发生电路的两个三极管产生全波脉动电流，并与恒定电流做减法计算，在倒正弦波发生电路输出端形成倒正弦波电压，接着输入载波发生电路中产生载波电压。
优选地，所述恒流电路包括运放OP1、电阻R1、电阻R2和三极管TR1。
具体地，电阻R1的一端接10V电压Vr，电阻R1的另一端接入运放OP1的同相输入端，运放OP1的反相输入端分别与三极管TR1的发射极和电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端接地，三极管TR1的基极与运放OP1的输出端相连。
优选地，所述整流电路包括电容C1、二极管D1和二极管D2。
具体地，电容C1并联在输入交流电压两端，二极管D1的阳极与电容C1的一端相连，二极管D2的阳极与电容C1的另一端相连，二极管D1和二极管D2的阴极相连。
优选地，所述倒正弦波发生电路包括电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、三极管TR2、三极管TR3和电流互感器CT1。
具体地，电阻R3的一端分别与二极管D1的阴极和二极管D2的阴极的连接点相连，电阻R3的另一端分别与三极管TR2的集电极和基极以及电阻R5的一端相连，三极管TR2的发射极接电阻R4的一端，电阻R4的另一端接地，电阻R5的另一端接三极管TR3的基极，三极管TR3的集电极接电阻R7的一端，电阻R7的另一端接10V电压VA，三极管TR3的发射极接电阻R6的一端，电阻R6的另一端接三极管TR1的集电极，电流互感器CT1一次侧的一端连接三极管TR1的集电极，电流互感器CT1一次侧的另一端接15V电压VB。
优选地，所述载波发生电路包括电容C2、逆导型开关器件FET1、逆导型开关器件FET2、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13和运放OP2。
具体地，电容C2的一端分别连接电流互感器CT1二次侧的一端、逆导型开关器件FET1的漏极和电阻R12的一端，电流互感器CT1二次侧的另一端接地，电容C2的另一端接地，电阻R8的一端接15V电压VB，电阻R8的另一端分别接电阻R9、电阻R10和电阻R11的一端，电阻R9的另一端接逆导型开关器件FET2的漏极，电阻R11的另一端接地，运放OP2的同相输入端与电阻R12的另一端相连，运放OP2的反相输入端与电阻 R10的另一端相连，运放OP2的输出端接电阻R13的一端，电阻R13的另一端分别接逆导型开关器件FET1的门极和逆导型开关器件FET2的门极，逆导型开关器件FET1的源极和逆导型开关器件FET2的源极分别接地。电容C2的两端电压作为整个载波发生电路的输出端。
本发明的工作过程及工作原理为：整流电路首先对输入交流电压进行整流，变为全波整流电压，接着经由三极管TR2和三极管TR3转换为全波脉动电流，并接入恒流电路中，由基尔霍夫电流定律可得，通过电流互感器CT1一次侧的电流为具有倒正弦波形式的电流，电流互感器CT1的二次侧也获得倒正弦波形式的电流，并对电容C2充电，电容C2两端的电压逐渐上升，当其上升到超过电阻R8和电阻R11的分压时，运放OP2输出正向电压，逆导型开关器件FET1和逆导型开关器件FET2的门极被导通，电容C2被接地，电压迅速下降，与此同时，电阻R9被接入电路，电阻R11和电阻R9并联，与电阻R8分压，运放OP2的反相输入端参考电压下降，当电容C2两端电压下降到比运放OP2的反相输入端电压更低时，运放OP2输出为0，逆导型开关器件FET1和逆导型开关器件FET2的门极关断，电阻R9从电路中切除，电容C2开始充电，如此循环往复，就形成了具有倒正弦波规律的锯齿载波。
本发明搭建硬件电路实现了产生锯齿载波功能，与一般使用微控制器相比节省了成本，同时采用倒正弦波的设计也使得电压高时开关管频率降低，减小了开关管损耗。
本实施例中，所述的用于脉冲频率调制的载波发生电路，包括电容C1-C2、电阻R1-R13、运放OP1-OP2、三极管TR1-TR3、二极管D1-D2、电流互感器CT1、逆导型开关器件FET1和FET2，采用交流电源Us、直流电压源VA、VB和Vr，其中：
交流电源Us两端并联电容C2，二极管D1和二极管D2的阳极分别与电容C1的一端相连，二极管D1和二极管D2的阴极相连之后与电阻R3的一端相连；
电阻R1的一端连接电压源Vr，运放OP1的同相输入端与电阻R1的另一端相连，运放OP1的反相输入端分别与电阻R2的一端和三极管TR1的发射极相连，电阻R2的另一端接地；
三极管TR1的基极与运放OP1的输出端相连，三极管TR1的集电极分别与电流互感器CT1一次侧的一端和电阻R6的一端相连；
三极管TR2的基极与集电极、电阻R3的另一端和电阻R5的一端相连，三极管TR2的发射极连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端接地，电阻R5的另一端连接三极管TR3的基极，三极管TR3的集电极与电阻R7的一端相连，电阻R7的另一端连接电压源VA，三极管TR3的发射极连接电阻R6的另一端；
电流互感器CT1一次侧的另一端连接电压源VB和电阻R8的一端，电流互感器CT1二次侧的一端接地，电流互感器CT1二次侧的另一端分别连接电容C2的一端、电阻R12的一端和逆导型开关器件FET1的漏极，电容C2的另一端接地；
电阻R8的另一端分别连接电阻R9、电阻R10和电阻R11的一端，运放OP2的反相输入端连接电阻R10的另一端，运放OP2的同相输入端连接电阻R12的另一端，运放OP2的输出端连接电阻R13的一端；
电阻R9的另一端连接逆导型开关器件FET2的漏极，电阻R11的另一端接地；
电阻R13的另一端分别连接逆导型开关器件FET1和逆导型开关器件FET2的门极，逆导型开关器件FET1和逆导型开关器件FET2的源极分别接地。
本实例中上述各个元器件的选型，可以优选为：
输入交流电压Us：220V；
直流电压源Vr：10V；
直流电压源VA：10V；
直流电压源VB：15V；
二极管D1-D2：600V，1A/100℃；
电容C1：275V，1.0μF，用于滤波；
三极管TR1-TR3：NPN型，50V；
电阻R1：5kΩ；
电阻R2：5kΩ；
电阻R3：300kΩ；
电阻R4：5kΩ；
电阻R5：2kΩ；
电阻R6：5kΩ；
电阻R7：5kΩ；
电阻R8：10kΩ；
电阻R9：5kΩ；
电阻R10：1kΩ；
电阻R11：5kΩ；
电阻R12：1kΩ；
电阻R13：2kΩ；
电容C2：50V，10nF；
逆导型开关器件FET1-FET2：50V，1A/100℃；
电流互感器：50V，匝比1∶5；
运放OP1-OP2：LM358。
整个电路具体工作时：
如图1所示，整流电路首先对输入交流电压(Us)进行整流，变为全波整流电压(Ui)，如图2所示。接着经由三极管TR2和三极管TR3转换为全波脉动电流(i3)，并接入恒流电路中，由基尔霍夫电流定律可得，通过电流互感器CT1一次侧的电流(i2)为具有倒正弦波形式的电流，电流互感器CT1的二次侧也获得倒正弦波形式的电流(i4)，如图3所示。该电流(i4)对电容C2充电，电容C2两端的电压(Uo)逐渐上升，当其上升到超过电阻R8和电阻R11的分压时，运放(放大器)OP2输出正向电压，逆导型开关器件FET1和逆导型开关器件FET2的门极被导通，电容C2被接地，电压迅速下降，与此同时，电阻R9被接入电路，电阻R11和电阻R9并联，与电阻R8分压，运放OP2的反相输入端参考电压下降，当电容C2两端电压下降到比运放OP2的反相输入端电压更低时，运放OP2输出为0，逆导型开关器件FET1和逆导型开关器件FET2门极关断，电阻R9从电路中切除，电容C2开始充电，如此循环往复，就形成了具有倒正弦波规律的锯齿载波，如图4所示。
本发明完全采用硬件电路形成了脉冲频率调制所需要的锯齿载波，无须使用微控制器以及相应的算法编程，减少设计人员负担的同时也减少了购买控制器花费的成本和编写控制程序的调试成本，同时，采用倒正弦波使得在输入电压高时脉冲频率降低，减小了两个开关器件的损耗。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种用于脉冲频率调制的载波发生电路，其特征在于，包括恒流电路、整流电路、倒正弦波发生电路和载波发生电路，所述恒流电路提供一个恒定电流，所述整流电路首先对输入交流电压进行整流，形成全波整流电压，全波整流电压经由倒正弦波发生电路产生全波脉动电流，并与恒定电流做减法计算后，在倒正弦波发生电路输出端形成倒正弦波电压，倒正弦波电压输入载波发生电路中产生载波电压。
2.根据权利要求1所述的用于脉冲频率调制的载波发生电路，其特征在于，所述恒流电路包括运放OP1、电阻R1、电阻R2和三极管TR1；其中：
电阻R1的一端接电压Vr，电阻R1的另一端接入运放OP1的同相输入端，运放OP1的反相输入端分别与三极管TR1的发射极和电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端接地，三极管TR1的基极与运放OP1的输出端相连。
3.根据权利要求2所述的用于脉冲频率调制的载波发生电路，其特征在于，所述电压Vr＝10V。
4.根据权利要求2所述的用于脉冲频率调制的载波发生电路，其特征在于，所述整流电路包括电容C1、二极管D1和二极管D2；其中：
电容C1并联在输入交流电压两端，二极管D1的阳极与电容C1的一端相连，二极管D2的阳极与电容C1的另一端相连，二极管D1和二极管D2的阴极相连。
5.根据权利要求4所述的用于脉冲频率调制的载波发生电路，其特征在于，所述倒正弦波发生电路包括电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、三极管TR2、三极管TR3和电流互感器CT1；其中：
电阻R3的一端分别与二极管D1的阴极和二极管D2的阴极的连接点相连，电阻R3的另一端分别与三极管TR2的集电极和基极以及电阻R5的一端相连，三极管TR2的发射极接电阻R4的一端，电阻R4的另一端接地，电阻R5的另一端接三极管TR3的基极，三极管TR3的集电极接电阻R7的一端，电阻R7的另一端接电压VA，三极管TR3的发射极接电阻R6的一端，电阻R6的另一端接三极管TR1的集电极，电流互感器CT1一次侧的一端连接三极管TR1的集电极，电流互感器CT1一次侧的另一端接电压VB。
6.根据权利要求5所述的用于脉冲频率调制的载波发生电路，其特征在于，所述VA＝10V和/或VB＝15V。
7.根据权利要求5所述的用于脉冲频率调制的载波发生电路，其特征在于，所述载波发生电路包括电容C2、逆导型开关器件FET1、逆导型开关器件FET2、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13和运放OP2；其中：
电容C2的一端分别连接电流互感器CT1二次侧的一端、逆导型开关器件FET1的漏极和电阻R12的一端，电流互感器CT1二次侧的另一端接地，电容C2的另一端接地，电阻R8的一端接电压VB，电阻R8的另一端分别接电阻R9、电阻R10和电阻R11的一端，电阻R9的另一端接逆导型开关器件FET2的漏极，电阻R11的另一端接地，运放OP2的同相输入端与电阻R12的另一端相连，运放OP2的反相输入端与电阻R10的另一端相连，运放OP2的输出端接电阻R13的一端，电阻R13的另一端分别接逆导型开关器件FET1的门极和逆导型开关器件FET2的门极，逆导型开关器件FET1的源极和逆导型开关器件FET2的源极分别接地；电容C2的两端电压作为整个载波发生电路的输出端。
8.根据权利要求7所述的用于脉冲频率调制的载波发生电路，其特征在于，所述VB＝15V。
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