CN113078810B - 一种用于医疗开关电源的智能功率因数校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于医疗开关电源的智能功率因数校正方法，属于开关电源技术领域，其技术方案要点包括以下步骤：步骤一，在开关电源端输入交流电，记做给定电压，然后由电压检测电路检测给定电压的数值；步骤二，给定电压检测后经过整流单元后输出为平稳的直流信号，并由乘法器将该直流信号同正弦绝对值信号相乘，得到幅值跟随电压控制电路输出变化的正弦绝对值信号，作为电流跟踪环的电流给定信号；步骤三，由电流跟踪控制电路使升压型斩波电路中的电感L电流跟踪电流给定信号，电流给定信号的波形为正弦绝对值，因此电感L电流的波形也为正弦绝对值；本发明采用双重谐波去除方式，增加谐波消除率，进而保证开关电源对电力的利用率。

Description

一种用于医疗开关电源的智能功率因数校正方法

技术领域

本发明涉及开关电源技术领域，更具体地说，涉及一种用于医疗开关电源的智能功率因数校正方法，尤其是一种智能功率因数的双重谐波去除校正方法。

背景技术

开关电源模块是一种电容输入型电路，高效率、高功率密度是开关电源模块两个重要指标，为达到高效率的目标，减少电流和电压之间的相位差造成的交换功率损失，便需要单相功率因数校正(Power Factor Correction，PFC)电路提高功率因数，其中，功率因数指的是有效功率与总耗电量之间的关系，一般是指有效功率除以总耗电量的比值，可以用来衡量电力被有效利用的程度，功率因数值越大，电力利用率越高。

尤其是在医疗方面，开关电源的应用也十分重要，而现有的功率因数校正方法，采集输入电流、输入电压和输出电压，根据采集的数据控制开关管的通断，最终使输入电流与输入电压同相位，消除大部分谐波，但是在实际的使用过程中，仅通过控制开关管的通断，仍然存在较大谐波，因此有必要该部分谐波进行消除，以便取得更大的功率因数。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于医疗开关电源的智能功率因数校正方法，其优点在于采用双重谐波去除方式，增加谐波消除率，进而保证开关电源对电力的利用率。

2.技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种用于医疗开关电源的智能功率因数校正方法，包括以下步骤：

步骤一，在开关电源端输入交流电，记做给定电压，然后由电压检测电路检测给定电压的数值；

步骤二，给定电压检测后经过整流单元后输出为平稳的直流信号，并由乘法器将该直流信号同正弦绝对值信号相乘，得到幅值跟随整流单元输出变化的正弦绝对值信号，作为电流跟踪环的电流给定信号；

步骤三，由电流跟踪控制电路使升压型斩波电路中的电感L电流跟踪电流给定信号，电流给定信号的波形为正弦绝对值，因此电感L电流的波形也为正弦绝对值；

步骤四，通过取样模块在电感L电流的波形上取若干采样点，通过控制单元的运算来验证电感L电流的波形，若波形是正弦波则实现功率校正，跳转至步骤六，若波形不是正弦波，即存在谐波，则跳转至步骤五；

步骤五，通过控制导通开关S的占空比按照正弦绝对值规律变化，且与输入的给定电压同向，使电感L电流波形为正弦绝对值，且电感L电流与给定电压同向，输入功率因数为1，重复步骤四，若电感L电流波形为正弦绝对值，则跳转至步骤六；

步骤六，结束。

进一步的，所述整流单元包括电压控制电路，用于将交流电压转换为稳定的直流电压。

进一步的，所述步骤四中取样模块的取样方式为：

S1、取若干个完整波形区间，每个波形区间为一个完整的波形周期；

S2、在每个波形周期上随机选取若干采样点；

S3，将多组采样点分类汇总，并传输给控制芯片，则完成取样。

进一步的，所述升压型斩波电路开关电源的输入端和整流单元形成闭合回路，所述电感L串联在所述升压型斩波电路的闭合回路中，所述导通开关S并联在所述升压型斩波电路的闭合回路中，且所述导通开关S的调节端与所述电流跟踪控制电路的输出端连接。

进一步的，所述导通开关S的占空比规律需满足如下公式：

(1-D1)U1-U2＝jωLIL

其中，D1为占空比规律系数，U1为电感L的电压系数，U2为输入电压相量，IL为电感L电流相量，j表示电感上的电压领先电流π/2，ωL为电感的感抗，且电感L两端的电压jωLIL超前于电感电流90°。

进一步的，所述升压型斩波电路还设置有并联在连接电感L上的电压电流检测模块，所述电压电流检测模块通过导线与电感L形成闭合回路，用于检测所述电感L两端的电压和电流。

进一步的，所述正弦绝对值信号来自整流单元的输出端，并输送入乘法器，乘法器将电压控制电路的输出信号与正弦绝对值信号相乘，得到电流跟踪控制电路跟踪环的给定信号。

进一步的，所述控制单元包括控制芯片和存储单元，所述存储单元用于存储并记忆占空比和电感L电流的波形图。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

(1)本方案采用整流单元将输入的交流电压输出为平稳的直流信号，并由乘法器将该直流信号同正弦绝对值信号相乘，得到幅值跟随电压控制电路输出变化的正弦绝对值信号，作为电流跟踪环的电流给定信号，由电流跟踪控制电路使升压型斩波电路中的电感L电流跟踪电流给定信号，电流给定信号的波形为正弦绝对值，因此电感L电流的波形也为正弦绝对值，从而达到初步调整谐波的目的，然后在经过控制导通开关S的占空比，使其按照正弦绝对值规律变化，进而再次对谐波进行消除，通过双重校正，增强了开关电源功率因数的校正效果；

(2)本方案由于采用升压型斩波电路，使电源允许的输入电压范围扩大，使该开关电源能够适应不同的电网电压，能够提高医疗设备电源的可靠性和灵活性；

(3)本方案存储单元记录占空比和波形图后，在长时间使用后，一旦电感L、导通开关S或其他零部件更换时，通过存储单元存储内部记忆的占空比和波形图,反馈至控制芯片，由控制芯片根据记忆内容进行调整。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明的电路图；

图3为本发明的PWM整流模块的具体构造。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图1-3，本发明实施例中，一种用于医疗开关电源的智能功率因数双重谐波去除校正方法，包括以下步骤：

步骤一，在开关电源端输入交流电，记做给定电压，然后由电压检测电路检测给定电压的数值；

步骤二，给定电压检测后经过整流单元后输出为平稳的直流信号，并由乘法器将该直流信号同正弦绝对值信号相乘，得到幅值跟随整流单元输出变化的正弦绝对值信号，作为电流跟踪环的电流给定信号；

步骤三，由电流跟踪控制电路使升压型斩波电路中的电感L电流跟踪电流给定信号，电流给定信号的波形为正弦绝对值，因此电感L电流的波形也为正弦绝对值；

步骤四，通过取样模块在电感L电流的波形上取若干采样点，通过控制单元的运算来验证电感L电流的波形，若波形是正弦波则实现功率校正，跳转至步骤六，若波形不是正弦波，即存在谐波，则跳转至步骤五；

步骤五，通过控制导通开关S的占空比按照正弦绝对值规律变化，且与输入的给定电压同向，使电感L电流波形为正弦绝对值，且电感L电流与给定电压同向，输入功率因数为1，重复步骤四，若电感L电流波形为正弦绝对值，则跳转至步骤六；其中，所述导通开关S的占空比规律需满足如下公式：

(1-D1)U1-U2＝jωLIL

其中，D1为占空比规律系数，U1为电感L的电压系数，U2为输入电压相量，IL为电感L电流相量，j表示电感上的电压领先电流π/2，ωL为电感的感抗，且电感L两端的电压jωLIL超前于电感电流90°；

步骤六，结束。

采用上述公式来计算占空比规律系数，通过调整公式中的各个参数，可有效的调整占空比，在调节过程中更加容易控制。

整流单元包括电压控制电路，用于将交流电压转换为稳定的直流电压，所述的电压控制电路包括PWM整流模块，其具有整流输入端和整流输出端，其整流输入端与交流电相连，整流输出端与乘法器的输入端连接，所述PWM整流模块包括三级桥式电路，

参见图3，具体的PWM整流模块200包括第一桥式电路210、第二桥式电路220和第三桥式电路230。第一桥式电路210的输出端、第二桥式电路220的输出端和第三桥式电路230的输出端连接，以构成整流输出端。第一桥式电路210的输入端、第二桥式电路220的输入端和第三桥式电路230的输入端构整流输入端。

具体的，第一桥式电路210包括三极管Q1、三极管Q2、二极管D1和二极管D2。其中，三极管Q1的发射极与三极管Q2的集电极连接，二极管D1的正极与三极管Q1的发射极连接，二极管D1的负极与三极管Q1的集电极连接，二极管D2的正极与三极管Q2的发射极连接，二极管D2的负极与三极管Q2的集电极连接。交流供电系统10工作时，三极管Q1的集电极与直流输出的正极连接，三极管Q2的发射极与直流输出的负极连接，交流电的A相与三极管Q1的发射极连接。此时，三极管Q1的集电极和三极管Q2的发射极为第一桥式电路210的输出端；三极管Q1的发射极为第一桥式电路210的输入端。

第二桥式电路220包括三极管Q3、三极管Q4、二极管D3和二极管D4。其中，三极管Q3的发射极与三极管Q4的集电极连接，二极管D3的正极与三极管Q3的发射极连接，二极管D3的负极与三极管Q3的集电极连接，二极管D4的正极与三极管Q4的发射极连接，二极管D4的负极与三极管Q4的集电极连接。交流供电系统10工作时，三极管Q3的集电极与负载的正极连接，三极管Q4的发射极与负载的负极连接，第一交流电源100或第二交流电源300的B相与三极管Q3的发射极连接。此时，三极管Q3的集电极和三极管Q4的发射极为第二桥式电路220的输出端；三极管Q3的发射极为第二桥式电路220的输入端。第三桥式电路230包括三极管Q5、三极管Q6、二极管D5和二极管D6，三极管Q5的发射极与三极管Q6的集电极连接，二极管D5的正极与三极管Q5的发射极连接，二极管D5的负极与三极管Q5的集电极连接，二极管D6的正极与三极管Q6的发射极连接，二极管D6的负极与三极管Q6的集电极连接。交流供电系统10工作时，三极管Q5的集电极与直流输出的正极连接，三极管Q6的发射极与直流输出的负极连接，交流电的C相与三极管Q5的发射极连接。此时，三极管Q5的集电极和三极管Q6的发射极为第一桥式电路210的输出端；三极管Q5的发射极为第一桥式电路210的输入端。

进一步的，该PWM整流模块200还可以包括电容U1。

具体的，电容U1的第一极板与三极管Q5的集电极连接，电容U1的第二极板与三极管Q6的发射极连接。换句话说，电容U1并联于第一桥式电路210、第二桥式电路220和第三桥式电路230的两端，用于对整流后的电流进行滤波。

该PWM整流模块200工作时，交流电的A相从第一桥式电路210的三极管Q1的发射极输入；交流电的B相从第二桥式电路220的三极管Q3的发射极输入；交流电的C相从第三桥式电路230的三极管Q5的发射极输入。此时，PWM整流模块200即可输出平稳直流电。

电压控制电路根据升压型斩波电路的输出电压与给定电压间的误差，调节电感L电流的大小，以达到控制输出电压的目的。

步骤四中取样模块的取样方式为：

S1、取若干个完整波形区间，每个波形区间为一个完整的波形周期；

S2、在每个波形周期上随机选取若干采样点；

S3，将多组采样点分类汇总，并传输给控制芯片，则完成取样，通过划分波形区间，然后在每个波形周期上选取采样点，便于验证每个波形区间的波形，降低因数据差错出现的问题。

升压型斩波电路开关电源的输入端和整流单元形成闭合回路，电感L串联在升压型斩波电路的闭合回路中，导通开关S并联在升压型斩波电路的闭合回路中，且导通开关S的调节端与电流跟踪控制电路的输出端连接，由于采用升压型斩波电路，使电源允许的输入电压范围扩大，使该开关电源能够适应不同的电网电压，能够提高医疗设备电源的可靠性和灵活性。

升压型斩波电路还设置有并联在连接电感L上的电压电流检测模块，电压电流检测模块通过导线与电感L形成闭合回路，用于检测电感L两端的电压和电流，通过电压电流检测模块对电感L处的电压和电流进行测量，便于后续调整导通开关S的占空比。

正弦绝对值信号来自整流单元的输出端，并输送入乘法器，乘法器将电压控制电路的输出信号与正弦绝对值信号相乘，得到流跟踪控制电路跟踪环的给定信号；

进一步的，为提高电压控制的快速性，乘法器将电流给定信号除以输入电压有效值的二次方，当输入给定电压发生变化时，电流给定随之变化，无需经过电压控制器调节，从而使给定电压大幅度波动时，调节过程中可以在瞬时完成，减少输出电压的波动。

进一步的，控制单元包括控制芯片和存储单元，存储单元用于存储并记忆占空比和电感L电流的波形图，存储单元记录占空比和波形图后，在长时间使用后，一旦电感L、导通开关S或其他零部件更换时，通过存储单元存储内部记忆的占空比和波形图,反馈至控制芯片，由控制芯片根据记忆内容进行调整。

本发明的工作原理是：采用整流单元将输入的交流电压输出为平稳的直流信号，并由乘法器将该直流信号同正弦绝对值信号相乘，得到幅值跟随电压控制电路输出变化的正弦绝对值信号，作为电流跟踪环的电流给定信号，由电流跟踪控制电路使升压型斩波电路中的电感L电流跟踪电流给定信号，电流给定信号的波形为正弦绝对值，因此电感L电流的波形也为正弦绝对值，从而达到初步调整谐波的目的，然后在经过控制导通开关S的占空比，使其按照正弦绝对值规律变化，进而再次对谐波进行消除，通过双重校正，增强了开关电源功率因数的校正效果；另外由于采用升压型斩波电路，使电源允许的输入电压范围扩大，使该开关电源能够适应不同的电网电压，能够提高医疗设备电源的可靠性和灵活性。

实施例2

一种医疗开关电源，采用上述医疗开关电源的智能功率因数双重谐波去除校正方法。

实施例3

一种医疗设备，采用医疗开关电源。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于医疗开关电源的智能功率因数校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，在开关电源端输入交流电，记做给定电压，然后由电压检测电路检测给定电压的数值；

步骤二，给定电压检测后经过整流单元后输出为平稳的直流信号，并由乘法器将该直流信号同正弦绝对值信号相乘，得到幅值跟随整流单元输出变化的正弦绝对值信号，作为电流跟踪环的电流给定信号；

步骤三，由电流跟踪控制电路使升压型斩波电路中的电感L电流跟踪所述的电流给定信号，电流给定信号的波形为正弦绝对值，因此电感L电流的波形也为正弦绝对值；

步骤四，通过取样模块在电感L电流的波形上取若干采样点，通过控制单元的运算来验证电感L电流的波形，若波形是正弦波则实现功率校正，跳转至步骤六，若波形不是正弦波，即存在谐波，则跳转至步骤五；

步骤五，通过控制导通开关S的占空比按照正弦绝对值规律变化，且与输入的给定电压同向，使电感L电流波形为正弦绝对值，且电感L电流与给定电压同向，输入功率因数为1，重复步骤四，若电感L电流波形为正弦绝对值，则跳转至步骤六；其中，所述导通开关S的占空比规律需满足如下公式：

(1-D1)U1-U2＝jωLIL

其中，D1为占空比规律系数，U1为电感L的电压系数，U2为输入电压相量，IL为电感L电流相量，j表示电感上的电压领先电流π/2，ωL为电感的感抗，且电感L两端的电压jωLIL超前于电感电流90°；

步骤六，结束。

2.根据权利要求1所述的一种用于医疗开关电源的智能功率因数校正方法，其特征在于：所述整流单元包括电压控制电路，用于将交流电压转换为稳定的直流电压。

3.根据权利要求2所述的一种用于医疗开关电源的智能功率因数校正方法，其特征在于：所述的电压控制电路包括PWM整流模块，其具有整流输入端和整流输出端，其整流输入端与交流电相连，整流输出端与乘法器的输入端连接，所述PWM整流模块包括三级桥式电路。

4.根据权利要求1所述的一种用于医疗开关电源的智能功率因数校正方法，其特征在于：所述步骤四中取样模块的取样方式为：

S1、取若干个完整波形区间，每个波形区间为一个完整的波形周期；

S2、在每个波形周期上随机选取若干采样点；

S3，将多组采样点分类汇总，并传输给控制芯片，则完成取样。

5.根据权利要求1所述的一种用于医疗开关电源的智能功率因数校正方法，其特征在于：所述升压型斩波电路开关电源的输入端和整流单元形成闭合回路，所述电感L串联在所述升压型斩波电路的闭合回路中，所述导通开关S并联在所述升压型斩波电路的闭合回路中，且所述导通开关S的调节端与所述电流跟踪控制电路的输出端连接。

6.根据权利要求5所述的一种用于医疗开关电源的智能功率因数校正方法，其特征在于：所述升压型斩波电路还设置有并联在连接电感L上的电压电流检测模块，所述电压电流检测模块通过导线与电感L形成闭合回路，用于检测所述电感L两端的电压和电流。

7.根据权利要求1所述的一种用于医疗开关电源的智能功率因数校正方法，其特征在于：所述正弦绝对值信号来自整流单元的输出端，并输送入乘法器，乘法器将电压控制电路的输出信号与正弦绝对值信号相乘，得到电流跟踪控制电路跟踪环的给定信号。

8.根据权利要求1所述的一种用于医疗开关电源的智能功率因数校正方法，其特征在于：所述控制单元包括控制芯片和存储单元，所述存储单元用于存储并记忆占空比和电感L电流的波形图。

9.一种医疗开关电源，其采用了如权利要求1-8中任一项所述的校正方法。

10.一种医疗设备，其具有权利要求9中所述的开关电源。

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