CN1421976A

CN1421976A - 三电平输出单相升压功率因数校正电路的控制装置

Info

Publication number: CN1421976A
Application number: CN01139030A
Authority: CN
Inventors: 罗勇; 李艳玲; 徐波
Original assignee: Shanghai No 2 Research Institute of ZTE Corp
Current assignee: ZTE Corp
Priority date: 2001-11-30
Filing date: 2001-11-30
Publication date: 2003-06-04

Abstract

三电平输出单相升压功率因数校正电路的控制装置，涉及兼有市电输入PFC功能和电池升压功能的三电平输出单相Boost PFC电路的控制电路，包括输入电压采样部分、输出电压采样部分、控制环路部分，输入电压采样部分包括电池输入电压信号采样电路、市电输入电压信号采样电路和、选择电路以及有效值滤波电路；电池输入电压信号采样电路将电池电压转换为电池电压信号BATTSN；市电输入电压信号采样电路将市电输入电压转换为市电输入电压信号ACSN，选择电路根据工作状态分别将信号ACSN或BATTSN送到有效值滤波电路；该被选通的信号还为控制环路部分提供输入电流跟随信号；有效值滤波电路将ACSN或BATTSN滤波为其有效值信号并作为控制环路部分的输入电压有效值信号；避免了现有控制环路部分的参数设计的困难并便于调试。

Description

三电平输出单相升压功率因数校正电路的控制装置

技术领域

本发明涉及一种兼有市电输入功率因数校正(PFC)功能和电池升压功能的三电平输出单相升压功率因数校正(Boost PFC)电路的控制电路。

背景技术

图1所示为一种常用的三电平输出的单相Boost PFC电路，其突出特点是市电输入的地线N从输入一直贯穿到输出，并作为输出的零电平NEU，另两个输出电平是正直流电平+DCBUS和负直流电平-DCBUS，因此称为三电平输出的单相Boost PFC电路。该电路相当于两个普通的单相Boost PFC电路通过NEU并联在一起，分别称为正Boost PFC电路和负Boost PFC电路。其中正Boost PFC电路的连接关系为：市电输入火线L接整流晶闸管VT3的A极，VT3的K极(REC+)接升压电感L1的一端，L1的另一端接主管VT1的D端和升压二极管VD1的阳极，VD1的阴极接电解电容C1的正极，VT1的S端和C1的负极均接NEU，C1的正极即为+DCBUS，另外记流过L1的电流信号为Iin+。负Boost PFC电路连接关系为：市电输入火线L接整流晶闸管VT4的K极，VT4的A极(REC-)接升压电感L2的一端，L2的另一端接主管VT2的S端和升压二极管VD2的阴极，VD2的阳极接电解电容C2的负极，VT2的D端和C2的正极均接NEU，C2的负极即为-DCBUS，另外记流过L2的电流信号为Iin-。这种电路是在所谓的倍压整流电路的基础上增加PFC功能改进而来的。

倍压整流电路的基本形式可参考前面的描述，将VT1、VT2、VD1、VD2去掉即可。其中VT1、VT2常用IGBT或MOSFET等开关型器件，当用IGBT时，因其连接关系，十分方便合用一个IGBT半桥模块，VD1、VD2常用超快恢复二极管。VT3、VT4一般用整流二极管即可，该种电路(包括有PFC功能的和无PFC功能的)广泛用于具有三电平中间直流环节的通讯电源、感应加热电源(后接三电平DC/DC变换器)或在线式双级变换不间断电源(UPS)系统(后接三电平DC/AC逆变器)中。

在UPS系统中，该电路往往兼有市电输入PFC功能和电池升压功能，而需引入的电池支路通常跨接在REC+与REC-之间：晶闸管VT5的K极接REC+，VT5的A极接BATTERY的正极，BATTERY的负极接REC-。VT3、VT4一般用开通可控的晶闸管，这样当VT3、VT4导通，VT5截止时，相当于UPS的市电输入PFC工作状态；当VT5导通，VT3、VT4截止时，相当于UPS的电池升压工作状态。这种电池连接方法比传统UPS在中间直流环节接电池，可以降低电池的电压，从而减少电池串联个数，也不需专门的电池升压电路，因此降低了成本，在中小功率(因单相输入限制)在线式双级变换UPS中得到了广泛的应用。

下面分别叙述该电路在市电输入PFC工作和电池升压工作时的特点和对控制电路的要求：市电输入PFC工作时，当市电输入为正半周时，VT3导通，VT4、VT5截止，要求控制VT1开关使正Boost PFC电路工作，输出稳定的+DCBUS，并使市电输入正半周电流跟踪市电输入正半周电压；当市电输入为负半周时，VT4导通，VT3、VT5截止，要求控制VT2开关使负Boost PFC电路工作，输出稳定的-DCBUS，并使市电输入负半周电流跟踪市电输入负半周电压；这样交替工作，就可以得到稳定的+DCBUS和-DCBUS，并使得整个周期内市电输入电流都能跟踪市电输入电压，完成市电输入PFC功能。电池工作时，有所谓的交叉控制，即VT1控制-DCBUS，VT2控制+DCBUS，这一点是与市电输入PFC工作时不同的，因此需要在控制电路中引入输出电压的交叉反馈，控制电路必须兼顾两种工作模式。

图2是图1电路的控制电路框图，为便于描述，分成三个部分：输入电压采样部分101包括输入电压信号采样电路，及有效值滤波电路；并为控制环路部分103中的乘除法器提供输入电压波形信号(VREC+、VREC-)和输入电压有效值信号(VRMS+、VRMS-)；输出电压采样部分102，包括输出电压反馈信号(VDCBUS+、VDCBUS-)采样电路及其选择电路，按市电输入PFC或电池升压工作状态标志(DC/AC)选取输出电压反馈信号；前已论述，电池升压工作状态需要将该信号交叉送入控制环路部分103中的电压环；控制环路部分103依次包括电压环，乘除法器，电流环，PWM驱动脉冲生成器部分，输出主管的驱动脉冲信号VGS(VT1)和VGS(VT2)。控制环路部分103的设计可以在专用PFC控制芯片UC3854手册中找到，不再继续描述。输出电压采样部分102中输出电压反馈信号一般是通过电阻分压网络实现的，交叉反馈功能可以通过电子开关实现。

图3是图2中输入电压信号采样部分101的一种典型实现电路：为了很好的滤除输入电压波形信号中的二次谐波，有效值滤波电路一般用两阶RC电路；输入电压信号采样电路将REC+、REC-通过电阻网络分压得到输入电压波形信号(VREC+、VREC-)，当在交流PFC工作模式时，VREC+为正弦半波信号，通过电阻RIAC+送入控制环路部分103作为输入电流跟随信号。VREC-同VREC+(因REC-为负电压，需要加反相器或采取其它措施将负电压信号变为正电压信号)。设正弦半波信号的峰值为1，则通过傅立叶分解，可以得到其有效值仅为0.318，二次谐波含量为0.5，高达有效值的157％，这对主要用来滤除输入电压信号中二次谐波的有效值滤波电路的设计造成了很大的困难。为了降低有效值信号中的二次谐波含量到1.5％以下(Boost PFC控制电路要求)，必须选用很大的滤波电容，这样时间常数大，对市电输入电压变化的反应速度慢，当市电输入电压变化时，功率控制调节速度慢，输出电压波动比较大。这样，若交流电压为220VAC，则电池组电压为220*1.414*0.318*2＝198V时控制环路103才能配合很好，但为保持交流PFC工作和电池升压工作时输入电流为同一级别(这样可以充分利用功率器件和合理利用散热器)，又希望电池电压与交流电压有效值相同，这是难以兼顾的。

现在还没有检索到解决上述问题的技术方案，实际上工程中采用图1所示电路，在市电输入PFC和电池升压两种工作状态下，图2控制电路中控制环路部分103中的电压环和电流环往往不得不各采用两套不同比例一积分一微分(PID)参数，给电压环和电流环的设计和调试带来麻烦。

在现有的三电平输出单相Boost PFC电路的控制电路中，由于市电输入与电池输入电压信号取样电路共用一套电路，使得有效值滤波电路难于设计，避免不了采用大电容所造成的控制环反应慢，在UPS的应用中，输入电压信号采样电路101很难兼顾市电输入PFC和电池升压两种工作状态。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种三电平输出单相升压功率因数校正电路的控制装置，以克服上述缺点。

本发明提出一种三电平输出单相升压功率因数校正电路的控制装置，包括输入电压采样部分、输出电压采样部分、控制环路部分，其特征在于所述的输入电压采样部分包括电池输入电压信号采样电路、市电输入电压信号采样电路和所述的两种信号的选择电路，以及共用的有效值滤波电路；所述的电池输入电压信号采样电路将电池电压转换为电池电压信号BATTSN；所述的市电输入电压信号采样电路将市电输入电压转换为市电输入电压信号ACSN，其中ACSN为整流后的正弦全波信号，ACSN并与市电输入电压共地；所述的选择电路按市电PFC工作状态或电池升压工作状态分别将信号ACSN或BATTSN送到后级有效值滤波电路；该被选通的信号还为控制环路部分提供输入电流跟随信号；有效值滤波电路将前级送来的ACSN或BATTSN滤波为其有效值信号VRMS并作为控制环路部分的输入电压有效值信号VRMS+和VRMS-。

由于本发明将交流电压信号与电池电压信号的采样电路分开，在两种不同的工作状态时分别将两种不同的信号通过电子开关切入控制电路中，可共用相同的有效值滤波电路。由于ACSN为整流后的正弦全波信号，其二次谐波分量仅占其有效值的67％，有效值滤波电路设计变得容易，不需要较大的滤波电容，这样控制电路的反应就很快快。可以对两支采样电路分别采用不同的分压比，使得在两种不同的工作状态都得到相同的RMS值，避免了现有技术的控制环路部分中电压环与电流环PID参数设计的困难。

附图说明

图1为一种常用的三电平输出的单相Boost PFC电路。

图2是图1电路的现有控制电路框图。

图3是图2中输入电压采样部分的一种典型实现电路图。

图4为本发明的原理框图。

图5是图4中输入电压采样部分401的一种实现电路图。

图6是图5中市电输入电压信号采样电路的一种实现电路图。

图7是图5中市电输入电压信号采样电路的另一种实现电路图。

图8为说明图7中几个关键点的波形信号。

具体实施方式

图1、图2、图3已在背景技术部分做了详细说明。

图4为本发明的原理框图。本说明提出一种三电平输出单相升压功率因数校正电路的控制装置，包括输入电压采样部分401、输出电压采样部分402、控制环路部分403，其特征在于所述的输入电压采样部分401包括电池输入电压信号采样电路501、市电输入电压信号采样电路502和两种信号的选择电路503，以及共用的有效值滤波电路504；所述的电池输入电压信号采样电路501将电池电压(电池工作状态时即REC+与REC-间电压)转换为电池电压信号BATTSN；所述的市电输入电压信号采样电路502将市电输入(L、N)电压转换为市电输入电压信号ACSN，其中ACSN为整流后的正弦全波信号，ACSN并与市电输入电压共地；所述的选择电路503按市电PFC工作(AC)状态或电池升压工作(DC)状态分别将信号ACSN或BATTSN送到后级有效值滤波电路504；该被选通的信号还通过电阻RIAC+和RIAC-为控制环路部分403提供输入电流跟随信号；有效值滤波电路504将前级送来的ACSN或BATTSN滤波为其有效值信号VRMS并作为控制环路部分403的输入电压有效值信号VRMS+和VRMS-。这样可以分别选择市电输入电压信号采样电路和电池输入电压信号采样电路的分压比，使得ACSN与BATTSN有相同大小的有效值信号VRMS，避免了现有技术的控制环路部分103中电压环与电流环PID参数设计的困难。

图5为图4的一种具体实现电路，电池电压信号采样电路501采用先电阻网络分压，再经差分放大，基本上与现有方案相同；市电输入电压信号采样电路502采用图6将详细描述的有源精密单相交流信号整流电路，输入电压信号选择电路503采用电子开关实现，有效值滤波电路504采用两级RC滤波实现。对比原有方案的图3，电路略显复杂，但会简化控制环路部分103中电压环与电流环结构设计，有效值滤波电路简化为一路，结构未变，但性能改善了。

图6为本发明提出的一种有源精密单相交流信号整流电路，该电路包括第三运放D3、第四运放D4，第三二极管VD7，及6个电阻R8～R13；其连接关系为：市电输入火线L不经分压，而是通过第八电阻R8接第三运放D3的反相输入端，第三运放D3的同相输入端通过第一运放匹配电阻R9接地(即N线)，因此要求R9＝R8，第十一电阻R11端跨在第三运放D3的反相输入端与输出端之间，D3的输出端接第三二极管VD7的阳极，第十电阻R10跨接在D3的反相输入端与VD7的阴极之间；第四运放D4为一电压跟随器，VD7的阴极通过第十二电阻R12接D4的反相输入端，D4的同相输入端通过第二运放匹配电阻R13接地(即N线)，因此要求R13＝R12，D4的反相输入端与输出端短接。

当市电输入为正半周时，VD7反偏截止，交流经R8，R10，R12分压，因此在D4输出端电压为分压以后的正半周波形，其分压比为R12/(R8+R10+R12)；当市电输入为负半周时，VD7正偏导通，运放D3构成反相比例放大电路，D3输出端电压亦为交流负半周波形的反相比例波形，其分压比为R11/R8；因此，只要保证R12/(R8+R10+R12)＝R11/R8，就有D4输出端电压即为正弦全波整流电压，并且其分压比为R11/R8，该电路结构简单，但是各电阻的电阻值要根据分压需要调整，可能比较难于选取，改进该电路的措施是将交流电压经电阻网络分压后加电压跟随器，然后再接本电路，这样其分压比由分压电路与本电路的分压比之积确定。为方便，可配置R8＝R10＝R12＝3*R11，使得本电路的分压比为1/3。

可见，图6的有源精密单相交流信号整流电路可以满足502市电电压采样电路的要求，即输出信号为整流后的正弦全波信号，并且与整流前的交流信号共地，并且该电路不存在因传统整流桥整流方法中因二极管压降引起的交流信号过零点或信号值较小时的失真的缺点。

图7为本发明提出的另一种有源精密单相交流信号整流电路，该电路包括第一运放D1、第二运放D2、第一二极管VD5、第二二极管VD6及7个电阻R1～R7；其连接关系为单相市电输入L线经第一电阻R1、第二电阻R2分压后的信号为ACIN，ACIN通过第三电阻R3接D1的反相端，D1的同相端接地(即N线)，D1的反相端与输出端间并联两条电阻串二极管的支路，一条支路中第一二极管VD5阳极接D1的输出端，阴极与第四电阻R4连接，该点记为A；另一条支路中第二二极管VD6阴极接D1的输出端，阳极与第五电阻R5连接，该点记为B；D2的同相端接A点，D2的反相端通过第六电阻R6接B，第七电阻R7跨接在D2的反相端与输出端之间；D2的输出端即整流后的整流波形信号输出，记为ACSN，5个电阻R3～R7的阻值相等。

当单相市电输入为正半周时，VD6正偏导通，VD5反偏截止，D1输入端电压为零电压，D1，D2均为反相器，因此A点信号为零电平，B点信号为负的交流波形信号，ACSN为正的交流波形信号；当市电输入为负半周时，VD5正偏导通，VD6反偏截止，可以算得A点信号为正的2/3交流波形信号，B点信号为正的1/3交流波形信号，ACSN亦为正的交流波形信号；因此，ACSN即为整流后的整流波形信号输出，又因VD5、VD6的管压降都不会对整流信号造成影响，即使输入交流信号电压很低或在过零点附近，输入信号仍然能精确地反映输入电压信号，因此本电路具有检测精度高以及与输入电压共地的优点。

图8为图7各关键点的波形信号，包含ACIN，A，B，ACSN信号，在图7的叙述中已经说明了各点的波形。

Claims

1、三电平输出单相升压功率因数校正电路的控制装置，包括输入电压采样部分(401)、输出电压采样部分(402)、控制环路部分(403)，其特征在于所述的输入电压采样部分(401)包括电池输入电压信号采样电路(501)、市电输入电压信号采样电路(502)和所述的两种信号的选择电路(503)以及共用的有效值滤波电路(504)；所述的电池输入电压信号采样电路(501)将电池电压转换为电池电压信号BATTSN；所述的市电输入电压信号采样电路(502)将市电输入电压转换为市电输入电压信号ACSN，其中ACSN为整流后的正弦全波信号，ACSN并与市电输入电压共地；所述的选择电路(503)按市电PFC工作状态或电池升压工作状态分别将信号ACSN或BATTSN送到后级有效值滤波电路(504)；该被选通的信号还为控制环路部分(403)提供输入电流跟随信号；有效值滤波电路(504)将前级送来的ACSN或BATTSN滤波为其有效值信号VRMS并作为控制环路部分(403)的输入电压有效值信号VRMS+和VRMS-。

2、根据权利要求1所述的三电平输出单相升压功率因数校正电路的控制装置，其特征在于：所述的市电输入电压信号采样电路(502)包括第三运放D3、第四运放D4、第三二极管VD7及6个电阻R8～R13；其连接关系为：市电输入火线L通过第八电阻R8接第三运放D3的反相输入端，D3的同相输入端通过第一运放匹配电阻R9接地，第十一电阻R11端跨在D3的反相输入端与其输出端之间，D3的输出端接第三二极管VD7的阳极，第十电阻R10跨接在D3的反相输入端与第三二极管VD7的阴极之间；VD7的阴极通过第十二电阻R12接第四运放D4的反相输入端，D4的同相输入端通过第二运放匹配电阻R13接地，D4的反相输入端与输出端短接。

3、根据权利要求2所述的三电平输出单相升压功率因数校正电路的控制装置，其特征在于：电阻R8、R10、R11、R12要满足R12/(R8+R10+R12)＝R11/R8。

4、根据权利要求1所述的三电平输出单相升压功率因数校正电路的控制装置，其特征在于：所述的市电输入电压信号采样电路(502)包括第一运放D1、第二运放D2、第一二极管VD5、第二二极管VD6及7个电阻R1～R7；其连接关系为：单相市电输入L线经第一电阻R1、第二电阻R2分压后的信号为ACIN，ACIN通过第三电阻R3接D1的反相端，D1的同相端接地，D1的反相端与输出端间并联两条电阻串二极管的支路，一条支路中第一二极管VD5阳极接D1的输出端，阴极与第四电阻R4连接，该点记为A；另一条支路中第二二极管VD6阴极接D1的输出端，阳极与第五电阻R5连接，该点记为B；D2的同相端接A点，D2的反相端通过第六电阻R6接B，第七电阻R7跨接在D2的反相端与输出端之间D2的输出端即整流后的整流波形信号输出。

5、根据权利要求4所述的三电平输出单相升压功率因数校正电路的控制装置，其特征在于：5个电阻R3、R4、R5、R6、R7的阻值相等。