CN201312258Y

CN201312258Y - 单相功率因数校正滞环电流控制器

Info

Publication number: CN201312258Y
Application number: CNU2008201543541U
Authority: CN
Inventors: 管洪飞; 杨喜军; 马少才
Original assignee: Shanghai Ruking Electronic Science & Technology Co Ltd
Current assignee: Ruking Emerson Climate Technologies Shanghai Co Ltd
Priority date: 2008-10-23
Filing date: 2008-10-23
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2018-10-23

Abstract

本实用新型揭示一种单相功率因数校正滞环电流控制器，该控制器包括控制电路及功率电路，控制电路与功率电路连接；所述控制电路包括：检测模块、数控模块、驱动模块；所述功率电路用以接收单相交流输入电压和来自控制电路的PWM驱动脉冲，控制功率开关的开通与关断，调节升压电感的充电和放电，完成功率因数校正的设计功能。本实用新型的电路设计根据功率因数校正器的工作原理和实质，设计了单相功率因数校正滞环电流控制器数字电路设计方案，具有结构简单、附加成本低、实现容易、通用性强等优点。

Description

单相功率因数校正滞环电流控制器

技术领域

本实用新型属于微控制器技术领域，涉及一种单相功率因数校正滞环电流控制器。

背景技术

随着微控制器技术的发展以及考虑到数字控制的灵活性和可塑性，采用数字控制技术的单相有源功率因数校正(APFC)电路正在日益成为技术发展的主流，有取代传统模拟APFC的趋势。数字控制APFC具有很多优点，通过微控制器，很多新的调制策略和控制算法可以实现。现有的控制器还没有利用APFC的控制器。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供新型的采用滞环电流控制技术、根据需要输出功率大小和输入电压有效值确定输入电流给定的单相有源功率因数校正电路的数字设计方案，可以适用所有APFC的应用场合，具有概念清新、灵活性强、校正效果佳之优点。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种单相功率因数校正滞环电流控制器，该控制器包括控制电路及功率电路，控制电路与功率电路连接；

所述控制电路包括：

检测模块，用以完成检测正弦半波输入电压、分流电阻电压、输出电压和输出电流；

数控模块，用以对上述正弦半波输入电压、分流电阻电压、输出电压和输出电流进行模数转换；并计算出输出功率，而后根据输入电压有效值计算输入电流的给定，进而根据滞环宽度确定给定电流的外限和内限，电感的实际电流限制在外限和内限之间；当实际电流达到外限和内限时，经过一触发器生成PWM脉冲信号；

驱动模块，用以根据所述触发器产生PWM脉冲信号生成PWM驱动脉冲；

所述功率电路用以接收单相交流输入电压和来自控制电路的PWM驱动脉冲，控制功率开关的开通与关断，调节升压电感的充电和放电，完成功率因数校正的设计功能。

作为本实用新型的一种优选方案，所述检测模块包括若干运放器，所述各运放器的一入口与所述功率电路连接，所述各运放器的一出口与数控模块连接。

作为本实用新型的一种优选方案，所述数控模块包括若干模数转换滤波单元、输入电压有效值计算单元、输入电流有效值计算单元、输出功率计算单元、滞环宽度给定单元、外限计算单元、内限计算单元、外限减法单元、内限减法单元、外限比较单元、内限比较单元、RS触发器和输入电压过零判断单元；

所述输入电压有效值计算单元、电压过零判断单元、输出功率计算单元的出口与输入电流有效值计算单元的入口连接；

所述输入电流有效值计算单元、滞环宽度给定单元的出口分别与外限计算单元、内限计算单元的入口连接；

所述外限计算单元的出口与外限减法单元的入口连接，所述内限计算单元的出口与内限减法单元的入口连接；

所述外限减法单元的出口与外限比较单元的入口连接，所述内限减法单元的出口与内限比较单元的入口连接；

所述外限比较单元、内限比较单元的出口接入所述RS触发器。

作为本实用新型的一种优选方案，所述数控模块包括四个模数转换滤波单元ADC1、ADC2、ADC3、ADC4；所述模数转换滤波单元ADC1的出口与所述输入电压有效值计算单元、输入电压过零判断单元的入口连接；所述模数转换滤波单元ADC2的出口与所述外限减法单元的同相入口、内限减法单元的反相入口连接；所述模数转换滤波单元ADC3、ADC4的出口与所述输出功率计算单元的入口连接。

作为本实用新型的一种优选方案，所述驱动模块为一推挽驱动器。

作为本实用新型的一种优选方案，所述功率电路包括相交流电源VS、整流桥B、若干电阻R3、R4等、等效负载电阻RL、四电容C1、C2、C3、C4、电感L1、电解电容E1、快速恢复功率二极管FRD1、稳压二极管ZD1、功率开关S1；所述电阻中包括分流电阻RS1、RS2；

所述整流桥B的两个交流入口分别连接电容C1的两端，并与交流电源VS的两端相连；

所述整流桥B的直流正极与电感L1的一端相连，电感L1的另一端与快速恢复功率二极管FRD1的阳极、电容C2的一端、功率开关S1的集电极共同相连；

所述快速恢复功率二极管FRD1的阴极与电容C2的另一端相连后与电容C3的一端、电解电容E1的正极、电阻R4的一端以及一等效负载电阻RL的一端相连；

所述整流桥B的直流负极与一分流电阻RS1的一端相连，该分流电阻RS1的另一端接地；整流桥B的直流负极通过一电阻R3与电容C4连接，电容C4的另一端接地；

所述功率开关S1的门极与稳压二极管ZD1的阴极相连后与控制电路中的PWM出口相连，功率开关S1的发射极、稳压二极管ZD1的阳极分别接地；

电容C3的另一端、电解电容E1的负极、分流电阻RS2的一端接地，分流电阻RS2的另一端与所述等效负载电阻RL的另一端相连。

作为本实用新型的一种优选方案，所述检测模块包括四个运放器A1、A2、A3、A4、电阻R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17、电容C5、C6、C7，数控模块包括若干模数转换滤波单元ADC1、ADC2、ADC3、ADC4；

所述整流桥B的直流正极、直流负极分别通过电阻R6、R7与运放器A1的同相入口相连，运放器A1的反相入口与其出口相连后与模数转换滤波单元ADC1的入口相连；

电阻R8的一端与电阻R9的一端相连后与运放器A2的反相入口相连，电阻R8的另一端与功率电路中电阻R3、电容C4的公共端相连，电阻R9的另一端分别与运放器A2的出口相连后与电阻R11的一端相连；电阻R10的一端分别与运放器A2的同相入口相连，其另一端接地；电阻R11的另一端与电容C5的一端相连后与模数转换滤波单元ADC2的入口相连，电容C5的另一端接地；

电阻R12的一端与电阻R13的一端相连后与运放器A3的反相入口相连，电阻R12的另一端接地，运放器A3的正相入口与功率电路中分流电阻RS2、电阻R5公共端相连，电阻R13的另一端分别与运放器A3的出口相连后与电阻R14的一端相连；电阻R14的一端分别与电容C6的一端相连后与模数转换滤波单元B3的入口相连，电容C6的另一端接地；

电阻R15的一端与电阻R16的一端相连后与运放器A4的反相入口相连，电阻R15的另一端接地，运放器A4的正相入口与功率电路中电阻R4、电阻R5公共端相连，电阻R16的另一端分别与运放器A4的出口相连后与电阻R17的一端相连；电阻R17的一端分别与电容C4的一端相连后与模数转换滤波单元B4的入口相连，电容C7的另一端接地。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型的电路设计根据功率因数校正器的工作原理和实质，设计了单相功率因数校正滞环电流控制器数字电路设计方案，具有结构简单、附加成本低、实现容易、通用性强等优点。另外，本实用新型采用输出功率和输入电压检测方式，具有连续电流模式、数字控制手段、采用感量较大电感等特征。

附图说明

图1为单相功率因数校正滞环电流控制器的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本实用新型的优选实施例。

本实用新型提供了一种单相功率因数校正滞环电流控制器，该控制器包括控制电路1及功率电路2，控制电路1与功率电路2连接。

所述控制电路1包括检测模块11、数控模块12、驱动模块13。检测模块用以完成检测正弦半波输入电压、分流电阻电压(反映电感电流)、输出电压和输出电流。数控模块用以对上述正弦半波输入电压、分流电阻电压、输出电压和输出电流进行模数转换；并计算出输出功率，而后根据输入电压有效值计算输入电流的给定，进而根据滞环宽度确定给定电流的外限和内限，电感的实际电流限制在外限和内限之间；当实际电流达到外限和内限时，经过一触发器生成PWM脉冲信号。驱动模块用以根据所述触发器产生PWM脉冲信号生成PWM驱动脉冲。

所述功率电路2用以接收单相交流输入电压和来自控制电路的PWM驱动脉冲，控制功率开关的开通与关断，调节升压电感的充电(储存能量)和放电(释放能量)，完成功率因数校正的设计功能。

以下通过图1介绍本实用新型的具体电路组成及工作原理。

(1)检测模块

请参阅图1，检测模块11包括12只电阻R6-R17、3只电容C5-C7和4只运放A1-A4。电阻R6的一端与电阻R7的一端相连后与运放A1的同相入口相连，R6电阻的另一端与电阻R7的另一端分别与功率电路中整流桥B的正极和负极相连，运放A1的反相入口与其出口相连后与模数转换滤波单元B1的入口相连。

电阻R8的一端与电阻R9的一端相连后与运放A2的反相入口相连，电阻R8的另一端与功率电路中电阻R3、电容C4的公共端相连，电阻R9的另一端分别与运放A2的出口相连后与电阻R11的一端相连。电阻R10的一端分别与运放A2的同相入口相连，其另一端接地。电阻R11的另一端与电容C5的一端相连后与模数转换滤波单元B2的入口相连，电容C5的另一端接地。

电阻R12的一端与电阻R13的一端相连后与运放A3的反相入口相连，电阻R12的另一端接地，运放A3的同相入口与功率电路中分流电阻RS2、电阻R5公共端相连，电阻R13的另一端分别与运放A3的出口相连后与电阻R14的一端相连。电阻R14的一端分别与电容C6的一端相连后与模数转换滤波单元B3的入口相连，电容C6的另一端接地。

电阻R15的一端与电阻R16的一端相连后与运放A4的反相入口相连，电阻R15的另一端接地，运放A4的正相入口与功率电路中电阻R4、电阻R5公共端相连，电阻R16的另一端分别与运放A4的出口相连后与电阻R17的一端相连。电阻R17的一端分别与电容C7的一端相连后与模数转换滤波单元B4的入口相连，电容C7的另一端接地。

(2)数控模块

数控模块12包括四个模数转换滤波单元B1～B4、输入电压有效值计算单元B5、输入电流有效值计算单元B7、输出功率计算单元B6、滞环宽度给定单元B10、外限计算单元B8、内限计算单元B9、外限减法单元B11、内限减法单元B13、外限比较单元B12、内限比较单元B14、RS触发器B15和输入电压过零判断单元B16。

模数转换滤波单元B1的出口与输入电压有效值计算单元B5的入口、输入电压过零判断单元B16的入口相连，输入电压有效值计算单元B5的出口与输入电流有效值计算单元B7的第一个入口相连，输入电压过零判断单元B16的出口与输入电流有效值计算单元B7的第二入口相连。模数转换滤波单元B2的出口与外限减法单元B11的同相入口、内限减法单元B13的反相入口相连。模数转换滤波单元B3的出口与输出功率计算单元B6的第二入口相连。模数转换滤波单元B4的出口与输出功率计算单元B6的第二入口相连。输出功率计算单元B6的出口与输入电流有效值计算单元B7的第一入口相连，输入电流有效值计算单元B7的出口与外限计算单元B8的第二入口、内限计算单元B9的第二入口相连，滞环宽度给定单元B10的出口与外限计算单元B8的第一入口、内限计算单元B9的第一入口相连。外限计算单元B8的出口与外限减法单元B11的反相入口相连，内限计算单元B9的出口与内限减法单元B13的同相入口相连。外限减法单元B11的出口与外限比较单元B12的入口相连，外限比较单元B12的出口与RS触发单元B15的R端相连。内限减法单元B13的出口与内限比较单元B14的入口相连，内限比较单元B14的出口与RS触发单元B15的S端相连。RS触发单元B15的出口与驱动模块中的驱动器DRV1入口相连。

(3)驱动模块

驱动模块包括一只推挽驱动器，该推挽驱动器DRV1的出口与功率电路中的功率开关S1的门极、稳压二极管ZD1的阴极和电阻R2的一端构成的公共端相连。

(4)功率电路

功率电路2包括相交流电源VS、整流桥B、8只电阻八只电阻(R1-R5、RS1、RS2、RL)、四电容C1、C2、C3、C4、电感L1、电解电容E1、快速恢复功率二极管FRD1、稳压二极管ZD1、功率开关S1。

功率电路2中，整流桥B前的两个交流入口分别连接电容C1的两端，并与交流电源VS1的两端相连。整流桥B后的直流正极与电阻R1的一端相连，并与控制电路中的电阻R6、电感L1的一端相连，电感L1的另一端与功率二极管FRD1的阳极、电容C2的一端、功率开关S1的集电极共同相连，功率二极管FRD1的阴极与电容C4的另一端相连后与电容C3的一端、电解电容E1的正极、电阻R4的一端以及等效负载电阻RL的一端相连。整流桥B后的直流负极与电阻R1的另一端、电阻R3的一端、分流电阻RS1的一端相连，分流电阻RS1的另一端接地。电阻R3的另一端与电容C4的一端、控制电路的电阻R8的一端相连，电容C4的另一端接地。功率开关S1的门极与稳压二极管ZD1的阴极、电阻R2的一端相连后与控制电路中的PWM出口相连，功率开关S1的发射极、稳压二极管ZD1的阳极、电阻R2的另一端分别接地。电容C3的另一端、电解电容E1的负极、分流电阻RS2的一端接地，分流电阻RS2的另一端与电阻R5的一端、等效负载电阻RL的另一端相连后与控制电路中运放A3的同相入口相连。电阻R5的另一端与电阻R4的另一端相连后与控制电路2中运放A4的同相入口相连。

本实用新型的工作原理为：

(1)控制电路1中，根据APFC的工作原理和拓扑结构，假设系统效率为η，输入功率与输出功率之间有下式成立：P_in＝P_out/η，其中P_in代表输入功率，P_out代表输出功率。则在负载功率和输入交流电压有效值确定的情况下就可以确定输入电流的有效值，波形为正弦波形输入电流有效值等于I_in＝P_in/U_in＝P_out/η/U_in，其中U_in代表输入电压有效值，I_in代表输入电流有效值。为了实现功率因数校正和稳定输出直流电压，需要使得实际输入电流跟踪电网电压，即电感电流跟踪正弦半波电压。为此可以使得实际电感电流控制在一定的滞环范围之内，即可以实现上述目的。根据计算所得的输入电流有效值基础上确定输入电流的瞬时值，再加入滞环宽度，构成输入电流的外限和内限，实际电感电流应该在外限和内限范围内运行，当时间电感电流达到外限和内限时，分别产生复位信号和置位信号，施加到RS触发程序的复位端R和置位端S，RS触发程序产生PWM脉冲信号，PWM脉冲信号经过驱动器放大后，控制功率电路中功率开关的开通与关断规律，完成功率因数校正能力。

控制电路由三个组成部分：检测模块中，电阻R6～R7、运放A1完成对正弦半波电压的检测，可以判断电网电压是否过压和欠压。电阻R8～R11、电容C5、运放A2完成对分流电阻RS1电压即电感电流的检测，还可以判断功率开关是否过流和过载。电阻R12～R14、电容C6、运放A3完成对输出电流的检测，还可以判断负载是否过流和过载。电阻R15～R17、电容C7、运放A4完成对输出电压的检测，还可以判断输出电压是否出现过压和欠压。控制模块中，模数转换滤波单元B1～B4分别完成对正弦半波电压、电感电流、输出电流、输出电压的模数转换和滤波，在完成对输入电压有效值计算(B5)、输入电压过零判断(B16)的基础上，计算出输出功率(B6)和输入电流有效值(B7)，在给定滞环宽度(B10)的基础上，便可以确定外限(B8)和内限(B9)。通过外限减法(B11)和外限比较(B12)后得到RS触发(B15)的复位信号R，当实际电感电流达到电流外限时，RS触发程序产生低电平，关闭功率开关S1。通过内限减法(B13)和内限比较(B14)后得到RS触发(B15)的置位信号S，当实际电感电流达到电流内限时，RS触发程序产生高电平，开通功率开关S1。

由于实际APFC数控电路中受到具体实现技术和产品性能规范等方面的要求，控制器不仅可以采用16位单片机、DSP，还可以采用ARM等。因此数控电路中细节部分会有所变化，但是基本原理不变。分流电阻RS的阻值为mΩ级，整流桥后正弦半波的电阻降压电路输出为几伏级。

(2)功率电路2中，PWM驱动脉冲处于高电平时，功率开关S1导通，电源VS被短路，电感L1电流上升，储存能量；PWM驱动脉冲处于低电平时，功率开关S1关断，电源VS被开放，电感L1电流下降，将储存能量的一部分通过功率二极管FRD1转移到电解电容E1中，供等效负载RL使用。由于PWM驱动脉冲是控制电路按照APFC控制策略产生的，因而功率电路最终能够得到纹波电压低、平均值稳定的输出直流电压和与高正弦度的交流电流，达到APFC的目的和目标。

本实用新型的控制电路和功率电路为密不可分的两个组成部分，共同作用，完成单相有源功率因数校正，不能简单地单独分析，从而构成单相功率因数校正滞环电流控制器。工作原理的实质是：控制电路1根据单相功率因数校正器的工作原理和实质，首先确定输出功率大小和输入电流的有效值，并通过计算得到输入电流的有效值和瞬时值，并跟根据确定的滞环宽度产生参考电流外限和内限，通过RS触发器控制功率开关的PWM脉冲信号，通过功率电路获得APFC校正的良好效果。所有的计算工作均由数字控制器完成，灵活性强，数字控制器开销的资源较少。虽然控制电路和功率电路为密不可分的两个组成部分，但是控制电路尤为重要，因此给出控制电路的元器件参数选择依据。

本实施例中，上述器件中各电阻、运放均要求具有高精度和满幅能力；本实用新型一个实施例的参数为：期望输出直流电压350V，电阻R3取20Ω，电阻R4取349kΩ，电阻R5取1kΩ。电阻R6取349kΩ，电阻R7取1kΩ。电阻R8取10kΩ，电阻R9取10kΩ。电阻R10取10kΩ，电阻R11取1kΩ。电阻R12取10kΩ，电阻R13取10kΩ。电阻R14取1kΩ，电阻R15取10kΩ。电阻R16取10kΩ，电阻R17取1kΩ。电容C4取1nF，电容C5取1nF，电容C6取1nF，电容C7取1nF。电阻RS1取15mΩ，无感。电阻RS2取15mΩ，无感。电感L1取5.0mH。运放A1～A4均选择较高精度和满幅值输出的放大器，控制器选择16位MCU、DSP或ARM等。

本实用新型的电路设计根据功率因数校正器的工作原理和实质，设计了单相功率因数校正滞环电流控制器数字电路设计方案，具有结构简单、附加成本低、实现容易、通用性强等优点。另外，本实用新型采用输出功率和输入电压检测方式，具有连续电流模式、数字控制手段、采用感量较大电感等特征。

这里本实用新型的描述和应用是说明性的，并非想将本实用新型的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本实用新型的精神或本质特征的情况下，本实用新型可以以其他形式、结构、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件来实现。在不脱离本实用新型范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其他变形和改变。

Claims

1、一种单相功率因数校正滞环电流控制器，其特征在于：该控制器包括控制电路及功率电路，控制电路与功率电路连接；

所述控制电路包括：

2、根据权利要求1所述的单相功率因数校正滞环电流控制器，其特征在于：所述检测模块包括若干运放器，所述各运放器的一入口与所述功率电路连接，所述各运放器的一出口与数控模块连接。

3、根据权利要求1所述的单相功率因数校正滞环电流控制器，其特征在于：所述数控模块包括若干模数转换滤波单元、输入电压有效值计算单元、输入电流有效值计算单元、输出功率计算单元、滞环宽度给定单元、外限计算单元、内限计算单元、外限减法单元、内限减法单元、外限比较单元、内限比较单元、RS触发器和输入电压过零判断单元；

4、根据权利要求3所述的单相功率因数校正滞环电流控制器，其特征在于：所述数控模块包括四个模数转换滤波单元ADC1、ADC2、ADC3、ADC4；

所述模数转换滤波单元ADC1的出口与所述输入电压有效值计算单元、输入电压过零判断单元的入口连接；

所述模数转换滤波单元ADC2的出口与所述外限减法单元的同相入口、内限减法单元的反相入口连接；

所述模数转换滤波单元ADC3、ADC4的出口与所述输出功率计算单元的入口连接。

5、根据权利要求1所述的单相功率因数校正滞环电流控制器，其特征在于：所述驱动模块为一推挽驱动器。

6、根据权利要求1所述的单相功率因数校正滞环电流控制器，其特征在于：所述功率电路包括相交流电源VS、整流桥B、若干电阻、等效负载电阻RL、四电容C1、C2、C3、C4、电感L1、电解电容E1、快速恢复功率二极管FRD1、稳压二极管ZD1、功率开关S1；所述电阻中包括分流电阻RS1、RS2；

所述整流桥B的直流正极与电感L1的一端相连，电感L的另一端与快速恢复功率二极管FRD1的阳极、电容C2的一端、功率开关S1的集电极共同相连；

所述快速恢复功率二极管FRD1的阴极与电容C2的另一端相连后与电容C3的一端、电解电容E1的正极、以及一等效负载电阻RL的一端相连；

所述整流桥B的直流负极与一分流电阻RS1的一端相连，该分流电阻RS1的另一端接地；整流桥B的直流负极通过一电阻与电容C4连接，电容C4的另一端接地；

7、根据权利要求6所述的单相功率因数校正滞环电流控制器，其特征在于：所述检测模块包括四个运放器A1、A2、A3、A4、电阻R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17、电容C5、C6、C7，数控模块包括若干模数转换滤波单元ADC1、ADC2、ADC3、ADC4；

电阻R12的一端与电阻R13的一端相连后与运放器A3的反相入口相连，电阻R12的另一端接地，运放器A3的同相入口与功率电路中分流电阻RS2、电阻R5公共端相连，电阻R13的另一端分别与运放器A3的出口相连后与电阻R14的一端相连；电阻R14的一端分别与电容C6的一端相连后与模数转换滤波单元B3的入口相连，电容C6的另一端接地；

电阻R15的一端与电阻R16的一端相连后与运放器A4的反相入口相连，电阻R15的另一端接地，运放器A4的同相入口与功率电路中电阻R4、电阻R5公共端相连，电阻R16的另一端分别与运放器A4的出口相连后与电阻R17的一端相连；电阻R17的一端分别与电容C4的一端相连后与模数转换滤波单元B4的入口相连，电容C7的另一端接地。