CN201328079Y - 无需检测直流输出电压的单相功率因数校正模拟电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型的无需检测直流输出电压的单相功率因数校正模拟电路由电流检测电路对功率电路的分流电阻的瞬时电流进行检测，再由第一平均值转换电路将其转换为电流平均值，同时输入电压平均值获取电路和输出直流电压产生电路分别获得输入电压平均值和输出直流电压后，由计算电路根据前述所各电路输出的电压电流值计算出输入电流调节信号，再由控制信号形成电路根据所述输入电流调节信号和单位电压产生电路产生的单位电压形成控制信号后，再由比较电路将载波信号产生电路产生的载波信号与控制信号进行比较后输出相应PWM脉冲序列，并通过驱动电路去驱动功率管的通断，由此可实现对功率的校正，同时由于无需对直流输出电压的检测，可有效简化电路。

Description

无需检测直流输出电压的单相功率因数校正模拟电路

技术领域

本实用新型涉及一种单相功率因数校正模拟电路，特别涉及一种无需检测直流输出电压的单相功率因数校正模拟电路。

背景技术

截至目前，单相有源功率因数校正(APFC)技术得到了广泛和深入的发展和应用，带来了可观的经济效益和社会效益。APFC的广泛应用也促生了多种新的控制算法的出现。不同的功率等级控制算法也不尽相同，不同的控制算法具有不同的优点和特点。然而，纵观全部现有的控制算法，都需要对APFC直流输出电压进行实时检测，并将所得电压信号作为一种控制的信号来源。此外，实时检测直流输出电压的目的也在于用作输出电压的闭环控制和监视输出电压是否欠压和过压，如此就增加了硬件成本和控制的复杂程度。

因此，如何简化现有APFC模拟电路的结构并能获得良好的校正效果实已成为本领域技术人员亟待解决的技术课题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种无需检测直流输出电压的单相功率因数校正模拟电路，具有结构简单、成本低廉、灵活性强、校正效果佳之优点，适用多种模拟APFC的应用场合。

为了达到上述目的及其他目的，本实用新型的无需检测直流输出电压的单相功率因数校正模拟电路包括：由受接入的单相交流输入电压控制的功率管、因所述功率管的通断而相应进行充放电的电感、与所述电感相串联并与所述功率管共同作用使输出直流电压近于恒定的电解电容、及与所述电感相串联的分流电阻等部件构成的功率电路、与所述分流电阻相连接且用于测量所述分流电阻的瞬时电流的电流检测电路、用于将所述电流检测电路测量出的所述瞬时电流转换为电流平均值的第一平均值转换电路、与所述功率电路相连接且用于获取所述功率电路的输入电压的平均值的输入电压平均值获取电路、用于产生所述功率电路的输出直流电压的输出直流电压产生电路、用于根据所述输入电压平均值获取电路所获取的输入电压平均值、所述第一平均值转换电路输出的电流平均值、所述输出直流电压产生电路输出的输出直流电压和所述电流检测电路所测量的瞬时电流计算出输入电流调节信号的计算电路、用于产生单位电压的单位电压产生电路、用于产生载波信号的载波信号产生电路、用于根据所述计算电路输出的输入电流调节信号和所述单位电压产生电路输出的单位电压形成与所述载波信号进行比较的控制信号的控制信号形成电路、用于比较所述载波信号产生电路输出的载波信号和所述控制信号形成电路输出的控制信号以输出相应PWM脉冲序列的比较电路、以及用于根据所述比较电路输出的PWM脉冲序列驱动所述功率管的通断的驱动电路。

较佳地，所述电流检测电路包括与所述分流电阻相连接的反相器、及与所述反相器相连接的第一电压跟随器；所述输入电压平均值获取电路包括与所述功率电路相连接且用于测量所述功率电路输入端的交流电压瞬时值的第二电压跟随器、及用于将所述第二电压跟随器测量的交流电压瞬时值转换为电压平均值的第二平均值转换电路；所述输出直流电压产生电路包括与直流电源相连接且具有可调电阻的电阻调压电路；所述计算电路包括与所述第一平均值电路输出端、所述电阻调压电路的可调电阻、和所述第二平均值电路输出端相连接的除法器、与所述除法器的输出端和所述第一电压跟随器的输出端相连接的乘法器；所述控制信号形成电路包括与所述乘法器输出端相连接的调幅器、及与所述调幅器输出端和所述单位电压产生电路相连接减法器。

较佳地，所述载波信号产生电路可为锯齿波发生器或三角波形成电路。

较佳地，所述驱动电路包括图腾柱驱动器。

较佳地，所述功率电路可为有桥或无桥电路。

综上所述，本实用新型的无需检测直流输出电压的单相功率因数校正模拟电路通过直接给定直流输出电压可有效简化电路，避免了对直流输出电压的检测，同时使功率的校正不受输出电压的影响，因而具有良好的负载调整率和鲁棒性。

附图说明

图1为本实用新型的无需检测直流输出电压的单相功率因数校正模拟电路的电路结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1，本实用新型的无需检测直流输出电压的单相功率因数校正模拟电路包括：功率电路2、电流检测电路、第一平均值转换电路、输入电压平均值获取电路、输出直流电压产生电路、计算电路、单位电压产生电路、载波信号产生电路、控制信号形成电路、比较电路、及驱动电路。

所述功率电路2包括整流桥B1、电阻R1、R2、R3、分流电阻RS和等效负载电阻RL、电容C1、C2、C3和C4、电解电容E1、快速恢复功率二极管FRD1、稳压二极管ZD1、及功率管S1，其为典型的APFC功率电路。其中，整流桥B1的两个交流输入端分别连接电容C1的两端，并与接入的单相交流电源VS的两端相连。整流桥B1的直流正极与电阻R1的一端相连，并与电感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、功率管S1的集电极共同相连，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的正极以及等效负载电阻RL的一端相连。整流桥B1的直流负极与电阻R1的另一端、分流电阻RS的一端、电阻R3的一端相连，分流电阻RS的另一端接地。功率管S1的门极与稳压二极管ZD1的阴极、电阻R2的一端相连，功率管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。电阻R3的另一端与电容C4的一端相连，电容C4的另一端接地，电容C3的另一端、电解电容E1的负极、等效负载RL电阻的另一端接地。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，所述电解电容E1的容值大，所述电感L1的感抗大，其因所述功率管S1的通断而相应进行充放电，当受接入的单相交流输入电压VS控制的功率管S1的开关频率足够高时，所述功率电路的直流输出电压即近似恒定值。此外，所述功率电路也可采用无桥电路。

所述电流检测电路与所述分流电阻RS相连接，用于测量所述分流电阻RS的瞬时电流，其包括与所述分流电阻RS相连接的反相器、及与所述反相器相连接的第一电压跟随器(即图1中的电压跟随器1)。在本实施例中，所述反相器通过电阻R3与所述分流电阻RS相连接以测出所述分流电阻RS的瞬时电流，由于所述分流电阻RS与所述电感L1串联，故所测出的瞬时电流即为所述电感L1的瞬时电流。

所述第一平均值转换电路(即图1中的平均值电路1)用于将所述电流检测电路测量出的所述瞬时电流转换为电流平均值。

所述输入电压平均值获取电路与所述功率电路2相连接，用于获取所述功率电路2的输入电压的平均值。在本实施例中，所述输入电压平均值获取电路包括：第二电压跟随器(即图1中的电压跟随器2)、第二平均值转换电路(即图1中的平均值电路2)、电阻R4、及R5，其中，电阻R5、R6的一端相连后与电压跟随器2输入端相连，电阻R4另一端与所述功率电路2中整流桥B1的正极相连，电阻R5的另一端与所述功率电路2中整流桥B1和负极相连。所述电压跟随器2用于测量所述功率电路2输入端的交流电压瞬时值，所述平均值电路2用于将所述电压跟随器2测量的交流电压瞬时值转换为电压平均值。此外，在本实施例中的电阻R4、电阻R5、所述电压跟随器2、以及所述平均值电路2所构成的电路可以直接用额定交流电压220V的恒定电压代替，而使APFC具有输入电压跟随性能，不影响APFC的基本功能。

所述输出直流电压产生电路用于产生所述功率电路2的输出直流电压，在本实施例中，其为具有可调电阻的电阻调压电路。所述电阻调压电路包括与+15V直流电源相连接的电阻R6、与电阻R6串联的可调电阻POT1、及与可调电阻POT1串联的电阻R7。需注意的是，鉴于功率因数校正良好时，输入电流呈现正弦波形，而电网电压本身近似为正弦波形，二者同步，另外由于电解电容E1的容值大和电感L1的感抗大，且功率管S1的开关频率足够时，故功率电路2的直流输出电压的近似恒定值，由此，可由所述输出直流电压产生电路直接产生输出直流电压，而无需对输出直流电压进行检测。

所述计算电路用于根据所述输入电压平均值获取电路所获取的输入电压平均值、所述第一平均值转换电路输出的电流平均值、所述输出直流电压产生电路输出的输出直流电压和所述电流检测电路所测量的瞬时电流计算出输入电流调节信号。根据APFC的工作原理和拓扑结构，若系统效率为100％，即功率电路2的输入功率等于输出功率，则有式： $\frac{U_{\mathrm{dc}}\left(t\right)}{\left|U_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right|}=\frac{1}{1-d\left(t\right)},$ 其中U_dc(t)代表输出直流电压，U_in(t)代表交流输入电压，d(t)代表功率管的占空比函数，由上式可得 $d\left(t\right)=1-\frac{\left|U_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right|}{U_{\mathrm{dc}}\left(t\right)}=1-k_c\left|I_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right|,$ 其中 $k_c=\frac{\left|U_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right|}{\left|I_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right|U_{\mathrm{dc}}\left(t\right)},$ k_c为输入电流幅值调节系数，I_in(t)为交流输入电流。鉴于功率因数校正良好时，输入电流呈现正弦波形，而电网电压本身近似为正弦波形，二者同步，另外当电解电容的容值足够大和电感量以及开关频率足够高时，直流输出电压的近似恒定值，因此可得 $k_c=\frac{U_{\mathrm{in}\_\mathrm{RMS}}}{I_{\mathrm{in}\_\mathrm{RMS}}{U}_{\mathrm{dc}}}=\frac{U_{\mathrm{in}\_\mathrm{mean}}}{I_{\mathrm{in}\_\mathrm{mean}}{U}_{\mathrm{dc}}},$ U_{in_RMS}代表输入电压平均值，I_{in_RMS}代表输入电流平均值，U_dc代表直流电压，U_{in_mean}代表输入电压平均值，I_{in_mean}代表输入电流平均值。同时鉴于功率因数校正良好时，忽略比重低的开关频率高次谐波电流的影响，电感电流的平均值与平均值将分别等于输入电流平均值和输入电流平均值，通过测量无感分流电阻的瞬时电压可以获得电感电流的瞬时值，从而可以近似获得电网电流的平均值和平均值。由上述说明，所述计算电路包括与所述平均值电路1输出端、所述可调电阻POT1、和所述平均值电路2输出端相连接的除法器、与所述除法器的输出端和所述电压跟随器1的输出端相连接的乘法器，所述除法器用于将所述平均值电路2输出的输入电压平均值除以所述平均值电路1输出的电感L1的电流平均值，再除以从所述可调电阻POT1接入的直流输出电压值，显然，所述除法器输出结果为上述的输入电流幅值调节系数k_c，所述乘法器用于将所述除法器输出的结果乘以所述电压跟随器1的输出的电感L1的电流的瞬时值。

所述单位电压产生电路用于产生单位电压，在本实施例中，其为由与+15V电源相连接的电阻R8、及与电阻R8串联的电阻R9形成的电阻分压电路。

所述载波信号产生电路用于产生载波信号，其可为锯齿波发生器或三角波形成电路等。

所述控制信号形成电路用于根据所述计算电路输出的输入电流调节信号和所述单位电压产生电路输出的单位电压形成与所述载波信号进行比较的控制信号。在本实施例中，其包括与所述乘法器输出端相连接的调幅器Kp、及与所述调幅器Kp输出端和所述单位电压产生电路相连接减法器，所述调幅器用于将所述乘法器输出的乘积进行幅值调整以调整为实际值，由于实际APFC电路中受到具体实现技术和产品性能规范等方面的要求，分流电阻的阻值为mΩ级，整流桥后正弦半波的电阻降压电路输出为几伏级，以及各级电路计算中需要考虑计算的统一性问题，因此在所述控制信号形成电路中增加了调幅器，目的在于追求计算一定要符合有关计算公式的实际情况，所述减法器所输出的控制信号即为占空比函数d(t)＝1-k_c|I_in(t)|。

所述比较电路用于比较所述载波信号产生电路输出的载波信号和所述控制信号形成电路输出的控制信号以输出相应PWM脉冲序列，其包括比较器。当所述控制信号高于所述载波信号时，所述比较电路产生高脉冲；当所述控制信号低于所述载波信号时，所述比较电路产生低脉冲，由此所述比较电路输出原始的PWM脉冲序列。

所述驱动电路用于根据所述比较电路输出的PWM脉冲序列驱动所述功率管S1的通断，其包括图腾柱驱动器。由图腾柱驱动器将原始的PWM脉冲序列进行驱动，得到+15V电平的驱动脉冲序列，发送至功率电路的功率管S1的门极。当PWM脉冲序列处于高电平时，所述驱动电路驱动功率管S1导通，电源VS被短路，电感L1电流上升，储存能量；当PWM脉冲序列处于低电平时，功率管S1关断，电源VS被断开，电感L1电流下降，电感L1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，供等效负载电阻RL使用，由此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。

本实用新型的工作原理的实质是根据单相有源功率因数校正基本原理以及功率因数校正电路中输入电压、输入电流、输出电压、输出电流以及功率管占空比的相互关系，设计制作了新型无需直流输出电压检测的无需直流输出电压检测的单相功率因数校正模拟电路，因而具有电路结构新颖、通用性强等特征，同时具有结构简单、附加成本低、实现容易等优点，还可以支持较宽范围功率输出，尤其适用于大功率变频空调的APFC。

给出部分电路元件的参数：各电阻、可调电阻、电容均要求具有高精度；输出直流电压350V，R4取499kΩ，R5取1kΩ，R6取349kΩ，R7取1kΩ，R8取14kΩ，R9取1kΩ，可调电阻POT1取47kΩ范围，暂定输出电阻为零。电阻RS取15mΩ，无感，电阻R3取20Ω，电容C4取1nF。电压跟随器1和2平均值电路1和2、除法器、乘法器、调幅器、减法器、比较器、锯齿波发生器和驱动器均选择较高精度和满幅值输出的模拟器件。

综上所述，本实用新型的无需检测直流输出电压的单相功率因数校正模拟电路通过测量无感分流电阻RS的瞬时电流即可获得电感L1的电流的瞬时值，从而可以近似获得电网电流的平均值，同时基于已定的直流输出电压U_dc，就可以计算出功率管的占空比函数d(t)，而无需检测输出直流电压的瞬时值。由于无需检测和控制输出直流电压的取值，功率调节可不受输出电压的影响，因而具有良好的负载调整率和鲁棒性；同时由于检测输入电压平均值，因而具有良好的电源调整率和抗干扰能力。

Claims (9)

1.一种无需检测直流输出电压的单相功率因数校正模拟电路，其特征在于包括：

功率电路，包括受接入的单相交流输入电压控制的功率管、因所述功率管的通断而相应进行充放电的电感、与所述电感相串联并与所述功率管共同作用使输出直流电压近于恒定的电解电容、及与所述电感相串联的分流电阻；

电流检测电路，与所述分流电阻相连接，用于测量所述分流电阻的瞬时电流；第一平均值转换电路，用于将所述电流检测电路测量出的所述瞬时电流转换为电流平均值；

输入电压平均值获取电路，与所述功率电路相连接，用于获取所述功率电路的输入电压的平均值；

输出直流电压产生电路，用于产生所述功率电路的输出直流电压；

计算电路，用于根据所述输入电压平均值获取电路所获取的输入电压平均值、所述第一平均值转换电路输出的电流平均值、所述输出直流电压产生电路输出的输出直流电压和所述电流检测电路所测量的瞬时电流计算出输入电流调节信号；

单位电压产生电路，用于产生单位电压；

载波信号产生电路，用于产生载波信号；

控制信号形成电路，用于根据所述计算电路输出的输入电流调节信号和所述单位电压产生电路输出的单位电压形成与所述载波信号进行比较的控制信号；

比较电路，用于比较所述载波信号产生电路输出的载波信号和所述控制信号形成电路输出的控制信号以输出相应PWM脉冲序列；

驱动电路，用于根据所述比较电路输出的PWM脉冲序列驱动所述功率管的通断。

2.如权利要求1所述的无需检测直流输出电压的单相功率因数校正模拟电路，其特征在于：所述电流检测电路包括与所述分流电阻相连接的反相器、及与所述反相器相连接的第一电压跟随器。

3.如权利要求1所述的无需检测直流输出电压的单相功率因数校正模拟电路，其特征在于：所述输入电压平均值获取电路包括与所述功率电路相连接且用于测量所述功率电路输入端的交流电压瞬时值的第二电压跟随器、及用于将所述第二电压跟随器测量的交流电压瞬时值转换为电压平均值的第二平均值转换电路。

4.如权利要求1所述的无需检测直流输出电压的单相功率因数校正模拟电路，其特征在于：所述输出直流电压产生电路包括与直流电源相连接且具有可调电阻的电阻调压电路。

5.如权利要求1或2或3或4所述的无需检测直流输出电压的单相功率因数校正模拟电路，其特征在于：所述计算电路包括与所述第一平均值电路输出端、所述电阻调压电路的可调电阻、和所述第二平均值电路输出端相连接的除法器、与所述除法器的输出端和所述第一电压跟随器的输出端相连接的乘法器。

6.如权利要求5所述的无需检测直流输出电压的单相功率因数校正模拟电路，其特征在于：所述控制信号形成电路包括与所述乘法器输出端相连接的调幅器、及与所述调幅器输出端和所述单位电压产生电路相连接减法器。

7.如权利要求1所述的无需检测直流输出电压的单相功率因数校正模拟电路，其特征在于：所述载波信号产生电路为锯齿波发生器或三角波形成电路。

8.如权利要求1所述的无需检测直流输出电压的单相功率因数校正模拟电路，其特征在于：所述驱动电路包括图腾柱驱动器。

9.如权利要求1所述的无需检测直流输出电压的单相功率因数校正模拟电路，其特征在于：所述功率电路为有桥及无桥电路中的一种。

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