CN201336574Y

CN201336574Y - 具有准确输入电压过零检测的单相功率因数校正电路

Info

Publication number: CN201336574Y
Application number: CNU2008201552023U
Authority: CN
Inventors: 管洪飞; 杨喜军; 刘智翎
Original assignee: SHANGHAI CHENGYUE ELECTRIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Shanghai Confucian automation equipment Co., Ltd.
Priority date: 2008-11-11
Filing date: 2008-11-11
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2018-11-11

Abstract

本实用新型公开了一种具有准确输入电压过零检测的单相功率因数校正电路，由过零检测电路、控制电路和功率电路构成，过零检测电路中输入整流桥后的降低幅值的正弦半波电压，经过差动比较后在正弦半波电压过零点处产生低电压，形成脉冲序列；控制电路中的外部中断检测端口接收该低电压脉冲序列，产生中断，并根据分流电阻的电流检测值以及输出直流电压的检测值，依据不同的APFC算法进行运算产生PWM脉冲；功率电路接受交流输入电压和的PWM脉冲电压，控制功率开管的开通与关断，实现APFC功能。本实用新型具有结构简单、功能完善、校正效果良好、附加成本低、实现容易、通用性强等优点，尤其适用于大功率数字APFC的应用场合。

Description

具有准确输入电压过零检测的单相功率因数校正电路

技术领域

本实用新型属于电子电路领域，涉及一种采用专用输入电压过零检测电路的具有电流连续模式、平均电流采样方式、数字控制技术、多种控制策略等特征的单相有源功率因数校正电路，尤其涉及一种具有准确输入电压过零检测的单相功率因数校正电路。

背景技术

随着相关技术的发展，单相有源功率因数校正(APFC)技术得到了巨大发展和广泛应用，产生了可观的经济效益和社会效益。现有单相有源PFC技术分为有源方案与无源方案、模拟方案和数字方案等不同类型，相应也出现了多种新的控制算法，而目前单相有源功率因数校正技术的发展趋势为：(1)数字化，配合新的控制算法；(2)大功率化、小型化、低成本和高效率。尤其在大功率家用变频空调领域，更是如此。大功率家用变频空调用PFC的功率甚至超过5kW，输入电流的有效值高达30A(以上)。

对于小功率APFC，电感电流检测一般采用整流桥后级直流母线负极上串联无感分流电阻的方式。而对于大功率数字化APFC，为了降低成本和提高可靠性，如果仍然采用这种方式检测电感电流，则会因电流等级较大而使得原有输入交流电压过零点检测电路发生偏离，而过零点检测电路输出的过零点信号是用作MCU控制器的同步信号，一旦发生偏离，即会影响功率因数校正效果，因此，如何提高功率校正电路过零信号检测的准确性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

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种具有准确输入电压过零检测的单相功率因数校正电路。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案。

一种具有准确输入电压过零检测的单相功率因数校正电路，包括：功率电路，包括与输入电源相连接的整流器、与所述整流器串联的分流电阻和功率开关、及并联在所述功率开关输出端且用于检测瞬时输出电压的输出电压检测电路；

过零检测电路，包括与所述整流器输出端相连接的分压电路、与所述分压电路输出端相连接且用于当所述输入电源为零时产生一过零信号的差动比较电路、与所述差动比较电路输出端相连接且用于产生与所述过零信号对应的匹配信号的匹配电路；

控制电路，包括与所述匹配电路输出端相连接的第一端口、通过分流电阻电流检测端口与所述分流电阻相连接且用于将所述分流电阻的电流进行模数转换的第一模数转换器、通过输出电压检测端口与所述输出电压检测电路相连接且用于将所述瞬时输出电压进行模数转换的第二模数转换器、用于根据所述第一端口接入的匹配信号及所述第一模数转换器和第二模数转换器输出的信号产生PWM脉冲的PWM脉冲产生单元、与所述PWM脉冲产生单元输出端及所述功率开关相连接且用于根据所述PWM脉冲形成驱动所述功率开关开闭的驱动单元。

作为本实用新型的一种优选方案，所述差动比较电路为输出的所述过零信号是低电平的电路。

作为本实用新型的另一种优选方案，所述差动比较电路包括一具有OC门输出的运算放大器。

作为本实用新型的再一种优选方案，所述匹配电路包括将所述运算放大器输出电平上拉以适合所述第一端口要求且串联而成的上拉电阻、分压电阻，以及消除干扰影响的滤波器。

作为本实用新型的再一种优选方案，所述控制电路为微处理单元。

作为本实用新型的再一种优选方案，所述第一端口为所述微处理单元的外部中断检测端口。

作为本实用新型的再一种优选方案，所述PWM脉冲产生单元包括定时器及与所述定时器输出端相连接的PWM脉冲发生器。

本实用新型的有益效果在于：它的附加结构简单、功能完善、校正效果良好、易实现，可以适用于各种数字APFC。

本实用新型的另一有益效果在于：它还可以支持较大的功率输出，尤其适用于大功率变频空调的APFC。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步详细说明。

图1为本实用新型的电路原理图。

主要组件符号说明：

1、过零检测电路；2、控制电路；3、功率电路。

具体实施方式

实施例一

如图1所示，本实用新型是一种具有准确输入电压过零检测的单相功率因数校正电路，由过零检测电路1、控制电路2和功率电路3构成。过零检测电路1作为输入电路由九只电阻R5～R13、一只电容C4、一只运放U1组成，其中电阻R5～R6构成分压电路；电阻R7～R10和运放U1构成差动比较电路；电阻R11～R13和C4构成匹配电路。控制电路2是一个微处理单元，包括一个第一端口、两个模数转换器、一个PWM脉冲产生单元和一个驱动单元，所述第一端口是微处理单元的外部中断检测端口XINT，所述第一模数转换器的输出端口是微处理单元的分流电阻电流检测端口ADC1，所述第二模数转换器的输出端口是微处理单元的输出电压检测端口ADC2，所述驱动单元的输出端口是微处理单元的功率开关驱动脉冲端口PWM。功率电路3由一只交流电源VS、一只整流桥B1、六只电阻R1～R4、RS和RL、三只电容C1～C3、一只功率开关S1、一只电感L1、一只电解电容E1、一只快速恢复功率二极管FRD1和一只稳压二极管ZD1构成，其中，整流桥B1构成整流器；RS构成分流电阻；电阻R2～R4、RL，电容C2～C3，电解电容E1，快速恢复功率二极管FRD1和稳压二极管ZD1构成输出电压检测电路。

过零检测电路1中，电阻R5的一端与功率电路3中整流桥B1的正极相连，其另一端与电阻R8和R6的一端相连；电阻R8的另一端与电阻R7的一端和运放U1的同相输入端相连；电阻R6的另一端与电阻R10的一端相连后与功率电路3中整流桥B1的负极相连；电阻R10的另一端与电阻R9的一端和运放U1的反相输入端相连；电阻R7的另一端接+15V电源，电阻R9的另一端接地；电阻R12的一端与电阻R11的一端、运放U1的同相输出端相连，其另一端与电阻R13的一端、电容C4的一端和控制电路2中外部中断检测端口XINT相连；电阻R11的另一端接+15V，电阻R13的另一端、电容C4的另一端接地。

控制电路2中，分流电阻电流检测端口ADC1与功率电路3中的整流器B1的负极相连，输出电压检测端口ADC2与功率电路3中的电阻R3与R4的连接点相连，功率开关驱动脉冲端口PWM与功率电路3中的功率开关S1的门极、稳压二极管ZD1的阴极和电阻R2的一端相连，外部中断检测端口XINT与过零检测电路1中电阻R12、电阻R13和电容C4相连。

功率电路3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，并与过零检测电路1中的电阻R5、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R3的一端以及等效负载电阻RL的一端相连；整流桥B1的负极与电阻R1的另一端、分流电阻RS的一端相连，并与过零检测电路1中的电阻R6、电阻R10的公共端相连，并与控制电路2中的分流电阻电流检测端口ADC1相连；分流电阻RS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2中的功率开关驱动脉冲端口PWM相连，功率开关S1的发射极、稳压二极管ZD1的阳极、电阻R1的另一端分别接地；电阻R4的一端与电阻R3的另一端相连后与控制电路2中的输出电压检测端口ADC2相连；电容C3的另一端、电解电容E1的负极、等效负载电阻RL的另一端、电阻R4的另一端接地。

本实用新型的工作原理为：

(1)过零检测电路1中，电阻R5～R6构成分压电路，获得适当低幅值正弦半波电压；电阻R7～R10和运放U1构成差动比较电路，通过调节电阻R7与R8的大小和比例，在运放U1的输出端产生电压脉冲序列，交流电压过零点输出一个低电平，其他时间为高电平；对于OC门输出的运放而言，上拉电阻R11起到上拉作用；上拉电阻R11与分压电阻R12起到分压作用，以便适合控制电路的外部中断检测端口XINT的基本电平；电容C4与电阻R13构成RC滤波器，消除干扰的影响。

(2)控制电路2中，外部中断检测端口XINT检测来自过零检测电路1的脉冲序列为低电平时，获得同步信号，作为交流电源电压半个周期的开始，并产生中断服务程序；分流电阻电流检测端口ADC1负责检测功率电路3中分流电阻RS的瞬时电压，作为电感L1的瞬时电流，该电流信号需要利用反相器进行反向处理；输出电压检测端口ADC2负责检测功率电路3中分压电阻R3与R4的瞬时分压，作为APFC的瞬时输出电压；基于上述三个信息和APFC的不同控制理论，MCU通过运算、定时器定时、PWM发生器产生PWM脉冲，该脉冲经过驱动电路推动后，由功率开关驱动脉冲端口PWM发送至功率电路3中的功率开关S1的门极。

(3)功率电路3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2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。

本实用新型的过零检测电路1、控制电路2和功率电路3是密不可分的三个组成部分，不能简单地单独分析，从而构成具有准确输入电压过零检测的单相功率因数校正电路。本实用新型的工作原理的实质是：过零检测电路1提供准确的输入交流电压过零信号，不受分流电阻阻值大小以及APFC负载功率大小的影响，因而能够使控制电路2产生精确的PWM脉冲，作用于功率电路3，获得APFC校正的良好效果。虽然过零检测电路1、控制电路2和功率电路3为密不可分的三个组成部分，但是过零检测电路1尤为重要，因此给出过零检测电路1的元器件参数选择依据。上述器件中各电阻、电容均要求具有高精度，三极管可以选择普通的三极管，运放可以选择常用的运放，也可以采用轨对轨的满幅运放；本实用新型的实施例的参数为：R5取300kΩ，R6取4.7kΩ，R7取51kΩ，R8取1kΩ，R9取51kΩ，R10取1kΩ，R11取50Ω，R12取200Ω，R13取5kΩ，C4取1nF。运算放大器选LM324、OPA495等。

本实用新型根据差动放大器原理以及在整流桥直接输出端提取差动正弦半波电压的设计思想，设计制作了具有准确输入电压过零检测的单相功率因数校正电路，因而具有过零检测准确可靠、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，还可以支持较大的功率输出，尤其适用于大功率变频空调的APFC。

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。

Claims

1.一种具有准确输入电压过零检测的单相功率因数校正电路，其特征在于，包括：

功率电路，包括与输入电源相连接的整流器、与所述整流器串联的分流电阻和功率开关、及并联在所述功率开关输出端且用于检测瞬时输出电压的输出电压检测电路；

控制电路，包括与所述匹配电路输出端相连接的第一端口、与所述分流电阻相连接且用于将所述分流电阻的电流进行模数转换的第一模数转换器、与所述输出电压检测电路相连接且用于将所述瞬时输出电压进行模数转换的第二模数转换器、用于根据所述第一端口接入的匹配信号及所述第一模数转换器和第二模数转换器输出的信号产生PWM脉冲的PWM脉冲产生单元、与所述PWM脉冲产生单元输出端及所述功率开关相连接且用于根据所述PWM脉冲形成驱动所述功率开关开闭的驱动单元。

2.根据权利要求1所述的具有准确输入电压过零检测的单相功率因数校正电路，其特征在于：所述差动比较电路为输出的所述过零信号是低电平的电路。

3.根据权利要求1或2所述的具有准确输入电压过零检测的单相功率因数校正电路，其特征在于：所述差动比较电路包括一具有OC门输出的运算放大器。

4.根据权利要求3所述的具有准确输入电压过零检测的单相功率因数校正电路，其特征在于：所述匹配电路包括将所述运算放大器输出电平上拉以适合所述第一端口要求且串联而成的上拉电阻、分压电阻，以及消除干扰影响的滤波器。

5.根据权利要求1所述的具有准确输入电压过零检测的单相功率因数校正电路，其特征在于：所述控制电路为微处理单元。

6.根据权利要求5所述的具有准确输入电压过零检测的单相功率因数校正电路，其特征在于：所述第一端口为所述微处理单元的外部中断检测端口。

7.根据权利要求5所述的具有准确输入电压过零检测的单相功率因数校正电路，其特征在于：所述PWM脉冲产生单元包括定时器及与所述定时器输出端相连接的PWM脉冲发生器。