CN201403048Y - 单相功率因数校正简化直接除法控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种单相功率因数校正简化直接除法控制器，包括功率电路接收单相交流输入电压，同时接收控制电路的控制信号进行功率因数校正，并将电压输出至负载；所述的控制电路包括检测部分，以检测功率电路中的输出直流电压以及分流电阻电压；数控部分，以对检测部分输出的信号进行模数转换，计算出电感电流幅值，根据占空比函数计算出占空比，并利用脉冲发生器产生PWM脉冲信号；驱动部分，以根据数控部分输出的PWM脉冲信号，驱动功率电路中的功率开关的开通与关断。本实用新型采用直接计算功率开关占空比函数，仅根据输出电压大小和电感电流瞬时值就能确定占空比，进行功率因数校正，适用所有APFC的应用场合，灵活性强、校正效果佳。

Description

单相功率因数校正简化直接除法控制器

技术领域

本实用新型涉及单相有源功率因数校正电路的相关领域，具体地说是一种单相功率因数校正简化直接除法控制器。

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。

实用新型内容

本实用新型的目的是要提供一种新型的单相功率因数校正简化直接除法控制器，是采用直接计算功率开关占空比函数、仅仅根据输出电压大小和电感电流瞬时值就能够确定占空比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。

为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：

本实用新型公开了一种单相功率因数校正简化直接除法控制器，包括功率电路接收单相交流输入电压，同时接收控制电路的控制信号进行功率因数校正，并将电压输出至负载，其特征在于：所述的控制电路包括检测部分，以检测功率电路中的输出直流电压以及分流电阻电压；数控部分，以对检测部分输出的信号进行模数转换，计算出电感电流幅值，根据占空比函数计算出占空比，并利用脉冲发生器产生PWM脉冲信号；以及驱动部分，即一驱动器，以根据数控部分输出的PWM脉冲信号，驱动功率电路中的功率开关的开通与关断。

所述的控制电路的检测部分包括两个比较电路，分别检测功率电路中的输出直流电压和分流电阻电压。

所述的数控部分包括两个模数转换滤波器，以对检测部分输出的信号进行模数转换；逻辑运算器，以根据电感电流幅值，通过占空比函数计算出占空比；以及脉冲发生器，以根据逻辑运算器输出的占空比信号，产生PWM脉冲信号。

所述的逻辑运算器由一个乘法程序、一个减法程序、一个除法程序组合而成，以完成对占空比函数公式d(t)＝1-k_c|I_in(t)|的计算，最后利用PWM发生器根据占空比函数计算出PWM脉冲信号。

本实用新型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出电压、电感电流以及功率开关占空比的相互关系，设计制作了新型的输出电压固定的单相功率因数校正的数字设计方案，因而具有设计构思新颖、通用性强等特征，同时具有结构简单、成本低、实现容易、灵活强等优点，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。

附图说明

图1为本实用新型的电路结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述。

一种单相功率因数校正简化直接除法控制器，如图1所示，包括控制电路1，配套部分有功率电路2。其中，控制电路1中，包括三个组成部分：检测部分，数控部分和驱动部分，检测部分完成检测输出直流电压、分流电阻电压(反映电感电流)，基于上述信息，数控部分完成对其进行模数转换，在计算出电感电流幅值之后，根据占空比函数计算公式利用减法和除法运算直接得到占空比，并利用脉冲发生器产生PWM脉冲信号，最终经过驱动部分的驱动器产生PWM驱动脉冲。功率电路2接收单相交流输入电压和来自控制电路的PWM驱动脉冲，控制功率开管的开通与关断，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。

控制电路1由检测部分、数控部分和驱动部分构成，其中，检测部分包括六只电阻R6～R11、三只电容C5～C7和两只运放A1～A2；数控部分包括两个模数转换滤波器、一个乘法程序、一个减法程序、一个除法程序、一个脉冲发生程序。功率电路2由八只电阻R1～R5、RS1和RL、四只电容C1～C4、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，整个电路构成一个典型的APFC功率电路。

控制电路1中，检测部分中，电阻R6的一端与电阻R7的一端相连后与运放A1的反相输入端相连，电阻R6的另一端与功率电路中电阻R3和电容C4的公共端相连，电阻R7的另一端与电阻R9的一端相连后与A2运放的输出端相连。电阻R8的一端与运放A1的同相输入端相连，电阻R8的另一端接地。电阻R9的另一端与电容C5的一端相连后与控制电路中的模数转换滤波器B1的入口相连。电阻R10与电容C7并联后的一端与运放A2的反相输入端相连，另一端与运放A2的输出端相连后与电阻R11的一端相连，运放A2的同相输入端接+5.0V电源。电阻R11的另一端与电容C6的一端相连后与控制电路中的模数转换滤波器B2的入口相连。数控部分中模数转换滤波器B1的出口与减法程序B4的反相入口相连。模数转换滤波器B2的出口与乘法程序B3的第二入口相连，常数0.15V与乘法程序B3的第一入口相连，乘法程序B3的出口与减法程序B4的同相入口、除法程序B5的除数端相连。减法程序B4的出口与除法程序B5的被除数端相连，除法程序B5的出口与脉冲发生程序B6的入口相连，脉冲发生程序B6的出口与驱动部分中的驱动器DRV1输入端相连。驱动部分中第一个驱动器DRV1的输出端与功率电路中的第一只功率开关S1的门极、第一只稳压二极管ZD1的阴极和第二只电阻R2的一端构成的公共端相连。

功率电路2中，整流桥B1前的两个交流输入端分别连接电容C1的两端，并与交流电源VS1的两端相连。整流桥B1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的一端以及等效负载电阻RL的一端相连。整流桥B1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R6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输出端相连，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、电阻R5的一端、等效负载电阻RL的一端接地。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A2的反相输入端相连。

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，输入功率等于输出功率除以η。有下式成立： $\frac{U_{\mathrm{dc}}\left(t\right)}{\left|U_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right|}=\frac{1}{1-d\left(t\right)},$ 其中U_dc(t)代表输出直流电压，U_in(t)代表输出直流电压，U_in(t)代表交流输入电压，d(t)代表功率开关的占空比函数。可得 $d\left(t\right)=1-\frac{\left|U_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right|}{U_{\mathrm{dc}}\left(t\right)},$ 可以引申为d(t)＝1-k_c|I_in(t)|，其中k_c为输入电流幅值调节系数，I_in(t)代表交流输入电流。通过测量输出直流电压，使之与给定电压(+5V)进行误差放大，得到关于输出电压的控制量，这个控制量再乘以一个代表额定输入交流电压和输出功率的常数0.15V就可以得到此时负载时所需要的电感电流的幅值。通过减法程序(B4)和除法程序(B5)完成公式d(t)＝1-k_c|I_in(t)|的计算，得到占空比，在经过脉冲发生程序(B6)的作用下产生PWM脉冲信号。

控制电路由三个组成部分：检测部分中，电阻R10～R11、电容C6～C7、运放A2完成对输出直流电压的检测和误差放大，可以判断电网电压是否过压和欠压。电阻R6～R9、电容C5、运放A1完成对分流电阻RS1电压即电感电流的检测和误差放大，还可以判断功率开关是否过流和过载。控制部分中，模数转换滤波器B1～B2分别完成对电感电流、输出电压的模数转换和滤波，在完成对所得的输出电压误差放大信号的模数转换和滤波(B5)后，所得结果再乘以(B3)代表额定运行情况的常数0.15V，得到对应此时输出功率的输入电流幅值即控制电压，通过减法程序和除法程序完成对公式d(t)＝1-k_c|I_in(t)|的计算，最后利用PWM发生器根据占空比函数计算出PWM脉冲信号。

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RS1的阻值为mΩ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，不能简单地单独分析，从而构成单相功率因数校正简化直接除法控制器。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幅值，并通过计算得到控制电压，并跟根占空比函数和PWM发生程序计算出PWM脉冲信号。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。

上述器件中各电阻、运放均要求具有高精度；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10kΩ，电阻R7取10kΩ。电阻R8取10kΩ，电阻R9取1kΩ。电阻R10取220kΩ，电阻R11取1kΩ。电容C4取1nF，电容C5取10nF，电容C6取10nF，电容C7取220nF。电阻RS1取15mΩ，无感。电感L1取0.5mH～5.0mH。运放A1～A2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。

Claims (3)

1、单相功率因数校正简化直接除法控制器，包括功率电路接收单相交流输入电压，同时接收控制电路的控制信号进行功率因数校正，并将电压输出至负载，其特征在于：所述的控制电路包括

检测部分，以检测功率电路中的输出直流电压以及分流电阻电压；

数控部分，以对检测部分输出的信号进行模数转换，计算出电感电流幅值，根据占空比函数计算出占空比，并利用脉冲发生器产生PWM脉冲信号；

以及驱动部分，以根据数控部分输出的PWM脉冲信号，驱动主功率电路中的功率开关的开通与关断。

2、按权利要求1所述的单相功率因数校正简化直接除法控制器，其特征在于：所述的控制电路的检测部分包括两个比较电路，分别检测功率电路中的输出直流电压和分流电阻电压。

3、按权利要求1所述的单相功率因数校正简化直接除法控制器，其特征在于：所述的数控部分包括

两个模数转换滤波器，以对检测部分输出的信号进行模数转换；

逻辑运算器，以根据电感电流幅值，通过占空比函数计算出占空比；

以及脉冲发生器，以根据逻辑运算器输出的占空比信号，产生PWM脉冲信号。

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