CN201781413U - 简化单相有源功率因数校正电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型揭示了一种简化单相有源功率因数校正电路，所述校正电路包括功率电路和控制电路；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，控制功率开管的开通与关断，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；控制电路包括检测单元、数控单元和驱动单元；检测单元完成检测分流电阻电压；数控单元完成对其进行模数转换，在计算出电感电流幅值之后，根据系数计算公式和占空比函数计算公式直接得到功率开关的占空比，并利用脉冲发生器产生PWM脉冲信号；驱动单元的驱动器最终产生PWM驱动脉冲。本实用新型校正电路方案采用功率电路，具有连续电流模式、数字控制手段、功率电路设计最简化、算法最简单和成本最低等特征。
Description
技术领域
本实用新型属于电子技术领域，涉及一种功率因数校正电路，尤其涉及一种简化单相有源功率因数校正电路。
背景技术
随着微控制器(MCU)技术的不断发展，考虑到数字控制方式的灵活性和可塑性，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，在很多领域已经和正在取代传统模拟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。
单相有源功率因数校正(APFC)的控制算法很多，但是一般都要求采样交流侧输入电压波形或过零点，同时需要采样直流侧输出电压波形，为此需要相应的硬件检测电路和控制器的模数转换器，增加了硬件成本和软件开销。
在可再生能源和柴油机数码发电等领域，产生标准220Vac单相交流正弦电压，或单相交流方波220Vdc，负载包括许多变频电器，如三相变频空调，其前级需要单相AC-DC变换器，即整流器。这类负载属于非线性负载，功率因数较低，谐波电流含量高，为此需要采用功率因数校正技术。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种无需检测输入与输出电压、直接计算功率开关占空比的单相有源功率因数校正电路的设计方案，该校正电路方案采用功率电路，具有连续电流模式、数字控制手段、功率电路设计最简化、算法最简单和成本最低等特征。
为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：
一种简化单相有源功率因数校正电路，所述校正电路包括功率电路和控制电路；
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，控制功率开管的开通与关断，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；
所述控制电路包括检测单元、数控单元和驱动单元；检测单元完成检测分流电阻电压；数控单元完成对其进行模数转换，在计算出电感电流幅值之后，根据系数计算公式和占空比函数计算公式直接得到功率开关的占空比，并利用脉冲发生器产生PWM脉冲信号；驱动单元的驱动器最终产生PWM驱动脉冲。
作为本实用新型的一种优选方案，所述功率电路包括交流电源VS1、整流桥B1、四只电阻R1、R2、R3、R4、交流电容C1、C2、电感L1、电解电容E1、快速恢复功率二极管D1、稳压二极管D2，整个电路构成一个APFC功率电路；
其中，整流桥B1前的两个交流输入端分别连接交流电容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，并与电感L1的一端相连，电感L1的另一端与功率二极管D1的阳极、交流电容C2的一端、功率开关S1的集电极共同相连，功率二极管D1的阴极与交流电容C2的一端、电解电容E1的正极以及直流输出正极相连；
整流桥B1后的直流负极与电阻R1的另一端、电阻R2的一端、控制电路中电阻R5的一端相连，电阻R2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R3的一端相连后与电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端与控制电路中的驱动器DRV1的输出端相连，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；交流电容C2的另一端、电解电容E1的负极、直流输出负极接地。
作为本实用新型的一种优选方案，所述功率电路中，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，供等效负载使用。
作为本实用新型的一种优选方案，所述检测单元包括电阻R5、R6、R7、R8、R9，交流交流电容C3、C4及运放A1；
所述数控单元包括模数转换滤波程序ADC1，2个计算程序EQU1、EQU2及PWM发生程序GEN1；
所述驱动单元包括PWM驱动器DRV1；
电阻R5的一端与电容C 3的一端和电阻R6的一端相连，电容C 3的另一端接地，电阻R6的另一端与电阻R7的一端相连后与运放A1的反相输入端相连，电阻R7的另一端与运放A1的输出端和电阻R9的一端相连，电阻R8的一端与运放A1的非反相输入端相连，电阻R8的另一端接地，电阻R9的另一端与电容C4的一端和模数转换滤波程序ADC1的入口相连；
模数转换滤波程序ADC1的出口与计算程序EQU1的入口和计算程序EQU2的第一入口相连，计算程序EQU1的出口与计算程序EQU2的第二入口相连，计算程序EQU2的出口与PWM发生程序GEN1入口相连，PWM发生程序GEN1的出口与PWM驱动器DRV1输入端相连，PWM驱动器DRV1输出端与功率电路中电阻R4的一端相连。
作为本实用新型的一种优选方案，所述检测单元中，电阻R5、R6、R7、R8、R9、交流电容C3、C4、运放A1完成对电感电流瞬时值的检测和误差放大，可判断电网是否过流和过载；数控单元中，模数转换滤波程序ADC1完成对电感电流的模数转换和滤波，所得结果作为判断系数k的计算程序EQU1依据，进而作为计算程序EQU2，即d(t)＝1-k·iL的依据，最后利用PWM发生程序根据占空比函数实时计算出PWM脉冲信号。
作为本实用新型的一种优选方案，所述功率电路无需交流电压与直流输出电压检测电路，占空比直接由公式d(t)＝1-k·iL计算出来，且系数k是由输入电流有效值直接计算出来。
作为本实用新型的一种优选方案，所述控制电路中，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：Udc(t)/|Uin(t)|＝1/1-d(t)，其中Udc(t)代表输出直流电压，Uin(t)代表输出直流电压，Uin(t)代表交流输入电压，d(t)代表功率开关的占空比函数；
得d(t)＝1-|Uin(t)|/Udc(t)，引申为d(t)＝1-k·iL，其中k为输入电流幅值调节可变系数，iL代表电感电流；
在输入交流电压有效值、输出功率不断变化时，k值一直处于变化中；当输入交流电压有效值不变、输出功率变化已知的情况下，k值可以实时计算出来；输出功率为Udc*Idc，输入功率为220*Iac；220η*Iac＝Udc*Idc；输出功率增加时，输出电流成比例增加，输入电流成比例增加，k值相应减少，占空比总体水平增加；直接计算占空比，而且无需检测交流输入电压和直流输出电压。
本实用新型的有益效果在于：本实用新型提出的简化单相有源功率因数校正电路，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、输出电压、电感电流以及功率开关占空比之间的相互关系，设计制作了全新的无需交流侧与直流侧电压检测、直接计算占空比的数字设计方案，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，尤其适用于输入交流电压恒定的大功率变频空调的APFC。
附图说明
图1为本实用新型系统的电路原理图。
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。
实施例一
请参阅图1，本实用新型揭示了一种简化单相有源功率因数校正电路，所述简化单相有源功率因数校正电路包括功率电路1和控制电路2。
功率电路1由四只电阻R1-R4、两只交流电容C1-C2、一只电解电容E1、一只快速恢复功率二极管D1和一只稳压二极管D2构成，整个电路构成一个典型的APFC功率电路。
控制电路2由检测部分、数控部分和驱动部分构成，其中，检测部分包括四只电阻R5-R9、两只交流电容C3、C4和一只运放A1；数控部分包括一个模数转换滤波程序ADC1、两个计算程序EQU1、EQU2和一个脉冲发生程序。驱动部分包括一个功率开关驱动器DRV1。
功率电路1中，整流桥B1前的两个交流输入端分别连接交流电容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，并与电感L1的一端相连，电感L1的另一端与功率二极管D1的阳极、交流电容C2的一端、功率开关S1的集电极共同相连，功率二极管D1的阴极与交流电容C2的一端、电解电容E1的正极以及直流输出正极相连。整流桥B1后的直流负极与电阻R1的另一端、电阻R2的一端、控制电路中电阻R5的一端相连，电阻R2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R3的一端相连后与电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端与控制电路中的驱动器DRV1的输出端相连，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。交流电容C2的另一端、电解电容E1的负极、直流输出负极接地。
控制电路2中，检测部分中，电阻R5的一端与电容C3的一端和电阻R6的一端相连，电容C3的另一端接地，电阻R6的另一端与电阻R7的一端相连后与运放A1的反相输入端相连，电阻R7的另一端与运放A1的输出端和电阻R9的一端相连，电阻R8的一端与运放A1的非反相输入端相连，电阻R8的另一端接地，电阻R9的另一端与电容C4的一端和模数转换滤波程序ADC1的入口相连。模数转换滤波程序ADC1的出口与计算程序EQU1的入口和计算程序EQU2的第一入口相连，计算程序EQU1的出口与计算程序EQU2的第二入口相连，计算程序EQU2的出口与PWM发生程序GEN1入口相连，PWM发生程序GEN1的出口与PWM驱动器DRV1输入端相连，PWM驱动器DRV1输出端与功率电路中电阻R4的一端相连。
本实用新型的工作原理为：
(1)控制电路2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：Udc(t)/|Uin(t)|＝1/1-d(t)，其中Udc(t)代表输出直流电压，Uin(t)代表输出直流电压，Uin(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(t)＝1-|Uin(t)|/Udc(t)，可以引申为d(t)＝1-k·iL，其中k为输入电流幅值调节可变系数，iL代表电感电流。在输入交流电压有效值、输出功率不断变化时，k值一直处于变化中。当输入交流电压有效值不变、输出功率变化已知的情况下，k值可以实时计算出来。输出功率为Udc*Idc，输入功率为220*Iac。220η*Iac＝Udc*Idc。输出功率增加时，输出电流成比例增加，输入电流成比例增加，k值相应减少，占空比总体水平增加。对于车载电源、光伏发电、数码发电等领域，可以获得稳定的交流电压有效值，因此可以直接计算占空比，而且无需检测交流输入电压和直流输出电压。另外，这种直接计算占空比的控制算法同时适用于交流正弦电压输入和交流方波电压输入两种情况。
控制电路由三个组成部分：检测部分中，电阻R5-R9、交流电容C3-C4、运放A1完成对电感电流瞬时值的检测和误差放大，可以判断电网是否过流和过载。控制部分中，模数转换滤波程序ADC1完成对电感电流的模数转换和滤波，所得结果作为判断系数k的计算公式1依据，进而作为计算公式2，即d(t)＝1-k·iL的依据，最后利用PWM发生程序根据占空比函数实时计算出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。电阻R2的阻值为mΩ级。
(2)功率电路1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、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，从而构成简化单相有源功率因数校正电路。工作原理的实质是：控制电路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、运放均要求具有较高精度；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R1取47kΩ，电阻R2取10mΩ，电阻R3取20kΩ，电阻R4取3.3-47Ω，电阻R5取1kΩ，电阻R6取10kΩ，电阻R7取100kΩ。电阻R8取10kΩ，电阻R9取1kΩ。交流电容C1取0.47μF，交流电容C2取0.22μF，交流电容C3取1nF，交流电容C4取1nF。电感L1取0.5mH-5.0mH。运放A1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。
综上所述，本实用新型提出的简化单相有源功率因数校正电路，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、输出电压、电感电流以及功率开关占空比之间的相互关系，设计制作了全新的无需交流侧与直流侧电压检测、直接计算占空比的数字设计方案，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，尤其适用于输入交流电压恒定的大功率变频空调的APFC。
实施例二
请参阅图1，本实用新型简化单相有源功率因数校正电路包括功率电路1和控制电路2。
其中，功率电路1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2中，包括三个组成部分：检测部分，数控部分和驱动部分。检测部分完成检测分流电阻电压(反映电感电流)，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，根据系数计算公式和占空比函数计算公式直接得到功率开关的占空比，并利用脉冲发生器产生PWM脉冲信号，驱动部分的驱动器最终产生PWM驱动脉冲。
本实用新型所述的功率电路由1相交流电源、4只电阻、2只交流交流电容、1只电解电容、1只功率二极管、1只稳压二极管构成，属于典型的有桥的APFC功率电路，其中整流桥前的两个交流输入端分别连接第一只交流电容的两端，并与交流电源的两端相连。整流桥后的直流正极与第一只电阻的一端相连，并与第一只电感的一端相连，第一只电感的另一端与第一只功率二极管的阳极、第一只功率开关的集电极共同相连，第一只功率二极管的阴极与第一只交流交流电容的一端、第一只电解电容的正极以及直流输出正极相连。整流桥后的直流负极与第一只电阻的另一端、第二只电阻的一端、控制电路中第五只电阻的一端相连，第二只电阻的另一端接地。第一只功率开关的门极与第一只稳压二极管的阴极、第三只电阻的一端相连后与第四只电阻的一端相连，第四只电阻的另一端与控制电路中的PWM驱动器输出端相连，第一只功率开关的发射极、第一只稳压二极管的阳极、第三只电阻的另一端分别接地。第二只交流电容的另一端、第一只电解电容的负极接地，作为直流输出负极相连。
本实用新型所述的控制电路由三个组成部分构成：检测部分、数控部分和驱动部分，其中，检测部分包括5只电阻、2只交流交流电容和1只运放；数控部分包括1个模数转换滤波程序、2个计算公式和1个PWM发生程序；驱动部分包括1只功率开关驱动器。检测部分中，第五只电阻的一端与第六只电阻的一端相连后与第三只交流交流电容的一端相连，第六只电阻的另一端与第七只电阻的一端相连后与第一只运放的反相输入端相连，第八只电阻的一端与第一只运放的非反相输入端相连，第七只电阻的另一端分别与第九只电阻的一端和第一只运放的输出端，第九只电阻的另一端与第四只交流交流电容的一端相连后与第一只模数转换滤波程序的入口相连，第三只交流交流电容的另一端、第四只交流交流电容的另一端、第八只电阻的另一端分别接地。第一只模数转换滤波程序的出口分别与第一计算公式的入口和第二计算公式的第一入口相连，第一计算公式的出口与第二计算公式的第二入口相连，第二计算公式的出口与第一只PWM发生程序入口相连，第一只PWM发生程序出口与第一只PWM驱动器输入端相连，第一只PWM驱动器输出端与功率电路中第四只电阻的一端相连。
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它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、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它变形和改变。
Claims (5)
1.一种简化单相有源功率因数校正电路，其特征在于，所述校正电路包括功率电路和控制电路；
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，控制功率开管的开通与关断，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；
所述控制电路包括检测单元、数控单元和驱动单元；检测单元完成检测分流电阻电压；数控单元完成对其进行模数转换，在计算出电感电流幅值之后，根据系数计算公式和占空比函数计算公式直接得到功率开关的占空比，并利用脉冲发生器产生PWM脉冲信号；驱动单元的驱动器最终产生PWM驱动脉冲。
2.根据权利要求1所述的简化单相有源功率因数校正电路，其特征在于：
所述功率电路包括交流电源VS1、整流桥B1、四只电阻R1、R2、R3、R4、交流电容C1、C2、电感L1、电解电容E1、快速恢复功率二极管D1、稳压二极管D2，整个电路构成一个APFC功率电路；
其中，整流桥B1前的两个交流输入端分别连接交流电容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，并与电感L1的一端相连，电感L1的另一端与功率二极管D1的阳极、交流电容C2的一端、功率开关S1的集电极共同相连，功率二极管D1的阴极与交流电容C2的一端、电解电容E1的正极以及直流输出正极相连；
整流桥B1后的直流负极与电阻R1的另一端、电阻R2的一端、控制电路中电阻R5的一端相连，电阻R2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R3的一端相连后与电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端与控制电路中的驱动器DRV1的输出端相连，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；交流电容C2的另一端、电解电容E1的负极、直流输出负极接地。
3.根据权利要求2所述的简化单相有源功率因数校正电路，其特征在于：
所述功率电路中，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，供等效负载使用。
4.根据权利要求1所述的简化单相有源功率因数校正电路，其特征在于：所述检测单元包括电阻R5、R6、R7、R8、R9，交流交流电容C3、C4及运放A1；
所述数控单元包括模数转换滤波程序ADC1，2个计算程序EQU1、EQU2及PWM发生程序GEN1；
所述驱动单元包括PWM驱动器DRV1；
电阻R5的一端与电容C3的一端和电阻R6的一端相连，电容C3的另一端接地，电阻R6的另一端与电阻R7的一端相连后与运放A1的反相输入端相连，电阻R7的另一端与运放A1的输出端和电阻R9的一端相连，电阻R8的一端与运放A1的非反相输入端相连，电阻R8的另一端接地，电阻R9的另一端与电容C4的一端和模数转换滤波程序ADC1的入口相连；
模数转换滤波程序ADC1的出口与计算程序EQU1的入口和计算程序EQU2的第一入口相连，计算程序EQU1的出口与计算程序EQU2的第二入口相连，计算程序EQU2的出口与PWM发生程序GEN1入口相连，PWM发生程序GEN1的出口与PWM驱动器DRV1输入端相连，PWM驱动器DRV1输出端与功率电路中电阻R4的一端相连。
5.根据权利要求4所述的简化单相有源功率因数校正电路，其特征在于：
所述检测单元中，电阻R5、R6、R7、R8、R9、交流电容C 3、C4、运放A1完成对电感电流瞬时值的检测和误差放大，判断电网是否过流和过载；
数控单元中，模数转换滤波程序ADC1完成对电感电流的模数转换和滤波，所得结果作为判断系数k的计算程序EQU1依据，进而作为计算程序EQU2的依据，最后利用PWM发生程序根据占空比函数实时计算出PWM脉冲信号。
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