專利名稱：直接設定直流輸出電壓的單相功率因數(shù)校正數(shù)字電路的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種單相功率因數(shù)校正數(shù)字電路，特別涉及一種直接設定直流輸出電壓 的單相功率因數(shù)校正數(shù)字電路。
背景技術：
截至目前，單相有源功率因數(shù)校正(APFC)技術得到了廣泛和深入的發(fā)展和應用，帶來 了可觀的經(jīng)濟效益和社會效益，其應用領域日益擴大，功率范圍也日益提高，甚至出現(xiàn)輸入 電流接近40A的實際應用。隨著微控制器技術的發(fā)展以及數(shù)字控制的靈活性和可塑性，僅年來， 數(shù)字APFC技術也得到了相應發(fā)展和具體應用，同時也促生了多種新的APFC控制算法的出現(xiàn)。 然而，不論模擬APFC還是數(shù)字APFC，縱觀全部現(xiàn)有的控制算法，都需要對APFC直流輸出電壓 進行實時檢測，并將所得電壓的信息作為一種控制的信號來源。此外，實時檢測直流輸出電 壓的目的也在于用作輸出電壓的閉環(huán)控制和監(jiān)視輸出電壓是否欠壓和過壓，如此就增加了硬 件成本和控制的復雜程度。
因此，如何簡化現(xiàn)有APFC電路的結構并能獲得良好的校正效果實已成為本領域技術人員 亟待解決的技術課題。
實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的在于提供一種直接設定直流輸出電壓的單相功率因數(shù)校正數(shù)字電路， 具有結構簡單、成本低廉、靈活性強、校正效果佳之優(yōu)點，適用所有APFC的應用場合。
為了達到上述目的及其他目的，本實用新型的直接設定直流輸出電壓的單相功率因數(shù)校 正數(shù)字電路包括由受接入的單相交流輸入電壓控制的功率管、因所述功率管的通斷而相應 進行充放電的電感、與所述電感相串聯(lián)并與所述功率管共同作用使輸出直流電壓近于恒定的 電解電容、及與所述電感相串聯(lián)的分流電阻等部件構成的功率電路、包括與所述分流電阻相 連接的電阻、及與所述電阻相連接且用于測量所述分流電阻的瞬時電壓的運放的分流電阻檢 測單元、用于將所述分流電阻檢測單元測量出的所述電壓進行模數(shù)轉(zhuǎn)換的第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器、 用于設定所述功率電路的輸出直流電壓，并根據(jù)所述功率電路輸入的單相交流電壓、所設定 的輸出直流電壓和所述第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換得到的結果計算占空比的處理器、用于根據(jù)所述 處理器所計算出的占空比產(chǎn)生相應PWM脈沖的定時器、以及用于根據(jù)所述定時器所產(chǎn)生的PWM脈沖驅(qū)動所述功率管的通斷的驅(qū)動器。
此外，所述直接設定直流輸出電壓的單相功率因數(shù)校正數(shù)字電路還可包括用于測量所 述功率電路輸入的單相交流電壓瞬時值的輸入電壓檢測單元、及用于將所述輸入電壓檢測單 元測量的交流電壓瞬時值進行模數(shù)轉(zhuǎn)換且將轉(zhuǎn)換后的結果送入所述處理器的第二模數(shù)轉(zhuǎn)換 器。
較佳地，所述處理器為按照^)"^"t)l計算占空比的處理器，其中，W)為占空比， * 一關
'|l' (t)|Ud。(t) ， Um(t)為所述輸出直流電壓，U'力)為輸入的單相交流電壓或所述第二模數(shù)轉(zhuǎn)換
器的轉(zhuǎn)換結果，L(t)為所述第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換得到的結果，所述u'"(t)和^(t)采用有效值或
平均值。
較佳地，所述驅(qū)動器可為推挽驅(qū)動器，所述功率電路可為有橋或無橋電路。 再者，所述直接設定直流輸出電壓的單相功率因數(shù)校正數(shù)字電路還可包括用于根據(jù)所 述第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結果判斷所述功率電路的輸入的單相交流電壓是否過壓和欠壓，并 將判斷結果送入所述定時器以調(diào)整所產(chǎn)生的PWM脈沖的過壓欠壓判斷單元；以及用于根據(jù)所 述第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結果判斷所述功率電路的電流是否過流，并將判斷結果送入所述定 時器以調(diào)整所產(chǎn)生的PWM脈沖的過流判斷單元。
綜上所述，本實用新型的直接設定直流輸出電壓的單相功率因數(shù)校正數(shù)字電路通過直接 對直流輸出電壓的設定可有效簡化電路，避免了對直流輸出電壓的檢測，同時使功率的校正 不受輸出電壓的影響，因而具有良好的負載調(diào)整率和魯棒性。
圖1為本實用新型的直接設定直流輸出電壓的單相功率因數(shù)校正數(shù)字電路的電路結構示 意圖。
具體實施方式
請參閱圖l，本實用新型的直接設定直流輸出電壓的單相功率因數(shù)校正數(shù)字電路包括功 率電路2、分流電阻檢測單元、第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC1、輸入電壓檢測單元、第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC2、處理器、定時器、驅(qū)動器、過壓欠壓判斷單元、及過流判斷單元。
所述功率電路2包括整流橋B1、電阻R1、 R2、 R3、分流電阻RS和等效負載電阻RL、電容C1 、 C2、 C3和C4、電解電容E1、快速恢復功率二極管FRD1、穩(wěn)壓二極管ZD1、及功率管
Sl，其為典型的APFC功率電路。其中，整流橋B1的兩個交流輸入端分別連接電容C1的兩端，
并與接入的單相交流電源VS的兩端相連。整流橋B1的直流正極與電阻R1的一端相連，并與
電感Ll的一端相連，電感Ll的另一端與功率二極管FRD1的陽極、電容C2的一端、功率管
Sl的集電極共同相連，功率二極管FRD1的陰極與電容C2的另一端相連后與電容C3的一端、
電解電容El的正極以及等效負載電阻RL的一端相連。整流橋Bl的直流負極與電阻Rl的另
一端、分流電阻RS的一端、電阻R3的一端相連，分流電阻RS的另一端接地。功率管Sl的
門極與穩(wěn)壓二極管ZD1的陰極、電阻R2的一端相連，功率管Sl的發(fā)射極、穩(wěn)壓二極管ZD1
的陽極、電阻R2的另一端分別接地。電阻R3的另一端與電容C4的一端相連，電容C4的另
一端接地，電容C3的另一端、電解電容E1的負極、等效負載RL電阻的另一端接地。分流電
阻RS的阻值為mQ級，整流橋后正弦半波的電阻降壓電路輸出為幾伏級，所述電解電容E1的
容值大，所述電感Ll的感抗大，其因所述功率管Sl的通斷而相應進行充放電，當受接入的
單相交流輸入電壓VS控制的功率管Sl的開關頻率足夠高時，所述功率電路的直流輸出電壓
即近似恒定值。此外，所述功率電路也可采用無橋電路。
所述分流電阻檢測單元與所述分流電阻RS相連接，用于測量所述分流電阻RS的瞬時電壓，
其包括運放A1及電阻R7、 R8、及R9，其中，電阻R7的一端與功率電路中電阻R3、電容C4的公
共端相連，其另一端與電阻R8的一端、運放A1的反相輸入端相連，電阻R8的另一端與運放A1
的輸出端相連后并與第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC1相連，電阻R9的一端與運放A1的同相輸入端相連，
其另一端接地。
所述第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC1用于將所述分流電阻檢測單元測量出的所述電壓進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。
所述輸入電壓檢測單元用于測量所述功率電路輸入的單相交流電壓瞬時值，其包括運放 A2及電阻R5、及R6，其中，電阻R5、 R6的一端相連后與運放A2的同相輸入端相連，電阻 R5另一端與所述功率電路2中整流橋Bl的正極相連，電阻R6的另一端與所述功率電路2中 整流橋B1和負極相連，運放A2的反相輸入端與其輸出端相連后，并與所述第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC2相連。
所述第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC2用于將所述輸入電壓檢測單元測量的單相交流電壓瞬時值進行 模數(shù)轉(zhuǎn)換且將轉(zhuǎn)換后的結果送入所述處理器。
所述處理器用于設定所述功率電路2的輸出直流電壓，其可根據(jù)所述輸入的單相交流電 壓來進行設定，即可設定為在所述輸入的單相交流電壓幅值的基礎上再增加一偏壓，所述偏壓值可為預設的恒定值，也可根據(jù)所述電感電流有效值來確定，還可根據(jù)所述輸入的單相交 流電壓幅值與所述電感電流有效值來確定。需注意的是，鑒于功率因數(shù)校正良好時，輸入電 流呈現(xiàn)正弦波形，而電網(wǎng)電壓本身近似為正弦波形，二者同步，另外由于電解電容E1的容值 大和電感Ll的感抗大，且功率管Sl的開關頻率足夠時，故功率電路2的直流輸出電壓的近 似恒定值，由此，所述輸出直流電壓設定單元可對輸出直流電壓進行設定，而無需對輸出直 流電壓進行檢測。所述處理器還用于根據(jù)所述功率電路輸入的單相交流電壓、所設定的輸出
直流電壓和所述第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換得到的結果計算占空比，其按照"w^一"^t)l計算占空
* . |uin(t)|
比，其中，W)為占空比，'1^(t)IUd。(t)， Um(t)為所述輸出直流電壓，Um(t)為輸入的單相交 流電壓或所述第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結果，^t)為所述第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換得到的結果，在
計算所述占空比時，所述u' (t)和L (t)可采用有效值或平均值。
所述定時器用于根據(jù)所述處理器所計算出的占空比產(chǎn)生相應PWM脈沖。 所述驅(qū)動器用于根據(jù)所述P定時器所產(chǎn)生的PWM脈沖驅(qū)動所述功率管S1的通斷，其可為推 挽驅(qū)動器。當PWM脈沖處于高電平時，所述驅(qū)動器驅(qū)動功率管S1導通，電源VS被短路，電感L1 電流上升，儲存能量；當PWM脈沖處于低電平時，功率管S1關斷，電源VS被斷開，電感L1電 流下降，電感L1將儲存能量的一部分通過功率二極管FRD1轉(zhuǎn)移到電解電容E1中，供等效負載 RL使用，由此功率電路最終能夠得到紋波電壓低、平均值穩(wěn)定的輸出直流電壓和與高正弦度 的交流電流，達到APFC的目的和目標。
所述過壓欠壓判斷單元用于根據(jù)所述第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC2的轉(zhuǎn)換結果判斷所述功率電路 2的輸入的單相交流電壓是否過壓和欠壓，并將判斷結果送入所述定時器以調(diào)整所產(chǎn)生的PWM 脈沖。
所述過流判斷單元用于根據(jù)所述第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC1的轉(zhuǎn)換結果判斷所述功率電路2的 電流是否過流，并將判斷結果送入所述定時器以調(diào)整所產(chǎn)生的PWM脈沖。
本實用新型的工作原理的實質(zhì)是根據(jù)單相功率因數(shù)校正器的工作原理和實質(zhì)，確定了功 率管的占空比函數(shù)，由此所述處理器通過計算得到功率管的占空比，再由定時器產(chǎn)生PWM驅(qū)動 脈沖，接著由驅(qū)動器將所產(chǎn)生的PWM驅(qū)動脈沖作用于功率電路，獲得APFC校正的良好效果。
給出部分電路元件的參數(shù):各電阻、運放均要求具有高精度，設定的輸出直流電壓為350V， 電阻R5取349kQ，電阻R6取lkQ，電阻R7取10kQ，電阻R8取10kQ，電阻R9取10kQ，電阻 RS取15mQ且無感，電阻R3取20Q，電容C4取lnF，運放A1和A2均選擇較高精度和滿幅值輸出的放大器。
此外，在本實施例中的電阻R5、電阻R6以及運放A2、第二模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、以及過壓欠壓 判斷單元可以省略，其提供的數(shù)值可用額定交流電壓220V的恒定數(shù)值代替，而使APFC具有輸 入電壓跟隨性能，不影響APFC的基本功能。
綜上所述，本實用新型的直接設定直流輸出電壓的單相功率因數(shù)校正數(shù)字電路通過測量 無感分流電阻RS的瞬時電壓即可獲得電感L1的電流的瞬時值，從而可以近似獲得電網(wǎng)電流的
有效值和平均值，同時基于設定的直流輸出電壓Ud。，就可以計算出功率管的占空比函數(shù)"W， 而無需檢測輸出直流電壓的瞬時值。由于所有的計算工作均采用數(shù)字控制方式完成，靈活性 強，開銷數(shù)字控制器的資源較少；此外，由于無需檢測和控制輸出直流電壓的取值，不受輸 出電壓的影響，因而具有良好的負載調(diào)整率和魯棒性；同時由于檢測輸入電壓有效值或平均 值，因而具有良好的電源調(diào)整率和抗干擾能力。
權利要求1.一種直接設定直流輸出電壓的單相功率因數(shù)校正數(shù)字電路，其特征在于包括功率電路，包括受接入的單相交流輸入電壓控制的功率管、因所述功率管的通斷而相應進行充放電的電感、與所述電感相串聯(lián)并與所述功率管共同作用使輸出直流電壓近于恒定的電解電容、及與所述電感相串聯(lián)的分流電阻；分流電阻檢測單元，包括與所述分流電阻相連接的電阻、及與所述電阻相連接且用于測量所述分流電阻的瞬時電壓的運放；第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于將所述分流電阻檢測單元測量出的所述電壓進行模數(shù)轉(zhuǎn)換；處理器，用于設定所述功率電路的輸出直流電壓，并根據(jù)所述功率電路輸入的單相交流電壓、所設定的輸出直流電壓和所述第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換得到的結果計算占空比；定時器，用于根據(jù)所述處理器所計算出的占空比產(chǎn)生相應PWM脈沖；驅(qū)動器，用于根據(jù)所述定時器所產(chǎn)生的PWM脈沖驅(qū)動所述功率管的通斷。
2. 如權利要求1所述的直接設定直流輸出電壓的單相功率因數(shù)校正數(shù)字電路，其特征在 于還包括用于測量所述功率電路輸入的單相交流電壓瞬時值的輸入電壓檢測單元、 及用于將所述輸入電壓檢測單元測量的交流電壓瞬時值進行模數(shù)轉(zhuǎn)換且將轉(zhuǎn)換后的 結果送入所述處理器的第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
3. 如權利要求1或2所述的直接設定直流輸出電壓的單相功率因數(shù)校正數(shù)字電路，其特征在于所述處理器為按照^)^AlUt)l計算占空比的處理器，其中，W)為占空比，* — K(t)l'^(t)IUa。(t) ， Um(t)為所述輸出直流電壓，Um(t)為輸入的單相交流電壓或所述第二 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結果，L(t)為所述第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換得到的結果，所述^(t)和L(t)采用有效值或平均值。
4. 如權利要求2所述的直接設定直流輸出電壓的單相功率因數(shù)校正數(shù)字電路，其特征在 于還包括用于根據(jù)所述第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結果判斷所述功率電路的輸入的單相 交流電壓是否過壓和欠壓，并將判斷結果送入所述定時器以調(diào)整所產(chǎn)生的PWM脈沖的 過壓欠壓判斷單元。
5. 如權利要求1所述的直接設定直流輸出電壓的單相功率因數(shù)校正數(shù)字電路，其特征在 于還包括用于根據(jù)所述第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結果判斷所述功率電路的電流是否過 流，并將判斷結果送入所述定時器以調(diào)整所產(chǎn)生的P麗脈沖的過流判斷單元。
6. 如權利要求1所述的直接設定直流輸出電壓的單相功率因數(shù)校正數(shù)字電路，其特征在于所述驅(qū)動器為推挽驅(qū)動器。
7.如權利要求1所述的直接設定直流輸出電壓的單相功率因數(shù)校正數(shù)字電路，其特征在 于所述功率電路為有橋及無橋電路中的一種。
專利摘要本實用新型的直接設定直流輸出電壓的單相功率因數(shù)校正數(shù)字電路包括功率電路、與所述功率電路的分流電阻相連接且用于測量所述分流電阻的瞬時電壓的分流電阻檢測單元、用于將測量出的所述電壓或電流進行模數(shù)轉(zhuǎn)換的第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器、用于設定功率電路的輸出直流電壓的輸出直流電壓設定單元、用于根據(jù)功率電路輸入的單相交流電壓、所設定的輸出直流電壓和所述第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換得到的結果計算占空比的處理器、用于根據(jù)所計算出的占空比產(chǎn)生相應PWM脈沖的定時器、以及用于根據(jù)所產(chǎn)生的PWM脈沖驅(qū)動功率電路的功率管的通斷的驅(qū)動器，由此可實現(xiàn)對功率的校正，同時由于無需對直流輸出電壓的檢測，可有效簡化電路。
文檔編號H02J3/18GK201328078SQ20082015474
公開日2009年10月14日 申請日期2008年10月31日 優(yōu)先權日2008年10月31日
發(fā)明者周文鳴, 俊 朱, 楊喜軍 申請人:上海誠躍電氣科技有限公司