專利名稱：近似開環(huán)控制的交錯功率因數(shù)校正器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種電力電子技術(shù)領(lǐng)域的功率因數(shù)校正器，具體是一種近似開環(huán)控制的交錯功率因數(shù)校正器。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的單位輸入功率因數(shù)AC-DC變換器，一般采用單相PFC (Power Factor Correction，功率因數(shù)校正)電路，需要檢測輸入電壓、輸出電壓和電感電流，形成前饋與反饋的雙閉環(huán)控制，以實現(xiàn)單位輸入功率因數(shù)的要求。隨著大功率電路的發(fā)展，對于器件的耐壓耐流能力提出了更高的要求。傳統(tǒng)的單位輸入功率因數(shù)AC-DC變換器，雖然功能齊全，性能較高，但控制繁瑣，成本較高，耐壓耐流能力有限，不適合大功率的場合。經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，“大功率單相數(shù)字APFC(Active Power Factor Correction，有源功率因數(shù)校正)的研究與實現(xiàn)”(上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009年1 月)、“新型控制策略的數(shù)字有源PFC的實現(xiàn)”(電力電子技術(shù)，2010年第2期第44卷)、中國專利號200410009471. 5，發(fā)明名稱新型控制策略的數(shù)字有源PFC的實現(xiàn)和中國專利申請?zhí)?00810146300. 5，發(fā)明名稱空調(diào)器PFC使能控制方法，所描述的PFC電路，需要檢測的量多，都需要檢測輸出電壓，電感電流等，特別是檢測電感的電流較為繁瑣，且需要輸入前饋和輸出反饋的雙閉環(huán)控制，造成控制復(fù)雜。在大功率場合，為滿足更高的功率等級要求，需要耐壓耐流能力更高的功率開關(guān)等器件，成本較高。傳統(tǒng)的閉環(huán)控制單相功率因數(shù)校正電路需要改善，如何設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單、功能全面、控制容易、成本低廉、性能完善的功率因數(shù)校正電路，已成為本領(lǐng)域技術(shù)人員需要解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種近似開環(huán)控制的交錯功率因數(shù)校正器，實現(xiàn)交流-直流變換，具有線性輸入阻抗，功率等級高，同時具有結(jié)構(gòu)簡單、控制容易和成本低廉的優(yōu)點。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括整流電路、輸入電壓檢測電路、 升壓電路、輸出檢測電路、電壓極性檢測電路和控制單元，其中整流電路、輸入電壓檢測電路、升壓電路和輸出檢測電路依次級聯(lián)，電壓極性檢測電路、輸入電壓檢測電路、升壓電路和輸出檢測電路分別與控制單元連接。所述的整流電路由兩個并聯(lián)的整流橋組成。所述的輸入電壓檢測電路包括由電阻實現(xiàn)的電壓采樣電路和濾波放大電路，其中電壓采樣電路分別與整流電路的輸出端和升壓電路并聯(lián)，濾波放大電路的一端與電壓采樣電路連接，濾波放大電路的另一端與控制單元連接。所述的升壓電路包括兩個分支增壓電路、兩個功率開關(guān)驅(qū)動電路和電解電容，其中第一分支增壓電路、第二分支增壓電路以及電解電容并聯(lián)，第一、第二分支增壓電路中的絕緣柵雙極型晶體管分別與第一、第二功率開關(guān)驅(qū)動電路的一端連接，第一、第二功率開關(guān)驅(qū)動電路的另一端分別與控制單元的增強型脈沖寬度調(diào)制單元連接。所述的分支增壓電路包括電感、快速恢復(fù)二極管、絕緣柵雙極型晶體管和電阻， 其中絕緣柵雙極型晶體管的柵極與開關(guān)驅(qū)動電路連接，絕緣柵雙極型晶體管的集電極分別與二極管的陽極和電感的一端連接，絕緣柵雙極型晶體管的發(fā)射極與電阻連接接地。所述的輸出檢測電路包括兩個濾波放大電路、均由電組實現(xiàn)的電壓采樣電路和電流采樣電路，其中電壓采樣電路與升壓電路的增壓電路并聯(lián)，電壓采樣電路與電流采樣電路串聯(lián)后跨接于輸出檢測電路的輸出端，電壓采樣電路、電流采樣電路分別通過第一、第二濾波放大電路與控制單元的芯片TMS320F28335的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元連接。所述的電壓極性檢測電路包括差分電路、RC濾波電路和兩個均由電阻實現(xiàn)的分壓電路，其中差分電路的電容兩端分別與兩個分壓電路連接，兩個分壓電路并聯(lián)，差分電路的輸出端與RC濾波電路連接，RC濾波電路的電容與控制單元的芯片TMS320F28335的增強型捕獲單元連接。所述的差分電路包括運算放大器、兩個二極管和電容，其中極性相反的第一、 第二二極管以及電容均并聯(lián)于運算放大器的正向輸入端、反向輸入端，電容設(shè)置于差分電路的輸入端。所述的控制單元包括模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、增強型脈沖寬度調(diào)制單元、增強型捕獲單元和運算程序，其中捕獲單元根據(jù)ECAPl輸入口的電平值判斷輸入電壓極性和計算輸入電壓角頻率，ADC轉(zhuǎn)換單元包括輸入電壓瞬時絕對值、輸出電壓瞬時值和輸出電流瞬時值的轉(zhuǎn)換，根據(jù)上述信息，運算程序負責(zé)完成電感電流合成、輸出等效阻抗、輸出電壓給定與輸入電壓瞬時絕對值的比Kd及等效電感量的計算。增強型脈沖寬度調(diào)制單元負責(zé)產(chǎn)生兩路相差180°的PWM脈沖。如圖1所示，根據(jù)占空比與各采樣值和給定值的數(shù)學(xué)關(guān)系，設(shè)置各個所需控制器和寄存器的值。本發(fā)明通過以下方式進行工作整流電路將工頻交流電壓轉(zhuǎn)換為全波輸出電壓， 升壓電路實現(xiàn)阻抗匹配以達到單位輸入功率因數(shù)特征，且通過儲能電容實現(xiàn)穩(wěn)定的電壓輸出，電壓極性檢測電路檢測輸入電壓的極性和判斷輸入電壓的頻率，輸入電壓檢測電路檢測輸入電壓瞬時絕對值，輸出檢測電路檢測輸出電壓和電流的瞬時值，以達到計算輸出實時等效阻抗的目的，控制單元根據(jù)輸入電壓瞬時值、輸入電壓角頻率、輸入電壓極性、輸出等效阻抗值、升壓電路電感值、交錯級數(shù)、輸出參考電壓與脈沖占空比的數(shù)學(xué)邏輯關(guān)系，產(chǎn)生所需相位相差180°的交錯PWM(Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制)脈沖，并且設(shè)置過流均流保護的功能，整個電路無真正意義上傳統(tǒng)功率校正器的閉環(huán)控制，能夠視為一種近似開環(huán)的控制方式，本發(fā)明的控制單元中的增強型捕獲單元根據(jù)輸入的電平值判斷輸入電壓極性和計算輸入電壓角頻率，模數(shù)轉(zhuǎn)換單元包括輸入電壓瞬時絕對值、輸出電壓瞬時值和輸出電流瞬時值的轉(zhuǎn)換，完成輸出等效阻抗、輸出電壓給定與輸入電壓瞬時絕對值的比Kd及等效電感量的計算，根據(jù)占空比與各采樣值和給定值的數(shù)學(xué)關(guān)系，設(shè)置各個寄存器的值。本發(fā)明采用兩個整流橋并聯(lián)結(jié)構(gòu)、兩相交錯分支增壓電路，提高了電路的功率等級，克服了單相PFC電路的缺點，解決了大功率場合的需要。此外，運用軟件實現(xiàn)近似開環(huán)的數(shù)字控制，無需檢測電感電流及構(gòu)成電壓電流雙閉環(huán)控制，解決了控制復(fù)雜的問題。具有
4設(shè)計構(gòu)思新穎、通用性強等特征，同時具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的優(yōu)點。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為整流電路和電壓極性檢測電路示意圖。圖3為升壓電路、輸入電壓檢測電路和輸出檢測電路示意圖。圖4為控制單元示意圖。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。實施例如圖1所示，本實施例包括整流電路1、升壓電路2、電壓極性檢測電路3、輸入電壓檢測電路4、輸出檢測電路5和控制單元6部分，其中整流電路1和電壓極性檢測電路 3均與輸入交流電壓端相連，整流電路1、輸入電壓檢測電路4、升壓電路2和輸出檢測電路 5依次級聯(lián)，電壓極性檢測電路3、輸入電壓檢測電路4、升壓電路2和輸出檢測電路5分別與控制單元6連接。所述的整流電路1由并聯(lián)的第一整流橋Bi、第二整流橋B2、電容Cl、電容C2組成。所述的輸入電壓檢測電路4包括由第一電阻Rl、第二電阻R2和第三電阻R3組成的電壓采樣電路和濾波放大電路，其中電壓采樣電路的第一電阻R1、第二電阻R2和第三電阻R3串聯(lián)后分別與整流電路的輸出端和升壓電路的第一分支增壓電路并聯(lián)，采樣R3 上的電壓連接濾波放大電路的一端，濾波放大電路的另一端與控制單元的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元連接。所述的升壓電路包括第一分支增壓電路、第二分支增壓電路、第一功率開關(guān)驅(qū)動電路DR1、第二功率開關(guān)驅(qū)動電路DR2和電解電容E1，其中第一分支增壓電路、第二分支增壓電路以及電解電容El并聯(lián)，第一、第二分支增壓電路中的第一絕緣柵雙極型晶體管Si、 第二絕緣柵雙極型晶體管S2分別與第一功率開關(guān)驅(qū)動電路DR1、第二功率開關(guān)驅(qū)動電路 DR2的一端連接，第一功率開關(guān)驅(qū)動電路DR1、第二功率開關(guān)驅(qū)動電路DR2的另一端分別與控制單元的芯片TMS320F28335的增強型脈沖寬度調(diào)制單元連接。所述的第一分支增壓電路包括電感Li、快速恢復(fù)二極管D1、絕緣柵雙極型晶體管Sl和電阻R4，其中第一絕緣柵雙極型晶體管Sl的柵極與第一功率開關(guān)驅(qū)動電路DRl連接，第一絕緣柵雙極型晶體管Sl的集電極分別與二極管Dl的陽極和電感的一端連接，第一絕緣柵雙極型晶體管Sl的發(fā)射極與電阻R4連接接地。所述的第二分支增壓電路包括電感L2、快速恢復(fù)二極管D2、絕緣柵雙極型晶體管S2和電阻R5，其中第一絕緣柵雙極型晶體管S2的柵極與第一功率開關(guān)驅(qū)動電路DR2連接，第一絕緣柵雙極型晶體管S2的集電極分別與二極管D2的陽極和電感的一端連接，第一絕緣柵雙極型晶體管S2的發(fā)射極與電阻R5連接接地。所述的輸出檢測電路5包括第一濾波放大電路、第二濾波放大電路、由電阻R7、R8、R9組成的電壓采樣電路和由R16構(gòu)成的電流采樣電路，其中電壓采樣電路的電阻 R7、R8、R9串聯(lián)后與升壓電路的第二分支增壓電路并聯(lián)，電阻R7、R8、R9和R16串聯(lián)后跨接于輸出檢測電路的輸出端，采樣R9上的電壓通過第一濾波放大電路與控制單元的芯片 TMS320F28335的ADC)單元連接，采樣流過R16的電流通過第二濾波放大電路與控制單元的芯片TMS320F28335的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元連接。所述的電壓極性檢測電路3包括差分電路、RC濾波電路、由電阻R10、R12和R14 組成的第一分壓電路和由電阻Rll、R13和R15組成的第二分壓電路，其中差分電路的電容C3兩端分別與第一分壓電路和第二分壓電路連接，第一分壓電路和第二分壓電路并聯(lián)， 差分電路的輸出端與RC濾波電路R6、C4連接，RC濾波電路的電容C4與控制單元的增強型捕獲單元連接。所述的差分電路包括運算放大器Al、第一二極管D3、第二二極管D4和電容C3， 其中其中極性相反的第一二極管D3、第二二極管D4以及電容C3均并聯(lián)于運算放大器Al 的正向輸入端、反向輸入端，第一二極管D3的陽極分別連接電阻R13和R15，第一二極管D3 的陰極分別連接電阻R12和R14，第二二極管D4的陽極分別連接電阻R12和R14，第二二極管D4的陰極分別連接電阻R13和R15，電容C3設(shè)置于差分電路的輸入端。所述的控制單元6采用TI公司的芯片TMS320F28335，其中所述的芯片 TMS320F283356包括模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、增強型脈沖寬度調(diào)制單元和增強型捕獲單元。電壓極性檢測電路3將判斷輸入交流電壓的正負極性及頻率，整流電路1輸入該工頻交流電壓，輸出全波電壓，輸入電壓檢測電路4通過電阻分壓實時檢測通過整流器后的輸入電壓瞬時值，升壓電路2起到阻抗匹配作用，反映到整個近似開環(huán)控制的交錯功率因數(shù)校正器的輸入端，呈現(xiàn)單位輸入功率因數(shù)特征，輸出檢測電路5實時檢測輸出電壓和輸出電流的瞬時值，以求得輸出阻抗實時值，控制單元6根據(jù)檢測到的各種瞬時值和給定值，合成電感電流，通過其與占空比的數(shù)學(xué)關(guān)系，修改相應(yīng)的寄存器，給出升壓電路功率開關(guān)的PWM脈沖控制信號。所述的升壓電路2采用相位相差180°的交錯PWM脈沖信號分別驅(qū)動各自的功率開關(guān)，形成兩相交錯升壓電路2，并且實現(xiàn)阻抗匹配以達到產(chǎn)生單位輸入功率因數(shù)的目的， 同時電容濾去電壓紋波實現(xiàn)穩(wěn)定的直流電壓輸出。電壓極性檢測電路3中的帶滯環(huán)比較環(huán)節(jié)的差分電路能夠防止輸入差模信號幅度過大而造成器件損壞，而且通過各自的電阻分壓電路與交流輸入的兩端相連，當(dāng)運放的正端電壓高于負端電壓時，輸出為正電平，反之為零，即在輸入電壓正半周時，輸出為正電平，負半周時輸出為零，濾波電路能夠濾去滯環(huán)比較后輸出波形的毛刺。所述的輸出檢測電路5檢測輸出電壓和電流的瞬時值，以達到計算輸出實時等效阻抗的目的。所述的控制單元6采用TI公司的TMS320F28335控制芯片，根據(jù)輸入電壓瞬時值、 輸入電壓角頻率、輸入電壓極性、輸出等效阻抗值、輸出參考電壓、升壓電路等效電感值等的數(shù)學(xué)關(guān)系計算出實時占空比，產(chǎn)生相位相差180ο的交錯PWM脈沖，給出升壓電路功率開關(guān)的控制信號，實現(xiàn)近似開環(huán)控制單位輸入功率因數(shù)的目的。同時設(shè)置了過流均流保護環(huán)節(jié)，此環(huán)節(jié)采樣兩相分支增壓電路功率開關(guān)上的電流，當(dāng)采樣值過大或差值超過一定范圍時，都將停止脈沖的產(chǎn)生。
權(quán)利要求
1.一種近似開環(huán)控制的交錯功率因數(shù)校正器，包括整流電路、輸入電壓檢測電路、升壓電路、輸出檢測電路、電壓極性檢測電路和控制單元，其特征在于，其中整流電路、輸入電壓檢測電路、升壓電路和輸出檢測電路依次級聯(lián)，電壓極性檢測電路、輸入電壓檢測電路、升壓電路和輸出檢測電路分別與控制單元連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近似開環(huán)控制的交錯功率因數(shù)校正器，其特征是，所述的整流電路由兩個并聯(lián)的整流橋組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近似開環(huán)控制的交錯功率因數(shù)校正器，其特征是，所述的輸入電壓檢測電路包括由電阻實現(xiàn)的電壓采樣電路和濾波放大電路，其中電壓采樣電路分別與整流電路的輸出端和升壓電路的第一分支增壓電路并聯(lián)，濾波放大電路的一端與電壓采樣電路連接，濾波放大電路的另一端與控制單元的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近似開環(huán)控制的交錯功率因數(shù)校正器，其特征是，所述的升壓電路包括兩個分支增壓電路、兩個功率開關(guān)驅(qū)動電路和電解電容，其中第一分支增壓電路、第二分支增壓電路以及電解電容并聯(lián)，第一、第二分支增壓電路中的絕緣柵雙極型晶體管分別與第一、第二功率開關(guān)驅(qū)動電路的一端連接，第一、第二功率開關(guān)驅(qū)動電路的另一端分別與控制單元的增強型脈沖寬度調(diào)制單元連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的近似開環(huán)控制的交錯功率因數(shù)校正器，其特征是，所述的分支增壓電路包括電感、快速恢復(fù)二極管、絕緣柵雙極型晶體管和電阻，其中絕緣柵雙極型晶體管的柵極與第一功率開關(guān)驅(qū)動電路連接，絕緣柵雙極型晶體管的集電極分別與二極管的陽極和電感的一端連接，絕緣柵雙極型晶體管的發(fā)射極與電阻連接接地。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近似開環(huán)控制的交錯功率因數(shù)校正器，其特征是，所述的輸出檢測電路包括兩個濾波放大電路、均由電組實現(xiàn)的電壓采樣電路和電流采樣電路，其中電壓采樣電路與升壓電路的第二分支增壓電路并聯(lián)，電壓采樣電路與電流采樣電路串聯(lián)后跨接于輸出檢測電路的輸出端，電壓采樣電路、電流采樣電路分別通過第一、第二濾波放大電路與控制單元的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近似開環(huán)控制的交錯功率因數(shù)校正器，其特征是，所述的電壓極性檢測電路包括差分電路、RC濾波電路和兩個均由電阻實現(xiàn)的分壓電路，其中差分電路的電容兩端分別與兩個分壓電路連接，兩個分壓電路并聯(lián)，差分電路的輸出端與RC濾波電路連接，RC濾波電路的電容與控制單元的增強型捕獲單元連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的近似開環(huán)控制的交錯功率因數(shù)校正器，其特征是，所述的差分電路包括運算放大器、兩個二極管和電容，其中極性相反的第一、第二二極管以及電容均并聯(lián)于運算放大器的正向輸入端、反向輸入端，電容設(shè)置于差分電路的輸入端。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近似開環(huán)控制的交錯功率因數(shù)校正器，其特征是，所述的控制單元包括模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、增強型脈沖寬度調(diào)制單元、增強型捕獲單元，其中捕獲單元根據(jù)ECAPl輸入口的電平值判斷輸入電壓極性和計算輸入電壓角頻率，ADC轉(zhuǎn)換單元包括輸入電壓瞬時絕對值、輸出電壓瞬時值和輸出電流瞬時值的轉(zhuǎn)換，根據(jù)上述信息，運算程序負責(zé)完成電感電流合成、輸出等效阻抗、輸出電壓給定與輸入電壓瞬時絕對值的比Kd及等效電感量的計算。增強型脈沖寬度調(diào)制單元負責(zé)產(chǎn)生兩路相差180°的PWM脈沖。根據(jù)占空比與各采樣值和給定值的數(shù)學(xué)關(guān)系，設(shè)置各個所需控制器和寄存器的值。
全文摘要
一種電力電子技術(shù)領(lǐng)域的近似開環(huán)控制的交錯功率因數(shù)校正器，包括整流電路、輸入電壓檢測電路、升壓電路、輸出檢測電路、電壓極性檢測電路和控制單元，整流電路、輸入電壓檢測電路、升壓電路和輸出檢測電路依次級聯(lián)，電壓極性檢測電路、輸入電壓檢測電路、升壓電路和輸出檢測電路分別與控制單元連接，本發(fā)明實現(xiàn)交流-直流變換，具有線性輸入阻抗，功率等級高，同時具有結(jié)構(gòu)簡單、控制容易和成本低廉的優(yōu)點。
文檔編號H02M3/155GK102170221SQ20111009939
公開日2011年8月31日 申請日期2011年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月20日
發(fā)明者曹中圣, 楊喜軍, 江劍鋒, 王虎, 蔣婷 申請人:上海交通大學(xué)