專利名稱：完全開環(huán)控制的單級功率因數(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，具體是一種完全開環(huán) 控制的單級功率因數(shù)校正器。
背景技術(shù)：
隨著非線性負(fù)載的大量應(yīng)用，電網(wǎng)中的諧波污染日益加重，功率因數(shù)校正器的應(yīng) 用范圍也越來越廣。傳統(tǒng)功率因數(shù)校正器控制算法需要檢測大量電路信息，包括電感電 流、輸入交流電壓、輸入直流電壓和輸出直流電壓。而過多的傳感器和檢測電路在增加了電 路復(fù)雜度的同時也降低了系統(tǒng)的可靠性。無傳感器控制算法雖然可以在一定程度上減少傳 感器數(shù)量，提高系統(tǒng)可靠性，但是它需要根據(jù)已檢測到的電路信息來估計未檢測的電路信 息，控制算法復(fù)雜。因此，開環(huán)的功率因數(shù)校正器的研究已成為一個新的課題。主要追求的 目標(biāo)為簡化電路設(shè)計，減少檢測電路及傳感器數(shù)量同時能夠?qū)崿F(xiàn)在負(fù)載變化較大時，保證 單位功率因數(shù)。Francisco J. Azcondo, Angel de Castro, F. Javier Diaz 1,Oscar Garcia. Current Sensorless Power Factor Correction based on Digital Current Rebuilding(基于數(shù)字電流重構(gòu)的無電流傳感器PFC控制)；Wanfeng Zhang, Guang Feng,Yan-Fei Liu and Bin ffu. A Digital Power Factor Correction (PFC) Control Strategy Optimized for DSP(—種數(shù)字功率因數(shù)校正(PFC)控制策略)，提出了一種帶 輸入電壓前饋補償?shù)念A(yù)測算法來控制功率因數(shù)校正器工作Jokuo Ohnishi and Masahide Hojo. DC Voltage Sensorless Single-Phase PFC Converter (無需直流電壓傳感器的單相 PFC變換器)提出一種只需檢測交流輸入電壓不需檢測直流輸出電壓的功率因數(shù)校正器控 制方法，對某一固定負(fù)載適用，不能夠?qū)崟r調(diào)節(jié)。綜合以上，對單級無傳感器功率因數(shù)校正器現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，采用復(fù)雜的控 制算法來減少傳感器數(shù)量不易實現(xiàn)，而且一般是在已知輸出功率即功率因數(shù)校正器所帶負(fù) 載的情況下，設(shè)計實現(xiàn)控制算法的，無法應(yīng)對實際應(yīng)用中所出現(xiàn)的負(fù)載波動狀況。

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，提供一種完全開環(huán)控制的單級功率因數(shù)校 正器，使其能夠?qū)崿F(xiàn)單位輸入功率因數(shù)的交流-直流變換，電路的設(shè)計靈活，控制算法簡 單，成本低，并且能夠適應(yīng)負(fù)載的隨機變化，無論重載或輕載時，都能夠獲得較高的功率因數(shù)。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、升壓電路、電壓極性 檢測電路、輸出檢測電路和控制單元，其中整流電路、升壓電路和輸出檢測電路依次級聯(lián)， 電壓極性檢測電路、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。所述的升壓電路包括增壓變換器和電解電容，其中增壓變換器分別與電解電容并聯(lián)，電解電容接地，增壓變換器與控制單元連接。所述的增壓變換器包括升壓電感、二極管和絕緣柵雙極型晶體管，其中絕緣柵 雙極型晶體管的柵極與控制單元連接，絕緣柵雙極型晶體管的集電極分別與二極管的陽極 和升壓電感的一端連接，絕緣柵雙極型晶體管的發(fā)射極接地。所述的輸出檢測電路包括兩個濾波放大電路、均由電阻實現(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變換器并聯(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連接。所述的控制單元包括數(shù)字信號處理單元和絕緣柵雙極型晶體管驅(qū)動器，其中 絕緣柵雙極型晶體管驅(qū)動器分別與數(shù)字信號處理單元和升壓電路的增壓變換器連接。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，其中差分電路的運算放大器的正相輸入端通過第一分壓電路的第一電阻、第二電 阻接入輸入ACN端，該正向輸入端通過第一分壓電路的第三電阻接地，差分電路的運算放 大器的反相輸入端通過第二分壓電路的第八電阻、第九電阻接入輸入ACL端，該反向輸入 端通過第二分壓電路的第十電阻接地，RC濾波電路分別與差分電路的輸出端和控制單元連 接。所述的差分電路包括運算放大器、兩個二極管和電容，其中電容設(shè)置于差分電 路的輸入端，電容并聯(lián)于運算放大器的輸入端，第一、第二二極管以相反極性并聯(lián)于運算放 大器的輸入端。本發(fā)明通過以下方式進(jìn)行工作整流電路對輸入交流電流整流并且提供正弦半波 直流電壓，升壓電路對輸入正弦半波直流電壓斬波升壓后連接到電解電容兩端能夠輸出恒 定直流電壓，電壓極性檢測電路檢測交流輸入電壓的正負(fù)極性，輸出檢測電路檢測輸出電 壓和電流信號，提供負(fù)載信息，控制單元產(chǎn)生控制升壓電路中絕緣柵雙極型晶體管開通關(guān) 斷的PWM(Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制)信號。本發(fā)明根據(jù)開環(huán)控制和功率因數(shù)校正原理，利用較少的傳感器和檢測電路對功 率因數(shù)校正電路進(jìn)行開環(huán)控制，因此電路的設(shè)計更加簡單靈活，控制算法簡單，成本降低， 效率得以提升，并且能夠適應(yīng)負(fù)載的隨機變化，無論重載或輕載，都能夠獲得較高的功率因 數(shù)。


圖1為本發(fā)明的電路原理圖。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實施 例。實施例1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、輸出檢 測電路4和控制單元5，其中整流電路1、升壓電路2和輸出檢測電路4依次級聯(lián)，升壓電路2、電壓極性檢測電路3和輸出檢測電路4分別與控制單元連接。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組成。所述的升壓電路2包括增壓變換器和電解電容E1，其中增壓變換器分別與電解 電容El并聯(lián)，電解電容El接地，增壓變換器與控制單元5連接。所述的增壓變換器包括升壓電感Li、二極管Dl和絕緣柵雙極型晶體管Si，其中 絕緣柵雙極型晶體管Sl的柵極與控制單元5連接，絕緣柵雙極型晶體管Sl的集電極分別 與二極管Dl的陽極和升壓電感Ll的一端連接，絕緣柵雙極型晶體管Sl的發(fā)射極接地。所述的輸出檢測電路4包括第一濾波放大電路、第二濾波放大電路、由第四電阻 R4、第五電阻R5和第六電阻R6組成的電壓采樣電路和由第七電阻R7構(gòu)成的電流采樣電 路，其中電壓采樣電路的第四電阻R4、第五電阻R5和第六電阻R6串聯(lián)后與升壓電路的增 壓變換器并聯(lián)，第四電阻R4、第五電阻R5、第六電阻R6和第七電阻R7串聯(lián)后跨接于輸出檢 測電路的輸出端，采樣第六電阻R6兩端的電壓通過第一濾波放大電路與控制單元5連接， 采樣流過第七電阻R7的電流通過第二濾波放大電路與控制單元5連接。所述的控制單元5包括數(shù)字信號處理單元和絕緣柵雙極型晶體管驅(qū)動器DRl，其 中絕緣柵雙極型晶體管驅(qū)動器DRl分別與數(shù)字信號處理單元和升壓電路2的增壓變換器 連接。所述的電壓極性檢測電路4包括差分電路、RC濾波電路、由第一電阻Rl、第二電 阻R2和第三電阻R3組成的第一分壓電路和由第八電阻R8、第九電阻R9和第十電阻RlO組 成的第二分壓電路，其中差分電路的運算放大器的正向輸入端通過第一分壓電路的第一 電阻Rl、第二電阻R2接入輸入ACN端，該正向輸入端通過第一分壓電路的第三電阻R3接 地，差分電路的運算放大器的反向輸入端通過第二分壓電路的第八電阻R8、第九電阻R9接 入輸入ACL端，該反向輸入端通過第二分壓電路的第十電阻RlO接地，RC濾波電路分別與 差分電路的輸出端和控制單元5連接。所述的差分電路包括運算放大器U1、第一二極管D2、第二二極管D3和電容C3， 其中電容C3設(shè)置于差分電路的輸入端，電容C3并聯(lián)于運算放大器的輸入端，第一二極管 D2、第二二極管D3以相反極性并聯(lián)于運算放大器Ul的輸入端。所述的整流電路1對輸入交流電進(jìn)行整流，得到直流輸出，通過并聯(lián)第一整流橋 和第二整流橋能夠降低各個整流電路的電氣應(yīng)力。所述的升壓電路2的輸入為正弦半波電壓，其輸入端的等效負(fù)載可以做到為阻 性，即單位輸入功率因數(shù)，同時能夠使該升壓變換輸出穩(wěn)定直流電壓。所述的電壓極性檢測電路3檢測交流輸入電壓的正負(fù)極性供控制單元使用。所述的輸出檢測電路4檢測出輸出電壓和輸出電流，供控制器實時計算出負(fù)載狀 況，改變控制參數(shù)，從而實現(xiàn)負(fù)載的寬范圍調(diào)節(jié)。所述的控制單元5的數(shù)字信號處理根據(jù)檢測的電路狀態(tài)信號，計算輸出PWM脈沖 信號，經(jīng)驅(qū)動器后驅(qū)動升壓電路2的絕緣柵雙極型晶體管Sl的導(dǎo)通與關(guān)斷，使升壓電路2 實現(xiàn)單位輸入功率因數(shù)和直流恒壓輸出。本實例中所述的整流電路1、升壓電路2、電壓極性檢測電路3、輸出檢測電路4和 控制單元5組成的完全開環(huán)控制的單級功率因數(shù)校正器，其主要作用有兩點一，使輸入電 流波形較好地跟蹤輸入電壓波形，實現(xiàn)單位輸入功率因數(shù)，二，作為電路的前級穩(wěn)壓器，輸出穩(wěn)定的直流電壓，采用完全開環(huán)控制能夠簡化電路設(shè)計，控制算法，降低成本，并且能夠 適應(yīng)負(fù)載的隨機變化，無論重載或輕載時，都能夠獲得較高的功率因數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種完全開環(huán)控制的單級功率因數(shù)校正器，包括整流電路、升壓電路、電壓極性檢 測電路、輸出檢測電路和控制單元，其特征在于，其中整流電路、升壓電路和輸出檢測電路 依次級聯(lián)，電壓極性檢測電路、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所述的完全開環(huán)控制的單級功率因數(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所述的完全開環(huán)控制的單級功率因數(shù)校正器，其特征是，所述的升 壓電路包括增壓變換器和電解電容，其中增壓變換器分別與電解電容并聯(lián)，電解電容接 地，增壓變換器與控制單元連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求4所述的完全開環(huán)控制的單級功率因數(shù)校正器，其特征是，所述的增 壓變換器包括升壓電感、二極管和絕緣柵雙極型晶體管，其中絕緣柵雙極型晶體管的柵 極與控制單元連接，絕緣柵雙極型晶體管的集電極分別與二極管的陽極和升壓電感的一端 連接，絕緣柵雙極型晶體管的發(fā)射極接地。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的完全開環(huán)控制的單級功率因數(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、均由電阻實現(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變換器并聯(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 路與控制單元連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的完全開環(huán)控制的單級功率因數(shù)校正器，其特征是，所述的控 制單元包括數(shù)字信號處理單元和絕緣柵雙極型晶體管驅(qū)動器，其中絕緣柵雙極型晶體 管驅(qū)動器分別與數(shù)字信號處理單元和升壓電路的增壓變換器連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的完全開環(huán)控制的單級功率因數(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 分電路的運算放大器的正向輸入端通過第一分壓電路的第一電阻、第二電阻接入輸入ACN 端，該正向輸入端通過第一分壓電路的第三電阻接地，差分電路的運算放大器的反向輸入 端通過第二分壓電路的第八電阻、第九電阻接入輸入ACL端，該反向輸入端通過第二分壓 電路的第十電阻接地，RC濾波電路分別與差分電路的輸出端和控制單元連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的完全開環(huán)控制的單級功率因數(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，其中電容設(shè)置于差分電路的輸入端，電容 并聯(lián)于運算放大器的輸入端，第一、第二二極管以相反極性并聯(lián)于運算放大器的輸入端。
全文摘要
一種電力電子技術(shù)領(lǐng)域的完全開環(huán)控制的單級功率因數(shù)校正器，包括整流電路、升壓電路、電壓極性檢測電路、輸出檢測電路和控制單元，整流電路、升壓電路和輸出檢測電路依次級聯(lián)，電壓極性檢測電路、升壓電路和輸出檢測電路分別與控制單元連接，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)單位輸入功率因數(shù)的交流-直流變換，電路的設(shè)計靈活，控制算法簡單，成本低，并且能夠適應(yīng)負(fù)載的隨機變化，無論重載或輕載時，都能夠獲得較高的功率因數(shù)。
文檔編號H02M1/42GK102097929SQ20111006526
公開日2011年6月15日 申請日期2011年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月18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)