專利名稱：開關(guān)頻率周期調(diào)制的三角波發(fā)生電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種開關(guān)頻率周期調(diào)制的三角波發(fā)生電路，尤其涉及一種適用于有源功率因數(shù)校正(PFC)、有源電力濾波器(APF)以及開關(guān)電源(SMPS)等有源電力電子變換器的開關(guān)頻率按正弦半波規(guī)律調(diào)制的三角波發(fā)生電路，具有非常廣泛的應(yīng)用場合。
背景技術(shù)：
由于電力電子變換技術(shù)一般采用高頻PWM(脈沖寬度調(diào)制)斬波技術(shù)，會產(chǎn)生高強(qiáng)度的電磁干擾(EMI)，而電力電子變換產(chǎn)品上市前必須要通過相關(guān)的EMI測試，如連續(xù)騷擾輻射、功率輻射等測試項(xiàng)目，EMI設(shè)計(jì)已經(jīng)占產(chǎn)品初設(shè)計(jì)成本的一個(gè)重要組成部分，因此抑制EMI干擾源成為目前電力電子變換器設(shè)計(jì)的一個(gè)熱點(diǎn)。傳統(tǒng)PWM斬波技術(shù)采用固定開關(guān)頻率調(diào)制方案，在其高頻諧波分布規(guī)律中，開關(guān)頻率的整倍數(shù)及其旁頻的干擾水平相當(dāng)高，其它區(qū)域干擾水平較低，屬于窄帶分布，使得在某些頻譜區(qū)域很難通過準(zhǔn)峰值EMI和平均值EMI標(biāo)準(zhǔn)限值。為此出現(xiàn)了一些新的開關(guān)頻率調(diào)制技術(shù)，如開關(guān)頻率隨機(jī)調(diào)制、脈沖位置隨機(jī)調(diào)制、開關(guān)頻率抖動技術(shù)等，但是利用模擬器件實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)非常困難，造價(jià)高，可靠性也不高，使得這些技術(shù)在電力電子變換器領(lǐng)域尚未得到推廣應(yīng)用，因此應(yīng)該尋找簡單易行和EMI抑制效果好的開關(guān)頻率調(diào)制技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計(jì)提供一種開關(guān)頻率周期調(diào)制的三角波發(fā)生電路，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、通用性強(qiáng)、移植性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明設(shè)計(jì)的開關(guān)頻率周期調(diào)制的三角波發(fā)生電路由調(diào)制波電路和三角波電路構(gòu)成，調(diào)制波電路輸入正弦半波電壓，經(jīng)過分壓電路和跟隨電路處理后加上直流偏置分量得到電壓平移后的調(diào)制波電壓。三角波電路輸入該調(diào)制波電壓，經(jīng)過它的充放電電路和比較電路產(chǎn)生頻率隨正弦半波電壓波形變化的三角波電壓信號，經(jīng)由電壓跟隨器輸出。
本發(fā)明中的調(diào)制波電路由一個(gè)電容、六個(gè)電阻、三個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成，兩個(gè)電阻串聯(lián)后與電容并聯(lián)，電容的一端接正弦半波電壓，另一端與地相連。第一個(gè)運(yùn)算放大器連接成電壓跟隨器，其同相輸入端與兩個(gè)串聯(lián)電阻的公共端連接。第二個(gè)運(yùn)算放大器連接成電壓跟隨器，其同相輸入端經(jīng)一個(gè)分壓電阻連接+15V電源，同時(shí)經(jīng)另一個(gè)分壓電阻接地。兩個(gè)運(yùn)算放大器的輸出端各自連接一個(gè)電阻后直接連接到第三個(gè)運(yùn)算放大器的同相輸入端，第三個(gè)運(yùn)算放大器連接成電壓跟隨器，其輸出端連接到三角波電路。
本發(fā)明中的三角波發(fā)生電路由一個(gè)電容、十個(gè)電阻、一個(gè)NPN三極管、三個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成。其中，第四個(gè)運(yùn)算放大器的反相輸入端經(jīng)一個(gè)電阻與調(diào)制波電路的輸出相連，同時(shí)經(jīng)另一個(gè)電阻連接NPN三極管的集電極，NPN三極管的發(fā)射極接地，第四個(gè)運(yùn)算放大器的反相輸入端與其輸出端之間連接一個(gè)電容，其同相輸入端經(jīng)一個(gè)電阻與調(diào)制波電路的輸出相連，同時(shí)經(jīng)另一個(gè)電阻接地，其輸出端與第五個(gè)運(yùn)算放大器的反相輸入端和第六個(gè)運(yùn)算放大器的同相輸入端相連。第六個(gè)運(yùn)算放大器連接成電壓跟隨器。第五個(gè)運(yùn)算放大器的同相輸入端連接一個(gè)電阻，此電阻的另一端經(jīng)一個(gè)分壓電阻連接+15V電源，同時(shí)經(jīng)另一個(gè)分壓電阻接地。第五個(gè)運(yùn)算放大器的同相輸入端與輸出端之間連接一個(gè)電阻，輸出端經(jīng)一個(gè)電阻與NPN三極管的基極相連，NPN三極管的基極與發(fā)射極之間連接一個(gè)電阻。
本發(fā)明整個(gè)電路中的六個(gè)運(yùn)算放大器采用單電源+15V供電。
本發(fā)明根據(jù)三角波發(fā)生電路的壓頻轉(zhuǎn)換原理，產(chǎn)生開關(guān)頻率隨著調(diào)制波波形周期變化的三角波，作為電力電子變換器的載波信號能夠大大降低系統(tǒng)的電磁干擾強(qiáng)度，具有校正效果良好、通用性強(qiáng)等特征，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡單、附加成本低、實(shí)現(xiàn)容易等優(yōu)點(diǎn)，還可以避開利用微控制器(MCU)或數(shù)字信號處理器(DSP)的實(shí)現(xiàn)隨機(jī)開關(guān)頻率的繁重任務(wù)，尤其適用于采用PWM(脈沖寬度調(diào)制)控制技術(shù)的有源功率因數(shù)校正器(PFC)、有源電力濾波器(APF)以及開關(guān)電源(SMPS)等電力電子變換器中。


圖1為本發(fā)明的電路原理圖。
圖2為本發(fā)明應(yīng)用于單相有源功率因數(shù)校正器(PFC)中的實(shí)施例電路原理圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例是對本發(fā)明的進(jìn)一步說明，而不構(gòu)成對本發(fā)明的限定。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的開關(guān)頻率周期調(diào)制的三角波發(fā)生電路如圖1所示，由調(diào)制波電路1和三角波電路2構(gòu)成。調(diào)制波電路1由三個(gè)運(yùn)算放大器U1、U2和U3，一個(gè)電容C1、六個(gè)電阻R1～R6組成，電容和電阻分別與運(yùn)算放大器的各個(gè)引腳相連。三角波電路2由三個(gè)運(yùn)算放大器U4、U5和U6、一個(gè)電容C2、一個(gè)NPN三極管T1、十個(gè)電阻R7～R16組成，電容和電阻分別與運(yùn)算放大器的各個(gè)引腳相連。
調(diào)制波電路1中，電阻R1和電阻R2串聯(lián)后與電容C1并聯(lián)，電容C1的一端接正弦半波電壓，另一端與地相連。運(yùn)算放大器U1連接成電壓跟隨器，其反相輸入端與輸出端直接相連，其同相輸入端與兩個(gè)串聯(lián)電阻R1、R2的公共端連接。運(yùn)算放大器U2也連接成電壓跟隨器，其反相輸入端與輸出端直接相連，其同相輸入端經(jīng)分壓電阻R3連接+15V電源，同時(shí)經(jīng)另一個(gè)分壓電阻R4接地。
U1與U2的輸出端1和7分別與電阻R5和R6的一端相連后與運(yùn)算放大器U3的反相輸入端2相連，U3的反相輸入端2和輸出端1直接相連后接后級三角波發(fā)生電路的輸入。該電路中，U1、U2與U3的引腳8均與+15V電源相連，引腳4均接地。
運(yùn)算放大器U1的輸出端連接一個(gè)電阻R5后直接連接到運(yùn)算放大器U3的同相輸入端，運(yùn)算放大器U2的輸出端連接一個(gè)電阻R6后也直接連接到運(yùn)算放大器U3的同相輸入端，運(yùn)算放大器U3連接成電壓跟隨器，其輸出端連接到三角波電路。
三角波電路2中，運(yùn)算放大器U4的反相輸入端經(jīng)電阻R7與調(diào)制波電路的輸出相連，同時(shí)經(jīng)另一個(gè)電阻R9連接NPN三極管T1的集電極，NPN三極管T1的發(fā)射極接地。運(yùn)算放大器U4的反相輸入端與其輸出端之間連接一個(gè)電容C2，其同相輸入端經(jīng)電阻R8與調(diào)制波電路的輸出相連，同時(shí)經(jīng)電阻R10接地。運(yùn)算放大器U4的輸出端與運(yùn)算放大器U5的反相輸入端和運(yùn)算放大器U6的同相輸入端相連。運(yùn)算放大器U6連接成電壓跟隨器。運(yùn)算放大器U5的同相輸入端連接一個(gè)電阻R13，電阻R13的另一端經(jīng)分壓電阻R16連接+15V電源，同時(shí)經(jīng)分壓電阻R15接地。運(yùn)算放大器U5的同相輸入端與輸出端之間連接一個(gè)電阻R14，輸出端經(jīng)電阻R12與NPN三極管T1的基極相連，NPN三極管T1的基極與發(fā)射極之間連接一個(gè)電阻R11。
整個(gè)電路中的六個(gè)運(yùn)算放大器U1～U6均采用單電源+15V供電。
本發(fā)明的工作原理為(1)調(diào)制波電路1中，電容C1起到高頻濾波作用，電阻R1與R2構(gòu)成分壓電路，產(chǎn)生合適幅值的正弦半波信號。電阻R3與R4構(gòu)成分壓電路，產(chǎn)生合適幅值的直流電平信號。運(yùn)算放大器U1和U2為電壓跟隨器，其與運(yùn)算放大器U3、電阻R5和R6構(gòu)成一個(gè)加法電路兼電壓跟隨電路，實(shí)現(xiàn)正弦半波信號與直流電平信號的疊加，產(chǎn)生最終調(diào)制波信號。
(2)三角波電路2中，運(yùn)算放大器U4、電阻R7、R8與R10、電容C2構(gòu)成充電電路，電阻R9與電阻R11～R16、NPN三極管T1、運(yùn)算放大器U5構(gòu)成放電電路，運(yùn)算放大器U6連接成電壓跟隨器。正常條件下，運(yùn)算放大器U4的同相與反相輸入端的電壓為占空比50％的方波電壓，C2充電，充電時(shí)運(yùn)算放大器U4輸出電壓線性上升，當(dāng)上升到一定水平時(shí)，運(yùn)算放大器U5的輸出端輸出高電平，使得NPN三極管T1導(dǎo)通，運(yùn)算放大器U4的輸出電壓線性下降，C2放電，其下降速率與上升速率相當(dāng)，當(dāng)下降到一定水平時(shí)，運(yùn)算放大器U5的輸出端輸出低電平，使得三極管T1截至，C2重新開始新的充電過程。這樣通過U5提供T1的觸發(fā)信號迫使C2周而復(fù)始地充電和放電便產(chǎn)生了三角波序列，并通過運(yùn)算放大器U6的輸出端輸出。
本發(fā)明由于三角波發(fā)生電路為壓頻轉(zhuǎn)換電路，在其輸入直流電壓上疊加有一個(gè)正弦半波信號，因而使得產(chǎn)生的三角波信號的頻率隨著正弦半波的變化而變化，在三角波信號的頻譜分布中不會出現(xiàn)諧波水平過高的頻域，而是頻譜的充分展開。這樣的三角波信號作為電力電子變換器的調(diào)制信號，會降低系統(tǒng)的EMI水平。而且由于正弦半波的幅值、直流電平、三角波幅值均為可調(diào)，使得三角波的基本頻率、頻率變化幅度、幅值均為可調(diào)，因而使得其使用的靈活性提高。
上述器件中電容C1～C2、電阻R1～R16均為5％以上精度，運(yùn)算放大器U1～U6為LM324，其中U1和U2、U3和U4、U5和U6各采用一個(gè)雙運(yùn)算放大器芯片，NPN雙極三極管為Q2SD966或與之功能相近的三極管。電阻R3與R4分壓提供一個(gè)基準(zhǔn)直流電壓，則電阻R1與R2的分壓要求根據(jù)希望得到的正弦半波電壓的幅值占基準(zhǔn)直流電壓的百分比大小來定。電阻R5與R6的阻值選擇相同，電阻R8的阻值選擇根據(jù)放大倍數(shù)有關(guān)。電阻R7、R9與電容C2的選擇根據(jù)充電速率的要求大小，電阻R11～R16的選擇則根據(jù)三角波的上下幅值來定。一組合適的參數(shù)為C1取0.1nF～4.7μF，C2取1.0nF，R1取308.5kΩ，R2取2.5kΩ，R3取5kΩ，R4取10kΩ，R5取1kΩ，R6取1kΩ，R7取10kΩ，R8取10kΩ，R9取5kΩ，R10取10kΩ，R11取51kΩ，R12取10kΩ，R13取51kΩ，R14取100kΩ，R15取2.5kΩ，R16取12.5kΩ。
圖2為本發(fā)明開關(guān)頻率周期調(diào)制的三角波發(fā)生電路在單相有源功率因數(shù)校正器(PFC)中的實(shí)施例。
按圖2所示，單相有源功率因數(shù)校正器的輸入單相交流電壓源，額定電壓有效值為220V，由功率電路和控制電路構(gòu)成。其功率電路為由二極管D1～D4構(gòu)成的整流器、電感L1、功率開關(guān)S1、檢流電阻Rs、續(xù)流二極管FRD1、電容C1、電解電容E1和負(fù)載RL組成。其控制電路由PFC雙閉環(huán)控制部分、PWM信號比較器、PWM驅(qū)動器以及本發(fā)明開關(guān)頻率周期調(diào)制的三角波發(fā)生電路組成。本發(fā)明在單相有源功率因數(shù)校正器的應(yīng)用目的就是提供一個(gè)開關(guān)頻率按照整流器輸出的交流半波電壓波形規(guī)律變化的三角波發(fā)生電路，作為載波信號同PFC雙閉環(huán)控制部分產(chǎn)生的最終控制信號進(jìn)行比較，產(chǎn)生最終的PWM信號，并通過驅(qū)動器后作用于功率開關(guān)S1，通過S1的開關(guān)動作，使得交流電壓源的電流與電壓完全同步和正弦波形，同時(shí)使得負(fù)載端獲得高精度的直流電壓。
顯然，本發(fā)明開關(guān)頻率周期調(diào)制的三角波發(fā)生電路可以應(yīng)用在有源功率因數(shù)校正器(PFC)、單相有源電力濾波器(APF)和開關(guān)電源(SMPS)等應(yīng)用方面，提供載波信號，起到降低電力電子變換器系統(tǒng)EMI強(qiáng)度的作用。
權(quán)利要求
1.一種開關(guān)頻率周期調(diào)制的三角波發(fā)生電路，其特征在于包括調(diào)制波電路和三角波電路，所述調(diào)制波電路由一個(gè)電容(C1)、六個(gè)電阻(R1～R6)、三個(gè)運(yùn)算放大器(U1～U3)構(gòu)成，兩個(gè)電阻(R1、R2)串聯(lián)后與電容(C1)并聯(lián)，電容(C1)的一端接正弦半波電壓，另一端與地相連；第一個(gè)運(yùn)算放大器(U1)連接成電壓跟隨器，其同相輸入端與兩個(gè)串聯(lián)電阻(R1、R2)的公共端連接；第二個(gè)運(yùn)算放大器(U2)連接成電壓跟隨器，其同相輸入端經(jīng)一個(gè)分壓電阻(R3)連接+15V電源，同時(shí)經(jīng)另一個(gè)分壓電阻(R4)接地；兩個(gè)運(yùn)算放大器(U1、U2)的輸出端各自連接一個(gè)電阻(R5、R6)后直接連接到第三個(gè)運(yùn)算放大器(U3)的同相輸入端；第三個(gè)運(yùn)算放大器(U3)連接成電壓跟隨器，其輸出端連接到三角波電路；所述三角波電路由一個(gè)電容(C2)、十個(gè)電阻(R7～R16)、一個(gè)NPN三極管(T1)、三個(gè)運(yùn)算放大器(U4～U6)構(gòu)成；其中，第四個(gè)運(yùn)算放大器(U4)的反相輸入端經(jīng)一個(gè)電阻(R7)與調(diào)制波電路的輸出相連，同時(shí)經(jīng)另一個(gè)電阻(R9)連接NPN三極管(T1)的集電極，NPN三極管(T1)的發(fā)射極接地，第四個(gè)運(yùn)算放大器(U4)的反相輸入端與其輸出端之間連接一個(gè)電容(C2)，其同相輸入端經(jīng)一個(gè)電阻(R8)與調(diào)制波電路的輸出相連，同時(shí)經(jīng)另一個(gè)電阻(R10)接地，其輸出端與第五個(gè)運(yùn)算放大器(U5)的反相輸入端和第六個(gè)運(yùn)算放大器(U6)的同相輸入端相連；第六個(gè)運(yùn)算放大器(U6)連接成電壓跟隨器；第五個(gè)運(yùn)算放大器(U5)的同相輸入端連接一個(gè)電阻(R13)，此電阻(R13)的另一端經(jīng)一個(gè)分壓電阻(R16)連接+15V電源，同時(shí)經(jīng)另一個(gè)分壓電阻(R15)接地，第五個(gè)運(yùn)算放大器(U5)的同相輸入端與輸出端之間連接一個(gè)電阻(R14)，輸出端經(jīng)一個(gè)電阻(R12)與NPN三極管(T1)的基極相連，NPN三極管(T1)的基極與發(fā)射極之間連接一個(gè)電阻(R11)；整個(gè)電路中的六個(gè)運(yùn)算放大器(U1～U6)采用單電源+15V供電。
2.一種權(quán)利要求1的開關(guān)頻率周期調(diào)制的三角波發(fā)生電路的應(yīng)用，其特征在于用在功率因數(shù)校正器、單相有源電力濾波器或開關(guān)電源的控制電路中，作為控制電路中的載波信號源，起到降低電磁干擾強(qiáng)度的作用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種開關(guān)頻率周期調(diào)制的三角波發(fā)生電路，由調(diào)制波電路和三角波電路構(gòu)成。調(diào)制波電路的輸入為正弦半波電壓，經(jīng)過分壓電路和跟隨電路處理后加上直流偏置分量得到電壓平移后的調(diào)制波電壓。三角波電路輸入該調(diào)制波電壓，經(jīng)過充放電電路和比較電路產(chǎn)生頻率周期調(diào)制的三角波電壓信號，經(jīng)由電壓跟隨器輸出。本發(fā)明根據(jù)三角波發(fā)生電路的壓頻轉(zhuǎn)換原理，產(chǎn)生開關(guān)頻率隨著正弦半波周期變化的三角波信號作為載波信號，能夠大大降低系統(tǒng)的電磁干擾強(qiáng)度，具有結(jié)構(gòu)簡單、附加成本低、實(shí)現(xiàn)容易、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于采用PWM控制技術(shù)的有源功率因數(shù)校正器、有源電力濾波器以及開關(guān)電源等電力電子變換器。
文檔編號H03K4/48GK1794578SQ200610023250
公開日2006年6月28日 申請日期2006年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月12日
發(fā)明者楊喜軍 申請人:上海交通大學(xué)