專利名稱：單相功率因數校正簡化直接除法控制器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及單相有源功率因數校正電路的相關領域，具體地說是一種單相功率因數 校正簡化直接除法控制器。
背景技術：
隨著微控制器技術的發展以及考慮到數字控制的靈活性和可塑性，采用數字控制技術的 單相有源功率因數校正(APFC)電路正在日益成為技術發展的主流，有取代傳統模擬APFC的 趨勢。數字控制APFC具有很多優點，通過微控制器，很多新的調制策略和控制算法可以實現。

實用新型內容
本實用新型的目的是要提供一種新型的單相功率因數校正簡化直接除法控制器，是采用 直接計算功率開關占空比函數、僅僅根據輸出電壓大小和電感電流瞬時值就能夠確定占空比 的單相有源功率因數校正電路的數字設計方案，可以適用所有APFC的應用場合，具有概念 清新、靈活性強、校正效果佳之優點。
為實現上述目的，本實用新型釆用了以下技術方案
本實用新型公開了一種單相功率因數校正簡化直接除法控制器，包括功率電路接收單相 交流輸入電壓，同時接收控制電路的控制信號進行功率因數校正，并將電壓輸出至負載，其 特征在于所述的控制電路包括檢測部分，以檢測功率電路中的輸出直流電壓以及分流電阻 電壓；數控部分，以對檢測部分輸出的信號進行模數轉換，計算出電感電流幅值，根據占空 比函數計算出占空比，并利用脈沖發生器產生P麗脈沖信號；以及驅動部分，即一驅動器， 以根據數控部分輸出的PWM脈沖信號，驅動功率電路中的功率開關的開通與關斷。
所述的控制電路的檢測部分包括兩個比較電路，分別檢測功率電路中的輸出直流電壓和 分流電阻電壓。
所述的數控部分包括兩個模數轉換濾波器，以對檢測部分輸出的信號進行模數轉換；邏 輯運算器，以根據電感電流幅值，通過占空比函數計算出占空比；以及脈沖發生器，以根據 邏輯運算器輸出的占空比信號，產生PWM脈沖信號。
所述的邏輯運算器由一個乘法程序、 一個減法程序、 一個除法程序組合而成，以完成對占空比函數公式"(0-l-Wl,。(t)l的計算，最后利用PWM發生器根據占空比函數計算出PWM 脈沖信號。
本實用新型根據單相有源功率因數校正基本原理以及功率因數校正電路中輸出電壓、電 感電流以及功率開關占空比的相互關系，設計制作了新型的輸出電壓固定的單相功率因數校 正的數字設計方案，因而具有設計構思新穎、通用性強等特征，同時具有結構簡單、成本低、 實現容易、靈活強等優點，還可以支持較寬范圍功率輸出，尤其適用于大功率變頻空調的APFC。


圖1為本實用新型的電路結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖及實施例對本實用新型作進一步描述。
一種單相功率因數校正簡化直接除法控制器，如圖1所示，包括控制電路l，配套部分有 功率電路2。其中，控制電路1中，包括三個組成部分檢測部分，數控部分和驅動部分，檢 測部分完成檢測輸出直流電壓、分流電阻電壓(反映電感電流)，基于上述信息，數控部分完 成對其進行模數轉換，在計算出電感電流幅值之后，根據占空比函數計算公式利用減法和除 法運算直接得到占空比，并利用脈沖發生器產生PWM脈沖信號，最終經過驅動部分的驅動器 產生PWM驅動脈沖。功率電路2接收單相交流輸入電壓和來自控制電路的PWM驅動脈沖，控 制功率開管的開通與關斷，調節升壓電感的充電(儲存能量)和放電(釋放能量)，完成功率 因數校正的設計功能。
控制電路1由檢測部分、數控部分和驅動部分構成，其中，檢測部分包括六只電阻R6 R11、 三只電容C5 C7和兩只運放A1 A2;數控部分包括兩個模數轉換濾波器、 一個乘法程序、一 個減法程序、 一個除法程序、 一個脈沖發生程序。功率電路2由八只電阻R1 R5、 RS1和RL、 四只電容C1 C4、 一只電解電容E1、 一只快速恢復功率二極管FRD1和一只穩壓二極管ZD1構 成，整個電路構成一個典型的APFC功率電路。
控制電路1中，檢測部分中，電阻R6的一端與電阻R7的一端相連后與運放A1的反相輸 入端相連，電阻R6的另一端與功率電路中電阻R3和電容C4的公共端相連，電阻R7的另一端 與電阻R9的一端相連后與A2運放的輸出端相連。電阻R8的一端與運放A1的同相輸入端相連， 電阻R8的另一端接地。電阻R9的另一端與電容C5的一端相連后與控制電路中的模數轉換濾波器B1的入口相連。電阻R10與電容C7并聯后的一端與運放A2的反相輸入端相連，另一端 與運放A2的輸出端相連后與電阻R11的一端相連，運放A2的同相輸入端接+5.0V電源。電阻 Rll的另一端與電容C6的一端相連后與控制電路中的模數轉換濾波器B2的入口相連。數控部 分中模數轉換濾波器B1的出口與減法程序B4的反相入口相連。模數轉換濾波器B2的出口與 乘法程序B3的第二入口相連，常數0.15V與乘法程序B3的第一入口相連，乘法程序B3的出 口與減法程序B4的同相入口、除法程序B5的除數端相連。減法程序B4的出口與除法程序B5 的被除數端相連，除法程序B5的出口與脈沖發生程序B6的入口相連，脈沖發生程序B6的出 口與驅動部分中的驅動器DRV1輸入端相連。驅動部分中第一個驅動器DRV1的輸出端與功率 電路中的第一只功率開關S1的門極、第一只穩壓二極管ZD1的陰極和第二只電阻R2的一端構 成的公共端相連。
功率電路2中，整流橋B1前的兩個交流輸入端分別連接電容C1的兩端，并與交流電源VS1 的兩端相連。整流橋B1后的直流正極與電阻R1的一端相連，并與控制電路中的電阻R6、電 感L1的一端相連，電感L1的另一端與功率二極管FRD1的陽極、電容C2的一端、功率開關S1 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E1的正極、電附R4的一端以及等效負載電阻RL的一端相連。整流橋B1后的直流負極 與電阻R1的另一端、電阻R3的一端、分流電阻RS1的一端相連，分流電阻RS1的另一端接地。 電阻R3的另一端與電容C4的一端、控制電路的電阻R6的一端相連，電容C4的另一端接地。 功率開關S1的門極與穩壓二極管ZD1的陰極、電阻R2的一端相連后與控制電路中的PWM輸 出端相連，功率開關S1的發射極、穩壓二極管ZD1的陽極、電阻R2的另一端分別接地。電容 C3的另一端、電解電容E1的負極、電阻R5的一端、等效負載電阻RL的一端接地。電阻R5 的另一端與電阻R4的另一端相連后與控制電路2中運放A2的反相輸入端相連。
本實用新型的工作原理為-
(1)控制電路1中，根據APFC的工作原理和拓撲結構，假設系統效率為ri，輸入功率等 于輸出功率除以n。有下式成立^ = ^，其中Ud。(t)代表輸出直流電壓，U,n(t)代表輸
|Um(t)| HO
出直流電壓，U,。(t)代表交流輸入電壓，^)代表功率開關的占空比函數。可得外—l-J^，
可以引申為dW4-ML(t)1，其中&為輸入電流幅值調節系數，ijt)代表交流輸入電流。通過 測量輸出直流電壓，使之與給定電壓(+5V)進行誤差放大，得到關于輸出電壓的控制量，這 個控制量再乘以一個代表額定輸入交流電壓和輸出功率的常數0.15V就可以得到此時負載時所需要的電感電流的幅值。通過減法程序(B4)和除法程序(B5)完成公式c/(,)"-ML(t)l的 計算，得到占空比，在經過脈沖發生程序(B6)的作用下產生PWM脈沖信號。
控制電路由三個組成部分檢測部分中，電阻R10 R11、電容C6 C7、運放A2完成對輸 出直流電壓的檢測和誤差放大，可以判斷電網電壓是否過壓和欠壓。電阻R6 R9、電容C5、 運放A1完成對分流電阻RS1電壓即電感電流的檢測和誤差放大，還可以判斷功率開關是否過 流和過載。控制部分中，模數轉換濾波器B1 B2分別完成對電感電流、輸出電壓的模數轉換 和濾波，在完成對所得的輸出電壓誤差放大信號的模數轉換和濾波(B5)后，所得結果再乘 以(B3)代表額定運行情況的常數0.15V，得到對應此時輸出功率的輸入電流幅值即控制電
壓，通過減法程序和除法程序完成對公式^仍-l-M^t)l的計算，最后利用PWM發生器根據占
空比函數計算出PWM脈沖信號。
由于實際APFC數控電路中受到具體實現技術和產品性能規范等方面的要求，控制器不僅
可以采用16位單片機、DSP，還可以采用ARM等。因此數控電路中細節部分會有所變化，但
是基本原理不變。分流電阻RS1的阻值為mQ級。
(2)功率電路2中，PWM驅動脈沖處于高電平時，功率開關S1導通，電源VS被短路，電
感L1電流上升，儲存能量；PWM驅動脈沖處于低電平時，功率開關S1關斷，電源VS被開放，
電感L1電流下降，將儲存能量的一部分通過功率二極管FRD1轉移到電解電容E1中，供等效
負載RL使用。由于PWM驅動脈沖是控制電路按照APFC控制策略產生的，因而功率電路最終
能夠得到紋波電壓低、平均值穩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。
本實用新型的控制電路和功率電路為密不可分的兩個組成部分，不能簡單地單獨分析，從 而構成單相功率因數校正簡化直接除法控制器。工作原理的實質是控制電路1根據單相功
率因數校正器的工作原理和實質，首先確定輸出功率大小和輸入電流的幅值，并通過計算得 到控制電壓，并跟根占空比函數和PWM發生程序計算出PWM脈沖信號。所有的計算工作均由 數字控制器完成，靈活性強，數字控制器開銷的資源較少。雖然控制電路和功率電路為密不 可分的兩個組成部分，但是控制電路尤為重要，因此給出控制電路的元器件參數選擇依據。
上述器件中各電阻、運放均要求具有高精度；本實用新型一個實施例的參數為期望輸出 直流電壓350V,電阻R3取20Q，電阻R4取349kQ，電阻R5取lkQ。電阻R6取10kQ，電阻 R7取10kQ。電阻R8取lOkQ，電阻R9取lkQ。電阻RIO取220kQ，電阻Rll取1kfl。電容 C4取lnF，電容C5取10nF，電容C6取10nF，電容C7取220nF。電阻RS1取15mQ，無感。電感L1取0.5mH 5.0mH。運放A1 A2均選擇較高精度和滿幅值輸出的放大器，控制器選擇 16位MCU、 DSP或ARM等。
權利要求1、單相功率因數校正簡化直接除法控制器，包括功率電路接收單相交流輸入電壓，同時接收控制電路的控制信號進行功率因數校正，并將電壓輸出至負載，其特征在于所述的控制電路包括檢測部分，以檢測功率電路中的輸出直流電壓以及分流電阻電壓；數控部分，以對檢測部分輸出的信號進行模數轉換，計算出電感電流幅值，根據占空比函數計算出占空比，并利用脈沖發生器產生PWM脈沖信號；以及驅動部分，以根據數控部分輸出的PWM脈沖信號，驅動主功率電路中的功率開關的開通與關斷。
2、 按權利要求1所述的單相功率因數校正簡化直接除法控制器，其特征在于所述的控制電路的檢測部分包括兩個比較電路，分別檢測功率電路中的輸出直流電壓和分流電阻電壓。
3、 按權利要求1所述的單相功率因數校正簡化直接除法控制器，其特征在于所述的數控部分包括兩個模數轉換濾波器，以對檢測部分輸出的信號進行模數轉換；邏輯運算器，以根據電感電流幅值，通過占空比函數計算出占空比；以及脈沖發生器，以根據邏輯運算器輸出的占空比信號，產生P觀脈沖信號。
專利摘要本實用新型涉及一種單相功率因數校正簡化直接除法控制器，包括功率電路接收單相交流輸入電壓，同時接收控制電路的控制信號進行功率因數校正，并將電壓輸出至負載；所述的控制電路包括檢測部分，以檢測功率電路中的輸出直流電壓以及分流電阻電壓；數控部分，以對檢測部分輸出的信號進行模數轉換，計算出電感電流幅值，根據占空比函數計算出占空比，并利用脈沖發生器產生PWM脈沖信號；驅動部分，以根據數控部分輸出的PWM脈沖信號，驅動功率電路中的功率開關的開通與關斷。本實用新型采用直接計算功率開關占空比函數，僅根據輸出電壓大小和電感電流瞬時值就能確定占空比，進行功率因數校正，適用所有APFC的應用場合，靈活性強、校正效果佳。
文檔編號H02M1/42GK201403048SQ200920070148
公開日2010年2月10日 申請日期2009年4月9日 優先權日2009年4月9日
發明者劉極上, 朱元慶, 邱海陵 申請人:上海儒競電子科技有限公司