一种脉冲频率调制的载波发生电路的制作方法

本发明涉及电力电子变换技术领域，具体地，涉及一种脉冲频率调制的载波发生电路。

背景技术：

脉冲频率调制(PFM)是一种脉冲调制方法，其基本思想是调制信号的频率随输入信号的幅值而变化，而占空比不变。脉冲频率调制常被应用于DC-DC电力变换器中，用来提高轻负载的效率。

经过对现有技术的检索发现，关于脉冲频率调制的研究主要集中在控制算法等方面。齐琛等人在2014年的《电气传动》上提出了一种改进的三相逆变器脉冲频率调制技术，该技术采用DSP进行控制，通过细分调制周期，选择适当的脉冲宽度，再配合脉冲位置调制技术，抑制了谐波，改善了输出电流波形质量；杨后跃等人在2015年公开的专利中提出了一种基于RC振荡器的脉冲频率调制电路，通过调整RC振荡电路的工作电流大小，改变振荡频率，从而调整了时钟信号的频率，获得所需要的脉冲信号。

在电力电子变换器的实际应用中，截止目前，仍然很少采用数字控制器设计脉冲频率调制技术进行电磁干扰(EMI)抑制。单相功率因数校正器大都应用在家用电器领域，家用电器设备对EMI的要求非常高，为此可以采用脉冲频率调制技术，包括数字控制器或模拟控制器。当采用模拟控制器时，目前比较缺少一种产生脉冲频率调制的载波发生电路的硬件实现方法。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种单位功率因数校正领域的脉冲频率调制的载波发生电路，该电路是一种脉冲频率调制的硬件实现方法。

根据本发明提供的一种脉冲频率调制的载波发生电路，包括倒正弦波电路和载波发生电路。所述倒正弦波电路的输出端产生倒正弦波，并将倒正弦波作为输入传到载波发生电路，载波发生电路产生与倒正弦波相对应的三角波。

优选地，所述倒正弦波电路包括全波整流电路和减法器电路，全波整流电路包括二极管D1、二极管D2和电容C1，减法器电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7和运放OP1。

具体地，二极管D1的阳极分别与交流电源输入端ACL和电容C1的一端相连，二极管D2的阳极分别与交流电源输入端CAN和电容C1的另一端相连，二极管D2的阴极分别与二极管D1的阴极和电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端分别与电阻R2和电阻R6的一端相连，电阻R2的另一端接地，电阻R3的一端接到15V电压，电阻R3的另一端分别与电阻R4和电阻R5的一端相连，电阻R4的另一端接地，电阻R5的另一端接到运放OP1的同相输入端，电阻R6的另一端接到运放OP1的反向输入端，并与电阻R7的一端相连，运放OP1接15V电压，运放OP1的输出端与电阻R7的另一端相连。

优选地，所述载波发生电路包括稳压管ZD1、三极管TR1、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电容C2、逆导型开关器件FET1、逆导型开关器件FET2和运放OP2。

具体地，稳压管ZD1的阴极分别与运放OP1的输出端和三极管TR1的集电极相连，稳压管ZD1的阳极分别与电阻R8的一端、三极管TR1的基极相连，电阻R8的另一端接地，三极管TR1的发射极分别与电容C2的一端、逆导型开关器件FET1的漏极和电阻R9的一端相连，电容C2的另一端接地，电阻R9的另一端与电阻R13的一端相连，R13的另一端接到运放OP2的同相输入端，电阻R10的一端接到15V电压，电阻R10的另一端分别与电阻R11、电阻R12和电阻R14的一端相连，电阻R11的另一端接到逆导型开关器件FET2的漏极，电阻R12的另一端接到运放OP2的反相输入端，电阻R14的另一端接地，运放OP2连接15V电压，运放OP2的输出端与电阻R15的一端相连，电阻R15的另一端分别与逆导型开关器件FET1的门极和逆导型开关器件FET2的门极相连，逆导型开关器件FET1的源极和逆导型开关器件FET2的源极接地，电容C2的两端作为整个载波发生电路的输出端。

本发明的工作过程及工作原理为：全波整流电路首先对输入交流电压整流，形成全波整流电压，接着由电阻进行分压，并接入到减法器中进行减法运算，其输出端得到具有倒正弦波形式的电压波形，该电压输入到载波发生电路后对电容C2进行充电，当电容C2的电压达到运放(用作比较器)OP2反相输入端的电压时，运放OP2输出为正，逆导型开关器件FET1和逆导型开关器件FET2的门极被施加正向电压而导通，电容C1上的电荷被迅速释放，电压立即下降，同时，由于逆导型开关器件FET2的导通，电阻R11被接入电路中，运放OP2的反相输入端电压由于电阻R11和电阻R12并联而降低。当电容C2上的电压减少到比运放OP2的新的反相输入端电压还低时，运放OP2的输出端变为0，逆导型开关器件FET1和逆导型开关器件FET2的门极关断，电容C1开始重新充电。当充电电压比运放OP2的反相输入端电压高时，运放OP2输出为正，电容C2开始放电，如此循环往复，就形成了跟倒正弦波匹配的三角载波。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、载波产生用硬件电路实现，具有实时性和快速性，减少了使用控制器不准确性，特别适用功率因数校正器；

2、载波频率随瞬时电压大小的变化而变化，有利于减少EMI；

3、电压瞬时值高时载波频率低，有利于降低开关损耗。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的实施例的电路原理图；其中，1为倒正弦波电路，2为载波发生电路。

图2为全波整流电路末端电压波形图。

图3为运放OP1输出端电压波形图。

图4为电容C2两端电压波形图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的一种脉冲频率调制的载波发生电路，包括倒正弦波电路和载波发生电路。所述倒正弦波电路主要由全波整流电路和减法器电路两部分组成，使输出端产生倒正弦波，并将其(倒正弦波)作为输入传到载波发生电路，载波发生电路产生与倒正弦波相对应的三角波。

优选地，所述倒正弦波电路包括全波整流电路和减法器电路，全波整流电路包括二极管D1、二极管D2和电容C1，减法器电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7和运放OP1。

二极管D1的阳极分别与交流电源输入端ACL和电容C1的一端相连，二极管D2的阳极分别与交流电源输入端CAN和电容C1的另一端相连，二极管D2的阴极分别与二极管D1的阴极和电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端分别与电阻R2和电阻R6的一端相连，电阻R2的另一端接地，电阻R3的一端接到15V电压，电阻R3的另一端分别与电阻R4和电阻R5的一端相连，电阻R4的另一端接地，电阻R5的另一端接到运放OP1的同相输入端，电阻R6的另一端接到运放OP1的反向输入端，并与电阻R7的一端相连，运放OP1接15V电压，运放OP1的输出端与电阻R7的另一端相连。

优选地，所述载波发生电路包括稳压管ZD1、三极管TR1、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电容C2、逆导型开关器件FET1、逆导型开关器件FET2和运放OP2。

具体地，稳压管ZD1的阴极分别与运放OP1的输出端和三极管TR1的集电极相连，稳压管ZD1的阳极分别与电阻R8的一端、三极管TR1的基极相连，电阻R8的另一端接地，三极管TR1的发射极分别与电容C2的一端、逆导型开关器件FET1的漏极和电阻R9的一端相连，电容C2的另一端接地，电阻R9的另一端与电阻R13的一端相连，R13的另一端接到运放OP2的同相输入端，电阻R10的一端接到15V电压，电阻R10的另一端分别与电阻R11、电阻R12和电阻R14的一端相连，电阻R11的另一端接到逆导型开关器件FET2的漏极，电阻R12的另一端接到运放OP2的反相输入端，电阻R14的另一端接地，运放OP2连接15V电压，运放OP2的输出端与电阻R15的一端相连，电阻R15的另一端分别与逆导型开关器件FET1的门极和逆导型开关器件FET2的门极相连，逆导型开关器件FET1的源极和逆导型开关器件FET2的源极接地，电容C2的两端作为整个载波发生电路的输出端。

本发明的工作过程及工作原理为：全波整流电路首先对输入交流电压整流，形成全波整流电压，如图2所示。接着由电阻进行分压，并接入到减法器中进行减法运算，其输出端得到具有倒正弦波的电压波形，如图3所示。该电压输入到载波发生电路后对电容C2进行充电，当电容C2的电压上升达到运放(用作比较器)OP2反相输入端的电压时，运放OP2输出为正，逆导型开关器件FET1和逆导型开关器件FET2的门极被施加正向电压而导通，电容C1上的电荷被迅速释放，电压立即下降至零，同时，由于逆导型开关器件FET2的导通，电阻R11被接入电路中，运放OP2的反相输入端电压由于电阻R11和电阻R12并联而降低。当电容C2上的电压减少到比运放OP2的新的反相输入端电压还低时，运放OP2的输出端变为零，逆导型开关器件FET1和逆导型开关器件FET2的门极关断，电容C1开始重新充电。当充电电压比运放OP2的反相输入端电压高时，运放OP2输出为正，电容C2开始放电，如此循环往复，就形成了跟倒正弦波匹配的三角载波，如图4所示，瞬时值高时，三角载波平率高，相反频率低。

本实施例中，所述的一种脉冲频率调制的载波发生电路，包括二极管D1-D2、电容C1-C2、电阻R1-R15、运放OP1-OP2、稳压管ZD1、三极管TR1和逆导型开关器件FET1-FET2，其中：

电容C1两端连接交流电源输入端，并各与二极管D1和二极管D2的阳极相连；

二极管D1和二极管D2的阴极连接在一起，并与电阻R1的一端相连；

电阻R1的另一端与电阻R2和电阻R6的一端相连；

电阻R3的一端接15V电压，电阻R3的另一端与电阻R5和电阻R4的一端相连；

电阻R2和电阻R4的另一端接地；

运放OP1的同相输入端与电阻R5的另一端相连，运放OP1的反相输入端与电阻R6的另一端和电阻R7的一端相连，电阻R7的另一端连接运放OP1的输出端；

稳压管ZD1的阴极与运放OP1的输出端相连，稳压管ZD1的阳极连接电阻R8的一端和三极管TR1的基极；

三极管TR1的集电极与运放OP1的输出端相连，三极管TR1的发射极与电容C2的一端、逆导型开关器件FET1的漏极和电阻R9的一端相连；

电阻R8和电容C2的另一端接地；

电阻R9的另一端连接电阻R13，电阻R13的另一端连接运放OP2的同相输入端；

电阻R10的一端接15V电压，电阻R10的另一端与电阻R11、电阻R12和电阻R14的一端相连；

电阻R11的另一端接逆导型开关器件FET2的漏极相连，电阻R12的另一端与运放OP2的反相输入端相连；

电阻R14、逆导型开关器件FET1的源极和逆导型开关器件FET2的源极接地；

运放OP2的输出端与电阻R15的一端相连，电阻R15的另一端连接逆导型开关器件FET1和逆导型开关器件FET2的门极。

本实例中上述各个元器件的选型，可以优选为：

供电电源：交流电源220V；

二极管D1-D2：600V，1A/100℃；

电容C1：500V，100μF，用于滤波；

电阻R1：300kΩ；

电阻R2：2kΩ；

电阻R3：10kΩ；

电阻R4：5kΩ；

电阻R5-R7：1kΩ；

稳压管ZD1：10V，1A/100℃；

电阻R8：2kΩ；

三极管TR1：NPN型，9013；

电容C2：10nF；

电阻R9：1kΩ；

电阻R10：1kΩ；

电阻R11：2kΩ；

电阻R12：1kΩ；

电阻R13：1kΩ；

电阻R14：2kΩ；

电阻R15：1kΩ；

逆导型开关器件FET1-FET2：33V，1A/100℃；

运放OP1-OP2：LM358。

整个电路具体工作时：

如图1所示，全波整流电路首先对输入交流电压(U_i)整流，形成全波整流电压。接着由电阻R1和电阻R2进行分压，得到合适的电压，并接入到由运放OP1和外围电阻构成的减法器中进行减法运算，其输出端得到具有倒正弦波形式的电压波形。该电压(U_o)输入到载波发生电路后对电容C2进行充电，电容C2两端的电压逐渐升高。当电容C2的电压达到由运放OP2和外围电阻构成的比较器的反相输入端电压时，比较器输出为正，逆导型开关器件FET1和逆导型开关器件FET2门极被施加正向电压而导通，电容C1上的电荷经由逆导型开关器件FET1被迅速释放，电容C2两端电压立即下降，同时，由于逆导型开关器件FET2的门极也导通，电阻R11被接入电路中，比较器的反相输入端电压由于电阻R11和电阻R12并联而降低。当电容C2上的电压减少到比比较器的新的反相输入端电压还低时，比较器的输出端变为0，逆导型开关器件FET1和逆导型开关器件FET2门极关断，电阻R11从电路中切除，同时电容C1停止放电，开始重新充电。当充电电压比比较器的反相输入端电压高时，比较器输出为正，电容C2开始放电，如此循环往复。由于电容C2两端电压上升的快慢跟倒正弦波电路输出的电压相关联，电压越高，电容充电越快，因此随着电容C2周期性充电和放电，电容C2两端就形成了跟倒正弦波相匹配的三角载波。

本发明采用硬件电路搭建了脉冲频率调制的载波发生电路，与一般使用微控制器相比，本发明的成本更简单，而且由于频率变化，本发明所设计的硬件电路减小了EMI，同时，本发明采用的倒正弦波电路使得电压高时载波频率低，减小了开关器件的损耗。本发明减少了使用控制器和算法实现的成本，硬件电路简单，有一定的推广应用价值

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。