专利名称：部分有源电源功率因数校正电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及电源技术，具体地说涉及 一种部分有源电源功率因数 校正电路。
背景技术：
在电网中，各种负载尤其是非线性负载对电网供电质量存在重大 影响。例如，许多用电器的电源需要将电网的交流电转换为直流电， 在整流过程中产生脉动电流包含有大量电流谐波分量。这些电流谐波 分量倒流入电网，会造成对电网的谐波"污染"，当电流流过线路阻抗 时造成谐波电压降，使正弦波电网电压发生畸变。此外，产生的谐波 还造成电网电流的功率因数下降，增加配电系统导线与变压器的损
耗；以及增大中线谐波电流，以致对电网上其它用电装置造成电磁干 扰。同时功率因数降低也影响整个电源系统的负载能力和可靠性。
目前，随着变频技术的发展，变频调速已经成为一种广泛应用的 技术手段。变频调速中需要对电源进行交-直-交的变换，上述过程会 产生的各种电流谐波，如果不采取措施，将降低电网功率因数，使电 网的实际供电能力降低；同时，还会产生电磁干扰，影响其它用电设 备。因此，目前对各种电器尤其是变频空调等设备进行功率因数校正 已成必然趋势。
目前，我国对家电产品强制执行"CCC认证"(CCC认证即"中国
强制认证"，其英文名称为"China Compulsory Certification")标准，要
达到这一标准的要求，各种家用变频设备必须进行功率因数校正。
将产品化的电流谐波抑制和功率因数校装置应用于变频空调等家 用变频设备中，可以实现功率因数校正，并使各次谐波电流含量均满 足"CCC认证"的EMC(电磁兼容)标准。所述EMC标准包括EMI(电
4磁干扰)标准及EMS(电磁耐受性)标准两部份。所谓电磁干扰，是指 机器本身在执行应有功能的过程中所产生不利于其它系统的电磁噪
声；所谓电磁耐受性，是指机器在执行功能的过程中不受周围电磁环 境影响的能力。
通过近年来的研究，已有多种用于提高变频空调功率因数和减小 电流谐波分量的装置，包括
1、 无源功率因数校正电路
无源PFC是通过电感、电容、二极管等元器件补偿交流输入的基 波电流与电压的相位差，强迫电流与电压相位一致，可以降低电源对 电网谐波干扰和电网对电源干扰。这种功率因数校正电路可以将功率 因数提高到0.7 0.8,电流谐波含量降到40%以下，在中小容量的电 子设备中被广泛釆用。其主要优点是简单、成本低、可靠性高、维护 方便、EMI小，缺点是电路体积大而笨重，且功率因数不高，只能对 一部分谐波有滤波效果，且滤波效果易受元件或系统参数、以及电网 频率变化的影响；在某些条件下可能和系统发生谐振，引发事故；当 谐波源增大时，滤波器负担随之加重，以致可能因谐波过载不能运行 等，因此，其校正效果还不是十分理想。
2、 有源功率因数校正电路
这种方式又可称为主动式功率因数校正方式。又分为全程有源功 率因数校正和部分有源功率因数校正。
图1示出现有技术一种全程有源功率因数校正电路，这种电路在 整流器和负载之间接入一个DC/DC开关变换器，应用电流反馈技术， 通过PFC专用逻辑芯片控制，使输入端电流Ii波形在整个电周期内 跟踪交流输入正弦电压波形。这种有源功率因数校正电路可使Ii接近 正弦，从而使输入端总谐波畸变量(THD)小于5%，功率因数可提 高到0.99甚至更高。这种功率因数校正电路的问题是内部的开关 管的开关频率非常高(一般在20K以上)，因此工作时会产生相当大的电磁干扰，使系统的干扰电压和干扰功率超标，为了抑制PFC自 身所带来的干扰一般要采取多级滤波，势必增加变频控制系统的成 本。另外，由于其工作频率很高，需要非晶态磁性材料作磁芯的高频 电感与其配合，而这种电感价格很高，进一步增加了系统的成本，不 利于巿场竟争。
为解决全程有源功率因数校正存在的问题，使用部分有源PFC也 是一种较好的选择。图2示出现有技术下一种部分有源PFC的电路 图。这种功率因数校正电路的特点是，在180度电角度对电源作一次 功率因数校正，而不是在整个电源周期不断进行功率因数的校正。因 此，内部开关管的工作频率降低了，使电磁干扰大幅降低，同时，功 率因数校正的效果也较好，功率因数可以达到95%以上。
如图2所示，该部分有源PFC的电路中，交流电源U经过电感L 连接桥式整流电路交流输入端。在桥式整流电路的直流输出端，与该 桥式整流电路并联有受控开关SW。桥式整流电路的正极与所述受控 开关的公共端子连接二极管D的阳极，该二极管D的阴极连接负载 R。所述二极管D所起的作用为隔离作用，可以称之为隔离二极管。 在所述二极管D的阴极一侧，与所述负载并联有储能电容C。所述受 控开关SW有专用的控制电路控制其开关状态。该控制电路根据电源 电压检测值控制受控开关SW的开关状态。
请参阅图3，该图示出图2电路中整流后的电压波形。图中U1为 所设定的临界电压。该临界电压是电源是否直接向负载R供电的分界 点。当电源电压高于临界电压U1时，电源电压向负载R供电，当电 源电压低于该临界电压U1时，实际上是由储能电容C向负载供电。
本电路中，当整流后电压高于U1时，则受控开关SW打开。此 时，图2电路可以简化为图4所示的等效电路。从图4可以看出，电 路中电感L与储能电容C组成LC回路，可以改变电路中电压与电流 的相位差角，提高功率因数。从能量角度而言，就是电感L将存储的
6电能释放出来用于为负载供电。同时，当电源一侧的交流电压低于整 流桥二极管的截至电压时，由于电流突然中断，会引起电感L两侧电
压的升高，使整流桥中的二极管重新导通，从而减少整流桥的输出电 压的死区部分。
当电压降低到低于U1时，所述受控开关sw在开关控制电路的
作用下闭合，通过二极管D的阻隔，电源一侧形成独立的回路，其 等效电路见图5。从图5可知，该电路相当于电源向电感L存储电能。 因此，此时电源U的电能继续获得利用，电感L存储的电能在开关 SW打开后，将如前所述向负载R释放。
选择合适的电器参数的情况下，上述开关时间控制，可以使电感 L每次获得接近饱和的充电，并在放电时释放掉大部分电能，因此， 可以使所有电能都得到充分利用，转化为有功功率，从而使功率因数 显著改善。该电路可以使功率因数达到0.95-0.96之间。
总之，上述部分有源PFC可以使受控开关SW在180电角度中只 开关一次，同时又使电路功率因数显著提高。受控开关SW开关次数 的减少，其直接好处是减少电磁干扰，避免了全程有源PFC方式的 电磁干扰问题。
但是，就功率因数的改善而言，该PFC方式没有达到全程有源PFC 的近乎100%的功率因数的效果，且受控开关的开关频率仍会较高， 因此，其改善不能令人满意。在与上述PFC电路同样产生较少的电 磁干扰的情况下，进一步提高功率因数成为一个重要的课题。
发明内容
'针对上述缺陷，本发明解决的技术问题在于，提供一种部分有源 电功率因数校正电路，该种电路能够在产生较少的电磁干扰的情况 下，进一步提高电路功率因数，进一步降低受控开关的开关频率。
为实现上述目的，本发明的技术方案是釆用 一种部分有源电源功 率因数校正电路，所述电路包括全波整流单源，所述全波整流单源的正极通过电感与二极管阳极连接，所述二极管的阴极与负载的正极连接，电流检测单元串接在所述负载的负极与所述全波整流电源的负极之间，所述电流检测单元用于检测所述负载中的电流；所述负载与
电容并联；所述二极管的阳极与负载的负极之间并联有受控开关和电压检测单元，所述电压检测单元用于检测所述二极管的阳极与负载的负极之间的电压；所述负载中的电流大于一个临界电流，所述临界电流对应有第一临界电压值，且所述全波整流电源的输入电压高于第二临界电压值低于第三临界电压值时，所述受控开关受控打开，当负载中的电流小于所述临界电流，所述临界电流对应有第一临界电压值，且所述全波整流电源的输入电压低于第二临界电压或高于第三临界电压时受控开关受控闭合。
其中，所述电压检测单元和电流检测单元分别设有检测信号输出端，所述两个检测信号输出端分别与处理器的信号输入端连接，所述处理器的信号输出端与受控开关的控制端连接，所述处理器用于控制所述受控开关的打开或闭合。
其中，所述处理器包括电压判断单元和开关控制单元，所述电压判断单元判断所述电压检测单元、电流检测单元输入的检测信号与所述临界电压的关系；所述开关控制单元根据所述电压判断单元输出的判断结果，控制所述受控开关打开或闭合。
其中，所述电流检测单元包括串接在所述负载的负极与所述全波整流电源的负极之间的A电阻，在所述A电阻的两端并联有电压信号釆集器件，所述电压釆集器件设有信号输出端，所述信号输出端与所述处理器信号输入端连接，所述第一临界电压值为所述A电阻中流过某一特定电流值时所对应的电压值。
其中，所述电压检测单元包括至少两个串联连接的电阻，所述串联电阻中包括B电阻，所述B电阻的一端与所述负载的负极相连接，在所述B电阻的另一端与所述处理器之间设有连线，所述第二临界电压值或第三临界电压值为所述B电阻另一端的特定电压值。
其中，所述第二临界电压值为所述二极管截止导通时的电压值。其中，所述第三临界电压值为所述全波整流电源的电角度在80
度至100度和260度至280度时的电压值。
其中，所述电角度根据所述交流电源的周期计算获得。其中，所述受控开关釆用绝缘栅双极晶体管，所述绝缘栅双极晶体管的栅极与所述处理器的控制信号输出端连接，集电极与所述二极管的阳极连接，发射极与所述负载的输出端连接，处理器的控制信号为脉冲信号，输出的脉冲信号分别为高电平或低电平时，分别控制绝缘栅双极晶体管导通、截止，实现所述受控开关的受控闭合、受控打开。
本发明的优点和有益效果在于，本发明提供的部分有源电源功率因数校正电路，在保持了部分有源PFC的电磁干扰较小的优点的情况下，更进一步提高了电源的功率因数，其原因在于这种功率因素校正电路在80-100度电角度不对电源作功率因素校正，而是在其他电角度电源周期不断进行功率因素的校正。这样可使开关频率相对较低(开关频率在20k左右)，由于内部开关管的工作频率降低了，使得电磁干扰大幅降低，同时，功率因素校正的效果也较好，功率因素可以达到95%以上。同时在所述处理器的软件控制程序中设定了，只有当功率模块中的电流大于3安培时，处理器才开始控制受控开关开始工作发出脉冲信号，在本发明中的电路增加PFC电流检测单元后，可以通过对负载中电流的检测，实现对PFC的开启控制，增加电压检测单元后，可以根据电源端输出的直流电压大小对PFC开关脉冲频率进行调整，当电路中的电角度运行在80度至100度和260度至280度时，受控开关处于闭合状态，同时本发明将现有电路中的电感器由600nH提高到了 5mH，通过上述改进可实现不同输出电压要求。使电能获得充分利用，功率因数也因此进一步提高。
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图i是现有技术的一种全程有源功率因数校正电路图；图2是现有技术一种部分PFC的电路图；图3经过桥式整流后的电压波形图；图4是受控开关关断时，图2所示电路的等效电路图；图5是受控开关闭合时，图2所示电路的等效电路图；图6是本发明部分有源电源功率因数校正电路图。图中1、 IGBT; 2、电抗器或高频电感；3、整理桥；4、升压二级管；5、平波电解电容；6、功率模块IPM; 7、处理器IC; 8、驱动脉冲；9、电流检测单元；9-1、 A电阻；10、直流电压检测单元；10-1、 B电阻。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图6所示，本发明较佳的实施方案为， 一种部分有源电源功率因数校正电路，所述电路包括将桥式整流电单路的输入端与交流电源连接，所述桥式整流电路的输端为全波整流电源端，将所述全波整流电源的正极通过电感器与二极管阳极连接，所述二极管的阴极与负载的正极连接，所述负载是为空调器中压缩机供电的功率模块，将电流检测单元串接在所述负载的负极与所述全波整流电源的负极之间；所述负载与电容器并联；在所述二极管的阳极与负载的负极之间并联有受控开关和电压检测单元，当所述负载中的电流大于一个临界电流，其中，所述临界电流对应有第一临界电压值，并且，当所述全波整流电源的输入电压高于第二临界电压值如图3中的U1并低于第三临界电压值时，所述受控开关受控打开，当负载中的电流小于所述临界电流，其中，所述临界电流对应有第一临界电压值，并且，所述全波整流电源的输入电压低于第二临界电压或高于第三临界电压时受控开关受控闭合。
在本发明中，在所述电压检测单元和电流检测单元中分别设有检测信号输出端，将所述检测信号输出端与处理器的信号输入端连接，将所述处理器的信号输出端与受控开关的控制端连接，所述处理器用于控制所述受控开关的打开或闭合。
在本发明中，所述处理器包括电压判断单元和开关控制单元，所述电压判断单元判断所述电压检测单元、电流检测单元输入的检测信号与所述临界电压的关系；所述开关控制单元根据所述电压判断单元输出的判断结果，控制所述受控开关打开或闭合。所述电流检测单元用于检测所述负载中的电流，所述电流检测单元包括串接在所述负载的负极与所述全波整流电源的负极之间的A电阻，在所述A电阻的两端并联有电压信号釆集器件，所述电压釆集器件设有信号输出端，所述信号输出端与所述处理器信号输入端连接，所述第一临界电压值为所述A电阻中流过某一特定电流值时所对应的电压值。所述电压检测单元用于检测所述二极管的阳极与负载的负极之间的电压，所述
电压检测单元包括4个串联连接的电阻,所述串联电阻中包括B电阻，所述B电阻的一端与所述负载的负极相连接，在所述B电阻的另一端与所述处理器之间设有连线，所述第二临界电压值或第三临界电压值为所述B电阻另一端的特定电压值。所述第二临界电压值为所述二极管截止导通时的电压值。所述第三临界电压值为所述全波整流电源的电角度在80度至100度和260度至280度时的电压值。所述电角
度根据所述交流电源的周期计算获得。
在本发明中，所述受控开关釆用绝缘栅双极晶体管(IGBT),所述绝缘栅双极晶体管的栅极与所述处理器的控制信号输出端连接，集电极与所述二极管的阳极连接，发射极与所述负载的输出端连接，处理器的控制信号为脉冲信号，输出的脉冲信号分别为高电平或低电平时，分别控制绝缘栅双极晶体管导通、截止，实现所述受控开关的受控闭合、受控打开。
本发明的实施案例为，将220V交流电源与桥式整流电路1的输入端连接。在桥式整流电路3的输出端正极串联有电感器2，将一个5mH的电感器2的一端与二极管4的阳极连接，将二极管4的阴极与功率模块6的正极连接，将功率模块6的负极与A电阻9-1的一端连接，将A电阻9-1的另一端与桥式整流电路3的输出端负极连接。在所述A电阻9-1的两端并联有带信号从输出端的电压表，由所述A电阻9-l与所述电压表一起构成所述电流检测单元9，将所述电压表的输出端与处理器7的信号输入端连接。在所述功率模块6的正极与负极之间并联有电解电容5。在所述二极管4的阳极与功率模块6的负之间并联有，由电阻R广R4串接而成的电压检测单元10，在所述二极管4的阳极与功率模块6的负之间还并联有受控开关1，所述受控开关1为绝缘栅双极晶体管IGBT。将绝缘栅双极晶体管IGBT的栅极与所述处理器7的控制信号输出端连接，集电极与所述二极管4的阳极连接，发射极与所述功率模块6的负极端连接。将电压检测单元串接电阻R广R4中的R4设定为B电阻10-1,在电阻R广R4之间接出一条引线并将该引线连接到处理器7的信号输入端。所述信号处理器为现有技术中的器件，在所述处理器内包括电压判断单元和开关控制单元，电压判断单元首先判断A电阻9-1中流过的电流是否大于3安培，也就是功率模块中的电流是否大于3安培，该电流流经A电阻9-l后在A电阻9-l两端产生的电压就是第一临界电压，电压判断单元同时还要判断电阻R广R4之间的电压，也就是B电阻10-1的端电压是否大于二极管4的截止电压，也就是第二临界电压U1，当电压判断单元判断出所述电路中同时出现高于第一临界电压和第二临界电压时，电压判断单元发出判断结果信号给开关控制单元，开关控制单元依据此判断结果，输出低电平控制信号给绝缘栅双极晶体管的栅
12极，使绝缘栅双极晶体管的集电极与发射极之间截止导通，此时受控 开关被打开，当电压判断单元检测到B电阻10-1的端电压大于第三 临界电压时，电压判断单元发出判断结果信号给开关控制单元，开关 控制单元依据此判断结果，输出高电平控制信号给绝缘栅双极晶体管 的栅极，使绝缘栅双极晶体管的集电极与发射极之间导通，此时受控
开关被闭合，所述B电阻10-1的端电压大于第三临界电压标志着全 波整流的电流在电角度80度至100度或260度至280度之间，所述 电角度是根据所述交流电源的周期计算获得，当电压判断单元判断出 所述电路中同时出现低于第一临界电压和第二临界电压时，电压判断 单元发出判断结果信号给开关控制单元，开关控制单元依据此判断结 果，输出高电平控制信号给绝缘栅双极晶体管的栅极，使绝缘栅双极 晶体管的集电极与发射极之间导通，此时受控开关被闭合，当电压判 断单元检测到B电阻10-1的端电压小于第三临界电压时，电压判断 单元发出判断结果信号给开关控制单元，开关控制单元依据此判断结 果，输出高电平控制信号给绝缘栅双极晶体管的栅极，使绝缘栅双极 晶体管的集电极与发射极之间截止导通，此时受控开关被打开，其中 所述开关控制单元发出的高电平或低电平为所述处理器中的驱动脉 冲8。在本发明中所述电阻R广R3的设置是为了提高R3 R4之间端电 压的精度等级。本发明利用简单的电流检测单元和电压检测单元对电 路中的临界电压进行检测，处理器依据领结电压检测的结果对受控开 关绝缘栅双极晶体管进行控制，省去了现有技术中的过零检测电路， 降低了受控开关的开关频率，进一步提高了电网的功率因数，同时还 减少了受控开关对电网的干扰，使得电路更为简洁，控制开关的时机 更加精确。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领 域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以 做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1、一种部分有源电源功率因数校正电路，其特征在于，所述电路包括全波整流单源，所述全波整流单源的正极通过电感与二极管阳极连接，所述二极管的阴极与负载的正极连接，电流检测单元串接在所述负载的负极与所述全波整流电源的负极之间，所述电流检测单元用于检测所述负载中的电流；所述负载与电容并联；所述二极管的阳极与负载的负极之间并联有受控开关和电压检测单元，所述电压检测单元用于检测所述二极管的阳极与负载的负极之间的电压；所述负载中的电流大于一个临界电流，所述临界电流对应有第一临界电压值，且所述全波整流电源的输入电压高于第二临界电压值低于第三临界电压值时，所述受控开关受控打开，当负载中的电流小于所述临界电流，所述临界电流对应有第一临界电压值，且所述全波整流电源的输入电压低于第二临界电压或高于第三临界电压时受控开关受控闭合。
2、 如权利要求1所述的部分有源电源功率因数校正电路，其特 征在于，所述电压检测单元和电流检测单元分别设有检测信号输出 端，所述两个检测信号输出端分别与处理器的信号输入端连接，所述 处理器的信号输出端与受控开关的控制端连接，所述处理器用于控制 所述受控开关的打开或闭合。
3、 如权利要求2所述的部分有源电源功率因数校正电路，其特征在于，所述处理器包括电压判断单元和开关控制单元，所述电压判 断单元判断所述电压检测单元、电流检测单元输入的检测信号与所述 临界电压的关系；所述开关控制单元根据所述电压判断单元输出的判 断结果，控制所述受控开关打开或闭合。
4、 如权利要求3所述的部分有源电源功率因数校正电路，其特 征在于，所述电流检测单元包括串接在所述负载的负极与所述全波整流电源的负极之间的A电阻，在所述A电阻的两端并联有电压信号 采集器件，所述电压采集器件设有信号输出端，所述信号输出端与所 述处理器信号输入端连接，所述第一临界电压值为所述A电阻中流 过某一特定电流值时所对应的电压值。
5、 如权利要求3所述的部分有源电源功率因数校正电路，其特 征在于，所述电压检测单元包括至少两个串联连接的电阻，所述串联 电阻中包括B电阻，所述B电阻的一端与所述负载的负极相连接， 在所述B电阻的另一端与所述处理器之间设有连线，所述第二临界电 压值或第三临界电压值为所述B电阻另一端的特定电压值。
6、 如权利要求5所述的部分有源电源功率因数校正电路，其特 征在于，所述第二临界电压值为所述二极管截止导通时的电压值。
7、 如权利要求5所述的部分有源电源功率因数校正电路，其特 征在于，所述第三临界电压值为所述全波整流电源的电角度在80度 至100度和260度至280度时的电压值。
8、 如权利要求7所述的部分有源电源功率因数校正电路，其特 征在于，所述电角度根据所述交流电源的周期计算获得。
9、 如权利要求2或3所述的部分有源电源功率因数校正电路， 其特征在于，所述受控开关采用绝缘栅双极晶体管，所述绝缘栅双极 晶体管的栅极与所述处理器的控制信号输出端连接，集电极与所述二 极管的阳极连接，发射极与所述负载的输出端连接，处理器的控制信 号为脉冲信号，输出的脉冲信号分别为高电平或低电平时，分别控制 绝缘栅双极晶体管导通、截止，实现所述受控开关的受控闭合、受控 打开。
全文摘要
本发明涉及电源技术，具体地说涉及一种部分有源电源功率因数校正电路，包括全波整流单源，全波整流单源的正极通过电感与二极管阳极连接，二极管的阴极与负载的正极连接，电流检测单元串接在负载的负极与全波整流电源的负极之间；负载与电容并联；二极管的阳极与负载的负极之间并联有受控开关和电压检测单元，负载中的电流大于一个临界电流，该临界电流对应有第一临界电压值，且全波整流电源的输入电压高于第二临界电压值低于第三临界电压值时，受控开关受控打开，相反时受控开关受控闭合。该种电路能够在产生较少的电磁干扰的情况下，进一步提高电路功率因数，进一步降低受控开关的开关频率。
文档编号H02M1/42GK101656467SQ200810117969
公开日2010年2月24日 申请日期2008年8月18日 优先权日2008年8月18日
发明者吴丽琴, 张守信, 耿宝寒 申请人:海尔集团公司;青岛海尔空调器有限总公司