专利名称：直接设定直流输出电压的单相功率因数校正数字电路的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种单相功率因数校正数字电路，特别涉及一种直接设定直流输出电压 的单相功率因数校正数字电路。
背景技术：
截至目前，单相有源功率因数校正(APFC)技术得到了广泛和深入的发展和应用，带来 了可观的经济效益和社会效益，其应用领域日益扩大，功率范围也日益提高，甚至出现输入 电流接近40A的实际应用。随着微控制器技术的发展以及数字控制的灵活性和可塑性，仅年来， 数字APFC技术也得到了相应发展和具体应用，同时也促生了多种新的APFC控制算法的出现。 然而，不论模拟APFC还是数字APFC，纵观全部现有的控制算法，都需要对APFC直流输出电压 进行实时检测，并将所得电压的信息作为一种控制的信号来源。此外，实时检测直流输出电 压的目的也在于用作输出电压的闭环控制和监视输出电压是否欠压和过压，如此就增加了硬 件成本和控制的复杂程度。
因此，如何简化现有APFC电路的结构并能获得良好的校正效果实已成为本领域技术人员 亟待解决的技术课题。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种直接设定直流输出电压的单相功率因数校正数字电路， 具有结构简单、成本低廉、灵活性强、校正效果佳之优点，适用所有APFC的应用场合。
为了达到上述目的及其他目的，本实用新型的直接设定直流输出电压的单相功率因数校 正数字电路包括由受接入的单相交流输入电压控制的功率管、因所述功率管的通断而相应 进行充放电的电感、与所述电感相串联并与所述功率管共同作用使输出直流电压近于恒定的 电解电容、及与所述电感相串联的分流电阻等部件构成的功率电路、包括与所述分流电阻相 连接的电阻、及与所述电阻相连接且用于测量所述分流电阻的瞬时电压的运放的分流电阻检 测单元、用于将所述分流电阻检测单元测量出的所述电压进行模数转换的第一模数转换器、 用于设定所述功率电路的输出直流电压，并根据所述功率电路输入的单相交流电压、所设定 的输出直流电压和所述第一模数转换器转换得到的结果计算占空比的处理器、用于根据所述 处理器所计算出的占空比产生相应PWM脉冲的定时器、以及用于根据所述定时器所产生的PWM脉冲驱动所述功率管的通断的驱动器。
此外，所述直接设定直流输出电压的单相功率因数校正数字电路还可包括用于测量所 述功率电路输入的单相交流电压瞬时值的输入电压检测单元、及用于将所述输入电压检测单 元测量的交流电压瞬时值进行模数转换且将转换后的结果送入所述处理器的第二模数转换 器。
较佳地，所述处理器为按照^)"^"t)l计算占空比的处理器，其中，W)为占空比， * 一關
'|l' (t)|Ud。(t) ， Um(t)为所述输出直流电压，U'力)为输入的单相交流电压或所述第二模数转换
器的转换结果，L(t)为所述第一模数转换器转换得到的结果，所述u'"(t)和^(t)采用有效值或
平均值。
较佳地，所述驱动器可为推挽驱动器，所述功率电路可为有桥或无桥电路。 再者，所述直接设定直流输出电压的单相功率因数校正数字电路还可包括用于根据所 述第二模数转换器的转换结果判断所述功率电路的输入的单相交流电压是否过压和欠压，并 将判断结果送入所述定时器以调整所产生的PWM脉冲的过压欠压判断单元；以及用于根据所 述第一模数转换器的转换结果判断所述功率电路的电流是否过流，并将判断结果送入所述定 时器以调整所产生的PWM脉冲的过流判断单元。
综上所述，本实用新型的直接设定直流输出电压的单相功率因数校正数字电路通过直接 对直流输出电压的设定可有效简化电路，避免了对直流输出电压的检测，同时使功率的校正 不受输出电压的影响，因而具有良好的负载调整率和鲁棒性。
图1为本实用新型的直接设定直流输出电压的单相功率因数校正数字电路的电路结构示 意图。
具体实施方式
请参阅图l，本实用新型的直接设定直流输出电压的单相功率因数校正数字电路包括功 率电路2、分流电阻检测单元、第一模数转换器ADC1、输入电压检测单元、第二模数转换器 ADC2、处理器、定时器、驱动器、过压欠压判断单元、及过流判断单元。
所述功率电路2包括整流桥B1、电阻R1、 R2、 R3、分流电阻RS和等效负载电阻RL、电容C1 、 C2、 C3和C4、电解电容E1、快速恢复功率二极管FRD1、稳压二极管ZD1、及功率管
Sl，其为典型的APFC功率电路。其中，整流桥B1的两个交流输入端分别连接电容C1的两端，
并与接入的单相交流电源VS的两端相连。整流桥B1的直流正极与电阻R1的一端相连，并与
电感Ll的一端相连，电感Ll的另一端与功率二极管FRD1的阳极、电容C2的一端、功率管
Sl的集电极共同相连，功率二极管FRD1的阴极与电容C2的另一端相连后与电容C3的一端、
电解电容El的正极以及等效负载电阻RL的一端相连。整流桥Bl的直流负极与电阻Rl的另
一端、分流电阻RS的一端、电阻R3的一端相连，分流电阻RS的另一端接地。功率管Sl的
门极与稳压二极管ZD1的阴极、电阻R2的一端相连，功率管Sl的发射极、稳压二极管ZD1
的阳极、电阻R2的另一端分别接地。电阻R3的另一端与电容C4的一端相连，电容C4的另
一端接地，电容C3的另一端、电解电容E1的负极、等效负载RL电阻的另一端接地。分流电
阻RS的阻值为mQ级，整流桥后正弦半波的电阻降压电路输出为几伏级，所述电解电容E1的
容值大，所述电感Ll的感抗大，其因所述功率管Sl的通断而相应进行充放电，当受接入的
单相交流输入电压VS控制的功率管Sl的开关频率足够高时，所述功率电路的直流输出电压
即近似恒定值。此外，所述功率电路也可采用无桥电路。
所述分流电阻检测单元与所述分流电阻RS相连接，用于测量所述分流电阻RS的瞬时电压，
其包括运放A1及电阻R7、 R8、及R9，其中，电阻R7的一端与功率电路中电阻R3、电容C4的公
共端相连，其另一端与电阻R8的一端、运放A1的反相输入端相连，电阻R8的另一端与运放A1
的输出端相连后并与第一模数转换器ADC1相连，电阻R9的一端与运放A1的同相输入端相连，
其另一端接地。
所述第一模数转换器ADC1用于将所述分流电阻检测单元测量出的所述电压进行模数转换。
所述输入电压检测单元用于测量所述功率电路输入的单相交流电压瞬时值，其包括运放 A2及电阻R5、及R6，其中，电阻R5、 R6的一端相连后与运放A2的同相输入端相连，电阻 R5另一端与所述功率电路2中整流桥Bl的正极相连，电阻R6的另一端与所述功率电路2中 整流桥B1和负极相连，运放A2的反相输入端与其输出端相连后，并与所述第二模数转换器 ADC2相连。
所述第二模数转换器ADC2用于将所述输入电压检测单元测量的单相交流电压瞬时值进行 模数转换且将转换后的结果送入所述处理器。
所述处理器用于设定所述功率电路2的输出直流电压，其可根据所述输入的单相交流电 压来进行设定，即可设定为在所述输入的单相交流电压幅值的基础上再增加一偏压，所述偏压值可为预设的恒定值，也可根据所述电感电流有效值来确定，还可根据所述输入的单相交 流电压幅值与所述电感电流有效值来确定。需注意的是，鉴于功率因数校正良好时，输入电 流呈现正弦波形，而电网电压本身近似为正弦波形，二者同步，另外由于电解电容E1的容值 大和电感Ll的感抗大，且功率管Sl的开关频率足够时，故功率电路2的直流输出电压的近 似恒定值，由此，所述输出直流电压设定单元可对输出直流电压进行设定，而无需对输出直 流电压进行检测。所述处理器还用于根据所述功率电路输入的单相交流电压、所设定的输出
直流电压和所述第一模数转换器转换得到的结果计算占空比，其按照"w^一"^t)l计算占空
* . |uin(t)|
比，其中，W)为占空比，'1^(t)IUd。(t)， Um(t)为所述输出直流电压，Um(t)为输入的单相交 流电压或所述第二模数转换器的转换结果，^t)为所述第一模数转换器转换得到的结果，在
计算所述占空比时，所述u' (t)和L (t)可采用有效值或平均值。
所述定时器用于根据所述处理器所计算出的占空比产生相应PWM脉冲。 所述驱动器用于根据所述P定时器所产生的PWM脉冲驱动所述功率管S1的通断，其可为推 挽驱动器。当PWM脉冲处于高电平时，所述驱动器驱动功率管S1导通，电源VS被短路，电感L1 电流上升，储存能量；当PWM脉冲处于低电平时，功率管S1关断，电源VS被断开，电感L1电 流下降，电感L1将储存能量的一部分通过功率二极管FRD1转移到电解电容E1中，供等效负载 RL使用，由此功率电路最终能够得到纹波电压低、平均值稳定的输出直流电压和与高正弦度 的交流电流，达到APFC的目的和目标。
所述过压欠压判断单元用于根据所述第二模数转换器ADC2的转换结果判断所述功率电路 2的输入的单相交流电压是否过压和欠压，并将判断结果送入所述定时器以调整所产生的PWM 脉冲。
所述过流判断单元用于根据所述第一模数转换器ADC1的转换结果判断所述功率电路2的 电流是否过流，并将判断结果送入所述定时器以调整所产生的PWM脉冲。
本实用新型的工作原理的实质是根据单相功率因数校正器的工作原理和实质，确定了功 率管的占空比函数，由此所述处理器通过计算得到功率管的占空比，再由定时器产生PWM驱动 脉冲，接着由驱动器将所产生的PWM驱动脉冲作用于功率电路，获得APFC校正的良好效果。
给出部分电路元件的参数:各电阻、运放均要求具有高精度，设定的输出直流电压为350V， 电阻R5取349kQ，电阻R6取lkQ，电阻R7取10kQ，电阻R8取10kQ，电阻R9取10kQ，电阻 RS取15mQ且无感，电阻R3取20Q，电容C4取lnF，运放A1和A2均选择较高精度和满幅值输出的放大器。
此外，在本实施例中的电阻R5、电阻R6以及运放A2、第二模数转换单元、以及过压欠压 判断单元可以省略，其提供的数值可用额定交流电压220V的恒定数值代替，而使APFC具有输 入电压跟随性能，不影响APFC的基本功能。
综上所述，本实用新型的直接设定直流输出电压的单相功率因数校正数字电路通过测量 无感分流电阻RS的瞬时电压即可获得电感L1的电流的瞬时值，从而可以近似获得电网电流的
有效值和平均值，同时基于设定的直流输出电压Ud。，就可以计算出功率管的占空比函数"W， 而无需检测输出直流电压的瞬时值。由于所有的计算工作均采用数字控制方式完成，灵活性 强，开销数字控制器的资源较少；此外，由于无需检测和控制输出直流电压的取值，不受输 出电压的影响，因而具有良好的负载调整率和鲁棒性；同时由于检测输入电压有效值或平均 值，因而具有良好的电源调整率和抗干扰能力。
权利要求1.一种直接设定直流输出电压的单相功率因数校正数字电路，其特征在于包括功率电路，包括受接入的单相交流输入电压控制的功率管、因所述功率管的通断而相应进行充放电的电感、与所述电感相串联并与所述功率管共同作用使输出直流电压近于恒定的电解电容、及与所述电感相串联的分流电阻；分流电阻检测单元，包括与所述分流电阻相连接的电阻、及与所述电阻相连接且用于测量所述分流电阻的瞬时电压的运放；第一模数转换器，用于将所述分流电阻检测单元测量出的所述电压进行模数转换；处理器，用于设定所述功率电路的输出直流电压，并根据所述功率电路输入的单相交流电压、所设定的输出直流电压和所述第一模数转换器转换得到的结果计算占空比；定时器，用于根据所述处理器所计算出的占空比产生相应PWM脉冲；驱动器，用于根据所述定时器所产生的PWM脉冲驱动所述功率管的通断。
2. 如权利要求1所述的直接设定直流输出电压的单相功率因数校正数字电路，其特征在 于还包括用于测量所述功率电路输入的单相交流电压瞬时值的输入电压检测单元、 及用于将所述输入电压检测单元测量的交流电压瞬时值进行模数转换且将转换后的 结果送入所述处理器的第二模数转换器。
3. 如权利要求1或2所述的直接设定直流输出电压的单相功率因数校正数字电路，其特征在于所述处理器为按照^)^AlUt)l计算占空比的处理器，其中，W)为占空比，* — K(t)l'^(t)IUa。(t) ， Um(t)为所述输出直流电压，Um(t)为输入的单相交流电压或所述第二 模数转换器的转换结果，L(t)为所述第一模数转换器转换得到的结果，所述^(t)和L(t)采用有效值或平均值。
4. 如权利要求2所述的直接设定直流输出电压的单相功率因数校正数字电路，其特征在 于还包括用于根据所述第二模数转换器的转换结果判断所述功率电路的输入的单相 交流电压是否过压和欠压，并将判断结果送入所述定时器以调整所产生的PWM脉冲的 过压欠压判断单元。
5. 如权利要求1所述的直接设定直流输出电压的单相功率因数校正数字电路，其特征在 于还包括用于根据所述第一模数转换器的转换结果判断所述功率电路的电流是否过 流，并将判断结果送入所述定时器以调整所产生的P丽脉冲的过流判断单元。
6. 如权利要求1所述的直接设定直流输出电压的单相功率因数校正数字电路，其特征在于所述驱动器为推挽驱动器。
7.如权利要求1所述的直接设定直流输出电压的单相功率因数校正数字电路，其特征在 于所述功率电路为有桥及无桥电路中的一种。
专利摘要本实用新型的直接设定直流输出电压的单相功率因数校正数字电路包括功率电路、与所述功率电路的分流电阻相连接且用于测量所述分流电阻的瞬时电压的分流电阻检测单元、用于将测量出的所述电压或电流进行模数转换的第一模数转换器、用于设定功率电路的输出直流电压的输出直流电压设定单元、用于根据功率电路输入的单相交流电压、所设定的输出直流电压和所述第一模数转换器转换得到的结果计算占空比的处理器、用于根据所计算出的占空比产生相应PWM脉冲的定时器、以及用于根据所产生的PWM脉冲驱动功率电路的功率管的通断的驱动器，由此可实现对功率的校正，同时由于无需对直流输出电压的检测，可有效简化电路。
文档编号H02J3/18GK201328078SQ20082015474
公开日2009年10月14日 申请日期2008年10月31日 优先权日2008年10月31日
发明者周文鸣, 俊 朱, 杨喜军 申请人:上海诚跃电气科技有限公司