專利名稱：有源功率因數(shù)校正器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種有源功率因數(shù)校正器。
諧波對(duì)電網(wǎng)構(gòu)成污染，是電力系統(tǒng)的大敵。接入電網(wǎng)的開關(guān)電源都有一個(gè)采用二極管整流\大電容濾波的整流環(huán)節(jié)，使輸入電流嚴(yán)重畸變(請(qǐng)參考
圖1)，對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生污染，對(duì)通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，引起儀器儀表和繼電保護(hù)的誤測(cè)量、誤動(dòng)作。隨著用電設(shè)備日益增多，諧波污染引起了越來越廣泛的關(guān)注。顯然，使用有效的校正技術(shù)把諧波污染控制在較小的范圍是當(dāng)務(wù)之急。諧波對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重的污染的同時(shí)，還造成電源功率因數(shù)的降低。為了有效地消除諧波和提高功率因數(shù)，各類電源必須采用有源功率因數(shù)校正器(APFC)。隨著IEC555—2、IEEE519等國際標(biāo)準(zhǔn)的相繼提出，對(duì)接入電網(wǎng)設(shè)備的功率因數(shù)和總諧波含量提出了更高的要求，因此，電源設(shè)備的更新?lián)Q代已是勢(shì)在必行，在可預(yù)見的將來，所有與電源相關(guān)的產(chǎn)品，只有加入APFC技術(shù)，才能進(jìn)入國內(nèi)和國際市場(chǎng)。
但至今對(duì)于APFC開關(guān)變換器的臨界條件、穩(wěn)態(tài)特性以及輸入電流畸變等的研究還很不深入，由于APFC和DC—DC變換部分存在不可避免的相互聯(lián)系，因此較難設(shè)計(jì)出達(dá)到期望性能指標(biāo)的有源功率因數(shù)校正器。
近年來，功率因數(shù)校正技術(shù)研究的熱點(diǎn)問題集中在以下幾個(gè)方面1.新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的提出?；谝延械脑?，或新原理下的新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，比如磁放大PFC技術(shù)等。
2.把DC—DC變換器中的新技術(shù)(如軟開關(guān)技術(shù)和開關(guān)電容功率網(wǎng)絡(luò)等)應(yīng)用于APFC電路中。
3.新控制方法(基于已有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的新控制方法)以及基于新拓?fù)涞奶厥饪刂品椒ǖ难芯?。一般來說，目前控制技術(shù)的研究日趨復(fù)雜，廣泛使用的中小功率用電設(shè)備難以承受隨之帶來的成本增加。因此，對(duì)中小功率電器設(shè)備來說，控制簡單的低成本功率因數(shù)校正電源是比較受歡迎的。
4.單級(jí)APFC穩(wěn)壓開關(guān)變換器的穩(wěn)定性的研究。采用單級(jí)結(jié)構(gòu)后，由于APFC和DC—DC變換部分存在不可避免的相互聯(lián)系，因此有必要研究這類變換器的穩(wěn)定性，以便設(shè)計(jì)出達(dá)到期望性能指標(biāo)的開關(guān)電源。
綜覽近十年發(fā)表的文獻(xiàn)，有源功率因數(shù)校正技術(shù)的研究存在以下問題1.獲得變換器具有功率因數(shù)校正功能的臨界條件，對(duì)于設(shè)計(jì)電路是十分必要的。對(duì)DC—DC來說，獲得其臨界條件是很容易的。然而，在PFC電路中獲得其臨界條件并不是一件容易的事。一些文獻(xiàn)對(duì)這一問題進(jìn)行了研究，然而研究的基礎(chǔ)是假定功率因數(shù)為1。但事實(shí)上并不如此，對(duì)不同的變換器結(jié)構(gòu)，輸入電流波形存在不同程度的畸變。
2.開關(guān)不僅要導(dǎo)通較大的通態(tài)電流，而且將關(guān)斷更大的峰值電流，并引起很大的關(guān)斷損耗，同時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾(EMI)。并且在已發(fā)表的電路中，由于開關(guān)內(nèi)部的寄生電容引起的損耗仍不能避免，而且隨著開關(guān)頻率的提高，開關(guān)損耗會(huì)更加嚴(yán)重。這些問題限制了APFC性能的進(jìn)一步提高。
3.為了降低開關(guān)損耗、抑制EMI，采用零電壓開關(guān)是最理想的選擇。最近，已經(jīng)了幾種軟開關(guān)變換器旨在解決boost變換器存在的問題。但是，這些變換器通常包含或幾個(gè)輔助開關(guān)用以保證主開關(guān)在零電壓或零電流下開通和(或)關(guān)斷，其主電路及控制電路都比較復(fù)雜。
4.在應(yīng)用最廣泛的boost電壓跟隨器型APFC電路中，輸出電壓只能高于輸入壓，想要獲得較低的輸出電壓則必須使開關(guān)工作在很小的導(dǎo)通比，這一方面會(huì)降低輸功率因數(shù)，也使APFC的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性變差。
5.輸出功率相對(duì)較小，適合用于大、中型功率開關(guān)電源和UPS的APFC很難實(shí)現(xiàn)，極大地阻礙有源功率因數(shù)校正器的推廣應(yīng)用。
綜上所述，現(xiàn)有的APFC，其技術(shù)復(fù)雜，成本高，普及難度大。本發(fā)明的目的旨在克服上述缺點(diǎn)，在所有電源產(chǎn)品中加入節(jié)能、高效、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、功率因數(shù)高、輸出功率大的有源功率因數(shù)校正器，實(shí)現(xiàn)研究人員追求的最終目標(biāo)。
本發(fā)明的目的是以下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的在整流器BR和濾波電容C1之間接入的有源功率因數(shù)校正器，是由一個(gè)電壓補(bǔ)償穩(wěn)壓器VCR和一個(gè)或多個(gè)電壓泵VPM級(jí)聯(lián)而成，VCR和VPM都是寬輸入電壓范圍的開關(guān)穩(wěn)壓電源。VCR中的二極管D1把BR的整流電壓Vd和電解電容上的輸出電壓Vo隔離，VCR的補(bǔ)償功能可使Vd一個(gè)周期中的100-300V范圍內(nèi)的電壓穩(wěn)定到輸出電壓Vo，在VCR輸入電壓范圍之外的3-100V部份，采用一級(jí)或多級(jí)電壓泵VPM進(jìn)行電壓提升，使得提升后的電壓進(jìn)入VCR的輸入電壓范圍。于是，在Vd的一個(gè)周期中，對(duì)應(yīng)3-300V的電壓范圍都有輸入交流電流流過，功率因數(shù)可達(dá)到0.99995。同時(shí)，檢測(cè)和控制C1的充電電流，盡可能地與Vd的波形保持一致，可使總的諧波含量THD達(dá)到3％以下。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)有源功率因數(shù)校正采用了電壓補(bǔ)償穩(wěn)壓法，因此，與傳統(tǒng)APFC相比，具有以下特點(diǎn)1.成本、體積、重量、功耗可減少80％。
2.輸入功率因數(shù)可接近100％，THD可達(dá)到3％以下。
3.可實(shí)現(xiàn)大功率輸出，能對(duì)大、中型開關(guān)電源和三相UPS進(jìn)行功率因數(shù)校正。
4.結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定。
圖1是未采用APFC的一般電源，其輸入交流電流發(fā)生畸變示意圖。
圖2是在整流器和濾波電容之間接入VCR后，輸入交流電流波形。
圖3是在整流器和濾波電容之間接入一級(jí)VPM后，輸入交流電流波形。
圖4是本發(fā)明的原理框圖。
圖5是驅(qū)動(dòng)控制部份的原理電路圖。
圖1、圖2和圖3中，Vi是輸入交流電壓波形，Ii是輸入交流電流波形，接入VCR和VPM后，輸入交流電流波形明顯改善。
圖4是一種有源功率因數(shù)校正器，其輸入端接整流器BR，輸出端接濾波電容C1，有源功率因數(shù)校正器由一個(gè)電壓補(bǔ)償穩(wěn)壓器VCR和一個(gè)或多個(gè)電壓泵VPM級(jí)聯(lián)而成。
VCR由開關(guān)電源SW1和二極管D1、D9組成，SW1輸入端的正極接D9的負(fù)極，其輸入端的負(fù)極接地，D9的正極接BR輸出端的正極，SW1輸出端的正極接地，其輸出端的負(fù)極接C1的負(fù)極，D1的正極接BR輸出端的正極，其負(fù)極是C1的正極。
VPM1由三極管Q1、電阻R1、開關(guān)電源SW2、二極管D2和驅(qū)動(dòng)控制電路組成；Q1的集電極接D1的正極，其發(fā)射極通過電阻R1接地，其基極接Q3的發(fā)射極，SW2的輸入端并接在R1的兩端，其輸出端的正極接D2的正極，其輸出端的負(fù)極接SW1輸入端的負(fù)極，D2的負(fù)極接SW1輸入端的正極。
VPM2由三極管Q2、電阻R2、開關(guān)電源SW3、二極管D3和驅(qū)動(dòng)控制電路組成；Q2的集電極接D1的正極，其發(fā)射極通過電阻R2接地，其基極接Q4的發(fā)射極，SW3的輸入端并接在R2的兩端，其輸出端的正極接D3的正極，其輸出端的負(fù)極接SW2輸入端的負(fù)極，D3的負(fù)極接SW2輸入端的正極。
前已述及，輸入交流電流與電壓不同步，產(chǎn)生嚴(yán)重畸變的根本原因在于，濾波電容上的電壓基本保持不變，與輸出電壓Vo相等，只有在Vd大于濾波電容上的電壓的較短時(shí)間內(nèi)，才有輸入交流電流流過，這時(shí)整流器的導(dǎo)通角不到50度，功率因數(shù)約0.65。如果能在Vd小于輸出電壓Vo時(shí)，仍然有輸入交流電流流過，就可以擴(kuò)大整流器的導(dǎo)通角，使功率因數(shù)增加，也就使輸入電流與電壓進(jìn)一步同步，減小了總的諧波含量THD。
組成電壓補(bǔ)償穩(wěn)壓器VCR的開關(guān)電源SW1適應(yīng)寬范圍輸入電壓，當(dāng)Vd在100-300VDC之間變化，即工作電壓之比的最大值大于3，其輸出電壓仍能保持在正常范圍之內(nèi)。SW1產(chǎn)生的輸出電壓即補(bǔ)償電壓Vc，疊加在整流后的脈動(dòng)電壓Vd之上，通過二極管D1向?yàn)V波電容C1充電，使C1上的電壓保持為Vo＝Vd＋Vc，Vd是脈動(dòng)半波電壓，Vc也作相同的波動(dòng)，只不過與Vd的變化相反，抵消或補(bǔ)償Vd的波動(dòng)，使Vo保持恒定。當(dāng)輸入交流電壓為100V時(shí)，SW1仍能正常工作，這時(shí)的導(dǎo)通角為142度，功率因數(shù)為0.942。
為了增加導(dǎo)通角，提高功率因數(shù)，使Vd在30-100V時(shí)，仍有輸入交流電流流過，在SW1的輸入端增加了一級(jí)電壓泵VPM1。VPM1就是SW2，是一個(gè)典型的升壓開關(guān)電源，工作電壓范圍是30-100VDC，輸出電壓120VDC。當(dāng)Vd小于100VDC時(shí)，Q1導(dǎo)通，SW2開始工作，通過二極管D2將120V的電壓送到VCR，即SW1的輸入端，因輸入電壓大于100VDC，于是VCR正常工作，有電流向?yàn)V波電容充電。二極管D2的作用是，當(dāng)輸入交流電壓大于120V時(shí)，使電流只進(jìn)入SW1的輸入端，而不向SW2的輸出端倒灌，D9的作用與D2類似。接入VPM1以后，當(dāng)Vd為30V時(shí)，仍有交流電流流過，這時(shí)的導(dǎo)通角為173.5度，功率因數(shù)為0.995。當(dāng)Vd在30-100V范圍時(shí)，SW1組成的電壓補(bǔ)償穩(wěn)壓器不能正常工作，由于SW2可在30-100V范圍內(nèi)正常工作，將電壓升至120V，使SW1得以正常工作。
為了進(jìn)一步增加導(dǎo)通角，提高功率因數(shù)，使Vd在13-30V時(shí)，仍有輸入交流電流流過，在SW2的輸入端增加了一級(jí)電壓泵VPM2。VPM2就是SW3，也是一個(gè)典型的升壓開關(guān)電源，工作電壓范圍是13-30VDC，輸出電壓35VDC。當(dāng)Vd小于30V時(shí)，Q1導(dǎo)通，SW3開始工作，通過二極管D3將35V的電壓送到SW2的輸入端，因輸入電壓大于30VDC，于是SW2正常工作，VCR也正常工作，有電流向?yàn)V波電容充電。二極管D3的作用是，當(dāng)輸入交流電壓大于30V時(shí)，使電流只進(jìn)入SW2的輸入端，而不向SW3的輸出端倒灌，Q1的作用與D9的作用類似。接入VPM2以后，當(dāng)輸Vd電壓為13V時(shí)，仍有交流電流流過，這時(shí)的導(dǎo)通角為175.4度，功率因數(shù)為0.999。當(dāng)輸入交流電壓在13-30V范圍時(shí)，SW2組成的VPM1不能正常工作，SW1組成的電壓補(bǔ)償穩(wěn)壓器也不能正常工作，但由于SW3可在13-40V范圍內(nèi)正常工作，將電壓從13V提高到120V，使SW1、SW2得以正常工作。
根據(jù)功率校正精度的要求，在VPM2的開關(guān)電源SW3的輸入端還可以按類似的電路連結(jié)方法，繼續(xù)級(jí)聯(lián)電壓泵VPM，使其工作電壓在3-13VDC，輸出電壓為15VDC，這時(shí)導(dǎo)通角為178.86度，功率因數(shù)為0.99995。由于一個(gè)開關(guān)電源不可能在3-300VDC范圍內(nèi)正常工作，因此分成多級(jí)提升電壓，VPM的作用正如多級(jí)提升水位的泵一樣，故名電壓泵。
當(dāng)APFC的輸出功率為100KW時(shí)，可計(jì)算出，VCR的輸出功率為94.2KW，而SW1的輸出功率只有9.42KW，SW2的輸出功率只有5.3KW，SW3的輸出功率只有0.04KW，下一個(gè)VPM的輸出功率只有0.0095KW。這樣，實(shí)現(xiàn)100KW的APFC，需要的開關(guān)電源總?cè)萘繛閃＝9.42＋5.3＋0.04＋0.0095＝14.77KW。對(duì)于傳統(tǒng)模式的APFC，對(duì)100KW的功率進(jìn)行校正，需要100KW以上的功率容量。
開關(guān)電源SW1-SW3的檢測(cè)電路一般是檢測(cè)其輸出端的端電壓，但也可以檢測(cè)濾流電容C1的充電電流，使VCR對(duì)C1的充電電流更好地與Vd同步，進(jìn)一小減少總的諧波含量THD。
二極管D1起著至關(guān)重要的作用在D1的左邊，電壓波形是單邊脈動(dòng)的直流電壓，而在D1的右邊，是穩(wěn)定的輸出直流電壓Vo。如果拿掉D2，即使所有的電路拓樸結(jié)構(gòu)不變，整個(gè)電路只是一個(gè)普通的開關(guān)電源而已。
圖5是驅(qū)動(dòng)控制電路，由光電二極管OPT1、OPT2，定時(shí)電路U1、U2，三極管Q3、Q4及其周圍元件組成；OPT1、U1和Q3組成三極管Q1的驅(qū)動(dòng)控制電路，OPT1發(fā)光管的陽極通過電阻R4接二極管D8的負(fù)極，其陰極通過電位器VR3接地，D8的正極接BR輸出端的正極；OPT1三極管的集電極接電阻R11、電解電容C2的正極和穩(wěn)壓二極管DZ1的負(fù)極，其發(fā)射極通過電阻R3接地，R11的另一端接D8的負(fù)極，C2的負(fù)極、DZ1的正極接地；U1-1接地，U1-5通過電容C5接地，U1-4、U1-8接OPT1三極管的集電極，U1-2接電阻R5和電位器VR3，U1-6接電阻R6和電位器VR2，R5、R6的另一端接OPT1三極管的發(fā)射極，VR2、VR3的另一端接地，U1-3接三極管Q3的基極；Q3的集電極接OPT1三極管的集電極，其發(fā)射極通過電阻R13接地，同時(shí)接Q1的基極；OPT2、U2和Q4組成三極管Q2的驅(qū)動(dòng)控制電路，OPT2發(fā)光管的陽極通過電阻R8接二極管D8的負(fù)極，其陰極通過電位器VR4接地；OPT2三極管的集電極接電阻R12、電解電容C3的正極和穩(wěn)壓二極管DZ2的負(fù)極，其發(fā)射極通過電阻R7接地，R12的另一端接D8的負(fù)極，C3的負(fù)極、DZ2的正極接地；U2-1接地，U2-5通過電容C6接地，U2-4、U2-8接OPT2三極管的集電極，U2-2接電阻R9和電位器VR6，U2-6接電阻R1O和電位器VR5，R9、R1O的另一端接OPT2三極管的發(fā)射極，VR5、VR6的另一端接地，U2-3接三極管Q4的基極；Q4的集電極接OPT2三極管的集電極，其發(fā)射極通過電阻R14接地，同時(shí)接Q2的基極。
OPT1、OPT2是電壓隔離級(jí)，U1、U2檢測(cè)輸入交流電壓瞬時(shí)值，VR2、VR3和VR5、VR6分別調(diào)整和控制Q1、Q2的導(dǎo)通時(shí)機(jī)，確保Q1在Vd＝30-100V，Q2在Vd＝13-30V時(shí)導(dǎo)通。在這里，二極管D8與D1的作用相同，一方面保證驅(qū)動(dòng)控制電路有穩(wěn)定的供電電壓，另一方面保證VCR和VPM正常工作。
SW1-SW3以及其他所有元器件，都是市售普通元器件。
權(quán)利要求
1.一種有源功率因數(shù)校正器，其輸入端接整流器BR，輸出端接濾波電容C1，其特征是所述有源功率因數(shù)校正器由一個(gè)電壓補(bǔ)償穩(wěn)壓器VCR和一個(gè)或多個(gè)電壓泵VPM級(jí)聯(lián)而成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的校正器，其特征是VCR由開關(guān)電源SW1和二極管D1、D9組成，SW1輸入端的正極接D9的負(fù)極，其輸入端的負(fù)極接地，D9的正極接BR輸出端的正極，SW1輸出端的正極接地，其輸出端的負(fù)極接C1的負(fù)極，D1的正極接BR輸出端的正極，其負(fù)極是C1的正極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的校正器，其特征是VPM1由三極管Q1、電阻R1、開關(guān)電源SW2、二極管D2和驅(qū)動(dòng)控制電路組成；Q1的集電極接D1的正極，其發(fā)射極通過電阻R1接地，其基極接Q3的發(fā)射極，SW2的輸入端并接在R1的兩端，其輸出端的正極接D2的正極，其輸出端的負(fù)極接SW1輸入端的負(fù)極，D2的負(fù)極接SW1輸入端的正極。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的校正器，其特征是VPM2由三極管Q2、電阻R2、開關(guān)電源SW3、二極管D3和驅(qū)動(dòng)控制電路組成；Q2的集電極接D1的正極，其發(fā)射極通過電阻R2接地，其基極接Q4的發(fā)射極，SW3的輸入端并接在R2的兩端，其輸出端的正極接D3的正極，其輸出端的負(fù)極接SW2輸入端的負(fù)極，D3的負(fù)極接SW2輸入端的正極。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的校正器，其特征是根據(jù)功率校正精度的要求，在VPM2的輸入端可以按類似的方法，級(jí)聯(lián)多個(gè)VPM。
6.根據(jù)權(quán)利要求3、4所述的校正器，其特征是驅(qū)動(dòng)控制電路由光電二極管OPT1、OPT2，定時(shí)電路U1、U2，三極管Q3、Q4及其周圍元件組成；OPT1、U1和Q3組成三極管Q1的驅(qū)動(dòng)控制電路，OPT1發(fā)光管的陽極通過電阻R4接二極管D8的負(fù)極，其陰極通過電位器VR3接地，D8的正極接BR輸出端的正極；OPT1三極管的集電極接電阻R11、電解電容C2的正極和穩(wěn)壓二極管DZ1的負(fù)極，其發(fā)射極通過電阻R3接地，R11的另一端接D8的負(fù)極，C2的負(fù)極、DZ1的正極接地；U1-1接地，U1-5通過電容C5接地，U1-4、U1-8接OPT1三極管的集電極，U1-2接電阻R5和電位器VR3，U1-6接電阻R6和電位器VR2，R5、R6的另一端接OPT1三極管的發(fā)射極，VR2、VR3的另一端接地，U1-3接三極管Q3的基極；Q3的集電極接OPT1三極管的集電極，其發(fā)射極通過電阻R13接地，同時(shí)接Q1的基極；OPT2、U2和Q4組成三極管Q2的驅(qū)動(dòng)控制電路，OPT2發(fā)光管的陽極通過電阻R8接二極管D8的負(fù)極，其陰極通過電位器VR4接地；OPT2三極管的集電極接電阻R12、電解電容C3的正極和穩(wěn)壓二極管DZ2的負(fù)極，其發(fā)射極通過電阻R7接地，R12的另一端接D8的負(fù)極，C3的負(fù)極、DZ2的正極接地；U2-1接地，U2-5通過電容C6接地，U2-4、U2-8接OPT2三極管的集電極，U2-2接電阻R9和電位器VR6，U2-6接電阻R10和電位器VR5，R9、R10的另一端接OPT2三極管的發(fā)射極，VR5、VR6的另一端接地，U2-3接三極管Q4的基極；Q4的集電極接OPT2三極管的集電極，其發(fā)射極通過電阻R14接地，同時(shí)接Q2的基極。
全文摘要
本發(fā)明是一種有源功率因數(shù)校正器,由一個(gè)電壓補(bǔ)償穩(wěn)壓器VCR和一個(gè)或多個(gè)電壓泵VPM級(jí)聯(lián)而成,VCR的補(bǔ)償功能可使Vd一個(gè)周期中100－300V范圍內(nèi)的電壓穩(wěn)定到輸出電壓Vo,在VCR輸入電壓范圍之外的3－100V部分,采用一級(jí)或多級(jí)電壓泵VPM進(jìn)行電壓提升,使得提升后的電壓進(jìn)入VCR的輸入電壓范圍。于是,在Vd的一個(gè)周期中,對(duì)應(yīng)3－300V的電壓范圍都有輸入交流電流流過,功率因數(shù)可達(dá)到0.99995。同時(shí),檢測(cè)和控制C1的充電電流,盡可能地與Vd的波形保持一致,可使總的諧波含量THD達(dá)到3%以下。本發(fā)明具有節(jié)能、高效、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、功率因數(shù)高、輸出功率大的特點(diǎn),適合大、中、小型所有的電源產(chǎn)品。
文檔編號(hào)H02M1/14GK1327298SQ0111435
公開日2001年12月19日 申請(qǐng)日期2001年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月16日
發(fā)明者郁百超 申請(qǐng)人:郁百超