專利名稱：開關(guān)頻率周期調(diào)制的鋸齒波發(fā)生電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種開關(guān)頻率周期調(diào)制的鋸齒波發(fā)生電路，尤其涉及一種適用于有源功率因數(shù)校正(PFC)、有源電力濾波器(APF)以及開關(guān)電源(SMPS)等有源電力電子變換器的開關(guān)頻率按正弦半波規(guī)律調(diào)制的鋸齒波發(fā)生電路，具有非常廣泛的應(yīng)用場合。
背景技術(shù)：
由于電力電子變換技術(shù)一般采用高頻PWM(脈沖寬度調(diào)制)斬波技術(shù)，會產(chǎn)生高強(qiáng)度的電磁干擾(EMI)，而電力電子變換產(chǎn)品上市前必須要通過相關(guān)的EMI測試，如連續(xù)騷擾輻射、功率輻射等測試項(xiàng)目，EMI設(shè)計(jì)已經(jīng)占產(chǎn)品初設(shè)計(jì)成本的一個重要組成部分，因此抑制EMI干擾源成為目前電力電子變換器設(shè)計(jì)的一個熱點(diǎn)。傳統(tǒng)PWM斬波技術(shù)采用固定開關(guān)頻率調(diào)制方案，在其高頻諧波分布規(guī)律中，開關(guān)頻率的整倍數(shù)及其旁頻的干擾水平相當(dāng)高，其它區(qū)域干擾水平較低，屬于窄帶分布，使得在某些頻譜區(qū)域很難通過準(zhǔn)峰值EMI和平均值EMI標(biāo)準(zhǔn)限值。為此出現(xiàn)了一些新的開關(guān)頻率調(diào)制技術(shù)，如開關(guān)頻率隨機(jī)調(diào)制、脈沖位置隨機(jī)調(diào)制、開關(guān)頻率抖動技術(shù)等，但是利用模擬器件實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)非常困難，造價高，可靠性也不高，使得這些技術(shù)在電力電子變換器領(lǐng)域尚未得到推廣應(yīng)用，因此應(yīng)該尋找簡單易行和EMI抑制效果好的開關(guān)頻率調(diào)制技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計(jì)提供一種開關(guān)頻率周期調(diào)制的鋸齒波發(fā)生電路，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、通用性強(qiáng)、移植性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明由調(diào)制波電路和鋸齒波電路構(gòu)成。調(diào)制波電路的輸入為正弦半波電壓，經(jīng)過分壓電路和跟隨電路處理后加上直流偏置分量得到電平提升后的調(diào)制波電壓。鋸齒波電路輸入該調(diào)制波電壓，經(jīng)過充放電電路和比較電路產(chǎn)生頻率周期調(diào)制的鋸齒波電壓信號，經(jīng)由電壓比較器輸出。
本發(fā)明所述的調(diào)制波電路由一只電容、八個電阻、三只運(yùn)算放大器構(gòu)成，兩只電阻串聯(lián)后與電容并聯(lián)，電容的一端接正弦半波電壓，另一端與地相連；第一只運(yùn)算放大器連接成電壓跟隨器，其同相輸入端與兩只串聯(lián)電阻的公共端連接；第二只運(yùn)算放大器也連接成電壓跟隨器，其同相輸入端經(jīng)一個分壓電阻連接+15V電源，同時經(jīng)另一個分壓電阻接地；兩只運(yùn)算放大器的輸出端各自連接一個電阻后，再經(jīng)一個電阻連接到第三只運(yùn)算放大器的反相輸入端，第三只運(yùn)算放大器的同相輸入端接地，其反相輸入端和輸出端之間連接一個反饋電阻，其輸出端連接到鋸齒波發(fā)生電路。
本發(fā)明所述的鋸齒波電路由兩只電容、五個電阻、一只結(jié)型場效應(yīng)管、兩只運(yùn)算放大器及一只電壓比較器構(gòu)成，其中，第五只運(yùn)算放大器的同相輸入端接地，反相輸入端經(jīng)一個電阻與調(diào)制波電路的輸出相連，反相輸入端與輸出端之間同時并接一只電容及一只結(jié)型場效應(yīng)管，第五只運(yùn)算放大器的輸出端連接第四只運(yùn)算放大器的同相輸入端，同時經(jīng)一個電阻連接電壓比較器的同相輸入端，第四只運(yùn)算放大器連接成電壓跟隨器；電壓比較器的反相輸入端經(jīng)一個分壓電阻連接+15V電源，同時經(jīng)另一個分壓電阻接地，電壓比較器的輸出端與結(jié)型場效應(yīng)管的門極相連，并經(jīng)一只電阻接地，電壓比較器的同相輸入端與輸出端之間連接一個電容。
整個電路中的四只運(yùn)算放大器采用單電源+15V供電，第五只運(yùn)算放大器及電壓比較器采用雙電源±15V供電本發(fā)明根據(jù)鋸齒波發(fā)生電路的壓頻轉(zhuǎn)換原理，產(chǎn)生開關(guān)頻率隨著調(diào)制波電壓周期變化的鋸齒波，作為載波信號能夠大大降低系統(tǒng)的電磁干擾強(qiáng)度，具有校正效果良好、通用性強(qiáng)等特征，同時具有結(jié)構(gòu)簡單、附加成本低、實(shí)現(xiàn)容易等優(yōu)點(diǎn)，還可以避開利用微控制器(MCU)或數(shù)字信號處理器(DSP)的實(shí)現(xiàn)隨機(jī)開關(guān)頻率調(diào)制的繁重任務(wù)，尤其適用于采用PWM(脈沖寬度調(diào)制)控制技術(shù)的有源功率因數(shù)校正器(PFC)、有源電力濾波器(APF)以及開關(guān)電源(SMPS)等電力電子變換器。


圖1為本發(fā)明的電路原理圖。
圖2為本發(fā)明應(yīng)用于單相有源功率因數(shù)校正器(PFC)中的實(shí)施例電路原理圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例是對本發(fā)明的進(jìn)一步說明，而不構(gòu)成對本發(fā)明的限定。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的開關(guān)頻率周期調(diào)制的鋸齒波發(fā)生電路如圖1所示，由調(diào)制波電路1和鋸齒波電路2構(gòu)成。調(diào)制波電路1由三只運(yùn)算放大器U1、U2和U3、一只電容C1、八個電阻R1～R8組成，電容和電阻分別連接在運(yùn)算放大器的各個引腳上。鋸齒波電路2由兩只運(yùn)算放大器U4和U5、一只電壓比較器U6、兩只電容C2和C3、一只結(jié)型場效應(yīng)管T1、五個電阻R9～R13組成，電容和電阻分別連接在運(yùn)算放大器和電壓比較器的各個引腳上。
調(diào)制波電路1中，電阻R1和電阻R2串聯(lián)后與電容C1并聯(lián)，電容C1的一端接正弦半波電壓，另一端與地相連。運(yùn)算放大器U1連接成電壓跟隨器，其同相輸入端與兩只串聯(lián)電阻R1、R2的公共端連接，運(yùn)算放大器U2也連接成電壓跟隨器，其同相輸入端經(jīng)一個分壓電阻R3連接+15V電源，同時經(jīng)另一個分壓電阻R4接地。運(yùn)算放大器U1的輸出端連接電阻R5，運(yùn)算放大器U2的輸出端連接電阻R6，R5的另一端與R6的另一端連接后，再經(jīng)一個電阻R7連接到運(yùn)算放大器U3的反相輸入端，U3的反相輸入端和輸出端之間連接一個反饋電阻R8，U3的同相輸入端接地，U3的輸出端與鋸齒波電路中電阻R9的一端相連。調(diào)制波電路中的三個運(yùn)算放大器采用單電源+15V供電，U1、U2與U3的引腳8均與+15V電源相連，引腳4均接地。
鋸齒波電路2中，運(yùn)算放大器U5的同相輸入端接地，反相輸入端經(jīng)電阻R9與調(diào)制波電路的輸出相連，反相輸入端與輸出端之間同時并接一只電容C2及一只結(jié)型場效應(yīng)管T1，運(yùn)算放大器U5的輸出端連接運(yùn)算放大器U4的同相輸入端，同時經(jīng)一個電阻R10連接電壓比較器U6的同相輸入端，運(yùn)算放大器U4連接成電壓跟隨器；電壓比較器U6的反相輸入端經(jīng)一個分壓電阻R11連接+15V電源，同時經(jīng)另一個分壓電阻R12接地，電壓比較器U6的輸出端與結(jié)型場效應(yīng)管T1的門極相連，并經(jīng)一只電阻R13接地，電壓比較器U6的同相輸入端與輸出端之間連接一個電容C3。鋸齒波電路中，運(yùn)算放大器U4采用單電源+15V供電，運(yùn)算放大器U5及電壓比較器U6采用雙電源±15V供電。U4與U6的引腳8、U5的引腳4與電源+15V相連，U4與U6的引腳4接地，U5的引腳7與電源-15V相連。
本發(fā)明的工作原理為(1)調(diào)制波電路1中，電容C1起到高頻濾波作用，電阻R1與R2構(gòu)成分壓電路，產(chǎn)生合適幅值的正弦半波信號。電阻R3與R4構(gòu)成分壓電路，產(chǎn)生合適幅值的直流電平信號。運(yùn)算放大器U1與U2為電壓跟隨器，其與運(yùn)算放大器U3、電阻R5、R6、R7和R8構(gòu)成一個加法電路兼放大電路，實(shí)現(xiàn)正弦半波信號與直流電平信號的疊加，產(chǎn)生最終調(diào)制波信號。
(2)鋸齒波電路2中，運(yùn)算放大器U5、電阻R9、電容C2和結(jié)型場效應(yīng)管T1構(gòu)成充電和快速放電電路，充電路徑為R9和C2，放電支路由T1構(gòu)成，充電時C2靠近U5輸出端的一端產(chǎn)生為高壓端，另一端為低壓端，充電為線性充電，當(dāng)C2電壓充到一定的數(shù)值時電壓比較器U6翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生高電平迫使T1導(dǎo)通，將C2的電荷迅速釋放掉，迫使C2的兩端電壓接近0V，形成一個鋸齒波。當(dāng)C2的兩端電壓為0V時，U6再次翻轉(zhuǎn)，T1截至，C2重新開始充電過程。這樣通過U6提供T1的觸發(fā)信號迫使C2周而復(fù)始地充電和放電便產(chǎn)生了鋸齒波序列。電壓比較器由C3、R10、R13組成，R11和R12構(gòu)成分壓支路，提供C2的翻轉(zhuǎn)電平。U5的輸出端輸出最終的鋸齒波電壓信號，由運(yùn)算放大器U4構(gòu)成的電壓跟隨器輸出，U4的引腳7為最終信號輸出端。
本發(fā)明的鋸齒波發(fā)生電路為壓頻轉(zhuǎn)換電路，在其輸入電壓上疊加有一個正弦半波信號，因而使得產(chǎn)生的鋸齒波信號的頻率隨著正弦半波電壓的變化而變化，其頻譜分布中不會出現(xiàn)諧波水平過高的頻域，而是頻譜的充分展開。這樣的鋸齒波信號作為電力電子變換器的調(diào)制信號，會降低系統(tǒng)的EMI水平。而且由于正弦半波電壓的幅值、直流電平、鋸齒波幅值均可調(diào)，使得鋸齒波的基本頻率、頻率變化幅度、幅值均為可調(diào)，因而使得其使用的靈活性提高。
上述器件中電容C1～C3、電阻R1～R13均為5％以上精度，運(yùn)算放大器U1、U2與U3為LM324，U5為LF356/LT，電壓比較器U6為LM311，場效應(yīng)管為2N4391或與之功能相近的場效應(yīng)管，其中U1和U2、U3和U4各采用一個雙運(yùn)算放大器芯片。電阻R3與R4分壓提供一個基準(zhǔn)直流電壓，則電阻R1與R2的分壓要求根據(jù)希望得到的正弦半波電壓的幅值占基準(zhǔn)直流電壓的百分比大小來定。電阻R5、R6與R7的阻值選擇相同，電阻R8的阻值選擇根據(jù)放大倍數(shù)有關(guān)。電阻R9與電容C2的選擇根據(jù)充電速率的要求，電阻R11與R12的選擇則根據(jù)鋸齒波的幅值來定。本發(fā)明一個實(shí)施例的參數(shù)為C1取0.1nF～4.7μF，C2取2.2nF，C3取22pF，R1取308.5kΩ，R1取2.5kΩ，R3取5kΩ，R4取10kΩ，R5取1kΩ，R6取1kΩ，R7取1kΩ，R8取1kΩ，R9取21kΩ，R10取10kΩ，R11取10kΩ，R12取5kΩ，R13取2kΩ。
圖2為本發(fā)明開關(guān)頻率周期調(diào)制的鋸齒波發(fā)生電路在單相有源功率因數(shù)校正器(PFC)中的實(shí)施例。
按圖2所示，單相有源功率因數(shù)校正器的輸入單相交流電壓源，額定電壓有效值為220V，由功率電路和控制電路構(gòu)成。其功率電路為由二極管D1～D4構(gòu)成的整流器、電感L1、功率開關(guān)S1、檢流電阻Rs、續(xù)流二極管FRD1、電容C1、電解電容E1和負(fù)載RL組成。其控制電路由PFC雙閉環(huán)控制部分、PWM信號比較器、PWM驅(qū)動器以及本發(fā)明開關(guān)頻率周期調(diào)制的鋸齒波發(fā)生電路組成。本發(fā)明在單相有源功率因數(shù)校正器的應(yīng)用目的就是提供一個開關(guān)頻率按照整流器輸出的正弦半波電壓波形規(guī)律變化的鋸齒波發(fā)生電路，作為載波信號同PFC雙閉環(huán)控制部分產(chǎn)生的控制信號進(jìn)行比較，產(chǎn)生最終的PWM信號，并通過驅(qū)動器后作用于功率開關(guān)S1，通過S1的開關(guān)動作，使得交流電壓源的電流與電壓完全同步且為正弦波形，同時使得負(fù)載端獲得高精度的直流電壓。
顯然，本發(fā)明開關(guān)頻率周期調(diào)制的鋸齒波發(fā)生電路可以應(yīng)用在有源功率因數(shù)校正器(PFC)、單相有源電力濾波器(APF)和開關(guān)電源(SMPS)等應(yīng)用領(lǐng)域，提供載波信號，起到降低電力電子變換器系統(tǒng)EMI強(qiáng)度的作用。
權(quán)利要求
1.一種開關(guān)頻率周期調(diào)制的鋸齒波發(fā)生電路，其特征在于包括調(diào)制波電路和鋸齒波電路，所述調(diào)制波電路由一只電容(C1)、八個電阻(R1～R8)、三只運(yùn)算放大器(U1～U3)構(gòu)成，兩只電阻(R1、R2)串聯(lián)后與電容(C1)并聯(lián)，電容(C1)的一端接正弦半波電壓，另一端與地相連；第一只運(yùn)算放大器(U1)連接成電壓跟隨器，其同相輸入端與兩只串聯(lián)電阻(R1、R2)的公共端連接；第二只運(yùn)算放大器(U2)連接成電壓跟隨器，其同相輸入端經(jīng)一個分壓電阻(R3)連接+15V電源，同時經(jīng)另一個分壓電阻(R4)接地；兩只運(yùn)算放大器(U1、U2)的輸出端各自連接一個電阻(R5、R6)后，再經(jīng)一個電阻(R7)連接到第三只運(yùn)算放大器(U3)的反相輸入端，第三只運(yùn)算放大器(U3)的同相輸入端接地，其反相輸入端和輸出端之間連接一個反饋電阻(R8)，其輸出端連接到鋸齒波發(fā)生電路；所述鋸齒波電路由兩只電容(C2、C3)、五個電阻(R9～R13)、一只結(jié)型場效應(yīng)管(T1)、兩只運(yùn)算放大器(U4、U5)、一只電壓比較器(U6)構(gòu)成，其中，第五只運(yùn)算放大器(U5)的同相輸入端接地，反相輸入端經(jīng)一個電阻(R9)與調(diào)制波電路的輸出相連，反相輸入端與輸出端之間同時并接一只電容(C2)及一只結(jié)型場效應(yīng)管(T1)，第五只運(yùn)算放大器(U5)的輸出端連接第四只運(yùn)算放大器(U4)的同相輸入端，同時經(jīng)一個電阻(R10)連接電壓比較器(U6)的同相輸入端，第四只運(yùn)算放大器(U4)連接成電壓跟隨器；電壓比較器(U6)的反相輸入端經(jīng)一個分壓電阻(R11)連接+15V電源，同時經(jīng)另一個分壓電阻(R12)接地，電壓比較器(U6)的輸出端與結(jié)型場效應(yīng)管(T1)的門極相連，并經(jīng)一只電阻(R13)接地，電壓比較器(U6)的同相輸入端與輸出端之間連接一個電容(C3)；整個電路中的四只運(yùn)算放大器(U1～U4)采用單電源+15V供電，第五只運(yùn)算放大器(U5)及電壓比較器(U6)采用雙電源±15V供電。
2.一種權(quán)利要求1的開關(guān)頻率周期調(diào)制的鋸齒波發(fā)生電路的應(yīng)用，其特征在于用在功率因數(shù)校正器、單相有源電力濾波器或開關(guān)電源的控制電路中，作為控制電路中的載波信號源，起到降低電磁干擾強(qiáng)度的作用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種開關(guān)頻率周期調(diào)制的鋸齒波發(fā)生電路，由調(diào)制波電路和鋸齒波電路構(gòu)成。調(diào)制波電路的輸入為正弦半波電壓，經(jīng)過分壓電路和跟隨電路處理后加上直流偏置分量得到電平提升后的調(diào)制波電壓。鋸齒波電路輸入該調(diào)制波電壓，經(jīng)過充放電電路和比較電路產(chǎn)生頻率周期調(diào)制的鋸齒波電壓信號，經(jīng)由電壓比較器輸出。本發(fā)明的電路根據(jù)壓頻轉(zhuǎn)換原理，產(chǎn)生開關(guān)頻率隨著正弦半波電壓周期變化的鋸齒波信號作為載波信號，能夠大大降低系統(tǒng)的電磁干擾強(qiáng)度，具有結(jié)構(gòu)簡單、附加成本低、實(shí)現(xiàn)容易、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于采用PWM控制技術(shù)的有源功率因數(shù)校正器、有源電力濾波器以及開關(guān)電源等電力電子變換器。
文檔編號H03K4/48GK1794579SQ200610023249
公開日2006年6月28日 申請日期2006年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月12日
發(fā)明者楊喜軍 申請人:上海交通大學(xué)