專利名稱：電壓調節電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及基本電子電路領域，特別涉及電壓調節電路。
技術背景現有的有源功率因數校正技術應用電流反饋技術，使輸入端電流波形跟蹤交流輸入正弦電壓波形，可以使電流接近正弦，從而使輸入端電流THD得到優化， 而功率因數可以才是高到O. 99甚至更高。THD (Total Harmonic Distortion )是用 電器源電流諧波含量占基波電流含量百分比。從原理上說，任何一種直流/直流變換器(即DC/DC變換器)拓樸，如Buck、 Boost、 flyback等，都可以用作有源功率因數校正的主電路。但是，由于Boost 變換器的特殊優點，應用于功率因數校正電路更廣泛。一般有源功率因數校正電路采用UC3854、 L4981等功率因數校正專用控制芯 片實現輸入電流對交流輸入正弦電壓的^艮蹤，j旦傳統功率因凄W交正芯片控制芯片 存在一個問題，即控制芯片的電壓環基準均為固定值，即功率因數校正電路輸出 母線電壓為固定值，在此將功率因數校正電路的輸出電壓稱之為功率因數校正電 路母線電壓；而功率因數校正電路的后級電路一般接直流/直流變換器(DC/DC 變換器)，或者直流/交流變換器(DC/AC變換器)，在一些情況下，需要改變功率 因數校正電路母線電壓，來解決后級拓樸特定輸出情況下出現的問題。 一般直流 /直流變換器可采用諧振變換器、移相全橋變換器、正激變換器等。以串聯諧振變換器為例，串聯諧振直流/直流變換器采用諧振變換技術，由 于諧振元件工作在正弦諧振狀態，開關管上的電壓自然過零，可以實現零電壓開 通，電源損耗很小。這種拓樸通常采用變頻調制(Pulse frequency modulation, 簡稱PFM)方式，通過改變工作頻率來穩定輸出電壓。圖1為半橋SRC串聯諧振直 流/直流變換器的基本形式，在對該電路采用變頻調制控制時，兩個開關管S1、 S2互補對稱驅動，各導通50% (此為理想值，如考慮死區的設置應為略小于50" 的開關周期。電源輸出電壓增益M與工作頻率f的關系為(1)<formula>formula see original document page 5</formula>其中，Vo與Vin分別為輸出、輸入電壓，f為工作頻率，(3) "。 ， fr為諧振頻率，Lr為諧振電感值，Cr為諧振電容值，Po為輸出功率。從式(l)中可以發現，當工作頻率f大于諧振頻率fr時，工作頻率越高，電 壓增益M越低；同理，當工作頻率f小于諧振頻率fr時，工作頻率越低，電壓增益 M越低。串聯諧振拓樸控制頻率f與輸出電壓Vo的關系曲線如圖2所示。由圖2可以 發現，串聯諧振變換器一個主要的難點問題在于輕載和空載條件下輸出電壓難以 穩定。當控制頻率大于諧振頻率fr，串聯諧振拓樸的輸出電壓隨著控制頻率的升 高而降低，當負栽減小至輕載狀態時，輸出電壓趨于平緩，這樣為了穩定電壓， 工作頻率需要升得很高，但是工作頻率范圍過寬會帶來磁性器件難以優化的問 題。同時，工作頻率越高，電路損耗也越大。如圖3所示，為串聯諧振變換器工 作頻率等于諧振頻率時的驅動信號與電流波形圖。從圖中可以看出，開關管關斷 電流很小。而工作頻率高于諧振頻率時，如圖4所示，關斷電流迅速增大，并且 工作頻率也比等于諧振頻率時要高。這會導致開關管開關損耗迅速上升，從而帶 來可靠性問題。此外，當負載接近空載，因為工作頻率過高及寄生參數諧振的原因，輸出電 壓反而有可能會上升，導致無法進行負反饋控制。因此在電源行業中，有人在輸 出端加上固定的負載，利用這種方法在輕載和空載條件下穩定輸出電壓，但這樣 會增加空載損耗，降低電源效率。當串聯諧振變換器輸出電壓較高時，又要求工作頻率較低，這樣，對于串聯 諧振變換器，額定輸出就不能設計在工作頻率等于諧振頻率處，額定狀態下的效 率得不到最優化設計；并且，；磁性器件設計要依照最低頻率來算磁通密度，因此， 磁性器件的體積相應也按照最低工作頻率設計，磁性器件難以優化。綜上所述，對帶有功率因數校正電路的整流器電路進行單純的變頻控制會導致工作頻率范圍過寬甚至失效，帶來磁性元件難以優化和電路損耗過大的問題， 以及反饋控制難以設計的問題，所以簡單的調頻控制無法滿足輕載或空栽時輸出 穩壓的要求。上面以半橋串聯諧振電路為例說明了調頻控制方式存在的缺陷，同樣的，全 橋串聯諧振電路的現象與半橋串聯諧振現象是完全相同的。從理論上講，所有的 調頻控制的諧振電路都存在類似的問題。再以移相全橋電路為例，其額定輸出一般希望設計在等效占空比接近滿占空比(不考慮占空比丟失)的情況下，才能使有效值電流減小，從而在使用MOSFET 的情況下獲得額定輸出情況下的較高效率。但是，對于寬輸出范圍的移相全橋電 路來講，還要考慮能夠輸出額定電壓之上的最高電壓，因此，只能將額定電壓輸 出的占空比設計在小于電路允許的最大占空比之下，這樣開關管損耗得不到最優 化設計。發明內容本發明目的在于提供電壓調節電路，對調節功率因數校正電路的母線電壓 進行調節。本發明提供的電壓調節電路，用于調節功率因數校正電路的母線電壓，電壓 調節電路根據功率因數校正電路后級電路的控制信號產生調節信號，將調節信號 疊加在功率因數校正電路的母線電壓采樣反饋端。該電壓調節電路包括產生方波 信號的方波發生器和對方波信號濾波形成調節信號的濾波器，方波發生器接收功 率因數校正電路后級電路的控制信號，產生的方波信號經濾波器形成調節信號輸 出。優選的，方波發生器為單片機或數字信號處理器，單片機或數字信號處理器根據功率因數校正電路后級電路的控制信號調節方波信號的占空比；或采用含有波形發生器功能的微處理器，或采用硬件電路實現，或采用脈寬調制器件、555 定時器和/或普通運算放大器/比較器。優選的，濾波器是濾除交流成分，輸出直 流成分的有源濾波器或無源濾波器。濾波器包括第一三極管、第一電阻、第二電 阻和第一電容，第一三極管的基極通過第一電阻連接到方波發生器輸出端，集電 極連接供電電源，發射極通過第二電阻和第 一 電容與功率因數校正電路的母線電 壓采樣反饋端連接。上述電壓調節電路優選的包括運算器，根據功率因數校正電 路后級電路的控制信號，對控制信號運算形成調節信號輸出。上述控制信號為模擬電壓，運算器對控制信號的運算包括檢測、分壓和/或放大；而調節信號以函 數關系方式疊加在功率因數校正電路的母線電壓采樣反饋端，函數關系方式包括 相加、相減、相乘和/或相除。優選的，上述功率因數校正電路和直流/直流變換 器電路串接形成整流器電路，電壓調節電路串接在功率因數校正電路和直流/直 流變換器電路之間；直流/直流變換器電路包括全橋串/并聯諧振電路、半橋串/ 并聯諧振電路或LLC諧振電路及其變形拓樸，或移相全橋、正激、反激或全橋/ 半橋硬開關整流器及其變形拓樸。本發明提供的電壓調節電路，對功率因數校正電路輸出母線電壓進行調整， 進而實現對后級電路特性的改善，尤其改善含有諧振直流/直流變換器的后級電 路性能，在后級電路輸出電壓較低時降低功率因數校正電路的母線電壓，后級電 路輸出電壓較高時提高功率因數校正電路的母線電壓，可優化功率因數校正電路 后級電路的性能，提高效率，成本低廉，性能穩定，使磁性器件易于設計，易于 推廣使用。


圖l是本發明現有技術的串聯諧振變換器電路圖；圖2是本發明現有技術的串聯諧振變換器工作頻率與輸出電壓關系曲線圖； 圖3是本發明現有技術的串聯諧振變換器工作頻率等于諧振頻率時的驅動波形與諧振電流波形圖；圖4是本發明現有技術的低壓串聯諧振變換器工作頻率大于諧振頻率時的驅動波形與諧振電流波形圖；圖5是本發明第一實施例的示意圖；圖6是本發明第一實施例用于整流器電路的示意圖；圖7是本發明第二實施例用于另一整流器電路的示意圖。本發明目的的實現、功能特點及優點將結合實施例，參照附圖做進一步說明。
具體實施方式
參照圖5，示出第一實施例的電路。本實施例的電壓調節電路包括方波發生器111和濾波器112，其中方波發生器lll采用單片機方波發生器，該單片機接收 后級電路發出的控制信號，根據所述控制信號由單片機軟件實現方波信號占空比 的調節，發出可調節占空比的方波信號。濾波器112為低通濾波器，包括三極管 Ql、電阻R1、電阻R2和電容C1，三極管Ql的基極通過電阻Rl連接到方波發生器lll 的輸出端，三極管Q1的集電極連接供電電源，發射極通過電阻R2和電容C1與采樣 反饋端106連接。濾波器112對方波發生器產生的方波信號進行功率放大、濾波得 到直流電壓即調節信號，傳送給PFC電路的母線電壓采樣反饋端106。三極管功率 放大電路的目的在于減小方波發生器的輸出阻抗。PFC電路的母線電壓采樣反饋 端106電壓改變，則PFC電路的母線電壓(Vout)改變。其中三極管Q1可減小方波發生器的輸出阻抗，以得到更好的占空比/調節電 壓的對應關系。當方波發生器lll產生的方波占空比增大，則經過濾波器112后的直流電壓也 相應增大，PFC電路的控制芯片電壓環反饋端電壓Vfeedback也升高，則PFC電路 的母線電壓降低；相應地，減小方波信號的占空比，則PFC電路的控制芯片電壓 環反饋端電壓Vfeedback降低，則PFC電路的母線電壓降低。方波發生器lll產生 的方波信號占空比與PFC電路的母線電壓之間為負單調的關系。但方波發生器111產生的方波信號占空比與PFC電路的母線電壓之間的邏輯 關系并非僅限于負單調關系，在濾波器112和方::im生器lll之間設置反相器，可 使方波發生器111產生的方波信號占空比與PFC電路的母線電壓之間成為正單調 的關系。本實施例的濾波器112輸出的直流調節電壓與PFC電路的母線電壓采樣反饋 端為相加疊加的關系，實際上，還可以采用相減、相乘、相除等更加靈活的邏輯 和函數關系。參照圖6，示出本實施例用于PFC電路的示意圖，現有的平均電流控制有源功 率因數校正電路包含交流輸入源Vac 101、 EMI濾波器102、輸入整流橋103、 PFC 功率電路104及其后級電路1041、基于PFC電路控制芯片的控制電路105、 PFC電路 母線電壓(Vout )采樣電路106、 PFC電流(Ipfc)采樣電路107、 PFC電路母線電 壓的輸入電壓有效值(Vrms)采樣電i 各108、 PFC輸入電壓有效值(Vac)采樣電 路109和驅動電路110。其中后級電路1041為直流/直流變換器電路，包括功率及 控制部分。在現有帶有平均電流控制有源PFC電路的整流器電路中加入本實施例的方波 發生器l 11和濾波器112 ，使方波發生器111的輸入端與后級電路中直流/直流變換 器的控制單元連接，輸出端與濾波器112的輸入端連接，濾波器112的輸出端與整 流器電路的PFC電路母線電壓(Vout)采樣電路106連接，通過后級電路直流/直 流變換器控制單元控制信號的變化，方波發生器111和濾波器112生成變化的調節 信號，將調節信號輸入PFC電路母線電壓(Vout)采樣電路106，影響采樣反饋端 電壓，進而改變整流器電路的PFC母線電壓。本實施例中的PFC控制芯片可以是UC3854、L4981等有源功率因數校正控制芯 片；后級電路可以是直流/直流變換器，也可以是單純負載。EMI濾波器102為可 選器件，可根據整流器電路的設計要求及是否需要選擇是否帶有EMI濾波器l02。電路106的反饋電壓及基于PFC控制芯片的控制電路105的內部電壓基準值。所述 內部電壓基準值由于固化在控制芯片內部，因此不能改變。如果是由帶有模擬/數字(A/D)采樣功能的微處理器來實現方波發生功能， 則可通過模擬/數字轉換功能實現對所述后級電路信號(電壓或者電流信號)進 行采樣，再通過^[敬處理器內部運算，轉換成可變占空比方波輸出；所述方^L^生 器如果采用硬件電路方案，則包含負載信號采樣模塊(如簡單電阻分壓采樣電 路)、運算模塊(如功率放大或者加/減/乘/除等運算放大電路)及方波發生模塊。之外，還可以通過將所述后級電路輸出信息經過一定的模擬變換疊加在PFC電路 的控制電路電壓反饋端，同樣可以達到調節PFC母線電壓的目的。可以定義一個 電壓調節電路來實現該功能。上述后級電路可以為直流/直流變換器，帶有整流環節、功率因IM交正環節、 直流/直流變換環節的整體電路我們稱之為整流器。PFC電路的后級電路可以是全 橋串/并聯諧振電路、半橋串/并聯諧振電路或LLC諧振電路及其變形拓樸，或移 相全橋、正激、反激或全橋/半橋硬開關整流器及其變形拓樸。通過采用本專在此提出本發明第二實施例，本發明第二實施例采用運算器實現電壓調節電路，該運算器應用于一PFC電路的示意圖參照圖7。本實施例中PFC電路和直流/直流變換器電路即后級電路220串接形成整流器 電路，其中PFC電路包含交流輸入源Vac、 PFC功率電路204、基于PFC控制芯片的 控制電路205、 PFC電路母線電壓(Vout)采樣電路206、 PFC電流(Ipfc)采樣電 路207和驅動電路210;直流/直流變換器電路220包括負載2041、直流/直流變換 器功率單元214、直流/直流變換器驅動單元215、直流/直流變換器控制單元216 以及直流/直流變換器輸出電壓Vdc采樣單元217。在上述整流器電路中加入本實施例的運算器211,該運算器211的輸入端與直 流/直流變換器控制單元216連接，輸出端輸出Vadj到PFC電路母線電壓(Vout) 采樣電路206。該運算器211接收直流/直流控制單元216發出的控制信號Vdc,經檢測、分壓 和/或放大運算，形成調節信號Vadj,改變對采樣反電路206電壓，進而改變PFC 電路母線電壓(Vout)。當控制信號Vdc符合PFC電路母線電壓(Vout)采樣電路 206的輸入電壓條件時，運算器211可不經運算，直接將控制信號Vdc作為調節信 號Vadj輸出。以上所述僅為本發明的優選實施例，并非因此限制本發明的專利范圍，凡是 利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運 用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護范圍內。
權利要求
1. 一種電壓調節電路，用于調節功率因數校正電路的母線電壓，其特征在于，所述電壓調節電路根據所述功率因數校正電路后級電路的控制信號產生調節信號，將所述調節信號疊加在所述功率因數校正電路的母線電壓采樣反饋端。
2. 根據權利要求l所述的電壓調節電路，其特征在于，所述電壓調節電路包 括產生方波信號的方波發生器和對所述方波信號濾波形成調節信號的濾波器，所 述方波發生器接收功率因數校正電路后級電路的控制信號，產生的方波信號經濾 波器形成調節信號輸出。
3. 根據權利要求2所述的電壓調節電路，其特征在于，所述方波發生器為 單片機或數字信號處理器，所述單片機或數字信號處理器根據所述功率因數校正 電路后級電路的控制信號調節所述方波信號的占空比。
4. 根據權利要求2所述的電壓調節電路，其特征在于，所述方波發生器采用 含有波形發生器功能的微處理器，或采用硬件電路實現，或采用脈寬調制器件、 555定時器和/或普通運算放大器/比較器。
5. 根據權利要求2所述的電壓調節電路，其特征在于，所述濾波器是濾除交 流成分，輸出直流成分的有源濾波器或無源濾波器。
6. 根據權利要求2所述的電壓調節電路，其特征在于，所述濾波器包括第 一三極管、第一電阻、第二電阻和第一電容，所述第一三極管的基極通過所述第 一電阻連接到所述方波發生器輸出端，集電極連接供電電源，發射極通過所述第 二電阻和第一電容與所述功率因數校正電路的母線電壓采樣反饋端連接。
7. 根據權利要求l所述的電壓調節電路，其特征在于，所述電壓調節電路包 括運算器，根據所述功率因數校正電路后級電路的控制信號，對所述控制信號運 算形成調節信號輸出。
8. 根據權利要求7所述的電壓調節電路，其特征在于，所述控制信號為模 擬電壓，所述運算器對所述控制信號的運算包括檢測、分壓和/或放大。
9. 根據權利要求1至8中任一權利要求所述的電壓調節電路，其特征在于， 所述調節信號以函數關系方式疊加在所述功率因數校正電路的母線電壓采樣反 饋端，所述函數關系方式包括相加、相減、相乘和/或相除。
10. 根據權利要求1至8中任一權利要求所述的電壓調節電路，其特征在于， 所述功率因數校正電路和直流/直流變換器電路串接形成整流器電路，所述電壓 調節電路串接在所述功率因數校正電路和直流/直流變換器電路之間；所述直流/ 直流變換器電路包括全橋串/并聯諧振電路、半橋串/并聯諧振電路或LLC諧振電 路及其變形拓樸，或移相全橋、正激、反激或全橋/半橋硬開關整流器及其變形 拓樸。
全文摘要
本發明提供一種電壓調節電路，用于調節功率因數校正電路的母線電壓，其特征在于，所述電壓調節電路根據所述功率因數校正電路后級電路的控制信號產生調節信號，將所述調節信號疊加在所述功率因數校正電路的母線電壓采樣反饋端；本發明提供的電壓調節電路對功率因數校正電路輸出母線電壓進行調整，進而實現對后級電路特性的改善，尤其改善含有諧振直流/直流變換器的后級電路性能，在后級電路輸出電壓較低時降低功率因數校正電路的母線電壓，后級電路輸出電壓較高時提高功率因數校正電路的母線電壓，可優化功率因數校正電路后級電路的性能，提高效率，成本低廉，性能穩定，使磁性器件易于設計，易于推廣使用。
文檔編號H02M1/00GK101247072SQ200710080218
公開日2008年8月20日 申請日期2007年2月13日 優先權日2007年2月13日
發明者劉志宇, 柳樹渡, 潘詩峰, 蔡志開 申請人:艾默生網絡能源系統有限公司