專利名稱：一種用于功率因數校正的單周期pwm調制器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及電能變換裝置的交流-直流變換器領域，具體涉及ー種用于功率因數校正的單周期PWM調制器。
背景技術：
伴隨著電カ電子技術的廣泛應用，電網諧波污染的危害越來越引起人們的關注，對電能變換裝置的輸入功率因數(PF)及輸入電流總諧波失真(THD)的要求也越來越高。因此，用電設備的功率因數校正技術一直是業(yè)界十分關注的課題。單周期技術是ー種90年代發(fā)展起來的非線性大信號PWM控制技木，其通過控制開關的占空比，使得每ー個開關周期中開關變量的平均值正比于控制參考量。將單周期控制技術應用于功率因數校正，有著很 多相對于傳統(tǒng)控制技術的優(yōu)勢，這種控制方法取消了傳統(tǒng)控制方法中的乘法器，使得控制電路簡潔、動態(tài)響應快、穩(wěn)定性好易于實現，是ー種很好的控制方法。參考圖1，單相功率因數校正的單周期控制方程為AsXIin = VniX (1-d)，式中民為輸入電流取樣電阻，Iin為輸入電流，Vm為經放大后的誤差信號，d為控制開關的占空比，公式右邊的部分的功能為PWM調制器?，F有單相單周期功率因數校正技術PWM調制器的實現方案為輸出電壓經取樣后，與參考基準一同送入誤差放大器，誤差放大器的輸出作為積分器的輸入同時送入減法器；復位時鐘脈沖信號送入積分器的復位端同時送入RS觸發(fā)器的S端，積分器及復位時鐘信號發(fā)生器構成鋸齒波發(fā)生器的功能；減法器的輸出送入比較器與公式左邊的控制參考量相比較，比較器的輸出送入RS觸發(fā)器的R端，由RS觸發(fā)器的Q端得到所需的PWM輸出，其工作原理示意框圖請參見圖2。針對該現有實現方案進行分析，由該方案的電路可見，該電路的積分器在ー個時鐘周期積分電壓的最大值，即鋸齒波的最大值必須與誤差放大器的輸出Vm的值嚴格相等，這樣才能當占空比d取值為0到I吋，(1-d)的值為I到0，否則就不能正確的實現公式右側PWM調制器的功能。這就要求現有單相單周期功率因數校正技術PWM調制器實現電路的工作頻率必須與積分器的積分參數完全配套，也就是說，工作時鐘ー變，積分器的積分參數必須跟著變，否則就會產生運算誤差甚至錯誤的結果，這就使得功率因數校正的效果大受影響。且在實際應用中，積分器的積分參數是由積分電阻及積分電容決定的，由于元器件的溫度特性因素，工作頻率與積分參數都會存在漂移，不可能完全配套。退一步講，即使不考慮溫度特性的影響及變換工作頻率的不便，僅細調積分器輸出的最大值與積分器輸入電壓嚴格相等，就十分麻煩及費時，因而必然會影響該技術的有效應用。

實用新型內容為了解決現有單周期功率因數校正技術PWM調制器存在的問題，即因其工作頻率必須與積分器的積分參數配套以及元器件的溫度特性因素帶來的不利影響，而導致功率因數校正的效果大受影響的缺陷，本實用新型提出一種用于功率因數校正的單周期PWM調制器。[0006]一種用于功率因數校正的單周期PWM調制器，包括誤差放大器、積分器、復位時鐘信號發(fā)生器和比較器，誤差放大器的兩輸入端接收參考基準電壓和采樣電壓，誤差放大器的輸出端連接積分器的輸入端，積分器的輸出端連接反相放大器的反相輸入端，反相放大器的輸出端連接比較器的輸入端，比較器的輸出端輸出脈沖寬度調制波，復位時鐘信號發(fā)生器的輸出端連接積分器的復位端，其特征在干，PWM調制器還包括低通濾波器，所述低通濾波器的輸入端連接所述積分器的輸出端，所述低通濾波器的輸出端連接所述反相放大器的同相輸入端。進ー步地，還包括RS觸發(fā)器，RS觸發(fā)器的R端連接比較器的輸出端，RS觸發(fā)器的S端連接復位時鐘信號發(fā)生器的輸出端，RS觸發(fā)器的Q端輸出脈沖寬度調制波。進ー步地，所述低通濾波器的通帶截止頻率為時鐘信號發(fā)生器的工作頻率的 1/120 1/80，所述低通濾波器的通帶增益為1±0. 02倍。 進ー步地，所述低通濾波器為ニ階低通濾波器。進ー步地，所述積分器的積分電容串聯有電阻。進ー步地，所述反相放大器的增益為1±0.02倍。本實用新型的技術效果體現在本實用新型提出ー種單周期功率因數校正技術PWM調制器的實現方案，通過低通濾波器得到本實用新型方案所需的參考電平，并通過波形運算，來得到本實用新型方案PWM調制器所需的鋸齒波，使得單周期控制方程等號右邊的PWM調制器可工作于所需的任何頻率，而無需顧及積分器積分參數的配套，同時完全消去了元器件溫度特性的影響，有效地克服了現有實現方案的缺陷。

圖I為單相功率因數校正電路原理示意框圖；圖2為現有單周期功率因數校正技術的PWM調制器實現方案電路原理示意框圖；圖3本實用新型提出的一種用于功率因數校正的單周期PWM調制器電路原理示意框圖；圖4本實用新型提出的一種用于功率因數校正的單周期PWM調制器電路另ー個等效的原理示意框圖；圖5為采用本實用新型提出的PWM調制器構成的単相功率因數校正電路工作頻率為30kHZ輸出為3000W時的輸入電流波形圖；圖6為采用本實用新型提出的PWM調制器實現方案構成的単相功率因數校正電路，工作頻率為30kHZ輸出為3000W時的輸入電流總諧波失真(THD)圖；圖7為采用本實用新型提出的PWM調制器實現方案構成的単相功率因數校正電路，工作頻率為30kHZ輸出為1500W時的輸入電流波形圖；圖8為采用本實用新型提出的PWM調制器實現方案構成的単相功率因數校正電路，工作頻率為30kHZ輸出為1500W時的輸入電流總諧波失真(THD)圖；圖9為采用本實用新型提出的PWM調制器實現方案構成的單相功率因數校正電路，工作頻率為25kHZ輸出為3000W時的輸入電流波形圖；圖10為采用本實用新型提出的PWM調制器實現方案構成的單相功率因數校正電路，工作頻率為25kHZ輸出為3000W時的輸入電流總諧波失真(THD)圖；圖11為采用本實用新型提出的PWM調制器實現方案構成的單相功率因數校正電路，工作頻率為25kHZ輸出為1500W時的輸入電流波形圖；圖12為采用本實用新型提出的PWM調制器實現方案構成的單相功率因數校正電路，工作頻率為25kHZ輸出為1500W時的輸入電流總諧波失真(THD)圖。
具體實施方式
為解決現有單周期功率因數校正技術PWM調制器的實現方案所存在的問題，首先分析一下現有單相單周期功率因數校正技術PWM調制器的實現方案，請參見圖2?，F有單相單周期功率因數校正技術PWM調制器的實現方案為輸出電壓經取樣后，與參考基準電壓一同送入誤差放大器，誤差放大器的輸出作為積分器的輸入同時送入減法器；復位時鐘脈沖信號送入積分器的復位端同時送入RS觸發(fā)器的S端，積分器及復位時鐘信號發(fā)生器構成鋸齒波發(fā)生器的功能；減法器的輸出送入比較器與公式左邊的控制參考量相比較，比較器的輸出送入RS觸發(fā)器的R端，由RS觸發(fā)器的Q端得到現有單周期功率因數校正技術PWM調制器的實現方案所需的PWM輸出。由其工作原理示意框圖2可見，該PWM調制器的方案電路希望得到的是ー個以電壓Vm為底的負向積分幅度到0的鋸齒波，該PWM調制器的方案電路在實際應用中存在的問題是該方案電路的工作頻率必須與積分器的積分參數完全配套，要求在積分器復位前的最后時刻，積分器的輸出電壓必須與輸入積分器的積分參考電壓嚴格相等。如果不嚴格相等，就會使該方案電路有一段時區(qū)輸出為負，或者使得該方案電路的輸出永遠達不到0，也就是說現有單周期PWM調制器方案電路不能滿足單相單周期控制方程RsX Iin =VfflX (1-d)中的d的由0到I取值范圍，因此其功率因數校正的效果自然就大受影響，輸入電流THD會大增。在實際應用中，由于元器件參數的溫度特性，工作頻率與積分器的積分參數都存在漂移，不可能完全配套，因而必然會影響該技術的有效應用。為了解決上述現有調制器的問題，本實用新型提出一種實施方案如圖3所示，單周期功率因數校正技術PWM調制器由誤差放大器I、積分器2、反相放大器3、低通濾波器4、復位時鐘信號發(fā)生器5及比較器7構成，用以實現公式右邊部分的PWM調制器的功能。所述單周期功率因數校正技術PWM調制器的實現方案，輸出電壓經取樣后，與參考基準一同送入由運算放大器NI、電阻R1及R2構成的誤差放大器I，誤差放大器I的輸出作為由運算放大器N2、電阻R3、R4、積分電容C及復位用電子開關S構成的積分器2的輸入；積分器2的輸出送入低通濾波器4，低通濾波器4為用運算放大器構成的ニ階低通濾波器，積分器2的輸出同時送入由運算放大器N3、電阻R5及R6構成的反相放大器3的反相輸入端，反相放大器3的同相輸入端與低通濾波器4的輸出端相連接，復位時鐘信號發(fā)生器5為由電子元器件構成的振蕩器實現，取其窄脈沖作為復位時鐘信號送入積分器2的復位端，積分器2及復位時鐘信號發(fā)生器5構成鋸齒波發(fā)生器的功能；反相放大器3的輸出送入由運算放大器N5構成的比較器7，與公式左邊的控制參考量相比較，電流參考量的獲取由運算放大器N4、電阻R7及R8以及輸入電流取樣電阻Rs完成，由比較器7的輸出端得到所需的P畫輸出，請參見圖I、圖3。除了上述方案，本實用新型還提出另ー實施方案如圖4所示，本實用新型ー種單周期功率因數校正技術PWM調制器，由誤差放大器I、積分器2、反相放大器3、低通濾波器
4、復位時鐘信號發(fā)生器5、RS觸發(fā)器6及比較器7構成，用以實現公式右邊部分的PWM調制器的功能。所述單周期功率因數校正技術PWM調制器的實現方案，輸出電壓經取樣后，與參考基準一同送入由運算放大器NI、電阻R1及R2構成的誤差放大器I，誤差放大器I的輸出作為由運算放大器N2、電阻R3、R4、積分電容C及復位用電子開關S構成的積分器2的輸入；積分器2的輸出送入低通濾波器4，低通濾波器4為用運算放大器構成的ニ階低通濾波器，積分器2的輸出同時送入由運算放大器N3、電阻R5及R6構成的反相放大器3的反相輸入端，反相放大器3的同相輸入端與低通濾波器4的輸出端相連接，復位時鐘信號發(fā)生器5為由電子元器件構成的振蕩器實現，取其窄脈沖作為復位時鐘信號送入積分器2的復位端，同時送入RS觸發(fā)器6的S端，積分器2及復位時鐘信號發(fā)生器5構成鋸齒波發(fā)生器的功能；反相放大器3的輸出送入由運算放大器N5構成的比較器7，與公式左邊的控制參考量相比 較，電流參考量的獲取由運算放大器N4、電阻R7及R8以及輸入電流取樣電阻Rs完成，比較器7的輸出送入RS觸發(fā)器6的R端，由RS觸發(fā)器6的Q端得到所需的PWM輸出，請參見圖
I、圖 4。為使本實用新型的單周期功率因數校正技術的實現方案更具實用性，本實現方案還通過在積分器2的積分電容上串聯小電阻的方法微調鋸齒波的平均直流電平，參見圖3、圖4中的R4，以期獲得最小電流總諧波失真(THD);低通濾波器為ニ階低通，為縮小體積，采用由運算放大器構成的有源低通濾波器，其通帶直流增益為I ±0. 02倍，其通帶邊界頻率為時鐘頻率的1/120 1/80 ;本實用新型所述的反相放大器的增益為1±0. 02倍。本實用新型單周期功率因數校正技術PWM調制器的實現電路特征是，通過取得所述鋸齒波的平均電平作為參考電平，對該鋸齒波進行運算處理，即以該平均電平為運算參考地，對該鋸齒波作反相運算，得到一個以該鋸齒波峰值幅值為底的齒向下齒尖到0的鋸齒波，該鋸齒波完全滿足單相單周期控制方程RsXIin = VmX (1-d)的要求，無需積分器的輸出電壓必須與積分器的輸入積分參考電壓嚴格相等的限制條件。采用本實用新型單周期功率因數校正技術PWM調制器的實現電路，在任何情況下都滿足單相單周期控制方程RsX Iin=VfflX (1-d)中d的取值范圍為I至0之間的要求。從而很好地解決了現有單相單周期功率因數校正技術PWM調制器實現電路的缺陷，使工作頻率與積分參數不直接相關，并完全消除了元器件溫度特性的影響，使得該技術可能得到廣泛有效的應用。圖5至圖8為應用本實用新型單周期功率因數校正技術PWM調制器的實現方案構成的單相功率因數校正電路，在工作頻率為30kHZ、輸入電感為2mH時輸出為3000W及1500 時的輸入電流波形圖及其總諧波失真圖。在輸出為3000W時，其輸入電流總諧波失真(THD)小于2%，在輸出為1500W時，其輸入電流總諧波失真(THD)小于3%。圖9至圖12為應用本實用新型單周期功率因數校正技術PWM調制器的實現方案構成的単相功率因數校正電路，在不變更決定積分參數的元件R4及C的條件下，請參見圖3，工作頻率為變更為25kHZ、輸入電感為2mH時輸出為3000W及1500 時的輸入電流波形圖及其總諧波失真圖。在輸出為3000W時，其輸入電流總諧波失真(THD)同樣小于2%，在輸出為1500W時，其輸入電流總諧波失真(THD)3%左右。可見工作頻率的變化，對其性能幾乎不產生影響，結果證明本實用新型單周期功率因數校正技術PWM調制器的實現方案完全達到預期的目的。 以上說明僅為本實用新型的優(yōu)選方案，且可以很方便地移植 應用于三相功率因數校正單周期控制PWM調制器的實現方案，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型技術原理的條件下，還可以作出若干改進及修飾，這些改進及修飾也應該視為本實用新型的保護范圍。
權利要求1.一種用于功率因數校正的單周期PWM調制器，包括誤差放大器、積分器、復位時鐘信號發(fā)生器和比較器，誤差放大器的兩輸入端接收參考基準電壓和采樣電壓，誤差放大器的輸出端連接積分器的輸入端，積分器的輸出端連接反相放大器的反相輸入端，反相放大器的輸出端連接比較器的輸入端，比較器的輸出端輸出脈沖寬度調制波，復位時鐘信號發(fā)生器的輸出端連接積分器的復位端，其特征在干，PWM調制器還包括低通濾波器，所述低通濾波器的輸入端連接所述積分器的輸出端，所述低通濾波器的輸出端連接所述反相放大器的同相輸入端。
2.根據權利要求I所述的用于功率因數校正的單周期PWM調制器，其特征在于，還包括RS觸發(fā)器，RS觸發(fā)器的R端連接比較器的輸出端，RS觸發(fā)器的S端連接復位時鐘信號發(fā)生器的輸出端，RS觸發(fā)器的Q端輸出脈沖寬度調制波。
3.根據權利要求I所述的用于功率因數校正的單周期PWM調制器，其特征在于，所述低通濾波器的通帶截止頻率為時鐘信號發(fā)生器的工作頻率的1/120 1/80，所述低通濾波器的通帶增益為1±0. 02倍。
4.根據權利要求I所述的單周期功率因數校正技術PWM調制器，其特征在于，所述低通濾波器為ニ階低通濾波器。
5.根據權利要求I所述的用于功率因數校正的單周期PWM調制器，其特征在于，所述積分器的積分電容串聯有電阻。
6.根據權利要求I至4任意之一所述的用于功率因數校正的單周期PWM調制器，其特征在于，所述反相放大器的增益為1±0. 02倍。
專利摘要本實用新型提供一種用于功率因數校正的單周期PWM調制器，包括誤差放大器、積分器、復位時鐘信號發(fā)生器、比較器和低通濾波器，所述低通濾波器的輸入端連接所述積分器的輸出端，所述低通濾波器的輸出端連接所述反相放大器的同相輸入端。本實用新型采用鋸齒波電壓的平均電平為參考電平，使得PWM調制器可工作于所需的任何頻率，而無需顧及積分器積分參數的配套，同時完全消去了元器件溫度特性的影響。
文檔編號H02M1/42GK202663289SQ20122013462
公開日2013年1月9日 申請日期2012年4月1日 優(yōu)先權日2012年4月1日
發(fā)明者張黎明, 林杰, 謝波 申請人:武漢永力電源技術有限公司