CN104113199B - 一种有源pfc电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电器的电源装置领域，尤其涉及一种有源PFC电路及其控制方法。本发明提供的一种有源PFC电路及其控制方法，可以通过输出电压调节单元中的单片机，根据交流电压的变化来调节修正其输出的调压PWM信号，使得输出给负载的直流电压跟随输入电压的变化而变化，能够适应交流输入电压不断变化的应用场景，提高了整个电器的功率因数，成本低、运用灵活、控制简单并且可靠性高。

Description

一种有源PFC电路及其控制方法

技术领域

本发明属于电器的电源装置领域，尤其涉及一种有源PFC电路及其控制方法。

背景技术

空调器等电器设备在其内部都有把交流电压转换成直流电压的整流电路，以此形成直流电源，再把电力供到各电子电路中。这些整流电路大多数为电容输入型，其输入电流只在峰值电压波形附近流通、并呈脉冲状电流波形，从而产生出不同程度的谐波。谐波的出现会导致电压波形出现畸变、进相电容异常发热及电机或变压器的噪音增大、受电设备的容量降低等问题。另一方面，在交流电路中，电压与电流之间的相位差(Φ)的余弦叫做功率因数，功率因数越高，***利用能量的效率越好。在一般的非纯电阻电路中，功率因数都小于1，原因是由于电路中电感和电容的存在，使得交流电压与交流电流之间的相位差不等于零。

PFC（Power Factor Correction，功率因素校正）电路可以提高电能的利用率，减少用电设备产生的谐波对电网的污染，尤其是有源PFC电路可以将功率因数值提高到0.99以上，将极大地提高电路的有功功率及减少电路谐波，因此应用范围越来越广。目前的有源PFC电路如图1所示，其PFC芯片的电压转换采样点的电压由分压电阻R1和R2确定。当输出电压不变时，其采样得到的电压值也是不变的，这种结构下的PFC电路输出电压固定，有以下几个缺陷和不足：一方面，不能应用于低电压（比如输入电压为85V）的情况，限制了其应用范围；另一方面，当PFC电路的反馈回路出现异常时，不能有效地保护电路，容易引起PFC升压异常，导致整个电路受到破坏。

发明内容

本发明的目的在于提供一种有源PFC电路及其控制方法，旨在解决现有有源PFC电路输出电压固定、升压值不能随输入电压变化的技术问题。

第一方面，本发明提供的有源PFC电路，包括主电源单元、PFC单元以及与负载相接的滤波单元、输出电压采样单元，作为改进，所述有源PFC电路还包括：

与所述主电源单元相连、对输入的交流电压进行采样的交流电压采样单元；

连接在所述主电源单元与PFC单元之间、对所述主电源单元输出的电流进行采样的电流采样单元；以及

连接在所述交流电压采样单元与输出电压采样单元之间、根据采样获得的交流输入电压Vac与直流电压Vdc的比较关系、相应调节和输出调压PWM信号给所述PFC单元，对输出给所述负载的直流电压进行修正的输出电压调节单元。

第二方面，一种如上所述的有源PFC电路的控制方法包括：

步骤S1、根据交流电压采样单元采样获得的交流输入电压Vac信号，计算出目标直流电压值Vmdc、并确定目标直流电压值Vmdc的修正区间；

步骤S2、输出调压PWM信号，PFC单元根据该PWM信号的占空比调节输出给负载的直流电压；

步骤S3、获取输出电压采样单元采样获得的直流电压Vdc，判断所述直流电压Vdc是否在所述目标直流电压值Vmdc的修正区间内：是，则认为工作正常；否，则进一步调整输出的调压PWM信号的占空比。

本发明提供的一种有源PFC电路及其控制方法，可以通过输出电压调节单元中的单片机，跟随输入电压的变化来调节和修正其输出的调压PWM信号，能够适应交流输入电压不断变化的应用场景，提高了整个PFC电路的功率因数，成本低、运用灵活、控制简单并且可靠性高。

附图说明

图1是现有技术中有源PFC电路的结构简图；

图2是本发明实施例提供的有源PFC电路的结构框图；

图3是本发明实施例提供的有源PFC电路的示例电子元器件图；

图4是本发明实施例提供的有源PFC电路的控制方法实现流程图；

图5是图4中步骤S1的具体实现流程图；

图6是图4中步骤S3的具体实现流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图2是本发明实施例提供的有源PFC电路的结构框图；为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，如图所示：

一种有源PFC电路，包括主电源单元100、PFC单元200以及与负载相接的滤波单元300、输出电压采样单元400，作为改进，有源PFC电路还包括：

与主电源单元100相连、对输入的交流电压进行采样的交流电压采样单元500；

连接在主电源单元100与PFC单元200之间、对主电源单元100输出的电流进行采样的电流采样单元600；以及

连接在交流电压采样单元500与输出电压采样单元400之间、根据采样获得的交流输入电压Vac与直流电压Vdc的比较关系、相应调节和输出调压PWM信号给PFC单元200，对输出给负载的直流电压进行修正的输出电压调节单元700。

根据本实施例提供的有源PFC电路，通过一个输出电压调节单元700，可以根据采样获得的交流输入电压Vac与直流电压Vdc的比较关系、相应调节和输出调压PWM信号给PFC单元200，使得修正调节的PFC升压值能跟随输入电压而变化，适应交流输入电压不断变化的应用场景，提高了整个PFC电路的功率因数，成本低、运用灵活、控制简单并且可靠性高。

图3是本发明实施例提供的有源PFC电路的示例电子元器件图；为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，如图所示：

作为本发明的一实施例，主电源单元100包括依次相接的交流电源、整流桥堆BR1和滤波电容C1；整流桥堆BR1的两个输入端分别接交流电源的火线L和零线N，对输入的交流电压进行整流，滤波电容C1用于滤出电路高频噪声；滤波单元300包括电解电容E1；电解电容E1连接在二极管D1的阴极与地之间，负载RL分别并接在电解电容E1的两端。

交流电压采样单元500包括电阻R5，电阻R5的两端分别接交流电源的火线L和输出电压调节单元700的输入端。

作为本发明的一实施例，输出电压采样单元400包括电阻R6和电阻R7；电阻R6和电阻R7依次串接在二极管D1的阴极与地之间，电阻R6和电阻R7的公共连接端为输出电压采样单元400的输出端。

作为本发明的一实施例，输出电压调节单元700包括单片机IC2和NPN型三极管Q1；单片机IC2与交流电压采样单元500的输出端相连，NPN型三极管Q1的基极接单片机IC2的PWM信号输出端，NPN型三极管Q1的漏极接输出电压采样单元400的输出端，NPN型三极管Q1的源极接地；单片机IC2根据输出电压采样单元400采样获得的交流输入电压Vac计算出目标直流电压值Vmdc、确定其修正区间，根据目标直流电压值Vmdc与采样获得的直流电压Vdc的大小关系、相应调节和输出PWM信号，通过改变NPN型三极管Q1漏极上的电流、对输出给所述负载RL的直流电压进行修正。一般的，都要使得PWM信号的占空比增加，NPN型三极管Q1漏极的电流增大，从而流过电阻R6的电流增大、使得输出给负载的直流电压Vdc增大，不断调整，直到使直流电压Vdc落入目标直流电压值Vmdc的修正区间内。

PFC单元200包括PFC芯片IC1、电感L1、绝缘栅双极型晶体管IGBT和二极管D1；电流采样单元600包括电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4；在这里，PFC芯片IC1的型号不限，例如可以选用TI公司的UCC2818。实际上，包括但不限于TI公司的UCC28、UCC38、UC28和UC38系列的PFC芯片都是可行的。绝缘栅双极型晶体管IGBT则是作为开关器件控制电感L1的储能以实现升压；电感L1的第一端接主电源单元100的输出端，电感L1的第二端同时接绝缘栅双极型晶体管IGBT的漏极和二极管D1的阳极，二极管D1的阴极同时接滤波单元300和输出电压采样单元400，绝缘栅双极型晶体管IGBT的源极接地，绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极接PFC芯片IC1的驱动输出引脚，PFC芯片IC1的输出电压检测引脚VSENSE同时接自身的电压环放大输出引脚VOUT和输出电压采样单元400的输出端；电阻R3连接在PFC芯片IC1的电流环输入引脚CAI与地之间，电阻R2连接在PFC芯片IC1的乘法器输出引脚MOUT与地之间，电阻R1的两端分别接电阻R2、电阻R3远离PFC芯片IC1的一端，电阻R4连接在整流桥堆BR1的输出端与PFC芯片IC1的线电流采样输入引脚IAC之间。

根据本发明实施例提供的有源PFC电路，提供的有源PFC电路的控制方法实现流程图如图4所示：

步骤S1：根据交流电压采样单元采样获得的交流输入电压Vac信号，计算出目标直流电压值Vmdc、并确定目标直流电压值Vmdc的修正区间。

在本步骤中，输出电压调节单元首先获取交流电压采样单元采样获得的交流输入电压Vac信号，据此计算出目标直流电压值Vmdc、并确定目标直流电压值Vmdc的修正区间。在具体实现时，可以采用图5所示的流程实现。如图5所示：

步骤S11、获取交流电压采样单元采样获得的交流输入电压Vac信号。

步骤S12、根据预设的PFC电路升压系数M，由关系式Vmdc=M*Vac，计算出目标直流电压值Vmdc。

步骤S13、确定目标直流电压值Vmdc的修正区间为[Vmdc-N，Vmdc+N]，其中，N为预设的电压修正值。

在此步骤S1的实现中，最关键的是预先设定好PFC电路的升压系数M。从设计思路上看，在PFC电路带负载RL的情况下，由于负载RL也要消耗一部分电能，导致输出的直流电压Vdc会降低，就要通过PFC电路进行升压。在平衡PFC单元本身的功耗和电源利用率的基础上，可以设定升压系数M=1.4，即Vmdc=1.4*Vac，这时目标直流电压值（也就是升压值）接近于交流电压的峰值，这是综合考虑PFC单元中IGBT发热情况得到的系数。再则，根据有源PFC电路具体的使用环境和预设的电压修正值N，确定目标直流电压值Vmdc的修正区间为[Vmdc-N，Vmdc+N]。例如，电压修正值N可以设为5V，控制***交流电源供电电压有效值Vac是220V，若采样获取一个Vac信号为220V，则计算出一个相应的目标直流电压值Vmdc为320V，修正区间即为315V至325V。

步骤S2：输出调压PWM信号，PFC单元根据该PWM信号的占空比调节输出给负载的直流电压。

在整个有源PFC电路的工作过程中，输出电压调节单元会不断地调适输出调压PWM信号，PFC单元再根据该PWM信号的占空比实时地调节输出给负载RL的直流电压。

步骤S3：获取输出电压采样单元采样获得的直流电压Vdc，判断所述直流电压Vdc是否在所述目标直流电压值Vmdc的修正区间内：是，则认为工作正常；否，则进一步调整输出的调压PWM信号的占空比。

在此步骤中，输出电压调节单元实时获取电压采样单元采样获得的直流电压Vdc，判断其大小是否在步骤S1中确定的目标直流电压值Vmdc的修正区间内，若是，则表示有源PFC电路工作正常；若否，则进一步调整输出的调压PWM信号的占空比。具体实现时，可以参照图6所示的流程。如图6所示：

步骤S31、获取输出电压采样单元采样获得的直流电压Vdc；

步骤S32、判断所述直流电压Vdc是否在所述目标直流电压值Vmdc的修正区间内：是，则认为工作正常；否，则进入步骤S33；

步骤S33、若所述直流电压Vdc小于（Vmdc-N），则按照预设条件逐步增大调压PWM信号的占空比；若所述直流电压Vdc大于（Vmdc+N），则按照预设条件逐步减小调压PWM信号的占空比。

在该步骤S3中，PFC单元根据调压PWM信号来调节直流电压，电压采样单元采样获得一个直流电压Vdc，判断该直流电压Vdc是否在由步骤S1确定的目标直流电压值Vmdc的修正区间（比如315V-325V）的范围内。假设采样获取的Vdc=320V，则表示PFC调压正常；若直流电压Vdc并不在目标直流电压值Vmdc的修正区间内，则按照预设条件逐步增大或减小调压PWM信号的占空比，例如可以设定每一次的调整都为增大或者减小1%的占空比。若Vdc=312V，即是小于最小的目标电压值315V，此时输出电压调节单元会修正PWM输出，按照预设条件逐步增大调压PWM信号的占空比。例如，可以设定每一次的调整都为增加1%的占空比：若Vdc=328V，即是大于最大的目标电压值325V，此时输出电压调节单元会修正PWM输出，按照预设条件逐步减小调压PWM信号的占空比。例如，可以设定每一次的调整都为减小1%的占空比。每调整一次，都继续实时采样获取输出的直流电压Vdc，继续判断直流电压Vdc是否在目标直流电压值Vmdc的修正区间的范围内，最终使直流电压Vdc达到目标直流电压值的修正区间。

步骤S4：当调压PWM信号的占空比已经调节至预设的最高比例或者最低比例时，若所述直流电压Vdc仍未在所述目标直流电压值Vmdc的修正区间内，则发出PFC电路工作异常的预警信号。

在此步骤中，若调压PWM信号的占空比已经调节至预设的最高比例或者最低比例（比如预先设定最多增加或者减小5%的占空比值）时，若采样获取的直流电压Vdc仍未在相应的目标直流电压值Vmdc的修正区间内，则发出PFC电路工作异常的预警信号。增加此步骤，更提高了该有源PFC电路的安全可靠性。

综上所述，本发明提供的一种有源PFC电路及其控制方法，可以通过输出电压调节单元中的单片机，根据交流电压的变化来调节修正其输出的调压PWM信号，使得输出给负载的直流电压跟随输入电压的变化而变化，能够适应交流输入电压不断变化的应用场景，提高了整个电器的功率因数，成本低、运用灵活、控制简单并且可靠性高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了较详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改、或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种有源PFC电路，包括主电源单元、PFC单元以及与负载相接的滤波单元、输出电压采样单元，其特征在于，所述有源PFC电路还包括：

与所述主电源单元相连、对输入的交流电压进行采样的交流电压采样单元；

连接在所述主电源单元与PFC单元之间、对所述主电源单元输出的电流进行采样的电流采样单元；以及

连接在所述交流电压采样单元与输出电压采样单元之间、根据采样获得的交流输入电压Vac与直流电压Vdc的比较关系、相应调节和输出调压PWM信号给所述PFC单元，对输出给所述负载的直流电压进行修正的输出电压调节单元；

所述输出电压调节单元包括单片机IC2和NPN型三极管Q1；所述单片机IC2与所述交流电压采样单元的输出端相连，所述NPN型三极管Q1的基极接所述单片机IC2的PWM信号输出端，所述NPN型三极管Q1的漏极接所述输出电压采样单元的输出端，所述NPN型三极管Q1的源极接地；

所述单片机IC2由采样获得的交流输入电压Vac计算出目标直流电压值Vmdc的修正区间，根据所述目标直流电压值Vmdc与采样获得的直流电压Vdc的大小关系、相应调节和输出PWM信号，通过改变所述NPN型三极管Q1漏极上的电流、对输出给所述负载的直流电压进行修正，直至所述直流电压Vdc落入所述目标直流电压值Vmdc的修正区间内；

具体的，所述单片机IC2根据预设的PFC电路升压系数M，由关系式Vmdc＝M*Vac，计算出所述目标直流电压值Vmdc，并确定所述目标直流电压值Vmdc的修正区间为[Vmdc-N，Vmdc+N]，其中，N为预设的电压修正值；所述单片机IC2判断所述直流电压Vdc是否在所述目标直流电压值Vmdc的修正区间内，若所述直流电压Vdc小于(Vmdc-N)，则按照预设条件逐步增大所述调压PWM信号的占空比，若所述直流电压Vdc大于(Vmdc+N)，则按照预设条件逐步减小所述调压PWM信号的占空比。

2.如权利要求1所述的有源PFC电路，其特征在于：

所述主电源单元包括依次相接的交流电源、整流桥堆BR1和滤波电容C1；所述整流桥堆BR1对交流电压进行整流，所述滤波电容C1滤出电路高频噪声；

所述交流电压采样单元包括电阻R5，所述电阻R5的两端分别接所述交流电源的火线L和所述输出电压调节单元的输入端。

3.如权利要求2所述的有源PFC电路，其特征在于：所述PFC单元包括PFC芯片IC1、电感L1、绝缘栅双极型晶体管IGBT和二极管D1；所述电流采样单元包括电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4；

所述电感L1的第一端接所述主电源单元的输出端，所述电感L1的第二端同时接所述绝缘栅双极型晶体管IGBT的漏极和所述二极管D1的阳极，所述二极管D1的阴极同时接所述滤波单元和所述输出电压采样单元，所述绝缘栅双极型晶体管IGBT的源极接地，所述绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极接所述PFC芯片IC1的驱动输出引脚，所述PFC芯片IC1的输出电压检测引脚同时接自身的电压环放大输出引脚和所述输出电压采样单元的输出端；

所述电阻R3连接在所述PFC芯片IC1的电流环输入引脚与地之间，所述电阻R2连接在所述PFC芯片IC1的乘法器输出引脚与地之间，所述电阻R1的两端分别接所述电阻R2、所述电阻R3远离所述PFC芯片IC1的一端，所述电阻R4连接在所述整流桥堆BR1的输出端与所述PFC芯片IC1的线电流采样输入引脚之间。

4.如权利要求3所述的有源PFC电路，其特征在于：所述输出电压采样单元包括电阻R6和电阻R7；

所述电阻R6和电阻R7依次串接在所述二极管D1的阴极与地之间，所述电阻R6和电阻R7的公共连接端为所述输出电压采样单元的输出端。

5.如权利要求4所述的有源PFC电路，其特征在于：所述滤波单元包括电解电容E1；

所述电解电容E1连接在所述二极管D1的阴极与地之间，所述负载分别并接在所述电解电容E1的两端。

6.一种如权利要求1-5任一项所述的有源PFC电路的控制方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤S1、根据交流电压采样单元采样获得的交流输入电压Vac信号，计算出目标直流电压值Vmdc、并确定目标直流电压值Vmdc的修正区间；

步骤S2、输出调压PWM信号，PFC单元根据该PWM信号的占空比调节输出给负载的直流电压；

步骤S3、获取输出电压采样单元采样获得的直流电压Vdc，判断所述直流电压Vdc是否在所述目标直流电压值Vmdc的修正区间内：是，则认为工作正常；否，则进一步调整输出的调压PWM信号的占空比；

所述步骤S1具体为：

步骤S11、获取交流电压采样单元采样获得的交流输入电压Vac信号；

步骤S12、根据预设的PFC电路升压系数M，由关系式Vmdc＝M*Vac，计算出目标直流电压值Vmdc；

步骤S13、确定目标直流电压值Vmdc的修正区间为[Vmdc-N，Vmdc+N]，其中，N为预设的电压修正值；

所述步骤S3具体为：

步骤S31、获取输出电压采样单元采样获得的直流电压Vdc；

步骤S32、判断所述直流电压Vdc是否在所述目标直流电压值Vmdc的修正区间内：是，则认为工作正常；否，则进入步骤S33；

步骤S33、若所述直流电压Vdc小于(Vmdc-N)，则按照预设条件逐步增大调压PWM信号的占空比；若所述直流电压Vdc大于(Vmdc+N)，则按照预设条件逐步减小调压PWM信号的占空比。

7.如权利要求6所述的有源PFC电路的控制方法，其特征在于，所述步骤S33后还包括：

步骤S4、当调压PWM信号的占空比已经调节至预设的最高比例或者最低比例时，若所述直流电压Vdc仍未在所述目标直流电压值Vmdc的修正区间内，则发出PFC电路工作异常的预警信号。