专利名称：一种用于功率因数校正的单周期pwm调制器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电能变换装置的交流-直流变换器领域，具体涉及ー种用于功率因数校正的单周期PWM调制器。
背景技术：
伴随着电カ电子技术的广泛应用，电网谐波污染的危害越来越引起人们的关注，对电能变换装置的输入功率因数(PF)及输入电流总谐波失真(THD)的要求也越来越高。因此，用电设备的功率因数校正技术一直是业界十分关注的课题。单周期技术是ー种90年代发展起来的非线性大信号PWM控制技木，其通过控制开关的占空比，使得每ー个开关周期中开关变量的平均值正比于控制參考量。将单周期控制技术应用于功率因数校正，有着很 多相对于传统控制技术的优势，这种控制方法取消了传统控制方法中的乘法器，使得控制电路简洁、动态响应快、稳定性好易于实现，是ー种很好的控制方法。參考图1，单相功率因数校正的单周期控制方程为AsXIin = VniX (1-d)，式中民为输入电流取样电阻，Iin为输入电流，Vm为经放大后的误差信号，d为控制开关的占空比，公式右边的部分的功能为PWM调制器。现有单相单周期功率因数校正技术PWM调制器的实现方案为输出电压经取样后，与參考基准一同送入误差放大器，误差放大器的输出作为积分器的输入同时送入減法器；复位时钟脉冲信号送入积分器的复位端同时送入RS触发器的S端，积分器及复位时钟信号发生器构成锯齿波发生器的功能；減法器的输出送入比较器与公式左边的控制參考量相比较，比较器的输出送入RS触发器的R端，由RS触发器的Q端得到所需的PWM输出，其工作原理示意框图请參见图2。针对该现有实现方案进行分析，由该方案的电路可见，该电路的积分器在ー个时钟周期积分电压的最大值，即锯齿波的最大值必须与误差放大器的输出Vm的值严格相等，这样才能当占空比d取值为0到I吋，(1-d)的值为I到0，否则就不能正确的实现公式右侧PWM调制器的功能。这就要求现有单相单周期功率因数校正技术PWM调制器实现电路的工作频率必须与积分器的积分參数完全配套，也就是说，工作时钟ー变，积分器的积分參数必须跟着变，否则就会产生运算误差甚至错误的结果，这就使得功率因数校正的效果大受影响。且在实际应用中，积分器的积分參数是由积分电阻及积分电容决定的，由于元器件的温度特性因素，工作频率与积分參数都会存在漂移，不可能完全配套。退一步讲，即使不考虑温度特性的影响及变换工作频率的不便，仅细调积分器输出的最大值与积分器输入电压严格相等，就十分麻烦及费时，因而必然会影响该技术的有效应用。
实用新型内容为了解决现有单周期功率因数校正技术PWM调制器存在的问题，即因其工作频率必须与积分器的积分參数配套以及元器件的温度特性因素带来的不利影响，而导致功率因数校正的效果大受影响的缺陷，本实用新型提出一种用于功率因数校正的单周期PWM调制器。[0006]一种用于功率因数校正的单周期PWM调制器，包括误差放大器、积分器、复位时钟信号发生器和比较器，误差放大器的两输入端接收參考基准电压和采样电压，误差放大器的输出端连接积分器的输入端，积分器的输出端连接反相放大器的反相输入端，反相放大器的输出端连接比较器的输入端，比较器的输出端输出脉冲宽度调制波，复位时钟信号发生器的输出端连接积分器的复位端，其特征在干，PWM调制器还包括低通滤波器，所述低通滤波器的输入端连接所述积分器的输出端，所述低通滤波器的输出端连接所述反相放大器的同相输入端。进ー步地，还包括RS触发器，RS触发器的R端连接比较器的输出端，RS触发器的S端连接复位时钟信号发生器的输出端，RS触发器的Q端输出脉冲宽度调制波。进ー步地，所述低通滤波器的通带截止频率为时钟信号发生器的工作频率的 1/120 1/80，所述低通滤波器的通带增益为1±0. 02倍。 进ー步地，所述低通滤波器为ニ阶低通滤波器。进ー步地，所述积分器的积分电容串联有电阻。进ー步地，所述反相放大器的增益为1±0.02倍。本实用新型的技术效果体现在本实用新型提出ー种单周期功率因数校正技术PWM调制器的实现方案，通过低通滤波器得到本实用新型方案所需的參考电平，并通过波形运算，来得到本实用新型方案PWM调制器所需的锯齿波，使得单周期控制方程等号右边的PWM调制器可工作于所需的任何频率，而无需顾及积分器积分參数的配套，同时完全消去了元器件温度特性的影响，有效地克服了现有实现方案的缺陷。
图I为单相功率因数校正电路原理示意框图；图2为现有单周期功率因数校正技术的PWM调制器实现方案电路原理示意框图；图3本实用新型提出的一种用于功率因数校正的单周期PWM调制器电路原理示意框图；图4本实用新型提出的一种用于功率因数校正的单周期PWM调制器电路另ー个等效的原理示意框图；图5为采用本实用新型提出的PWM调制器构成的単相功率因数校正电路工作频率为30kHZ输出为3000W时的输入电流波形图；图6为采用本实用新型提出的PWM调制器实现方案构成的単相功率因数校正电路，工作频率为30kHZ输出为3000W时的输入电流总谐波失真(THD)图；图7为采用本实用新型提出的PWM调制器实现方案构成的単相功率因数校正电路，工作频率为30kHZ输出为1500W时的输入电流波形图；图8为采用本实用新型提出的PWM调制器实现方案构成的単相功率因数校正电路，工作频率为30kHZ输出为1500W时的输入电流总谐波失真(THD)图；图9为采用本实用新型提出的PWM调制器实现方案构成的单相功率因数校正电路，工作频率为25kHZ输出为3000W时的输入电流波形图；图10为采用本实用新型提出的PWM调制器实现方案构成的单相功率因数校正电路，工作频率为25kHZ输出为3000W时的输入电流总谐波失真(THD)图；图11为采用本实用新型提出的PWM调制器实现方案构成的单相功率因数校正电路，工作频率为25kHZ输出为1500W时的输入电流波形图；图12为采用本实用新型提出的PWM调制器实现方案构成的单相功率因数校正电路，工作频率为25kHZ输出为1500W时的输入电流总谐波失真(THD)图。
具体实施方式
为解决现有单周期功率因数校正技术PWM调制器的实现方案所存在的问题，首先分析一下现有单相单周期功率因数校正技术PWM调制器的实现方案，请參见图2。现有单相单周期功率因数校正技术PWM调制器的实现方案为输出电压经取样后，与參考基准电压一同送入误差放大器，误差放大器的输出作为积分器的输入同时送入減法器；复位时钟脉冲信号送入积分器的复位端同时送入RS触发器的S端，积分器及复位时钟信号发生器构成锯齿波发生器的功能；減法器的输出送入比较器与公式左边的控制參考量相比较，比较器的输出送入RS触发器的R端，由RS触发器的Q端得到现有单周期功率因数校正技术PWM调制器的实现方案所需的PWM输出。由其工作原理示意框图2可见，该PWM调制器的方案电路希望得到的是ー个以电压Vm为底的负向积分幅度到0的锯齿波，该PWM调制器的方案电路在实际应用中存在的问题是该方案电路的工作频率必须与积分器的积分參数完全配套，要求在积分器复位前的最后时刻，积分器的输出电压必须与输入积分器的积分參考电压严格相等。如果不严格相等，就会使该方案电路有一段时区输出为负，或者使得该方案电路的输出永远达不到0，也就是说现有单周期PWM调制器方案电路不能满足单相单周期控制方程RsX Iin =VfflX (1-d)中的d的由0到I取值范围，因此其功率因数校正的效果自然就大受影响，输入电流THD会大增。在实际应用中，由于元器件參数的温度特性，工作频率与积分器的积分參数都存在漂移，不可能完全配套，因而必然会影响该技术的有效应用。为了解决上述现有调制器的问题，本实用新型提出一种实施方案如图3所示，单周期功率因数校正技术PWM调制器由误差放大器I、积分器2、反相放大器3、低通滤波器4、复位时钟信号发生器5及比较器7构成，用以实现公式右边部分的PWM调制器的功能。所述单周期功率因数校正技术PWM调制器的实现方案，输出电压经取样后，与參考基准一同送入由运算放大器NI、电阻R1及R2构成的误差放大器I，误差放大器I的输出作为由运算放大器N2、电阻R3、R4、积分电容C及复位用电子开关S构成的积分器2的输入；积分器2的输出送入低通滤波器4，低通滤波器4为用运算放大器构成的ニ阶低通滤波器，积分器2的输出同时送入由运算放大器N3、电阻R5及R6构成的反相放大器3的反相输入端，反相放大器3的同相输入端与低通滤波器4的输出端相连接，复位时钟信号发生器5为由电子元器件构成的振荡器实现，取其窄脉冲作为复位时钟信号送入积分器2的复位端，积分器2及复位时钟信号发生器5构成锯齿波发生器的功能；反相放大器3的输出送入由运算放大器N5构成的比较器7，与公式左边的控制參考量相比较，电流參考量的获取由运算放大器N4、电阻R7及R8以及输入电流取样电阻Rs完成，由比较器7的输出端得到所需的P画输出，请參见图I、图3。除了上述方案，本实用新型还提出另ー实施方案如图4所示，本实用新型ー种单周期功率因数校正技术PWM调制器，由误差放大器I、积分器2、反相放大器3、低通滤波器
4、复位时钟信号发生器5、RS触发器6及比较器7构成，用以实现公式右边部分的PWM调制器的功能。所述单周期功率因数校正技术PWM调制器的实现方案，输出电压经取样后，与參考基准一同送入由运算放大器NI、电阻R1及R2构成的误差放大器I，误差放大器I的输出作为由运算放大器N2、电阻R3、R4、积分电容C及复位用电子开关S构成的积分器2的输入；积分器2的输出送入低通滤波器4，低通滤波器4为用运算放大器构成的ニ阶低通滤波器，积分器2的输出同时送入由运算放大器N3、电阻R5及R6构成的反相放大器3的反相输入端，反相放大器3的同相输入端与低通滤波器4的输出端相连接，复位时钟信号发生器5为由电子元器件构成的振荡器实现，取其窄脉冲作为复位时钟信号送入积分器2的复位端，同时送入RS触发器6的S端，积分器2及复位时钟信号发生器5构成锯齿波发生器的功能；反相放大器3的输出送入由运算放大器N5构成的比较器7，与公式左边的控制參考量相比 较，电流參考量的获取由运算放大器N4、电阻R7及R8以及输入电流取样电阻Rs完成，比较器7的输出送入RS触发器6的R端，由RS触发器6的Q端得到所需的PWM输出，请參见图
I、图 4。为使本实用新型的单周期功率因数校正技术的实现方案更具实用性，本实现方案还通过在积分器2的积分电容上串联小电阻的方法微调锯齿波的平均直流电平，參见图3、图4中的R4，以期获得最小电流总谐波失真(THD);低通滤波器为ニ阶低通，为缩小体积，采用由运算放大器构成的有源低通滤波器，其通带直流增益为I ±0. 02倍，其通带边界频率为时钟频率的1/120 1/80 ;本实用新型所述的反相放大器的增益为1±0. 02倍。本实用新型单周期功率因数校正技术PWM调制器的实现电路特征是，通过取得所述锯齿波的平均电平作为參考电平，对该锯齿波进行运算处理，即以该平均电平为运算參考地，对该锯齿波作反相运算，得到一个以该锯齿波峰值幅值为底的齿向下齿尖到0的锯齿波，该锯齿波完全满足单相单周期控制方程RsXIin = VmX (1-d)的要求，无需积分器的输出电压必须与积分器的输入积分參考电压严格相等的限制条件。采用本实用新型单周期功率因数校正技术PWM调制器的实现电路，在任何情况下都满足单相单周期控制方程RsX Iin=VfflX (1-d)中d的取值范围为I至0之间的要求。从而很好地解决了现有单相单周期功率因数校正技术PWM调制器实现电路的缺陷，使工作频率与积分參数不直接相关，并完全消除了元器件温度特性的影响，使得该技术可能得到广泛有效的应用。图5至图8为应用本实用新型单周期功率因数校正技术PWM调制器的实现方案构成的单相功率因数校正电路，在工作频率为30kHZ、输入电感为2mH时输出为3000W及1500 时的输入电流波形图及其总谐波失真图。在输出为3000W时，其输入电流总谐波失真(THD)小于2%，在输出为1500W时，其输入电流总谐波失真(THD)小于3%。图9至图12为应用本实用新型单周期功率因数校正技术PWM调制器的实现方案构成的単相功率因数校正电路，在不变更决定积分參数的元件R4及C的条件下，请參见图3，工作频率为变更为25kHZ、输入电感为2mH时输出为3000W及1500 时的输入电流波形图及其总谐波失真图。在输出为3000W时，其输入电流总谐波失真(THD)同样小于2%，在输出为1500W时，其输入电流总谐波失真(THD)3%左右。可见工作频率的变化，对其性能几乎不产生影响，结果证明本实用新型单周期功率因数校正技术PWM调制器的实现方案完全达到预期的目的。 以上说明仅为本实用新型的优选方案，且可以很方便地移植 应用于三相功率因数校正单周期控制PWM调制器的实现方案，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的条件下，还可以作出若干改进及修饰，这些改进及修饰也应该视为本实用新型的保护范围。
权利要求1.一种用于功率因数校正的单周期PWM调制器，包括误差放大器、积分器、复位时钟信号发生器和比较器，误差放大器的两输入端接收參考基准电压和采样电压，误差放大器的输出端连接积分器的输入端，积分器的输出端连接反相放大器的反相输入端，反相放大器的输出端连接比较器的输入端，比较器的输出端输出脉冲宽度调制波，复位时钟信号发生器的输出端连接积分器的复位端，其特征在干，PWM调制器还包括低通滤波器，所述低通滤波器的输入端连接所述积分器的输出端，所述低通滤波器的输出端连接所述反相放大器的同相输入端。
2.根据权利要求I所述的用于功率因数校正的单周期PWM调制器，其特征在于，还包括RS触发器，RS触发器的R端连接比较器的输出端，RS触发器的S端连接复位时钟信号发生器的输出端，RS触发器的Q端输出脉冲宽度调制波。
3.根据权利要求I所述的用于功率因数校正的单周期PWM调制器，其特征在于，所述低通滤波器的通带截止频率为时钟信号发生器的工作频率的1/120 1/80，所述低通滤波器的通带增益为1±0. 02倍。
4.根据权利要求I所述的单周期功率因数校正技术PWM调制器，其特征在于，所述低通滤波器为ニ阶低通滤波器。
5.根据权利要求I所述的用于功率因数校正的单周期PWM调制器，其特征在于，所述积分器的积分电容串联有电阻。
6.根据权利要求I至4任意之一所述的用于功率因数校正的单周期PWM调制器，其特征在于，所述反相放大器的增益为1±0. 02倍。
专利摘要本实用新型提供一种用于功率因数校正的单周期PWM调制器，包括误差放大器、积分器、复位时钟信号发生器、比较器和低通滤波器，所述低通滤波器的输入端连接所述积分器的输出端，所述低通滤波器的输出端连接所述反相放大器的同相输入端。本实用新型采用锯齿波电压的平均电平为参考电平，使得PWM调制器可工作于所需的任何频率，而无需顾及积分器积分参数的配套，同时完全消去了元器件温度特性的影响。
文档编号H02M1/42GK202663289SQ20122013462
公开日2013年1月9日 申请日期2012年4月1日 优先权日2012年4月1日
发明者张黎明, 林杰, 谢波 申请人:武汉永力电源技术有限公司