單相功率因數校正電路的製作方法

2023-12-04 10:53:51 1

本實用新型涉及單相功率因數校正技術，特別是涉及大功率輸出的功率因數校正器技術，具體涉及高開關頻率下減小功耗實現功率因數校正的電路。

背景技術：

在單相電網中，隨著電力電子技術的快速發展，越來越多的電力電子設備在電網中投入使用，特別是採用整流橋和電解電容作為前級電路的開關電源電路和交直交變頻電路的廣泛使用，對電網造成了嚴重的諧波電流汙染。有源功率因數校正（APFC）技術成為解決諧波電流汙染的重要技術。

然而，低開關頻率功率因數校正器的升壓電感量大、體積大。同時，低開關頻率下的單相功率因數校正器分流電阻阻值大，功耗多，發熱嚴重。若要提高開關頻率，分流電阻會產生更多的功耗和熱量。因此，需要找尋高開關頻率低感低阻單相功率因數校正電路來解決這些問題。

現階段，高開關頻率低感低阻單相功率因數校正電路的設計普遍繁瑣，分流電阻通常還會產生更大的功耗、發出更多的熱量，無法滿足實際應用的需求。

技術實現要素：

鑑於以上所述現有技術的缺點，本實用新型的目的在於提供新型的單相功率因數校正電路，用於解決現有技術中存在的上述問題。

為實現上述目的及其他相關目的，本實用新型提供單相功率因數校正電路，包括：功率單元，用於將交流電信號轉換成第一直流電信號並輸出；檢測單元，連接所述功率單元，用於根據所述交流電信號取樣分流電阻電信號，放大並轉換成第二直流電信號並輸出；控制單元，分別連接所述功率單元和所述檢測單元，用於根據所述第一直流電信號和所述第二直流電信號進行功率因數校正。

於本實用新型一實施例中，所述功率單元包括：升壓型單相AC-DC電路。

於本實用新型一實施例中，所述升壓型單相AC-DC電路包括：第一功率二極體、第二功率二極體、第三功率二極體、第四功率二極體、升壓電感、功率場效應管、反向快恢復二極體、第一電容、第一電阻、第二電阻、第二電容，其中，第一功率二極體的正極、第二功率二極體的負極、第一電容的一端與電源火線相連，第一電容的另一端、第三功率二極體的正極、第四功率二極體的負極與電源零線相連，第二功率二極體的正極、第四功率二極體的正極、第一電阻的一端、第二電阻的一端相連，第一功率二極體的負極、第三功率二極體的負極、第一電阻的另一端、升壓電感的一端相連，升壓電感的另一端、功率場效應管的漏極、反向快恢二極體的正極相連，第二電阻的另一端、功率場效應管的源極、第二電容的一端相連構成所述功率單元的負極輸出端，反向快恢復二極體的負極與第二電容的另一端相連構成所述功率單元的正極輸出端。

於本實用新型一實施例中，所述檢測單元包括：運算放大器、第三電阻、第四電阻、第五電阻、第六電阻、第七電阻、第八電阻、電容，其中，第三電阻的一端與第一電阻連接第二電阻的一端相連，第三電阻的另一端與運算放大器的正輸入端相連，第四電阻的一端、第五電阻的一端、運算放大器的反向輸入端相連，第四電阻的另一端接地，第七電阻的一端與運算放大器的輸出端相連，第七電阻的另一端與所述控制單元相連，第五電阻的另一端與運算放大器的輸出端相連，第六電阻的一端與第二電容接地的一端相連，第六電阻的另一端、第八電阻的一端與所述控制單元相連，第八電阻的另一端與第三電容的一端相連，第三電容的另一端與所述控制單元相連。

於本實用新型一實施例中，所述控制單元包括：單相功率因數校正模擬控制器。

於本實用新型一實施例中，所述單相功率因數校正模擬控制器包括：L4981B控制晶片。

於本實用新型一實施例中，所述L4981B晶片的引腳8與第七電阻的另一端相連，所述L4981B晶片的引腳9連接於第六電阻及第八電阻的連接點，所述L4981B晶片的引腳5與第三電容相連，所述L4981B晶片的引腳2、第三電阻接入第二電阻的一端、第九電阻的一端相連，第九電阻的另一端與所述L4981B晶片的引腳11相連。

如上所述，本實用新型的單相功率因數校正電路，採用在高開關頻率情況下設計檢測電路的策略，具有以下有益效果：

（1）減小分流電阻阻值，使電阻損耗功率減少，發熱減少；

（2）提高開關頻率，實現與低開關頻率功率因數校正電路相同的效果，且能降低電感量，減小電感體積，節約成本。

附圖說明

圖1顯示為本實用新型一實施例的單相功率因數校正電路的結構示意圖。

圖2顯示為本實用新型另一實施例的單相功率因數校正電路的結構示意圖。

具體實施方式

以下通過特定的具體實例說明本實用新型的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本實用新型的其他優點與功效。本實用新型還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基於不同觀點與應用，在沒有背離本實用新型的精神下進行各種修飾或改變。需說明的是，在不衝突的情況下，以下實施例及實施例中的特徵可以相互組合。

需要說明的是，以下實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本實用新型的基本構想，遂圖式中僅顯示與本實用新型中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪製，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為複雜。

請參閱圖1，為了解決高開關頻率下，單相功率因數校正電路功耗多、成本高等問題，本實用新型提供新型的單相功率因數校正電路，包括：功率單元1、檢測單元2、控制單元3，其中，功率單元1連接檢測單元2和控制單元3，用於完成AC-DC變換；檢測單元2連接控制單元3，用於將微弱的電流信號線性放大後發送到控制單元3；控制單元3用於完成輸入電流跟蹤輸入電壓。

請參閱圖2，在一實施例中，功率單元1為升壓型單相AC-DC電路，包括：第一功率二極體D1、第二功率二極體D2、第三功率二極體D3、第四功率二極體D4、升壓電感L、功率MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金氧半場效電晶體）S1、反向快恢復二極體FRD1、安規電容C1、第一電阻R1、第二電阻R2、濾波電容E1。具體的，第一功率二極體D1的正極、第二功率二極體D2的負極、安規電容C的一端與電源火線ACL相連，安規電容C另一端、第三功率二極體D3正極、第四功率二極體D4的負極與電源零線ACN相連，第二功率二極體D2的正極、第四功率二極體D4的正極、第一電阻R1一端、第二電阻R2一端相連，構成輸入端DCN1，第一功率二極體D1的負極、第三功率二極體D3的負極、第一電阻R1另一端與升壓電感L一端相連，構成輸入端DCP1，升壓電感L的另一端、功率MOSFET S1的漏極與反向快恢二極體FRD1的正極相連，第二電阻R2另一端、功率MOSFET S1的源極與濾波電容E1一端相連構成功率電路負極輸出端DCN2，反向快恢復二極體FRD1負極與濾波電容E1另一端相連構成正極輸出端DCP2。

請參閱圖2，在一實施例中，所述檢測電路2包括：運算放大器A、第三電阻R3、第四電阻R4、第五電阻R5、第六電阻R6、第七電阻R7、第八電阻R8、電容C3。具體的：第三電阻R3一端與第一電阻R1連接第二電阻R2的一端相連，第三電阻R3另一端與運算放大器A的正輸入端相連，第四電阻R4、第五電阻R5一端與運算放大器A的反向輸入端相連，第四電阻R4另一端接地，第七電阻R7一端與運算放大器A的輸出端相連，第七電阻R7另一端與控制單元3相連，第五電阻R5另一端與運算放大器A的輸出端相連，第六電阻R6一端與濾波電容E1接地的一端相連，第六電阻R6另一端、第八電阻R8一端與控制單元3相連，第八電阻R8的另一端與電容C3一端相連，電容C3的另一端與控制單元3相連。

請參閱圖2，在一實施例中，所述控制晶片3為單相功率因數校正模擬控制器，例如，有源PFC控制器L4981B，採用CCM（Continuous Conduction Mode，連續導通模式）與平均電流檢測方式，通過內部的電壓電流雙閉環調節輸入電流跟蹤輸入電壓，其工作原理包括：第一直流電信號與晶片內部基準電壓比較，差值作為乘法器輸入信號，乘法器輸出信號與第二直流電信號比較，差值作為PWM載波信號，通過PWM控制器輸出脈衝控制功率器件S1的通斷。使輸入電流信號與輸入電壓信號保持同步，實現功率因數校正。具體的：控制晶片L4981B的引腳8（MULT-OUT）即圖中的301與第七電阻R7另一端相連，控制晶片L4981B的引腳9（ISENSE）即圖中的302連接於第六電阻R6及第八電阻R8，控制晶片L4981B的引腳5（CA-OUT）即圖中的303與電容C3相連，第三電阻R3接入第二電阻R2的一端、控制晶片L4981B引腳2（IPK）即圖中的304、第九電阻R9的一端相連，第九電阻R9的另一端與控制晶片L4981B引腳11（VREF）即圖中的305相連。

在一實施例中，各器件的選型和參數可以為：

開關頻率：100kHz；

功率器件S1：600V，75A/100℃；

碳化矽快恢復二極體FRD1：600V，40A/100℃；

二極體整流橋（D1-D4）：600V，25A/100℃；

濾波電容E1：680F，450V，3隻並聯；

無感電阻R2：2mΩ；

快速運算放大器A：型號AD712，3MHZ，±15V；

升壓電感L：0.5mH；

控制晶片：L4981B。

本實用新型的關鍵原理在於：

（1）在大功率輸出情況下，單相功率因數校正器工作在高開關頻率，不僅具有低開關頻率單相功率因數校正器相同的效果，而且減小升壓電感量和電感體積，減少製作成本。

（2）在大功率輸出情況下，分流電阻會產生更多損耗和熱量，本實用新型在檢測電路中將檢測出的微弱信號通過快速運算放大器放大後發送到控制晶片中，所發送數據與大阻值分流電阻發送數據一致且達到相同效果，使用的分流電阻阻值減小，功耗小發熱少。

綜上所述，本實用新型的單相功率因數校正電路，在大功率輸出情況下工作在高開關頻率，不僅具有與低開關頻率單相功率因數校正電路相同的效果，還會降低升壓電感量和電感體積；同時，檢測電路中的運算放大器放大微弱的電感電流信號，可減小分流電阻阻值，降低功耗，減少發熱，有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。

上述實施例僅例示性說明本實用新型的原理及其功效，而非用於限制本實用新型。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本實用新型的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本實用新型所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本實用新型的權利要求所涵蓋。