專利名稱：一種用于永磁同步驅動器的高效功率因數(shù)電源電路的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及節(jié)能技術領域，具體涉及一種用于永磁同步驅動器的高功率因數(shù) 電源電路。
背景技術：
隨著工業(yè)自動化技術的發(fā)展，電機驅動器應用越來越廣，由于其具有優(yōu)良的調速 性能和明顯節(jié)能效果，因此受到越來越廣的運用?，F(xiàn)有的永磁同步驅動器的電源電路采用 整流橋和濾波電路組合方式，這種方式價格低，但是對電網(wǎng)污染非常嚴重，功率因數(shù)很低一 般在0. 6左右。由于整流器與電容濾波電路是一種非線性元件與儲能元件的組合，雖然輸 入的是正弦交流電壓，但是輸入的電流波形卻是非連續(xù)帶有高次諧波的波形，所以影響了 輸入端的功率因數(shù)。提高功率因數(shù)最簡單的方法是采用無源校正，在整流輸出接電感電容 濾波器，這種方法可使功率因數(shù)達到0. 85左右，但它只能對一定諧波進行抑制存在一定的 局限性，它的體積和價格限制了在驅動器中的應用。

實用新型內(nèi)容有鑒于此，本實用新型提供了一種用于永磁同步驅動器的高效功率因數(shù)電源電 路，包括電壓轉換模塊和功率因數(shù)校正模塊；電壓轉換模塊用于將接收的交流電壓轉換成直流電壓；功率因數(shù)校正模塊用于提高電源電路的功率因數(shù)，包括2個電容分別為C3、C6 ；2 個濾波電容，分別為C4、C5 ；8個電阻，分別為R1、R5、R8、R9、R10、Rll、R12、R13、R14 ；2個 電感，分別為Li、L2 ;4個二極管，分別為V6、V10、VII、V12，2個場效應管，分別為Ql、Q2 ；電壓轉換模塊正輸出端與C3的一端以及Rl的一端分別相連，Rl的另一通過Ll 分別與VlO的正極、V6的負極、L2的一端、Vll的負極、V12的負極、Ql的漏極以及Q2的漏 極分別相連，Vll的正極、V12的正極、Ql的源極以及Q2的源極接地；Q2的柵極通過RlO與 Rll與Ql的柵極、R8的一端以及R9的一端分別相連，Ql的柵極通過R5接地，R8的另一端 與R9的另一端分別與V6的正極相連；L2的另一端與V8的負極相連，V8的正極通過R12與 Q2的柵極相連，通過電阻R13以及R14接地；VlO的負極分別與C4的正極、C5的正極以及 C6的一端相連，C4的負極、C5的負極以及C6的一端分別接地；RlO與Rll之間輸入PWM脈 沖寬度調制方波信號，C6的兩端分別輸出。有益效果本實用新型通過控制場效應管Ql、Q2的開閉，實現(xiàn)對輸出電壓的控制，從而使輸 入電流波形近似正弦波形，有效的提高了功率因數(shù)；根據(jù)輸出功率大小設計合適升壓電感， 保證諧波降到最低。其次，本實用新型通過采用控制模塊控制繼電器，進而實現(xiàn)對電阻Rl的控制，防 止電源上電瞬間電流過大將電壓轉換模塊(整流橋)燒壞。再次，本實用新型進一步包括零電壓關斷與零電流關斷模塊，零電壓關斷與零電流關斷模塊用于使Ql和Q2導通時電壓為零，使Ql和Q2關斷時電流為零，減小Ql和Q2的損耗。

圖1為本實用新型用于永磁同步驅動器的高效功率因數(shù)電源電路的示意圖。圖2為本實用新型繼電器Kl以及繼電器控制模塊示意圖。圖3為本實用新型零電壓關斷與零電流關斷模塊示意圖。圖4為本實用新型控制模塊和直流電壓模塊示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖并舉實施例，對本實用新型進行詳細描述。大部分變頻器電源采用整流橋和濾波電路組合方式，這種方式價格低，但是對電 網(wǎng)污染非常嚴重，功率因數(shù)很低一般在0.6左右。同時，由于整流器與電容濾波電路是一種 非線性元件與儲能元件的組合，雖然輸入的是正弦交流電壓，但是輸入的電流波形卻是非 連續(xù)帶有高次諧波的波形，所以影響了輸入端的功率因數(shù)?，F(xiàn)有采用無源校校正提高功率 因數(shù)是在整流輸出接電感電容濾波器，這種方法可使功率因數(shù)達到0. 85左右，但它只能對 一定諧波進行抑制存在一定的局限性。本實用新型采用有源功率因數(shù)校正獲得，把升壓變 換裝置加入在整流橋與濾波電容中間，控制由專用IC驅動，附加電路對輸入電流進行整形 和對輸出電壓進行控制，使功率因數(shù)得到很好控制同時保證輸出電壓穩(wěn)定不隨輸入電壓變 化。功率因數(shù)(PF)是指交流輸入的有功功率(P)與輸入的視在功率的比值(S總功 率)PF = P/S = Rcos Φ其中，R表示輸入電流失真系數(shù)，Cos Φ輸入電壓相位與輸入電流相位因數(shù)；可見功率因數(shù)與電流失真系數(shù)和輸入電壓輸入電流相位因數(shù)有關，Cos Φ低表示 輸入端無功功率大，R值低表示輸入端電流諧波大。因此，實現(xiàn)提高功率因數(shù)校的目的首先 需要控制電感電流波形，使它能跟蹤輸入電壓波形，從而得到高功率因數(shù)；其次，為輸出負 載提供穩(wěn)定的直流電壓。本實用新型用于永磁同步驅動器的高效功率因數(shù)電源電路，包括電壓轉換模塊 和功率因數(shù)校正模塊；電壓轉換模塊用于將接收的交流電壓轉換成直流電壓；所述功率因 數(shù)校正模塊用于提高電源電路的功率因數(shù)，包括2個電容分別為C3(400Vluf)、C6(105) ；2 個濾波電容，分別為 C4 (560uf/450V)、C5 (560uf/450V) ；8 個電阻，分別為 Rl (NTC16D-20)、 R5 (2K)、R8(5. IK)、R9(12K)、RlO (15)、Rll (15)、R12(5. IK)、R13(12K)、R14(2K) ；2 個 電感，分別為 Ll (1. 6mH)、L2 (80uH) ；3 個二 極管，分別為 V6 (MURA160)、V8 (MURA160)、 V10(DSE160-06A)、V11(UF4007)、V12 (UF4007)，2 個場效應管，分別為 Ql (IXIQ44N50P)、 Q2(IXIQ44N50P)；電壓轉換模塊正輸出端與C3的一端以及Rl的一端分別相連，Rl的另一通過Ll 分別與VlO的正極、V6的負極、L2的一端、Vll的負極、V12的負極、Ql的漏極以及Q2的漏 極分別相連，Vll的正極、V12的正極、Ql的源極以及Q2的源極接地；Q2的柵極通過RlO與Rll與Ql的柵極、R8的一端以及R9的一端分別相連，Ql的柵極通過R5接地，R8的另一端 與R9的另一端分別與V6的正極相連；L2的另一端與V8的正極相連，V8的負極通過R12與 Q2的柵極相連，通過電阻R13以及R14接地；VlO的負極分別與C4的正極、C5的正極以及 C6的一端相連，C4的負極、C5的負極以及C6的一端分別接地；RlO與Rll之間輸入PWM脈 沖寬度調制方波信號，C6的兩端分別輸出。為了減小Rl發(fā)熱損耗能量，本實用新型進一步包括繼電器Kl以及繼電器控制模 塊，通過繼電器控制模塊控制繼電器的開閉，使Kl閉合時Rl被短路；所述Kl的兩開關端與 Rl并聯(lián)，Kl的兩控制端與繼電器控制模塊相連；所述繼電器控制模塊包括3個電阻，分別 為 R2 (5. IK)、R3 (5. IK)、R4 (51)；三極管 Tl (8050)，二極管 Dl (1N4001)，發(fā)光二極管 LED ；其 中R3的一端與輸入脈沖信號相連，R3的另一端與Tl的基極相連，Tl的發(fā)射極接地，Tl的 集電極通過R4與Dl的正端以及Kl的第一控制端分別相連，Kl的第二控制端與Dl的負極 相連并通過LED以及R2接地。由于Ql、Q2不是理想的器件，在導通與截止時會產(chǎn)生開關損耗，在開通時開關管 的電壓不是立即為零，有一定的下降時間同時它的電流也不是立即升到負載電流有一定的 上升時間，在這個時間電流上升和電壓下降出現(xiàn)死區(qū)，因此產(chǎn)生開關損耗；關斷時電流不是 立即為零同時它的電壓也不是立即升到額定電壓都有一定的死區(qū)時間。因此本實用新型 進一步包括零電壓關斷與零電流關斷模塊，所述的零電壓關斷與零電流關斷模塊用于使Ql 和Q2導通時電壓為零，使Ql和Q2關斷時電流為零；包括6個二極管，分別為V2 (MURS260)、 V3 (MURS260)、V4 (MURA160)、V5 (MURA160)、V8 (MURA160)、V9 (MURA160)，4 個電容，分別為 C7 (1KV/In)、C8 (1KV/In)、C9 (1KV/In)、ClO (1KV/In) ；2 個電感，分別為 L3 (100uH2A)和 L4(100uH2A)；其中，V6的負極與V2的正極以及ClO的一端分別相連，V2負極分別與C9的一端 以及V4的正極相連，V4的負極通過L3分別與ClO的另一端以及V5的正極相連，V5的負極 與C9的兩一端相連并進一步與VlO的負極相連；V8的負極與V3的正極以及C7的一端分 別相連，V3負極分別與C8的一端以及V7的正極相連，V7的負極通過L4分別與C7的另一 端以及V9的正極相連，V9的負極與C8的兩一端相連并進一步與VlO的負極相連。為了使本實用新型的功率校正模塊輸出的直流電壓可以根據(jù)負載的需要進行 調整，本實用新型進一步包括4個電阻和控制模塊，所述4個電阻分別為R6 (5W0. 06)、 R7(5W0. 06)、R15、R16，其中R15、R16的阻值可以根據(jù)負載的需要進行調整；所述控制模塊 一方面用于根據(jù)負載的需要實現(xiàn)對功率因數(shù)校正模塊輸入直流電壓的控制，另一方面提 供所述PWM脈沖寬度調制方波信號；包括芯片P(UC8354BN)，9個電容，分別為Cllduf)、 C12 (470pf)、C13 (2200pf)、C14 (4700pf)、C15 (0. Oluf)、C16 (0. 47uf)、C17 (0. Oluf)、 C18(47000pf)、C19(0. Oluf) ；19 個電阻，分別 R24(0. 5W620k)、R25(0. 5W1. 3M) ,R26(150K)、 R27 (100K)、R28 (100K)、R29 (20K)、R30 (2K)、R31 (4. 7M)、R32 (2K)、R33 (4. 7K)、R34 (780)、 R35 (IOK)、R36 (100K)、R37 (15K)、R38 (120)、R39 (27)、R40 (15)；兩個二 極管，分別為 V3 (IN5819)、V4 (15V 穩(wěn)壓管)，兩個三極管，分別為 T2 (2N5401)、T3 (2N5551)；R15、R16串聯(lián)接于C5的兩端，R7與R6并聯(lián)接于地線上；芯片U1，芯片Ul的I3KLMT腳通過RM與R7的一端相連，通過舊5接7. 5V直流電， 芯片Ul的CAOUT腳與C14的一端相連，C14的另一端通過R33和R31接12V直流電；芯片Ul的ISEN腳通過R32接地，進一步通過R31接12V直流電；芯片Ul的MULTO腳通過R30接 地；芯片Ul的LAC腳通過C15接地，通過RM接電壓轉換模塊的正輸出端，進一步通過R26 接7V直流電；芯片Ul的VAO腳與R28的一端以及C18的一端相連，并進一步連接在R15與 R16之間；芯片Ul的VRMS腳通過R27以及似5接電壓轉換模塊的正輸出端，芯片Ul的VRMS 腳與地之間并聯(lián)有R29以及C16，R25和R27之間與地之間并聯(lián)有C17 ；芯片Ul的REF腳通 過R36接芯片P的SS腳，并進一步通過C19接地；芯片Ul的ENA腳接5V直流電壓；芯片P 的VSE腳與似8的另一端以及C18的另一端相連，并進一步連接在R15與R16之間；芯片Ul 的RSET腳通過R37接地；芯片Ul的SS腳進一步通過Cll接地；芯片Ul的CT腳通過C13 接地，并進一步通過R38以及C12接地；芯片Ul的VCC腳接12V直流電，芯片Ul的DRV腳 與R39的一端以及D4的負極相連，D4的正極與T2的發(fā)射極相連，R39的另一端與T2的基 極以及T3的基極分別相連，T3的集電極接12V直流電壓，T3的發(fā)射極分別與T2的集電 極、D3的負極以及R40的一端相連，D3的正極以及R40的另一端相連并輸出PWM脈沖寬度 調制方波信號。為了保證上述的各模塊的壽命，使其在電壓轉換模塊輸入電壓不穩(wěn)定處于關閉不 工作狀態(tài)，本實用新型的所述的控制模塊進一步包括直流電壓模塊，用于對電壓轉換模塊 輸出的電壓進行判斷，當判定電壓轉換模塊輸出直流電壓在設定的閾值內(nèi)時，為控制模塊 中所述的芯片Ul的VCC腳提供12V的直流電壓。此電源適用于3KW以下驅動器，電機正常運轉2KW負載情況為例進行說明。為了防止電源上電瞬間電流過大將電壓轉換模塊(整流橋)燒壞，電源接通后繼 電器控制模塊控制繼電器Kl延時3s后導通。3s后即Rl電阻短路時，當市電輸入交流電 壓小于180V或大于250V時，直流電壓模塊采集電壓轉換模塊輸出的直流電壓進行對比，不 產(chǎn)生12V的直流電輸入給芯片Ul的VCC腳，控制模塊不上電，因此在功率因數(shù)校正模塊中 RlO和Rll之間沒有PWM脈沖寬度調制方波信號，功率因數(shù)校正模塊不導通；當市電輸入交 流電壓大于180V且小于250V時，直流電壓模塊為功率因數(shù)校正模塊提供12V電壓，使得功 率因數(shù)校正模塊導通。具體實現(xiàn)過程K2吸合后控制電路UC38MBN的DRV腳輸出PWM驅 動波形使Ql、Q2同時導通與關斷，當Ql、Q2同時導通時，升壓儲能電感Ll進行儲能，電感 Ll的電流持續(xù)增加，Q1、Q2同時導通，二極管VlO正極接地，二極管VlO反向截止，通過Q1、 Q2的電流為電感電流的一半，負載由輸出濾波電容C4、C5供電；當QU Q2截止時電感電流 減小，電感Ll釋放的電能與輸入電壓一起經(jīng)二極管VlO輸出，并同時向電容充電，這樣電感 Ll電流處于連續(xù)狀態(tài)，從而使輸入電流波形近似正弦波形，有效的提高了功率因數(shù)；同時， 根據(jù)輸出功率大小設計合適升壓電感，保證諧波降到最低。UC3854BN的VAO腳為電壓反饋輸入端、VRMS腳前饋電壓補償端、VSE腳為電壓放 大器輸出控制端，當VAO腳反饋電壓與VRMS腳補償電壓輸入到芯片P時，芯片P的VSE腳 輸出信號反饋到R15與R16之間，實現(xiàn)對輸出直流電壓的控制，使其滿足負載的需求。此系 統(tǒng)根據(jù)負載需要輸出電壓設置為290V，通過閉環(huán)反饋穩(wěn)定在^K)V，如需要改變電壓可設置 反饋網(wǎng)絡電阻值(R15、R16)。限流保護是通過R6、R7電阻采樣到UC38MBN進行放大運算設置限流點，本系統(tǒng) 限流點設置為輸出2. 5KW，當功率大于等于2. 5KW時PWM輸出關斷，功率恢復PWM自動打 開；由于Ql、Q2不是理想的器件，在導通與截止時會產(chǎn)生開關損耗，在開通時開關管的電壓不是立即為零，有一定的下降時間同時它的電流也不是立即升到負載電流有一定的上升時 間，在這個時間電流上升和電壓下降出現(xiàn)死區(qū)，因此產(chǎn)生開關損耗；關斷時電流不是立即為 零同時它的電壓也不是立即升到額定電壓都有一定的死區(qū)時間。對此問題采用零電壓關斷 與零電流關斷減小開關管開關損耗，電路中L2、V8、RlU R13配置為開關管均流電路，保證 Q1、Q2上的電流平均；當Q1、Q2導通時V2、V4、V5、V3、V7、V9 二極管截止并在電容作用下電 壓立即關斷后開關管上電流迅速達到負載電流，在開關管關斷之前電感L3、L4上的電流要 放到零保證器件安全，當Q1、Q2關斷時V2、V4、V5、V3、V7、V9 二極管導通并通過電容放電作 用下電流立即降到零開關管上電壓迅速升高到直流輸出電壓，開關管在開通之前電容上的 電壓要放光，保證器件安全。 綜上所述，以上僅為本實用新型的較佳實施例而已，并非用于限定本實用新型的 保護范圍。凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包 含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
權利要求1.一種用于永磁同步驅動器的高效功率因數(shù)電源電路，其特征在于，包括電壓轉換模 塊和功率因數(shù)校正模塊；電壓轉換模塊用于將接收的交流電壓轉換成直流電壓；所述功率因數(shù)校正模塊用于提高電源電路的功率因數(shù)，包括2個電容分別為C3、C6 ；2 個濾波電容，分別為C4、C5 ；8個電阻，分別為R1、R5、R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14 ；2個 電感，分別為Ll、L2 ;4個二極管，分別為V6、VlO、Vl 1、V12，2個場效應管，分別為Ql、Q2 ；電 壓轉換模塊正輸出端與C3的一端以及Rl的一端分別相連，Rl的另一通過Ll分別與VlO的 正極、V6的負極、L2的一端、Vll的負極、V12的負極、Ql的漏極以及Q2的漏極分別相連， Vll的正極、V12的正極、Ql的源極以及Q2的源極接地；Q2的柵極通過RlO與Rll與Ql的 柵極、R8的一端以及R9的一端分別相連，Ql的柵極通過R5接地，R8的另一端與R9的另一 端分別與V6的正極相連；L2的另一端與V8的負極相連，V8的正極通過R12與Q2的柵極相 連，通過電阻R13以及R14接地；VlO的負極分別與C4的正極、C5的正極以及C6的一端相 連，C4的負極、C5的負極以及C6的一端分別接地；RlO與Rll之間輸入PWM脈沖寬度調制 方波信號，C6的兩端分別輸出。
2.根據(jù)權利要求1所述一種用于永磁同步驅動器的高效功率因數(shù)電源電路，其特征在 于，進一步包括繼電器Kl以及繼電器控制模塊，通過繼電器控制模塊控制繼電器的開閉， 使Kl閉合時Rl被短路；所述Kl的兩開關端與Rl并聯(lián)，Kl的兩控制端與繼電器控制模塊 相連；所述繼電器控制模塊包括3個電阻，分別為R2、R3、R4 ；三極管Tl，二極管D1，發(fā)光二 極管LED ；其中R3的一端與輸入脈沖信號相連，R3的另一端與Tl的基極相連，Tl的發(fā)射極 接地，Tl的集電極通過R4與Dl的正端以及Kl的第一控制端分別相連，Kl的第二控制端與 Dl的負極相連并通過LED以及R2接地。
3.根據(jù)權利要求1所述一種用于永磁同步驅動器的高效功率因數(shù)電源電路，其特征在 于，進一步包括零電壓關斷與零電流關斷模塊，所述的零電壓關斷與零電流關斷模塊用于 使Ql和Q2導通時電壓為零，使Ql和Q2關斷時電流為零；包括6個二極管，分別為V2、V3、 V4、V5、V8、V9，4個電容，分別為C7、C8、C9、C10 ；2個電感，分別為L3和L4 ；其中，V6的負極與V2的正極以及ClO的一端分別相連，V2負極分別與C9的一端以及 V4的正極相連，V4的負極通過L3分別與ClO的另一端以及V5的正極相連，V5的負極與 C9的兩一端相連并進一步與VlO的負極相連；V8的負極與V3的正極以及C7的一端分別相 連，V3負極分別與C8的一端以及V7的正極相連，V7的負極通過L4分別與C7的另一端以 及V9的正極相連，V9的負極與C8的兩一端相連并進一步與VlO的負極相連。
4.根據(jù)權利要求1所述一種用于永磁同步驅動器的高效功率因數(shù)電源電路，其特征在 于，進一步包括4個電阻和控制模塊，所述4個電阻分別為R6、R7、R15、R16 ；所述控制模塊 一方面用于根據(jù)負載的需要實現(xiàn)對功率因數(shù)校正模塊輸入直流電壓的控制，另一方面提供 所述PWM脈沖寬度調制方波信號；包括芯片Ul (UC8354BN)，9個電容，分別為C19、C18、C17、 C16、C15、C14、C13、C12、Cll ；19 個電阻，分別 R24、R25、R26、R28、R27、R29、R30、R31、R32、 R33、R34、R35、R36、R37、R38、R39、R40 ；兩個二極管，分別為V3、V4，兩個三極管，分別為T2、 T3 ；R15、R16串聯(lián)接于C5的兩端，R7與R6并聯(lián)接于地線上；芯片Ul，芯片Ul的I3KLMT腳通過RiM與R7的一端相連，通過R35接7. 5V直流電，芯片Ul的CAOUT腳與C14的一端相連，C14的另一端通過R33和R31接12V直流電；芯片Ul的 ISEN腳通過R32接地，進一步通過R31接12V直流電；芯片Ul的MULTO腳通過R30接地；芯 片Ul的LAC腳通過C15接地，通過RM接電壓轉換模塊的正輸出端，進一步通過似6接7V 直流電；芯片Ul的VAO腳與R28的一端以及C18的一端相連，并進一步連接在R15與R16 之間；芯片Ul的VRMS腳通過R27以及R25接電壓轉換模塊的正輸出端，芯片Ul的VRMS腳 與地之間并聯(lián)有R29以及C16，R25和R27之間與地之間并聯(lián)有C17 ；芯片Ul的REF腳通過 R36接芯片Ul的SS腳，并進一步通過C19接地；芯片Ul的ENA腳接5V直流電壓；芯片Ul 的VSE腳與似8的另一端以及C18的另一端相連，并進一步連接在R15與R16之間；芯片Ul 的RSET腳通過R37接地；芯片Ul的SS腳進一步通過Cll接地；芯片Ul的CT腳通過C13 接地，并進一步通過R38以及C12接地；芯片Ul的VCC腳接12V直流電，芯片Ul的DRV腳 與R39的一端以及D4的負極相連，D4的正極與T2的發(fā)射極相連，R39的另一端與T2的基 極以及T3的基極分別相連，T3的集電極接12V直流電壓，T3的發(fā)射極分別與T2的集電極、 D3的負極以及R40的一端相連，D3的正極以及R40的另一端相連并輸出PWM脈沖寬度調制 方波信號。
5.根據(jù)權利要求4所述一種用于永磁同步驅動器的高效功率因數(shù)電源電路，其特征在 于，進一步包括直流電壓模塊，用于對電壓轉換模塊輸出的電壓進行判斷，當判定電壓轉換 模塊輸出直流電壓在設定的閾值內(nèi)時，為控制模塊中所述的芯片Ul的VCC腳提供12V的直 流電壓。
專利摘要本實用新型公開了一種用于永磁同步驅動器的高效功率因數(shù)電源電路，包括電壓轉換模塊和功率因數(shù)校正模塊；電壓轉換模塊用于將接收的交流電壓轉換成直流電壓；所述功率因數(shù)校正模塊用于提高電源電路的功率因數(shù)。本實用新型采用有源功率因數(shù)校正獲得，把升壓變換裝置加入在整流橋與濾波電容中間，控制由專用IC驅動，附加電路對輸入電流進行整形和對輸出電壓進行控制，使功率因數(shù)得到很好控制同時保證輸出電壓穩(wěn)定不隨輸入電壓變化。
文檔編號H02M3/155GK201937467SQ20112004713
公開日2011年8月17日 申請日期2011年2月23日 優(yōu)先權日2011年2月23日
發(fā)明者李保民, 趙曉光 申請人:北京運通恒昌驅動技術有限公司