一種用于用電信息采集終端的電源的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種用于用電信息采集終端的電源，在電源輸入部分采用兩級(jí)功率因數(shù)校正技術(shù)，第一級(jí)為主動(dòng)功率因數(shù)校正及整流濾波部分，第二級(jí)為脈寬調(diào)制反激輸出部分。第一級(jí)整流濾波使用了高壓薄膜電容代替高壓電解電容的方案，第二級(jí)脈寬調(diào)試反激部分采用準(zhǔn)諧振技術(shù)。本實(shí)用新型采用主動(dòng)式功率因數(shù)校正技術(shù)，大幅度提高終端功率因數(shù)，減小無(wú)功損耗，提高了電能利用率，同時(shí)，減小整流部分產(chǎn)生諧波對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的干擾。
【專利說(shuō)明】一種用于用電信息采集終端的電源
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種用于用電信息采集終端的電源，屬于用電信息采集設(shè)備領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]用電信息采集設(shè)備的一個(gè)重要功能就是對(duì)電能表的電量及功率不間斷地進(jìn)行計(jì)量，再將計(jì)量結(jié)果通過(guò)如載波、GPRS等通訊方式上傳至供電部門控制室，供電部門再根據(jù)用電情況合理分配電力資源。這就需要用電信息采集設(shè)備不間斷地工作。通常用電信息采集終端設(shè)備功率因數(shù)只有不到0.4，意味著發(fā)電廠發(fā)出10個(gè)單位的電能有6個(gè)單位的電能損失掉。而電信息采集終端需要長(zhǎng)期不間斷的運(yùn)行，這勢(shì)必造成寶貴的電能資源極大地浪費(fèi)。
[0003]電網(wǎng)環(huán)境噪聲通常會(huì)影響通常質(zhì)量，如電力載波通訊方式是將信號(hào)耦合至電力線中，通過(guò)電力線將信號(hào)傳遞。采集終端一般由電源提供電能，普通電源整流濾波時(shí)會(huì)產(chǎn)生諧波干擾，這些干擾信號(hào)會(huì)疊加到正常的通訊信號(hào)上，影響終端通訊的成功率。
[0004]用電信息采集終端通常采用三相四線制輸入方式，額定輸入電壓時(shí)，整流后的直流電壓約540V，最高輸入電壓時(shí)整流后直流達(dá)700V。輸入頻率50Hz，這就需要采用大容量高耐壓的電容器，通常做法是采用兩個(gè)電解電容串聯(lián)方式滿足高耐壓大容量要求。電解電容的容量依賴于電解質(zhì)的多少，電解質(zhì)會(huì)隨使用時(shí)間增加而逐步減少，即電解電容容量逐步減少，直至最終電解電容失效。用電信息采集終端設(shè)計(jì)壽命通常需要高于10年，高壓電解電容通常是影響終端整體壽命的瓶頸之一。
[0005]開(kāi)關(guān)電源有著體積小，效率高，成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，所以通常用電信息采集終端采用開(kāi)關(guān)電源方式供電，通常采用反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在MOS管導(dǎo)通瞬間，由于變壓器原邊電感與MOS管等效輸出結(jié)電容諧振形成開(kāi)關(guān)噪聲，即電磁干擾，電磁干擾會(huì)隨著電力線傳導(dǎo)至電網(wǎng)中，還會(huì)以輻射的形式輻射出去，影響周圍的電子產(chǎn)品及電網(wǎng)質(zhì)量。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0006]本實(shí)用新型提供了一種用于用電信息采集終端的電源，其目的在于用電信息采集提聞終端的功率因數(shù)，減小諧波干擾，提聞電網(wǎng)電能質(zhì)量。
[0007]為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案如下:
[0008]一種用于用電信息采集終端的電源，包括初級(jí)側(cè)電路和次級(jí)側(cè)電路，所述初級(jí)側(cè)電路包括依次連接的三相整流電路、功率因數(shù)校正電路、濾波電路和準(zhǔn)諧振反激電路；所述次級(jí)側(cè)電路包括輸出電路。
[0009]前述的三相整流電路由整流二極管構(gòu)成三相橋式全波整流電路。
[0010]前述的功率因數(shù)校正電路由功率因數(shù)校正控制器Ul、PFC開(kāi)關(guān)MOS管Ql，PFC升壓電感LI構(gòu)成，所述功率因數(shù)校正控制器Ul的驅(qū)動(dòng)腳與所述PFC開(kāi)關(guān)MOS管Ql的柵極串連，所述PFC升壓電感LI與所述PFC開(kāi)關(guān)MOS管Ql的漏極串連，所述PFC升壓電感LI與三相整流電路相串聯(lián)，所述PFC開(kāi)關(guān)MOS管Ql與三相整流電路相并聯(lián)。
[0011]前述的功率因數(shù)校正控制器Ul還連接有輸入電壓采樣電路和輸入電流采樣電路，所述輸入電壓采樣電路接入功率因數(shù)校正控制器Ui比較器的一個(gè)輸入端，采用電阻分壓方式采樣輸入電壓；所述輸入電流采樣電路接入功率因數(shù)校正控制器Ui比較器的另一個(gè)輸入端，采用采樣線圈與PFC升壓電感LI緊密繞制在一起，采樣PFC升壓電感LI上的電流波形。
[0012]前述的濾波電路包括PFC整流二極管Dl及濾波電容Cl，所述PFC整流二極管Dl與三相整流電路相串聯(lián)，所述濾波電容Cl與三相整流電路相并聯(lián)。
[0013]前述的濾波電容Cl為高壓薄膜電容。
[0014]前述的準(zhǔn)諧振反激電路包括準(zhǔn)諧振控制器U2、開(kāi)關(guān)MOS管Q2，變壓器Tl及反饋網(wǎng)絡(luò)；所述變壓器Tl包括初級(jí)側(cè)繞組和次級(jí)側(cè)繞組；所述準(zhǔn)諧振控制器U2的驅(qū)動(dòng)腳連接所述開(kāi)關(guān)MOS管Q2的柵極，所述開(kāi)關(guān)MOS管Q2的漏極連接所述變壓器Tl的初次側(cè)繞組，所述初級(jí)側(cè)繞組連接主路輸出電路；所述變壓器Tl的次級(jí)側(cè)繞組連接輔路輸出電路；所述反饋網(wǎng)絡(luò)采樣主路輸出電路的信號(hào)，反饋給所述準(zhǔn)諧振控制器U2的2腳。
[0015]前述的準(zhǔn)諧振控制器U2還連接有谷底檢測(cè)電路，所述谷底檢測(cè)電路通過(guò)輔助繞組連接一個(gè)電阻至功率因數(shù)校正控制器Ul的Z⑶腳。
[0016]前述的輸出電路包括主路輸出和輔路輸出，所述主路輸出和輔路輸出通過(guò)變壓器Tl的初級(jí)側(cè)繞組和次級(jí)側(cè)繞組隔離輸出。
[0017]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn):1)使用了功率因數(shù)校正電路，使電流具有高功率因數(shù)，減小無(wú)功損耗，提高了電能利用率；2)替換了失效率高的電解電容，使得使用壽命延長(zhǎng)，可靠性得到提升；3)使用了準(zhǔn)諧振技術(shù)提高效率，降低電磁干擾水平。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為本實(shí)用新型的用電信息采集終端的電源的結(jié)構(gòu)框圖；
[0019]圖2為本實(shí)用新型的用電信息采集終端的電源的電路圖；
[0020]圖3為本實(shí)用新型的功率因數(shù)校正控制器采用峰值電流模式電流波形跟隨電壓波形示意圖；
[0021]圖4為連續(xù)模式、斷續(xù)模式與準(zhǔn)諧振模式反激MOS管上電壓波形示意圖；
[0022]圖5為本實(shí)用新型功率因數(shù)校正控制器Ul的引腳示意圖；
[0023]圖6為本實(shí)用新型準(zhǔn)諧振控制器U2的引腳示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)用新型。
[0025]如圖1所示，本實(shí)用新型的用于用電信息采集終端的電源，包括初級(jí)側(cè)電路和次級(jí)側(cè)電路，具體連接關(guān)系為:三相輸入交流電壓，通過(guò)三相整流電路后變?yōu)槊}動(dòng)直流電壓，作為功率因數(shù)校正(PFC)電路的輸入，功率因數(shù)校正(PFC)電路的輸出經(jīng)過(guò)濾波電路后變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓，再將該直流電壓通過(guò)DC-DC準(zhǔn)諧振反激電路，隔離輸出。輸出電路包括主路輸出和輔路輸出，主路輸出和輔路輸出通過(guò)變壓器Tl的初級(jí)側(cè)繞組和次級(jí)側(cè)繞組隔離輸出，主路輸出通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)采樣輸出電壓信號(hào)給準(zhǔn)諧振控制器U2，控制輔路輸出。
[0026]如圖2所示，本實(shí)用新型的三相整流電路由整流二極管構(gòu)成三相橋式全波整流電路。
[0027]功率因數(shù)校正(PFC)電路由功率因數(shù)校正控制器Ul、PFC開(kāi)關(guān)MOS管Ql，PFC升壓電感LI構(gòu)成，如圖5所示，本實(shí)用新型的功率因數(shù)校正控制器Ul采用意法半導(dǎo)體公司的STL6562。功率因數(shù)校正控制器Ul的⑶驅(qū)動(dòng)腳，與PFC開(kāi)關(guān)MOS管Ql的柵極串連，PFC升壓電感LI與PFC開(kāi)關(guān)MOS管Ql的漏極串連，PFC升壓電感LI與三相整流電路相串聯(lián)，PFC開(kāi)關(guān)MOS管Ql與三相整流電路相并聯(lián)。本實(shí)用新型采用峰值電流控制方案，功率因數(shù)校正控制器Ul連接輸入電壓采樣電路和輸入電流采樣電路，輸入電壓采樣電路接入功率因數(shù)校正控制器Ul比較器的一個(gè)輸入端，即圖5中的MULT輸入端，采用電阻分壓方式采樣輸入電壓；輸入電流采樣電路接入功率因數(shù)校正控制器Ul比較器的另一個(gè)輸入端，即圖5中的ZCD輸入端，采用采樣線圈與PFC升壓電感LI緊密繞制在一起，采樣PFC升壓電感LI上的電流波形。
[0028]如圖2所示，本實(shí)用新型的濾波電路包括PFC整流二極管Dl及濾波電容Cl，其中PFC整流二極管Dl與三相整流電路相串聯(lián)，濾波電容Cl與三相整流電路相并聯(lián)。
[0029]如圖2所示，本實(shí)用新型的準(zhǔn)諧振反激電路包括準(zhǔn)諧振控制器U2、開(kāi)關(guān)MOS管Q2，變壓器Tl及反饋網(wǎng)絡(luò)。變壓器Tl包括初級(jí)側(cè)繞組和次級(jí)側(cè)繞組，準(zhǔn)諧振控制器U2的5腳即圖6中的DRV驅(qū)動(dòng)腳，連接開(kāi)關(guān)MOS管Q2的柵極；開(kāi)關(guān)MOS管Q2的漏極連接變壓器Tl的初次側(cè)繞組，初級(jí)側(cè)繞組連接主路輸出電路；變壓器Tl的次級(jí)側(cè)繞組連接輔路輸出電路；反饋網(wǎng)絡(luò)采樣主路輸出電路的信號(hào)，反饋給準(zhǔn)諧振控制器U2的2腳，即圖6中的FB腳。
[0030]準(zhǔn)諧振控制器U2還連接有谷底檢測(cè)電路，谷底檢測(cè)電路通過(guò)輔助繞組方式實(shí)現(xiàn)，輔助繞組連接一個(gè)電阻至功率因數(shù)校正控制器Ul的ZCD腳。該電路通過(guò)檢測(cè)輔助繞組上電壓方式，檢測(cè)開(kāi)關(guān)MOS管Q2漏-源極電壓，當(dāng)電壓最低時(shí)，準(zhǔn)諧振控制器U2控制開(kāi)關(guān)MOS管Q2的開(kāi)通。
[0031]本實(shí)用新型在電源輸入端采用兩級(jí)功率因數(shù)校正技術(shù)，第一級(jí)為功率因數(shù)校正及整流濾波部分，第二級(jí)為脈寬調(diào)制反激輸出部分。
[0032]功率因數(shù)指的是有效功率與視在功率之間的關(guān)系，也就是有效功率除以總耗電量(視在功率)的比值。即:
[0033]
藝職im = WSi 率.；..--? =
[0034]在電工原理中，線性電路的功率因數(shù)(PF)習(xí)慣定義為Coscj5，Φ是正弦電壓和正弦電流間的相角差。所以設(shè)法減小輸入電壓與輸入電流之間的相位差就可以提高功率因數(shù)。
[0035]本實(shí)用新型在用電信息采集終端電源輸入整流之后增加主動(dòng)功率因數(shù)校正(PFC)電路，輸入電壓波形頻率只有50Hz，輸入電壓采樣電路通過(guò)電阻分壓方式檢測(cè)輸入電壓波形的相位，作為基準(zhǔn)，作為功率因數(shù)校正控制器Ul中比較器的輸入端。輸入電流采樣電路是利用磁環(huán)耦合方式采樣PFC升壓電感LI上的電流波形，實(shí)際使用中將該采樣線圈與PFC升壓電感LI緊密繞制在一起，將PFC升壓電感LI的波形作為比較器的另一個(gè)輸入端。利用比較器控制MOS管導(dǎo)通與關(guān)斷，同時(shí)，在MOS管中串聯(lián)電阻采樣MOS開(kāi)通時(shí)的電流波形，反饋給功率因數(shù)校正控制器Ul的4腳，用作過(guò)流保護(hù)。
[0036]如圖3所示，圖中直線為輸入整流后的電流波形，即PFC升壓電感LI上的電流波形，虛線為輸入電壓波形。在峰值電流模式下，由于存在PFC升壓電感LI，該電感抑制電流，MOS管Ql開(kāi)通情況下MOS管Ql上電流線性上升，上升斜率由PFC升壓電感LI決定。當(dāng)電流波形上升至輸出電壓波形時(shí)，比較器動(dòng)作關(guān)斷MOS管Q1，等下一個(gè)周期來(lái)臨，如此反復(fù)。最終形成圖3所示那樣，電流波形跟隨電壓波形，從而減小輸入電壓與輸入電流之間的相位角，提高功率因數(shù)。圖3只是示意圖，實(shí)際工作頻率高達(dá)幾十KHz，電流波形在一個(gè)半周內(nèi)，開(kāi)通次數(shù)非常多。
[0037]在普通整流濾波電路中，由于整流器件的非線性和電容的儲(chǔ)能作用，即使輸入電壓為正弦，輸入電流卻發(fā)生了畸變，輸入電流有效值為:
[0038]Irms -1nns' (")
Y 0=1
[0039]式中，Irms (η)是第η次諧波的有效值。
[0040]衡量電流波形畸變采用總諧波畸變(THD)，其定義為:
[0041]
? 諧波有效電流
IMU - ————.I Ii U?
暴本有效電攝
--SBm i * M trU Sr Μ*
[0042]即功率因數(shù)越低，畸變?cè)絿?yán)重，諧波也越嚴(yán)重。
[0043]采用本實(shí)用新型的第一級(jí)功率因數(shù)校正后，高頻電路線性上升，輸入電流波形跟隨電壓波形，從而降低了諧波畸變，提高了電網(wǎng)的電能質(zhì)量。
[0044]第二級(jí)功率因數(shù)校正技術(shù)采用準(zhǔn)諧振反激拓?fù)?，特點(diǎn)是利用谷底檢測(cè)電路控制MOS管在谷底導(dǎo)通，減小MOS管開(kāi)關(guān)損耗，提高了效率，降低了由電源產(chǎn)生的電磁干擾。開(kāi)關(guān)損耗可以表示為:
[0045]Ploss = 士.Vih.1d.ton-L+γ Coss.Vjs ■ fs
[0046]式中，Ploss為開(kāi)關(guān)損耗，Id為MOS管漏極電流，Vds為MOS管上的電壓，Coss為MOS管等效電容值，ton為MOS管導(dǎo)通時(shí)間，fs為開(kāi)關(guān)頻率。
[0047]對(duì)于用電信息采集終端電源而言，輸入電壓較高，整流之后直流電壓Vd。大約540V?700V，再加上反激電源的反射電壓，其Vds高達(dá)640V?800V。如圖4所示，普通連續(xù)模式反激電源在MOS管開(kāi)通前，加在MOS管上的電壓就等于Vds，效率不高。而普通斷續(xù)模式反激電源由于變壓器原邊電感和MOS管等效輸出結(jié)電容諧振，MOS管上的電壓在跳動(dòng)，MOS管導(dǎo)通電壓不固定，這就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾。而準(zhǔn)諧振模式工作在類似斷續(xù)模式，通過(guò)檢測(cè)電路檢測(cè)MOS上電壓，當(dāng)MOS管上電壓下降至最低點(diǎn)時(shí)，控制MOS管導(dǎo)通，這樣既可以提高效率，又避免了振鈴效應(yīng)帶來(lái)的電磁干擾。
[0048]MOS管工作在高頻狀態(tài)，通常工作頻率為幾十KHz，而普通整流頻率為工頻即50Hz。相同負(fù)載功率條件下由于工作頻率升高，所以需要的電容容量減小，從而實(shí)現(xiàn)利用小容值電容即可完成濾波工作。加之本實(shí)用新型采用二級(jí)PFC結(jié)構(gòu)，含有第二級(jí)反激電路部分，所以對(duì)第一級(jí)輸出紋波要求不高，可以選用容量更小的電容器。電容器壽命與電容器材質(zhì)有關(guān)，電解中含有電解液，比固態(tài)不含電解液電容器失效率要高，且電容器的壽命與容量成反比，即容值越大，失效率越大。本實(shí)用新型使用了高壓薄膜電容代替高壓電解電容，提 1?廣品可罪性。
【權(quán)利要求】
1.一種用于用電信息采集終端的電源，其特征在于，包括初級(jí)側(cè)電路和次級(jí)側(cè)電路，所述初級(jí)側(cè)電路包括依次連接的三相整流電路、功率因數(shù)校正電路、濾波電路和準(zhǔn)諧振反激電路；所述次級(jí)側(cè)電路包括輸出電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于用電信息采集終端的電源，其特征在于，所述三相整流電路由整流二極管構(gòu)成三相橋式全波整流電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于用電信息采集終端的電源，其特征在于，所述功率因數(shù)校正電路由功率因數(shù)校正控制器U1、PFC開(kāi)關(guān)MOS管Ql，PFC升壓電感LI構(gòu)成，所述功率因數(shù)校正控制器Ul的驅(qū)動(dòng)腳與所述PFC開(kāi)關(guān)MOS管Ql的柵極串連，所述PFC升壓電感LI與所述PFC開(kāi)關(guān)MOS管Ql的漏極串連，所述PFC升壓電感LI與三相整流電路相串聯(lián)，所述PFC開(kāi)關(guān)MOS管Ql與三相整流電路相并聯(lián)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于用電信息采集終端的電源，其特征在于，所述功率因數(shù)校正控制器Ul還連接有輸入電壓采樣電路和輸入電流采樣電路，所述輸入電壓采樣電路接入功率因數(shù)校正控制器Ul比較器的一個(gè)輸入端，采用電阻分壓方式采樣輸入電壓；所述輸入電流采樣電路接入功率因數(shù)校正控制器Ul比較器的另一個(gè)輸入端，采用采樣線圈與PFC升壓電感LI緊密繞制在一起，采樣PFC升壓電感LI上的電流波形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于用電信息采集終端的電源，其特征在于，所述濾波電路包括PFC整流二極管Dl及濾波電容Cl，所述PFC整流二極管Dl與三相整流電路相串聯(lián)，所述濾波電容Cl與三相整流電路相并聯(lián)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種用于用電信息采集終端的電源，其特征在于，所述濾波電容Cl為高壓薄膜電容。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于用電信息采集終端的電源，其特征在于，所述準(zhǔn)諧振反激電路包括準(zhǔn)諧振控制器U2、開(kāi)關(guān)MOS管Q2，變壓器Tl及反饋網(wǎng)絡(luò)；所述變壓器Tl包括初級(jí)側(cè)繞組和次級(jí)側(cè)繞組；所述準(zhǔn)諧振控制器U2的驅(qū)動(dòng)腳連接所述開(kāi)關(guān)MOS管Q2的柵極，所述開(kāi)關(guān)MOS管Q2的漏極連接所述變壓器Tl的初次側(cè)繞組，所述初級(jí)側(cè)繞組連接主路輸出電路；所述變壓器Tl的次級(jí)側(cè)繞組連接輔路輸出電路；所述反饋網(wǎng)絡(luò)采樣主路輸出電路的信號(hào)，反饋給所述準(zhǔn)諧振控制器U2的2腳。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種用于用電信息采集終端的電源，其特征在于，所述準(zhǔn)諧振控制器U2還連接有谷底檢測(cè)電路，所述谷底檢測(cè)電路通過(guò)輔助繞組連接一個(gè)電阻至功率因數(shù)校正控制器Ul的Z⑶腳。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于用電信息采集終端的電源，其特征在于，所述輸出電路包括主路輸出和輔路輸出，所述主路輸出和輔路輸出通過(guò)變壓器Tl的初級(jí)側(cè)繞組和次級(jí)側(cè)繞組隔離輸出。
【文檔編號(hào)】H02M1/42GK203951366SQ201420286877
【公開(kāi)日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年5月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月30日
【發(fā)明者】紀(jì)峰, 周超, 鮑進(jìn) 申請(qǐng)人:國(guó)家電網(wǎng)公司, 江蘇省電力公司, 江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院