CN101009432A - 用于三电平功率因数校正电路的采样电路及其电压采样方法 - Google Patents

用于三电平功率因数校正电路的采样电路及其电压采样方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于三电平PFC电路的采样电路及其电压采样方法，为解决现有电路的电容中点(Midpoint)处的高频扰动噪声扰动会传递到与之连接的地(GND)而对控制电路造成负面干扰的问题，本发明的采样电路中，电阻R2、R3间的中点仍然接地，但母线电容C1、C2间的中点与所述地之间则改为非连接的开路结构，使得电容中点(Midpoint)处的高频扰动噪声不能传到控制地(GND)。为得到母线电压以及母线电容C1、C2之间的电压差，本发明中以地为参考点，对电阻R1、R2间的中点进行采样得到Vp，对电阻R3、R4间的中点进行采样得到Vn，对电容C1、C2间的中点进行采样得到电压VDelta，根据这三个采样电压值，即可计算得到相应的母线电压以及母线电容C1、C2之间的电压差。

Description

用于三电平功率因数校正电路的采样电路及其电压采样方法
技术领域
本发明涉及针对三电平PFC(功率因数校正)电路的电压采样技术，更具体地说，涉及一种用于三电平PFC电路的采样电路及其母线电容电压采样方法。
背景技术
三相四线制的三电平PFC电路如图1所示。其中，A、B、C是三相交流输入，N线是中线输入，L1、L2、L3是电感，Q1～Q6是带反并联二极管的开关管，D1～D6是续流二极管，C1、C2是母线上的等效电容。三相交流输入经开关管Q1～Q6，续流二极管D1～D6，以有电容C1、C2的变换处理后，输出为相应的直流电压VDC+和VDC-。
由于输出电容的中点(Midpoint)与N线连在一起，是很稳定的点，所以控制电路的地就取在该电容中点(Midpoint)。如图1所示，采用简单的电阻分压就能采到电压Vp、Vn和交流输入电压Va、Vb、Vc。进而计算出电容C1、C2上的电压Vc1、Vc2，Vc1与Vc2之和就是母线电压，可用于进行环路运算。其中：Vc1＝k1*Vp，Vc2＝k2*Vn；而k1、k2是电阻的分压比，在本图中，k1＝(R1+R2)/R2，k2＝-(R3+R4)/R3。具体应用时，为便于计算，通常设置对称的采样电阻，也就是有R1＝R4，R2＝R3，所以有k1＝-k2。
其中，电容C1、C2上的电压必须是比较相近的(也就是通常所说的两个电容的电压平衡)，否则电压较高的那一个电容很容易因过压而损坏。利用Vc1与Vc2的差值，可判断电容C1、C2上的电压是否平衡，如果发现电容电压严重不平衡，则应在一定时间内产生保护动作。
由于三相四线制的N线铺设比较麻烦，所以现在客户一般要求三相三线制输入，即没有中线输入。去除中线的电路如图2所示，这就是通常所说的Vienna变换器。现有技术中，采用Vienna变换器的拓扑结构后，仍然按照三相四线制电路的做法，把控制电路的地取在电容中点(Midpoint)。
然而，在图2所示的三相三线制输入的Vienna变换器中，由于电容中点(Midpoint)与N线断开了，不再是个稳定的点。而电容中点又是与开关管Q2、Q4、Q6连在一起的，随着开关管的开关动作，在电容中点处会产生高频扰动噪声。又由于控制地(GND)与电容中点连接在一起，所以这些高频扰动噪声会从电容中点串到地(GND)上去，从而会对控制电路(主要是采样放大电路)产生干扰。如果在设计印刷电路板时把主功率电路与采样电路分开很远，则这种影响会小些。但是随着现在电源模块体积做得越来越小，主功率电路与采样电路一般都靠得非常近，所以这种影响也比较明显；实验发现，采样电路被串入了很大的干扰信号，对电源模块的THD(Total Harmonic Distortion，总的谐波畸变)影响非常大。
发明内容
针对现有技术的上述缺陷，本发明要解决现有技术中由于电容中点(Midpoint)与地(GND)相互连接，电容中点处的高频扰动噪声扰动会传递到的地而对控制电路造成负面干扰的问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是，提供一种用于三电平PFC电路的采样电路，包括与三相交流输入连接用于实现整流功能的开关管电路，以及连接于所述开关管电路的直流输出正负母线之间的电容C1、C2；在所述开关管电路的正负母线之间依次接有四个分压采样电阻R1、R2、R3、R4；所述第二电阻R2与第三电阻R3间的中点接地；其中，所述母线电容C1、C2间的中点与所述地之间为开路结构，也就是说，两点之间是断开而不是连接在一起的。
本发明的优先方案中，所述电阻R1与R4的阻值相等，电阻R2与R3的阻值相等。
本发有还提供一种针对上述采样电路的电压采样方法，其中包括以下步骤：
(S11)以所述地为参考点，对第一电阻R1与第二电阻R2间的中点进行电压采样，得到第一电压Vp；
(S12)以所述地为参考点，对第三电阻R3与第四电阻R4间的中点进行电压采样，得到第二电压Vn；
(S13)以所述地为参考点，对所述母线电容C1、C2间的中点进行电压采样，得到第三电压VDelta；
(S14)根据所述三个采样电压值，计算到出所述开关管电路的母线电压以及所述电容C1、C2之间的电压差。
其中，所述开关管电路的母线电压：Vc1+Vc2＝k1*Vp+k2*Vn；所述电容C1、C2之间的电压差：Vc1-Vc2＝k1*Vp-k2*Vn-2*VDelta；其中，k1＝(R1+R2)/R2，k2＝-(R3+R4)/R3。
由上述方案可知，本发明把控制地(GND)与电容中点(Midpoint)之间分开的，使得电容中点(Midpoiht)处的高频扰动噪声不能传到控制地(GND)，从而可消除对控制电路的负面干扰。并可保证正常母线电压检测和电容电压差检测。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是对三相四线制的三电平PFC电路进行电压采样的示意图；
图2是对三相三线制的三电平PFC电路进行电压采样的示意图；
图3是本发明一个优选实施例中对三相三线制的三电平PFC电路进行电压采样的示意图；
图4是本发明另一个优选实施例中对三相三线制的三电平PFC电路进行电压采样的示意图。
具体实施方式
本发明的一个优选实施例中，按图3所示的方式对三电平PFC电路进行电压采样。从图3中可以看出，它与图2的区别在于：母线电容C1、C2的中点(Midpoint)与控制电路的地(GND)之间是分离的，没有连接在一起；其余部分都是相同的。
在图3中，交流电压采样也是通过分压电阻连接到地(GND)上，由于这些分压电阻的阻值都很大，所以地(GND)实际上是处于悬浮的；此时，电容中点处的高频扰动噪声不会再串入控制电路。母线VDC+和VDC-处虽然也有高频扰动噪声，但是由于将它们连接到地(GND)的分压电阻的阻值都非常大，所以其高频扰动噪声也不会经采样线串入控制电路。
本实施例中，同样可通过电阻分压采样得到Vp和Vn，进而计算出电阻R1、R2、R3、R4上的电压总和，而这一电压总和与电容C1、C2的电压Vc1、Vc2之和(也就是母线电压)是相等的，所以可通过下式计算出母线电压：
Vc1+Vc2＝k1*Vp+k2*Vn。
从图3中可以看出，本实施例中，还对电容中点(Midpoint)与地(GND)之间的电压差进行采样，以得到两者之间的电压差VDelta，据此可计算出Vc1和Vc2，其中：
Vc1＝k1*Vp-VDelta，
Vc2＝k2*Vn+VDelta，
据此可得出电容C1、C2上的电压差：
Vc1-Vc2＝(k1*Vp-VDelta)-(k2*Vn+VDelta)
       ＝k1*Vp-k2*Vn-2*VDelta
其中，k1＝(R1+R2)/R2，k2＝-(R3+R4)/R3。具体应用时，为便于计算，通常设置对称的采样电阻，也就是有R1＝R4，R2＝R3，所以有k1＝-k2，此时有：
Vc1+Vc2＝k1*(Vp-Vn)；
Vc1-Vc2＝k1*(Vp+Vn)-2*VDelta。
虽然从电容中点采出来的信号VDelta是带有高频扰动噪声的，但它并不会参与环路运算，而只是用来判断两个电容的电压是否平衡，并在严重不平衡时加以保护。由于其实时性要求并不高，所以可通过在放大电路中进行强滤波的方式来噪声滤掉。
实验证明，上述改动对于电路的可靠性是没有问题的，而且还有以下好处：(1)解决了背景技术中所描述的主功率电路对控制电路干扰问题，实验证明，电路的THD不再受影响，而且这种修改的方法对EMC(电磁兼容)特性也没有影响；(2)在图2中，因电容中点与地(GND)相连，导致输入交流电压采样采得的电压是叠加了一个三次谐波的，所以还需对采出的信号Va、Vb、Vc做一些处理才能得到交流电压，而把地(GND)与电容中点断开后，采得的电压就是正弦电压，省去了做处理的环节。
具体实施时，图3中的开关管Q1～Q6可以是内部带反并联二极管的MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)、IGBT(绝缘栅双极晶体管)等开关管；也可以是MOSFET、IGBT等开关管外加反并联二极管。另外，三电平PFC电路还可有多种变形，例如图4就是其中一种。

Claims (4)

1、一种用于三电平功率因数校正电路的采样电路，包括与三相交流输入连接用于实现整流功能的开关管电路，以及连接于所述开关管电路的直流输出正负母线之间的电容C1、C2；在所述开关管电路的正负母线之间依次接有四个分压采样电阻R1、R2、R3、R4；所述第二电阻R2与第三电阻R3间的中点接地；其特征在于，所述母线电容C1、C2间的中点与所述地之间为开路结构。
2、根据权利要求1所述的用于三电平功率因数校正电路的采样电路，其特征在于，所述电阻R1与R4的阻值相等，电阻R2与R3的阻值相等。
3、一种针对权利要求1所述的用于三电平功率因数校正电路的采样电路的电压采样方法，其特征在于，包括以下步骤：
(S11)以所述地为参考点，对第一电阻R1与第二电阻R2间的中点进行电压采样，得到第一电压Vp；
(S12)以所述地为参考点，对第三电阻R3与第四电阻R4间的中点进行电压采样，得到第二电压Vn；
(S13)以所述地为参考点，对所述母线电容C1、C2间的中点进行电压采样，得到第三电压VDelta；
(S14)根据所述三个采样电压值，计算到出所述开关管电路的母线电压以及所述电容C1、C2之间的电压差。
4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于，其中，
所述开关管电路的母线电压：Vc1+Vc2＝k1*Vp+k2*Vn；
所述电容C1、C2之间的电压差：Vc1-Vc2＝k1*Vp-k2*Vn-2*VDelta；
其中，k1＝(R1+R2)/R2，k2＝-(R3+R4)/R3。
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