CN101399493A - 交直流整流装置 - Google Patents

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柳树渡
张强
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Abstract

本发明提供一种交直流整流装置，包括PFC功率因数校正模块、直流母线电容和直流直流变换器模块，直流母线电容并联连接在至少两路相互并联的PFC功率因数校正模块和至少两路相互并联的直流直流变换器模块之间。本发明同时并联PFC功率因数校正模块和直流直流变换器模块，减小了功率因数校正环节输出至直流母线电容的开关频率级纹波电流，同时也减小了从直流母线电容输出至直流直流变换器模块的纹波电流，降低了直流母线电容的发热量，延长了直流母线电容的使用寿命，进而延长了整个交直流整流装置的使用寿命。

Description

交直流整流装置
技术领域
本发明涉及电力变电领域，尤其涉及一种交直流整流装置。
背景技术
目前，通信电源、电力操作电源、工业电源等领域广泛使用交直流整流装置。图1示出了现有技术交流直流变换装置示意图，包括交直流变换器模块，PFC功率因数校正模块，以及直流直流变换器模块。现有技术中的PFC功率因数校正模块通常采用Boost电路，直流直流变换器模块通常采用半桥串联谐振直流直流变换器或者全桥串联谐振直流直流变换器。半桥串联谐振直流直流变换器从直流母线电容中抽取电流。由于PFC功率因数校正模块输出电流为半波正弦，而半桥串联谐振直流直流变换器输入功率在工频段可以看作恒定功率，因此，需要直流母线电容存储或者释放工频级PFC电流能量。另外，为了滤除boost电路输出的开关纹波，boost电路一般需要接较大的直流母线电容，而PFC功率因数校正模块的后级为直流直流变换器模块，其功率脉冲瞬时也从直流母线电容取电。因此，该直流母线电容承担滤除PFC功率因数校正模块输出纹波电流、提供直流直流变换器模块开关频率级脉冲纹波电流的功能。
现有技术PFC功率因数校正模块输出电流波形如图2所示，其中交流成分流过(图2中的L1)直流母线电容，直流成分(图2中的S1)流过直流直流变换器模块。流入直流母线电容的交流电流很大，如果boost电路的电感电流连续，基本上可以看作是从0到峰值的脉冲电流。
PFC功率因数校正模块和半桥串联谐振直流直流变换器在开关频率级的功率平衡中，直流母线电容也扮演着不可或缺的作用。从图3可以看出，半桥串联谐振直流直流变换器开关频率级的输入电流(图3中的gn和gp)和开关频率级交流纹波(图3中的A)比较大，由于半桥串联谐振直流直流变换器谐振电感电流近似正弦，造成输入电流半波正弦波形从波峰到波谷具有很大的交流纹波；同时，因为开关管寄生体二极管的续流作用，直流母线电容输出电流还有负向成分，加剧了交流纹波的幅度，使直流母线电容开关频率级的电流纹波输出分量较大。该直流母线电容一般由电解电容组成，而电解电容本身等效串联阻抗(ESR)会因流经该电容的交流纹波有效值而发热，在ESR一定的情况下，如果散热条件不变，交流纹波越大，发热越严重，电解电容的寿命越低，从而成为整个交流直流整流装置寿命设计的软肋。
为了解决这个问题，传统方法为多并联直流母线电解电容，或者选用低ESR的电解电容，或者改善散热条件，使电解电容寿命得到延长。但是电解电容，尤其是通信电源所用的耐压等级为直流450V的电解电容，所占体积大，成本高，改善散热条件方法，在电解电容发热较为严重的情况下作用也不是很明显。
发明内容
本发明提出一种交直流整流装置，减小直流母线电容的波纹电流。
本发明提出一种交直流整流装置包括PFC功率因数校正模块、直流母线电容和直流直流变换器模块，直流母线电容并联连接在至少两路相互并联的PFC功率因数校正模块和至少两路相互并联的直流直流变换器模块之间。
上述至少两路相互并联的PFC功率因数校正模块的相位相互错开。
上述至少两路相互并联的直流直流变换器模块的相位相互错开。
上述相位相互错开的角度为用2⑦???除以相互并联的PFC功率因数校正模块的个数得到的商。
上述相位相互错开的角度为用⑦???除以相互并联的直流直流变换器模块的个数得到的商。
上述交直流整流装置还包括至少一过流保护模块，过流保护模块分别与至少一直流直流变换器模块相连接，分别保护至少一直流直流变换器模块。
上述过流保护模块采用二极管，直流直流变换器模块包括谐振电容，二极管并联在直流直流变换器模块上的谐振电容两端。
本发明同时并联PFC功率因数校正模块和直流直流变换器模块，减小了功率因数校正环节输出至直流母线电容的开关频率级纹波电流，同时也减小了从直流母线电容输出至直流直流变换器模块的纹波电流，降低了直流母线电容的发热量，延长了直流母线电容的使用寿命，进而提高了整个交直流整流装置的使用寿命。
附图说明
图1是本发明现有技术交流直流变换器原理示意图；
图2是本发明现有技术单路PFC功率因数校正模块输出开关频率级纹波电流波形；
图3是本发明现有技术直流母线电容输入至半桥串联谐振直流直流变换器的开关频率级纹波电流波形；
图4是本发明第一实施例结构示意图；
图5是本发明第一实施例电路示意图；
图6是交错并联的PFC功率因数校正模块输出的纹波电流和单路PFC功率因数校正模块输出纹波电流；
图7是直流直流变换器模块采用全桥串联谐振直流直流变换器的电路示意图；
图8是采用交错并联PFC功率因数校正模块后，直流母线电容输入纹波电流的对比图；
图9是本发明第二实施例的结构示意图；
图10是本发明第二实施例的电路示意图；
图11是本发明第三实施例的结构示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
图4示出了本发明第一实施例结构示意图。交直流整流装置包括交直流变换器模块100、相互并联的第一PFC功率因数校正模块200和第二PFC功率因数校正模块201、直流母线电容300和相互并联的第一直流直流变换器模块400和第二直流直流变换器模块401。交直流变换器模块100输出端和直流母线电容300之间并联有第一PFC功率因数校正模块200和第二PFC功率因数校正模块201，直流母线电容300和负载之间并联有第一直流直流变换器模块400和第二直流直流变换器模块401。交直流变换器模块100的输入端接交流电，两路相互并联的第一直流直流变换器模块400和第二直流直流变换器模块401输出端接负载。图5示出了本实施例的电路示意图。第一PFC功率因数校正模块200和第二PFC功率因数校正模块201采用Boost电路，第一直流直流变换器模块400和第二直流直流变换器模块401采用半桥串联谐振直流直流变换器。
PFC功率因数校正模块包括有开关管，因为本实施例并联第一PFC功率因数校正模块200和第二PFC功率因数校正模块201，所以第一PFC功率因数校正模块200上的开关管控制信号和第二PFC功率因数校错字正模块201上的开关管的控制信号的相位相互错开2
Figure A200710151728D0005102315QIETU
，即180°，即交错并联第一PFC功率因数校正模块200和第二PFC功率因数校正模块201。交错并联第一PFC功率因数校正模块200和第二PFC功率因数校正模块201后，第一PFC功率因数校正模块200上的开关管和第二PFC功率因数校正模块201上的开关管间隔180°相位导通。如图6所示单路PFC功率因数校正模块输出波纹电流波形(图6中的L1和L2)以及交错并联PFC功率因数校正模块输出的波纹电流波形(图6中的Icout)。从波形可以看出，交错并联后的第一PFC功率因数校正模块200和第二PFC功率因数校正模块201开关频率级输出纹波电流比单独每一路的PFC功率因数校正模块的开关频率级纹波电流小了很多，从而降低了直流母线电容300的发热量。
并联PFC功率因数校正模块减小输入至直流母线电容300纹波电流的原理如下：假设PFC功率因数校正模块工作在临界连续模式下，假设t0时刻输入到直流母线电容300上的波纹电流平均值为Iin，占空比为D(D>1/2)，没有采用交错并联PFC功率因数校正模块时的直流母线电容300在t0时刻输入波纹电流峰值为
Figure A200710151728D00061
则直流母线电容300输入纹波电流基波峰峰值为
Figure A200710151728D00062
采用两路交错并联PFC功率因数校正模块后，其每一路Boost电路上功率二极管输出电流平均值为Iin，交错并联第一PFC功率因数校正模块200和第二PFC功率因数校正模块201后，直流母线电容300在t0时刻输入波纹电流的峰值为
Figure A200710151728D00063
直流母线电容300输入纹波电流的基波峰峰值为比不采用交错并联时的基波峰峰值小了一半，从而有效的减小了直流母线电容300的纹波电流。
而当D<1/2时，虽然两路交错并联Boost电路功率二极管电流有可能有重叠，从而有可能总输入电流大于峰值
Figure A200710151728D00065
但输入的总电流还是小于
Figure A200710151728D00066
即在D>1/2时，交错并联第一PFC功率因数校正模块200和第二PFC功率因数校正模块201后，直流母线电容300的电流峰值及纹波峰峰值也比单路方案时小；当D＝1/2时刚好有交叠，但对纹波电流的影响很小；D＝1，整流后的工频电压接近0???V，直流母线电容300输入电流平均值也接近0A，因此，D<1/2时交错并联第一PFC功率因数校正模块200和第二PFC功率因数校正模块201仍能够很好的降低输入至直流母线电容300的纹波电流。
第一直流直流变换器模块400和第二直流直流变换器模块401都包括有开关管，因为本实施例并联两路直流直流变换器模块，所以第一直流直流变换器模块400上开关管控制信号与第二直流直流变换器模块401上开关管控制信号的相位互相错开
Figure A200710151728D00067
即90°。图8中的A和B分别是交错并联直流直流变换器模块前，输入至第一直流直流变换器模块400的波纹电流和输入至第二直流直流变换器模块401的波纹电流。90°交错并联后的第一直流直流变换器模块400和第二直流直流变换器模块401的输入电流波形如图8中C所示。从图8中可以看出，交错并联两路直流直流变换器模块后直流母线电容300输出的纹波电流大为减小，从而降低了直流母线电容300的发热量。
参照图4，本实施例的第一直流直流变换器模块400和第二直流直流变换器模块401采用半桥串联谐振变换器。
参照图7，本实施例的第一直流直流变换器模块400和第二直流直流变换器模块401还可以采用全桥串联谐振变换器。
并联直流直流变换器模块减小直流母线电容300输出纹波电流的原理如下：假设半桥串联谐振直流直流变换器工作在最常用的工作频率等于谐振频率条件下，此时半桥串联谐振直流直流变换器谐振电流为正弦型波形，则在单路半桥串联谐振直流直流变换器情况下，直流母线电容300输出电流可用公式(1)表达为：
Figure A200710151728D00071
                                      公式(1)
其中IA为正弦波峰值，
Figure A200710151728D00072
f为工作频律。
采用两路交错并联半桥串联谐振直流直流变换器，由于输出功率相当，则每一路谐振电感电流减半，再考虑到两路之间导通相位错开90°，则直流母线电容300输出电流可用公式(2)表达为：
                   公式(2)
整理可得公式(3)
Figure A200710151728D00074
                          公式(3)
则两路交错并联半桥串联谐振直流直流变换器从直流母线电容300上获得的电流交流纹波有效值公式(4)为：
Figure A200710151728D00075
            公式(4)
从公式(4)上可以看出直流母线电容300输出电流纹波都得到了很好的抑制和减小。
半桥串联谐振直流直流变换器工作频率大于或者小于谐振频率时，从直流母线电容300上获得的纹波电流有效值表达式近似可以用上面公式表达。考虑到半桥串联谐振直流直流变换器带有变压器，只要励磁电流不是很大(一般带有变压器的半桥串联谐振直流直流变换器变压器励磁电流都不是很大)，也可以近似用上面公式计算纹波电流。
相比较单路PFC功率因数校正模块和单路直流直流变换器模块，同时采用交错并联PFC功率因数校正模块和交错并联直流直流变换器模块将有更多的电流直接从PFC功率因数校正模块输出至直流直流变换器模块，更少的纹波电流流过直流母线电容300，从而协同的减小了直流母线电容300的纹波电流。
图9示出了本发明第二实施例的结构示意图，本发明交直流整流装置还包括过流保护模块，因为本实施例包括两路直流直流变换器模块，所以过流保护模块也包括第一过流保护模块500和第二过流保护模块501，第一过流保护模块500和第二过流保护模块501分别与第一直流直流变换器模块400和第二直流直流变换器模块401相连接。图10示出了本发明第二实施例的电路示意图。第一过流保护模块500和第二过流保护模块501采用二极管，二极管并联在直流直流变换器模块中谐振电容的两端，可以实现直流直流变换器模块的过流保护功能。
图11示出了本发明第三实施例的结构图，根据需要可以并联两路以上PFC功率因数校正模块，PFC功率因数校正模块上开关管的相位相互错开，相位错开的角度可用2
Figure A200710151728D0008102543QIETU
除以并联PFC功率因数校正模块的个数的商来确定，例如并联第一PFC功率因数校正模块200、第二PFC功率因数校正模块201和第三PFC功率因数校正模块202，相位相互错开2
Figure A200710151728D0008102554QIETU
，即120°，以此类推。根据需要也可以并联两路以上直流直流变换器模块，直流直流变换器模块上开关管控制信号相位互相错开，相位错开的角度可用
Figure A200710151728D0008102604QIETU
除以并联直流直流变换器模块的个数的商来确定，例如并联第一直流直流变换器模块400、第二流直流变换器模块401、第三直流直流变换器模块402，相位相互错开
Figure A200710151728D0008102612QIETU
，即60°，以此类推。减小直流母线电容300波纹电流的原理与第一实施例相类似，故不赘述。
另外，PFC功率因数校正模块上开关管的相位相互错开的角度还可以是其它的角度，减小波纹电流的效果比角度采用2
Figure A200710151728D0008102622QIETU
除以并联PFC功率因数校正模块路数得到的商时的效果差；直流直流变换器模块上开关管控制信号相位互相错开的角度也可以是其它的角度，减小波纹电流的效果比角度采用
Figure A200710151728D0008102636QIETU
除以并联直流直流变换器模块路数得到的商时的效果差。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种交直流整流装置，包括PFC功率因数校正模块、直流母线电容和直流直流变换器模块，直流母线电容并联连接在至少两路相互并联的PFC功率因数校正模块和至少两路相互并联的直流直流变换器模块之间。
2.根据权利要求1所述的交直流整流装置，其特征在于，所述至少两路相互并联的PFC功率因数校正模块的相位相互错开。
3.根据权利要求1所述的交直流整流装置，其特征在于，所述至少两路相互并联的直流直流变换器模块的相位相互错开。
4.根据权利要求2所述的交直流整流装置，其特征在于，所述相位相互错开的角度为用2⑦除以相互并联的PFC功率因数校正模块的个数得到的商。
5.根据权利要求3所述的交直流整流装置，其特征在于，所述相位相互错开的角度为用⑦除以相互并联的直流直流变换器模块的个数得到的商。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的交直流整流装置，其特征在于，还包括至少一过流保护模块，过流保护模块分别与至少一直流直流变换器模块相连接，分别保护至少一直流直流变换器模块。
7.根据权利要求6所述的交直流整流装置，其特征在于，所述过流保护模块采用二极管，直流直流变换器模块包括谐振电容，二极管并联在直流直流变换器模块上的谐振电容两端。
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