CN101540507B - 补偿式三相有源功率因数校正电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种补偿式三相有源功率因数校正电路，包括无控式三相有源功率因数校正电路，其特征在于设有三相补偿电路—可控式三相双开关功率因数校正电路，其三个输入端分别与无控式三相有源功率因数校正电路的三个输入端相连接，两个输出端分别与无控式三相有源功率因数校正电路的两个输出端相连接。本发明兼具独立式、无控式三相有源功率因数校正电路的各自优点，可以保持输入电流与相应的输入电压的正弦波形近似、相位相同，实现三相输入电流完全“正弦化”，具有较高的输入功率因数和功率密度，有效降低开关电源对电网的“污染”，还可以明显减少开关电源器件数量，缩小开关电源的体积，降低开关电源的成本，进一步提高产品性能和市场竞争力。

Description

补偿式三相有源功率因数校正电路

技术领域

本发明涉及功率因数校正电路，尤其是涉及一种补偿式三相有源功率因数校正电路。

背景技术

开关电源是为计算机、通信和家用电子设备提供直流电源的一种电力电子装置，按照功率变换方式分类有AC/DC、DC/DC两类。传统的三相AC/DC电能变换输入级普遍采用二极管整流加电容滤波电路，其输入电流波形呈尖脉冲状，大量的谐波分量倒流输入电网，对输入电网造成谐波“污染”，必须采用有源滤波功率因数校正电路(Active Power Factor Correction，简称APFC)控制输入电流波形近似于输入电压正弦波形，以降低电流谐波含量，“净化”输入电网。应用比较广泛的三相功率因数校正电路主要有两种。

图1所示的是一种应用最广泛的独立式三相有源功率因数校正电路，A、B、C三相电路相互独立，互不影响，输出端连接在一起给负载供电，其工作原理如下(以A相为例，B，C相工作原理与A相相同)：当A相正弦输入电压Ua为正时，开关管S_A+在控制信号PWM_A+控制下工作，当开关管S_A+导通时，输入电压源Ua通过Ua→D1→L_A+→S_A+→N回路给A相正半周滤波电感L_A+存储能量，电感电流线性上升；当开关管S_A+关断时，输入电压源Ua通过Ua→D1→L_A+→D3→C+→N回路给A相正半周输出滤波电容C+充电，电感电流线性下降，在C+两端形成三相正半周输出电压+BUS。当A相正弦输入电压Ua为负时，开关管S_A-在控制信号PWM_A-控制下工作，当开关管S_A-导通时，输入电压源Ua通过N→S_A-→L_A-→D2→Ua回路给A相负半周滤波电感L_A-存储能量，电感电流线性上升；当开关管S_A-关断时，输入电压源Ua通过N→C-→L_A-→D2→Ua回路给A相负半周输出滤波电容C-充电，电感电流线性下降，在C-两端形成三相负半周输出电压-BUS。

通过A、B、C各相正负半周开关管的控制信号，可以得到稳定的直流输出电压+BUS和-BUS，还可以保持输入电流Ia、Ib、Ic与相应的输入电压Ua、Ub、Uc的正弦波形近似、相位相同，实现三相输入电流Ia、Ib、Ic完全“正弦化”，降低对输入电网的“污染”。但由于整个电路A、B、C三相之间相互独立，某相电路中的开关管、二极管和滤波电感只在该相正半周内工作，其余时间均不工作，器件利用率很低，导致开关器件和磁性器件数量太多，体积过于庞大，成本较高。

图2所示的是另一种使用比较广泛的无控式三相有源功率因数校正电路，它针对图1所示的独立式有源功率因数校正电路的缺点作了改进，减少了开关器件和磁性器件数量，提高了器件利用率和功率密度，降低了成本。所述无控式三相有源功率因数校正电路是一三相双开关功率因数校正电路，包括由六个二极管DA1、DA2、DB1、DB2、DC1、DC2组成的三相无控整流桥、两个功率变换用开关管S1、S2，以及两个与负载两端分别连接的输出滤波电容C3、C4和输出二极管D1、D2，有的还包括分别与三相无控整流桥两个输出端连接的滤波电容C1、C2，有的还包括两个功率变换用的升压电感L1、L2。A、B、C三相正弦输入电压Ua、Ub、Uc通过三相无控整流桥整流后，分别在滤波电容C1、C2两端得到三相正负半周整流电压REC+和REC-。由于采用二极管DA1、DA2、DB1、DB2、DC1、DC2组成的三相无控整流桥，正半周整流电压REC+由A、B、C三相中任意时刻电压峰值最大的一相组成，负半周整流电压REC-由A、B、C三相中任意时刻电压峰值最小的一相组成。当开关管S1导通时，正半周整流电压REC+通过升压电感L1和开关管S1通路给升压电感L1储能，当开关管S1关断时，正半周整流电压REC+通过升压电感L1和C3通路给输出电容C3充电，这样在正半周输出电容C3两端得到正输出电压+BUS，而且通过控制开关管S1的开关控制脉冲，使通过升压电感L1的电流I1波形与正半周整流电压REC+波形近似，以提高输出电流功率因数。负半周工作与正半周工作近似，通过开关管S2的导通和关断，负半周整流电压REC-通过对升压电感L2的充放电，在负半周输出电容C4两端得到负输出电压-BUS，同时使升压电感L2的电流I2波形与负半周整流电压REC-波形近似，以提高输出电流功率因数。图3是图2所示的无控式三相有源功率因数校正电路的波形图，包括A、B、C三相正弦输入电压Ua、Ub、Uc，正负半周整流电压REC+、REC-，以及三相输入电流Ia、Ib、Ic的波形图。图3表明：无控式三相有源功率因数校正电路的三相输入电流Ia、Ib、Ic只有在有波形的部分与输入电压波形近似，在该相输入电压过零相位附近的相应输入电流为零，导致输入电流波形没有完全正弦化，从而导致输入功率因数比较低，与图2所示的独立式三相有源功率因数校正电路相比较是明显的缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是弥补上述现有技术各自存在的缺陷，提出一种兼具上述现有技术各自优点的补偿式三相有源功率因数校正电路。

本发明的技术问题通过以下技术方案予以解决。

这种补偿式三相有源功率因数校正电路，包括无控式三相有源功率因数校正电路。

这种补偿式三相有源功率因数校正电路的特点是：

设有三相补偿电路，所述三相补偿电路是一可控式三相双开关功率因数校正电路，包括由六个可控开关器件组成的三相可控整流桥、两个功率变换用可控开关器件和分别与三相可控整流桥两个输出端连接的滤波电容，所述三相补偿电路的三个输入端分别与所述无控式三相有源功率因数校正电路的三个输入端相连接，所述三相补偿电路的两个输出端分别与所述无控式三相有源功率因数校正电路的两个输出端相连接。

本发明的技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决。

所述可控式三相双开关功率因数校正电路还包括两个功率变换用的升压电感，所述两个升压电感的一端分别与三相可控整流桥的两个输出端连接，另一端分别与两个输出二极管的一端连接。

所述可控式三相双开关功率因数校正电路的可控开关器件包括MOSFET、IGBT。

所述可控式三相双开关功率因数校正电路的三个输入端分别与三个升压电感的一端相连接，所述三个升压电感的另一端分别与三相输入电压源相连接。

所述无控式三相有源功率因数校正电路包括三相双开关功率因数校正电路。

所述无控式三相有源功率因数校正电路的所述三相双开关功率因数校正电路包括由六个二极管组成的三相无控整流桥、两个功率变换用可控开关器件，以及两个与负载两端分别连接的输出滤波电容和输出二极管。

所述无控式三相有源功率因数校正电路的所述三相双开关功率因数校正电路还包括两个功率变换用的升压电感，所述两个升压电感的一端分别与三相无控整流桥的两个输出端连接，另一端分别与两个输出二极管的一端连接。

所述无控式三相有源功率因数校正电路的所述三相双开关功率因数校正电路还包括分别与三相无控整流桥两个输出端连接的滤波电容。

所述无控式三相有源功率因数校正电路的所述三相双开关功率因数校正电路的三个输入端分别与三个升压电感的一端相连接，所述三个升压电感的另一端分别与三相输入电压源相连接。

所述无控式三相有源功率因数校正电路的所述三相双开关功率因数校正电路的可控开关器件包括MOSFET、IGBT。

本发明与现有技术对比的有益效果是：

本发明的三相有源功率因数校正电路由交替互补工作的一无控式三相有源功率因数校正电路和一可控式三相双开关功率因数校正电路并联组成，兼具现有独立式三相有源功率因数校正电路和无控式三相有源功率因数校正电路的各自优点，无控式三相有源功率因数校正电路在电压峰值相位附近工作，承担绝大部分电流和功率；可控式三相双开关功率因数校正电路在电压过零相位附近工作，无控式三相有源功率因数校正电路在电压过零相位处电流断续部分，可控式三相双开关功率因数校正电路只承担很小一部分电流和功率，两个电路的输入电流叠加为总的三相输入电流，可以保持输入电流与相应的输入电压的正弦波形近似、相位相同，实现三相输入电流完全“正弦化”，具有较高的输入功率因数和功率密度，有效降低开关电源对电网的“污染”，还可以明显减少开关电源器件数量，缩小开关电源的体积，降低开关电源的成本，进一步提高产品性能和市场竞争力。

附图说明

图1是现有的独立式三相有源功率因数校正电路的电路图；

图2是现有的无控式三相有源功率因数校正电路的电路图；

图3是图2电路的波形图；

图4是本发明具体实施方式一的电路图；

图5是图4中的无控式三相有源功率因数校正电路1的波形图；

图6是图4中的三相补偿电路2的波形图；

图7是图4电路的波形图；

图8是本发明具体实施方式二的电路图；

图9是本发明具体实施方式三的电路图；

图10是本发明具体实施方式四的电路图。

具体实施方式

下面对照附图结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

具体实施方式一

如图4所示的补偿式三相有源功率因数校正电路，包括无控式三相有源功率因数校正电路1，其是包括由六个二极管DA1、DA2、DB1、DB2、DC1、DC2组成的三相无控整流桥、两个功率变换用MOSFET开关管S1、S2、两个分别与三相无控整流桥两个输出端连接的滤波电容C1、C2、两个升压电感L1、L2以及两个与负载两端分别连接的正负输出滤波电容C3、C4和输出二极管D1、D2的三相双开关功率因数校正电路。升压电感L1、L2的一端分别与三相无控整流桥的一输出端连接，另一端分别与输出二极管D1、D2的一端连接。

设有三相补偿电路2-可控式三相双开关功率因数校正电路，其包括由六个晶闸管SA1、SA2、SB1、SB2、SC1、SC2组成的三相可控整流桥、分别与三相可控整流桥两个输出端连接的滤波电容C5、C6、两个升压电感L3、L4、两个功率变换用MOSFET开关管S3、S4，其三个输入端分别与无控式三相有源功率因数校正电路1的三个输入端相连接，两个输出端分别与无控式三相有源功率因数校正电路1的两个输出端相连接。升压电感L3、L4的一端分别与三相可控整流桥的一输出端连接，另一端分别与输出二极管D3、D4的一端连接。

三相输入电压源Ua、Ub、Uc经过晶闸管SA1、SA2、SB1、SB2、SC1、SC2整流后在滤波电容C5、C6两端分别得到正负半周整流电压REC2+、REC2-，控制正负半周MOSFET开关管S3和S4的导通和关断，通过正负半周电感L3、L4分别给正负输出电容C3、C4充放电，得到与无控式三相有源功率因数校正电路1共同的正负半周输出电压+BUS、-BUS，且通过控制正负半周MOSFET开关管S3、S4的驱动脉冲，得到稳定的输出电压+BUS、-BUS，使通过电感升压L3、L4的电流I3、I4波形分别与整流电压REC2+、REC2-完全近似。通过控制晶闸管SA1、SA2、SB1、SB2、SC1、SC2的驱动脉冲可以得到需要的整流电压REC+、REC-波形。

无控式三相有源功率因数校正电路1、三相补偿电路2和本具体实施方式一的补偿式三相有源功率因数校正电路的主要节点点波形分别如图5、6、7所示。

将图6、图7还示出三相补偿电路2和本具体实施方式一的补偿式三相有源功率因数校正电路一个正弦周期的输入电压等分成12个区间的对应波形，每个区间内，无控式三相有源功率因数校正电路1有两个二极管导通，三相补偿电路2有一个可控开关器件导通。区间1～12中电路1、2的工作状况和导通器件如下：

通过无控式三相有源功率因数校正电路1可以得到如图5所示波形的三相输入电流Ia1、Ib1、Ic1，它只是在有波形的部分与输入电压波形近似，而在该相输入电压过零相位附近的相应输入电流为零，导致输入电流波形的功率因数比较低，此时通过三相补偿电路2的晶闸管驱动脉冲，使三相补偿电路2在无控式三相有源功率因数校正电路1输入电流过零相位附近工作。产生如图6所示波形的补偿输入电流Ia2、Ib2、Ic2，对无控式三相有源功率因数校正电路1的输入电流Ia1、Ib1、Ic1的断流部分给予补偿，无控式三相有源功率因数校正电路1和三相补偿电路2的输入电流叠加为如图7所示波形的总的三相输入电流，Ia＝Ia1+Ia2、Ib＝Ib1+Ib2、Ic＝Ic1+Ic2，保持输入电流Ia、Ib、Ic与相应的输入电压Ua、Ub、Uc的正弦波形近似、相位相同，实现三相输入电流完全“正弦化”，具有较高的输入功率因数和功率密度，有效降低开关电源对电网的“污染”，而且新增加的三相补偿电路2只在输入电流过零相位附近工作，其电流有效值非常小，组成器件的体积非常小，成本也非常低，从而在保证较高的输入功率因数的前提下，提高整个开关电源的功率密度，明显减少开关电源器件数量，缩小开关电源的体积，降低开关电源的成本，进一步提高产品性能和市场竞争力。

具体实施方式二

如图8所示的补偿式三相有源功率因数校正电路，与具体实施方式一的电路不同之处是：三相补偿电路2-可控式三相双开关功率因数校正电路中省略功率变换用的升压电感L3、L4，其三个输入端分别与三个升压电感L5、L6、L7的一端相连接，三个升压电感L4、L5、L6的另一端分别与三相输入电压源Ua、Ub、Uc相连接。通过增多一个电感也能够实现与具体实施方式一的电路同样的补偿功能。虽然增多了一个电感，但单个电感流过的电流有效值比具体实施方式一的小，在相同感值下电感的体积可以小一些。

具体实施方式三

如图9所示的补偿式三相有源功率因数校正电路，适用于三相输入电网电压质量很好，无高频干扰的功率因数校正。与具体实施方式一的电路不同之处是：无控式三相有源功率因数校正电路1和三相补偿电路2-可控式三相双开关功率因数校正电路中分别省略了滤除输入市电高频杂波的滤波电容C1、C2，滤波电容C5、C6。能够实现与具体实施方式一的电路同样的补偿功能。

具体实施方式四

如图10所示的补偿式三相有源功率因数校正电路，与具体实施方式一的电路不同之处是：无控式三相有源功率因数校正电路1中由六个二极管组成的三相无控整流桥改变为由六个驱动脉冲一直保持有效高电平的晶闸管组成的三相无控整流桥，能够实现与具体实施方式一的电路同样的补偿功能，只是晶闸管在相同电气条件下比二极管价格高一些、体积大一些。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种补偿式三相有源功率因数校正电路，包括无控式三相有源功率因数校正电路，其特征在于：

设有三相补偿电路，所述三相补偿电路是一可控式三相双开关功率因数校正电路，包括由六个可控开关器件组成的三相可控整流桥、两个功率变换用可控开关器件和分别与三相可控整流桥两个输出端连接的滤波电容，所述三相补偿电路的三个输入端分别与所述无控式三相有源功率因数校正电路的三个输入端相连接，所述三相补偿电路的两个输出端分别与所述无控式三相有源功率因数校正电路的两个输出端相连接。

2.如权利要求1所述的补偿式三相有源功率因数校正电路，其特征在于：

所述可控式三相双开关功率因数校正电路还包括两个功率变换用的升压电感，所述两个升压电感的一端分别与三相可控整流桥的两个输出端连接，另一端分别与两个输出二极管的一端连接。

3.如权利要求1或2所述的补偿式三相有源功率因数校正电路，其特征在于：

所述可控式三相双开关功率因数校正电路的可控开关器件包括MOSFET、IGBT。

4.如权利要求3所述的补偿式三相有源功率因数校正电路，其特征在于：

所述可控式三相双开关功率因数校正电路的三个输入端分别与三个升压电感的一端相连接，所述三个升压电感的另一端分别与三相输入电压源相连接。

5.如权利要求4所述的补偿式三相有源功率因数校正电路，其特征在于：

所述无控式三相有源功率因数校正电路包括三相双开关功率因数校正电路。

6.如权利要求5所述的补偿式三相有源功率因数校正电路，其特征在于：

所述无控式三相有源功率因数校正电路的所述三相双开关功率因数校正电路包括由六个二极管组成的三相无控整流桥、两个功率变换用可控开关器件，以及两个与负载两端分别连接的输出滤波电容和输出二极管。

7.如权利要求6所述的补偿式三相有源功率因数校正电路，其特征在于：

所述无控式三相有源功率因数校正电路的所述三相双开关功率因数校正电路还包括两个功率变换用的升压电感，所述两个升压电感的一端分别与三相无控整流桥的两个输出端连接，另一端分别与两个输出二极管的一端连接。

8.如权利要求7所述的补偿式三相有源功率因数校正电路，其特征在于：

所述无控式三相有源功率因数校正电路的所述三相双开关功率因数校正电路还包括分别与三相无控整流桥两个输出端连接的滤波电容。

9.如权利要求8所述的补偿式三相有源功率因数校正电路，其特征在于：

所述无控式三相有源功率因数校正电路的所述三相双开关功率因数校正电路的三个输入端分别与三个升压电感的一端相连接，所述三个升压电感的另一端分别与三相输入电压源相连接。

10.如权利要求9所述的补偿式三相有源功率因数校正电路，其特征在于：

所述无控式三相有源功率因数校正电路的所述三相双开关功率因数校正电路的可控开关器件包括MOSFET、IGBT。

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