CN101789683B - 一种功率因数校正电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种功率因数校正电路，包括并联的至少两个功率因数校正单元，其中每个功率因数校正单元包括：1)整流单元，具有输入端、第一输出端和第二输出端，其输入端分别连接至一个单相电源并对接收的单相电源信号进行整流；2)buck-boost单元，其第一输入端和第二输入端分别电连接至整流单元的第一输出端和第二输出端；且每个功率因数校正单元的buck-boost单元的第一输出端、第二输出端和第三输出端分别连接在一起作为功率因数校正电路的第一输出端、第二输出端和第三输出端；所述buck-boost单元对接收的单相电源进行升降压和功率因数校正。本发明提供的功率因数校正电路，实现了多模块的并联以及输入电流的连续，成本低而整机效率高。

Description

一种功率因数校正电路

技术领域

本发明涉及电子技术领域，更具体地说，涉及一种功率因数校正电路。

背景技术

使用高压直流UPS(Uninterruptible Power System，不间断电源)替换传统的交流UPS，将会明显提高整套系统的效率和可靠性，同时降低系统的成本，因而具有光明的市场前景。

然而，对于单级不隔离的高压直流UPS系统，存在2个技术难题：传统的boost类拓扑电路不能实现多模块之间的并联；同时，现有boost类拓扑电路不能实现升压和降压。

目前对于上述问题的解决方案是采用反堵二极管和buck-boost类电路相结合，来同时实现升降压和多模块之间的并联。但仍然存在2个明显的缺陷：输入电流不连续，因而THD(Total Harmonic Distortion，总谐波失真)较差，需要额外的输入滤波器来抑制电流谐波；同时，额外增加实现并联的反堵二极管，增加了额外的损耗和成本，不利于整机的效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有功率因数校正电路不能较好地实现升降压、输入电流连续和多模块之间的并联的缺陷，提供一种并联的功率因数校正电路。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种单相或多相的可并联、可升降压的功率因数校正电路，包括并联的至少两个功率因数校正单元，其中每个功率因数校正单元包括整流单元和buck-boost单元，且每个整流单元的输入端电连接至一个单相电源，每个buck-boost单元的输出端相应并联在一起从而实现升降压和功率因数校正。

本发明提供了一种功率因数校正电路，包括并联的至少两个功率因数校正单元，其中每个功率因数校正单元包括：

1)整流单元，具有输入端、第一输出端和第二输出端，所述整流单元的输入端分别电连接至一个单相电源并对接收的单相电源信号进行整流；

2)buck-boost单元，具有第一输入端和第二输入端，分别电连接至整流单元的第一输出端和第二输出端；所述buck-boost单元还具有第一输出端、第二输出端和第三输出端，每个功率因数校正单元的buck-boost单元的第一输出端连接在一起作为功率因数校正电路的第一输出端，每个功率因数校正单元的buck-boost单元的第二输出端连接在一起作为功率因数校正电路的第二输出端，每个功率因数校正单元的buck-boost单元的第三输出端连接在一起作为功率因数校正电路的第三输出端；所述buck-boost单元对接收的单相电源进行升降压和功率因数校正。

在本发明所述的功率因数校正电路中，所述整流单元包括：

第一二极管，其阳极作为所述整流单元的输入端与单相电源相连，其阴极作为所述整流单元的第一输出端电连接至buck-boost单元的第一输入端；

第二二极管，其阴极作为所述整流单元的输入端与单相电源相连，其阳极作为所述整流单元的第二输出端电连接至buck-boost单元的第二输入端。

在本发明所述的功率因数校正电路中，所述整流单元包括：

第一开关管，其源极作为所述整流单元的输入端与单相电源相连，其漏极作为所述整流单元的第一输出端电连接至buck-boost单元的第一输入端；

第二开关管，其漏极作为所述整流单元的输入端与单相电源相连，其源极作为所述整流单元的第二输出端电连接至buck-boost单元的第二输入端。

在本发明所述的功率因数校正电路中，所述buck-boost单元包括：

第三开关管，其漏极电连接至所述buck-boost单元的第一输入端；

第一电感，其第一端与所述第三开关管的源极电连接；

第四开关管，其漏极电连接至所述第一电感的第二端，其源极电连接至所述buck-boost单元的第三输出端；

第三二极管，其阳极电连接至所述第四开关管的漏极，其阴极电连接至所述buck-boost单元的第一输出端；

第一电容，电连接在所述buck-boost单元的第一输出端和所述buck-boost单元的第三输出端之间；

第四二极管，其阳极电连接至所述buck-boost单元的第三输出端，阴极电连接至所述第三开关管的源极；

第五开关管，其源极电连接至所述buck-boost单元的第二输入端；

第二电感，其第一端与所述第五开关管的漏极电连接；

第六开关管，其源极电连接至所述第二电感的第二端，其漏极电连接至所述buck-boost单元的第三输出端；

第五二极管，其阴极电连接至所述第六开关管的源极，其阳极电连接至所述buck-boost单元的第二输出端；

第二电容，电连接在所述buck-boost单元的第二输出端和所述buck-boost单元的第三输出端之间；

第六二极管，其阴极电连接至所述buck-boost单元的第三输出端，阳极电连接至所述第五开关管的漏极。

在本发明所述的功率因数校正电路中，所述buck-boost单元还包括：

第七开关管，其漏极电连接至所述buck-boost单元的第一输入端；

第三电感，其第一端与所述第七开关管的源极电连接，其第二端电连接至所述第四开关管的漏极；

第七二极管，其阳极电连接至所述buck-boost单元的第三输出端，阴极电连接至所述第七开关管的源极；

第八开关管，其源极电连接至所述buck-boost单元的第二输入端；

第四电感，其第一端与所述第八开关管的漏极电连接，其第二端电连接至第六开关管的源极；

第八二极管，其阴极电连接至所述buck-boost单元的第三输出端，阳极电连接至所述第八开关管的漏极。

在本发明所述的功率因数校正电路中，所述功率因数校正电路包含3个功率因数校正单元，且每个功率因数校正单元的输入端分别电连接到三相交流电源的一个单相输出端，以构成三相动率因数校正电路。

实施本发明的功率因数校正电路，具有以下有益效果：

1、本发明提供的功率因数校正电路采用并联的功率因数校正单元，分别与单相电源相连，并通过整流单元对单相电源信号进行整流，通过buck-boost单元对接收的单相电源进行升降压和功率因数校正；因此，本发明采用的这种交错并联结构可以实现输入电流的连续，不需要增加额外的输入滤波器来抑制电流谐波；

2、本发明提供的功率因数校正电路不需要增加反堵二极管，减少了额外的损耗提高了整机的效率，且电路采用的器件应力小、成本低。

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是本发明优选实施例中功率因数校正电路的电路原理图；

图2是本发明优选实施例中三相功率因数校正电路的电路原理图；

图3(a)至图3(c)分别为图2中一个功率因数校正单元第一模态、第二模态和第三模态的示意图；

图4(a)至图4(e)是图2中的三相功率因数校正电路的波形图；

图5是本发明优选实施例中单相功率因数校正电路的电路原理图；

图6是本发明优选实施例中双相功率因数校正电路的电路原理图；

图7是本发明优选实施例中采用同步整流的三相功率因数校正电路的电路原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

请参阅图1，为本发明优选实施例中功率因数校正电路的电路原理图。如图1所示，本发明提供的功率因数校正电路，包括并联的至少一个功率因数校正单元，即功率因数校正单元S₁至S_N，其中功率因数校正单元S₁至S_N的输入端101-1至101-N分别连接至单相电源U1至Un。这些单相电源U1至Un为一个多相交流电源的不同单相输出端。因此，功率因数校正单元S₁至S_N分别接收不同相位的交流信号V_sin1至V_sinn。每个功率因数校正单元具有三个输出端。其中，功率因数校正单元S₁至S_N的第一输出端102-1至102-N连接在一起作为整个功率因数校正电路的第一输出端102。功率因数校正单元S₁至S_N的第二输出端103-1至103-N连接在一起作为整个功率因数校正电路的第二输出端103。而功率因数校正单元S₁至S_N的第三输出端104-1至104-N连接在一起作为整个功率因数校正电路的第三输出端104连接至N线，即作为每个功率因数校正单元的公共中点。功率因数校正电路的第三输出端连接至单相电源U1至Un的公共端。通过上述结构，就实现了多个功率因数校正单元的并联。

请参阅图2，为本发明优选实施例中三相功率因数校正电路的电路原理图。如图2所示，该三相功率因数校正电路为本发明的典型应用，其由功率因数校正单元S₁至S₃组成。功率因数校正单元S₁至S₃的输入端201-1至201-3分别连接至三相交流电源U3的三个单相输出端a、b和c。功率因数校正单元S₁至S₃的第一输出端202-1至202-3连接在一起作为整个功率因数校正电路的第一输出端202。功率因数校正单元S₁至S₃的第二输出端203-1至203-3连接在一起作为整个功率因数校正电路的第二输出端203。而功率因数校正单元S₁至S₃的第三输出端204-1至204-3连接在一起作为整个功率因数校正电路的第三输出端连接至N线，即作为每个功率因数校正单元的公共中点。功率因数校正电路的第三输出端204还连接至三相交流电源U3的公共端。上述三个功率因数校正单元S₁至S₃，分别实现对每个单相电源的升降压和功率因数校正，同时实现了三电平电路。交错并联结构可以实现输入电流的连续，不需要额外的输入滤波器。

下面以三相功率因数校正电路为例对本发明电路的升降压及功率因数校正原理进行说明。请参阅图3(a)至图3(c)，分别为图2中一个功率因数校正单元S₁第一模态、第二模态和第三模态的示意图。由于这3个功率因数校正单元S₁至S₃具有对称性，因此以功率因数校正单元S₁为例进行说明。如图3(a)所示，功率因数校正单元S₁包括整流单元310和buck-boost单元320。该整流单元310具有输入端301，其作为功率因数校正单元S₁的输入端，电连接至一个单相电源，所述整流单元310对接收的单相电源进行整流后分成两路输出。该整流单元310具有第一输出端305和第二输出端306。buck-boost单元320具有第一输入端和第二输入端，分别电连接到整流单元310的第一输出端305和第二输出端306。该buck-boost单元320具有第一输出端302、第二输出端303和第三输出端304，分别作为功率因数校正单元S₁的第一输出端，第二输出端和第三输出端。buck-boost单元320对接收的单相电源进行升降压和功率因数校正。

在本实施例中，整流单元310包括第一二极管D1和第二二极管D2。其中第一二极管D1的阳极电连接至所述整流单元310的输入端301，其阴极电连接至整流单元310的第一输出端305。第二二极管D2的阴极电连接至整流单元310的输入端301，其阳极电连接至整流单元310的第二输出端306。

buck-boost单元320则包括由第三开关管Q13、第一电感L1、第七开关管Q1、第三电感L2、第七二极管D7、第四开关管Q4、第三二极管D11、第一电容C1和第四二极管D8组成的上半部分电路，以及由第五开关管Q14、第二电感L4、第八开关管Q2、第四电感L3、第八二极管D9、第六开关管Q3、第五二极管D12、第二电容C2和第六二极管D10组成的下半部分电路。其中在上半部分电路中，第三开关管Q13的漏极电连接至所述buck-boost单元320的第一输入端，即整流单元310的第一输出端305。第一电感L1的第一端与所述第三开关管Q13的源极电连接。第四开关管Q4的漏极电连接至所述第一电感L1的第二端，其源极电连接至所述buck-boost单元320的第三输出端304。第三二极管D11的阳极电连接至所述第四开关管Q4的漏极，其阴极电连接至所述buck-boost单元320的第一输出端302。第一电容C1电连接在所述buck-boost单元320的第一输出端302和所述buck-boost单元320的第三输出端304之间。第四二极管D8的阳极电连接至所述buck-boost单元320的第三输出端304，阴极电连接至所述第三开关管Q13的源极。第七开关管Q1的漏极电连接至所述buck-boost单元320的第一输入端305。第三电感L2的第一端与所述第七开关管Q1的源极电连接，其第二端电连接至所述第四开关管Q4的漏极。第七二极管D7的阳极电连接至所述buck-boost单元320的第三输出端304，阴极电连接至所述第七开关管D7的源极。在此，因采用了交错并联结构，第一电感L1和第三电感L2中的开关电流相位差180°，第一电感L1和第三电感L2的电流之和为输入线电流，电流连续性好。

在下半部分电路中，第五开关管Q14的源极电连接至所述buck-boost单元320的第二输入端，即整流单元310的第二输出端306。第二电感L4的第一端与所述第五开关管Q14的漏极电连接。第六开关管Q3的源极电连接至所述第二电感L4的第二端，其漏极电连接至所述buck-boost单元320的第三输出端304。第五二极管D12，其阴极电连接至所述第六开关管Q3的源极，其阳极电连接至所述buck-boost单元320的第二输出端303。第二电容C2电连接在所述buck-boost单元320的第二输出端303和所述buck-boost单元320的第三输出端304之间。第六二极管D10的阴极电连接至所述buck-boost单元320的第三输出端304，阳极电连接至所述第五开关管Q14的漏极。第八开关管Q2的源极电连接至所述buck-boost单元320的第二输入端306。第四电感L3，其第一端与所述第八开关管Q2的漏极电连接，其第二端电连接至第六开关管Q3的源极。第八二极管D9的阴极电连接至所述buck-boost单元320的第三输出端304，阳极电连接至所述第八开关管Q2的漏极。在此，因采用了交错并联结构，第二电感L4和第四电感L3中的开关电流相位差180°，第一电感和第二电感的电流之和为输入线电流，电流连续性好。每个功率因数校正单元的boost二极管，即D11、D12、D17、D18、D23、D24作为天然的并联二极管，可以将功率因数校正单元的正输出端和负输出端(即第一输出端和第二输出端)分别并联，且以N线作为每个功率因数校正单元的公共中点。

下面对上述电路的升降压及功率因数校正原理进行说明。以上述三相三电平电路为例，其控制方式采用滑模控制，实现功率因数校正和输出升降压。该三相三电平电路的功率因数校正单元输入端分别与具有A相、B相和C相电流的三相交流电源相连。该电路具有6个模态，图3(a)至图3(c)分别与A相相连的功率因数校正单元的第一模态、第二模态和第三模态的示意图。图3(a)所示的第一模态过程如下所述。在t₀时刻A相输入正向过零。功率因数校正单元S1的上半部分电路工作，下半部分电路停止工作。t＞t0时功率因数校正单元工作于boost模式。Q1、Q13持续开通，Q4进行SPM脉宽调制，Q4开通时电流回路为D1→Q1(Q13)→L1(L2)→Q4；Q4关断时电流回路为D1→Q1(Q13)→L1(L2)→D11→C1。第一模态实现电压提升，达到目标母线电压V_bus。当输入瞬时电压增加到临界值V1，该模态结束，对应的时刻为t1。

图3(b)所示的第二模态过程如下所述。t＞t1时功率因数校正单元工作于buck模式。Q4持续关断，Q1、Q13分别进行SPM脉宽调制，它们的驱动相位差180°。Q1(Q13)开通时电流回路为D1→Q1(Q13)→L1(L2)→D11→C1；Q1(Q13)关断时电流回路为D7(D8)→L1(L2)→D11→C1。第二模态实现电压降低，达到目标母线电压V_bus。当输入瞬时电压增加到最大值再减小到临界值V1，该模态结束，对应的时刻为t2。

图3(c)所示的第三模态过程如下所述。t＞t2时功率因数校正单元再次工作于boost模式。Q1、Q13持续开通，Q4进行SPM脉宽调制，Q4开通时电流回路为D1→Q1(Q13)→L1(L2)→Q4；Q4关断时电流回路为D1→Q1(Q13)→L1(L2)→D11→C1。第三模态实现电压提升，达到目标母线电压V_bus。当输入瞬时电压由临界值V1减小到0，该模态结束，对应的时刻为t3。

t3时刻A相输入负向过零。功率因数校正单元的上半部分电路停止工作，下半部分电路开始工作。功率因数校正单元工作在第四模态、第五模态和第六模态，分别与上述过程对称。

请参阅图4(a)至图4(e)，为图2中的三相功率因数校正电路的波形图。如图4(a)所示，其中CH1至CH4分别为四个通道分别测得的Q1、Q4、Q2和Q3的驱动波形，采用脉宽调制。图4(b)中的CH1为测得的Q1电流，CH2为测得的Q4电流，其于各通道驱动波形相关联。图4(c)中CH1为D7的电流，CH2为D11的电流。图4(d)中CH1至CH3分别为三相交流电源的A相、B相和C相电流。而图4(e)中CH1为母线(即C1和C2两端)的电压波形。可以看到，母线电压稳定上升，在90ms处达到并继续保持平稳的电压值。

请参阅图5，为本发明优选实施例中单相功率因数校正电路的电路原理图。如图5所示，本发明提供的单相功率因数校正电路包括功率因数校正单元S₁。功率因数校正单元S₁具有输入端501，连接至单相交流电源U1。功率因数校正单元S₁具有第一输出端502和第二输出端503分别作为整个功率因数校正电路的第一输出端和第二输出端。功率因数校正单元S₁的第三输出端504连接至单相交流电源U1的公共接地端。

请参阅图6，为本发明优选实施例中双相功率因数校正电路的电路原理图。如图6所示，该双相功率因数校正电路由功率因数校正单元S₁和S₂组成。功率因数校正单元S₁和S₂的输入端601-1和601-2分别连接至单相电源U1和U2。功率因数校正单元S₁和S₂的第一输出端602-1和602-2连接在一起作为整个功率因数校正电路的第一输出端。功率因数校正单元S₁和S₂的第二输出端603-1和603-2连接在一起作为整个功率因数校正电路的第二输出端。而功率因数校正单元S₁和S₂的第三输出端604-1和604-2连接在一起作为整个功率因数校正电路的第三输出端连接至N线，连接至单相电源U1和U2的公共端。上述两个功率因数校正单元S₁和S₂，分别实现对每个单相电源的升降压和功率因数校正。

请参阅图7，为本发明优选实施例中采用同步整流的三相功率因数校正电路的电路原理图。如图7所示，本发明中的整流单元，还可以采用开关管来同步整流实现。该三相功率因数校正电路由功率因数校正单元S₁至S₃组成。与图2的电路原理图相似，区别仅在于采用开关管来替代二极管。如在功率因数校正单元S₁中，采用第一开关管SW1，其源极电连接至所述整流单元的输入端，其漏极电连接至所述整流单元的第一输出端；而第二开关管SW2的漏极电连接至所述整流单元的输入端，其源极电连接至所述整流单元的第二输出端。功率因数校正单元S₂和S₃也可以采用开关管SW3、SW4、SW5和SW6来实现同步整流。

本发明提供的功率因数校正电路，不需要增加输入滤波器、不需要增加反堵二极管，巧妙的实现了多模块的并联以及输入电流的连续；且本发明采用的器件应力小、成本低、整机效率高。

本发明是根据特定实施例进行描述的，但本领域的技术人员应明白在不脱离本发明范围时，可进行各种变化和等同替换。此外，为适应本发明技术的特定场合或材料，可对本发明进行诸多修改而不脱离其保护范围。因此，本发明并不限于在此公开的特定实施例，而包括所有落入到权利要求保护范围的实施例。

Claims (3)

1.一种功率因数校正电路，其特征在于，包括并联的多于三个的功率因数校正单元，其中每个功率因数校正单元包括：

1）整流单元，具有输入端、第一输出端和第二输出端，所述整流单元的输入端分别电连接至一个单相电源并对接收的单相电源信号进行整流；

2）buck-boost单元，具有第一输入端和第二输入端，分别电连接至整流单元的第一输出端和第二输出端；所述buck-boost单元还具有第一输出端、第二输出端和第三输出端，每个功率因数校正单元的buck-boost单元的第一输出端连接在一起作为功率因数校正电路的第一输出端，每个功率因数校正单元的buck-boost单元的第二输出端连接在一起作为功率因数校正电路的第二输出端，每个功率因数校正单元的buck-boost单元的第三输出端连接在一起作为功率因数校正电路的第三输出端；所述buck-boost单元对接收的单相电源进行升降压和功率因数校正；

所述buck-boost单元包括：

第三开关管，其漏极电连接至所述buck-boost单元的第一输入端；

第一电感，其第一端与所述第三开关管的源极电连接；

第四开关管，其漏极电连接至所述第一电感的第二端，其源极电连接至所述buck-boost单元的第三输出端；

第三二极管，其阳极电连接至所述第四开关管的漏极，其阴极电连接至所述buck-boost单元的第一输出端；

第一电容，电连接在所述buck-boost单元的第一输出端和所述buck-boost单元的第三输出端之间；

第四二极管，其阳极电连接至所述buck-boost单元的第三输出端，阴极电连接至所述第三开关管的源极；

第五开关管，其源极电连接至所述buck-boost单元的第二输入端；

第二电感，其第一端与所述第五开关管的漏极电连接；

第六开关管，其源极电连接至所述第二电感的第二端，其漏极电连接至所述buck-boost单元的第三输出端；

第五二极管，其阴极电连接至所述第六开关管的源极，其阳极电连接至所述buck-boost单元的第二输出端；

第二电容，电连接在所述buck-boost单元的第二输出端和所述buck-boost单元的第三输出端之间；

第六二极管，其阴极电连接至所述buck-boost单元的第三输出端，阳极电连接至所述第五开关管的漏极；

第七开关管，其漏极电连接至所述buck-boost单元的第一输入端；

第三电感，其第一端与所述第七开关管的源极电连接，其第二端电连接至所述第四开关管的漏极；

第七二极管，其阳极电连接至所述buck-boost单元的第三输出端，阴极电连接至所述第七开关管的源极；

第八开关管，其源极电连接至所述buck-boost单元的第二输入端；

第四电感，其第一端与所述第八开关管的漏极电连接，其第二端电连接至第六开关管的源极；

第八二极管，其阴极电连接至所述buck-boost单元的第三输出端，阳极电连接至所述第八开关管的漏极。

2.根据权利要求1所述的功率因数校正电路，其特征在于，所述整流单元包括：

第一二极管，其阳极作为所述整流单元的输入端与单相电源相连，其阴极作为所述整流单元的第一输出端电连接至buck-boost单元的第一输入端；

第二二极管，其阴极作为所述整流单元的输入端与单相电源相连，其阳极作为所述整流单元的第二输出端电连接至buck-boost单元的第二输入端。

3.根据权利要求1所述的功率因数校正电路，其特征在于，所述整流单元包括：

第一开关管，其源极作为所述整流单元的输入端与单相电源相连，其漏极作为所述整流单元的第一输出端电连接至buck-boost单元的第一输入端；

第二开关管，其漏极作为所述整流单元的输入端与单相电源相连，其源极作为所述整流单元的第二输出端电连接至buck-boost单元的第二输入端。

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