CN101975928A - 低直流母线电容电流纹波的老化测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低直流母线电容电流纹波的老化测试系统，包括单相PFC功率因数校正电路(20)、单相DC/AC逆变器(30)、单相AC输入被测试设备(40)、能量回馈电子负载(50)、网侧相位检测模块(60)和逆变器相位控制电路(70)；网侧相位检测模块(60)的输入端接到单相电网(10)的输出端、其输出接到逆变器相位控制电路(70)的输入端；逆变器相位控制电路(70)的输出接到单相DC/AC逆变器(30)的控制输入端。本发明能解决因单相功率因数校正电路的输出和单相逆变器的输入所导致的直流母线电容工频电流纹波大的问题；并且可以减小直流侧电容的容量，延长其使用寿命。

Description

低直流母线电容电流纹波的老化测试系统

技术领域

本发明涉及节能电子产品技术领域和电力电子电能变换利用领域，提出了一种改进的用于交流输入装置的老化系统。更具体的说，本发明提出了一种用于交流输入装置的低直流母线电容电流纹波老化系统；并且可以减小直流侧电容的容量，延长其使用寿命。

背景技术

开关电源装置在出厂前，往往需要经过烧机过程，检验产品质量。目前在烧机过程中，使用最为广泛的负载形式是耗能型负载。虽然耗能型负载有简单可靠的优点，但是它具有以下弊端：1.老化过程中消耗大量电能，增加了生产成本，浪费了能源。2.所有能量均以热能形式耗散，增加了散热的成本和附加能耗。

针对耗能型负载的弊端，人们将能量回馈技术应用到电子负载中，烧机过程中输出的能量回馈到电网中以降低成本、节约能源。但是将能量回馈到电网仍然存在着一些问题：1.当被测试的开关电源装置没有功率因数校正功能时，老化过程会使网侧产生较大的无功功率和谐波干扰。2.输出能量通过并网逆变器回馈到电网，对安全性和可靠性要求较高。

因此，人们又提出了输出能量直流侧回馈的方法，这在申请文件：交流输入电源变换器节能老化装置(公开号：101290334)、输出能量直流侧回馈的电源测试系统(公开号：101551447)中均有涉及，其系统结构如图1所示。

输出能量直流侧回馈时，若电网输入为单相交流电，被测试设备输入也是单相交流电，则系统中的逆变器为单相逆变器，系统中的直流母线与单相功率因数校正电路输出和单相逆变器的输入相连。而单相功率因数校正电路的输出和单相逆变器的输入都会带来较大的工频电流纹波。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种低直流母线电容电流纹波的老化测试系统，其能解决因单相功率因数校正电路的输出和单相逆变器的输入所导致的直流母线电容工频电流纹波大的问题；并且可以减小直流侧电容的容量，延长其使用寿命。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种低直流母线电容电流纹波的老化测试系统，包括单相PFC功率因数校正电路、单相DC/AC逆变器、单相AC输入被测试设备、能量回馈电子负载、网侧相位检测模块和逆变器相位控制电路；网侧相位检测模块的输入端接到单相电网的输出端、其输出接到逆变器相位控制电路的输入端；逆变器相位控制电路的输出接到单相DC/AC逆变器的控制输入端。

作为本发明的低直流母线电容电流纹波的老化测试系统的改进：单相电网的输出接到单相PFC功率因数校正电路的输入，单相PFC功率因数校正电路的输出作为直流母线，单相DC/AC逆变器的输入端接到直流母线的正、负两端，单相DC/AC逆变器的输出作为单相AC输入被测试设备的输入，单相AC输入被测试设备的输出作为能量回馈电子负载的输入，能量回馈电子负载的输出连接到直流母线的正、负两端。

本发明针对输出能量直流侧回馈的电源测试系统电网和逆变器均为单相的情况，为了减小其直流母线电容上的工频电流纹波，从而减小直流母线电容上的电压纹波，进而减小直流母线电容的容量，延长其使用寿命，并降低生产成本，本发明通过对不需并网的逆变器输出相位进行控制，使其与电网相位同步从而达到前述目的。

本发明所采用技术方案如图2所示：

本发明基于以下原理：

如图2所示的系统框图中，单相PFC功率因数校正电路20输入电压波形如图3.a所示，与sin(x)成正比，在理想条件下，单相PFC功率因数校正电路20输入电流波形也如图3.a所示，与sin(x)成正比，因此，单相PFC功率因数校正电路20的输入功率如图3.b所示，与sin²(x)成正比。单相PFC功率因数校正电路20的效率在一个工频周期的变化幅度是很小的，所以，单相PFC功率因数校正电路20的输出功率也如图3.b所示，与sin²(x)成正比。单相PFC功率因数校正电路20的输出端与直流母线相连，由于直流母线上大电容的滤波作用，使得输出电压近似为一直流量，如图3.c所示，因此直流母线电容上会有较大的工频电流纹波(忽略高频分量)，其波形如图3.b所示，其相位相对于电网电压相位来说是一定的。

同时，单相DC/AC逆变器30输出电压波形如图3.a所示，与sin(x)成正比，当单相DC/AC逆变器30所带负载具有PFC功率因数校正功能时，单相DC/AC逆变器30输出电流波形也如图3.a所示，与sin(x)成正比，因此，单相DC/AC逆变器30输出功率如图3.b所示，与sin²(x)成正比。单相DC/AC逆变器30的效率在一个工频周期的变化幅度是很小的，所以，单相DC/AC逆变器30的输入功率也如图3.b所示，与sin²(x)成正比。单相DC/AC逆变器30的输出端与直流母线相连，由于直流母线上大电容的滤波作用，使得输入电压近似为一直流量，如图3.c所示，因此直流母线电容上会有较大的工频电流纹波(忽略高频分量)，其波形如图3.b所示，其相位相对于单相DC/AC逆变器30的输出电压时一定的，相对于电网电压相位是随机的。

要减小直流母线电容上的工频电流纹波，应该使单相PFC功率因数校正电路20的输出电流纹波和单相DC/AC逆变器30的输入电流纹波互相抵消。通过同步单相DC/AC逆变器30的输出电压相位和电网电压相位，就能够同步单相PFC功率因数校正电路20的输出电流纹波相位和单相DC/AC逆变器30输入电流纹波相位，从而使两者互相抵消。

同时，电容上纹波电压和纹波电流的关系如式1所示。

$U=\frac{1}{C}\∫\mathrm{idt}---\left(1\right)$

由式1可知，在电容一定的情况下，电流纹波的减小将减小电容上的电压纹波，而若要维持电压纹波不变，则可以选取更小的电容。

因此，本发明在系统中增加网侧相位检测模块60。网侧相位检测模块60将检测得到的电网电压信号输入逆变器相位控制电路70，逆变器相位控制电路70根据电网电压的相位，对单相DC/AC逆变器30输出电压的相位进行调节，使单相DC/AC逆变器30输出电压的相位与电网电压的相位相同。这使得直流母线电容的电流纹波最小，同时，直流母线电容电流纹波引起的直流母线电压纹波也最小。

本发明的有益效果在于：通过同步单相DC/AC逆变器的输出电压和电网电压的相位，减小直流母线上的电流纹波，这可以减小直流母线上电容容量的需求，同时也可以减小直流母线上电容的纹波电压和纹波电流引起的损耗，减小电容发热量，延长电容使用寿命。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是现有的输出能量直流侧回馈的电源测试系统结构图；

图2是本发明的输出能量直流侧回馈的电源测试系统结构图；

图3是单相PFC功率因数校正电路输入电压、输入电流、输入功率、输出电流、输出电压和单相DC/AC逆变器输出电压、输出电流、输出功率、输入电流、输入电压波形图；

图4是采用本发明的电路仿真结果图；

图5是未采用本发明的电路仿真结果图。

具体实施方式

一种低直流母线电容电流纹波的老化测试系统，如图2所示，包括单相PFC功率因数校正电路20、单相DC/AC逆变器30、单相AC输入被测试设备40、能量回馈电子负载50、网侧相位检测模块60和逆变器相位控制电路70。

单相电网10的输出接到单相PFC功率因数校正电路20的输入端，单相PFC功率因数校正电路20的输出作为直流母线，即单相PFC功率因数校正电路20输出端与直流母线相连，直流母线与单相DC/AC逆变器30输入端相连，单相DC/AC逆变器输出端30与单相AC输入被测试设备40输入端相连，单相AC输入被测试设备40输出端与能量回馈电子负载50输入端相连，能量回馈电子负载50输出端与直流母线相连，网侧相位检测模块60输入端与单相电网10相连，网侧相位检测模块60输出端与逆变器相位控制电路70输入端相连，逆变器相位控制电路70输出端与单相DC/AC逆变器30相连，对单相DC/AC逆变器30进行控制。

网侧相位检测模块60可以使用电压传感器，对电网电压进行检测，产生电网电压同步信号并将电网电压同步信号传送至逆变器相位控制电路70。电压传感器的实现电路形式多种多样，例如包括霍尔传感器、运放等多种形式。

逆变器相位控制电路70接收到电网电压同步信号后，对单相DC/AC逆变器30的输出电压进行控制，使得单相DC/AC逆变器30的输出电压相位与电网电压的相位相同。单相DC/AC逆变器控制电路70的实现方式多种多样，例如可以是数字控制电路如DSP、单片机等形式，也可以是模拟控制电路。

本发明的直流能量回馈老化测试系统，实际工作时，工作内容具体如下：

1、网侧相位检测模块60与单相电网10连接，检测电网电压的波形，对电网电压波形进行滤波等处理，生成包含有电网电压周期和相位信息的电网电压同步信号，并将此信号传送至逆变器相位控制电路70。

2、逆变器相位控制电路70具有控制单相DC/AC逆变器30输出电压的周期和相位的功能。逆变器相位控制电路70内部具有锁相环，其输入为电网电压同步信号，输出为单相DC/AC逆变器30的控制信号。该锁相环能够保证单相DC/AC逆变器30输出电压的周期和相位与电网电压周期和相位的同步。

3单相DC/AC逆变器30根据逆变器相位控制电路70给出的控制信号，进行DC/AC变换，输出与电网电压周期和相位同步的交流电压。这样，就可以使得直流母线上电容的纹波电流最小，同时，直流母线电容电流纹波引起的直流母线电压纹波也最小。

图4是采用本发明的电路仿真结果，其中图4.a是单相电网电压波形，图4.b是单相DC/AC逆变器输出电压波形，图4.c是直流母线电容纹波电流波形(工频分量)，图4.d是直流母线电压波形。

图5是未采用本发明的电路仿真结果(为背景技术中告知的交流输入电源变换器节能老化装置、输出能量直流侧回馈的电源测试系统)，其中图5.a是单相电网电压波形，图5.b是单相DC/AC逆变器输出电压波形，图5.c是直流母线电压波形，图5.d是直流母线电容纹波电流波形。

图4和图5仿真的参数以及显示的刻度是完全相同的。从图4和图5的对比中可以看出，本发明对于减小直流母线电容电流纹波和减小直流母线电压纹波，从而减小纹波电流引起的损耗，减小电容发热量，延长电容使用寿命的效果是显著的。

图4和图5的仿真结果是基于最为恶劣的情况即单相PFC功率因数校正电路20的输入电压相位与单相DC/AC逆变器30的输出电压相位完全相反的情况下得到的。当未采用本发明时，实际电路的工作情况将在如图4所示的采用本发明的工作情况和如图5所示的最恶劣工作情况两者之间随机变化。同时，图4和图5的仿真中，能量回馈电子负载50输出功率为0，当能量回馈电子负载50输出功率不为0时，系统工作情况也会发生变化，即单相PFC功率因数校正电路20的输出电流纹波和单相DC/AC逆变器电路30的输入电流纹波互相抵消的程度会发生变化，但本发明仍然能起到减小直流母线电容电流纹波的作用并达到前文所述的有益效果。

当单相AC输入被测试设备40输入端不具备功率因数校正功能时，其输入电流纹波波形虽然与图3.a所示有所差别，但是通常情况下，例如单相AC输入被测试设备40输入端为整流桥和大电容构成的不控整流电路，其输入电流在输入电压最大时仍然最大，在输入电压过零时仍然最小，即输入电流的相位与图3中所示情况相同，此时本发明仍然可以起到减小直流母线纹波的作用并达到前文所述的有益效果。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种低直流母线电容电流纹波的老化测试系统，其特征是：包括单相PFC功率因数校正电路(20)、单相DC/AC逆变器(30)、单相AC输入被测试设备(40)、能量回馈电子负载(50)、网侧相位检测模块(60)和逆变器相位控制电路(70)；网侧相位检测模块(60)的输入端接到单相电网(10)的输出端、其输出接到逆变器相位控制电路(70)的输入端；所述逆变器相位控制电路(70)的输出接到单相DC/AC逆变器(30)的控制输入端。

2.根据权利要求1所述的低直流母线电容电流纹波的老化测试系统，其特征是：单相电网(10)的输出接到单相PFC功率因数校正电路(20)的输入，单相PFC功率因数校正电路(20)的输出作为直流母线，单相DC/AC逆变器(30)的输入端接到直流母线的正、负两端，单相DC/AC逆变器(30)的输出作为单相AC输入被测试设备(40)的输入，单相AC输入被测试设备(40)的输出作为能量回馈电子负载(50)的输入，能量回馈电子负载(50)的输出连接到直流母线的正、负两端。

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