CN102055353A - 三开关双电容的高功率因数三相ac-dc变换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三开关双电容的高功率因数三相AC-DC变换器，由功率变换电路，过零检测电路，功率检测电路，控制电路，驱动电路构成。过零检测电路负责检测电源电压过零信号，功率检测电路负责检测直流电压和直流电流信号，控制电路负责计算负载所需有功功率大小，并在每相过零前后π/6角度内产生三路优化脉冲信号，经过驱动电路的隔离驱动器驱动后，驱动功率变换电路中的三只双向可控开关，迫使功率变换电路中的三只滤波电感进入开关整流状态，并与自然整流状态平滑过渡，获得高正弦度的三相输入电流波形和高的功率因数。本发明的直流侧储能环节采用双电解电容分裂结构，具有结构简单、附加成本低、实现容易、通用性强等优点。

Description

三开关双电容的高功率因数三相AC-DC变换器

技术领域

本发明涉及一种三相AC-DC变换器，特别涉及一种三开关双电容的高功率因数三相AC-DC变换器。

背景技术

低压三相交流电源供电的变频器在工业、农业和家庭得到了越来越广泛的应用，变频器的前级电路都采用了不控三相整流器。现有的不控三相整流器-电解电容系统，对于三相电网而言属于非线性负载，工作时会向电网传导大量的低次谐波电流，如此极不利于电力环保，而且也难以符合IEC61000-3-2/12谐波电流限度标准。为此需要使用高功率因数的三相AC-DC变换器，即可控整流器来代替现有的不控三相整流器。截至目前，出现了大量的可控整流器方案，如PWM电压源整流器、PWM电流源整流器和矩阵整流器等。这些整流器虽然功率因数很高，但是控制原理复杂，实现困难，器件电力应力大，成本较高，电磁干扰(即EMI)设计有一定困难。

为此设计一种附加器件少、器件电力应力小和数字控制等技术特征的低成本三相AC-DC变换器，实已成为本领域技术人员亟待解决的技术课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电路简单且成本低的三开关双电容的高功率因数三相AC-DC变换器。

本发明的另一目的在于提供一种三开关双电容的高功率因数三相AC-DC变换器，以有效改善功率因数。

为了达到上述目的及其他目的，本发明提供三开关双电容的高功率因数三相AC-DC变换器，包括：一种三开关双电容的高功率因数三相AC-DC变换器，其包括：

功率变换电路，所述功率变换电路包括具有三开关的受控开关电路、LC整流电路，该LC整流电路与三相电源的三相相连接，用于滤除各相电流的高次谐波、与所述LC整流电路相连接的不控三相整流器，用于将经过所述LC整流电路处理的所述三相电源进行整流以向直流负载供电、电容组件，并联在所述不控三相整流器的输出端，以使所述不控三相整流器输出稳定的直流电压，该电容组件包括串联的第一电容和第二电容；

功率检测电路，连接在所述不控三相整流器的输出端，用以检测所述不控三相整流器向所述直流负载提供的直流电压与直流电流；

过零检测电路，与所述三相电源的三相连接，用于根据所述三相电源各相的电压的变化同步生成相应的三路脉冲信号，且每一脉冲信号的零点与对应的相电压的零点同步；

数字控制电路，与所述过零检测电路及所述功率检测电路相连接，用于根据所述功率检测电路输出的直流电压和直流电流计算所述直流负载当前的有功功率，再根据所述有功功率、预设的所述LC整流电路各元件的参数、及所述过零检测电路输出的三路脉冲信号计算出待生成的三路数字序列需要持续的时间，并进而以所述三路脉冲信号各自的零点为同步点生成相应的三路数字序列，且各数字序列是以同步点为中心分布的；

驱动电路，与所述数字控制电路的输出端相连接，用于根据所述数字控制电路输出的三路数字序列生成相应三路驱动脉冲；

所述具有三开关的受控开关电路，其受控端与所述驱动电路的输出端相连接，各开关两端分别与所述LC整流电路及所述电容组件的中线相连接，用于将LC整流电路中的电感储能转移到电容组件，获得高功率因数和稳定直流电压。

综上所述，本发明根据不控三相整流器、LC滤波器、三开关局部优化斩波升压工作原理，设计制作的三开关双电容的高功率因数三相AC-DC变换器，因而具有设计构思新颖、通用性强等特征，同时具有结构简单、附加成本低、实现容易等优点，还可以支持较宽范围功率输出，尤其适用于较大功率变频器的前级整流器。

附图说明

图1为本发明的三开关双电容的高功率因数三相AC-DC变换器的电路结构示意图。

具体实施方式

以下将通过具体实施例来对本发明的三开关双电容的高功率因数三相AC-DC变换器进行详细说明。

请参阅图1，本发明的三开关双电容的高功率因数三相AC-DC变换器如图1所示，由功率变换电路1，过零检测电路2，功率检测电路3，控制电路4，驱动电路5以及配套的负载电路6构成。

功率变换电路1利用电感滞流和电容稳压作用，滤除高次谐波电流，防止流入电网。通过三只双向可控开关的局部优化斩波作用和不控三相整流器的整流作用，将三只电感储能转移到电解电容，获得高功率因数和稳定直流电压。过零检测电路2通过电阻分压和光电耦合器获得隔离的三相输出相电压/线电压的过零点信号。功率检测电路3通过检测直流电压和直流电流，判断负载功率大小，决定局部斩波规律。控制电路4通过检测输入相电压/线电压的过零信息和负载功率，产生3路局部优化斩波的PWM信号。驱动电路5接收PWM信号，转换成隔离驱动脉冲。负载电路6属于配套部分，泛指直流电压供电的负载，包括逆变器-电动机传动系统。

所述功率变换电路1包括具有三开关的受控开关电路13、LC整流电路11，与三相电源的三相相连接，用于滤除各相电流的高次谐波、与所述LC整流电路相连接的不控三相整流器12，用于将经过所述LC整流电路处理的所述三相电源进行整流以向直流负载供电、电容组件，并联在所述不控三相整流器的输出端，以使所述不控三相整流器输出稳定的直流电压，该电容组件包括串联的第一电容和第二电容。

过零检测电路2由九只电阻R1～R9、三只光电耦合器OP1～OP3组成，其中六只电阻分别串联与三相电源与中线之间构成三个分压电路，三只光电耦合器原边分别接于三只分压电阻两端，将原边电压过零信号传输到副边，由另外三只电阻的射极跟随输出；

功率检测电路3由三只电阻R10～R12组成，其中两只电阻串联，另一只电阻串接在直流电压的负极。

控制电路4由一只数字信号处理器DSP1和外围电路构成，输入电压过零信号、直流电压与电流信号，输出三路脉冲信号；

负载电路6由利用直流电压的负载构成，不作为对本专利申请的限定。

功率变换电路1由3只滤波电容、3只升压电感、3只双向可控开关、1只不控三相整流器和两只电解电容构成，其中第一只、第二只与第三只电容的一端分别连接3相交流电源，另一端连接在一起。第一只、第二只与第三只电感的一端也分别连接3相交流电源，另一端分别与不控三相整流器的三个输入端相连。第一只、第二只与第三只双向可控开关的一端也分别与不控三相整流器的三个输入端相连，另一端连接在一起后与第一只和第二只电解电容的串联中点相连，三只双向可控开关的三个门极分别与驱动电路5三只驱动器的输出端相连。第一只与第二只电解电容串联后，第一只电解电容的一端与不控三相整流器的直流正极相连，第二只电解电容的一端与不控三相整流器的直流负极相连。

具体的，功率变换电路1包括三只滤波电容C1～C3、三只滤波电感L1～L3、三只双向可控开关S1～S3、一只不控三相整流器B1和两只电解电容E1～E2组成，其中三只滤波电容与三相滤波电感构成三相LC滤波电路，三只双向可控开关与一只不控三相整流器构成斩波整流电路，两只电解电容串联后构成滤波储能电路；

功率变换电路1中，滤波电容C1一端、滤波电感L1一端与电源R相相连，滤波电容C2一端、滤波电感L2一端与电源S相相连，滤波电容C3一端、滤波电感L3一端与电源T相相连，滤波电容C1、C2与C3另一端相互连接，滤波电感L1另一端与不控三相整流器的第一个输入端、三只双向可控开关S1的输入端连接，滤波电感L2另一端与不控三相整流器的第二个输入端、三只双向可控开关S2的输入端连接，滤波电感L3另一端与不控三相整流器的第三个输入端、三只双向可控开关S3的输入端连接，三只双向可控开关S1、S2与S3的输出端相互连接后与电解电容E1的负极和电解电容E2的阳极相连，双向可控开关S1的门极与驱动电路5中的隔离驱动器DR1的输出端相连，双向可控开关S2的门极与驱动电路5中的隔离驱动器DR2的输出端相连，双向可控开关S3的门极与驱动电路5中的隔离驱动器DR3的输出端相连，电解电容E1的阳极与不控三相整流器的直流正极、功率检测电路3中电阻R10的一端相连，电解电容E2的负极与不控三相整流器的直流负极、功率检测电路3中电阻R11的一端、电阻R12的一端相连。

过零检测电路2由9只电阻、3只光电耦合器构成，其中第一只与第二只电阻串联，第三只与第四只电阻串联，第五只与第六只电阻串联，第一只、第三只与第四只电阻的一端分别与三相电源相连，其另一端均于电网中线相连。第一只光电耦合器原边二极管阳极与第一只、第二只电阻串联中点相连，第二只光电耦合器原边二极管阳极与第三只、第四只电阻串联中点相连，第三只光电耦合器原边二极管阳极与第五只、第六只电阻串联中点相连，三只光电耦合器原边二极管阴极均与电网中线相连，三只光电耦合器副边三极管集电极均与+5V工作电源相连，三只光电耦合器副边三极管发射极分别与第七只电阻、第八只电阻和第九只电阻的一端相连后，分别与控制电路4的三个外部捕捉端口相连，第七只电阻、第八只电阻和第九只电阻的另一端均接地。

具体的，在过零检测电路2中，电阻R1一端与电源R相相连，其另一端与电阻R2的一端、光电耦合器OP1原边二极管阳极相连，电阻R3一端与电源R相相连，其另一端与电阻R4的一端、光电耦合器OP2原边二极管阳极相连，电阻R5一端与电源R相相连，其另一端与电阻R6的一端、光电耦合器OP3原边二极管阳极相连，电阻R2、R4与R5的另一端接地，光电耦合器OP1、OP2与OP3原边二极管阴极接地。光电耦合器OP1副边三极管的集电极与+5V电源相连，其三极管的发射极与电阻R7一端、控制电路4中捕捉端口ZC1相连，光电耦合器OP2副边三极管的集电极与+5V电源相连，其三极管的发射极与电阻R8一端、控制电路4中捕捉端口ZC2相连，光电耦合器OP3副边三极管的集电极与+5V电源相连，其三极管的发射极与电阻R9一端、控制电路4中捕捉端口ZC3相连，电阻R7、R8与R9的另一端接地。

功率检测电路3由3只电阻构成，其中第十只、第十一只电阻串联后中点与控制电路4的第一个模数转换端口相连，第十只电阻的一端与不控三相整流器的直流正极、第一只电解电容的阳极相连，第十一只电阻的另一端与不控三相整流器的直流负极、第二只电解电容的负极相连、第十二只电阻的一端串联后与控制电阻4的第二个模数转换端口相连，第十二只电阻的另一端接地。

具体的，在功率检测电路3中，电阻R10的一端与功率变换电路1中的不控三相整流器直流正极、电解电容E1的阳极相连，电阻R11的一端与功率变换电路1中的不控三相整流器直流负极、电解电容E2的阴极、电阻R12的一端相连后与控制电路4中的模数转换端口ADC2相连，电阻R10的另一端与电阻R11的另一端相连后与控制电路4中的模数转换端口ADC1相连。

控制电路4由1只DSP及其外围电路构成，其中第一个、第二个与第三个捕捉端口分别与过零检测电路2中第七只、第八只和第九只电阻的一端相连，第一个模数转换端口与功率检测电路3中第十只、第十一只电阻的串联中点相连，第二个模数转换端口与功率检测电路3中第十一只、第十二只电阻、第二只电解电容阴极、不控三相整流器的直流负极构成的公共点相连。第一只、第二只与第三个脉冲输出端口分别与驱动电路5中三只隔离驱动器的原边相连。

具体的，在控制电路4中，数字信号处理器DSP与外围电路的捕捉端口ZC1与过零检测电路2中的电阻R7和光电耦合器OP1副边三极管发射极的公共端相连，捕捉端口ZC2与过零检测电路2中的电阻R8和光电耦合器OP2副边三极管发射极的公共端相连，捕捉端口ZC3与过零检测电路2中的电阻R9和光电耦合器OP3副边三极管发射极的公共端相连。模数转换端口ADC1与功率检测电路3中的电阻R10和电阻R11的公共端相连，模数转换端口ADC2与功率检测电路3中的电阻R11、电阻R12和电解电容E2的阴极、不控三相整流器直流负极的公共端相连。脉冲输出端口P1与驱动电路5中的隔离驱动器DR1的输入端相连，脉冲输出端口P2与驱动电路5中的隔离驱动器DR2的输入端相连，脉冲输出端口P3与驱动电路5中的隔离驱动器DR3的输入端相连。

驱动电路5由3只隔离驱动器构成，第一只、第二只和第三只隔离驱动器的原边分别与控制电路4的三个脉冲输出端口相连，三只隔离驱动器的副边分别与功率变换电路1中三只双向功率开关的门极相连。

具体的，在驱动电路5中，隔离驱动器DR1的输入端与控制电路4中脉冲输出端口P1相连，其输出端与功率变换电路1中的双向可控开关S1的门极相连。隔离驱动器DR2的输入端与控制电路4中脉冲输出端口P2相连，其输出端与功率变换电路1中的双向可控开关S2的门极相连。隔离驱动器DR3的输入端与控制电路4中脉冲输出端口P3相连，其输出端与功率变换电路1中的双向可控开关S3的门极相连。

负载电路6属于配套部分，由直流电压供电的负载构成，对本专利申请不构成限定。

具体的，在负载电路6中，输入端子与功率变换电路1中电解电容E1的阳极相连，在电气上还与不控三相整流器直流正极、电阻R10的公共端相连。输出端子与功率变换电路1中电阻R12接地端相连。

本发明的工作原理为：

(1)过零检测电路2中，电阻R1与电阻R2分压，获得电源R相电压波形，经过光电耦合器OP1将R相电压过零信息隔离输出至副边，R相电压正半周输出正脉冲，R相电压负正半周输出负脉冲，脉冲信号由电阻R7输出至控制电路4的捕捉端口ZC1。电阻R3与电阻R4分压，获得电源S相电压波形，经过光电耦合器OP2将S相电压过零信息隔离输出至副边，S相电压正半周输出正脉冲，S相电压负正半周输出负脉冲，脉冲信号由电阻R8输出至控制电路4的捕捉端口ZC2。电阻R5与电阻R6分压，获得电源T相电压波形，经过光电耦合器OP3将T相电压过零信息隔离输出至副边，T相电压正半周输出正脉冲，T相电压负正半周输出负脉冲，脉冲信号由电阻R9输出至控制电路4的捕捉端口ZC3。

(2)功率检测电路3中，电阻R10与电阻R11串联分压，由其公共端引出与直流电压瞬时值成正比的电压信号，输出至控制电路4中的模数转换端口ADC1，电阻R12为线性无感功率电阻，其压降反映了直流电流的大小，由电阻R12与电阻R11、电解电容E2、不控整流器的输出负极构成的公共点引出信号输出至控制电路4中的模数转换端口ADC2。

(3)控制电路4中，数字信号处理器DSP与外围电路一方面通过捕捉端口ZC1、ZC2与ZC3来自过零检测电路2发送的三路反映电源相电压的脉冲信号，同时通过模数转换端口ADC1、ADC2检测直流电压和电流信号，计算当前负载所需有功功率大小，在三个输入相电压过零点前后，各发出一个优化脉冲信号，持续时间为π/6，脉冲宽度由输入相电压过零点向两端呈现逐渐减少的趋势。脉冲宽度的变化规律不仅决定于负载瞬时功率大小，还取决于电网电压瞬时值大小和滤波电感的参数。对应R相输入相电压过零点的脉冲信号经过端口P1输出至驱动电路5中的隔离驱动器DR1，对应S相输入相电压过零点的脉冲信号经过端口P2输出至驱动电路5中的隔离驱动器DR2，对应T相输入相电压过零点的脉冲信号经过端口P3输出至驱动电路5中的隔离驱动器DR3。

(4)驱动电路4中，隔离驱动器DR1将来自控制电路4中端口P1的脉冲信号进行隔离和驱动后，输出至功率变换电路1中的双向可控开关S1的门极G1，隔离驱动器DR2将来自控制电路4中端口P2的脉冲信号进行隔离和驱动后，输出至功率变换电路1中的双向可控开关S2的门极G2，隔离驱动器DR3将来自控制电路4中端口P3的脉冲信号进行隔离和驱动后，输出至功率变换电路1中的双向可控开关S3的门极G3。

(5)功率变换电路1中，三只双向可控开关S1、S2与S3的门极G1、G2与G3接收到驱动脉冲序列后，处于开关整流状态，高电平时道通，低电平时关闭。这样电源的每相电压将在过零前后π/6角度内通过各自线路上的滤波电感短路和开路，短路时电感电流上升，开路时电感电流下降，将能两传输至不控三相整流器后级电解电容。电源的每相电压在过零前后π/6角度外处于自然整流状态。滤波电容吸收高频纹波电流，防止进入电网。开关整流状态与自然整流状态相互配合即可获得输入正限度很高的三相相电流波形，而且与各自的相电压波形同步，从而改善了输入功率因数。同时在直流电解电容上获得一个纹波相对较小的直流电压，供后级负载电路使用。

(6)负载电路6中，利用直流电压。

本发明的由功率变换电路、过零检测电路、功率检测电路、控制电路、驱动电路为密不可分的组成部分，不能简单地单独分析，从而构成三开关双电容高功率因数三相AC-DC变换器。工作原理的实质是：根据瞬时输出功率要求和电网电压的大小，在三相电压过零点附近π/6电角度内，三只双向可控功率开关在局部优化驱动脉冲作用下进行开关作用，使得三相线路上的三只滤波电感做储能与放能作用，维持过零点前后电流波形的正限度，与其它角度内自然整流有机配合，在三相三开关的共同作用下获得三相正弦度较高和同步的电流波形。

上述器件中各电阻参数要求具有高精度，各滤波电容、滤波电感、电解电容、不控三相整流器参数要求具有一定的精度；本发明一个实施例的参数为：输出三相交流输入线电压为380V，期望输出直流电压，535V额定输出功率5kW。三相整流器B1为15A/1200V，滤波电容5μF/600V，滤波电感7.5mH/15A。数字信号处理器DSP型号为TMS320F2801，隔离驱动器为HCPL316J，光电耦合器OP1～OP3为TLP421，双向可控开关S1～S3由IGBT与单相整流器并联构成，IGBT参数为15A/1200V。电阻R1～R6均为插件电阻，电阻R1、R3与R5的取值范围为100kΩ，电阻R2、R4与R6的取值范围为5kΩ，电阻R7～R9均为贴片电阻，电阻R7～R9为5kΩ。

上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (10)

1.一种三开关双电容的高功率因数三相AC-DC变换器，其特征在于包括：

功率变换电路(1)，所述功率变换电路包括具有三开关的受控开关电路(13)、LC整流电路(11)，该LC整流电路与三相电源的三相相连接，用于滤除各相电流的高次谐波、与所述LC整流电路相连接的不控三相整流器(12)，用于将经过所述LC整流电路处理的所述三相电源进行整流以向直流负载供电、电容组件，并联在所述不控三相整流器的输出端，以使所述不控三相整流器输出稳定的直流电压，该电容组件包括串联的第一电容和第二电容；

功率检测电路(3)，连接在所述不控三相整流器的输出端，用以检测所述不控三相整流器向所述直流负载提供的直流电压与直流电流；

过零检测电路(2)，与所述三相电源的三相连接，用于根据所述三相电源各相的电压的变化同步生成相应的三路脉冲信号，且每一脉冲信号的零点与对应的相电压的零点同步；

数字控制电路(4)，与所述过零检测电路及所述功率检测电路相连接，用于根据所述功率检测电路输出的直流电压和直流电流计算所述直流负载当前的有功功率，再根据所述有功功率、预设的所述LC整流电路各元件的参数、及所述过零检测电路输出的三路脉冲信号计算出待生成的三路数字序列需要持续的时间，并进而以所述三路脉冲信号各自的零点为同步点生成相应的三路数字序列，且各数字序列是以同步点为中心分布的；

驱动电路(5)，与所述数字控制电路的输出端相连接，用于根据所述数字控制电路输出的三路数字序列生成相应三路驱动脉冲；

所述具有三开关的受控开关电路(13)，其受控端与所述驱动电路的输出端相连接，各开关两端分别与所述LC整流电路及所述电容组件的中线相连接，用于将LC整流电路中的电感储能转移到电容组件，获得高功率因数和稳定直流电压。

2.如权利要求1所述的三开关双电容的高功率因数三相AC-DC变换器，其特征在于：所述LC整流电路包括分别串联在各相的三电感及两两并联在相应两相间的三电容。

3.如权利要求1所述的三开关双电容的高功率因数三相AC-DC变换器，其特征在于：所述电容为电解电容。

4.如权利要求1所述的三开关双电容的高功率因数三相AC-DC变换器，其特征在于：所述功率检测电路包括：连接在所述不控整流器两输出端且用于测量直流电压的第一分压电路、及连接在所述不控整流器一输出端和地之间且用于测量直流电流的直流电阻。

5.如权利要求1所述的三开关双电容的高功率因数三相AC-DC变换器，其特征在于：所述数字控制电路包括数字信号处理器。

6.如权利要求1所述的三开关双电容的高功率因数三相AC-DC变换器，其特征在于：所述驱动电路包括三个隔离驱动器。

7.如权利要求1所述的三开关双电容的高功率因数三相AC-DC变换器，其特征在于：所述开关电路包括三个双向可控硅开关。

8.如权利要求1所述的三开关双电容的高功率因数三相AC-DC变换器，其特征在于：所述过零检测电路包括三路由电阻和光电耦合器构成的检测电路。

9.如权利要求1或8所述的三开关双电容的高功率因数三相AC-DC变换器，其特征在于：所述过零检测电路根据各相的相电压或线电压生成相应的三路脉冲信号。

10.如权利要求1所述的三开关双电容的高功率因数三相AC-DC变换器，其特征在于：三路数字序列需要持续的时间都为π/6。

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