CN102570865A - 倍压ac-dc变换器 - Google Patents

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李华武
马红星
杨喜军
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Abstract

本发明公开一种电力电子技术领域的倍压AC-DC变换器,包括功率电路、检测电路和控制电路,功率电路的电压电流信号通过检测电路与控制电路相连,所述的功率电路包括升压电路和倍压整流电路,升压电路的两个输出端与倍压整流电路的两个输入端相连,倍压整流电路的输出端输出直流电压;检测电路检测功率电路的电压和电流信号;控制电路的输入端与检测电路的输出端相连,输出端与功率电路的功率开关的控制端相连。本发明输出稳定的直流电压,同时产生单位输入功率因数,实现灵活的调压能力和获得线性输入阻抗,且可在较低的输入电压情况下,获得更高的输出电压,降低功率器件的功率损耗及耐压等级,通用性强,结构简单、成本低。

Description

倍压AC-DC变换器
技术领域
本发明涉及的是一种电力电子技术领域的AC-DC变换器,具体是一种倍压AC-DC变换器,即在低电压输入交流电时获得高输出电压直流电的整流电路。
背景技术
随着微电子技术、控制技术以及电力电子技术的飞速发展,前级为不控AC-DC变换器的应用领域越来越多,引起的电网谐波电流问题变得日益严重。对谐波电流的发生原理以及抑制策略进行了广泛深入的研究,促进了功率因数校正(PFC)技术的快速发展。鉴于世界各国的电源电压等级不同,如110VAC和220VAC等,考虑到电网电压波动,现有功率因数校正(PFC)技术的设计都是适用世界通用电源,即85VAC~265VAC。但是一个适合额定电压为220VAC的单相PFC,并不特备适合额定电压为110VAC,否则将导致升压电感和功率器件的体积和损耗较大。随着可再生能源的发展,有些应用领域会产生低压交流电,但是常规用电设备不适合低压交流供电,需要提升电压等级。
为了实现整流和升压环节,同时实现阻抗变换,可以采用功率因数校正电路。传统的有源PFC校正器采用不可控整流桥方案,只适应输入电压足够高的情况,否则输入电压较低时,会增加功率器件的应力,从而产生过热和增加成本。传统的单相有源功率因数校正器的范例非常多,本申请不再列出。
综上所述,较低单相交流电压输入时,传统的功率因数校正电路对功率器件选型要求高,成本较高,不能应用于低交流电压输入-高压直流输出的应用场合。随着实践应用的扩大,设计一种结构简单、功能全面、高输入功率因数且能低压交流输入-高压直流输出的电路已是本领域技术人员的当务之急。
发明内容
本发明针对现有技术的上述不足,提出了一种倍压AC-DC变换器,使其实现低压交流-高压直流变换,具有线性输入阻抗、结构简单、控制容易和成本低廉的优点。
本发明是通过以下技术方案实现的,本发明包括:功率电路、检测电路和控制电路,其中:功率电路的输出端输出直流电压,内部电压与电流信号引出线与检测电路的输入端相连,检测电路的输出端与控制电路的输入端相连。功率电路的过零、电压、电流信号通过检测电路传至控制电路。
所述的功率电路包括:依次级联的升压电路和倍压整流电路。
所述的升压电路为BOOST型升压电路,结构为升压电感、检流电阻和一组双向开关,并联在交流电源的火线与零线之间,升压电感的一端与交流电源火线相连,另一端与升压电路的双向开关的一端和整流电路的一个输入端相连,升压电路的双向开关的另一端与检流电阻的一端和整流电路的另一个输入端相连,检流电阻的另一端与交流电源零线相连;
所述的倍压整流电路的结构为两个二极管、两个电容和两个电阻构成的整流电路,第一电容的正极与第一二极管的阳极和第二二极管的阴极相连,第一电容的负极与升压电路中升压电感的输出端和双向开关的一端相连,第一二极管的阴极与第二电容正极相连,且作为直流电压输出正极,第二二极管的阳极与第二电容负极相连且与升压电路中双向开关的另一端和检流电阻的一端相连,且作为直流电压输出负极。
所述的BOOST型升压电路的两端分别与倍压整流电路的两个输入端相连,整流电路的输出端输出直流电压。
所述的检测电路为三个单独存在的输入电压的检零电路、功率电路的检流电路和输出电压的检压电路。检零电路的两个输入端分别连接交流电源的两个输入端,检流电路的输入端连接检流电阻的输出端,检压电路的输入端连接整流电路的输出端,功率电路与检测电路共地。
所述的控制电路包括PFC控制器。PFC控制器的输入端与检测电路的三个输出端相连,输出端与功率电路中升压电路的双向开关的门极相连。
本发明倍压AC-DC变换器:采用双向开关组成的BOOST型升压电路,直接对交流电压进行斩波,实现了升压的目的,再采用由两个整流二极管、两个电解电容和两个耗能电阻构成的整流电路进行倍压整流,通过对输出电压与输入电流的闭环控制实现单位输入功率因数,从而获得网侧单位功率因数。
本发明根据倍压整流电路能够倍压原理,融入PFC思想,可以在低输入交流电压的情况下,单位输入功率因数的倍压整流PFC电路,克服输入电压过高引起的对功率器件等要求、成本提高的不足,适合低压交流输入-高压直流输出的各种应用场合。功率电路设计简单,控制方便,具有重要的应用价值。本发明倍压整流PFC电路具有设计结构新颖、通用性强等特征,同时具有结构简单、成本低等优点。
附图说明
图1为本发明实施例1的电路原理图
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明,本实施例以本发明技术方案为前提进行,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示,本实施例提供一种倍压AC-DC变换器,包括功率电路、检测电路和控制电路6,功率电路的输出端为直流电压,检测电路的输入端与功率电路的电压、电流引出信号端相连,检测电路的输出端与控制电路的输入端相连,控制电路的输出端与功率电路的控制端相连。
所述的功率电路包括:依次级联的升压电路1、倍压整流电路2。升压电路的输出端与倍压整流电路的两个输入端相连,倍压整流电路的输出端DCP和DCN输出直流电压,倍压整流电路的一个输入端即负直流输出端,且通过检流电阻与交流电源零线相连。
所述的升压电路1为BOOST型升压电路,包括电感L1、双向开关S1和检流电阻R19,升压电感L1的一端与交流电源火线ACL相连,另一端与双向开关S1的一端和整流电路2的一个输入端相连,双向开关S1的另一端与检流电阻R19的一端和整流电路2的另一个输入端相连,检流电阻R19的另一端与交流电源零线相连;
所述的电感L1为非晶体材料,感值为0.75mH。
所述的检流电阻R19为无感电阻,阻值为0.015Ω。
所述的双向开关是由两个逆导开关共射极串联组成,该双向开关的门极接受PWM脉冲控制信号。
所述的逆导开关为IGBT 600V/50A/100℃,共射极逆导开关的PWM驱动脉冲根据闭环控制结果可调,开关频率为20kHz。
所述的倍压整流电路2是由两个二极管D1、D2,两个电容E1、E2和两个电阻R1、R2组成的整流电路,第一电容E1的正极与第一二极管D1的阳极和第二二极管D2的阴极相连,第一电容E1的负极与升压电路1中升压电感L1的输出端和双向开关S1的一端相连,第一二极管D1的阴极与第二电容E2正极相连,且作为直流电压输出正极DCP,第二二极管D2的阳极与第二电容E2负极相连且与升压电路1中双向开关S1的另一端和检流电阻R19的一端相连,且作为直流电压输出负极DCN。电阻R1与电解电容E1并联,电阻R2与电解电容E2并联。
所述的第一和第二二极管D1、D2为反向快恢复二极管,其反向耐压值为600V,35A/100℃。
所述的电解电容E1为铝电解电容分别为3300μF/250V,可以采用多个并联的方式。
所述的电解电容E2为铝电解电容分别为2200μF/400V,可以采用多个并联的方式。
所述的第一电阻R1为普通电阻,阻值为50kΩ/1W。
所述的第二电阻R2为普通电阻,阻值为100kΩ/2W。
所述的检测电路包括独立存在的检零电路3、检流电路4、检压电路5。
所述的检零电路3包括六个电阻、四个二极管、一个电容和一个运算放大器,它的输出端与控制电路的CAP输入端子相连。
所述的第三电阻R3、第四电阻R4、第六电阻R6、第七电阻R7为普通插件电阻,阻值为200kΩ。
所述的第五电阻R5、第八R8为普通电阻,阻值为1kΩ。
所述的第三到第六二极管D3、D4、D5、D6为普通二极管,反向耐压值800V。
所述的第一电容C1为普通电容,0.1μF。
所述的检流电路4包括六个电阻、一个二极管、三个电容、一个运算放大器,它的输出端为控制电路的一个输入端AD1。
所述的第九到第十三电阻R9、R10、R11、R12、R13为普通电阻,阻值为10kΩ。
所述的第十四电阻R14为普通电阻,阻值为1kΩ。
所述的二极管D7为普通二极管,反向耐压值为800V。
所述的第二到第四电容C2、C3、C4为普通电容,0.1μF/63V。
所述的运算放大器为普通运放。
所述的检压电路5包括四个电阻、两个电容,它的输出端为控制电路的输入端AD2。
所述的第十五到第十六电阻R15、R16为普通插件电阻,阻值为200kΩ。
所述的第十七电阻R17、第十八电阻R18为普通电阻,阻值为1kΩ。
所述的第五电容C5、第六电容C6为普通电容,0.1μF/63V。
所述的控制电路6的输入端是与检测电路的输出端相连,输出端与功率电路中升压电路双向开关的门极相连。
本实施例中,输入交流电压为110V,输出直流电压为380V,额定输出功率为2.5kW,所有元器件均采用高精度。
本实施例能够实现高电压输入和更大的功率输出。
本实施例通过以下方式工作:
检零电路3输入端分别于电源的输入端子相连,电源两端电压分别经过第三、第四电阻R3、R4和第六、第七电阻R6、R7分别与第五电阻R5和第八电阻R8分压,得到分压较小分压值,第一滤波电容连接在第五电阻和第八电阻的取压两端,并与一组反向并联的第三二极管和第四二极管并联,获得幅值不超过二极管正向压降的电压,此电压极性随着电源过零发生改变,则第一运算放大器输入端的电压为二极管的导通电压,正负与电容两端电压极性一致,当电源电压经过零点变化时,第一运算放大器输出电压方向改变,完成检零的目的,检零信号输入到控制电路的捕捉输入端。第五二极管和第六二极管构成保护电路,使得检零电路输出电压位于安全范围。
检流电路4是通过功率电路中升压电路的检流电阻将升压电感的电流信号提取出来,此电流信号经过第九电阻、第十电阻的分压作用和第十一电阻、第二电容的滤波作用,转化成电压信号,该电压信号经过由第二运算放大器构成的比例放大器传输到输出侧,同时完成电平提升1.5V,并经过第十四电阻限流后输出到控制电路的第一采样输入端。第二滤波电容、第三滤波电容滤除高次谐波,第四滤波电容和第七二极管构成保护电路。
检压电路5的输入端与整流电路直流输出端相连,第十五电阻、第十六电阻和第十七电阻构成分压电路,得到的分压信号输入到控制电路的第二采样输入端。第五滤波电容、第六滤波电容具有滤除输出电压中高频分量的作用。
控制电路6对检测的过零信号、电压信号、电流信号进行电压闭环和电流闭环控制,可以采用各种PFC控制算法,最后产生高频PWM脉冲控制信号,通过PWM端口控制功率电路中升压电路的双向开关,最终使得整流电路输出稳定的直流电压,同时产生单位输入功率因数。
双向开关导通时,电源向升压电感充能。双向开关关断时,电源、电感和第一电解电容释放能量,对第二电解电容充电,并向负载提供输出功率。第一电阻和第二电阻为能耗电阻,起到稳定作用。通过控制系统合理控制双向开关的通断时间,即可实现PFC的目的。
本发明倍压AC-DC变换器:采用双向开关组成的BOOST型升压电路,直接对交流电压进行斩波,实现了升压的目的,再采用由两个整流二极管、两个电解电容和两个耗能电阻构成的整流电路进行倍压整流,通过对输出电压与输入电流的闭环控制实现单位输入功率因数,从而获得网侧单位功率因数和无谐波电流污染,同时整个电路非常简单,直接检测电量和被控电量较少,控制器设计也并不复杂,已获得仿真分析和实验初步验证。而现有的几种方案的共同不足时:输入电压较低时,功率器件的损耗功率较大,耐压值较大,成本较高。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实例作了详细介绍,但应当认识到上述的描述不应该被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后,对于本发明的多种修改和替代都是显而易见的。因此,本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (4)

1.一种倍压AC-DC变换器,包括功率电路、检测电路和控制电路,其中:功率电路的输出端输出直流电压,内部电压与电流信号引出线与检测电路的输入端相连,检测电路的输出端与控制电路的输入端相连,功率电路的过零、电压、电流信号通过检测电路传至控制电路,其特征在于:所述的功率电路包括:依次级联的升压电路和倍压整流电路,所述升压电路为BOOST型升压电路;所述倍压整流电路的负直流输出端通过检流电阻与交流电源零线相连;
所述的倍压整流电路由两个二极管、两个电容和两个电阻构成,其中第一电容的正极与第一二极管的阳极和第二二极管的阴极相连,第一电容的负极与升压电路中升压电感的输出端和升压电路中双向开关的一端相连,第一二极管的阴极与第二电容正极相连,且作为直流电压输出正极,第二二极管的阳极与第二电容负极相连且与升压电路中双向开关的另一端和检流电阻的一端相连,且作为直流电压输出负极,第一电阻与第一电容并联,第二电阻与第二电解电容并联。
2.根据权利要求1所述的倍压AC-DC变换器,其特征是,所述的BOOST型升压电路,并联在交流电源的火线与零线之间,升压电感的一端与交流电源火线相连,另一端与双向开关的一端和倍压整流电路的一个输入端相连,升压电路中双向开关的另一端与检流电阻的一端和整流电路的另一个输入端相连,检流电阻的另一端与交流电源零线相连。
3.根据权利要求1所述的倍压AC-DC变换器,其特征是,所述的检测电路为三个单独存在的输入电压的检零电路、功率电路的检流电路和输出电压的检压电路,检零电路的两个输入端分别连接交流电源的两个输入端,检流电路的输入端连接检流电阻的输出端,检压电路的输入端连接倍压整流电路的输出端,功率电路与检测电路共地。
4.根据权利要求1所述的倍压AC-DC变换器,其特征是,所述的控制电路包括PFC控制器,PFC控制器的输入端与检测电路的三个输出端相连,输出端与功率电路中升压电路的双向开关的门极相连。
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