CN105515415A - 一种功率转换电路、方法及空调器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种功率转换电路、方法及空调器。所述电路包括第一储能电路、半桥切换电路、整流电路、第二储能电路和控制信号产生电路；交流电源一端连接第一储能电路的一端，第一储能电路的另一端连接半桥切换电路，半桥切换电路、整流电路、第二储能电路以及负载并联；交流电源的另一端连接整流电路，控制信号产生电路连接半桥切换电路。本发明元器件数量少，电路结构简单、安装该电路的装置体积小，成本低；在电源输入电压的正半周期和负半周期电流通路均仅流过2个功率器件，有效降低电流通路上的功率元器件数目，发热能有效减小，转换效率提高，且本发明电路共模干扰小，EMI容易实现。

Description

一种功率转换电路、方法及空调器
技术领域
本发明涉及功率转换技术领域，尤其涉及一种功率转换电路、方法及空调器。
背景技术
现有技术中，一些负载为非纯电阻负载，如变频空调的负载为压缩机电机，压缩机电机属于非纯电阻负载，存在电压电流相位不一致的情况，并且传统逆变电路经过整流滤波后电流波形发生畸变，功率因数较低和谐波较大，给电网造成很严重的污染，因此必须引入一种功率转换电路(下称PFC)，使其输入电流谐波满足现有的谐波要求。
传统BOOSTPFC因其结构简单，稳定性好，得到广泛应用。但由于工作时，主回路至少3个功率器件有电流流过，因此存在发热大，大功率应用时损耗大的问题，另外，所有电流都流经1个IGBT，因此也制约了大功率的应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种功率转换电路、方法及空调器。
为实现上述发明目的，本发明提供一种功率转换电路，包括第一储能电路、半桥切换电路、整流电路、第二储能电路和控制信号产生电路；交流电源一端连接第一储能电路的一端，第一储能电路的另一端连接半桥切换电路，半桥切换电路、整流电路、第二储能电路以及负载并联；交流电源的另一端连接整流电路，控制信号产生电路连接半桥切换电路，控制半桥切换电路中的两个开关管在整个交流电周期以互补方式工作，每半个交流电周期只控制一个开关管通断,另一个开关管在该半个交流电周期内处于关断状态，实现控制第一储能电路和第二储能电路的充放电。
为实现上述发明目的，本发明提供一种空调器，包括上述技术方案所述的功率转换电路，所述功率转换电路的负载端连接IPM逆变电路，所述IPM逆变电路空调压缩机，控制信号产生电路包括PFC控制端和IPM逆变电路控制端，所述PFC控制端连接半桥切换电路，所述IPM逆变电路控制端连接IPM逆变电路。
为实现上述发明目的，本发明还提供了一种功率转换方法，其利用上述技术方案所述功率转换电路实现，具体包括如下步骤：
S1，采集交流电压、直流母线电压和电路中的电流值；
S2，根据交流电压、直流母线电压和电流值产生控制信号；
S3，将控制信号发送给半桥切换电路，控制半桥切换电路中的两个开关管在整个交流电周期以互补方式工作，每半个交流电周期只控制一个开关管通断,另一个开关管在该半个交流电周期内处于关断状态，实现第一储能电路和第二储能电路的充放电。
本发明的有益效果是：本发明电路由一个电感、两个开关管、两个普通二极管和一个储能电路构成，无需整流桥，元器件数量少，电路结构简单、安装该电路的装置体积小，成本低；在电源输入电压的正半周期和负半周期电流通路均仅流过2个功率器件，有效降低电流通路上的功率元器件数目，发热能有效减小，转换效率提高，且本发明电路共模干扰小，EMI容易实现。
附图说明
图1为本发明所述功率转换电路示意图；
图2a-2b为本发明电源输入电压正半周期时电流流通情况示意图；
图3a-3b为本发明电源输入电压负半周期时电流流通情况示意图；
图4为本发明所述空调器示意图；
图5为本发明所述功率转换方法示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、第一储能电路，2、半桥切换电路，3、整流电路，4、第二储能电路，5、控制信号产生电路。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1，如图1所示，一种功率转换电路，包括第一储能电路1、半桥切换电路2、整流电路3、第二储能电路4和控制信号产生电路5；交流电源一端连接第一储能电路1的一端，第一储能电路2的另一端连接半桥切换电路3，半桥切换电路4、整流电路4、第二储能电路5以及负载并联；交流电源的另一端连接整流电路3，控制信号产生电路5连接半桥切换电路2，控制半桥切换电路中的两个开关管在整个交流电周期以互补方式工作，每半个交流电周期只控制一个开关管通断,另一个开关管在该半个交流电周期内处于关断状态，实现控制第一储能电路和第二储能电路的充放电。每半个交流电周期，控制信号产生电路5通过输出一定频率的PWM信号(一般10K-30KHZ)使得半桥切换电路的一个开关管开通和关断，另一个开关管在该半个交流电周期内处于关断状态。
所述第一储能电路1的另一端连接半桥切换电路2的第一开关管S1和第二开关管S2的公共端,控制信号产生电路5连接半桥切换电路2的第一开关管S1和第二开关管S2的控制端；在每半个交流电周期，被控开关管导通时,交流电源的电流流经交流电源、第一储能电路1、半桥切换电路2中的被控开关管和整流电路3流回到交流电源，实现对第一储能电路1的储能过程；在被控开关管关断时，第一储能电路1通过半桥切换电路2中的另一开关管的续流二极管、第二储能电路4和整流电路3，实现对第二储能电路4的充电。
具体地，所述第一储能电路1采用电感L，所述第二储能电路4采用电容器C。所述半桥切换电路2包括串联的第一开关管S1和第二开关管S2，所述第一开关管S1和第二开关管S2根据控制信号产生电路发送的控制信号不同时导通，以互补方式工作。所述整流电路3包括串联的第一二极管D1和第二二极管D2，所述交流电源的另一端连接整流电路3的第一二极管D1和第二二极管D2的公共端。所述第一开关管S1和第二开关管S2均采用MOS管,所述第一开关管S1和第二开关管S2的栅极均连接至控制信号产生电路，第一开关管S1的源极与第二开关管S2的漏极通过第一储能电路连接至交流电源的一端；所述第一开关管S1的漏极连接第一二极管D1的正极，第一二极管D1的负极和第二二极管D2的正极均连接至交流电源的另一端，所述第二二极管D2的负极连接第二开关管S2的源极。
实施例2，与实施例1不同的是所述第一开关管S1和第二开关管S2均采用IGBT，所述第一开关管S1和第二开关管S2的门极均连接至控制信号产生电路，第一开关管S1的集电极与第二开关管S2的发射极通过第一储能电路连接至交流电源的一端；所述第一开关管S1的发射极连接第一二极管D1的正极，第一二极管D1的负极和第二二极管D2的正极均连接至电源的另一端，所述第二二极管D2的负极连接第二开关管S2的集电极。
实施例1和实施例2中的所述控制信号产生电路5包括交流电压采样电路、直流母线电压采集电路，电流采样电路和MCU，所述交流电压采样电路、直流母线电压采集电路，电流采样电路均与MCU的输入端连接，所述MCU的输出端连接第一开关管S1和第二开关管S2的控制端；所述交流电压采样电路，连接于交流电源两端，用于采集交流电压，并发送给MCU；所述直流母线电压采样电路，连接于第二储能电路两端，用于采集直流母线电压，并发送给MCU；所述电流采样电路，连接于整流电路与第二储能电路之间，用于采集电路中的电流值，并发送给MCU；所述MCU，用于根据接收的交流电压、直流母线电压和电流值产生控制信号，并将控制信号发送至第一开关管S1和第二开关管S2的控制端，控制第一开关管S1和第二开关管S2不同时导通，以互补方式工作。交流电压和直流母线电压可通过电阻分压电路检测，电路中电流值(指PFC电流)可通过电流传感器检测(如霍尔电流传感器)，或者通过无感电阻检测。
如图2a所示，为电源输入电压正半周期，控制信号产生电路5控制第一开关管S1导通且第二开关管S2关断时电流流向示意图(此处控制信号产生电路5未画出)。交流电源的电流流经交流电源、电感L、第一开关管S1和第一二极管D1流回到交流电源，实现对电感L的储能过程。此状态下电感处于储能状态，通过调节第一开关管S1的开通时间调整能量大小，同时电容CBUS向负载放电提供能量。
如图2b所示，为电源输入电压正半周期，控制信号产生电路5控制第一开关管S1关断且第二开关管S2关断时电流流向示意图(此处控制信号产生电路5未画出)。电感L中储存的电流通过第二开关管S2的续流二极管D02、电容CBus和第一二极管D1，实现对电容CBus的充电。此状态下，电容CBUS充电，并释放电感L储存的能量。
如图3a所示，为电源输入电压负半周期,控制信号产生电路5控制第二开关管S2导通且第一开关管S1关断时电流流向示意图(此处控制信号产生电路5未画出)。交流电源的电流流经交流电源、第二二极管D2、第二开关管S2和电感L流回到交流电源，实现对电感L的储能过程。此状态下电感处于储能状态，通过调节第二开关管S2的开通时间调整能量大小，同时电容CBUS向负载放电提供能量。
如图3b所示，为电源输入电压负半周期，控制信号产生电路5控制第一开关管S1关断且第二开关管S2关断时电流流向示意图(此处控制信号产生电路5未画出)。电感L中储存的电流通过第二二极管D2、电容Cbus和第一开关管S1的续流二极管D01实现对电容CBus的充电。此状态下，电容CBUS充电，并释放电感L储存的能量。
以上情况PFC电路分两组处于BOOST工作状态，控制可按照传统BoostPFC控制策略，电流通路仅流过2个功率器件，因此发热能有效分散，转换效率提高，损耗减少。且无需整流桥，元器件数量少，电路结构简单、安装该电路的装置体积小，成本低；且本发明电路共模干扰小，EMI容易实现。
如图4所示，本发明还提供了一种空调器，包括实施例1或实施例2所述的功率转换电路，所述功率转换电路的负载端连接IPM逆变电路，所述IPM逆变电路空调压缩机，控制信号产生电路5包括PFC控制端和IPM逆变电路控制端，所述PFC控制端连接半桥切换电路2，所述IPM逆变电路控制端连接IPM逆变电路。
如图5所示，一种功率转换方法，其利用实施例1或实施例2所述功率转换电路实现，具体包括如下步骤：
S1，采集交流电压、直流母线电压和电路中的电流值；
S2，根据交流电压、直流母线电压和电流值产生控制信号；
S3，将控制信号发送给半桥切换电路，控制半桥切换电路中的两个开关管在整个交流电周期以互补方式工作，每半个交流电周期只控制一个开关管通断,另一个开关管在该半个交流电周期内处于关断状态，实现第一储能电路和第二储能电路的充放电。具体实现为：在每半个交流电周期，被控开关管导通时,交流电源的电流流经交流电源、第一储能电路、半桥切换电路中的被控开关管和整流电路流回到交流电源，实现对第一储能电路的储能过程；在被控开关管关断时，第一储能电路通过半桥切换电路中的另一开关管的续流二极管、第二储能电路和整流电路，实现对第二储能电路的充电。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种功率转换电路，其特征在于，包括第一储能电路(1)、半桥切换电路(2)、整流电路(3)、第二储能电路(4)和控制信号产生电路(5)；
交流电源一端连接第一储能电路(1)的一端，第一储能电路(1)的另一端连接半桥切换电路(2)，半桥切换电路(2)、整流电路(3)、第二储能电路(4)以及负载并联；交流电源的另一端连接整流电路(3)，控制信号产生电路(5)连接半桥切换电路(2)，控制半桥切换电路(2)中的两个开关管在整个交流电周期以互补方式工作，每半个交流电周期只控制一个开关管通断,另一个开关管在该半个交流电周期内处于关断状态，实现第一储能电路(1)和第二储能电路(4)的充放电。
2.根据权利要求1所述功率转换电路，其特征在于，所述半桥切换电路(2)包括串联的第一开关管S1和第二开关管S2，所述第一储能电路(1)的另一端连接半桥切换电路(2)的第一开关管S1和第二开关管S2的公共端,控制信号产生电路(5)连接半桥切换电路(2)的第一开关管S1和第二开关管S2的控制端；
在每半个交流电周期，被控开关管导通时,交流电源的电流流经交流电源、第一储能电路(1)、半桥切换电路(2)中的被控开关管和整流电路(3)流回到交流电源，实现对第一储能电路(1)的储能过程；在被控开关管关断时，第一储能电路(1)通过半桥切换电路(2)中的另一开关管的续流二极管、第二储能电路(4)和整流电路(3)，实现对第二储能电路(4)的充电。
3.根据权利要求2所述功率转换电路，其特征在于，所述整流电路(3)包括串联的第一二极管D1和第二二极管D2,所述交流电源的另一端连接整流电路(3)的第一二极管D1和第二二极管D2的公共端。
4.根据权利要求3所述功率转换电路，其特征在于，所述第一开关管S1和第二开关管S2均采用MOS管,所述第一开关管S1和第二开关管S2的栅极均连接至控制信号产生电路，第一开关管S1的源极与第二开关管S2的漏极通过第一储能电路连接至交流电源的一端；所述第一开关管S1的漏极连接第一二极管D1的正极，第一二极管D1的负极和第二二极管D2的正极均连接至交流电源的另一端，所述第二二极管D2的负极连接第二开关管S2的源极。
5.根据权利要求3所述功率转换电路，其特征在于，所述第一开关管S1和第二开关管S2均采用IGBT，所述第一开关管S1和第二开关管S2的门极均连接至控制信号产生电路，第一开关管S1的集电极与第二开关管S2的发射极通过第一储能电路连接至交流电源的一端；所述第一开关管S1的发射极连接第一二极管D1的正极，第一二极管D1的负极和第二二极管D2的正极均连接至电源的另一端，所述第二二极管D2的负极连接第二开关管S2的集电极。
6.根据权利要求2所述功率转换电路，其特征在于，所述控制信号产生电路(5)包括交流电压采样电路、直流母线电压采集电路，电流采样电路和MCU，所述交流电压采样电路、直流母线电压采集电路，电流采样电路均与MCU的输入端连接，所述MCU的输出端连接第一开关管S1和第二开关管S2的控制端；
所述交流电压采样电路，连接于交流电源两端，用于采集交流电压，并发送给MCU；
所述直流母线电压采样电路，连接于第二储能电路两端，用于采集直流母线电压，并发送给MCU；
所述电流采样电路，连接于整流电路与第二储能电路之间，用于采集电路中的电流值，并发送给MCU；
所述MCU，用于根据接收的交流电压、直流母线电压和电流值产生控制信号，并将控制信号发送至第一开关管S1和第二开关管S2的控制端，控制第一开关管S1和第二开关管S2不同时导通，以互补方式工作。
7.根据权利要求1-6任一项所述功率转换电路，其特征在于，所述第一储能电路(1)采用电感L；所述第二储能电路(4)采用电容器C。
8.一种空调器，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的功率转换电路，所述功率转换电路的负载端连接IPM逆变电路，所述IPM逆变电路空调压缩机，控制信号产生电路(5)包括PFC控制端和IPM逆变电路控制端，所述PFC控制端连接半桥切换电路(2)，所述IPM逆变电路控制端连接IPM逆变电路。
9.一种功率转换方法，其特征在于，利用权利要求1-7任一项所述功率转换电路实现，具体包括如下步骤：
S1，采集交流电压、直流母线电压和电路中的电流值；
S2，根据交流电压、直流母线电压和电流值产生控制信号；
S3，将控制信号发送给半桥切换电路，控制半桥切换电路中的两个开关管在整个交流电周期以互补方式工作，每半个交流电周期只控制一个开关管通断,另一个开关管在该半个交流电周期内处于关断状态，实现第一储能电路和第二储能电路的充放电。
10.根据权利要求9所述功率转换方法，其特征在于，步骤S3的具体实现为：
在每半个交流电周期，被控开关管导通时,交流电源的电流流经交流电源、第一储能电路、半桥切换电路中的被控开关管和整流电路流回到交流电源，实现对第一储能电路的储能过程；在被控开关管关断时，第一储能电路通过半桥切换电路中的另一开关管的续流二极管、第二储能电路和整流电路，实现对第二储能电路的充电。
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