CN105553300A - 改善单相维也纳整流器中点电压不平衡的整流电路及方法 - Google Patents

改善单相维也纳整流器中点电压不平衡的整流电路及方法 Download PDF

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康龙云
李臻
冯腾
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Abstract

本发明公开了改善单相维也纳整流器中点电压不平衡的整流电路，包括第一LC可控电路、第二LC可控电路、采样电路、辅助电源模块、单片机控制模块和驱动模块；采样电路采集单相维也纳整流器输出的上部中点电位Un1及下部中点电位Un2，单片机控制模块计算后输出驱动信号至驱动模块，驱动模块输出的驱动信号分别传输至第一LC可控电路、第二LC可控电路，改变第一LC可控电路、第二LC可控电路的移相角，然后通过负反馈使得Un1、Un2自动调节，补偿单相维也纳整流器不平衡的中点电压，直至平衡。本发明的整流电路及方法，实时调节输出电容接入值，达到自动补偿中点电位的效果，有效解决了维也纳整流电路的中点电位不平衡的问题。

Description

改善单相维也纳整流器中点电压不平衡的整流电路及方法
技术领域
本发明涉及电力电子交流领域，特别涉及改善单相维也纳整流器中点电压不平衡的整流电路及方法。
背景技术
单相VIENNA整流器电路结构简单，开关管承受的电压为输出电压的一半，同等输出电压情况下，能有效地降低开关管的电压应力。另外，该电路具有三电平结构，因而，在确定电流纹波要求下，可以采用较小的滤波电感。由于上述特点使得该电路在单相功率因数校正(PFC)场合具有良好应用前景。
但是三电平结构拓扑的中点电位不平衡的问题一直存在，中点电位不平衡的危害是多方面的，例如电容上的电压波动会降低电容的使用寿命，由于不均衡的电压造成的某相桥臂的功率器件承受的电压偏大等等。解决的思路也是在大范围内防止中点电位偏移，在小范围内尽量减小中点波动的幅度。中点平衡的控制总体上分为硬件控制和软件控制，现有的硬件控制电路具有电路拓扑复杂，控制效果不佳等缺点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供改善单相维也纳整流器中点电压不平衡的整流电路，针对单相维也纳整流器中点电压不平衡问题，采用一种LC可控电路，实时调节输出电容接入值，达到自动补偿中点电位的效果，有效解决了维也纳整流电路的中点电位不平衡的问题。
本发明的另一目的在于提供改善单相维也纳整流器中点电压不平衡的整流方法。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
改善单相维也纳整流器中点电压不平衡的整流电路，包括第一LC可控电路、第二LC可控电路、采样电路、辅助电源模块、单片机控制模块和驱动模块；所述辅助电源模块分别为单片机控制模块、驱动模块供电，采样电路采集单相维也纳整流器输出的上部中点电位Un1、单相维也纳整流器输出的下部中点电位Un2，并将采集的Un1、Un2传输至单片机控制模块，单片机控制模块经过计算后输出相应的驱动信号至驱动模块，驱动模块输出的驱动信号分别传输至第一LC可控电路、第二LC可控电路，第一LC可控电路的移相角减小、第二LC可控电路的移相角增大，或者第一LC可控电路的移相角增大，第二LC可控电路的移相角减小，通过负反馈使得Un1、Un2自动调节，补偿单相维也纳整流器不平衡的中点电压，直至平衡。
所述改善单相维也纳整流器中点电压不平衡的整流电路，还包括
第一电压传感器，用于采集输入单相维也纳整流器的市电电压Ui；
第四电压传感器，用于采集单相维也纳整流器输出电压Udc；
以及第一电流传感器，用于采集单相维也纳整流器输入电流Ii；
采集的Ui、Udc、Ii传输至单片机控制模块，用于单片机控制模块控制单相维也纳整流器工作在功率因数为1的状态。
所述第一LC可控电路包括第五开关管、第六开关管、第九二极管、第十二极管、第一电容、第一电感，其中第五二极管反并联在第五开关管上，第六二极管反并联在第六开关管上，第五开关管的漏极分别接第九二极管的正极和第一电感的一端，第一电感的另一端接单相维也纳整流器输出电压高电位，第五开关管的源极分别接第十二极管的正极和第一电容的负极，第一电容的正极分别接第九二极管的负极和第六开关管的漏极，第六开关管的源极分别接第十二极管的负极和单相维也纳整流器输出中点电位。
所述第二LC可控电路包括第七开关管、第八开关管、第十一二极管、第十二二极管、第二电容、第二电感，其中第七二极管反并联在第七开关管上，第八二极管反并联在第八开关管上，第七开关管的漏极分别接第十一二极管的正极和第二电感的一端，第二电感的另一端接单相维也纳整流器输出中点电位，第七开关管的源极分别接第十二二极管的正极和第二电容的负极，第二电容的正极分别接第十一二极管的负极和第八开关管的漏极，第八开关管的源极分别接第十二二极管的负极和单相维也纳整流器输出电压低电位。
所述单相维也纳整流器，其包括第一整流桥、整流桥臂，所述整流桥臂包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一二极管、第二二极管、第三开关管、第四开关管，其中第一二极管反并联在第一开关管上，第二二极管反并联在第二开关管上，第三二极管反并联在第三开关管上，第四二极管反并联在第四开关管上，第一开关管的漏极与第一整流桥的正输入端相连，第一开关管的源极接第二开关管的源极，第二开关管的漏极分别与第三开关管的漏极和单相维也纳整流器输出中点电位相连，第三开关管的源极接第四开关管的源极，第四开关管的漏极接第一整流桥的负输入端。
所述辅助电源模块，包括第二整流桥，第三电容、第四电容、第五电容，第一电阻、第二电阻、用于输出15V直流电压的第一稳压芯片和用于输出5V直流电压的第二稳压芯片；其中第二整流桥上下两端分别接输入电源VAC的两端，另外两端分别与第五电容两端连接；第三电容的正极端接第一稳压芯片的输入端，第一稳压芯片的输出端接第二稳压芯片的输入端，第二稳压芯片的输出端与单片机控制模块和驱动模块的输入端连接；第一稳压芯片的接地端与第二电阻一端连接，第二电阻的另一端接地；第一电阻的一端与第二电阻的一端连接，另一端接第一稳压芯片的输出端；第四电容接第二稳压芯片的输入端，另一端接地；第五电容的正极端接第二稳压芯片的输出端，另一端接地。
所述驱动模块包括六个结构相同的驱动信号判断电路，每个驱动信号判断电路均包括第三电阻、第六电容、第一与门、第一驱动隔离电路；单片机控制模块输出的控制信号分别连接到第三电阻的一端、第一与门的一个输入端；第三电阻的另一端接第一与门的另一输入端和第六电容的一端，第六电容的另一端接地；第一与门的输出接第一驱动隔离电路。
所述第一驱动隔离电路包括第一三极管、第二三极管、第七电容、第一变压器、第四电阻；第一三极管的基极和第二三极管的基极相连后连接第一与门的输出；第一三极管的发射极和第二三极管的发射极相连后与第七电容的一端相连，第一三极管的集电极接辅助电源模块中第一稳压芯片的输出，第二三极管的集电极与第一变压器的一个输入端相连后接地，第七电容的另一端接第一变压器的另一输入端；第一变压器的一个输出端与第四电阻的一端相连，另一端接主电路开关管的源极，第四电阻的另一端接主电路开关管的门极。
本发明的另一目的通过以下的技术方案实现：
基于改善单相维也纳整流器中点电压不平衡的整流电路的改善单相维也纳整流器中点电压不平衡的整流方法，包含以下顺序的步骤：
S1.辅助电源模块分别为单片机控制模块、驱动模块供电；
S2.采样电路采集单相维也纳整流器输出的上部中点电位Un1、单相维也纳整流器输出的下部中点电位Un2、并将采集的Un1、Un2传输至单片机控制模块；
S3.单片机控制模块经过计算后输出相应的驱动信号至驱动模块，驱动模块输出的驱动信号分别传输至第一LC可控电路、第二LC可控电路，第一LC可控电路的移相角减小、第二LC可控电路的移相角增大，或者第一LC可控电路的移相角增大，第二LC可控电路的移相角减小，通过负反馈使得Un1、Un2自动调节，补偿单相维也纳整流器不平衡的中点电压直至平衡。
步骤S3中，所述补偿单相维也纳整流器不平衡的中点电压直至平衡，具体实现方法为：用上部中点电位Un1减去下部中点电位Un2，若所得差值为正，则减小第一LC可控电路的移相角，同时增大第二LC可控电路的移相角；若所得差值为负，则增大第一LC可控电路的移相角，同时减小第二LC可控电路的移相角，通过负反馈使得中点电位自动调节，补偿不平衡的中点电压，实现中点电位的平衡。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
本发明通过改变输出电容的结构，使得中点电压可以连续自动随着工作环境而改变，解决了电容电压不均衡的问题。单片机控制模块接收电压传感器和电流传感器的信号，从而选择开关管的开通关断的时刻，也就选择了电容接入电路的时刻，从而改变接入电路的电容量。当负载变化时，只需改变驱动信号上升沿到来的时间就可以将功率因数调节到所需要求，解决了现有技术移植性差的问题。加上三电平结构本身的降低开关管耐压的优点，使得此电路结构可以在大功率的应用场合广泛使用。
附图说明
图1为本发明所述改善单相维也纳整流器中点电压不平衡的整流电路的电路图。
图2为图1所述整流电路的辅助电源模块的电路图。
图3为图1所述整流电路的驱动模块的电路图。
图4为图3所述驱动模块的驱动隔离电路的电路图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
图1给出了本发明示例的一种改善单相维也纳整流器中点电压不平衡问题的电路总体结构图，其中包括主电路，辅助电源模块，单片机控制模块(可采用常用的单片机)，驱动模块。主电路包括第一～第八开关管Q1～Q8，第一～第十六二级管VD1～VD16，第一～第二电容C1～C2，第一～第三电感L1～L3，负载，第一～第四电压传感器，第一电流传感器。单相交流电源、第一电压传感器、第一电流传感器、第三电感、单相整流桥(VD13～VD16)、维也纳桥臂、LC可控电路、第二～第三电压传感器、负载、第四电压传感器顺次连接；市电的火线端接第三滤波电感的一端，第三电感的另一端接第一整流桥的正输入端，市电的零线端接第一整流桥的负输入端，单相维也纳整流桥臂接在第一整流桥的输入两端之间；第一～第八二极管分别与第一～第八开关管反并联，第一二极管反并联在第一开关管上，第二二极管反并联在第二开关管上，第三二极管反并联在第三开关管上，第四二极管反并联在第四开关管上，第一开关管的漏极与第一整流桥的正输入端相连，第一开关管的源极接第二开关管的源极，第二开关管的漏极分别与第三开关管的漏极和输出中点电位O相连，第三开关管的源极接第四开关管的源极，第四开关管的漏极接第一整流桥的负输入端；第一LC可控电路包括第五开关管、第六开关管、第九二极管、第十二极管、第一电容、第一电感，第五二极管反并联在第五开关管上，第六二极管反并联在第六开关管上，第五开关管的漏极分别接第九二极管的正极和第一电感的一端，第一电感的另一端接输出电压高电位，第五开关管的源极分别接第十二极管的正极和第一电容的负极，第一电容的正极分别接第九二极管的负极和第六开关管的漏极，第六开关管的源极分别接第十二极管的负极和输出中点电位O；第二LC可控电路包括第七开关管、第八开关管、第十一二极管、第十二二极管、第二电容、第二电感，第七二极管反并联在第七开关管上，第八二极管反并联在第八开关管上，第七开关管的漏极分别接第十一二极管的正极和第二电感的一端，第二电感的另一端接输出中点O，第七开关管的源极分别接第十二二极管的正极和第二电容的负极，第二电容的正极分别接第十一二极管的负极和第八开关管的漏极，第八开关管的源极分别接第十二二极管的负极和输出电压的低电位。第一电压传感器的输入和市电相并联，第二电压传感器的输入和第一LC可控电路的两端相并联，第三电压传感器的输入和第二LC可控电路的两端相并联，第四电压传感器的输入和负载两端相并联，第一电流传感器的输入和市电的输出串联，所有电压和电流传感器的输出接单片机控制模块的对应的采样信号输入端。负载串连在主电路中，一端接整流电路输出的阳极，一端接整流电路输出的阴极。辅助电源模块将220V的交流电压转化为15V和5V的直流电压输出，作为单片机控制模块和驱动模块的辅助电源。单片机控制模块输出驱动信号给驱动模块。驱动模块将通过调节八个开关管的导通时刻，从而调节各个电容接入电路的时间，从而调节中点电位的平衡以及输出的功率因数。
图2给出了改善单相维也纳整流器中点电压不平衡问题电路的辅助电源模块的电路图，辅助电源模块包括整流桥Bridge，第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5，第一电阻R1、第二电阻R2。用于输出15V直流电压的第一稳压芯片TL783和用于输出5V直流电压的第二稳压芯片7805。整流桥Bridge上下两端分别接输入电源Vac的AC+与AC-两端，两端分别与第三电容的两端相接。第三电容的正极端接第一稳压芯片的Vin1端，第一稳压芯片的输出端Vout1接第二稳压芯片的输入端Vin2，第二稳压芯片的输出端Vout2与单片机模块和驱动模块的输入端Vcc连接。第一稳压芯片的接地端与第二电阻一端相接，第二电阻的另一端接地。第一电阻的一端与第二电阻的一端连接，另一端接第一稳压芯片的输出端。第四电容的正极接第二稳压芯片的输入端，另一端接地。第五电容的正极端接第二稳压芯片的输出端，另一端接地。整流桥将220V的交流电压整流成直流电压，第一电阻和第二电阻的阻值调节TL783输出电压的大小，第四电容为第一稳压芯片TL783的输出滤波电容和第二稳压芯片7805的输入滤波电容，第五电容为第二稳压芯片的输出滤波电容，稳压芯片TL783和7805分别输出15V和5V的直流电压，作为系统内部各控制电路的电源。
图3给出了驱动模块的电路图，驱动模块包括第三电阻R3、第六电容C6、第一与门U1以及第一驱动隔离电路。单片机控制模块输出的驱动信号分别连接第三电阻的一端和第一与门。第三电阻的另一端接第一与门的一端和第六电容的一端，第六电容的另一端接地；第一与门的输出接第一驱动隔离电路。
图4给出了驱动模块中驱动隔离的电路图，驱动隔离电路包括第一三极管VT1、第二三极管VT2、第七电容C7、第一变压器T1、第四电阻R4；第一三极管的基极和第二三极管的基极相连后连接第一与门的输出；第一三极管的发射极和第二三极管的发射极相连后与第七电容的一端相连，第一三极管的集电极接辅助电源模块中第一稳压芯片的输出，第二三极管的集电极与第一变压器的一个输入端相连后接地，第七电容的另一端接第一变压器的另一输入端；第一变压器的一个输出端与第四电阻的一端相连，另一端接主电路所驱动的开关管的源极，第四电阻的另一端接主电路所驱动开关管的门极。当驱动信号的高电平到来时，第一三极管导通，由于第一变压器的作用，驱动信号1输出高电平，驱动开关管导通；当驱动信号为低电平时，第二三极管导通，第一变压器输入为低电平，驱动信号1输出低电平，驱动开关管关断。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.改善单相维也纳整流器中点电压不平衡的整流电路，其特征在于：包括第一LC可控电路、第二LC可控电路、采样电路、辅助电源模块、单片机控制模块和驱动模块；所述辅助电源模块分别为单片机控制模块、驱动模块供电，采样电路采集单相维也纳整流器输出的上部中点电位Un1、单相维也纳整流器输出的下部中点电位Un2，并将采集的Un1、Un2传输至单片机控制模块，单片机控制模块经过计算后输出相应的驱动信号至驱动模块，驱动模块输出的驱动信号分别传输至第一LC可控电路、第二LC可控电路，第一LC可控电路的移相角减小、第二LC可控电路的移相角增大，或者第一LC可控电路的移相角增大，第二LC可控电路的移相角减小，通过负反馈使得Un1、Un2自动调节，补偿单相维也纳整流器不平衡的中点电压，直至平衡。
2.根据权利要求1所述改善单相维也纳整流器中点电压不平衡的整流电路，其特征在于：还包括
第一电压传感器，用于采集输入单相维也纳整流器的市电电压Ui；
第四电压传感器，用于采集单相维也纳整流器输出电压Udc；
以及第一电流传感器，用于采集单相维也纳整流器输入电流Ii；
采集的Ui、Udc、Ii传输至单片机控制模块，用于单片机控制模块控制单相维也纳整流器工作在功率因数为1的状态。
3.根据权利要求1所述改善单相维也纳整流器中点电压不平衡的整流电路，其特征在于：所述第一LC可控电路包括第五开关管、第六开关管、第九二极管、第十二极管、第一电容、第一电感，其中第五二极管反并联在第五开关管上，第六二极管反并联在第六开关管上，第五开关管的漏极分别接第九二极管的正极和第一电感的一端，第一电感的另一端接单相维也纳整流器输出电压高电位，第五开关管的源极分别接第十二极管的正极和第一电容的负极，第一电容的正极分别接第九二极管的负极和第六开关管的漏极，第六开关管的源极分别接第十二极管的负极和单相维也纳整流器输出中点电位。
4.根据权利要求1所述改善单相维也纳整流器中点电压不平衡的整流电路，其特征在于：所述第二LC可控电路包括第七开关管、第八开关管、第十一二极管、第十二二极管、第二电容、第二电感，其中第七二极管反并联在第七开关管上，第八二极管反并联在第八开关管上，第七开关管的漏极分别接第十一二极管的正极和第二电感的一端，第二电感的另一端接单相维也纳整流器输出中点电位，第七开关管的源极分别接第十二二极管的正极和第二电容的负极，第二电容的正极分别接第十一二极管的负极和第八开关管的漏极，第八开关管的源极分别接第十二二极管的负极和单相维也纳整流器输出电压低电位。
5.根据权利要求1所述改善单相维也纳整流器中点电压不平衡的整流电路，其特征在于：所述单相维也纳整流器，其包括第一整流桥、整流桥臂，所述整流桥臂包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一二极管、第二二极管、第三开关管、第四开关管，其中第一二极管反并联在第一开关管上，第二二极管反并联在第二开关管上，第三二极管反并联在第三开关管上，第四二极管反并联在第四开关管上，第一开关管的漏极与第一整流桥的正输入端相连，第一开关管的源极接第二开关管的源极，第二开关管的漏极分别与第三开关管的漏极和单相维也纳整流器输出中点电位相连，第三开关管的源极接第四开关管的源极，第四开关管的漏极接第一整流桥的负输入端。
6.根据权利要求1所述改善单相维也纳整流器中点电压不平衡的整流电路，其特征在于：所述辅助电源模块，包括第二整流桥，第三电容、第四电容、第五电容，第一电阻、第二电阻、用于输出15V直流电压的第一稳压芯片和用于输出5V直流电压的第二稳压芯片；其中第二整流桥上下两端分别接输入电源VAC的两端，另外两端分别与第五电容两端连接；第三电容的正极端接第一稳压芯片的输入端，第一稳压芯片的输出端接第二稳压芯片的输入端，第二稳压芯片的输出端与单片机控制模块和驱动模块的输入端连接；第一稳压芯片的接地端与第二电阻一端连接，第二电阻的另一端接地；第一电阻的一端与第二电阻的一端连接，另一端接第一稳压芯片的输出端；第四电容接第二稳压芯片的输入端，另一端接地；第五电容的正极端接第二稳压芯片的输出端，另一端接地。
7.根据权利要求1所述改善单相维也纳整流器中点电压不平衡的整流电路，其特征在于：所述驱动模块包括六个结构相同的驱动信号判断电路，每个驱动信号判断电路均包括第三电阻、第六电容、第一与门、第一驱动隔离电路；单片机控制模块输出的控制信号分别连接到第三电阻的一端、第一与门的一个输入端；第三电阻的另一端接第一与门的另一输入端和第六电容的一端，第六电容的另一端接地；第一与门的输出接第一驱动隔离电路。
8.根据权利要求7所述改善单相维也纳整流器中点电压不平衡的整流电路，其特征在于：所述第一驱动隔离电路包括第一三极管、第二三极管、第七电容、第一变压器、第四电阻；第一三极管的基极和第二三极管的基极相连后连接第一与门的输出；第一三极管的发射极和第二三极管的发射极相连后与第七电容的一端相连，第一三极管的集电极接辅助电源模块中第一稳压芯片的输出，第二三极管的集电极与第一变压器的一个输入端相连后接地，第七电容的另一端接第一变压器的另一输入端；第一变压器的一个输出端与第四电阻的一端相连，另一端接主电路开关管的源极，第四电阻的另一端接主电路开关管的门极。
9.基于权利要求1至8任一项所述改善单相维也纳整流器中点电压不平衡的整流电路的改善单相维也纳整流器中点电压不平衡的整流方法，其特征在于，包含以下顺序的步骤：
S1.辅助电源模块分别为单片机控制模块、驱动模块供电；
S2.采样电路采集单相维也纳整流器输出的上部中点电位Un1、单相维也纳整流器输出的下部中点电位Un2、并将采集的Un1、Un2传输至单片机控制模块；
S3.单片机控制模块经过计算后输出相应的驱动信号至驱动模块，驱动模块输出的驱动信号分别传输至第一LC可控电路、第二LC可控电路，第一LC可控电路的移相角减小、第二LC可控电路的移相角增大，或者第一LC可控电路的移相角增大，第二LC可控电路的移相角减小，通过负反馈使得Un1、Un2自动调节，补偿单相维也纳整流器不平衡的中点电压直至平衡。
10.根据权利要求9所述改善单相维也纳整流器中点电压不平衡的整流方法，其特征在于，步骤S3中，所述补偿单相维也纳整流器不平衡的中点电压直至平衡，具体实现方法为：用上部中点电位Un1减去下部中点电位Un2，若所得差值为正，则减小第一LC可控电路的移相角，同时增大第二LC可控电路的移相角；若所得差值为负，则增大第一LC可控电路的移相角，同时减小第二LC可控电路的移相角，通过负反馈使得中点电位自动调节，补偿不平衡的中点电压，实现中点电位的平衡。
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