CN105790548A - 一种变频器用三通道交错式pfc电路和通道管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变频器用三通道交错式PFC电路和通道管理办法；PFC电路包括整流电路、PFC第一支路、PFC第二支路和PFC第三支路；其中，第一支路，由第一电感、第一二极管和第一开关管组成；第二支路，由第二电感、第二二极管和第二开关管组成；第三支路，由第三电感、第三二极管和第三开关管组成。第一电感的第一端、第二电感的第一端与第三电感的第一端连接为一点；第一电感的第二端与第一二极管的第一端连接；第一电感的第二端与第一开关管的第一端相连；第一开关管的第二端与第一采样电阻的第一端连接。通过本发明，实现了功率变化的灵活控制，提高PFC转换器的负载瞬态响应，大幅减少输出和输入电流纹波，提高电容的寿命。

Description

一种变频器用三通道交错式PFC电路和通道管理方法

技术领域

本发明属于电子电路和异步电机变频器技术领域，更具体地，涉及一种变频器用三通道交错式PFC电路和通道管理方法。

背景技术

随着变频技术的普及，PFC电路越来越多的应用到电源电路中，现有的PFC电路包括单路PFC电路和交错式PFC电路。如图1所示，现有的单路型PFC电路针对一定的功率等级进行设计，存在过载时电流波形畸变，功率因数偏低的情况，不能保证全功率范围内的高功率因数。

交错式PFC电路的纹波电流较小，因此输出电压更稳定，同时工作频率得以提高，从而电路中的电感组件可以减小，功率器件功率等级可以降低，因此交错式PFC电路比单路PFC电路更优越。

如图2所示，然而现有的两路交错式PFC电路系统功率等级不高，在过载时电流畸变和在全功率范围内不能保证高功率因数的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种变频器用三通道交错式PFC电路，旨在解决现有技术中交错式PFC过载时电流畸变和在全功率范围内不能保证高功率因数的问题。

本发明提供了一种变频器用三通道交错式PFC电路，包括依次并联连接在整流桥和负载之间的第一支路、第二支路和第三支路；所述第一支路包括第一电感L1、第一二极管D1、第一开关管Q1和第一采样电阻RS1；所述第一电感L1的一端用于与整流桥的第一端连接，所述第一电感L1的另一端与所述第一二极管D1的阳极连接，所述第一二极管D1的阴极用于连接负载；所述第一电感L1的另一端还与所述第一开关管Q1的第一端相连，所述第一开关管Q1的第二端通过所述第一采样电阻RS1连接至所述整流桥的第二端，所述第一开关管Q1的控制端接收外部的控制信号，并根据外部的控制信号控制所述第一开关管Q1的第一端与第二端之间的导通或截止；所述第二支路包括第二电感L2、第二二极管D2、第二开关管Q2和第二采样电阻RS2；所述第二电感L2的一端用于与整流桥的第一端连接，所述第二电感L2的另一端与所述第二二极管D2的阳极连接，所述第二二极管D2的阴极用于连接负载；所述第二电感L2的另一端还与所述第二开关管Q2的第一端相连，所述第二开关管Q2的第二端通过所述第二采样电阻RS2连接至所述整流桥的第二端，所述第二开关管Q2的控制端接收外部的控制信号，并根据外部的控制信号控制所述第二开关管Q2的第一端与第二端之间的导通或截止；所述第三支路包括第三电感L3、第三二极管D3、第三开关管Q3和第三采样电阻RS3；所述第三电感L3的一端用于与整流桥的第一端连接，所述第三电感L3的另一端与所述第三二极管D3的阳极连接，所述第三二极管D3的阴极用于连接负载；所述第三电感L3的另一端还与所述第三开关管Q3的第一端相连，所述第三开关管Q3的第二端通过所述第三采样电阻RS3连接至所述整流桥的第二端，所述第三开关管Q3的控制端接收外部的控制信号，并根据外部的控制信号控制所述第三开关管Q3的第一端与第二端之间的导通或截止。

更进一步地，还包括：与所述第一采样电阻RS1并联连接的第一运算放大器，与所述第一运算放大器连接的第一信号处理器；与所述第二采样电阻RS2并联连接的第二运算放大器，与所述第二运算放大器连接的第二信号处理器；与所述第三采样电阻RS2并联连接的第三运算放大器，与所述第三运算放大器连接的第三信号处理器。

更进一步地，还包括控制器，分别与所述第一信号处理器、第二信号处理器和第三信号处理器连接，用于读取第一支路、第二支路和第三支路的电流，并根据所述第一支路的电流、所述第二支路的电流和所诉第三支路的电流分别控制第一支路、第二支路和第三支路在轻载、中载和重载时的开关状态。

更进一步地，还包括滤波电容C，所述滤波电容C的一端与所述第一二极管D1的阴极、所述第二二极管D2的阴极和所述第三二极管D3的阴极均连接，所述滤波电容C的另一端与整流桥的第二端连接。

更进一步地，还包括旁路二极管D0，所述旁路二极管D0的阳极与所述整流桥的第一端连接，所述旁路二极管D0的阴极第二端与所述滤波电容C的一端连接。

本发明还提供了一种基于上述的三通道交错式PFC电路的通道管理方法，包括下述步骤：

当中载运行时，通过使得第二开关管的驱动PWM信号滞后第一开关管的驱动PWM信号180°来实现两通道按照180°相差模式运行；

当重载运行时，通过使得第二开关管的驱动PWM信号滞后第一开关管的驱动PWM信号120°，且第三开关管的驱动PWM信号滞后第二开关管驱动PWM信号120°来实现三通道按照120°相差模式运行。

本发明还提供了一种变频器，包括上述的三通道交错式PFC电路。

本发明提供的三通道PFC电路中，通过将三个通道在不同负载时开关状态进行合理的组合，使全功率范围内的功率因数一直较高，通过通道之间的相位组合，大幅减少输入和输出纹波电流，延长了电容的使用寿命，更加经济高效，提高了PFC电路的负载瞬态响应。

附图说明

图1是单路BoostPFC电路的结构示意图；

图2是根据现有技术的两路交错式PFC电路的结构示意图；

图3是根据本发明实施例提供的三通道交错式PFC电路的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的用于轻载是的工作方式示意图；

图5是本发明实施例提供的用于中载是的工作方式示意图；

图6是本发明实施例提供的用于重载是的工作方式示意图；

图7是本发明实施例提供的运算放大电路和信号处理电路的连接示意框图；

图8是本发明实施例提供的变频器系统构成图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明中，轻载是指运行功率不大于额定负载的三分之一。中载是指运行功率大于额定负载的三分之一但不大于额定功率的三分之二。重载是指运行功率大于额定功率的三分之二，但不超过额定功率。过载是指运行功率大于额定功率。

如图3所示，本发明提供了一种三通道交错式PFC电路，该电路包括第一支路，由第一电感L1、第一二极管D1和第一开关管Q1组成，其中，第一电感L1的第一端与整流桥的第一端连接，第一电感L1的第二端与第一二极管D1的第一端连接，第一电感L1的第二端与第一开关管Q1的第一端相连，第一开关管Q1的第二端与第一采样电阻RS1的第一端连接，第一采样电阻RS1的第二端与整流桥的第二端连接；第二支路，由第二电感L2、第二二极管D2和第二开关管Q2组成，其中，第二电感L2的第一端与整流桥的第一端连接，第二电感L2的第二端与第二二极管D2的第一端连接，第二电感L2的第二端与第二开关管Q2的第一端相连，第二开关管Q2的第二端与第二采样电阻RS2的第一端连接，第二采样电阻RS2的第二端与整流桥的第二端连接；第三支路，由第三电感L3、第三二极管D3和第三开关管Q3组成，其中，第三电感L3的第一端与整流桥的第一端连接，第三电感L3的第二端与第三二极管D3的第一端连接，第三电感L3的第二端与第三开关管Q3的第一端相连，第三开关管Q3的第二端与第三采样电阻RS3的第一端连接，第三采样电阻RS3的第二端与整流桥的第二端连接。

如图7所示，在本发明实施例中，三通道交错式PFC电路还包括：第一运算放大器，与第一采样电阻连接，用于放大在第一采样电阻上产生的电压信号得到第一放大信号；第一信号处理器，与第一运算放大器连接，对信号滤波之后送到控制器。

在本发明实施例中，三通道交错式PFC电路还包括：第二运算放大器，与第二采样电阻连接，用于放大在第二采样电阻上产生的电压信号得到第二放大信号；第二信号处理器，与第二运算放大器连接，对信号滤波之后送到控制器。

在本发明实施例中，三通道交错式PFC电路还包括：第三运算放大器，与第三采样电阻连接，用于放大在第三采样电阻上产生的电压信号得到第三放大信号；第三信号处理器，与第三运算放大器连接，对信号滤波之后送到控制器。

如图7所示，在本发明实施例中，第一开关管Q1的第三端与第一驱动电路连接，用于接收第一驱动电路的第一PWM信号；第二开关管Q2的第三端与第一驱动电路连接，用于接收第二驱动电路的第二PWM信号；第三开关管Q3的第三端与第三驱动电路连接，用于接收第三驱动电路的第三PWM信号。

如图7所示，在本发明实施例中，三通道交错式PFC电路还包括：控制器，分别于第一信号处理器、第二信号处理器和第三信号处理器连接，用于读取信号处理器传送的电流信号。

如图3所示，在本发明实施例中，三通道交错式PFC电路还包括：滤波电容C，滤波电容的第一端与第一二极管D1的第二端连接，滤波电容的第一端还与第二二极管D2和第三二极管D3的第二端连接。负载，负载的第一端与滤波电容C的第一端连接，负载的第二端与滤波电容C的第二端连接。

在本发明实施例中，三通道交错式PFC电路，控制器读取第一支路、第二支路和第三支路的电流值。开机，第一支路自动运行。第一支路的电流达到阀值A(此电流阀值A为功率达到额定功率的三分之一时对应的电流)，第二支路运行，第一支路指令值与第二支路电流值相差180°。第一支路电流加第二支路电流达到阀值B(此电流阀值B为功率达到额定功率的三分之二时对应的电流)，第三支路运行，第一支路、第二支路、第三支路相差120°。

如图3所示，在本发明实施例中，三通道交错式PFC电路还包括：旁路二极管D0。旁路二极管D0的第一端和整流桥的第一端连接，旁路二极管D0的第二端和电容C的第一端连接。

本发明还提供了一种变频器，该变频器包括上述的三通道交错式PFC电路。

通过本发明实施例，三通道PFC电路三个通道在不同负载时开关状态的合理组合，使全功率范围内的功率因数一直较高，通过通道之间的相位组合，大幅减少输入和输出纹波电流，延长了电容的使用寿命，更加经济高效，提高了PFC电路的负载瞬态响应。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面是参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图3是本发明实施例提供的三通道交错式PFC电路结构示意图。如图3所示，该电路包括：整流电路、PFC第一支路、PFC第二支路、PFC第三支路和平波电路。其中，第一支路由第一电感L1、第一二极管D1和第一开关管Q1组成；第二支路由第二电感L2、第二二极管D2和第二开关管Q2组成；第三支路由第三电感L3、第三二极管D3和第三开关管Q3组成。其中，第一电感L1的第一端、第二电感L2的第一端与第三电感L3的第一端连接为一点；第一电感L1的第二端与第一二极管D1的第一端连接；第一电感L1的第二端与第一开关管D1的第一端相连；第一开关管D1的第二端与第一采样电阻RS1的第一端连接。

通过本发明实施例，三通道交错式PFC结构，相比与两路交错式PFC电路结构，在同等功率等级的情况下，各器件功率等级下降，成本降低。同时，三通道PFC电路结构，系统可以达到更大的功率等级，三路通道之间的灵活搭配，在不同功率等级条件下，不同支路根据负载的大小决定是否工作，可以实现全功率范围内的高功率因数。

如图3所示，本发明的电路控制原理图，RS1、RS2、RS3分别为第一支路、第二支路和第三支路的电流采样电阻。通过运算放大电路和信号处理电路，控制器得到三条支路的电流值。第一支路开机即启动，设置阀值电流A，控制器检测电流达到阀值A时启动第二支路，设置阀值电流B，控制器检测电流达到阀值电流B时启动第三支路。

如图7所示，在本发明的上述实施例中，三通道交错式PFC电路还包括：第一运算放大器，与第一采样电阻RS1连接，用于放大在第一采样电阻RS1上产生的电压信号得到第一放大信号；第一信号处理器，与第一运算放大器连接，对信号滤波之后送到控制器。

在本发明实施例中，三通道交错式PFC电路还包括：第二运算放大器，与第二采样电阻RS2连接，用于放大在第二采样电阻RS2上产生的电压信号得到第二放大信号；第二信号处理器，与第二运算放大器连接，对信号滤波之后送到控制器。

在本发明实施例中，三通道交错式PFC电路还包括：第三运算放大器，与第三采样电阻RS3连接，用于放大在第三采样电阻RS3上产生的电压信号得到第三放大信号；第三信号处理器，与第三运算放大器连接，对信号滤波之后送到控制器。

在本发明实施例中，第一开关管Q1的第三端与第一驱动电路连接，接收第一驱动电路的第一PWM信号，驱动第一开关管Q1开通或关断；第二开关管Q2的第三端与第二驱动电路连接，接收第二驱动电路的第二PWM信号，驱动第二开关管Q2开通或关断；第三开关管Q3的第三端与第三驱动电路连接，接收第三驱动电路的第三PWM信号，驱动第三开关管Q3开通或关断。

在本发明实施例中，两路交错式PFC电路还包括：控制器，分别与第一信号处理器、第二信号处理器和第三信号处理器连接，用于读取第一支路、第二支路和第三支路的电流。

在本发明实施例中，三通道交错式PFC电路还包括：滤波电容C，滤波电容C的第一端与第一二极管D1的第二端连接，滤波电容C的第一端还与第二二极管D2和第三二极管D3的第二端连接。负载，负载的第一端与滤波电容C的第一端连接，负载的第二端与滤波电容C的第二端连接。滤波电容C维持直流母线电压稳定。

在本发明实施例中，三通道交错式PFC电路还包括：旁路二极管D0。旁路二极管D0的第一端和整流桥的第一端连接，旁路二极管的第二端和电容C的第一端连接。旁路二极管D0可以隔断电容C的放电，防止开关管短接。

面结合图4、图5和图6详细介绍本发明。

如图4所示，在PFC电流较小的情况下，只有PFC第一支路工作，第二支路和第三支路不工作，使系统综合损耗最低，此时第二支路和第三支路电流为零，通过检测第一支路电流得到总电流。此时电流关系为：I_总＝I_第一支路。

具体的，电流通过采样电阻RS1，在RS1上形成小的电压信号，通过第一运算放大器对电压信号进行放大，经过第一信号处理器再送到控制器，可得到第一支路的PFC电流。

如图5所示，当检测到第一支路电路达到电流阀值A(此电流阀值A为功率达到额定功率的三分之一时对应的电流)时，第二支路开始工作，保证较高的功率因数。此时的电流关系为：I_总＝I_第一支路+I_第二支路。

具体的，第二支路PFC电流是通过检测开关管的导通电流计算出来的。开关管导通时，在采样电阻RS2上形成一个不连续的小电压信号，通过第二运算放大器进行电压信号放大，经过第二信号处理器再送到控制器，可以得到第二支路的电流。

如图6所示，当检测到第一支路电路和第二支路的电流和达到电流阀值B(此电流阀值B为功率达到额定功率的三分之二时对应的电流)时，第三支路开始工作，保证了较高的功率因数。此时的电流关系为：I_总＝I_第一支路+I_第二支路+I_第三支路。

具体的，第三支路PFC电流是通过检测开关管的导通电流计算出来的。开关管导通时，在采样电阻RS3上形成一个不连续的小电压信号，通过第三运算放大器进行电压信号放大，经过第三信号处理器再送到控制器，可以得到第三支路的电流。

若PFC控制芯片采的总电流达到阀值C时，系统出现过流保护处理。结合本实施例，PFC控制芯片发送过流信号给后级逆变控制芯片，芯片对比采到的电机相电流，若同时超过所设置的阀值，降低异步电动机的频率。

本发明还提供了一种异步电机变频器，该变频器包括上述的三通道交错式PFC电路，逆变电路和辅助电源。如图8所示，PFC电路产生稳定的直流电压，后级是逆变电路，逆变电路要接电流采样电路，获取电机相电流。驱动电路驱动逆变电路IGBT工作。辅助电源提供个元器件工作的电源。

通过本发明的实施例，通过三个采样电阻RS1、RS2和RS3，计算总的电流，实现三个通道的配合工作，使全功率范围内的功率因数一直较高，通过通道之间的相位组合，大幅减少输入和输出纹波电流，延长了电容的使用寿命，更加经济高效，提高了PFC电路的负载瞬态响应。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种变频器用三通道交错式PFC电路，其特征在于，包括依次并联连接在整流桥和负载之间的第一支路、第二支路和第三支路；

所述第一支路包括第一电感L1、第一二极管D1、第一开关管Q1和第一采样电阻RS1；所述第一电感L1的一端用于与整流桥的第一端连接，所述第一电感L1的另一端与所述第一二极管D1的阳极连接，所述第一二极管D1的阴极用于连接负载；所述第一电感L1的另一端还与所述第一开关管Q1的第一端相连，所述第一开关管Q1的第二端通过所述第一采样电阻RS1连接至所述整流桥的第二端，所述第一开关管Q1的控制端接收外部的控制信号，并根据外部的控制信号控制所述第一开关管Q1的第一端与第二端之间的导通或截止；

所述第二支路包括第二电感L2、第二二极管D2、第二开关管Q2和第二采样电阻RS2；所述第二电感L2的一端用于与整流桥的第一端连接，所述第二电感L2的另一端与所述第二二极管D2的阳极连接，所述第二二极管D2的阴极用于连接负载；所述第二电感L2的另一端还与所述第二开关管Q2的第一端相连，所述第二开关管Q2的第二端通过所述第二采样电阻RS2连接至所述整流桥的第二端，所述第二开关管Q2的控制端接收外部的控制信号，并根据外部的控制信号控制所述第二开关管Q2的第一端与第二端之间的导通或截止；

所述第三支路包括第三电感L3、第三二极管D3、第三开关管Q3和第三采样电阻RS3；所述第三电感L3的一端用于与整流桥的第一端连接，所述第三电感L3的另一端与所述第三二极管D3的阳极连接，所述第三二极管D3的阴极用于连接负载；所述第三电感L3的另一端还与所述第三开关管Q3的第一端相连，所述第三开关管Q3的第二端通过所述第三采样电阻RS3连接至所述整流桥的第二端，所述第三开关管Q3的控制端接收外部的控制信号，并根据外部的控制信号控制所述第三开关管Q3的第一端与第二端之间的导通或截止。

2.如权利要求1所述的三通道交错式PFC电路，其特征在于，还包括：与所述第一采样电阻RS1并联连接的第一运算放大器，与所述第一运算放大器连接的第一信号处理器；与所述第二采样电阻RS2并联连接的第二运算放大器，与所述第二运算放大器连接的第二信号处理器；与所述第三采样电阻RS2并联连接的第三运算放大器，与所述第三运算放大器连接的第三信号处理器。

3.如权利要求2所述的三通道交错式PFC电路，其特征在于，还包括控制器，分别与所述第一信号处理器、第二信号处理器和第三信号处理器连接，用于读取第一支路、第二支路和第三支路的电流，并根据所述第一支路的电流、所述第二支路的电流和所诉第三支路的电流分别控制第一支路、第二支路和第三支路在轻载、中载和重载时的开关状态。

4.如权利要求1-3任一项所述的三通道交错式PFC电路，其特征在于，还包括滤波电容C，所述滤波电容C的一端与所述第一二极管D1的阴极、所述第二二极管D2的阴极和所述第三二极管D3的阴极均连接，所述滤波电容C的另一端与整流桥的第二端连接。

5.如权利要求4所述的三通道交错式PFC电路，其特征在于，还包括旁路二极管D0，所述旁路二极管D0的阳极与所述整流桥的第一端连接，所述旁路二极管D0的阴极第二端与所述滤波电容C的一端连接。

6.一种基于权利要求1-5任一项所述的三通道交错式PFC电路的通道管理方法，其特征在于，包括下述步骤：

当中载运行时，通过使得第二开关管的驱动PWM信号滞后第一开关管的驱动PWM信号180°来实现两通道按照180°相差模式运行；

当重载运行时，通过使得第二开关管的驱动PWM信号滞后第一开关管的驱动PWM信号120°，且第三开关管的驱动PWM信号滞后第二开关管驱动PWM信号120°来实现三通道按照120°相差模式运行。

7.一种变频器，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的三通道交错式PFC电路。