CN106787859A - 基于全桥结构的组合式三相单级apfc变换器及其控制装置 - Google Patents

基于全桥结构的组合式三相单级apfc变换器及其控制装置 Download PDF

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Abstract

基于全桥结构的组合式三相单级APFC变换器及其控制装置，涉及三相有源功率因数校正变换器，为了解决现有的三相APFC变换器控制策略复杂、各相难以单独控制、可靠度相对较低或现有的组合式三相APFC变换器输出侧需要附加大功率DC‑DC变换器完成电压等级转换的问题。变换器包括三个单相单级全桥APFC电路单体，单体a的输出侧、单体b的输出侧和单体c的输出侧并联，组成并联支路，该并联支路与输出滤波电容并联，组成并联电路，该并联电路的两端作为变换器输出端。控制装置包括电压外环和三个电流环；电流环包括限幅器、乘法器、电流补偿器和PWM调制器。本发明适用于大功率高功率因数整流。

Description

基于全桥结构的组合式三相单级APFC变换器及其控制装置
技术领域
本发明涉及一种三相有源功率因数校正(APFC)变换器，特别涉及采用三个单相单级全桥APFC变换器单体组合形成的组合式三相单级APFC变换器。
背景技术
为了满足各类用电设备的供电需求，一般会用整流器将电网交流电压转变成可直接或间接使用的直流电压。APFC变换器是一类高功率因数整流器，在获得直流电压的同时，其输入电流波形和相位跟踪输入电压，提高了功率因数、减小了网侧电流谐波，其功率因数校正效果明显好于传统二极管整流电路前加LC滤波的无源功率因数校正电路。
在中大功率应用场合(例如电动汽车充电桩、大型数据中心等)，一般使用三相供电，相应地也会采用三相APFC变换器。但现有的三相APFC变换器(例如电压型PWM整流器、Vienna整流器等)普遍存在控制策略复杂、各相难以单独控制、可靠度相对较低等问题。
因此，有研究人员提出了组合式三相APFC变换器的构想(例如三相无桥功率因数校正交流-直流变换器)，即采用三个单相APFC变换器单体组合形成三相APFC变换器。这种组合式三相APFC变换器可利用或改进单相APFC变换器相对简单的控制策略，且在某一相发生故障时，其余相仍能为负载提供能量。
但现有的组合式三相APFC变换器采用的单相单体均属于两级式APFC系统的前级变换器，单体和组合式三相APFC变换器的输出电压只能设计为400V左右，因此，现有的组合式三相APFC变换器一般需要在输出侧附加大功率DC-DC变换器以完成电压等级的转换，这将会减小系统的功率密度和效率。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的三相APFC变换器控制策略复杂、各相难以单独控制、可靠度相对较低或现有的组合式三相APFC变换器输出侧需要附加大功率DC-DC变换器完成电压等级转换的问题，从而提供基于全桥结构的组合式三相单级APFC变换器及其控制装置。
本发明的基于全桥结构的组合式三相单级APFC变换器，包括三个单相单级全桥APFC电路单体，分别为单体a、单体b和单体c；
单体a的输出侧、单体b的输出侧和单体c的输出侧并联，组成并联支路，该并联支路与输出滤波电容并联，组成并联电路，该并联电路的两端作为变换器输出端。
优选的是，该变换器的输入侧采用星形连接，即单体a的输入侧+端、单体b的输入侧+端和单体c的输入侧+端分别与三相电网的A相、B相和C相线相连，单体a的输入侧-端、单体b的输入侧-端和单体c的输入侧-端均与三相电网的中性线N相连。
优选的是，该变换器的输入侧采用三角形连接，即单体a的输入侧+端、单体b的输入侧+端和单体c的输入侧+端分别与三相电网的A相、B相和C相线相连，单体a的输入侧-端、单体b的输入侧-端分别和单体c的输入侧-端与三相电网的B相、C相和A相线相连。
优选的是，每个单相单级全桥APFC电路单体包括工频整流桥、PFC电感、全桥桥臂、高频变压器和输出全波整流电路；
工频整流桥的输入侧作为单体的输入侧，工频整流桥的输出+端与PFC电感的一端相连，工频整流桥的输出-端与全桥桥臂的两个桥臂的下侧开关器件的源极相连，全桥桥臂的两个桥臂的上侧开关器件的漏极均与PFC电感的另一端相连；高频变压器一次侧的同名端、全桥桥臂的一个桥臂的上侧开关器件的源极和该桥臂下侧开关器件的漏极相连，高频变压器一次侧的异名端、全桥桥臂的另一个桥臂的上侧开关器件的源极和该桥臂下侧开关器件的漏极相连；高频变压器二次侧三个端子分别与输出全波整流电路的输入侧三个端子相连；输出全波整流电路的输出侧作为单体的输出侧。
优选的是，每个单相单级全桥APFC电路单体包括工频整流桥、PFC电感、全桥桥臂、高频变压器和输出全波整流电路；
工频整流桥的输入侧作为单体的输入侧，工频整流桥的输出+端与PFC电感的一端相连，工频整流桥的输出-端与全桥桥臂的两个桥臂的下侧开关器件的发射极相连，全桥桥臂的两个桥臂的上侧开关器件的集电极均与PFC电感的另一端相连；高频变压器一次侧的同名端、全桥桥臂的一个桥臂的上侧开关器件的发射极和该桥臂下侧开关器件的集电极相连，高频变压器一次侧的异名端、全桥桥臂的另一个桥臂的上侧开关器件的发射极和该桥臂下侧开关器件的集电极相连；高频变压器二次侧三个端子分别与输出全波整流电路的输入侧三个端子相连；输出全波整流电路的输出侧作为单体的输出侧。
本发明的基于全桥结构的组合式三相单级APFC变换器的控制装置，包括电压外环和三个电流环；
三个电流环分别与单体a、单体b和单体c对应，三个电流环的结构相同；
电压外环采用电压补偿器实现；电压补偿器的两个输入端分别输入变换器的输出电压和参考电压；
每个电流环包括限幅器、乘法器、电流补偿器和PWM调制器；
限幅器的输入端与电压补偿器的输出端相连，限幅器的输出端与乘法器的一个输入端相连，乘法器的另一个输入端输入对应单体的输入电压绝对值，乘法器的输出端与电流补偿器的一个输入端相连，电流补偿器的另一个输入端输入对应单体的PFC电感的电流，电流补偿器的输出端与PWM调制器的输入端相连，PWM调制器的输出作为对应单体的全桥桥臂的开关器件的PWM开关信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明的技术方案采用三个单相单体组合，组合后的变换器无需采用背景技术所述的三相APFC变换器非常复杂的控制策略，本发明对现有的单相APFC变换器相对简单的控制策略进行改进。本发明的控制装置中，三个单相单体可分别单独控制，与单相APFC变换器独立运行几乎相同，各相之间影响非常小；通过改变限幅器限幅值的大小，可灵活调节或限制各相电流幅值，且不影响功率因数校正效果；该控制装置还可以保证单相发生故障时其余相仍可为负载提供能量，可靠度较高。
2、单相单体采用单级全桥APFC电路，得益于该结构中的高频变压器，单体及组合式APFC变换器的输出电压可在数十伏至数千伏很宽的范围内设计，而非背景技术中所述两级式APFC变换的400V左右；得益于其全桥结构，单体本身可应用在大功率场合，而组合式APFC变换器可胜任更大功率等级。本发明属于一种单级式APFC变换，使用一级电路即可同时实现功率因数校正和电压等级转换，其效率和功率密度都较高。
本发明是通过三相组合克服现有的单相单级全桥APFC单体存在的缺点。现有单相单体是单级式APFC，单体单独工作时存在固有的较大输出电压二倍工频纹波、输出滤波电容较大和调节速度较慢的问题。三相组合之后，由三个单相单体产生的二倍工频纹波相抵消，可使输出电压不存在二倍工频纹波，输出滤波电容可选得较小，同时也大大加快了系统的调节速度。
可见，无论是与现有三相APFC变换器相比，还是同单相单级全桥APFC电路相比，本技术方案均具有积极意义。
附图说明
图1是具体实施方式一所述的基于全桥结构的组合式三相单级APFC变换器在三相四线制场合输入侧为星形连接时的电路结构示意图；
图2是具体实施方式一所述的基于全桥结构的组合式三相单级APFC变换器在三相三线制场合输入侧为三角形连接时的电路结构示意图；
图3是具体实施方式六所述的基于全桥结构的组合式三相单级APFC变换器的控制装置的原理结构示意图；
图4为具体实施方式六中的三个单体限幅器的限幅值不同时组合式三相单级APFC变换器输入电流波形图；
图5为具体实施方式六中的单体c发生故障时组合式三相单级APFC变换器工作波形图；
图6为具体实施方式六中的输出电压uo和变压器匝比n的关系曲线图；
图7为具体实施方式六中的单相单体单独工作的波形图；
图8为具体实施方式六中的组合式三相单级APFC变换器工作的波形图；
图9为具体实施方式六中的单相单体单独工作时输出电压动态变化的波形图；
图10为具体实施方式六中的组合式三相单级APFC变换器输出电压动态变化波形图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1和图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于全桥结构的组合式三相单级APFC变换器，包括三个单相单级全桥APFC电路单体，分别为单体a、单体b和单体c；
单体a的输出侧、单体b的输出侧和单体c的输出侧并联，组成并联支路，该并联支路与输出滤波电容6并联，组成并联电路，该并联电路的两端作为变换器输出端。
以图1三相四线制场合(图2三相三线制场合也类似)的单体a为例介绍其原理，假设单体a输入侧整流后的电压uad为
式中，Ua为单体a输入电压ua的有效值，ω为电网角频率。
定义PFC电感La在一个储放能周期(开关周期)内，桥臂直通(第一开关Sa1、第二开关Sa2开通或第三开关Sa3、第四开关Sa4开通为桥臂直通状态，第一开关Sa1、第四开关Sa4开通或第三开关Sa3、第二开关Sa2开通为对臂导通状态)时间所占比例为占空比Da。假定开关周期Ts远小于工频周期，则可以认为一个开关周期内PFC电感上伏秒积是守恒的，因此可以得到如下表达式：
由公式二可得单体a占空比Da的表达式如下：
其中，n为高频变压器Ta的变压器匝比，uo为变换器输出电压。当采用电流闭环控制使输入电流跟踪输入电压达到功率因数校正功能后，占空比Da的实际变化规律符合公式三。
以单相单级全桥APFC变换器为单体的组合式三相单级APFC变换器正常工作时，由于存在高频变压器隔离，故几乎无相间耦合和环流等问题(而现有技术的组合式三相APFC变换器存在该问题)，三个单体之间几乎没有影响，单体b、单体c的工作方式和上述单体a相同，三个单体的输入电流分别跟踪各自的输入电压，而输出侧电流iVD由三个单体的输出侧电流iaVD、ibVD、icVD相叠加，共同为输出滤波电容6和负载R提供能量。
图1和图2中ia为单体a的输入电流、ib为单体b的输入电流、ic为单体c的输入电流，ua为单体a的输入电压、ub为单体b的输入电压、uc为单体c的输入电压。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于全桥结构的组合式三相单级APFC变换器作进一步说明，本实施方式中，该变换器的输入侧采用星形连接，即单体a的输入侧+端、单体b的输入侧+端和单体c的输入侧+端分别与三相电网的A相、B相和C相线相连，单体a的输入侧-端、单体b的输入侧-端和单体c的输入侧-端均与三相电网的中性线N相连。本实施方式的连接方式适用于三相四线制场合。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于全桥结构的组合式三相单级APFC变换器作进一步说明，本实施方式中，该变换器的输入侧采用三角形连接，即单体a的输入侧+端、单体b的输入侧+端和单体c的输入侧+端分别与三相电网的A相、B相和C相线相连，单体a的输入侧-端、单体b的输入侧-端和单体c的输入侧-端分别与三相电网的B相、C相和A相线相连。本实施方式的连接方式适用于三相三线制场合。
具体实施方式四：结合图1和图2具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的基于全桥结构的组合式三相单级APFC变换器作进一步说明，本实施方式中，每个单相单级全桥APFC电路单体包括工频整流桥1、PFC电感2、全桥桥臂3、高频变压器4和输出全波整流电路5；
工频整流桥1的输入侧作为单体的输入侧，工频整流桥1的输出+端与PFC电感2的一端相连，工频整流桥1的输出-端与全桥桥臂3的两个桥臂的下侧开关器件的源极相连，全桥桥臂3的两个桥臂的上侧开关器件的漏极与PFC电感2的另一端相连；高频变压器4一次侧的同名端、全桥桥臂3的一个桥臂的上侧开关器件的源极和该桥臂下侧开关器件的漏极相连，高频变压器4一次侧的异名端、全桥桥臂3的另一个桥臂的上侧开关器件的源极和该桥臂下侧开关器件的漏极相连，高频变压器4二次侧三个端子分别与输出全波整流电路5的输入侧三个端子相连；输出全波整流电路5的输出侧作为单体的输出侧。
本实施方式中开关器件采用电力场效应晶体管(MOSFET)实现。
图1和图2中PFC电感2的电压为uLa，VDa1为第一二极管，VDa2为第二二极管。
具体实施方式五：结合图1和图2具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的基于全桥结构的组合式三相单级APFC变换器作进一步说明，本实施方式中，每个单相单级全桥APFC电路单体包括工频整流桥1、PFC电感2、全桥桥臂3、高频变压器4和输出全波整流电路5；
工频整流桥1的输入侧作为单体的输入侧，工频整流桥1的输出+端与PFC电感2的一端相连，工频整流桥1的输出-端与全桥桥臂3的两个桥臂的下侧开关器件的发射极相连，全桥桥臂3的两个桥臂的上侧开关器件的集电极与PFC电感2的另一端相连；高频变压器4一次侧的同名端、全桥桥臂3的一个桥臂的上侧开关器件的发射极和该桥臂下侧开关器件的集电极相连，高频变压器4一次侧的异名端、全桥桥臂3的另一个桥臂的上侧开关器件的发射极和该桥臂下侧开关器件的集电极相连，高频变压器4二次侧三个端子分别与输出全波整流电路5的输入侧三个端子相连；输出全波整流电路5的输出侧作为单体的输出侧。
本实施方式中开关器件采用绝缘栅双极晶体管(IGBT)实现。
具体实施方式六：结合图3至图10具体说明本实施方式，上述任意一项实施方式所述的基于全桥结构的组合式三相单级APFC变换器的控制装置，包括电压外环7和三个电流环；
三个电流环分别与单体a、单体b和单体c对应，三个电流环的结构相同；
电压外环7采用电压补偿器实现；电压补偿器的两个输入端分别输入变换器的输出电压uo和参考电压Uoref；
每个电流环包括限幅器、乘法器、电流补偿器和PWM调制器；
限幅器的输入端与电压补偿器的输出端相连，限幅器的输出端与乘法器的一个输入端相连，乘法器的另一个输入端输入对应单体的输入电压绝对值，乘法器的输出端与电流补偿器的一个输入端相连，电流补偿器的另一个输入端输入对应单体的PFC电感的电流，电流补偿器的输出端与PWM调制器的输入端相连，PWM调制器的输出作为对应单体的全桥桥臂3的开关器件的PWM开关信号。
图3是基于全桥结构的组合式三相单级APFC变换器的控制装置的原理结构示意图，与单体a、单体b和单体c对应的三个电流环分别为单体a电流环8-1、单体b电流环8-2和单体c电流环8-3；单体a、单体b和单体c的输入电流给定iaref、ibref和icref分别来自该相输入电压的绝对值|ua|、|ub|、|uc|和三个单体公用的电压外环输出Vu的乘积，由于采用同一个电压外环，当三相电网平衡时，|ua|、|ub|、|uc|幅值相等，所以三个单相单体的正弦电流给定幅值也相等，这样，三个单相单体的实际输入电流波形和相位跟踪该相电压，且幅值相等，三个单相单体各为负载提供1/3的功率；单体a电流环8-1的限幅器La、单体b电流环8-1的限幅器Lb和单体c电流环8-1的限幅器Lc可用于灵活调节或限制各相输入电流幅值大小，由于仅限制了直流量的大小，即仅限制了La的输出Va、Lb的输出Vb、和Lc的输出Vc的大小，所以电流给定仍为正弦量，因此，限幅器并不会影响PFC效果；各个电流补偿器的输出和高频载波比较产生该相单体开关器件的PWM开关信号。图中，iaL为单体a的PFC电感的电流，ibL为单体b的PFC电感的电流，icL为单体c的PFC电感的电流。Sa1-4为单体a电流环8-1的PWM调制器的输出，Sb1-4为单体b电流环8-1的PWM调制器的输出,Sc1-4为单体c电流环8-1的PWM调制器的输出。
除了灵活调节或限制输入电流幅值大小，该控制装置还使得组合式三相单级APFC变换器可在单相单体发生故障时其余相仍正常运行，为负载提供能量。
如图4所示是将三个单体限幅值设置不同时，三个单体的输入电流波形，如图5所示是单体c发生故障时，其余相仍正常工作，组合式三相单级APFC变换器输出额定电压的波形。图4、图5均证明了本实施方式中控制装置的有效性。
一般在两级式的APFC变换器中，在实现功率因数校正的同时，其APFC级输出电压为400V左右，在本实施方式的单相单级式全桥APFC变换器中，只需将nuo设计为400V左右，由于变压器匝比n可以灵活设计，因此，本实施方式的组合式三相单级APFC变换器输出电压可在数十伏至数千伏很宽的范围内按不同应用场合灵活设计。如图6所示为本发明的组合式三相单级APFC变换器中变压器匝比n与可设计输出电压uo的关系曲线图，该曲线说明本实施方式的变换器输出电压可设计范围确实很宽。
单相单级全桥APFC单体单独工作时(以单体a为例)，输出侧电流iaVD平均值iaVD2为
式中，Ia为单体a输入电流ia的有效值。
因此，由公式四中的交流分量在输出电压中产生的二倍工频纹波uao2的表达式为
其中，C为输出滤波电容6的电容值，当三相电网平衡时，三个单相单体组合后，组合式三相单级APFC变换器的输出电压二倍工频纹波uo2为
因此，本实施方式的组合式三相单级APFC变换器的输出电压不含二倍工频纹波。由于不含二倍工频纹波，其输出滤波电容就可以选得较小，同时，其调节速度也会相应加快。
图7和图8所示分别是单相单体单独工作和组合式三相单级APFC变换器的工作波形，单相单体和本实施方式的组合式三相单级APFC变换器均能达到出色的功率因数校正效果，证明了本实施方式的有效性，对比输出电压uo可知，不同于单相单体，组合式三相单级APFC变换器输出电压没有明显的二倍工频纹波。
如图9和如图10所示分别是单相单体单独工作和组合式三相单级APFC变换器突然由额定负载切换到半载时输出电压动态变化波形，对比可知，本实施方式的组合式三相单级APFC变换器输出电压调节速度明显较快。
图4至图10的结果，均证明了本发明的有效性及其有益效果。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (6)

1.基于全桥结构的组合式三相单级APFC变换器，其特征在于，包括三个单相单级全桥APFC电路单体，分别为单体a、单体b和单体c；
单体a的输出侧、单体b的输出侧和单体c的输出侧并联，组成并联支路，该并联支路与输出滤波电容(6)并联，组成并联电路，该并联电路的两端作为变换器输出端。
2.根据权利要求1所述的基于全桥结构的组合式三相单级APFC变换器，其特征在于，该变换器的输入侧采用星形连接，即单体a的输入侧+端、单体b的输入侧+端和单体c的输入侧+端分别与三相电网的A相、B相和C相线相连，单体a的输入侧-端、单体b的输入侧-端和单体c的输入侧-端均与三相电网的中性线N相连。
3.根据权利要求1所述的基于全桥结构的组合式三相单级APFC变换器，其特征在于，该变换器的输入侧采用三角形连接，即单体a的输入侧+端、单体b的输入侧+端和单体c的输入侧+端分别与三相电网的A相、B相和C相线相连，单体a的输入侧-端、单体b的输入侧-端分别和单体c的输入侧-端与三相电网的B相、C相和A相线相连。
4.根据权利要求1所述的基于全桥结构的组合式三相单级APFC变换器，其特征在于，每个单相单级全桥APFC电路单体包括工频整流桥(1)、PFC电感(2)、全桥桥臂(3)、高频变压器(4)和输出全波整流电路(5)；
工频整流桥(1)的输入侧作为单体的输入侧，工频整流桥(1)的输出+端与PFC电感(2)的一端相连，工频整流桥(1)的输出-端与全桥桥臂(3)的两个桥臂的下侧开关器件的源极相连，全桥桥臂(3)的两个桥臂的上侧开关器件的漏极均与PFC电感(2)的另一端相连；高频变压器(4)一次侧的同名端、全桥桥臂(3)的一个桥臂的上侧开关器件的源极和该桥臂下侧开关器件的漏极相连，高频变压器(4)一次侧的异名端、全桥桥臂(3)的另一个桥臂的上侧开关器件的源极和该桥臂下侧开关器件的漏极相连；高频变压器(4)二次侧三个端子分别与输出全波整流电路(5)的输入侧三个端子相连；输出全波整流电路(5)的输出侧作为单体的输出侧。
5.根据权利要求1所述的基于全桥结构的组合式三相单级APFC变换器，其特征在于，每个单相单级全桥APFC电路单体包括工频整流桥(1)、PFC电感(2)、全桥桥臂(3)、高频变压器(4)和输出全波整流电路(5)；
工频整流桥(1)的输入侧作为单体的输入侧，工频整流桥(1)的输出+端与PFC电感(2)的一端相连，工频整流桥(1)的输出-端与全桥桥臂(3)的两个桥臂的下侧开关器件的发射极相连，全桥桥臂(3)的两个桥臂的上侧开关器件的集电极均与PFC电感(2)的另一端相连；高频变压器(4)一次侧的同名端、全桥桥臂(3)的一个桥臂的上侧开关器件的发射极和该桥臂下侧开关器件的集电极相连，高频变压器(4)一次侧的异名端、全桥桥臂(3)的另一个桥臂的上侧开关器件的发射极和该桥臂下侧开关器件的集电极相连；高频变压器(4)二次侧三个端子分别与输出全波整流电路(5)的输入侧三个端子相连；输出全波整流电路(5)的输出侧作为单体的输出侧。
6.上述任意一项权利要求所述的基于全桥结构的组合式三相单级APFC变换器的控制装置，其特征在于，包括电压外环(7)和三个电流环；
三个电流环分别与单体a、单体b和单体c对应，三个电流环的结构相同；
电压外环(7)采用电压补偿器实现；电压补偿器的两个输入端分别输入变换器的输出电压和参考电压；
每个电流环包括限幅器、乘法器、电流补偿器和PWM调制器；
限幅器的输入端与电压补偿器的输出端相连，限幅器的输出端与乘法器的一个输入端相连，乘法器的另一个输入端输入对应单体的输入电压绝对值，乘法器的输出端与电流补偿器的一个输入端相连，电流补偿器的另一个输入端输入对应单体的PFC电感的电流，电流补偿器的输出端与PWM调制器的输入端相连，PWM调制器的输出作为对应单体的全桥桥臂(3)的开关器件的PWM开关信号。
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