CN106849708A - 一种pfc整流装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种PFC整流装置。包括：依次相连的单相输入电源、整流升压调控系统、输出电压校准电路和负载；所述输出电压校准电路包括解耦电容和与所述解耦电容串联的滤波电容。本发明将系统中的二次脉动功率由输出电压校准电路中的解耦电容吸收，使得输出滤波容量大大减小；本发明的PFC整流装置可以输出任意的电压，拓宽了整流装置的应用范围，本发明的PFC整流装置兼具二次脉动功率解耦能力和提供宽输出电压范围的能力。

Description

一种PFC整流装置

技术领域

本发明涉及电路调制技术领域，更具体地，涉及一种PFC整流装置。

背景技术

最简单的功率因数校正电路由二极管整流器和DC/DC斩波电路组成，目前已广泛的应用于电动汽车充电器、电子镇流器、LED灯负载等场合中。但是，在进行AC/DC功率变换时，二次脉动功率被注入至负载侧，导致低频输出电压纹波，降低系统性能，还会减少电容、电池等元器件寿命。因此，处理好输入输出端瞬时功率的不平衡，消除二次脉动功率对系统的影响具有现实意义。

无源解耦技术通过增加无源器件的容量来缓冲二次脉动功率，该方法具有简单、容易实施的优点，但是却大大增加了系统的成本、降低了系统的功率密度，并且不利于装置的模块化设计；此外，大容量的电解电容的使用还会限制系统的寿命，降低系统可靠性。另一种可行的方法是有源解耦技术，它利用开关装置将二次脉动功率转移到额外的小电容来避免二次脉动功率的不利影响，不存在无源解耦技术功率密度低、电容容值大等缺点，因而得到广泛的关注和研究。

针对前级为二极管整流器的功率因数校正(Power Factor Correction，PFC)变换器，存在多种有源解耦方案，其中一种是使用两个串联的解耦电容来提供直流电压，并且起到缓解二次脉动功率的作用，但是其能量只能从较低的电容传输至较高的电容中，二次脉动功率没有解耦完全。另一种解耦方案中利用对称半桥电路替代升压PFC电路中的直流电容，可实现完全功率解耦，但这种拓扑只能整流输出高的直流电压，不适用于低电压场合。此外，还有一种方案中将PFC电路和解耦电路合并，虽然减少了开关的使用，但是解耦电容电压很高。

发明内容

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种PFC整流装置，该整流装置具有二次脉动功率解耦能力和宽输出电压范围的整流器。

本发明提供的PFC整流装置，包括：

依次相连的单相输入电源、整流升压调控系统、输出电压校准电路和负载；所述输出电压校准电路包括解耦电容和与所述解耦电容串联的滤波电容。

优选地，所述输出电压校准电路还包括：

第二IGBT功率器件、第三IGBT功率器件S3和第一电感L1；

所述第二IGBT功率器件S2的集电极与所述解耦电容一端相连，所述第二IGBT功率器件S2的发射极和所述第三IGBT功率器件S3的集电极均与所述第一电感L1的一端相连，所述解耦电容另一端与所述第一电感L1的另一端相连；

所述第三IGBT功率器件S3的发射极分别与所述滤波电容的另一端和所述负载的另一端相连，所述滤波电容的一端分别与所述负载的一端以及所述解耦电容和所述第一电感L1的公共结点相连。

优选地，所述第二IGBT功率器件S2和所述第三IGBT功率器件S3的两端均反并联一个二极管。

优选地，所述解耦电容和所述滤波电容均为薄膜电容。

优选地，所述整流升压调控系统包括二极管整流器和升压变换器；

所述单相输入电源与所述二极管整流器相连，所述二极管整流器与所述升压变换器相连，所述升压变换器与所述输出电压校准电路相连。

优选地，所述二极管整流器包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4；

所述第一二极管D1的正极与所述第二二极管D2的负极均和所述单相输入电源的一个端口相连，所述第一二极管D1的负极与所述第三二极管D3的负极均和所述升压变换器相连，所述第二二极管D2的正极与所述第四二极管D4的正极均和所述升压变换器相连，所述第三二极管D3的正极与所述第四二极管D4的负极均和所述单相输入电源的另一个端口相连。

优选地，所述升压变换器包括第一IGBT功率器件S1、第二电感L、第五二极管D5和反并联在所述第一IGBT功率器件S1两端的二极管；

所述第二电感L的一端与所述二极管整流器相连，另一端分别与所述第一IGBT功率器件S1的集电极和所述输出电压校准电路相连，所述第一IGBT功率器件S1的发射极与所述第五二极管D5的负极相连，所述第五二极管D5的正极与所述输出电压校准电路相连。

优选地，所述升压变换器包括第一IGBT功率器件S1、第二电感L、第五二极管D5和反并联在所述第一IGBT功率器件S1两端的二极管；

所述第二电感L的一端与所述第三二极管D3的负极相连，另一端分别与所述第一IGBT功率器件S1的集电极、所述解耦电容的一端和第二IGBT功率器件S2的集电极相连，所述第一IGBT功率器件S1的发射极分别与所述第四二极管D4的正极和所述第五二极管D5的负极相连，所述第五二极管D5的正极与所述输出电压校准电路相连。

优选地，所述PFC整流装置还包括：采样调理电路、控制器和IGBT驱动电路；

所述采样调理电路用于采集输入电压值、所述整流升压调控系统中电流解耦电容的电压值、滤波电容的电压值和所述输出电压校准电路的电流值，并进行模数转换处理；

所述控制器用于基于处理后的所述电压值和电流值得到各IGBT功率器件的动作信号，并将所述信号输送给所述IGBT驱动电路；

所述IGBT驱动电路用于控制各个IGBT控制器件的导通与关断。

优选地，所述控制器用于基于所述电压值和电流值计算各IGBT功率器件的动作信号具体为：

基于所述电压值和电流值计算各IGBT功率器件的占空比，基于所述占空比计算各IGBT器件的动作信号。

本发明提出的PFC整流装置将系统中的二次脉动功率由输出电压校准电路中的解耦电容吸收，使得输出滤波容量大大减小，系统的功率密度和可靠性提高；解耦电容电压运行约束少，使得电压应力低，减少了系统成本。此外，任意的输出电压均可实现，拓宽了整流装置的应用范围。

附图说明

图1为根据本发明一个优选实施例中PFC整流装置的电路结构示意图；

图2为根据本发明一个优选实施例中PFC整流装置的运行状态示意图；

图3为根据本发明一个优选实施例中控制系统DSP控制框图；

图4(a)为根据本发明一个优选实施例中使用PFC整流装置时输出电压为120V时的输入电压v_g、输入电流i_g、解耦电容电压v_d和输出电压v_o各自的实验波形图；

图4(b)为根据本发明一个优选实施例中使用PFC整流装置时输出电压为120V时的输入电压v_g、第二电感L上电流i_r、第一电感L₁上电流i₁各自的实验波形图；

图5(a)为根据本发明一个优选实施例中使用PFC整流装置时输出电压为70V时的输入电压v_g、输入电流i_g、解耦电容电压v_d和输出电压v_o各自的实验波形图；

图5(b)为根据本发明一个优选实施例中使用PFC整流装置时输出电压为70V时的输入电压v_g、第二电感L上电流i_r、第一电感L₁上电流i₁各自的实验波形图；

图6为根据本发明一个优选实施例中使用PFC整流装置时在输出电压为70V和120V下的谐波含量。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明所提供的PFC整流装置包括依次相连的单相输入电源1、整流升压调控系统、输出电压校准电路4和负载R5；所述输出电压校准电路4包括解耦电容C_d和与解耦电容C_d串联的滤波电容C_o。

其中，整流装置是将交流AC转化为直流DC的装置，本发明的负载R5可以为直流负载，可以为逆变器等。

其中，单相输入电源1的输出端连接到整流升压调控系统，整流升压调控系统的输出端连接到升压变换器3，升压变换器3输出端连接到输出电压校准电路4，输出电压校准电路4的输出端连接到直流负载R5。

其中，整流升压调控系统起整流、升压以及单位功率因数校正的调控功能。

流经该整流装置时，输出电压校准电路中的解耦电容C_d吸收了系统中的二次脉动功率，使得输出滤波容量大大减小。

在一个优选的实施例中，输出电压校准电路还包括：

第二IGBT功率器件S2、第三IGBT功率器件S3和第一电感L1；

第二IGBT功率器件S2的集电极与解耦电容C_d一端相连，第二IGBT功率器件S2的发射极和第三IGBT功率器件S3的集电极均与第一电感L1的一端相连，解耦电容C_d另一端与所述第一电感L1的另一端相连；

第三IGBT功率器件S3的发射极分别与滤波电容C_o的另一端和负载R5的另一端相连，滤波电容C_o的一端分别与负载R5的一端以及解耦电容C_d和第一电感L1的公共结点相连。

为了续流，通常会在第二IGBT功率器件S2和第三IGBT功率器件S3的两端均反并联一个二极管。

其中，“反并联”指IGBT功率器件的集电极与二极管负极相连，其发射极与二极管的正极相连。

即电压校准电路4包括2个IGBT功率器件(第二IGBT功率器件S2和第三IGBT功率器件S3)，1个解耦电容C_d，1个第一电感L₁和1个滤波电容C_o；第二IGBT功率器件S2两端反并联一个二极管，其发射极与第三IGBT功率器件S3的集电极和第一电感L₁的一端相连；解耦电容C_d的另一端与第一电感L₁另一端、滤波电容C_o的一端和负载R5的一端相连；第三IGBT功率器件S3两端反并联一个二极管，其发射极与整流升压调控系统、滤波电容C_o的另一端和负载R5的另一端相连。

当第二IGBT功率器件S2开通时，解耦电容C_d放电，第一电感L1中电流i1上升，当第二IGBT功率器件S2关断时，第一电感L1中电流i1给负载R5供电。

在本发明的实施例中，解耦电容C_d和滤波电容C_o均为薄膜电容。

在本发明中，整流升压调控系统共同实现单位功率因数校正和整流的作用。

在一个优选实施例中，整流升压调控系统包括二极管整流器2和升压变换器3；

单相输入电源1与二极管整流器2相连，二极管整流器2与升压变换器3相连，升压变换器3与输出电压校准电路4相连。

即，单相输入电源1的输出端连接到二极管整流器2，二极管整流器2的输出端连接到升压变换器3，升压变换器3输出端连接到输出电压校准电路4，输出电压校准电路4的输出端连接到直流负载R5。

在一个优选实施例中，二极管整流器2包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4；

第一二极管D1的正极与第二二极管D2的负极均和单相输入电源的一个端口相连，第一二极管D1的负极与第三二极管D3的负极均和升压变换器相连，第二二极管D2的正极与第四二极管D4的正极均和升压变换器相连，第三二极管D3的正极与第四二极管D4的负极均和单相输入电源的另一个端口相连。

即，第一二极管D1的正极与第二二极管D2的负极和单相输入电源1的一个端口相连，第一二极管D1的负极与第三二极管D3的负极和升压变换器3中的电感输入端相连；第二二极管D2的正极分别与第四二极管D4的正极和升压变换器3中的第五二极管D5的负极相连；第三二极管D3的正极与第四二极管D4的负极和单相输入电源1的另一个端口相连。

在一个优选实施例中，升压变换器包括第一IGBT功率器件S1、第二电感L、第五二极管D5和反并联在所述IGBT功率器件S1两端的二极管；

第二电感L的一端与二极管整流器相连，另一端分别与第一IGBT功率器件S1的集电极和输出电压校准电路相连，第一IGBT功率器件S1的发射极与第五二极管D5的负极相连，第五二极管D5的正极与输出电压校准电路相连。

在优选的方案中，升压变换器包括第一IGBT功率器件S1、第二电感L、第五二极管D5和反并联在所述第一IGBT功率器件S1两端的二极管；

第二电感L的一端与第三二极管D3的负极相连，另一端分别与第一IGBT功率器件S1的集电极、解耦电容C_d的一端和第二IGBT功率器件S2的集电极相连，第一IGBT功率器件S1的发射极分别与第四二极管D4的正极和所述第五二极管D5的负极相连，第五二极管D5的正极与输出电压校准电路相连。

即，第二电感L的一端与第三二极管D3的负极相连，另一端与第一IGBT功率器件S1的集电极和输出电压校准电路4中解耦电容C_d的一端、第二IGBT功率器件S2的集电极相连；第一IGBT功率器件S1两端反并联一个二极管，其发射极与第五二极管D5的负极相连。

在本发明中，PFC整流装置还包括控制系统，即：采样调理电路6、控制器7和IGBT驱动电路8；

采样调理电路6用于采集输入电压值、整流升压调控系统中电流值、解耦电容C_d的电压值、滤波电容C_o的电压值和输出电压校准电路的电流值；

控制器7用于基于所述电压值和电流值得到各IGBT功率器件的动作信号，并将所述信号输送给所述IGBT驱动电路；

IGBT驱动电路8用于控制各个IGBT控制器件的导通与关断。

在采样调理电路6中，通常将采集得到的电压值和电流值进行模数转换处理，并将其传送给控制器7。

在一个优选实施例中，用于基于所述电压值和电流值计算各IGBT功率器件的动作信号具体为：

基于所述电压值和电流值计算各IGBT功率器件的占空比，基于所述占空比计算各IGBT器件的动作信号。

在一个优选实施例中，基于电压值和电流值计算各IGBT功率器件的占空比还包括：

其中，为期望控制电压参考值，v_d为解耦电容电压值，v_o为输出电压采样值，为输出电压参考值。

通过上述占空比值d₁和d₂获得一个开关周期内S1、S2的开通和关断的时间，即用一个与开关频率同频且幅值为0-1的锯齿波与占空比作比较，当锯齿波的值大于占空比时，输出为低电平，当锯齿波的值小于占空比时，输出为高占平，将S2的控制信号反相，即为S3的控制信号，并将此三个信号传送给驱动电路8。

其中，占空比d₁的控制目标是电网电流，d₂的控制目标是输出电压。

在本发明一个优选的实施例中，期望控制电压参考值v_r ^*的计算基于单相电源输入电压值、单相电源输入电流值以及解耦电容的电压值。

具体可包括：

单相电源输入电压检测值v_g利用锁相环计算获得相位信息ωt，基于所述ωt得到对应余弦值cosωt，其中ω为单相电源电压角频率，ωt为单相输入电源电压相位；

利用滑动平均滤波器对所述解耦电容电压进行滤波后得到解耦电容电压的直流分量的平方将期望解耦电容电压的平均值的平方与做差，得到解耦电容电压的误差值；

将解耦电容电压误差值经过一个比例积分控制器，输出作为期望输入电流幅值参考I^*；

将期望单相电源输入电流幅值I^*与cosωt的乘积作为输入电流参考i_r ^*；

将输入电流参考i_r ^*与采样得到的输入电流i_r进行比较，得到单相电源输入电流的误差值；

单相电源输入电流的误差值经过一个比例积分控制器后得到期望控制电压参考v_r ^*。

在本发明的一个优选实施例中，输出电压参考值v_o ^*计算基于输出直流电压参考值、输出直流电压的采样值以及电感电流的采样值。

具体可包括：

将输出直流电压参考v_o ^*和采样值v_o进行比较得到输出电压误差值；

输出电压误差值经过一个比例积分控制器处理后得到期望第一电感L1电流参考i₁ ^*；

期望电感电流参考i₁ ^*与采样值i₁进行比较，得到输出电感电流误差值；

输出电感电流误差值经过一个比例积分控制器处理得到输出电压参考v_o ^*。

驱动电路8将把获得的信号整形并增强其带负载能力，直接控制各个IGBT，实现导通与关断。

同时，本发明中的驱动电路还可以去除信号传输过程中带来的干扰，用来检测IGBT功率器件是否能正常工作，此外，还可以添加光耦器件或其他具有相应功能的器件实现电气隔离。

实施例1

如图1所示，本实施例公开的一种具有二次脉动功率解耦能力和宽输出电压范围的PFC整流装置，包括单相输入电源1、二极管整流器2、升压变换器3、输出电压校准电路4和负载R5。

其中，单相输入电源1的输出端连接到二极管整流器2，二极管整流器2的输出端连接到升压变换器3，升压变换器3输出端连接到输出电压校准电路4，输出电压校准电路4的输出端连接到直流负载R5。

二极管整流器2包括4个第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4；第一二极管D1的正极与第二二极管D2的负极和单相输入电源1的一个端口相连，第一二极管D1的负极与第三二极管D3的负极和升压变换器3中的电感输入端相连；第二二极管D2的正极与第四二极管D4的正极和升压变换器3中的第五二极管D5的负极相连；第三二极管D3的正极与第四二极管D4的负极和单相输入电源1的另一个端口相连。

升压变换器3包括1个第一IGBT功率器件S1，1个第二电感L和1个第五二极管D5；第二电感L的一端与第三二极管D3的负极相连，另一端与第一IGBT功率器件S1的集电极和输出电压校准电路4的解耦电容C_d的一端、第二IGBT功率器件S2的集电极相连；第一IGBT功率器件S1两端反并联一个二极管，其发射极与第五二极管D5的负极相连。

电压校准电路4包括2个IGBT功率器件(第二IGBT功率器件S2和第三IGBT功率器件S3)，1个解耦电容C_d，1个第一电感L₁和1个滤波电容C_o；第二IGBT功率器件S2两端反并联一个二极管，其发射极与第三IGBT功率器件S3的集电极和第一电感L₁的一端相连；解耦电容C_d的另一端与第一电感L₁另一端、滤波电容C_o的一端和负载R5的一端相连；第三IGBT功率器件S3两端反并联一个二极管，其发射极与第五二极管D5的正极、滤波电容C_o的另一端和负载R5的另一端相连。电压校准电路4中的解耦电容C_d和滤波电容C_o均使用薄膜电容。

如图2所示，

运行状态1中IGBT S2导通，IGBT S1和IGBT S3关断；

运行状态2中IGBT S3导通，IGBT S1和IGBT S2关断；

运行状态3中IGBT S1和IGBT S2导通，IGBT S3关断；

运行状态4中IGBT S1和IGBT S3导通，IGBT S2关断。

当S1关断(运行状态1和2)，电流i_r流过解耦电容C_d和负载R5。此时，部分能量从电网直接传输到负载R5，其他的部分注入解耦电容C_d。当S1开通(运行状态3和4)，电流i_r被旁路。而对电压校准电路4而言，当S2开通(运行状态1和3)，电流i₁流过解耦电容Cd，当S2关断(运行状态2和4)，电流i1流过负载R5。

由控制策略可知，S2和S3互补，均与S1相互独立。

根据本发明的整流装置的工作状态可知，当装置中输入功率大于输出功率时，多出的能量被解耦电容吸收；当输入功率小于输出功率时，解耦电容将吸收的能量放出，保持输出功率的恒定。

图3是本发明控制系框图，控制电路包括相应的采样调理电路6、控制器7及IGBT驱动电路8；

采样调理电路6的左边部分采样电路负责输入电压v_g和第二电感L电流i_r的采样和调理，采样电路6的右边部分采样电路负责解耦电容C_d的电压v_d、滤波电容C_o的电压v_o和第一电感L₁电流i₁的采样和调理。控制器7负责计算和调制等重要工作，并把各PWM开关信号传递给驱动电路8。使用前述方法进行控制，在控制过程中，自动的实现了纹波功率的解耦。此外，可以使用其他的控制器，如自适应电压控制等，能获得更好的控制效果。

使用本实施例的整流装置，输入电网电压为110V/50Hz，负载电阻R5为30Ω，第二电感L和第一电感L₁分别为3mH和1.5mH，滤波电容C_o的电容量为20uF，解耦电容C_d的容量为90uF，采样频率和开关频率均为20kHz。图4(a)、图4(b)、图5(a)和图5(b)分别为输出电压为120V和70V时的实验结果，波形依次对应输入电压v_g、输入电流i_g、解耦电容电压v_d、输出电压v_o、第二电感L上电流i_r、第一电感L₁上电流i₁。图6为输出电压的频谱，其中，Harmonicsorder为谐波阶次。在120V输出电压下，其二次谐波(100Hz)电压较直流分量为3.4％，在70V输出电压下，其二次谐波电压较直流分量为1.31％，若想要达到相同的效果，采用无源解耦方法分别需要的解耦容量为1.1mF和2.9mF。本发明提高了系统的可靠性和功率密度。

最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。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PFC整流装置，其特征在于，包括：

依次相连的单相输入电源、整流升压调控系统、输出电压校准电路和负载；

所述输出电压校准电路包括解耦电容和与所述解耦电容串联的滤波电容。

2.根据权利要求1所述的PFC整流装置，其特征在于，所述输出电压校准电路还包括：

第二IGBT功率器件、第三IGBT功率器件和第一电感；

所述第二IGBT功率器件的集电极与所述解耦电容一端相连，所述第二IGBT功率器件的发射极和所述第三IGBT功率器件的集电极均与所述第一电感相连，所述第一电感的另一端与所述解耦电容的另一端相连；

所述第三IGBT功率器件的发射极分别与所述滤波电容的另一端和所述负载的另一端相连，所述滤波电容的一端分别与所述负载的一端以及所述解耦电容和所述第一电感的公共结点相连。

3.根据权利要求2所述的PFC整流装置，其特征在于，所述第二IGBT功率器件和所述第三IGBT功率器件的两端均反并联一个二极管。

4.根据权利要求1所述的PFC整流装置，其特征在于，所述解耦电容和所述滤波电容均为薄膜电容。

5.根据权利要求1所述的PFC整流装置，其特征在于，所述整流升压调控系统包括二极管整流器和升压变换器；

所述单相输入电源与所述二极管整流器相连，所述二极管整流器与所述升压变换器相连，所述升压变换器与所述输出电压校准电路相连。

6.根据权利要求5所述的PFC整流装置，其特征在于，所述二极管整流器包括第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管；

所述第一二极管的正极与所述第二二极管的负极均和所述单相输入电源的一个端口相连，所述第一二极管的负极与所述第三二极管的负极均和所述升压变换器相连，所述第二二极管的正极与所述第四二极管的正极均和所述升压变换器相连，所述第三二极管的正极与所述第四二极管的负极均和所述单相输入电源的另一个端口相连。

7.根据权利要求5所述的PFC整流装置，其特征在于，所述升压变换器包括第一IGBT功率器件、第二电感、第五二极管和反并联在所述第一IGBT功率器件两端的二极管；

所述第二电感的一端与所述二极管整流器相连，另一端分别与所述第一IGBT功率器件的集电极和所述输出电压校准电路相连，所述第一IGBT功率器件的发射极与所述第五二极管的负极相连，所述第五二极管的正极与所述输出电压校准电路相连。

8.根据权利要求6所述的PFC整流装置，其特征在于，所述升压变换器包括第一IGBT功率器件、第二电感、第五二极管和反并联在所述第一IGBT功率器件两端的二极管；

所述第二电感的一端与所述第三二极管的负极相连，另一端分别与所述第一IGBT功率器件的集电极、所述解耦电容的一端和第二IGBT功率器件的集电极相连，所述第一IGBT功率器件的发射极分别与所述第四二极管的正极和所述第五二极管的负极相连，所述第五二极管的正极与所述输出电压校准电路相连。

9.根据权利要求2-8中任一项所述的PFC整流装置，其特征在于，还包括：采样调理电路、控制器和IGBT驱动电路；

所述采样调理电路用于输入电压和所述整流升压调控系统中电流的采样和调理以及解耦电容的电压、滤波电容的电压和所述输出电压校准电路的电流的采样和调理；

所述控制器用于基于所述电压值和电流值得到各IGBT功率器件的动作信号，并将所述信号输送给所述IGBT驱动电路；

所述IGBT驱动电路用于控制各个IGBT控制器件的导通与关断。

10.根据权利要求9所述的PFC整流装置，其特征在于，所述控制器用于基于所述电压值和电流值计算各IGBT功率器件的动作信号具体为：

基于所述电压值和电流值计算各IGBT功率器件的占空比，基于所述占空比计算各IGBT器件的动作信号。