CN107070196A - 一种带中线的三相pfc整流电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带中线的三相PFC整流电路，包括带中线的三相电压源电路、三相不控整流电路和两个对称的boost电路。本发明的有益效果为：(1)与三相LC滤波无源功率因数校正电路相比，功率因数较高，且输出电压可控；(2)与三相单开关功率因数校正电路相比，采用平均电流控制策略，电感电流工作于连续模式，输入输出电流纹波低，只需两个电感，不需实现三相解耦，控制简单；(3)与三相多开关功率因数校正电路相比，功率开关器件少，驱动和控制策略简单，节约成本，便于实现。

Description

一种带中线的三相PFC整流电路
技术领域
本发明涉及功率因数校正技术领域，尤其是一种带中线的三相PFC整流电路。
背景技术
功率因数校正技术(Power Factor Correction Technique)是电力电子学界和工业领域的一项基础技术，用于抑制谐波污染以降低高次电流谐波对电网及各用电设备造成的危害。随着用电设备的增加，对电能变换器也提出了高效率、高功率密度和高功率因数的要求，因此，各种新型的PFC变换拓扑也应运而生。
目前，单相功率因数校正技术的研究比较多，在电路拓扑和控制方面都相当成熟，而三相功率因数校正的研究则相对较晚较少。近年来随着PFC技术的研究的不断深入，三相PFC日益引起人们的重视。功率因数校正技术分为无源功率因数校正和有源功率因数校正两种。无源功率因数校正采用无源器件，例如LC滤波，虽然电路结构简单、效率高，但是功率因数受电感取值的影响，最高只能达到0.95，且输出电压不可控，所以多数情况下不被采用。三相有源功率因数校正的拓扑结构有Buck、Boost、Buck-Boost、Flyback、Sepic和Cuk等，其中Boost、Buck一Boost电路因具有升压功能，可以保证输入电压在很宽的范围变化时输入电流的连续，故这两种拓扑特别适合PFC电路。从使用有源功率管的数量来看，三相PFC可分为两类，一类是单开关结构，一类是多开关结构。三相单开关Boost型PFC电路，为了实现三相之间的解藕，三个电感放在交流侧，并工作于电流断续模式，其特点是电流控制简单，但是该电路的输入、输出电流纹波较大，对滤波电流要求较高，输出电压过高，这给功率管的选取带来了一定的困难，该电路一般应用于输出功率小于10kw以及对电流THD要求不严格的场合。三相多开关虽然能以较高的精度控制输入电流，获得优异的性能，但是所需开关管数量多，驱动和控制策略复杂，成本较高，适合于较大功率的场合。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种带中线的三相PFC整流电路，该电路结构简单，采用平均电流控制策略可实现功率因数校正的目的。
为解决上述技术问题，本发明提供一种带中线的三相PFC整流电路，包括带中线的三相电压源电路1、三相不控整流电路2和两个对称的boost电路3；其中，带中线的三相电压源电路1由a、b、c三相互成120°的三个正弦电压源组成，a、b、c三相电压源一端连在一起接中线，另一端分别与三相不控整流电路2相连；三相不控整流电路2由第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6组成，第一二极管D1的阳极与第四二极管D4的阴极相连构成第一条串联电路，第二二极管D2的阳极和第五二极管D5的阴极相连构成第二条串联电路，第三二极管D3的阳极和第六二极管D6的阴极相连构成第三条串联电路，以上三条串联电路阴极与阴极相共，阳极与阳极相共构成三相不控整流电路2，a相电压源的另一端与第一条串联电路的中点相连，b相电压源的另一端与第二条串联电路的中点相连，c相电压源的另一端与第三条串联电路的中点相连，abc三相的中线与两个对称的boost电路3相连；两个对称的boost电路3分别由一个输入电感、一个功率开关管、一个二极管和一个电容组成，第一输入电感L1、第一功率开关管Q1、第七二极管D7和第一输出电容C1组成第一个boost电路；第二输入电感L2、第二功率开关管Q2、第八二极管D8和第二输出电容C2组成第二个boost电路，第一输入电感L1的一端与三相不控整流电路2的共阴极相连，另一端与第一功率开关管Q1的漏极和第七二极管D7的阳极相连，第七二极管D7的阴极与第一输出电容C1的正极相连，第一功率开关管Q1的源极和第一输出电容C1的负极与三相电压源的中线相连，与之对称，第二输入电感L2的一端与三相不控整流电路2的共阳极连在一起，另一端与第二功率开关管Q2的源极和第八二极管D8的阴极相连，第八二极管D8的阳极与第二输出电容C2的负极相连，第二功率开关管Q2的漏极和第二输出电容C2的正极与三相电压源的中线相连。
优选的，第一功率开关管Q1和第二功率开关管Q2可以是MOSFET或IGBT，输出可以分别在两个boost的输出端接一致的负载，也可以不连接中线只接一个负载。
优选的，三相输入采用两个对称的三相半波整流电路，其共阴极对中线线电压为三相输入电压正半周包络线，共阳极对中线线电压为三相输入电压负半周包络线；控制两个boost输入电感电流分别跟随线电压正半周和负半周包络线，最终三相相电流除过零点0°到30°、150°到180°外，都与相电压保持相位一致。
本发明的有益效果为：(1)与三相LC滤波无源功率因数校正电路相比，功率因数较高，且输出电压可控；(2)与三相单开关功率因数校正电路相比，采用平均电流控制策略，电感电流工作于连续模式，输入输出电流纹波低，只需两个电感，不需实现三相解耦，控制简单；(3)与三相多开关功率因数校正电路相比，功率开关器件少，驱动和控制策略简单，节约成本，便于实现。
附图说明
图1是本发明的电路结构示意图。
图2是本发明的控制环路示意图。
图3(a)是本发明的a相电压电流仿真示意图。
图3(b)是本发明的b相电压电流仿真示意图。
图3(c)是本发明的c相电压电流仿真示意图。
图3(d)是本发明的三相半波整流共阴极线电压线电流仿真示意图。
图3(e)是本发明的三相半波整流共阳极线电压线电流仿真示意图。
其中，ua-uc——三相电压源；D1-D6——三相不控整流二极管；L1-L2——三相输入电感；Q1-Q2——boost功率开关管；D7-D8——boost二极管；C1-C2——输出滤波电容；ia-ic——三相相电流；U1——三相整流共阴极-中线线电压；U2——三相整流共阳极-中线线电压；iL1——电感L1输入电流；iL2——电感L2输入电流。
具体实施方式
如图1和2所示，一种带中线的三相PFC整流电路，包括带中线的三相电压源电路1、三相不控整流电路2和两个对称的boost电路3。其中，带中线的三相电压源电路1由a、b、c三相互成120°的三个正弦电压源组成，a、b、c三相电压源一端连在一起接中线，另一端分别与三相不控整流电路2相连。三相不控整流电路2由第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6组成。其中，第一二极管D1的阳极与第四二极管D4的阴极相连构成第一条串联电路，第二二极管D2的阳极和第五二极管D5的阴极相连构成第二条串联电路，第三二极管D3的阳极和第六二极管D6的阴极相连构成第三条串联电路，以上三条串联电路阴极与阴极相共，阳极与阳极相共构成三相不控整流电路2。其中，a相电压源的另一端与第一条串联电路的中点相连，b相电压源的另一端与第二条串联电路的中点相连，c相电压源的另一端与第三条串联电路的中点相连。abc三相的中线与两个对称的boost电路3相连。两个对称的boost电路3分别由一个输入电感、一个功率开关管、一个二极管和一个电容组成。其中，第一输入电感L1、第一功率开关管Q1、第七二极管D7和第一输出电容C1组成第一个boost电路；第二输入电感L2、第二功率开关管Q2、第八二极管D8和第二输出电容C2组成第二个boost电路。其中，第一输入电感L1的一端与三相不控整流电路2的共阴极相连，另一端与第一功率开关管Q1的漏极和第七二极管D7的阳极相连；第七二极管D7的阴极与第一输出电容C1的正极相连；第一功率开关管Q1的源极和第一输出电容C1的负极与三相电压源的中线相连。与之对称，第二输入电感L2的一端与三相不控整流电路2的共阳极连在一起，另一端与第二功率开关管Q2的源极和第八二极管D8的阴极相连；第八二极管D8的阳极与第二输出电容C2的负极相连；第二功率开关管Q2的漏极和第二输出电容C2的正极与三相电压源的中线相连。其中，所述的功率开关器件可以是MOSFET或IGBT，输出可以分别在两个boost的输出端接一致的负载，也可以不连接中线只接一个负载。
三相输入采用两个对称的三相半波整流电路，其共阴极对中线线电压为三相输入电压正半周包络线，共阳极对中线线电压为三相输入电压负半周包络线；控制两个boost输入电感电流分别跟随线电压正半周和负半周包络线。最终三相相电流除过零点(0°到30°，150°到180°)外，都与相电压保持相位一致，即实现功率因数校正的目的，仿真结果显示，该PFC功能可使功率因数达到0.97。
如图3(a)、3(b)、3(c)、3(d)、3(e)所示，图3(a)为三相输入a相电压ua和电流ia，图3(b)为三相输入b相电压ub和电流ib，图3(c)为三相输入c相电压uc和电流ic，图3(d)为三相半波整流共阴极线电压u1和线电流iL1，图3(e)为三相半波整流共阳极线电压u2和线电流iL2。从图3(a)、(b)、(c)中可以看出三相电流除过零点外与三相相电压保持同相位，从图3(d)、(e)中可以看出三相半波整流线电流与线电压保持相位一致，即实现高功率因数。
本发明提供的一种简单的带中线的三相PFC整流电路，其拓扑结构简单，易于控制，且能获得较高功率因数，与其他相关电路拓扑结构相比，展现出了一定的优势，是一种高功率密度，高功率因数，高效率的开关电源。
尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。

Claims (3)

1.一种带中线的三相PFC整流电路，其特征在于，包括：带中线的三相电压源电路(1)、三相不控整流电路(2)和两个对称的boost电路(3)；其中，带中线的三相电压源电路(1)由a、b、c三相互成120°的三个正弦电压源组成，a、b、c三相电压源一端连在一起接中线，另一端分别与三相不控整流电路(2)相连；三相不控整流电路(2)由第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6组成，第一二极管D1的阳极与第四二极管D4的阴极相连构成第一条串联电路，第二二极管D2的阳极和第五二极管D5的阴极相连构成第二条串联电路，第三二极管D3的阳极和第六二极管D6的阴极相连构成第三条串联电路，以上三条串联电路阴极与阴极相共，阳极与阳极相共构成三相不控整流电路(2)，a相电压源的另一端与第一条串联电路的中点相连，b相电压源的另一端与第二条串联电路的中点相连，c相电压源的另一端与第三条串联电路的中点相连，abc三相的中线与两个对称的boost电路(3)相连；两个对称的boost电路(3)分别由一个输入电感、一个功率开关管、一个二极管和一个电容组成，第一输入电感L1、第一功率开关管Q1、第七二极管D7和第一输出电容C1组成第一个boost电路；第二输入电感L2、第二功率开关管Q2、第八二极管D8和第二输出电容C2组成第二个boost电路，第一输入电感L1的一端与三相不控整流电路(2)的共阴极相连，另一端与第一功率开关管Q1的漏极和第七二极管D7的阳极相连，第七二极管D7的阴极与第一输出电容C1的正极相连，第一功率开关管Q1的源极和第一输出电容C1的负极与三相电压源的中线相连，与之对称，第二输入电感L2的一端与三相不控整流电路(2)的共阳极连在一起，另一端与第二功率开关管Q2的源极和第八二极管D8的阴极相连，第八二极管D8的阳极与第二输出电容C2的负极相连，第二功率开关管Q2的漏极和第二输出电容C2的正极与三相电压源的中线相连。
2.如权利要求1所述的带中线的三相PFC整流电路，其特征在于，第一功率开关管Q1和第二功率开关管Q2可以是MOSFET或IGBT，输出可以分别在两个boost的输出端接一致的负载，也可以不连接中线只接一个负载。
3.如权利要求1所述的带中线的三相PFC整流电路，其特征在于，三相输入采用两个对称的三相半波整流电路，其共阴极对中线线电压为三相输入电压正半周包络线，共阳极对中线线电压为三相输入电压负半周包络线；控制两个boost输入电感电流分别跟随线电压正半周和负半周包络线，最终三相相电流除过零点0°到30°、150°到180°外，都与相电压保持相位一致。
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