CN108923671B - 一种三相隔离降压型pfc整流器控制方法 - Google Patents

一种三相隔离降压型pfc整流器控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电力电子变换器技术领域，特别涉及一种三相隔离降压型PFC整流器控制方法。三相隔离降压型PFC整流器包括三相整流桥单元和开关阵列单元，其中，三相整流桥单元包括三个整流桥臂组成，每个整流桥臂包括上下各一个二极管；开关阵列单元包括高频开关组和三个双向开关组，高频开关组由第一开关管、第二开关管、第三开关管以及第四开关管串联组成，三个双向开关组包括第一双向开关组、第二双向开关组以及第三双向开关组。本发明的三相隔离降压型PFC整流器控制方法，能够使得整个系统结构更加简单，提高了效率，具有高功率因数，低电流谐波含量，高电源密度，高效率等优点，可以广泛用于对功率密度要求较高的三相电源供电的场合。

Description

一种三相隔离降压型PFC整流器控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子变换器技术领域，特别涉及一种三相隔离降压型PFC整流器及其控制方法。
背景技术
随着电子设备中使用的电力电子装置越来越多，三相电网中电负荷的容量越来越大，使得电网交流电源系统中增加了很大的无功功率和谐波污染，大量无功功率导致电网损耗严重，发热增大，严重时甚至会使电网瘫痪，设备损坏，这样就需要对三相交流电源进行功率因数校正(PFC)，用来降低电网中的电流谐波含量，减少电网的无功功率，提高电网的功率因数。
为了解决上述问题，目前常用的是单级的三相PFC整流电路；但是，单级的三相PFC整流电路是不隔离的，且输出电压一般较高，不能被后级电路直接使用，一般还需要在后面加一级隔离降压的直流变换器才能给用电设备使用，使得电路更加复杂，成本高，效率低。
发明内容
本发明的目的是提供了一种三相隔离降压型PFC整流器及其控制方法，以解决现有三相PFC整流电路存在的至少一个问题。
本发明的技术方案是：
一种三相隔离降压型PFC整流器，包括三相整流桥单元和开关阵列单元，其中，
所述三相整流桥单元包括三个整流桥臂组成，每个整流桥臂包括上下各一个二极管，每个所述整流桥臂通过其二个二极管的中点连接到三相输入交流的一根电源线上，其中，三个所述整流桥臂是依次与三相输入交流的三根电源线连接；
所述开关阵列单元包括高频开关组和三个双向开关组，所述高频开关组第一开关管Q4、第二开关管Q9、第三开关管Q10以及第四开关管Q5串联组成，所述高频开关组的两端连接到三相整流桥单元输出侧，所述高频开关组的第一开关管Q4与第二开关管Q9的连接点作为所述开关阵列单元的一个输出端，所述高频开关组的第三开关管Q10与第四开关管Q5的连接点作为所述开关阵列单元的另一个输出端，另外，所述三个双向开关组包括第一双向开关组、第二双向开关组以及第三双向开关组，所述三个双向开关组的一端分别连接到三相输入交流三根电源线上，另一端互相连接后再与所述高频开关组的第二开关管Q9和第三开关管Q10连接点连接。
可选的，所述的三相隔离降压型PFC整流器还包括串联谐振单元、隔离变压器以及次级整流单元；其中
所述串联谐振单元与所述隔离变压器串联，所述开关阵列单元的一个输出端接到所述串联谐振单元，所述开关阵列单元的另一个输出端接到所述隔离变压器的初级绕组，所述隔离变压器的次级绕组与所述次级整流单元连接。
可选的，每个所述双向开关组由二个开关管采用反向对称的连接方式串联构成。
可选的，所述双向开关组包括单相整流桥加单个开关管。
可选的，所述次级整流单元为全波整流或者倍压整流或者全桥整流。
可选的，所述开关阵列单元中的开关管是MOSFET或者IGBT。
可选的，所述三相整流桥单元上桥臂的三个二极管D1、D3、D5的二极管阴极相连，作为所述三相整流桥单元的输出正极，接到所述开关阵列单元的第一开关管Q4的漏极；另外，所述三相整流桥单元下桥臂的三个二极管D2、D4、D6的二极管阳极相连，作为所述三相整流桥单元的输出负极，接到所述开关阵列单元的第四开关管Q5的源极。
可选的，第一个所述整流桥臂的二极管D1的阳极同时连接到其二极管D2的阴极、A相电源线以及所述开关阵列单元的第一双向开关组Q1、Q6；
第二个所述整流桥臂的二极管D3的阳极同时连接到其二极管D4的阴极、B相电源线以及所述开关阵列单元的第二双向开关组Q2、Q7；
第三个所述整流桥臂的二极管D5的阳极同时连接到其二极管D6的阴极、C相电源线以及所述开关阵列单元的第三双向开关组Q3、Q8。
本发明还提供了一种三相隔离降压型PFC整流器控制方法，包括如下步骤：
步骤一、根据三相电源电压相互关系以及所述三相电源电压的大小与0电平的相互关系，将一个基波周期分为十二个扇区；
步骤二、对当前输入的三相电源电压信号进行幅值检测，判断三相电源电压在当前时刻所处的扇区和相位；
步骤三、在每个扇区内，根据三相电源电压大小分别定义为高电压相、中电压相和低电压相：其中，在每个区间内一直导通中电压相对应的双向开关组，将另两个双向开关组关闭；
同时，开关阵列单元高频开关组的四个开关管在一个基波周期内以不同的预定占空比进行PWM控制，其中，且第一开关管Q4和第四开关管Q5PWM的预定占空比不超过50％。
可选的，所述的三相隔离降压型PFC整流器控制方法还包括：
步骤四、当在所述开关阵列单元高频开关组的第一开关管Q4和第四开关管Q5关断期间，所述第二开关管Q9和第三开关管Q10继续PWM工作，使电流形成反向谐振；
步骤五、当在所述开关阵列单元高频开关组的第一开关管Q4和第四开关管Q5恢复导通期间，返回步骤三；
另外，在所述步骤三和步骤四执行同时，还包括对次级整流单元输出电压进行检测，形成电压反馈，通过改变PWM的开关频率控制输出电压的大小。
发明效果：
本发明的三相隔离降压型PFC整流器及其控制方法，能够使得整个系统结构更加简单，提高了效率，具有高功率因数，低电流谐波含量，高电源密度，高效率等优点，可以广泛用于对功率密度要求较高的三相电源供电的场合。
附图说明
图1是本发明三相隔离降压型PFC整流器及其控制方法中整流器的电路图；
图2是本发明三相隔离降压型PFC整流器及其控制方法中三相电压相区划分示意图；
图3是本发明三相隔离降压型PFC整流器及其控制方法一个实施例中双向开关组的电路图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
下面结合附图1至图3对本发明三相隔离降压型PFC整流器及其控制方法做进一步详细说明。
本发明提供了一种三相隔离降压型PFC整流器，包括三相整流桥单元和开关阵列单元。
具体地，三相整流桥单元包括三个整流桥臂组成，每个整流桥臂包括上下各一个二极管，每个整流桥臂通过其二个二极管的中点连接到三相输入交流的一根电源线上；其中，三个整流桥臂是依次与三相输入交流的三根电源线连接。
开关阵列单元包括高频开关组和三个双向开关组，所述高频开关组由第一开关管Q4、第二开关管Q9、第三开关管Q10以及第四开关管Q5串联组成。本实施例中，优选开关阵列单元中的开关管可以是MOSFET或者IGBT。
具体地，高频开关组的两端连接到三相整流桥单元输出侧，高频开关组的第一开关管Q4与第二开关管Q9的连接点作为开关阵列单元的一个输出端，高频开关组的第三开关管Q10与第四开关管Q5的连接点作为开关阵列单元的另一个输出端；另外，三个双向开关组包括第一双向开关组、第二双向开关组以及第三双向开关组，三个双向开关组的一端分别连接到三相输入交流三根电源线上，另一端互相连接后再与高频开关组的第二开关管Q9和第三开关管Q10连接点连接。
进一步，本发明的三相隔离降压型PFC整流器还包括串联谐振单元、隔离变压器T1以及次级整流单元。本实施例在，优选次级整流单元为全波整流或者倍压整流或者全桥整流。
其中，串联谐振单元与隔离变压器T1串联，开关阵列单元的一个输出端接到串联谐振单元，开关阵列单元的另一个输出端接到隔离变压器T1的初级绕组，隔离变压器T1的次级绕组与次级整流单元连接。
本发明的三相隔离降压型PFC整流器中，每个双向开关组可以根据需要设置成多种适合的结构，本发明一个实施例中，每个双向开关组由二个开关管采用反向对称的连接方式串联构成，两个开关管采用反向对称的连接方式串联，可以共源极连接也可以共漏极连接，一般采用共源极连接，这样便于驱动。所述双向开关组的两个开关管采用同一个驱动电路驱动，同时开启或关闭，这样可以减少三路开关驱动电路。在另一个实施例中，如图3所示，双向开关组包括单相整流桥加单个开关管S1。
具体地，本发明的三相隔离降压型PFC整流器中，三相整流桥单元上桥臂的三个二极管D1、D3、D5的二极管阴极相连，作为三相整流桥单元的输出正极，接到开关阵列单元的第一开关管Q4的漏极。另外，三相整流桥单元下桥臂的三个二极管D2、D4、D6的二极管阳极相连，作为三相整流桥单元的输出负极，接到开关阵列单元的第四开关管Q5的源极。
进一步，第一个整流桥臂的二极管D1的阳极同时连接到其二极管D2的阴极、A相电源线以及开关阵列单元的第一双向开关组Q1、Q6；第二个整流桥臂的二极管D3的阳极同时连接到其二极管D4的阴极、B相电源线以及开关阵列单元的第二双向开关组Q2、Q7；第三个整流桥臂的二极管D5的阳极同时连接到其二极管D6的阴极、C相电源线以及开关阵列单元的第三双向开关组Q3、Q8。
本发明还提供了一种三相隔离降压型PFC整流器控制方法，包括如下步骤：
步骤一、根据三相电源电压相互关系以及所述三相电源电压的大小与0电平的相互关系，将一个基波周期分为十二个扇区。
另外，在步骤一之前，还可以包括检测输入输出和环境条件，判断输入输出和环境条件是否满足工作条件，不满足条件继续等待，如若满足条件，开始工作。
步骤二、对当前输入的三相电源电压信号进行幅值检测(锁相环检测)，判断三相电源电压在当前时刻所处的扇区和相位。
如图2所示为本实施例中的电压相区划分方法，按照三相电源电压大小和与0电平相互关系，可以将输入电压划分为如图所示的12个相区。
步骤三、在每个扇区内(三相电源电压大小关系具有一致性)，根据三相电源电压大小分别定义为高电压相、中电压相和低电压相：其中，在每个区间内一直导通中电压相对应的双向开关组，将另两个双向开关组关闭(比如第4扇区，中电压相位B，则A、C关闭)；
同时，开关阵列单元高频开关组的四个开关管在一个基波周期内以不同的预定占空比进行PWM控制，其中，且第一开关管Q4和第四开关管Q5PWM的预定占空比不超过50％。
进一步，本发明的三相隔离降压型PFC整流器控制方法，还包括：
步骤四、当在开关阵列单元高频开关组的第一开关管Q4和第四开关管Q5关断期间(在在步骤三中PWM控制时，有开有关，步骤四是针对关闭期间)，第二开关管Q9和第三开关管Q10继续PWM工作，使电流形成反向谐振(也就是Q4、Q5断开期间，Q9、Q10必须工作，整个电路才能形成回路)。
步骤五、当在开关阵列单元高频开关组的第一开关管Q4和第四开关管Q5恢复导通期间，返回步骤三；
另外，在步骤三和步骤四执行同时，还包括对次级整流单元输出电压进行检测，形成电压反馈，通过改变PWM的开关频率控制输出电压的大小。
综上所述，本发明的三相隔离降压型PFC整流器及其控制方法，能够使得整个系统结构更加简单，提高了效率，具有高功率因数，低电流谐波含量，高电源密度，高效率等优点，可以广泛用于对功率密度要求较高的三相电源供电的场合。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种三相隔离降压型PFC整流器控制方法，其特征在于，三相隔离降压型PFC整流器包括三相整流桥单元和开关阵列单元，其中，
所述三相整流桥单元包括三个整流桥臂组成，每个整流桥臂包括上下各一个二极管，每个所述整流桥臂通过其二个二极管的中点连接到三相输入交流的一根电源线上，其中，三个所述整流桥臂是依次与三相输入交流的三根电源线连接；
所述开关阵列单元包括高频开关组和三个双向开关组，所述高频开关组由第一开关管(Q4)、第二开关管(Q9)、第三开关管(Q10)以及第四开关管(Q5)串联组成，所述高频开关组的两端连接到三相整流桥单元输出侧，所述高频开关组的第一开关管(Q4)与第二开关管(Q9)的连接点作为所述开关阵列单元的一个输出端，所述高频开关组的第三开关管(Q10)与第四开关管(Q5)的连接点作为所述开关阵列单元的另一个输出端，另外，所述三个双向开关组包括第一双向开关组、第二双向开关组以及第三双向开关组，所述三个双向开关组的一端分别连接到三相输入交流三根电源线上，另一端互相连接后再与所述高频开关组的第二开关管(Q9)和第三开关管(Q10)连接点连接；
所述三相隔离降压型PFC整流器控制方法包括如下步骤：
步骤一、根据三相电源电压相互关系以及所述三相电源电压的大小与0电平的相互关系，将一个基波周期分为十二个扇区；
步骤二、对当前输入的三相电源电压信号进行幅值检测，判断三相电源电压在当前时刻所处的扇区和相位；
步骤三、在每个扇区内，根据三相电源电压大小分别定义为高电压相、中电压相和低电压相：其中，在每个区间内一直导通中电压相对应的双向开关组，将另两个双向开关组关闭；
同时，开关阵列单元高频开关组的四个开关管在一个基波周期内以不同的预定占空比进行PWM控制，其中，且第一开关管(Q4)和第四开关管(Q5)PWM的预定占空比不超过50％；
步骤四、当在所述开关阵列单元高频开关组的第一开关管(Q4)和第四开关管(Q5)关断期间，所述第二开关管(Q9)和第三开关管(Q10)继续PWM工作，使电流形成反向谐振；
步骤五、当在所述开关阵列单元高频开关组的第一开关管(Q4)和第四开关管(Q5)恢复导通期间，返回步骤三；
另外，在所述步骤三和步骤四执行同时，还包括对次级整流单元输出电压进行检测，形成电压反馈，通过改变PWM的开关频率控制输出电压的大小。
2.根据权利要求1所述的三相隔离降压型PFC整流器控制方法，其特征在于，所述三相隔离降压型PFC整流器还包括串联谐振单元、隔离变压器以及次级整流单元；其中
所述串联谐振单元与所述隔离变压器串联，所述开关阵列单元的一个输出端接到所述串联谐振单元，所述开关阵列单元的另一个输出端接到所述隔离变压器的初级绕组，所述隔离变压器的次级绕组与所述次级整流单元连接。
3.根据权利要求2所述的三相隔离降压型PFC整流器控制方法，其特征在于，每个所述双向开关组由二个开关管采用反向对称的连接方式串联构成。
4.根据权利要求2所述的三相隔离降压型PFC整流器控制方法，其特征在于，所述双向开关组包括单相整流桥加单个开关管。
5.根据权利要求2所述的三相隔离降压型PFC整流器控制方法，其特征在于，所述次级整流单元为全波整流或者倍压整流或者全桥整流。
6.根据权利要求1-5任一项所述的三相隔离降压型PFC整流器控制方法，其特征在于，所述开关阵列单元中的开关管是MOSFET或者IGBT。
7.根据权利要求6所述的三相隔离降压型PFC整流器控制方法，其特征在于，所述三相整流桥单元上桥臂的三个二极管(D1、D3、D5)的二极管阴极相连，作为所述三相整流桥单元的输出正极，接到所述开关阵列单元的第一开关管(Q4)的漏极；另外，所述三相整流桥单元下桥臂的三个二极管(D2、D4、D6)的二极管阳极相连，作为所述三相整流桥单元的输出负极，接到所述开关阵列单元的第四开关管(Q5)的源极。
8.根据权利要求3所述的三相隔离降压型PFC整流器控制方法，其特征在于，第一个所述整流桥臂的二极管(D1)的阳极同时连接到其二极管(D2)的阴极、A相电源线以及所述开关阵列单元的第一双向开关组(Q1、Q6)；
第二个所述整流桥臂的二极管(D3)的阳极同时连接到其二极管(D4)的阴极、B相电源线以及所述开关阵列单元的第二双向开关组(Q2、Q7)；
第三个所述整流桥臂的二极管(D5)的阳极同时连接到其二极管(D6)的阴极、C相电源线以及所述开关阵列单元的第三双向开关组(Q3、Q8)。
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