CN110677059A - 一种三相单级式整流电路及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三相单级式整流电路，包括三相整流桥、第一双向开关、第二双向开关、第三双向开关、第一中间母线电容、第二中间母线电容和直流调节模块，所述三相整流桥的两端与第一和第二中间母线电容的串联支路并联，所述三相整流桥的三个桥臂中点分别经过第一、第二和第三双向开关后与所述第一和第二中间母线电容的串联中点连接。所述直流调节模块包括第一部分直流调节单元和第二部分直流调节单元且分别为隔离式拓扑，所述第一中间母线电容与第一部分直流调节单元的输入端并联，所述第二中间母线电容与第二部分直流调节单元的输入端并联，所述第一部分直流调节单元的输出端与第二部分直流调节单元的输出端并联后与负载连接。

Description

一种三相单级式整流电路及其控制方法
技术领域
本发明有关电源变换领域，且特别是有关于功率因数校正电路。
背景技术
电网提供的电力能源为交流电，但是在人们日常生活和工作中使用的电子设备都需要直流供电，因此整流电路作为电网和用户的接口，其在电力电子设备中必不可少。但是随着电力电子设备的不断的增加和发展，其对电网电能质量的影响和干扰日益明显。但是随着电力电子设备的不断的增加和发展，其对电网电能质量的影响和干扰日益明显。传统的整流电路简单地由整流二极管或晶闸管组成，其网侧输入电流畸变严重，对电网注入大量的谐波污染。基于传统整流电路的弊端和危害，同时保证电网电能质量，在整流电路中引入功率因数校正技术迫在眉睫。
针对大功率设备，三相有源功率因数校正电路非常适合，其在三相整流器的基础上，引入功率因数校正技术，使输入电流跟踪输入电压的形状和相位。目前三相有源功率因数校正电路的拓扑结构主要有Boost型三相整流器、Buck型三相整流器和Buck-Boost型三相整流器。这些三相整流器为非隔离拓扑，且并联时存在环流问题。同时开关管数量较多，影响开关频率的进一步提升。
发明内容
本发明正是思及于此，提供一种整流电路，适用于三相交流应用环境，实现了电路隔离并且在并联时没有环流。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种三相单级式整流电路，包括三相整流桥、第一双向开关、第二双向开关、第三双向开关、第一中间母线电容、第二中间母线电容和直流调节模块，所述三相整流桥的两端与第一和第二中间母线电容的串联支路并联，所述三相整流桥的三个桥臂中点分别经过第一、第二和第三双向开关后与所述第一和第二中间母线电容的串联中点连接，所述直流调节模块包括第一部分直流调节单元和第二部分直流调节单元，所述第一部分直流调节单元和第二部分直流调节单元分别为隔离式拓扑结构，所述第一中间母线电容与第一部分直流调节单元的输入端并联，所述第二中间母线电容与第二部分直流调节单元的输入端并联，所述第一部分直流调节单元的输出端与第二部分直流调节单元的输出端并联后与负载连接。
上述第一部分直流调节单元和第二部分直流调节单元相同。
上述第一部分直流调节单元和第二部分直流调节单元分别为半桥谐振式隔离电路拓扑结构。
上述第一部分直流调节单元和第二部分直流调节单元分别为全桥谐振式隔离电路拓扑结构。
本发明还提供一种三相单级式整流电路的控制方法，包括：
采样所述三相单级式整流电路的三相整流桥的第一端的电压和第二端的电压得到第一电压信号和第二电压信号，分别作为所述三相单级式整流电路的直流调节单元中开关控制的第一前馈信号和第二前馈信号。
上述一种三相单级式整流电路的控制方法，还包括：
采样所述三相单级式整流电路的负载的电压得到负载电压信号，作为所述三相单级式整流电路的直流调节单元中开关控制的反馈信号。
上述一种三相单级式整流电路的控制方法，还包括：采样所述三相单级式整流电路的三相整流桥的第一端和第二端的输出电流得到第一电流信号和第二电流信号，作为所述三相单级式整流电路的直流调节单元中开关控制的峰值电流信号。
上述一种三相单级式整流电路的控制方法，还包括：所述第一电压信号与所述负载电压信号经过调节后进行乘法运算并结合第一峰值电流信号计算出所述三相单级式整流电路中第一部分直流调节单元中的开关控制信号，
所述第二电压信号与所述负载电压信号经过调节后进行乘法运算并结合第二峰值电流信号计算出所述三相单级式整流电路中第二部分直流调节单元中的开关控制信号。
上述一种三相单级式整流电路的控制方法，还包括：
所述第一电压信号与所述负载电压信号经过调节后进行乘法运算并结合第一峰值电流信号经过比例积分运算和峰值电流控制运算计算出所述三相单级式整流电路中第一部分直流调节单元中的开关控制信号，
所述第二电压信号与所述负载电压信号经过调节后进行乘法运算并结合第二峰值电流信号经过比例积分运算和峰值电流控制运算计算出所述三相单级式整流电路中第二部分直流调节单元中的开关控制信号。
本发明为单级式整流电路，且具有隔离的效果。
为让发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。
附图说明
图1为本发明技术方案实施例图。
图2为本发明技术方案另一实施例图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。
本发明中所述的“第一”、“第二”、“第三”等(如果存在)用于在类似要素之间进行区别，并且不一定是描述特定的次序或者按时间的顺序。要理解，这样使用的这些术语在适当的环境下是可互换的，使得在此描述的主题的实施例如是能够以与那些说明的次序不同的次序或者以在此描述的另外的次序来进行操作。另外，凡可能之处，在图示及实施方式中使用相同标号的组件/构件/步骤，系代表相同或类似部件。
本发明的目的在于提供一种整流电路，该实现电气隔离，可直接并联，不存在环流的问题。
图1是本发明三相单级式整流电路的一具体实施例，包括三相整流桥11、双向开关Sy1、双向开关Sy2、双向开关Sy3、中间母线电容C4和C5、直流调节模块12，所述三相整流桥11的两端与中间母线电容C4和C5的串联支路并联，所述三相整流桥11的桥臂中点分别经过双向开关Sy1、双向开关Sy2、双向开关Sy3后并联，并于中间母线电容C4和C5的串联中点连接。直流调节模块12包括第一部分直流调节单元121和第二部分直流调节单元122，所述中间母线电容C4与第一部分直流调节单元121的输入端并联，所述中间母线电容C5与第二部分直流调节单元122的输入端并联，所述第一部分直流调节单元121的输出端与第二部分直流调节单元122的输出端并联后与负载连接。本实施例中使用电容Co和电阻Ro示例表示所述负载。所述第一部分直流调节单元121和第二部分直流调节单元122为隔离式直流直流变换单元，本实施例优选的两者为相同的半桥谐振电路拓扑结构。以第一部分直流调节单元121为例，包括开关Q1、开关Q2、电容C6、变压器T1、二极管D7和D8，所述开关Q1和开关Q2构成一半桥电路单元，所述电容C6的一端连接于所述开关Q1和开关Q2的串联支路的串联中点，所述电容C6的另一端连接于所述变压器T1的原边绕组，所述电容C6与所述变压器T1原边绕组集成的电感构成串联谐振单元，本发明亦可在电容C6的串联支路上串联一电感，以与其构成串联谐振单元。所述变压器T1的原边绕组的另一端与所述开关Q2的另一端连接所述开关Q1和开关Q2的串联支路的一端。所述变压器T1的副边并联二极管D7和D8构成的整流电路单元，本实施例中所述变压器T1的副边具有中心抽头，二极管D7和D8构成一半桥整流单元，其输出与负载并联。
第一部分直流调节单元121和第二部分直流调节单元122的电路拓扑结构还可以是全桥谐振式隔离变换电路拓扑、半桥非谐振式隔离变换电路拓扑或者全桥非隔离式变换电路拓扑。
图2是本发明的一种实施方式，本实施例中主要表示了图1三相单级式整流电路1的控制电路2，所述控制电路2包括比例调节单元212，所述比例调节单元212采样所述三相整流桥11的第二端电压V_L经过调节后输出电压信号V_L’，比例调节单元211，所述比例调节单元211采样所述三相整流桥11的第一端电压V_H经过调节后输出电压信号V_H’，比例调节单元23，所述比例调节单元23采样所述负载的电压Vo经过调节后输出负载电压信号Vo’；比例调节单元251，所述比例调节单元251采样所述三相整流桥11的第一端输出电流I_H经过调节后输出电流信号I_H’，比例调节单元252，所述比例调节单元252采样所述三相整流桥11的第二端输出电流I_L经过调节后输出电流信号I_L’；所述负载电压信号Vo’与参考信号Uo_ref经过减法单元24相减后再由PID控制单元29进行比例积分微分调节后得到反馈信号Uf，并提供给乘法单元221和222，乘法单元221将反馈信号Uf与电压信号V_H’相乘后得到电压信号VH，乘法单元222将反馈信号Uf与电压信号V_L’相乘后得到电压信号VL；电压信号VH和电流信号I_H’经过比例积分调节单元261和峰值电流控制单元271调节运算后输出开关Q1和Q2的控制信号G1和G2，所述控制信号G1和G2由反相运算单元281实现两者互补。电压信号VL和电流信号I_L’经过比例积分调节单元262和峰值电流控制单元272调节运算后输出开关Q3和Q4的控制信号G3和G4，所述控制信号G3和G4由反相运算单元282实现两者互补。
比例调节单元211和比例调节单元212实现了电压前馈，比例调节单元251和比例调节单元252实现了峰值电流采样，PID控制单元29实现了输出电压调节，比例积分调节单元261和262为电流内环控制单元。
在控制电路2的控制作用下，双向开关Sy1、Sy2和Sy3低频工作，开关Q1、Q2、Q3、Q4高频工作。以输入电压UA＞UB＞UC为例，此时Sy2导通，导通时间为60°，对于第一部分直流调节单元121，电压信号Vo’与参考信号Uo_ref比较后输出误差信号，经过PID控制单元29调节后与电压前馈信号相乘，输出的信号作为电流内环控制单元的基准，而后电流内环控制单元输出的信号再经过电流峰值控制单元271和272输出两路固定且互补导通的占空比，通过调节控制信号G1、G2、G3和G4的频率，来调整输出电压Vo。第一部分直流调节单元122工作原理同理。
本发明能够设计出一种隔离型的三相单级有源PFC，相较于非隔离型有源PFC+隔离型DC/DC的两级式架构而言，具有更高的效率，更小的体积。隔离型的三相单级有源PFC可直接并联，而不存在环流的问题。
虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (9)

1.一种三相单级式整流电路，其特征在于，包括三相整流桥、第一双向开关、第二双向开关、第三双向开关、第一中间母线电容、第二中间母线电容和直流调节模块，所述三相整流桥的两端与第一和第二中间母线电容的串联支路并联，所述三相整流桥的三个桥臂中点分别经过第一、第二和第三双向开关后与所述第一和第二中间母线电容的串联中点连接，所述直流调节模块包括第一部分直流调节单元和第二部分直流调节单元，所述第一部分直流调节单元和第二部分直流调节单元分别为隔离式拓扑结构，所述第一中间母线电容与第一部分直流调节单元的输入端并联，所述第二中间母线电容与第二部分直流调节单元的输入端并联，所述第一部分直流调节单元的输出端与第二部分直流调节单元的输出端并联后与负载连接。
2.如权利要求1所述一种三相单级式整流电路，其特征在于，所述第一部分直流调节单元和第二部分直流调节单元相同。
3.如权利要求2所述一种三相单级式整流电路，其特征在于，所述第一部分直流调节单元和第二部分直流调节单元分别为半桥谐振式隔离电路拓扑结构。
4.如权利要求2所述一种三相单级式整流电路，其特征在于，所述第一部分直流调节单元和第二部分直流调节单元分别为全桥谐振式隔离电路拓扑结构。
5.一种三相单级式整流电路的控制方法，其特征在于，包括：
采样所述三相单级式整流电路的三相整流桥的第一端的电压和第二端的电压得到第一电压信号和第二电压信号，分别作为所述三相单级式整流电路的直流调节单元中开关控制的第一前馈信号和第二前馈信号。
6.如权利要求5所述一种三相单级式整流电路的控制方法，其特征在于，包括：
采样所述三相单级式整流电路的负载的电压得到负载电压信号，作为所述三相单级式整流电路的直流调节单元中开关控制的反馈信号。
7.如权利要求6所述一种三相单级式整流电路的控制方法，其特征在于，包括：
采样所述三相单级式整流电路的三相整流桥的第一端和第二端的输出电流得到第一电流信号和第二电流信号，作为所述三相单级式整流电路的直流调节单元中开关控制的峰值电流信号。
8.如权利要求7所述一种三相单级式整流电路的控制方法，其特征在于，包括：
所述第一电压信号与所述负载电压信号经过调节后进行乘法运算并结合第一峰值电流信号计算出所述三相单级式整流电路中第一部分直流调节单元中的开关控制信号，
所述第二电压信号与所述负载电压信号经过调节后进行乘法运算并结合第二峰值电流信号计算出所述三相单级式整流电路中第二部分直流调节单元中的开关控制信号。
9.如权利要求8所述一种三相单级式整流电路的控制方法，其特征在于，包括：
所述第一电压信号与所述负载电压信号经过调节后进行乘法运算并结合第一峰值电流信号经过比例积分运算和峰值电流控制运算计算出所述三相单级式整流电路中第一部分直流调节单元中的开关控制信号，
所述第二电压信号与所述负载电压信号经过调节后进行乘法运算并结合第二峰值电流信号经过比例积分运算和峰值电流控制运算计算出所述三相单级式整流电路中第二部分直流调节单元中的开关控制信号。
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