CN111293874B - 一种功率因数矫正系统 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种功率因数矫正系统，通过设计一种输入为交流的高频振荡系统，实现了一种系统中所有的开关都工作于软开关状态的功率因数矫正系统，大大提高了系统的效率，降低了系统的电磁污染。由于实现了软开关，系统中开关的工作频率可以远远高于系统交流输入电源的频率，从而所用到的滤波电感很小，使得输入电压与输入电流的相位差很小。随着系统工作频率的提高以及滤波电感的减小，功率因数逐渐趋近于1。

Description

一种功率因数矫正系统
技术领域
本发明主要用于电力系统中的功率因数矫正。
技术背景
传统功率因数矫正系统中的开关大都工作于硬开关状态，尽管某些系统也采用了一些准谐振软开关技术，但大都非常复杂而缺乏实用性。与传统的，首先对交流输入进行整流的策略不同，本发明设计了一种输入为交流的高频振荡系统，首先将低频市电转变为高频振荡，然后再对高频振荡进行整流。可以通过对系统高频振荡的过零点进行检测，控制开关在系统振荡的过零点动作而实现软开关。同时利用输入电感的滤波作用，使系统的输入电流在系统开关网络高频开关的作用下，跟随系统输入电压的变化，即系统的输入电流随着系统输入电压的增大而增大，减小而减小，从而实现了功率因数矫正。由于实现了软开关，系统的频率可以做到很高，从而所需要的滤波电感很小，使得电流落后于电压的相位很小，并且这个相位差会随着开关频率的提高而不断减小，即随着开关频率的提高，系统的功率因数逐渐趋近于1.
附图说明
作为整个说明书一部分的附图，对本发明的实施例进行了图示说明，与文字部分的说明一起，用来对本发明的基本原则进行解释。
图1.表示本发明所提功率因数矫正系统的基本电路结构框图。
图2.表示在基本电路结构的基础上，在输入电源与输入滤波电感之间加入整流的电路结构框图。
图3.表示在图2所示电路结构的基础上，将两个高端开关变为两个电感的电路结构框图。
图4.表示在图3电路结构的基础上，进一步将输入滤波电感省略掉的电路结构框图。
图5.表示在基本电路结构中，去掉付边接收电感，直接对共振槽中的高频振荡进行整流的电路结构框图。
具体实施方式
本技术所提功率因数矫正系统的总体结构如图1所示。该系统大致分为两个部分，即原边电路和付边电路。其中原边电路又可以分为交流输入电源Us(1)，输入滤波电感L1(2)，开关网络(3)，共振槽(4)和控制器(9)五个部分。滤波电感L1接于输入电源Us与开关网络之间，负责对由于开关网络中的开关高频通断所产生的高频振荡电流进行滤波，使输入电流is大致随输入电压Us的变化而变化，实现功率因数矫正。
开关网络由两个半桥组成，S1和S2组成一个半桥，S3和S4组成另一个半桥，其中S1和S3是高端开关，S2和S4是低端开关。高端开关连接在一起接滤波电感L1(2)，低端开关连接在一起接地。两个半桥中的四个开关分为两组，分别由一个半桥中的高端开关和另一个半桥中的低端开关组成。每组开关的通断由同一个信号控制，即同一组开关中的两个开关同时导通或同时关断。正常情况下，不同组开关的通断信号互补，即一组开关导通，则另一组开关关断，反之，一组开关关断，则另一组开关导通。特殊情况下，也可以通过调整四个开关导通和关断的次序而实现对系统输出功率的调整。
共振槽由两个电容C1，C2和一个发射电感Lp组成，接于两个半桥的中点a，b之间。其中电容C2与发射电感Lp串联，电容C1与串联之后的C2和Lp并联。共振槽两端，即点a，b之间的电压，是高频交变电压，可正可负，从而开关网络两端的电压亦可正可负，从而系统的输入电源也可以是交流电源。特殊情况下，也可以将共振槽中的电容C2去掉，仅剩C1和Lp并联组成一个更简单的共振槽。
控制器(9)动态实时监测两个半桥中点a，b之间的电压，控制开关网络(3)中的四个开关S1，S2，S3和S4在这个电压的过零点导通和关断，实现软开关。两个半桥中点a，b之间电压的过零点频率为系统的工作频率，通过调整输入滤波电感L1(2)以及共振槽中电容以及电感参数的大小，可以使该频率远远高于系统交流输入电源Us(1)的频率。系统的工作频率越高，输入滤波电感L1(2)越小，系统的功率因数就越接近于1。
付边电路包括一个接收电感Ls(5)，一个整流电路(6)，一个滤波网络(7)和一个负载Rload(8)。除了采取上述结构外，付边电路也可以采用任何其它全波或半波整流滤波结构。原边电路和付边电路通过原边电路共振槽中的发射电感Lp和付边电路的接收电感Ls耦合在一起。可以通过调整两个耦合电感Lp和Ls的大小来实现对系统输出电压的调整。
尽管本发明已经通过对其实施例的详细描述进行了说明，但申请人无意将所附权利要求的范围以任何方式限制于这些细节。本领域的专业技术人员可以很容易地在本发明的基础上找出各种变体，而不脱离本发明的范围和精神，比如在输入电源与输入滤波电感之间加入整流结构，如图2所示，然后可以将两个高端开关S1，S3换为两个电感L2，L3如图3所示，然后还可以进一步将输入滤波电感省略掉如图4所示，另外也可以将付边的接收电感去掉，直接对共振槽中的高频振荡进行整流如图5所示等等。因此，本发明在其更广泛的意义上不限于所示和所描述的具体细节，代表性装置和方法以及说明性示例。在不脱离申请人的总体发明构思的精神或范围的情况下，可以产生对这些细节的各种各样的偏离。在本说明书中参考任何现有技术并不构成承认这样的现有技术形成公知常识的一部分。

Claims (5)

1.一种功率因数矫正系统，包括：
一个原边电路和一个付边电路；
其特征在于：
利用一种特殊的共振槽结构，通过使系统的驱动频率始终与系统自身所固有的谐振频率相等，
在系统门驱动信号的占空比固定为50％不变的情况下，同时实现软开关及功率因数校正效果；
其中：
原边电路包括一个交流电源，一个滤波电感，一个开关网络，一个共振槽和一个控制器；
交流电源一端接地，一端接滤波电感；
滤波电感一端接交流电源，一端接开关网络；
开关网络由两个半桥并联组成，一端接滤波电感，一端接地；
开关网络中的每个半桥由一个高端和一个低端两个开关串联组成，两个开关的连接点为该半桥的中点；
共振槽接于两个半桥的中点之间，由两个电容和一个发射电感组成，其中的一个电容与发射电感串联，另一个电容与这个串联结构并联；
控制器动态实时监测两个半桥中点之间的电压，控制开关网络中的四个开关在这个电压的过零点导通和关断，实现软开关；
两个半桥中点之间电压的过零点频率为系统的工作频率，这个频率远远高于系统交流输入电源的频率；
系统的输入电流，通过滤波电感以及开关网络的高频开关作用，跟随输入电压的变化，实现功率因数矫正；
付边电路包括一个接收电感，一个整流电路，一个滤波网络和一个负载；
所述整流电路及滤波网络采用任何全波或半波整流及滤波结构；
原边电路和付边电路通过原边电路共振槽中的发射电感和付边电路中的接收电感耦合在一起，通过调整两个耦合电感的大小来实现对系统输出电压的调整。
2.如权利要求1所述的一种功率因数矫正系统，其特征在于：在交流电源与滤波电感之间加入整流结构。
3.如权利要求2所述的一种功率因数矫正系统，其特征在于：将开关网络中的两个高端开关换为两个电感。
4.如权利要求3所述的一种功率因数矫正系统，其特征在于：将输入滤波电感省略掉。
5.如权利要求1所述的一种功率因数矫正系统，其特征在于：去掉付边的接收电感，直接对共振槽中的高频振荡进行整流。
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