CN111525821A - 一种新型pfc整流电路 - Google Patents

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黎太其
高蕾
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Abstract

本发明提供了一种新型PFC整流电路，属于电力电子技术领域。本发明包括升压电感、双向开关、续流二极管、直流稳压电容。本发明一种新型PFC电路能将工频交流电或者其他频率的交流电整流升压为直流电，并且能实现功率因数校正功能。与传统单相PFC整流电路相比，所需器件少、开关管和续流二极管承受的电压仅为输出电压的一半，升压特性好，升压比是传统Boost电路的2倍，适用于大功率、高电压场合。

Description

一种新型PFC整流电路
技术领域
本发明涉及一种新型PFC整流电路，特别指一种无桥结构的单相PFC整流电路，属于电力电子技术领域。
背景技术
传统单相PFC整流电路先将交流电经二极管整流桥整流后，再利用DC-DC变换器实现功率因数校正功能，这样一来整个PFC整流电路器件数量多、体积大，为了减少PFC整流电路的器件，有学者相继提出了采用无桥结构的单相PFC整流电路和采用图腾柱结构的单相PFC整流电路，这两种结构的PFC整流电路都省去了二极管整流桥，但电路的升压特性不好，将会导致PFC整流器在低压线路输入时遭受严重的传导损耗，其升压比k0为传统boost电路的升压比，即k0＝(uo/us)＝1/(1-D)；并且开关管两端承受的电压为负载输出电压，电压应力大。
为改善单相PFC整流电路的性能，减小开关管和二极管的电压应力，提出了一种新型单相PFC整流电路，与传统单相Boost型PFC整流电路相比，所需器件更少，升压比k＝2k0，即本发明新型PFC整流电路的升压比为传统Boost电路的2倍，适用于大功率，高电压的整流电路场合。
发明内容
本发明的目的是为了提高整流电路输入侧的电能质量，减少PFC整流电路的器件，减小开关管的电压应力，进而提出一种新型PFC整流电路。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种新型PFC整流电路，所述一种新型PFC整流电路包括交流电源、升压电感、双向开关、续流二极管、直流稳压电容、直流负载，交流电源的上端与升压电感串联，升压电感的右端与续流二极管中D1的阳极、续流二极管中D2的阴极以及双向开关中S2的发射极相连接，双向开关中的S2与S1反向串联，双向开关中S1的发射极与直流稳压电容中C1的负极、直流稳压电容中C2的正极以及交流电源的下端相连接，续流二极管中D1的阴极与直流稳压电容中C1的正极相连接，续流二极管中D2的阳极与直流稳压电容中C2的负极相连接，直流稳压电容与直流负载并联连接
本发明一种新型PFC整流电路，所述交流电源可以是频率为50Hz的工频交流电或频率大于50Hz的交流电，续流二极管中D1和D2均为快恢复型二极管，双向开关由两个相同的IGBT构成，直流稳压电容由两个相同的直流电容构成。
本发明一种新型PFC整流电路，所述一种新型PFC整流电路的工作原理为，在一个交流电周期内有四个工作模态：
工作模态I：在交流电源正半周期，当双向开关中的两个开关管S1导通，S2关断时，升压电感储存能量，此时升压电感两端的电压满足uL＝us，直流稳压电容给直流负载供电。
工作模态II：在交流电源正半周期，当双向开关中的两个开关管S1，S2均关断时，升压电感释放能量给直流稳压电容C1充电，此时升压电感两端的电压满足uL＝us-uo/2，直流稳压电容给直流负载供电。
工作模态III：在交流电源负半周期，当双向开关中的两个开关管S2导通，S1关断时，升压电感储存能量，此时升压电感两端的电压满足uL＝-us，直流稳压电容给直流负载供电。
工作模态IV：在交流电源负半周期，当双向开关中的两个开关管S1，S2均关断时，升压电感释放能量给直流稳压电容C2充电，此时升压电感两端的电压满足uL＝-us+uo/2，直流稳压电容给直流负载供电。
本发明一种新型PFC整流电路，所述输入交流电压us与输出负载电压uo满足uo/us＝2/(1-D)，D为开关管S1和S2的占空比，并定义升压比k＝uo/us。
本发明一种新型PFC整流电路，在一个交流电源周期内，开关管S1、S2和二极管D1、D2承受的最大电压应力均为uo/2，从而减小了开关管和二极管的电压应力；与传统单相Boost型PFC整流电路相比，使用的器件更少；升压比k＝2k0，即本发明新型PFC整流电路的升压比为传统Boost电路的2倍，适用于大功率，高电压的整流电路场合。
附图说明
图1为本发明一种新型PFC整流电路的结构示意图；
图2为工作模态I的示意图；
图3为工作模态II的示意图；
图4为工作模态III的示意图；
图5为工作模态IV的示意图。
图中标号说明：图1至图5中，us为交流输入电压源，L为升压电感，uL为电感两端的电压，D1为第一续流二极管，D2为第二续流二极管，S1、S2为双向开关中的两个反向串联IGBT，iL为流过升压电感的电流，is为输入电流，C1为第一直流稳压电容，C2为第二直流稳压电容，uo/2为两个直流稳压电容两端的电压，R为负载，uo为负载两端的电压，io为负载电流。
1为交流电源、2为升压电感、3为双向开关、4为续流二极管、5为直流稳压电容、6为直流负载。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了具体的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
实施例一：如图1所示，本实施例所涉及的一种新型PFC整流电路，包括交流电源、升压电感、双向开关、续流二极管、直流稳压电容、直流负载，交流电源的上端与升压电感串联，升压电感的右端与续流二极管D1的阳极、续流二极管D2的阴极以及双向开关中S2的发射极相连接，双向开关中的S2与S1反向串联，双向开关中S1的发射极与直流稳压电容C1的负极、直流稳压电容C2的正极以及交流电源的下端相连接，续流二极管D1的阴极与直流稳压电容C1的正极相连接，续流二极管D2的阳极与直流稳压电容C2的负极相连接，直流稳压电容与直流负载并联连接。
实施例二：如图2所示，本实施例所涉及的一种新型PFC整流电路，在交流电源正半周期，当双向开关中的两个开关管S1导通，S2关断时，升压电感储存能量，此时升压电感两端的电压满足uL＝us，直流稳压电容给直流负载供电。
实施例三：如图3所示，本实施例所涉及的一种新型PFC整流电路，在交流电源正半周期，当双向开关中的两个开关管S1，S2均关断时，升压电感释放能量给直流稳压电容C1充电，此时升压电感两端的电压满足uL＝us-uo/2，直流稳压电容给直流负载供电。
实施例四：如图4所示，本实施例所涉及的一种新型PFC整流电路，在交流电源负半周期，当双向开关中的两个开关管S2导通，S1关断时，升压电感储存能量，此时升压电感两端的电压满足uL＝-us，直流稳压电容给直流负载供电。
实施例五：如图5所示，本实施例所涉及的一种新型PFC整流电路，在交流电源负半周期，当双向开关中的两个开关管S1，S2均关断时，升压电感释放能量给直流稳压电容C1充电，此时升压电感两端的电压满足uL＝-us+uo/2，直流稳压电容给直流负载供电。
实施例六：本实施例所涉及的一种新型PFC整流电路，由实施例二至实施例五可知，在一个交流电源周期内，根据伏秒平衡原理，即升压电感存储的能量等于释放的能量，通过分析新型PFC整流电路的工作模态，可以得到输入交流电压us与输出负载电压uo满足uo/us＝2/(1-D)，D为开关管S1和S2的占空比。为了便于分析，以交流电源正半周期，升压电感L工作在连续模式进行分析：设开关周期为T，根据伏秒平衡，升压电感L在一个开关周期内储存的能量等于释放的能量，即
Figure BDA0002519844920000041
可以得到
Figure BDA0002519844920000042
从而输入/输出电压关系(升压比k)为：k＝(uo/us)＝2/(1-D)。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且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该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种新型PFC整流电路，其特征在于：所述一种新型PFC整流电路包括交流电源(1)、升压电感(2)、双向开关(3)、续流二极管(4)、直流稳压电容(5)、直流负载(6)，交流电源(1)的上端与升压电感(2)串联，升压电感(2)的右端与续流二极管(4)中D1的阳极、续流二极管(4)中D2的阴极以及双向开关(3)中S2的发射极相连接，双向开关(3)中的S2与S1反向串联，双向开关(3)中S1的发射极与直流稳压电容(5)中C1的负极、直流稳压电容(5)中C2的正极以及交流电源(1)的下端相连接，续流二极管(4)中D1的阴极与直流稳压电容(5)中C1的正极相连接，续流二极管(4)中D2的阳极与直流稳压电容(5)中C2的负极相连接，直流稳压电容(5)与直流负载(6)并联连接。
2.根据权利要求1所述一种新型PFC整流电路，其特征在于：所述交流电源(1)为频率50Hz的工频交流电或频率大于50Hz的交流电，续流二极管(2)中D1和D2均为快恢复二极管，双向开关(3)由两个相同的IGBT构成，直流稳压电容(5)由两个相同的直流电容构成。
3.根据权利要求1所述一种新型PFC整流电路，其特征在于：在交流电源(1)的正半周期，当双向开关(3)中的两个开关管S1导通，S2关断时，升压电感(2)储存能量，此时升压电感(2)两端的电压满足uL＝us，直流稳压电容(5)给直流负载(6)供电。
4.根据权利要求1所述一种新型PFC整流电路，其特征在于：在交流电源(1)的正半周期，当双向开关(3)中的两个开关管S1、S2均关断时，升压电感(2)释放能量给直流稳压电容C1充电，此时升压电感(2)两端的电压满足uL＝us-uo/2，直流稳压电容(5)给直流负载(6)供电。
5.根据权利要求1所述一种新型PFC整流电路，其特征在于：在交流电源(1)的负半周期，当双向开关(3)中的两个开关管S2导通，S1关断时，升压电感(2)储存能量，此时升压电感(2)两端的电压满足uL＝-us，直流稳压电容(5)给直流负载(6)供电。
6.根据权利要求1所述一种新型PFC整流电路，其特征在于：在交流电源(1)的负半周期，当双向开关(3)中的两个开关管S1、S2均关断时，升压电感(2)释放能量给直流稳压电容C2充电，此时升压电感(2)两端的电压满足uL＝-us+uo/2，直流稳压电容(5)给直流负载(6)供电。
7.根据权利要求1所述一种新型PFC整流电路，其特征在于：在一个交流电源周期内，开关管S1、S2和二极管D1、D2承受的最大电压应力均为uo/2，交流电源(1)的输入交流电压us与直流负载(6)的输出负载电压uo满足uo/us＝2/(1-D)，D为开关管S1和S2的占空比，并定义升压比k＝uo/us。
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