CN111865121A - 一种单三相兼容的pfc变换器及其控制方法 - Google Patents

一种单三相兼容的pfc变换器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种单三相兼容的PFC变换器及其控制方法，包括：滤波电路，三个主动桥臂，一个被动桥臂和直流母线电容，其中：所述滤波电路包括三个交流输入端口、一个接地输入端口、三个交流输出端口和一个接地输出端口，三个所述交流输出端口分别与三个所述主动桥臂的中点一一连接，所述接地输出端口与所述被动桥臂的中点连接；三个所述主动桥臂的两端均与所述被动桥臂的两端、所述直流母线电容的两端并联，作为所述PFC变换器的输出端。本申请中的PFC变换器，既可接三相交流电源，也可接单相交流电源，在不同的供电情况下均可工作，解决了原充电系统无法兼容单三相的问题，为用户充电提供便宜。

Description

一种单三相兼容的PFC变换器及其控制方法
技术领域
本发明涉及PWM整流领域，特别涉及一种单三相兼容的PFC变换器及其控制方法。
背景技术
随着无线供电技术的发展，大功率无线供电的需求日益增多。受电网三相不平衡的限制，单相供电很难达到大功率，进而产生了对三相供电的无线充电的需求。但是，当前三相供电无线充电系统只适用于三相供电时，无法应用在单相供电情况下，用户在不同的供电情况下必须使用不同的充电系统，造成设备冗余不便，使用困扰。
因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是目前本领域技术人员需要解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种单三相兼容的PFC变换器及其控制方法。其具体方案如下：
一种单三相兼容的PFC变换器，包括：滤波电路，三个主动桥臂，一个被动桥臂和直流母线电容，其中：
所述滤波电路包括三个交流输入端口、一个接地输入端口、三个交流输出端口和一个接地输出端口，三个所述交流输出端口分别与三个所述主动桥臂的中点一一连接，所述接地输出端口与所述被动桥臂的中点连接；
三个所述主动桥臂的两端均与所述被动桥臂的两端、所述直流母线电容的两端并联，作为所述PFC变换器的输出端。
优选的，所述滤波电路包括共模滤波电路和差模滤波电路。
优选的，所述差模滤波电路具体为LCL结构的滤波电路。
优选的，所述共模滤波电路包括三个第一共模接地电容，三个第二共模接地电容，四个共模电感；所述差模滤波电路包括三个第一差模电感，三个第二差模电感和三个差模电容；其中：
三个所述第一共模接地电容分别与三个所述交流输入端口一一连接；
三个所述第一差模电感的第一端分别与三个所述交流输入端口一一连接，三个所述第一差模电感的第二端分别与三个所述差模电容的第一端一一连接；
三个所述差模电容的第二端均与所述接地输入端口连接；
四个所述共模电感的第一端分别与三个所述差模电容的第一端、所述接地输入端口一一连接，四个所述共模电感的第二端分别与三个所述第二共模接地电容、所述接地输出端口连接；
三个所述第二差模电感的第一端分别与三个所述第二共模接地电容连接，三个所述第二差模电感的第二端分别与三个所述交流输出端口连接。
优选的，所述共模滤波电路还包括第三共模接地电容和第四共模接地电容，其中：
所述第三共模接地电容与所述接地输入端口连接；
所述第四共模接地电容与所述接地输出端口连接。
优选的，所述被动桥臂包括两个串联且电流流向与三个所述主动桥臂的电流流向均相反的二极管。
相应的，本申请还公开了一种PFC变换器的控制方法，应用于上文任一项所述PFC变换器，所述控制方法包括：
按照应用模式对所述PFC变换器接线；
根据所述应用模式控制所述PFC变换器中的主动桥臂；
其中，所述应用模式包括三相三线模式、三相四线模式、单相模式。
优选的，当所述应用模式为所述三相三线模式或所述三相四线模式，所述根据所述应用模式控制所述PFC变换器中的主动桥臂的过程，包括：
利用电压外环、电流内环的双环控制方法，控制所述PFC变换器中的主动桥臂。
优选的，当所述应用模式为所述单相模式，所述按照应用模式对所述PFC变换器接线的过程，包括：
将所述PFC变换器的三个交流输入端口共同接入目标交流电源的第一端口，将所述PFC变换器的接地输入端口接入所述目标交流电源的第二端口。
优选的，当所述应用模式为所述单相模式，所述根据所述应用模式控制所述PFC变换器中的主动桥臂的过程，包括：
利用电压外环、电流内环的双环控制方法以及载波移相调制，控制所述PFC变换器中的主动桥臂。
本申请公开了一种单三相兼容的PFC变换器，包括：滤波电路，三个主动桥臂，一个被动桥臂和直流母线电容，其中：所述滤波电路包括三个交流输入端口、一个接地输入端口、三个交流输出端口和一个接地输出端口，三个所述交流输出端口分别与三个所述主动桥臂的中点一一连接，所述接地输出端口与所述被动桥臂的中点连接；三个所述主动桥臂的两端均与所述被动桥臂的两端、所述直流母线电容的两端并联，作为所述PFC变换器的输出端。本申请中的PFC变换器，既可接三相交流电源，也可接单相交流电源，在不同的供电情况下均可工作，解决了原充电系统无法兼容单三相的问题，为用户充电提供便宜。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中一种单三相兼容的PFC变换器的结构分布图；
图2为本发明实施例中一种单三相兼容的PFC变换器的控制方法的步骤流程图；
图3为本发明实施例中一种三相三线模式的PFC变换器的结构分布图；
图4为本发明实施例中一种三相四线模式的PFC变换器的结构分布图；
图5为本发明实施例中一种双环控制方法的控制框图；
图6为本发明实施例中一种单相模式的PFC变换器的结构分布图；
图7为本发明实施例中一种双环控制方法的控制框图；
图8为本发明实施例中主动桥臂载波移相的波形示意图。
具体实施方式
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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
当前三相供电无线充电系统只适用于三相供电时，无法应用在单相供电情况下，用户在不同的供电情况下必须使用不同的充电系统，造成设备冗余不便，使用困扰。本申请中的PFC变换器，既可接三相交流电源，也可接单相交流电源，在不同的供电情况下均可工作，解决了原充电系统无法兼容单三相的问题，为用户充电提供便宜。
本发明实施例公开了一种单三相兼容的PFC(Power Factor Correction，功率因数校正)变换器，参见图1所示，包括：滤波电路FC，三个主动桥臂(S1和S2、S3和S4、S5和S6)，一个被动桥臂(D1和D2)和直流母线电容Cbus，其中：
滤波电路FC包括三个交流输入端口A、B和C，一个接地输入端口N，三个交流输出端口a、b和c，和一个接地输出端口n，三个交流输出端口a、b和c分别与三个主动桥臂的中点一一连接，接地输出端口n与被动桥臂的中点连接；
三个主动桥臂的两端均与被动桥臂的两端、直流母线电容Cbus的两端并联，作为PFC变换器的输出端。
其中，每个主动桥臂包括两个串联的全控型功率器件，三个主动桥臂组合构成一个三相全桥电路，此处全控型功率器件的选型包括IGBT((Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field-EffectTransistor，金属-氧化层半导体场效晶体管)等，具体根据实际需求确定；被动桥臂包括两个串联且电流流向与三个主动桥臂的电流流向均相反的二极管D1和D2，也就是说，三个主动桥臂的电流流向相同且与被动桥臂相反。
可以理解的是，直流母线电容Cbus的两端作为PFC变换器的输出端，连接直流负载，也即图中RL。
进一步的，滤波电路FC包括共模滤波电路和差模滤波电路，包括差模电感、共模电感和电容，其中共模电感能够兼容支持单三相交流输入。
其中，差模滤波电路具体为LCL结构的滤波电路。
进一步的，共模滤波电路包括三个第一共模接地电容C11，三个第二共模接地电容C12，四个共模电感L1；差模滤波电路包括三个第一差模电感L21，三个第二差模电感L22和三个差模电容C2；其中：
三个第一共模接地电容C11分别与三个交流输入端口A、B和C一一连接；
三个第一差模电感L21的第一端分别与三个交流输入端口A、B和C一一连接，三个第一差模电感L21的第二端分别与三个差模电容C2的第一端一一连接；
三个差模电容C2的第二端均与接地输入端口N连接；
四个共模电感L1的第一端分别与三个差模电容C2的第一端、接地输入端口N一一连接，四个共模电感L1的第二端分别与三个第二共模接地电容C12、接地输出端口n连接；
三个第二差模电感L22的第一端分别与三个第二共模接地电容C12连接，三个第二差模电感L22的第二端分别与三个交流输出端口a、b和c连接。
进一步的，共模滤波电路还可包括第三共模接地电容C13和第四共模接地电容C14，其中：
第三共模接地电容C13与接地输入端口N连接；
第四共模接地电容C14与接地输出端口n连接。
可以理解的是，上文中所提及接地电容的一端必然接地，另一端按照实施例中描述连接其他端口。
从图1可见，本实施例中滤波电路FC内部以三相四线为主，针对每一相电源的元件及元件的连接关系都是相同的，对于任一相，A相、B相或C相，都有以下滤波结构：
与交流输入端口连接的第一共模接地电容C11；
依次连接于交流输入端口和交流输出端口间的第一差模电感L21、共模电感L1、第二差模电感L22；
设于第一差模电感L21和共模电感L1的公共点和接地输入端口N之间的差模电容C2；
设于共模电感L1和第二差模电感L22的公共点和接地输出端口n之间的第二共模接地电容C12。
除此外，滤波电路FC上与接地线相关的元件包括：
设于接地输入端口N和接地输出端口n之间的共模电感L1；
与接地输入端口N连接的第三共模接地电容C13；
与接地输出端口n连接的第四共模接地电容C14。
可以理解的是，四个共模电感L1作为一组同名端方向一致的电感，起到兼容支持单三相交流输入的作用。
本申请公开了一种单三相兼容的PFC变换器，包括：滤波电路，三个主动桥臂，一个被动桥臂和直流母线电容，其中：所述滤波电路包括三个交流输入端口、一个接地输入端口、三个交流输出端口和一个接地输出端口，三个所述交流输出端口分别与三个所述主动桥臂的中点一一连接，所述接地输出端口与所述被动桥臂的中点连接；三个所述主动桥臂的两端均与所述被动桥臂的两端、所述直流母线电容的两端并联，作为所述PFC变换器的输出端。本申请中的PFC变换器，既可接三相交流电源，也可接单相交流电源，在不同的供电情况下均可工作，解决了原充电系统无法兼容单三相的问题，为用户充电提供便宜。
相应的，本申请实施例还公开了一种PFC变换器的控制方法，参见图2所示，应用于上文任一项PFC变换器，控制方法包括：
S1：按照应用模式对PFC变换器接线；
S2：根据应用模式控制PFC变换器中的主动桥臂；
其中，应用模式包括三相三线模式、三相四线模式、单相模式。
可以理解的是，本实施例中步骤S1和S2的具体执行主体存在讨论空间，如本实施例的控制方法整体由同一控制器执行，则该控制器根据实际供电情况确定应用模式，根据该应用模式对PFC变换器接线，并根据该应用模式控制主动桥臂；如本实施例的控制方法中根据实际供电情况确定应用模式并接线这一动作由人工实现，而步骤S2发送控制信号来控制主动桥臂的动作由控制器实现，则在步骤S2前，控制器需获取具体的应用模式，该应用模式的获取可以是人工向控制器发送的应用模式信息，也可以是控制器根据PFC变换器接线后运行参数的差异进行判断，最后确定的应用模式，具体的判断方式，可以是：如果三个交流输入端口的电压相位相同，则确定当前应用模式为单相模式，如果三个交流输入端口的电压相位两两相差120°，则确定当前应用模式为三相供电，具体是三相三线模式还是三相四线模式，再看接地输入端口的连接状态。当然，除此外还可以其他的判断方式确定应用模式，此处并不限制。
具体的，当应用模式为三相三线模式或三相四线模式，意味着PFC变换器与目标电路以三相三线模式或三相四线模式连接，参见图3和图4所示。参见图5所示的控制框图，此时根据应用模式控制PFC变换器中的主动桥臂的过程，包括：
利用电压外环、电流内环的双环控制方法，控制PFC变换器中的主动桥臂。
可以理解的是，该双环控制方法基于三相dq解耦，电压外环可控制变换器的直流输出电压，保证直流输出电压稳定，并向电流内环输出控制电流指令，以使电流内环按照该控制电流指令对电流控制，从而快速地跟踪网侧电压。这种控制方法具有开关频率固定、算法较简单易实现、网测变压器及滤波电感设计较容易、可限制开关损耗、指令电流为直流信号不随时间变化、有功电流和无功电流解耦后单独控制等优点，保证整个系统具有良好的动态性能和静态性能。
具体的，电压外环将直流电压指令与采集到的实际值做比较，利用PI调节器得到有功电流指令id*，iq*则表示三相电流的无功分量，可根据需求设定指令值，在单位功率因数条件下，无功电流的指令值给定为0。在dq同步旋转坐标系中，这两个电流指令为直流信号；电流内环的PI调节器可以消除稳态误差，稳态性能较好；因为是在旋转坐标系中，所以有功和无功电流可以独立控制，即实现了有功和无功的解耦控制。指令电流与实际电流作比较后，经过电流的交叉解耦，再与网侧电压的d轴分量求和，得到电压指令，最后利用SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制)调制方法产生主动桥臂上功率器件的开关信号。
相应的，参见图6所示，当应用模式为单相模式，按照应用模式对PFC变换器接线的过程，包括：
将PFC变换器的三个交流输入端口共同接入目标交流电源的第一端口，将PFC变换器的接地输入端口接入目标交流电源的第二端口。
此时PFC变换器的电路拓扑结构为图腾柱无桥PFC，参见图7所示的控制框图，其中Lx1、Lx2和CX为滤波电路FC的简略模型，当应用模式为单相模式，根据应用模式控制PFC变换器中的主动桥臂的过程，包括：利用电压外环、电流内环的双环控制方法以及载波移相调制，控制PFC变换器中的主动桥臂。
图7中双核控制方法具体包括：电压外环控制通过采集输出直流母线电压，再与参考电压Vref作比较，比较误差值经PI控制器后与锁相环输出的相位相乘得到电流内环的参考量；电流内环的参考量与实际的电网输入电流作比较后，经PI控制器输出后进行PWM调制产生功率器件的开关信号。
可以理解的是，三个主动桥臂的调制通过载波移相提高等效开关频率，从而减小输入的电流纹波，此时三个主动桥臂的载波之间相位互差120°，如图8所示。
本实施例中提出了一种单三相兼容的PFC变换器的控制方法，将该实施例应用于无线充电系统中，即可实现单三相无线供电系统的兼容。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的一种单三相兼容的PFC变换器及其控制方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种单三相兼容的PFC变换器，其特征在于，包括：滤波电路，三个主动桥臂，一个被动桥臂和直流母线电容，其中：
所述滤波电路包括三个交流输入端口、一个接地输入端口、三个交流输出端口和一个接地输出端口，三个所述交流输出端口分别与三个所述主动桥臂的中点一一连接，所述接地输出端口与所述被动桥臂的中点连接；
三个所述主动桥臂的两端均与所述被动桥臂的两端、所述直流母线电容的两端并联，作为所述PFC变换器的输出端。
2.根据权利要求1所述PFC变换器，其特征在于，所述滤波电路包括共模滤波电路和差模滤波电路。
3.根据权利要求2所述PFC变换器，其特征在于，所述差模滤波电路具体为LCL结构的滤波电路。
4.根据权利要求3所述PFC变换器，其特征在于，所述共模滤波电路包括三个第一共模接地电容，三个第二共模接地电容，四个共模电感；所述差模滤波电路包括三个第一差模电感，三个第二差模电感和三个差模电容；其中：
三个所述第一共模接地电容分别与三个所述交流输入端口一一连接；
三个所述第一差模电感的第一端分别与三个所述交流输入端口一一连接，三个所述第一差模电感的第二端分别与三个所述差模电容的第一端一一连接；
三个所述差模电容的第二端均与所述接地输入端口连接；
四个所述共模电感的第一端分别与三个所述差模电容的第一端、所述接地输入端口一一连接，四个所述共模电感的第二端分别与三个所述第二共模接地电容、所述接地输出端口连接；
三个所述第二差模电感的第一端分别与三个所述第二共模接地电容连接，三个所述第二差模电感的第二端分别与三个所述交流输出端口连接。
5.根据权利要求4所述PFC变换器，其特征在于，所述共模滤波电路还包括第三共模接地电容和第四共模接地电容，其中：
所述第三共模接地电容与所述接地输入端口连接；
所述第四共模接地电容与所述接地输出端口连接。
6.根据权利要求1至5任一项所述PFC变换器，其特征在于，所述被动桥臂包括两个串联且电流流向与三个所述主动桥臂的电流流向均相反的二极管。
7.一种PFC变换器的控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1至6任一项所述PFC变换器，所述控制方法包括：
按照应用模式对所述PFC变换器接线；
根据所述应用模式控制所述PFC变换器中的主动桥臂；
其中，所述应用模式包括三相三线模式、三相四线模式、单相模式。
8.根据权利要求7所述控制方法，其特征在于，当所述应用模式为所述三相三线模式或所述三相四线模式，所述根据所述应用模式控制所述PFC变换器中的主动桥臂的过程，包括：
利用电压外环、电流内环的双环控制方法，控制所述PFC变换器中的主动桥臂。
9.根据权利要求7所述控制方法，其特征在于，当所述应用模式为所述单相模式，所述按照应用模式对所述PFC变换器接线的过程，包括：
将所述PFC变换器的三个交流输入端口共同接入目标交流电源的第一端口，将所述PFC变换器的接地输入端口接入所述目标交流电源的第二端口。
10.根据权利要求9所述控制方法，其特征在于，当所述应用模式为所述单相模式，所述根据所述应用模式控制所述PFC变换器中的主动桥臂的过程，包括：
利用电压外环、电流内环的双环控制方法以及载波移相调制，控制所述PFC变换器中的主动桥臂。
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