CN112003466B - 一种可实现升降压的三相apfc整流器及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可实现升降压的三相APFC整流器及其工作方法，本发明一种可实现升降压的三相APFC整流器通过在三相电压型APFC整流器直流输出端设计双管buck‑boost变换器，并通过对正直流母线双管buck‑boost变换器、负直流母线双管buck‑boost变换器和有源三次谐波注入网络的控制，可实现网侧高功率因数及直流输出电压大范围可调的功能。本发明一种可实现升降压的三相APFC整流器的工作方法解决了现有技术中直流输出端以升压为主，直流侧输出电压调节范围小的问题。

Description

一种可实现升降压的三相APFC整流器及其工作方法
技术领域
本发明属于电力电子领域，涉及一种可实现升降压的三相APFC整流器，还涉及该三相APFC整流器的工作方法。
背景技术
随着半导体技术的快速发展，使得整流器技术也获得了长足的发展。在三相整流器领域，整流器拓扑经历了从三相单开关到六开关、从两电平到多电平、从单向到能量双向流动、从不隔离到输入与输出端电气隔离的发展历程。其中，三相不控整流器、三相相控整流器网侧功率因数低、会向电网注入大量的谐波；三相单开关型APFC整流器和三相双开关型APFC整流器受限于三相不控整流器只能实现一定程度的功率因数校正，网侧功率因数较低；三相三开关型APFC整流器、三相六开关型APFC整流器、三相二极管钳位式APFC整流器、三相T相APFC整流器可以实现网侧单位功率因数，但输出电压只能大于输入线电压峰值，因此，在一些输出电压范围较大、功率因数要求比较高的场合，现有拓扑现有拓扑无法满足要求。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种可实现升降压的三相APFC整流器，解决了现有技术中三相电压型APFC整流器以升压方式为主，直流侧输出电压调节范围小的问题。
本发明的另一个目的是提供一种可实现升降压的三相APFC整流器的工作方法，解决了现有技术无法满足一些输出电压范围较大、功率因数要求比较高的场合问题。
本发明所采用的技术方案是，一种可实现升降压的三相APFC整流器，包括有三相交流电源，三相交流电源连接有交流侧滤波电路，交流侧滤波电路的输出端连接有三相不控整流器和有源三次谐波注入网络，有源三次谐波注入网络输出连接有正直流母线双管buck-boost变换器的输入负极、负直流母线双管buck-boost变换器的输入正极及模式切换开关SW的一端，三相不控整流器输出的正极与正直流母线双管buck-boost变换器的输入正极相连，三相不控整流器输出的负极与负直流母线双管buck-boost变换器的输入负极相连，正直流母线双管buck-boost变换器输出的负极与负直流母线双管buck-boost变换器输出的正极、模式切换开关SW的另一端相连，正直流母线双管buck-boost变换器输出的正极和负直流母线双管buck-boost变换器输出的负极之间接有负载电阻。
本发明所采用另一个的技术方案是，一种可实现升降压的三相APFC整流器的工作方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、判断三相APFC整流器的三相输入电压与直流输出电压设定值Udc之间的数值关系；
步骤2、根据步骤1所得的数值关系进行双管buck-boost变换器工作模式的切换。
本发明的特点还在于：
有源三次谐波注入网络包括有三组双向开关，功率开关管Sa1的集电极与交流侧滤波电路输出端相连，功率开关管Sa1的发射极与功率开关管Sa2的发射极相连，功率开关管Sa1的基极与功率开关管Sa2的基极相连；第二组的双向开关包括功率开关管Sb1和Sb2，功率开关管Sb1的集电极与交流侧滤波电路输出端相连，功率开关管Sb1的发射极与功率开关管Sb2的发射极相连，功率开关管Sb1的基极与功率开关管Sb2的基极相连；第三组的双向开关包括功率开关管Sc1和Sc2，功率开关管Sc1的集电极与交流侧滤波电路的输出端相连，功率开关管Sc1的发射极与功率开关管Sc2的发射极相连，功率开关管Sc1的基极与功率开关管Sc2的基极相连，功率开关管Sa2的集电极与功率开关管Sb2的集电极、功率开关管Sc2的集电极构成有源三次谐波注入网络的输出。
正直流母线双管buck-boost变换器包括有功率开关管Sk1、功率开关管Ss1、电感L1、电容C1、二极管Dk1、二极管Ds1，功率开关管Sk1的集电极与三相不控整流器输出的正极构成正直流母线双管buck-boost变换器输入正极，功率开关管Sk1的发射极与电感L1的一端和二极管Dk1的阴极相连，电感L1的另一端与功率开关管Ss1的集电极、二极管Ds1的阳极相连，二极管Ds1的阴极与电容C1的一端相连，二极管Ds1的阴极与电容C1的一端构成正直流母线双管buck-boost变换器输出的正极，二极管Dk1的阳极和模式切换开关SW的一端构成正直流母线双管buck-boost变换器的输入的负极，模式切换开关SW的另一端与电容C1的另一端、功率开关管Ss1的发射极构成正直流母线双管buck-boost变换器的输出的负极。
负直流母线双管buck-boost变换器包括有功率开关管Sk2、功率开关管Ss2、电感L2、电容C2、二极管Dk2、二极管Ds2，功率开关管Sk2的发射极与三相不控整流器输出的负极构成负直流母线双管buck-boost变换器输入的负极，功率开关管Sk2的集电极与电感L2的一端、二极管Dk2的阳极相连，电感L2的另一端与二极管Ds2的阴极、功率开关管Ss2的发射极相连，二极管Ds2的阳极与电容C2的一端构成负直流母线双管buck-boost变换器的输出的负极，功率开关管Ss2的集电极与模式切换开关SW的一端、电容C2的一端构成负直流母线双管buck-boost变换器输出的正极。
步骤2具体按照以下步骤实施：
a、当直流输出电压设定值Udc满足
Figure BDA0002595114530000041
时，双管buck-boost变换器工作在buck模式；
b、当直流输出电压设定值Udc满足Udc≥(1+|Δu％|)Um时，双管buck-boost变换器工作在boost模式；
c、当直流输出电压设定值Udc满足
Figure BDA0002595114530000042
时，双管buck-boost变换器工作在buck-boost模式；
其中，Udc为直流输出电压设定值，Um为整流器三相输入电压的线电压峰值，Δu％代表电网电压的波动范围。
本发明的有益效果是，
1、本发明一种可实现升降压的三相APFC整流器通过在三相电压型APFC整流器直流输出端设计双管buck-boost变换器，并通过对正直流母线双管buck-boost变换器、负直流母线双管buck-boost变换器和有源三次谐波注入网络的控制，可实现网侧高功率因数及直流输出电压大范围可调的功能。
2、本发明一种可实现升降压的三相APFC整流器的工作方法解决了现有技术中直流输出端以升压为主，直流侧输出电压调节范围小的问题。
附图说明
图1是本发明的一种可实现升降压的三相APFC整流器拓扑示意图；
图2是本发明一种可实现升降压的三相APFC整流器工作在buck模式的等效电路图；
图3是本发明一种可实现升降压的三相APFC整流器工作在boost模式的等效电路图；
图4是本发明一种可实现升降压的三相APFC整流器工作在buck-boost模式的等效电路图；
图中，1.三相交流电源，2.交流侧滤波电路，3.三相不控整流器，4.有源三次谐波注入网络，5.正直流母线双管buck-boost变换器，6.负直流母线双管buck-boost变换器，7.负载电阻，8.模式切换开关SW。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种可实现升降压的三相APFC整流器，包括有三相交流电源1，三相交流电源连接有交流侧滤波电路2，交流侧滤波电路2的输出端连接有三相不控整流器3和有源三次谐波注入网络4，有源三次谐波注入网络4输出连接有正直流母线双管buck-boost变换器5的输入负极、负直流母线双管buck-boost变换器6的输入正极及模式切换开关SW8的一端，三相不控整流器3输出的正极与正直流母线双管buck-boost变换器5的输入正极相连，三相不控整流器3输出的负极与负直流母线双管buck-boost变换器6的输入负极相连，正直流母线双管buck-boost变换器5输出的负极与负直流母线双管buck-boost变换器6输出的正极、模式切换开关SW8的另一端相连，正直流母线双管buck-boost变换器5输出的正极和负直流母线双管buck-boost变换器6输出的负极之间接有负载电阻7。
有源三次谐波注入网络4包括有三组双向开关，功率开关管Sa1的集电极与交流侧滤波电路2输出端相连，功率开关管Sa1的发射极与功率开关管Sa2的发射极相连，功率开关管Sa1的基极与功率开关管Sa2的基极相连；第二组的双向开关包括功率开关管Sb1和Sb2，功率开关管Sb1的集电极与交流侧滤波电路2输出端相连，功率开关管Sb1的发射极与功率开关管Sb2的发射极相连，功率开关管Sb1的基极与功率开关管Sb2的基极相连；第三组的双向开关包括功率开关管Sc1和Sc2，功率开关管Sc1的集电极与交流侧滤波电路2的输出端相连，功率开关管Sc1的发射极与功率开关管Sc2的发射极相连，功率开关管Sc1的基极与功率开关管Sc2的基极相连，功率开关管Sa2的集电极与功率开关管Sb2的集电极、功率开关管Sc2的集电极构成有源三次谐波注入网络4的输出。
正直流母线双管buck-boost变换器5包括有功率开关管Sk1、功率开关管Ss1、电感L1、电容C1、二极管Dk1、二极管Ds1，功率开关管Sk1的集电极与三相不控整流器3输出的正极构成正直流母线双管buck-boost变换器5输入正极，功率开关管Sk1的发射极与电感L1的一端和二极管Dk1的阴极相连，电感L1的另一端与功率开关管Ss1的集电极、二极管Ds1的阳极相连，二极管Ds1的阴极与电容C1的一端相连，二极管Ds1的阴极与电容C1的一端构成正直流母线双管buck-boost变换器5输出的正极，二极管Dk1的阳极和模式切换开关SW8的一端构成正直流母线双管buck-boost变换器5的输入的负极，模式切换开关SW8的另一端与电容C1的另一端、功率开关管Ss1的发射极构成正直流母线双管buck-boost变换器5的输出的负极。
负直流母线双管buck-boost变换器6包括有功率开关管Sk2、功率开关管Ss2、电感L2、电容C2、二极管Dk2、二极管Ds2，功率开关管Sk2的发射极与三相不控整流器3输出的负极构成负直流母线双管buck-boost变换器6输入的负极，功率开关管Sk2的集电极与电感L2的一端、二极管Dk2的阳极相连，电感L2的另一端与二极管Ds2的阴极、功率开关管Ss2的发射极相连，二极管Ds2的阳极与电容C2的一端构成负直流母线双管buck-boost变换器6的输出的负极，功率开关管Ss2的集电极与模式切换开关SW8的一端、电容C2的一端构成负直流母线双管buck-boost变换器6输出的正极。
一种可实现升降压的三相APFC整流器的工作方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、判断三相APFC整流器的三相输入电压与直流输出电压设定值Udc之间的数值关系；
步骤2、根据步骤1所得的数值关系进行双管buck-boost变换器工作模式的切换。
步骤2具体按照以下步骤实施：
a、当直流输出电压设定值Udc满足
Figure BDA0002595114530000071
时，双管buck-boost变换器工作在buck模式；
b、当直流输出电压设定值Udc满足Udc≥(1+|Δu％|)Um时，双管buck-boost变换器工作在boost模式；
c、当直流输出电压设定值Udc满足
Figure BDA0002595114530000072
时，双管buck-boost变换器工作在buck-boost模式；
其中，Udc为直流输出电压设定值，Um为整流器三相输入电压的线电压峰值，Δu％代表电网电压的波动范围。
本发明一种可实现升降压的三相APFC整流器，其工作原理如下：
本发明的一种可实现升降压的三相APFC整流器工作在buck模式的等效电路如图2所示，正直流母线双管buck-boost变换器5中的功率开关管Sk1和二极管Dk1工作在周期性开关状态；功率开关管Ss1始终工作在截止状态；二极管Ds1始终工作在正向导通状态，负直流母线双管buck-boost变换器6中的功率开关管Sk2和二极管Dk2工作在周期性开关状态；功率开关管Ss2始终工作在截止状态；二极管Ds2始终工作在正向导通状态，模式切换开关SW8断开，通过控制有源谐波注入网络4的三组双向开关的通断、正直流母线双管buck-boost变换器5功率开关管Sk1的占空比大小、负直流母线双管buck-boost变换器6功率开关管Sk2的占空比大小，可以实现整流器直流侧输出电压小于输入线电压峰值，网侧高功率因数。
本发明的一种可实现升降压的三相APFC整流器工作在boost模式的等效电路如图3所示，正直流母线双管buck-boost变换器5中功率开关管Sk1始终工作在正向导通状态，二极管Dk1始终工作在截止状态，功率开关管Ss1和二极管Ds1工作在周期性开关状态；负直流母线双管buck-boost变换器6中功率开关管Sk2始终工作在正向导通状态，二极管Dk2始终工作在截止状态，功率开关管Ss2和二极管Ds2工作在周期性开关状态，模式切换开关SW8闭合，通过控制有源谐波注入网络4的三组双向开关的通断、正直流母线双管buck-boost变换器5功率开关管Ss1的占空比大小、负直流母线双管buck-boost变换器6功率开关管Ss2的占空比大小，可以实现整流器直流侧输出电压大于输入线电压峰值，网侧高功率因数。
本发明的一种可实现升降压的三相APFC整流器工作在buck-boost模式的等效电路如图4所示，正直流母线双管buck-boost变换器5中功率开关管Sk1和Ss1工作在周期性开关状态，且Sk1和Ss1同步工作，二极管Dk1和Ds1工作在周期性开关状态，且Dk1和Ds1同步工作；负直流母线双管buck-boost变换器6中功率开关管Sk2和Ss2周期性开关状态，且Sk2和Ss2同步工作，，二极管Dk2和Ds2工作在周期性开关状态，且Dk2和Ds2同步工作，模式切换开关SW8断开，通过控制有源谐波注入网络4的三组双向开关的通断、正直流母线双管buck-boost变换器5功率开关管Sk1的占空比大小、负直流母线双管buck-boost变换器6功率开关管Sk2的占空比大小，可以实现整流器直流侧输出电压大于输入线电压峰值或直流测输出电压小于线电压峰值，网侧高功率因数。
本发明一种可实现升降压的三相APFC整流器及其工作方法有优点在于，通过在三相电压型APFC整流器直流输出端设计双管buck-boost变换器，并通过对正直流母线双管buck-boost变换器、负直流母线双管buck-boost变换器和有源三次谐波注入网络的控制，可实现网侧高功率因数及直流输出电压大范围可调的功能，解决了现有技术中直流输出端以升压为主，直流侧输出电压调节范围小的问题。

Claims (2)

1.一种可实现升降压的三相APFC整流器，其特征在于，包括有三相交流电源(1)，所述三相交流电源连接有交流侧滤波电路(2)，所述交流侧滤波电路(2)的输出端连接有三相不控整流器(3)和有源三次谐波注入网络(4)，所述有源三次谐波注入网络(4)输出连接有正直流母线双管buck-boost变换器(5)的输入负极、负直流母线双管buck-boost变换器(6)的输入正极及模式切换开关SW(8)的一端，三相不控整流器(3)输出的正极与正直流母线双管buck-boost变换器(5)的输入正极相连，三相不控整流器(3)输出的负极与负直流母线双管buck-boost变换器(6)的输入负极相连，正直流母线双管buck-boost变换器(5)输出的负极与负直流母线双管buck-boost变换器(6)输出的正极、模式切换开关SW(8)的另一端相连，正直流母线双管buck-boost变换器(5)输出的正极和负直流母线双管buck-boost变换器(6)输出的负极之间接有负载电阻(7)；
所述有源三次谐波注入网络(4)包括有三组双向开关，功率开关管Sa1的集电极与交流侧滤波电路(2)输出端相连，功率开关管Sa1的发射极与功率开关管Sa2的发射极相连，功率开关管Sa1的基极与功率开关管Sa2的基极相连；第二组的双向开关包括功率开关管Sb1和Sb2，功率开关管Sb1的集电极与交流侧滤波电路(2)输出端相连，功率开关管Sb1的发射极与功率开关管Sb2的发射极相连，功率开关管Sb1的基极与功率开关管Sb2的基极相连；第三组的双向开关包括功率开关管Sc1和Sc2，功率开关管Sc1的集电极与交流侧滤波电路(2)的输出端相连，功率开关管Sc1的发射极与功率开关管Sc2的发射极相连，功率开关管Sc1的基极与功率开关管Sc2的基极相连，功率开关管Sa2的集电极与功率开关管Sb2的集电极、功率开关管Sc2的集电极构成有源三次谐波注入网络(4)的输出；
所述正直流母线双管buck-boost变换器(5)包括有功率开关管Sk1、功率开关管Ss1、电感L1、电容C1、二极管Dk1、二极管Ds1，所述功率开关管Sk1的集电极与三相不控整流器(3)输出的正极构成正直流母线双管buck-boost变换器(5)输入正极，功率开关管Sk1的发射极与电感L1的一端和二极管Dk1的阴极相连，所述电感L1的另一端与功率开关管Ss1的集电极、二极管Ds1的阳极相连，二极管Ds1的阴极与电容C1的一端相连，所述二极管Ds1的阴极与电容C1的一端构成正直流母线双管buck-boost变换器(5)输出的正极，二极管Dk1的阳极和模式切换开关SW(8)的一端构成正直流母线双管buck-boost变换器(5)的输入的负极，模式切换开关SW(8)的另一端与电容C1的另一端、功率开关管Ss1的发射极构成正直流母线双管buck-boost变换器(5)的输出的负极；
所述负直流母线双管buck-boost变换器(6)包括有功率开关管Sk2、功率开关管Ss2、电感L2、电容C2、二极管Dk2、二极管Ds2，所述功率开关管Sk2的发射极与三相不控整流器(3)输出的负极构成负直流母线双管buck-boost变换器(6)输入的负极，功率开关管Sk2的集电极与电感L2的一端、二极管Dk2的阳极相连，所述电感L2的另一端与二极管Ds2的阴极、功率开关管Ss2的发射极相连，二极管Ds2的阳极与电容C2的一端构成负直流母线双管buck-boost变换器(6)的输出的负极，功率开关管Ss2的集电极与模式切换开关SW(8)的一端、电容C2的一端构成负直流母线双管buck-boost变换器(6)输出的正极。
2.一种可实现升降压的三相APFC整流器的工作方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、判断三相APFC整流器的三相输入电压与直流输出电压设定值Udc之间的数值关系；
步骤2、根据步骤1所得的数值关系进行双管buck-boost变换器工作模式的切换；步骤2具体按照以下步骤实施：
a、当直流输出电压设定值Udc满足
Figure FDA0003266235430000021
时，双管buck-boost变换器工作在buck模式；
b、当直流输出电压设定值Udc满足Udc≥(1+|Δu％|)Um时，双管buck-boost变换器工作在boost模式；
c、当直流输出电压设定值Udc满足
Figure FDA0003266235430000031
时，双管buck-boost变换器工作在buck-boost模式；
其中，Udc为直流输出电压设定值，Um为整流器三相输入电压的线电压峰值，Δu％代表电网电压的波动范围。
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