CN115642798B - 裂相三桥臂pfc电路及调制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了裂相三桥臂PFC电路，包括交流电源Va、交流电源Vc、直流负载RL，本发明还提供了裂相三桥臂PFC电路的调制方法，包括如下步骤：S1、交流电源Va、Vc串联供电，S2、功率桥臂一、功率桥臂二和滤波电感L1、交流滤波电容Cf1构成第一个全桥PFC电路，S3、仍然构成裂相PFC电路，S4、控制器经过内部逻辑处理和控制后，输出适当的驱动信号给功率桥臂一、功率桥臂三内部功率开关管以SPWM高频开关工作，本发明无需使用直流分压电容而自然消除不均压问题，无需额外增加均压电路，能够实现小体积、低成本，裂相PFC电路工作于双火线、单火线、双火线并联模式，并能实现在三种模式之间灵活切换。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体为裂相三桥臂PFC电路及调制方法。
背景技术
开关电源利用功率开关管高频工作实现AC/DC功率变换，具有体积小、重量轻、效率高等优点，相关标准要求超过一定输出功率时需要具备功率因数校正(PFC)功能。AC/DC功率变换器广泛使用两级变换结构：前级PFC电路，用于调节功率因数并实现输入与输出能量平衡；后级DC/DC变换器，用于调整输出电压并降低输出纹波。
北美国家供电系统中，一般使用双火线(L1-L2)或单火线(L1-N和/或L2-N)，以及双火线并联(L1/L2-N)模式，并能实现在这三种模式之间灵活切换，从而导致裂相PFC电路设计具有较大复杂性。裂相电路通常使用双称性PFC，如图1所示。这个电路包括交流电源Va、Vc，两个直流滤波电容Cd1、Cd2，也称作直流分压电容，四个功率开关管及其体二极管Q1-Q4，两个滤波电感L1、L2，以及两个交流滤波电容Cf1、Cf2。
双火线模式时，交流电源Va、Vc串联供电，Cd1、Cd2和Cf1、Cf2串联滤波，Q1-Q4构成传统全桥PFC电路，L1、L2串联滤波，负载RL从两根火线而不通过N线获得电能。
单火线模式时，Cd1、Cd2、Q1、Q2、L1、Cf1构成第一个半桥PFC电路，Cd1、Cd2、Q3、Q4、L2、Cf2构成第二个半桥PFC电路，从而构成裂相PFC电路，Va、Vc通过二者并经N线向RL提供电能。为了适应不同的供电类型，单火线模式中两组单相交流电压的幅值、频率和相位可以不同。
双火线并联模式与单火线类似，仍然构成裂相PFC电路，其差异仅为两根火线直接并联，因此两组单相交流电压的幅值、频率和相位必须完全相同。传统裂相PFC电路主要优点为结构简单，调制方法成熟等。
但是上述电路交流电源Va、Vc单火线裂相模式工作时，如果Va、Vc幅值不同，Cd1、Cd2的两端电压具有较大电压差，从而直流分压电容实际存在不均压问题。为了实现直流分压电容的均压，必须选用电容量较大的滤波电容，从而造成电源装置体积过大；或者额外增加独立均压电路，其控制方式较为复杂，同时造成电源装置成本上升。如果裂相PFC电路中不使用直流分压电容，可以自然消除不均压问题，其已成为电力电子领域的研究重点之一。
发明内容
本发明的目的在于提供裂相三桥臂PFC电路及调制方法，无需使用直流分压电容而自然消除不均压问题，无需额外增加均压电路，能够实现小体积、低成本，裂相PFC电路工作于双火线、单火线、双火线并联模式，并能实现在三种模式之间灵活切换，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：裂相三桥臂PFC电路，包括交流电源Va、交流电源Vc、直流负载RL、直流滤波电容Cd、功率桥臂一、功率桥臂二、功率桥臂三、交流滤波电容Cf1、交流滤波电容Cf2、滤波电感L1、滤波电感L2以及控制器，所述直流负载RL、直流滤波电容Cd、功率桥臂一、功率桥臂二以及功率桥臂三之间并联，所述功率桥臂一与功率桥臂三分别通过滤波电感L1与滤波电感L2连接在火线上，所述功率桥臂二与零线连接；
所述功率桥臂一包括串联设置的功率开关管Q1和功率开关管Q2及其体二极管，所述功率桥臂二包括串联设置的功率开关管Q3和功率开关管Q4及其体二极管，所述功率桥臂三包括串联设置的功率开关管Q5和功率开关管Q6及其体二极管。
优选的，所述控制器包括一个直流输出电压与两个交流输入电流采样和反馈电路，所述直流输出电压包括U7和直流电压参考信号Vr，所述Q1的一端连接有电阻R3和R4，所述交流输入电流采样和反馈电路包括乘法器U1、U2，电流误差放大器U3、U4，控制与发波单元U5、驱动单元U6、电压和电流补偿器PI1、电流补偿器PI2、电流补偿器PI3，以及外围电路；
优选的，所述R3、R4采样直流输出电压，并接至电压误差放大器U7负输入端，U7正输入端连接直流电压参考信号Vr，U7输出端连接至乘法器U1、U2的一个输入端，所述Va的一端连接有R5和R6，所述R5和R6采样交流输入电压Va并接至乘法器U1另一个输入端，U1输出端连接至电流误差放大器U3正输入端，U2输出端连接至电流误差放大器U4正输入端，所述L1与Cf1之间连接有滤波电感电流信号Ia，所述L2与Cf2之间连接有滤波电感电流信号Ic，Ia连接至U3负输入端，U3输出端接至控制与发波单元U5一个输入端，滤波电感电流信号Ic连接至电流误差放大器U4负输入端，U4输出端接至控制与发波单元U5一个输入端。
优选的，所述L1的一端连接在Q1与Q2之间，所述L2的一端连接在Q5与Q6之间，所述零线的一端连接在Q3与Q4之间。
优选的，所述PI3的一端连接在R3和R4之间，所述PI3的另一端连接在U7的输出端，所述PI2的一端连接在U4和U5之间，所述PI2的另一端连接在U4和Ic之间，所述PI1的一端连接在U3和U5之间，所述PI1的另一端连接在U3和Ia之间。
优选的，所述Vc与Cf2之间连接有串联设置的R7和R8，所述U2的一端连接在R7和R8之间。
优选的，所述电压补偿器PI3通过由U7和外围器件构成的电压外环实现稳定的直流输出电压，电流补偿器PI1通过由U3和外围器件构成的电流内环实现Ia与Va相同频率、相同相位，以达到功率因数校正、低电流谐波的效果。
本发明还提供了裂相三桥臂PFC电路的调制方法，包括如下步骤：
S1、双火线模式时，交流电源Va、Vc串联供电，Cf1、Cf2串联滤波，功率桥臂一、功率桥臂三构成传统全桥PFC电路，经过两个滤波电感L1、L2，负载RL从两根火线而不通过N线获得电能，此时功率桥臂二不工作；
S2、单火线模式时，功率桥臂一、功率桥臂二和滤波电感L1、交流滤波电容Cf1构成第一个全桥PFC电路，功率桥臂三、功率桥臂二和滤波电感L2、及交流滤波电容Cf2构成第二个全桥PFC电路，从而构成裂相PFC电路，Va、Vc分别通过二者并经N线向直流负载RL提供电能；
S3、双火线并联模式时，仍然构成裂相PFC电路，其差异仅为两根火线直接并联，因而两组单相交流电压的幅值、频率和相位必须完全相同；
S4、控制器经过内部逻辑处理和控制后，输出适当的驱动信号给功率桥臂一、功率桥臂三内部功率开关管以SPWM高频开关工作，并输出适当的驱动信号给功率桥臂二以固定占空比50％工作，交流电源Va、Vc经过高频变换后最终提供稳定的电压或电流给直流负载RL，通过采样交流输入电流及直流输出电压来控制功率开关管的高频开关工作，从而实现闭环工作过程。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明无需使用直流分压电容而自然消除不均压问题，无需额外增加均压电路，能够实现小体积、低成本，裂相PFC电路工作于双火线、单火线、双火线并联模式，并能实现在三种模式之间灵活切换。
附图说明
图1为传统裂相PFC电路图；
图2为本发明实施例1中裂相三桥臂PFC装置结构框图；
图3为本发明实施例1中裂相三桥臂PFC电路及其控制器的电路图；
图4为本发明实施例1中功率桥臂的主要工作波形图；
图5为本发明实施例2中两相交错并联裂相三桥臂PFC电路图。
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。
在不同附图中以相同标号来标示相同或类似组件；另外请了解文中诸如“第一”、“第二”、“第三”、“上”、“下”、“前”、“后”、“内”、“外”、“端”、“部”、“段”、“宽度”、“厚度”、“区”等等及类似用语仅便于看图者参考图中构造以及仅用于帮助描述本发明而已，并非是对本发明的限定。
实施例1
请参阅图2-3，本发明提供一种技术方案：裂相三桥臂PFC电路，包括交流电源Va、交流电源Vc、直流负载RL、直流滤波电容Cd、功率桥臂一、功率桥臂二、功率桥臂三、交流滤波电容Cf1、交流滤波电容Cf2、滤波电感L1、滤波电感L2以及控制器，所述直流负载RL、直流滤波电容Cd、功率桥臂一、功率桥臂二以及功率桥臂三之间并联，所述功率桥臂一与功率桥臂三分别通过滤波电感L1与滤波电感L2连接在火线上，所述功率桥臂二与零线连接；
所述功率桥臂一包括串联设置的功率开关管Q1和功率开关管Q2及其体二极管，所述功率桥臂二包括串联设置的功率开关管Q3和功率开关管Q4及其体二极管，所述功率桥臂三包括串联设置的功率开关管Q5和功率开关管Q6及其体二极管；
所述控制器包括一个直流输出电压与两个交流输入电流采样和反馈电路，所述直流输出电压包括U7和直流电压参考信号Vr，所述Q1的一端连接有电阻R3和R4，所述交流输入电流采样和反馈电路包括乘法器U1、U2，电流误差放大器U3、U4，控制与发波单元U5、驱动单元U6、电压和电流补偿器PI1、电流补偿器PI2、电流补偿器PI3，以及外围电路；
所述R3、R4采样直流输出电压，并接至电压误差放大器U7负输入端，U7正输入端连接直流电压参考信号Vr，U7输出端连接至乘法器U1、U2的一个输入端，所述Va的一端连接有R5和R6，所述R5和R6采样交流输入电压Va并接至乘法器U1另一个输入端，U1输出端连接至电流误差放大器U3正输入端，U2输出端连接至电流误差放大器U4正输入端，所述L1与Cf1之间连接有滤波电感电流信号Ia，所述L2与Cf2之间连接有滤波电感电流信号Ic，Ia连接至U3负输入端，U3输出端接至控制与发波单元U5一个输入端，滤波电感电流信号Ic连接至电流误差放大器U4负输入端，U4输出端接至控制与发波单元U5一个输入端。
驱动单元U6输入端接至U5输出端，从而产生脉冲驱动信号后驱动功率开关管Q1-Q6，控制器输出驱动信号并经栅级驱动放大电路提供给Q1-Q6，交流电压Va、Vc经过功率桥臂产生高频方波后，并经L1、L2和Cf1、Cf2滤波后提供输出电压给直流负载RL。这三种模式下，U7采样直流输出电压以实现其稳定工作。
双火线模式时，分别采样交流输入电压Va、Vc给乘法器U1、U2，并经过相关运算后得到两根火线之间电压；单火线或双火线并联模式时，分别直接采样交流输入电压Va、Vc给乘法器U1、U2。双火线模式时，U3或U4分别采样滤波电感L1的电流Ia或滤波电感L2的电流Ic，选取二者其一作为电流采样信号。
单火线或双火线并联模式时，U3、U4分别直接采样滤波电感L1、L2的电流Ia、Ic，并通过相应补偿器PI1、PI2，调整输入电流大小和相位以实现PFC功能。可以采用平均电流模式或峰值电流模式控制，从而提高其动态响应性能。
所述L1的一端连接在Q1与Q2之间，所述L2的一端连接在Q5与Q6之间，所述零线的一端连接在Q3与Q4之间。
所述PI3的一端连接在R3和R4之间，所述PI3的另一端连接在U7的输出端，所述PI2的一端连接在U4和U5之间，所述PI2的另一端连接在U4和Ic之间，所述PI1的一端连接在U3和U5之间，所述PI1的另一端连接在U3和Ia之间。
所述Vc与Cf2之间连接有串联设置的R7和R8，所述U2的一端连接在R7和R8之间。
所述电压补偿器PI3通过由U7和外围器件构成的电压外环实现稳定的直流输出电压，电流补偿器PI1通过由U3和外围器件构成的电流内环实现Ia与Va相同频率、相同相位，以达到功率因数校正、低电流谐波的效果。
功率桥臂1的中点为“1”，功率桥臂2的中点为“N”，功率桥臂3的中点为“2”。单火线或双火线并联模式下交流正弦波裂相输入为正半周，且Q2占空比D1>0.5、Q6占空比D2<0.5时，主要工作波形如图4所示，从上至下分别为Q2、Q6和Q4栅极驱动信号Vgs，功率桥臂1中点“1”至功率桥臂2中点“N”的电压差V1N，功率桥臂3中点“2”至功率桥臂2中点“N”的电压差V2N。Q2导通、Q4关断时，V1N＝Vdc，其中Vdc为直流输出电压，否则V1N＝0。Q6关断、Q4导通时，V2N＝Vdc，否则V2N＝0。Q2、Q6工作于高频正弦波脉宽调制(SPWM)方式，Q4工作于固定占空比50％调制方式，并且Q2、Q4和Q6的脉冲驱动信号中点保持同步。Q1、Q3、Q5的栅极驱动信号分别与Q2、Q4、Q6相反，但Q1和Q2、Q3和Q4、Q5和Q6的栅极驱动信号之间留有一定死区时间。通过观察波形可以进一步看出，V1N、V2N的工作频率两倍于Q1-Q6驱动信号，其具有传统倍频单极性调制效果，可以选用较低的功率开关管工作频率以降低开关损耗，同时倍频提高滤波电感工作频率以减小电感体积。Q2、Q6工作于其他占空比时，以及交流正弦波裂相输出负半周时工作原理与其基本相似，这里不再赘述。因此，如果交流输入电压Va、Vc为正弦波时，交流输入电流Ia、Ic也为正弦波，从而实现裂相PFC功能。双火线模式时工作原理与传统全桥PFC电路完全相同，这里不再赘述。
本发明还提供了裂相三桥臂PFC电路的调制方法，包括如下步骤：
S1、双火线模式时，交流电源Va、Vc串联供电，Cf1、Cf2串联滤波，功率桥臂一、功率桥臂三构成传统全桥PFC电路，经过两个滤波电感L1、L2，负载RL从两根火线而不通过N线获得电能，此时功率桥臂二不工作；
S2、单火线模式时，功率桥臂一、功率桥臂二和滤波电感L1、交流滤波电容Cf1构成第一个全桥PFC电路，功率桥臂三、功率桥臂二和滤波电感L2、及交流滤波电容Cf2构成第二个全桥PFC电路，从而构成裂相PFC电路，Va、Vc分别通过二者并经N线向直流负载RL提供电能；
S3、双火线并联模式时，仍然构成裂相PFC电路，其差异仅为两根火线直接并联，因而两组单相交流电压的幅值、频率和相位必须完全相同；
S4、控制器经过内部逻辑处理和控制后，输出适当的驱动信号给功率桥臂一、功率桥臂三内部功率开关管以SPWM高频开关工作，并输出适当的驱动信号给功率桥臂二以固定占空比50％工作，交流电源Va、Vc经过高频变换后最终提供稳定的电压或电流给直流负载RL，通过采样交流输入电流及直流输出电压来控制功率开关管的高频开关工作，从而实现闭环工作过程。
需要说明的是，控制器中电压误差放大器和电流误差放大器可以采用二阶或多阶PI补偿或其他智能控制方式。可选地，控制器也可采用准谐振控制，单周期控制，电流连续导通模式(CCM)，电流断续模式(DCM)，电流临界导通模式(CRM)等，并不影响其电气性能和效果。
功率开关管采用全控型功率半导体器件，根据开关频率的高低可以选用不同类型，如金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，也可使用第三代半导体宽禁带(WBG)功率器件，如碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)MOSFET等。控制器既可使用分立电子元器件搭建，也可设计和使用专用集成电路，如模拟控制芯片、通过软件编程的单片机(MCU)、数字信号处理器(DSP)或可编程逻辑器件(FPGA/CPLD)等。裂相PFC电路既可采用分立器件方式或集成方式，也可统一集成进控制器中而构成大规模混合集成电路，这种高集成度控制器设计能够进一步减小裂相PFC装置体积。
实施例2
与实施例1不同的是
如图5所示，在图3中增加一套交错并联电路，Q11、Q21和L11与Q12、Q22和L12及Q51、Q61和L21与Q52、Q62和L22分别构成两相交错并联，从而进一步提高裂相PFC装置输出功率，其工作原理及其调制方法与图2-4基本相似，这里不再赘述，需要说明的是，交错并联不限于两相，也可扩展至多相交错并联裂相PFC电路。
在综上所述，本发明无需使用直流分压电容而自然消除不均压问题，无需额外增加均压电路，能够实现小体积、低成本，裂相PFC电路工作于双火线、单火线、双火线并联模式，并能实现在三种模式之间灵活切换。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (1)
1.裂相三桥臂PFC电路的调制方法，裂相三桥臂PFC电路包括交流电源Va、交流电源Vc、直流负载RL、直流滤波电容Cd、功率桥臂一、功率桥臂二、功率桥臂三、交流滤波电容Cf1、交流滤波电容Cf2、滤波电感L1、滤波电感L2以及控制器，所述直流负载RL、直流滤波电容Cd、功率桥臂一、功率桥臂二以及功率桥臂三之间并联，所述功率桥臂一与功率桥臂三分别通过滤波电感L1与滤波电感L2连接在火线上，所述功率桥臂二与零线连接；
所述功率桥臂一包括串联设置的功率开关管Q1和功率开关管Q2及其体二极管，所述功率桥臂二包括串联设置的功率开关管Q3和功率开关管Q4及其体二极管，所述功率桥臂三包括串联设置的功率开关管Q5和功率开关管Q6及其体二极管；
所述控制器包括一个直流输出电压与两个交流输入电流采样和反馈电路，所述直流输出电压采样和反馈电路包括电压误差放大器U7、直流电压参考信号Vr和电压补偿器PI3，所述Q1的一端连接有分压电阻R3和R4，所述两个交流输入电流采样和反馈电路一共包括乘法器U1、U2，电流误差放大器U3、U4，控制与发波单元U5、驱动单元U6、电流补偿器PI1、电流补偿器PI2，以及外围电路；
所述R3、R4采样直流输出电压，并接至电压误差放大器U7负输入端，U7正输入端连接直流电压参考信号Vr，U7输出端连接至乘法器U1、U2的各一个输入端，所述Va的一端连接有分压电阻R5和R6，所述分压电阻R5和R6采样交流输入电压Va并接至乘法器U1另一个输入端，U1输出端连接至电流误差放大器U3正输入端，U2输出端连接至电流误差放大器U4正输入端，所述L1与Cf1之间连接有滤波电感电流信号Ia，所述L2与Cf2之间连接有滤波电感电流信号Ic，Ia连接至U3负输入端，U3输出端接至控制与发波单元U5一个输入端，滤波电感电流信号Ic连接至电流误差放大器U4负输入端，U4输出端接至控制与发波单元U5一个输入端；
所述L1的一端连接在Q1与Q2之间，所述L2的一端连接在Q5与Q6之间，所述零线的一端连接在Q3与Q4之间；
所述PI3的一端连接在R3和R4之间，所述PI3的另一端连接在U7的输出端，所述PI2的一端连接在U4和U5之间，所述PI2的另一端连接在U4和Ic之间，所述PI1的一端连接在U3和U5之间，所述PI1的另一端连接在U3和Ia之间；
所述Vc与Cf2之间连接有串联设置的分压电阻R7和R8，所述U2的一端连接在分压电阻R7和R8之间；
所述电压补偿器PI3通过由电压误差放大器U7和外围器件构成的电压外环实现稳定的直流输出电压，电流补偿器PI1通过由U3和外围器件构成的电流内环实现滤波电感电流信号Ia与采样交流输入电压Va相同频率、相同相位，以达到功率因数校正、低电流谐波的效果；
其特征在于，包括如下步骤：
S1、双火线模式时，交流电源Va、Vc串联供电，Cf1、Cf2串联滤波，功率桥臂一、功率桥臂三构成全桥PFC电路，经过两个滤波电感L1、L2，负载RL从两根火线而不通过N线获得电能，此时功率桥臂二不工作；
S2、单火线模式时，功率桥臂一、功率桥臂二和滤波电感L1、交流滤波电容Cf1构成第一个全桥PFC电路，功率桥臂三、功率桥臂二和滤波电感L2、及交流滤波电容Cf2构成第二个全桥PFC电路，从而构成裂相PFC电路，Va、Vc分别通过二者并经N线向直流负载RL提供电能；
S3、双火线并联模式时，仍然构成裂相PFC电路，其差异仅为两根火线直接并联，因而两组单相交流电压的幅值、频率和相位必须完全相同；
S4、控制器经过内部逻辑处理和控制后，输出适当的驱动信号给功率桥臂一、功率桥臂三内部功率开关管以SPWM高频开关工作，并输出适当的驱动信号给功率桥臂二以固定占空比50%工作，交流电源Va、Vc经过高频变换后最终提供稳定的电压或电流给直流负载RL，通过采样交流输入电流及直流输出电压来控制功率开关管的高频开关工作，从而实现闭环工作过程。
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