CN1308406A - 三相单开关功率因数校正升压变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种三相单开关功率因数校正升压变换器,包括三相输入端、输出端、三相整流电路、脉宽调制电路和电压环、电流环,所述电流环的正相输入端接电压环的输出,反相输入端接电流采样电路的输出端,电流环的输出端则接于脉宽调制电路的正相输入端。只要保证电路参数满足一定条件,即可大大提高满足IEC1000－3－2A级谐波标准的输入功率范围。

Description

三相单开关功率因数校正升压变换器
本发明涉及一种带有功率因数校正电路的三相单开关整流变换器，特别是采用不连续模式(DCM)的升压(Boost)变换器，其通称为三相单开关DCM Boost变换器。
三相单开关DCM Boost变换器[参见文献1：A.R.Prasad，P.D.Ziogas，and S.Manias，“An Active Power Factor Correction Technique for Three-Phase Diode Rectifiers”，IEEE Power Electronic Specialists Conf.(PESC)Record，pp.58-66，1989.]是一种近似的功率因数校正电路(PFC)。与其它三相PFC电路比较，它具有结构简单、控制方便、Boost二级管无反向恢复问题等优点。采用传统定频定占空比的这种PFC电路，满足IEC-1000-3-2A级谐波标准的最大输入功率大约是5kW。因而对于更大输入功率的通信电源模块，为既能保持这种PFC电路结构简单的优点，又能达到IEC-1000-3-2 A级谐波标准，最佳的途径就是修改控制策略，调制占空比函数。
近几年，已有一些改进的定频控制方案相继被提出，它们可以分为两大类：第一类是通过高次谐波注入来调制控制占空比：典型的控制技术是6次谐波注入控制[参见文献2：Q.Huang and F.C.Lee，“Harmonic Reduction in A Single-Switch，Three-Phase Boost Retifier with HighOrder Harmonic Injected PWM”，IEEE Power Electronics Specialists Conf.(PESC)Record，pp.1266-1271，1996.和文献3：Qihong Huang，”Harmonic ReductionIn A Single-Switch Three Phase Boost Rectifer With Harmonic-Injected PWM，Thesis submitted to the Faculty of the Virginia Polytechnic Institute and StateUniversity in Partial fulfillment of the requirements for the degree Master ofScience in Electrical Engineering，February 4，1997，Blacksburg，Virgina.]；6n次谐波注入控制[参见文献4：Yangtack Jang，and Milan M.Jovanovié，“Robust，Harmonic Injection Method for Single-Switch，Three Phase，Discontinuous-Conduction-Mode Boost Rectifiers.”United States Patent 5847944，Dec 18，1998]和峰值电流注入控制[参见文献5：专利号为99121240.1名称为《带有功率因数校正电路的三相整流器》的中国专利申请]等；第二类是一种平均电流控制技术[文献6：参见申请号为99104662.5、名称为《单开关三相功率因数校正方法及电路》]。采用这些改进的控制策略后，能大大减小5次、7次等谐波含量，从而保证了在主电路结构不变的情况下，增加满足IEC-1000-3-2标准的最大输入功率。尽管这些控制策略都能有效地实现电流谐波含量的减小，但各有缺点。其中第一类中的前两种[前述文献2-4]要用复杂的检测电路来产生谐波注入信号；后一种[文献5]虽有非常简单的检测电路，但仍与前两种一样，大信号的稳定性较差。而第二类[文献6]则是推广单相CCM平均电流PFC控制技术，它的检测电路和控制非常复杂。
现有技术还提出过一种采用Current-Clamped(电流箝位)[参见文献7：R.Rdel，B.P.Erisman，“Low-Cost Power-Factor Correction/Line-Harmonics Reduction with Current-ClampedBoost converter，″HFPC′95，pp261-269.和文献8：R.Rdel，A.S.Kislovski，B.P.Erisman，“Input-Current-Clamping：AnInexpensive Novel Control，Technique to Achieve Compliance with HarmonicRegulations″.IEEE APEC′96，pp145-151]控制的CCM单相Boost PFC电路，它采用传统的平均电流型控制和峰值电流型控制两种技术，相当简单地实现了1KW以内的满足IEC 1000-3-2 A级谐波标准的单相高功率因数校正要求。但仅在1KW以内满足要求显然是不够的。
本发明的目的就是为了解决以上问题，提供一种三相单开关功率因数校正升压变换器，既能改善输入电流谐波，使之在较大功率的应用场合仍能满足IEC-1000-3-2标准，又使电路更加简单。
本发明实现上述目的的方案是：一种三相单开关功率因数校正升压变换器，包括三相输入端、输出端、三相整流电路、脉宽调制电路和电压环，所述三相输入端分别接三相交流电源，输出端的输出为直流电，在整流电路的输出端两端跨接一个电子开关，该电子开关的控制端和脉宽调制电路的输出端相连，该脉宽调制电路PWM的反相输入端与外部输入三角波信号相连；其特征是：还包括电流环，所述电流环的正相输入端接电压环的输出，反相输入端接电流采样电路的输出端，电流环的输出端则接于脉宽调制电路的正相输入端。
由于采用了以上的方案，将平均电流箝位控制技术推广应用于三相单开关DCM Boost电路并经过修改和综合，保留了该电路高功率因数校正低谐波的特点，提高了功率范围。在这种方案中，电压环(带宽远低于网频，一般＜10Hz)的输出是电流内环(快环，一般＞1/10fs，fs为开关频率)的基准。控制的结果是强制整流桥直流侧的电流变为直流，从而可使各相电感电流在半周期内都有60度的时间(对应于相电压60度-120度的间隔)为直流，总的相电流近似为梯形波，故可增加满足IEC-1000-3-2A谐波标准的最大功率。实验也证明了这一点。另一方面，与其他处理方式相比，电路又大大简化了。
图1是现有技术中采用定频控制的三相单开关DCM Boost变换器的原理示意图。
图2是现有技术一种改进型三相单开关DCM BOOST PFC电路示意图。
图3是现有技术另一种改进型三相单开关DCM BOOST PFC电路示意图。
图4(a)是本发明提出的改进型单相DCM BOOST PFC电路示意图之一。
图4(b)是本发明提出的改进型单相DCM BOOST PFC电路示意图之二。
图5是图1 PFC输入相电流的示意图(M＝1.4)。
图6是图3 PFC输入相电流的示意图(M＝1.4)。
图7是图4 PFC输入相电流的示意图(M＝1.4)示意图。
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。
本发明是通过检测三相单开关DCM Boost变换器直流侧的电流信号，与电压环(外环)的输出构成一个电流环(内环)放大器，电流环的输出再与外部载波信号比较产生所需的开关占空比，以实现高质量的输入电流波形，提高满足IEC 1000-3-2A级谐波标准的输入功率范围。发明的电路控制结构与传统的平均电流型控制技术相似，故在这里叫做平均电流控制方案。但这种控制在三相单开关DCM BOOST变换器中的实现尚属首次。
图1是现有技术中采用定频控制的三相单开关DCM Boost变换器框图，它是一个传统的电压型控制，如设计电压环的带宽远远低于电网的频率(一般＜10Hz)，则开关占空比在整流后的电网周期内(300Hz)可看成常数，这种最简单的三相PFC技术可满足IEC-1000-3-2A谐波标准的最大功率是5KW。
图2是现有技术中的一种改进型三相PFC框图，它通过在电压环的输出迭加一个输入线电压的6次或6n次谐波信号以调制开关占空比，使之在电网周期内不为常数——调制的作用是在相电压峰值附近，适当增加占空比；而在60度和120度附近，适当减小占空比，使输入相电流更加接近正弦，从而增加满足IEC-1000-3-2A谐波标准的最大功率。但都具有大信号稳定性较差的缺点，其中[文献2-4]还要用复杂的检测电路来产生谐波注入信号。
图3是现有技术中的另一种改进型三相PFC框图，它与单相CCM BOOST PFC的平均电流控制具有相同的原理，也用UC3854芯片，只是检测的电流信号为整流桥直流侧的电流，非单独的各相电感电流，波形信号是输入三相相电压的六脉波头，非各相的相电压波形。从原理上，这种控制可使各相电感电流在半周期内都有60度的时间(对应于相电压60度-120度的间隔)跟随其输入相电压，故可改进增加满足IEC-1000-3-2A谐波标准的最大功率。但对于三相三线制输入，三相输入相电压的六脉波头检测电路非常复杂，文献[6]中的整流桥直流侧电流检测电路也很复杂，故较难实用化。
图4(a)、4(b)是本发明提出的改进型三相PFC框图。其中图4(a)是非常简单的一种平均电流控制技术，该图所示三相单开关功率因数校正升压变换器包括三相输入端Va、Vb、Vc、输出端Vo、三相整流电路、脉宽调制电路PWM和电压环1，所述三相输入端Va、Vb、Vc分别接三相交流电源，输出端Vo的输出为直流电，在整流电路的输出端两端跨接一个电子开关S，该电子开关S的控制端和脉宽调制电路(PWM)的输出端相连，该脉宽调制电路PWM的反相输入端与外部输入三角波信号相连；其特征是：还包括电流环2，所述电流环2的正相输入端接电压环1的输出Vc，反相输入端接电流采样电路的输出端，电流环2的输出端则接于脉宽调制电路PWM的正相输入端。
在这种方案中，电压环(带宽远低于网频，一般＜10Hz)的输出是电流内环(快环，一般＞1/10fs，fs为开关频率)的基准。控制的结果是强制整流桥直流侧的电流(Idc)变为直流，从而可使各相电感电流在半周期内都有60度的时间(对应于相电压60度～120度的间隔)为直流，总的相电流近似为梯形波，故可增加满足IEC-1000-3-2A谐波标准的最大功率。
图4(b)是采用图3的结构来实现图4(a)，与图4(a)的区别是在电流环2的正相输入端和电压环1的输出端之间还接有乘法器3，该乘法器3的波形电压输出端A和有效值输入端C与一个固定的电压信号Vcon相连，信号输入端B与电压环1的输出端相连。
虽然从理论上讲，该乘法器3是没有意义的，完全可以省略，但在实际应用中，该电路具有一定的指导意义。为了应用图3所示的电路，已有现成的集成电路芯片，在该芯片中在电流环2和电压环1之间有一个乘法器3。为了应用现成的芯片，可以用图4(b)所示接法将乘法器“贯通”。此时相当于图3电路中6波形电压信号不用检测，而用一个固定的直流电压替代。使得控制实现大大简化。
本发明的电路可直接用电流互感器检测整流桥直流侧的电流，使实现更加简单。
用图4原理实现的平均电流控制三相单开关DCM BOOSTPFC，可采用分离元件或集成IC以及任何种电流检测电路，它们都属本专利的保护范围。
图4中画了三个电流传感器，在实际的应用电路中，只要采用检测id、is的一对电流传感器或检测idc的电流传感器即可，并接上相应的取样电路。其连接关系见图所示。
当采用idc时，所述电流采样电路串接于整流电路直流侧近地端母线上，其采样的信号为直流侧近地端母线电流idc。当采用id、is的迭加时，所述电流采样电路有两个，二者的输出信号迭加后输入到电流环2的反相输入端，其中一个电流采样电路串接于整流电路开关二极管D上，其采样的信号为二极管电流id，另一个串接于开关管S上，其采样的信号为开关电流is。
下面仅以图4(a)、4(b)的框图为例介绍本发明的工作原理。传统单开关三相DCM Boost变换器[文献1]的输入电流归一化波形如图5所示。采用图3的改进型三相PFC，其输入电流波形如图6所示。可见能大大减小输入电流的各次谐波含量。
在保证图4(a)、4(b)的电路参数满足条件(1)：三个电感的电流为DCM；条件(2)：电压环带宽很低(一般＜10Hz)，即在整流后的电网周期内，电压环输出可近似为常数；和条件(3)：三个电感La＝Lb＝Lc；那么当图4(a)、4(b)中的电流环被设计成足够快时(一个实验例子是：R1＝20K，R2＝100K，C1＝470pF，C2＝0.01uF)，其输入电流波形将如图7所示，与图6相比，此输入电流的各次谐波含量已有明显减小。通过调节电流环的参数，还可使它具有最小的失真。
本发明的重点是把Current Clamped的平均电流控制首次推广到了三相单开关DCM BOOST变换器中，用非常简单的检测和控制实现了相当稳定的三相PFC。本方案已用于三相输入(304V-456VAC)，48V@100A输出(额定为53.5V@100A)的通信一次电源前置级单管DCM三相Boost变换器中，在IEC1000-3-2A标准规定的输入电压和负载范围内都能相当容易地满足谐波要求。从具体实现比较，它比已有的各种控制方案都要简单，可靠，且动态特性更好。

Claims (4)

1.一种三相单开关功率因数校正升压变换器，包括三相输入端(Va、Vb、Vc)、输出端(Vo)、三相整流电路、脉宽调制电路(PWM)和电压环(1)，所述三相输入端(Va、Vb、Vc)分别接三相交流电源，输出端(Vo)的输出为直流电，在整流电路的输出端两端跨接一个电子开关(S)，该电子开关(S)的控制端和脉宽调制电路(PWM)的输出端相连，该脉宽调制电路(PWM)的反相输入端与外部输入三角波信号相连，在整流电路直流侧正端串接一个开关二极管(D)；
其特征是：还包括电流环(2)，所述电流环(2)的正相输入端接电压环(1)的输出(Vc)，反相输入端接电流采样电路的输出端，电流环(2)的输出端则接于脉宽调制电路(PWM)的正相输入端。
2、如权利要求1所述的三相单开关功率因数校正升压变换器，其特征是：在电流环(2)的正相输入端和电压环(1)的输出端之间还接有乘法器(3)，该乘法器(3)的波形电压输出端(A)和有效值输入端(C)与一个固定的电压信号Vcon相连，信号输入端(B)与电压环(1)的输出端相连。
3、如权利要求1或2所述的三相单开关功率因数校正升压变换器，其特征是：所述电流采样电路串接于整流电路直流侧近地端母线上，其采样的信号为直流侧近地端母线电流(idc)。
4、如权利要求1或2所述的三相单开关功率因数校正升压变换器，其特征是：所述电流采样电路有两个，二者的输出信号迭加后输入到电流环(2)的反相输入端，其中一个电流采样电路串接于开关二极管(D)上，其采样的信号为开关二极管的电流(id)，另一个串接于开关管(S)上，其采样的信号为开关电流(is)。
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