CN1555124A

CN1555124A - 三相功率因数校正电能变换装置

Info

Publication number: CN1555124A
Application number: CNA2003101210032A
Authority: CN
Inventors: 阮世良; 于启学
Original assignee: Emerson Network Power Co Ltd
Current assignee: Vertiv Tech Co Ltd
Priority date: 2003-12-29
Filing date: 2003-12-29
Publication date: 2004-12-15
Anticipated expiration: 2023-12-29
Also published as: CN100356672C

Abstract

本发明公开一种三相功率因数校正电能变换装置，用一个辅助电感和与之对应的主续流二极管串联来减少反向恢复电流，当开关管关断后，由于辅助电感储存的反向恢复能量的作用，能有效的使续流电流转移到主续流二极管上。上述能量最终转移到输出，减少了能量损耗，从而提高了整个电路的效率；并且还在主电感上通过增加中心抽头或是副边绕组来增加电流转移能量，当开关管关断后，增加的电流转移能量与辅助电感储存的反向恢复能量共同作用，能有效的使续流电流全部转移到主续流二极管上。上述两部分能量最终都转移到输出，理想情况下没有能量损耗，从而进一步提高了整个电路的效率。

Description

三相功率因数校正电能变换装置

【技术领域】：

本发明涉及一种三相功率因数校正电能变换装置。

【背景技术】：

随着电力电子技术的发展，对电能变换装置的输入功率因数的要求越来越高。对于中大功率的装置，三相功率因数校正(Power Factor Correction，PFC)电路是最优的选择，而三相三电平PFC又是其中较好的。虽然三相三电平PFC有不同的拓扑结构，但是可以统一为一个等效的拓扑电路，如图1所示。

其中Va、Vb和Vc是三相输入的相电压，La、Lb和Lc为升压电感，S1、S2和S3为双向功率管，D1～D6为续流二极管。它的工作原理与单相BOOST PFC基本一致，通过控制三个功率管，使得三相电流跟踪三相电压，呈近似正弦波。此电路存在着如下问题：

当S1关断时，(以A相为例进行说明，其它相相同)若A相电压为正，则D1导通(若A相电压为负，D4导通，按正向论述，负向类似)，流过正向电流，当S1导通时，D1承受反压，形成反向恢复电流。反向恢复电流与L1电流一起流过S1，从而增加了S1的开通损耗和D1的损耗。当输出电压Vo越高，由于高压二极管的反向恢复时间更长，使上述问题更加严重。S1的开关频率越高，则反向恢复造成的损耗越大，因此就限制了电路工作频率的提高。

【发明内容】：

本发明的目的就是为了解决以上问题，提供一种三相功率因数校正电能变换装置，减小反向恢复损耗，提高电路效率。

为实现上述目的，本发明提出两种属于同一构思的三相功率因数校正电能变换装置。

其中第一种三相功率因数校正电能变换装置包括第一至三电压输入端、第一至三主电感、第一至三正向续流二极管、第一至三反向续流二极管和第一至三双向功率管，构成三相三电平PFC电路；其特征是：在第一相中还包括第一辅助电感、第一至二正向辅助二极管、第一至二反向辅助二极管、第一辅助电容、第四辅助电容和第一耦合电感，构成第一相的正向支路和反向支路；由上述元件构成的第一相正向支路结构如下：所述第一耦合电感、第一辅助电感与第一正向续流二极管相串联形成第一串联支路，同向串联的第一、二正向辅助二极管形成第二串联支路，上述第一串联支路和第二串联支路同向并联，所述第一辅助电容跨接于上述第一串联支路和第二串联支路的中点；由上述元件构成的第一相反向支路结构如下：所述第一耦合电感、第一辅助电感与第一反向续流二极管相串联形成第三串联支路，同向串联的第一、二反向辅助二极管形成第四串联支路，上述第三串联支路和第四串联支路同向并联，所述第四辅助电容跨接于上述第三串联支路和第四串联支路的中点；所述第一耦合电感与电压输入端同名的端通过第一辅助电感连接于第一双向功率管上；在第二相中还包括第二辅助电感、第三至四正向辅助二极管、第三至四反向辅助二极管、第二辅助电容、第五辅助电容和第二耦合电感，构成与第一相相同的电路结构；在第三相中还包括第三辅助电感、第五至六正向辅助二极管、第五至六反向辅助二极管、第三辅助电容、第六辅助电容和第三耦合电感，构成与第一相相同的电路结构。

其中第二种三相功率因数校正电能变换装置包括第一至三电压输入端、第一至三主电感、第一至三正向续流二极管、第一至三反向续流二极管和第一至三双向功率管，构成三相三电平PFC电路；其特征是：在第一相中还包括第四、七辅助电感、第一至二正向辅助二极管、第一至二反向辅助二极管、第一辅助电容、第四辅助电容和第一耦合电感，构成第一相的正向支路和反向支路；由上述元件构成的第一相正向电路结构如下：所述第一耦合电感、第四辅助电感与第一正向续流二极管相串联形成第一串联支路，同向串联的第一至二正向辅助二极管形成第二串联支路，上述第一串联支路和第二串联支路同向并联，所述第一辅助电容跨接于上述第一串联支路和第二串联支路的中点；由上述元件构成的第一相反向支路结构如下：所述第一耦合电感、第七辅助电感与第一反向续流二极管相串联形成第三串联支路，同向串联的第一至二反向辅助二极管形成第四串联支路，上述第三串联支路和第四串联支路同向并联，所述第四辅助电容跨接于上述第三串联支路和第四串联支路的中点；所述第一耦合电感与电压输入端同名的端连接于第一双向功率管上；在第二相中还包括第五、八辅助电感、第三、四正向辅助二极管、第三至四反向辅助二极管、第二辅助电容、第五辅助电容和第二耦合电感；构成与第一相相同的电路结构；在第三相中还包括第六、九辅助电感、第五、六正向辅助二极管、第五六反向辅助二极管、第三辅助电容、第六辅助电容和第三耦合电感；构成与第一相相同的电路结构。

在上述两种方案中，将所述主电感分为两个部分的方式也可以有两种选择：一是所述第一至三主电感为带有中心抽头的第一至三线圈中第一接线端和第二接线端之间的整个线圈，而第一至三耦合电感为位于上述中心抽头和第二接线端的之间线圈部分。；二是所述主电感和其耦合电感耦合构成变压器，所述主电感为原边绕组，所述耦合电感为副边绕组。

由于采用了以上的方案，用一个辅助电感和与之对应的主续流二极管串联来减少反向恢复电流，当开关管关断后，由于辅助电感储存的反向恢复能量的作用，能有效的使续流电流转移到主续流二极管上。上述能量最终转移到输出，减少了能量损耗，从而提高了整个电路的效率。由于还在主电感上增加中心抽头或是副边绕组来增加电流转移能量，当开关管关断后，增加的电流转移能量与辅助电感储存的反向恢复能量共同作用，能有效的使续流电流全部转移到主续流二极管上。上述两部分能量最终都转移到输出，理想情况下没有能量损耗，从而进一步提高了整个电路的效率。

【附图说明】：

图1是现有等效三相三电平PFC电路示意图。

图2(a)、2(b)、2(c)、2(d)是本发明四个实施例的示意图。

图3是图2(a)电路的工作时序波形示意图。

【具体实施方式】：

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。

本发明的基本拓扑结构有图2(a)～2(d)所示的四种基本形式，其中图2(a)、2(c)示出了上述第一种方案的两个实施例，图2(b)、2(d)示出了上述第二种方案的两个实施例。La～Lc是带有中心抽头的线圈或是带有副边绕组的耦合变压器，同名端如图所示，Lsa～Lsc和L1～L6是辅助电感，D1～D6是主续流二极管，其余二极管为辅助二极管，C1～C6是辅助电容。由图可见，本发明的上述实施例的共同点在于增设辅助电感Lsa～Lsc或L1～L6、辅助二极管D11、D12、D21、D22、D31、D32、D41、D42、D51、D52、D61、D62、辅助电容C1～C6；在每相中：所述辅助电感Lsa～Lsc或L1～L6分别与对应的续流二极管D1-D6相串联形成第一串联支路，两个同向串联的辅助二极管D11、D12、D21、D22、D31、D32、D41、D42、D51、D52、D61、D62形成第二串联支路，上述第一串联支路和第二串联支路同向并联，所述辅助电容C1～C6跨接于上述第一串联支路和第二串联支路的中点。

其中辅助电感的接法有两种形式，一种示于图2(a)、图2(b)中，在每相中正负半周共用辅助电感Lsa～Lsc。另一种示于图2(c)、2(d)中，在每相中正负半周分别采用独立的辅助电感L1～L6。

在每相中，所述主电感La1、Lb1、Lc1至少还耦合有一个，该耦合电感La2、Lb2、Lc2串联于所述第一串联支路中，并且该耦合电感La2、Lb2、Lc2中的电压输入端同名端连接于双向功率管S1、S2、S3上或通过辅助电感Lsa～Lsc连接于双向功率管S1、S2、S3上。它也可以通过两种方式实现：

一种是图2(a)、2(c)中所示的方案，所述主电感La1、Lb1、Lc1为带有中心抽头的线圈La、Lb、Lc中第一接线端和第二接线端之间的整个线圈，而耦合电感La2、Lb2、Lc2为位于上述中心抽头和第二接线端的之间线圈部分。

另一种是图2(b)、2(d)所示的方案，所述主电感La1、Lb1、Lc1和其耦合电感La2、Lb2、Lc2耦合构成变压器La、Lb、Lc，所述主电感La1、Lb1、Lc1为原边绕组，所述耦合电感La2、Lb2、Lc2为副边绕组。

下面结合附图对本发明方案的工作原理进行简单介绍：

图2(a)是发明方案中较典型的一种，下面将以这个电路为例介绍本发明的工作原理。

工作过程中，由于各工作时段以及各相具有相似性，因此下面的描述是基于这样一个时段的：A相电流为正，B相电流为负，且在过零点附近，C相电流为负；描述的电路对象是A相电路。其余时段与其余两相的工作过程可类推得到。

为了简化电路分析，在一个开关周期中可作如下假设：

a、输出电容足够大，可以认为输出电压为恒定不变的直流电压；

b、除了主续流二极管外，所有功率器件为理想器件；

c、主电感远大于辅助电感，主电感的电感值La1远大于其耦合电感的电感值La2；

d、输入电压为常数。

基于以上的假设，把选定时段的一个开关周期分为10个时间段来分析，工作的时序波形如图3所示。其中dr1～dr3分别为S1～S3的驱动。

第一阶段(t0-t1)

t0时刻，S1开通，主续流二极管D1有反向恢复电流流过，La2、Lsa与D1串联起来减少反向恢复电流。

第二阶段(t1-t2)

t1时刻反向恢复结束，La2提供电流转移能量，同时Lsa中储存了反向恢复能量，并与C1经D12谐振，能量向C1转移。

第三阶段(t2-t3)

t2时刻谐振结束，D12截止，C1电压保持不变，电路进入正常的S1导通状态。

第四阶段(t3-t4)

t3时刻，S1关断，由于Lsa电流不能突变，D11与D12导通，同时C1与La1通过D11谐振放电，Lsa、D12、D11支路电流不断减小。

第五阶段(t4-t5)

t4时刻，Lsa电流减小为零，D12截止，C1继续放电，由于C1两端电压越来越小，D1开始导通，电流慢慢增大，与之相反D11电流越来越小。

第六阶段(t5-t6)

t5时刻，S2关断，由于此时B相电流为负，所以v点电位为-Vo，u点电位也跟着下降，使得D1出现反向恢复电流，由于La电流不能突变，D11电流突然增大。C1两端电压减为零，放电完毕。而后D1电流又开始增长，D11电流则减小。

第七阶段(t6-t7)

t6时刻，S3开通，Lc电流增大，而Lb电流在0附近，且绝对值减小，必然导致La电流增大，La产生左正右负的电势，使得La2、Lsa、D12、D11通路导通，并逐渐增大，而D1电流逐渐减小。

第八阶段(t7-t8)

t7时刻，S3关断，La电流减小，产生左负右正的电势，所以La2、Lsa、D12、D11通路电流与t6-t7时段相反，逐渐减小，而D1有所增加。

第九阶段(t8-t9)

t8时刻，S2开通，由于Lb电流在0附近，对整个电路的电流影响不大，所以各器件波形仍然按先前的趋势变化。

第十阶段(t9-t10)

t9时刻，Lsa、D11、D12电流均下降为0，A相电流完全由D1续流，并不断减小。t10时刻，S1又开通，开始了一个新的周期。

从上面的分析可以看出，由于主电感的La2部分的存在，转移到C1电容的能量，除了反向恢复能量外，还有来自于La2产生的能量，这部分能量使得C1放电时能更有效地将电流转移到D1中。另外，输入电压Va越大，对应的输入电流ILa也越大，La2能够提供的能量也越大，使得大电流也能够完全转移。这是本发明的一个突出优点。

本发明采用一个辅助电感与主续流二极管串联来减小反向恢复电流，并利用PFC电感增加一个特殊的储能电路以提供更大的电流转移能量。本发明的作用，能够减小续流二极管反向恢复电流所造成的功率开关管与续流二极管的损耗，提高整个电路的效率。

Claims

1、一种三相功率因数校正电能变换装置，包括第一至三电压输入端(Va、Vb、Vc)、第一至三主电感(La1、Lb1、Lc1)、第一至三正向续流二极管(D1、D2、D3)、第一至三反向续流二极管(D4、D5、D6)和第一至三双向功率管(S1、S2、S3)，构成三相三电平PFC电路；其特征是：

在第一相中还包括第一辅助电感(Lsa)、第一至二正向辅助二极管(D11、D12)、第一至二反向辅助二极管(D41、D42)、第一辅助电容(C1)、第四辅助电容(C4)和第一耦合电感(La2)，构成第一相的正向支路和反向支路；

由上述元件构成的第一相正向支路结构如下：所述第一耦合电感(La2)、第一辅助电感(Lsa)与第一正向续流二极管(D1)相串联形成第一串联支路，同向串联的第一、二正向辅助二极管(D11、D12)形成第二串联支路，上述第一串联支路和第二串联支路同向并联，所述第一辅助电容(C1)跨接于上述第一串联支路和第二串联支路的中点；

由上述元件构成的第一相反向支路结构如下：所述第一耦合电感(La2)、第一辅助电感(Lsa)与第一反向续流二极管(D4)相串联形成第三串联支路，同向串联的第一、二反向辅助二极管(D41、D42)形成第四串联支路，上述第三串联支路和第四串联支路同向并联，所述第四辅助电容(C4)跨接于上述第三串联支路和第四串联支路的中点；

所述第一耦合电感(La2)与电压输入端同名的端通过第一辅助电感(Lsa)连接于第一双向功率管(S1)上；

在第二相中还包括第二辅助电感(Lsb)、第三至四正向辅助二极管(D21、D22)、第三至四反向辅助二极管(D51、D52)、第二辅助电容(C2)、第五辅助电容(C5)和第二耦合电感(Lb2)，构成与第一相相同的电路结构；

在第三相中还包括第三辅助电感(Lsc)、第五至六正向辅助二极管(D31、D32)、第五至六反向辅助二极管(D61、D62)、第三辅助电容(C3)、第六辅助电容(C6)和第三耦合电感(Lc2)，构成与第一相相同的电路结构。

2、如权利要求1所述的三相功率因数校正电能变换装置，其特征是：所述第一至三主电感(La1、Lb1、Lc1)为带有中心抽头的第一至三线圈(La、Lb、Lc)中第一接线端和第二接线端之间的整个线圈，而第一至三耦合电感(La2、Lb2、Lc2)为位于上述中心抽头和第二接线端的之间线圈部分。

3、如权利要求1所述的三相功率因数校正电能变换装置，其特征是：所述第一至三主电感(La1、Lb1、Lc1)和与其相应的第一至三耦合电感(La2、Lb2、Lc2)相耦合构成第一至三变压器(La、Lb、Lc)，所述第一至三主电感(La1、Lb1、Lc1)为原边绕组，所述第一至三耦合电感(La2、Lb2、Lc2)为副边绕组。

4、一种三相功率因数校正电能变换装置，包括第一至三电压输入端(Va、Vb、Vc)、第一至三主电感(La1、Lb1、Lc1)、第一至三正向续流二极管(D1、D2、D3)、第一至三反向续流二极管(D4、D5、D6)和第一至三双向功率管(S1、S2、S3)，构成三相三电平PFC电路；其特征是：

在第一相中还包括第四、七辅助电感(L1、L4)、第一至二正向辅助二极管(D11、D12)、第一至二反向辅助二极管(D41、D42)、第一辅助电容(C1)、第四辅助电容(C4)和第一耦合电感(La2)，构成第一相的正向支路和反向支路；

由上述元件构成的第一相正向电路结构如下：所述第一耦合电感(La2)、第四辅助电感(L1)与第一正向续流二极管(D1)相串联形成第一串联支路，同向串联的第一至二正向辅助二极管(D11、D12)形成第二串联支路，上述第一串联支路和第二串联支路同向并联，所述第一辅助电容(C1)跨接于上述第一串联支路和第二串联支路的中点；

由上述元件构成的第一相反向支路结构如下：所述第一耦合电感(La2)、第七辅助电感(L4)与第一反向续流二极管(D4)相串联形成第三串联支路，同向串联的第一至二反向辅助二极管(D41、D42)形成第四串联支路，上述第三串联支路和第四串联支路同向并联，所述第四辅助电容(C4)跨接于上述第三串联支路和第四串联支路的中点；

所述第一耦合电感(La2)与电压输入端同名的端连接于第一双向功率管(S1)上；

在第二相中还包括第五、八辅助电感(L2、L5)、第三、四正向辅助二极管(D21、D22)、第三至四反向辅助二极管(D51、D52)、第二辅助电容(C2)、第五辅助电容(C5)和第二耦合电感(Lb2)；构成与第一相相同的电路结构；

在第三相中还包括第六、九辅助电感(L3、L6)、第五、六正向辅助二极管(D31、D32)、第五六反向辅助二极管(D61、D62)、第三辅助电容(C3)、第六辅助电容(C6)和第三耦合电感(Lc2)；构成与第一相相同的电路结构。

5、如权利要求4所述的三相功率因数校正电能变换装置，其特征是：所述第一至三主电感(La1、Lb1、Lc1)为带有中心抽头的第一至三线圈(La、Lb、Lc)中第一接线端和第二接线端之间的整个线圈，而第一至三耦合电感(La2、Lb2、Lc2)为位于上述中心抽头和第二接线端之间的线圈部分。

6、如权利要求4所述的三相功率因数校正电能变换装置，其特征是：所述第一至三主电感(La1、Lb1、Lc1)和与其相应的第一至三耦合电感(La2、Lb2、Lc2)相耦合构成第一至三变压器(La、Lb、Lc)，所述第一至三主电感(La1、Lb1、Lc1)为原边绕组，所述第一至三耦合电感(La2、Lb2、Lc2)为副边绕组。