CN207490786U

CN207490786U - 全硬件实现三相三开关三电平pfc整流器的系统

Info

Publication number: CN207490786U
Application number: CN201721553303.1U
Authority: CN
Inventors: 黄厚诚; 刘爱忠; 李勇; 胡勇; 李昱; 唐亮; 马文超; 李清川; 于波峰
Original assignee: Shandong Luneng Intelligence Technology Co Ltd
Current assignee: Shandong luruan Digital Technology Co.,Ltd. smart energy branch
Priority date: 2017-11-20
Filing date: 2017-11-20
Publication date: 2018-06-12
Anticipated expiration: 2027-11-20

Abstract

本实用新型公开了一种全硬件实现三相三开关三电平PFC整流器的系统，其特征是：包括三相并联的单相PFC整流电路，形成三相三电平整流器，所述三相三电平整流器的各相电流信号和正弦波电压信号分别输入高功率因数校正集成控制电路芯片，产生驱动信号驱动三相三电平整流器各单相PFC整流电路的控制开关。本实用新型成本低，以大量应用的UC3854及其外部电路来代替价格高数字信号处理芯片，可以节约大量成本。

Description

全硬件实现三相三开关三电平PFC整流器的系统

技术领域

本实用新型涉及一种全硬件实现三相三开关三电平PFC整流器的系统。

背景技术

为解决汽车尾气带来的环境污染问题，国家制订了加快推进新能源电动汽车的产业化及充电站的设施建设的方案，充电桩的建设必须满足体积小、功率密度大、效率高等要求，以缩短电池充电时间并降低成本。随着电力电子设备的广泛使用，其在电网中产生的大量谐波严重影响了供电质量、增加了电网损耗。功率因数校正技术(PFC)可以有效地减少谐波含量、减少对电网的污染，近年来得到了大量的使用，而针对大功率的三相PFC技术更成为技术热点。

三相三开关三电平PFC整流器控制策略主要有滞环电流控制技术、单周期控制技术、空间矢量调制技术、平均电流控制技术，其中空间矢量调试技术由于能够更高的直流电压利用率、可以在较低的频率下满足谐波要求、较低的开关损耗等特点更适合应用于工业领域。但是由于空间矢量控制的扇区较多，实现时需要大量、复杂的计算，不易实现工程化实现。

实用新型内容

本实用新型为了解决上述问题，提出了一种全硬件实现三相三开关三电平PFC整流器的系统，本实用新型以三相三电平整流器为基础，利用三个单相PFC实现，能够保证三相电源之间解耦，相互独立。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种全硬件实现三相三开关三电平PFC整流器的系统，包括三相并联的单相PFC整流电路，形成三相三电平整流器，所述三相三电平整流器的各相电流信号和正弦波电压信号分别输入高功率因数校正集成控制电路芯片，产生驱动信号驱动三相三电平整流器各单相PFC整流电路的控制开关。

进一步的，三相三电平整流器的三相电源之间解耦，相互独立。

进一步的，三相三电平整流器的三相电源各连接一个高功率因数校正集成控制电路芯片。

进一步的，所有的高功率因数校正集成控制电路芯片共用同一个输出电压反馈信号。

进一步的，三相三电平整流器的各相的电流和电压信号通过不同的电流采样电路和电压采样电路进行采样。

进一步的，所述输入高功率因数校正集成控制电路芯片为UC3854，采用平均电流控制模式，前馈线性调整，恒频控制。

进一步的，电压采样电路采集三相三电平整流器中各相相对N相经过整流后的正弦波电压信号，对输入端前馈电压取平方值后进入乘法器除法输入端；输出电压经过分压后的反馈信号输入到误差放大器的反向输入端，与非反相输入端的输入电压进行误差放大后输出，输出端通过反馈网络与反向输入端相连接并输入到乘法器的乘法输入端。

进一步的，三相三电平整流器中A相、B相、C相的输入电压波形存在120°相位差。

进一步的，每个单相PFC整流电路上包括PFC电感，所述PFC电感串联有两个共S极双向开关，所述共S极双向开关并联有整流电路。

进一步的，每两个单相PFC整流电路之间设置有滤波电解电容。

进一步的，电流采样电路将各相电流信号输入到电流误差放大器的正向输入端，电流误差放大器的输出端连接到脉宽调制比较器，与输入高功率因数校正集成控制电路芯片CT端产生的锯齿波比较后产生PWM波形经过R-S触发器后输出，以驱动三相三电平整流器对应相的双向开关，来稳定输出电压及控制输入电流的正弦波形及相位。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

(1)成本低，以大量应用的UC3854及其外部电路来代替价格高数字信号处理芯片，可以节约大量成本，且稳定性好；

(2)使用平均电流模式控制，分析相对简单；

(3)本实用新型使用全模拟控制，易于生产制造。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本实用新型三相三开关三电平基本拓扑图；

图2是本实用新型的UC3854的内部功能方块图；

图3是本实用新型的UC3854广泛应用于单相PFC电路的示意图；

图4是本实用新型的主回路拓扑图；

图5(a)-(c)是本实用新型的输入电压采样电路图；

图6(a)-(c)是本实用新型的电流取样电路图；

图7(a)-(c)是本实用新型的UC3854电路示意图；

图8是本实用新型的A相、B相、C相的输入电压波形图；

图9是本实用新型的开关状态示意图；

图10(a)-(h)是本实用新型的扇区Ⅱ时每种开关状态对应的工作状态。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在三相三开关三电平PFC整流器有使用空间矢量调制技术来完成控制，但由于三电平矢量控制的扇区较多，实现时需要大量、复杂的计算，实现需要较高的硬件及软件成本的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种以全硬件实现三相三开关三电平PFC整流器方法。

具有PFC功能的整流器主要包含三相单开关变换器拓扑、三相双开关变换器拓扑、三相三开关变换器拓扑、三相六开关变换器拓扑和有单相PFC变换器组合成的三相PFC变换拓扑。而三相三开关三电平是目前最流行的三相PFC方案。其基本拓扑如图1所示，其组成可以分解为一下几部分：

1、三相交流电源输入Va、Vb、Vc。

2、每相交流输入的BOOST电感La、Lb、Lc。

3、BOOST二极管Dp1、Dp2、Dp3、Dp4、Dp5、Dp6。

4、双向开关Sa、Sb、Sc。

5、输出电解电容Ca、Cb。

6、输出负载RL。

三相三开关三电平PFC整流器具有一下特点：

1、所需开关器件少，每项只需一组双向开关，成本和开关损耗低较低。

2、三电平特性，减小了谐波，滤波负担轻。

3、无桥臂直通问题，不需要设置死区时间，可靠性较高。

4、电感电流连续，减小电感体积，实现高功率密度。

5、整流器呈电阻特性，电压不平衡及缺相条件下依然可以工作。

在目前电力电子领域，单相PFC控制已经大规模使用，其中在中小功率部分，UC3854系列集成控制芯片得到了大规模应用。UC3854是一种高功率因数校正集成控制电路芯片，应用于PWM升压电路中，功率因数可以实现0.99，THD<5％；采用通用的操作方式，适用于任何开关器件；采用平均电流控制模式，噪声灵敏度低；前馈线性调整；恒频控制，偏低值模拟乘法器/触发器；高精度基准电压；可输出1A驱动电流。其内部功能方块如图2所示。

UC3854广泛应用于单相PFC电路中，其基本应用电路如图3所示。

本申请的一种典型的实施方式中，本方案是以三相三电平整流器为基础，其主回路拓扑如图4所示。其中三相市电输入为A、B、C、N；L1、L2、L3为PFC电感；R1、R2、R3为输入电流采样电阻；D1、D2、D3、D4、D5、D6为整流二极管；Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6两两组成共S极双向开关；C1、C2为滤波电解电容；R1、R2为负载均压电阻。Vo为输出电压，Vo/2为输出电压中点；FB为输出电压分压后输出的反馈信号。

输入电压可以通过如图5(a)-图5(c)电路采到A相、B相、C相对N的电压信号Varec、Vbrec、Vcrec，Va、Vb、Bc经过隔离放大器将信号放大后，再通过整流桥将负半波反转得到电压信号Varec、Vbrec、Vcrec输入到图7(a)-图7(c)的Varec、Bbrec、Vcrec。

输入电流用过如图6(a)-图6(c)电路采到A相、B相、C相的电流信号Iasen、Ibsen、Icsen，如图6(a)-图6(c)所示，电流取样电阻R1上端是接到PFC电感处，下端接到MOS的D级，如图3。其他两相电流采样电路同此一致。

电流采样电阻放置于输入电感与开关管之间，电流采样电阻输出的电压信号为正弦信号，电流采样电压信号分别接入两个运放的正向输入和反向输入端，通过二极管的反向截至特性，两个运放的输出端信号合并后得到负半周期反转的正弦信号。得到的正弦信号经过隔离放大器后得到Iasen、Ibsen、Icsen。采到的电流信号输入到图7(a)-图7(c)中的Iasen、Ibsen、Icsen。

UC3854电路如图7(a)-图7(c)所示，将前面采集到的交流输入电压A相、B相、C相对N的电压信号Varec、Vbrec、Varec，A相、B相、C相的电流信号Iasen、Ibsen、Icsen，输出电压反馈信号FB分别输入到对应的UC3854电路Varec、Vbrec、Varec、Iasen、Ibsen、Icsen、FB的端口。并输出驱动mos Q1、Q2的DRVA；Q3、Q4的DRVB；Q5、Q6的DRVC。

如图4所示，A、B、C为三相市电输入，先取其中A相进行分析，通过图4电路采集的A相对N经过全桥整流后的正弦波(负半波反转)电压信号(Varec)，信号送入到每颗UC3854的Varec处，Varec将产生输入端前馈电压送入到uc3854的VRMS脚，VRMS取平方值后进入乘法器除法输入端。

输出电压经过分压后的反馈信号FB输入到误差放大器的反向输入端VSNS，与非反相输入端的7.5V电压进误差放大后输出VA_OUT，VA_OUT通过反馈网络与VSNS相连接并输入到乘法器的乘法输入端。

VA_OUT与输入的正弦电流信号IAC相乘后除以VRMS的平方后输出电流Imo,Imo将从第5脚MUlT输出并流过电阻R6，R6接到如图6产生的A相电流信号Iasen，R6产生的升压是一个负半波反转的正弦波，当Iasen＝R6的升压时，A相的输入电流波形是正弦波，此时功率因数值最大。

同时输入到电流误差放大器的正向输入端，电流误差放大器的反向输入端通过R5与输出GND相连，而电流误差放大器的输出端CA_OUT连接到脉宽调制比较器，与CT产生的锯齿波比较后产生PWM波形经过R-S触发器后通过一个图腾柱输出DRVA以驱动Q1、Q2组成的双向开关，来稳定输出电压及控制输入电流的正弦波形及相位，这样就可以得到稳定的输出VO及较高的功率因数值。

B相、C相的工作过程与A相相同，A相、B相、C相的输入电压波形如图8所示，Va、Vb、Vc之间存在120°相位差，将工频周期中每隔60°划分一个扇区则可划分为6个扇区。

为了方便分析，将Q1、Q2合并为S1；将Q3、Q4合并为S2；将Q5、Q6合并为S3；则S1、S2、S3的开关状态可能有8种，1表示开关闭合、0表示开关断开，如图9所示。

取图8中扇区Ⅱ时每种开关状态对应的工作状态如图10(a)-(h)所示，其中10(a)为S1、S2、S3的开关状态为111时的等效电路图，10(b)为S1、S2、S3的开关状态为110时的等效电路图，10(c)为S1、S2、S3的开关状态为101时的等效电路图，10(d)为S1、S2、S3的开关状态为100时的等效电路图，10(e)为S1、S2、S3的开关状态为011时的等效电路图，10(f)为S1、S2、S3的开关状态为010时的等效电路图，10(g)为S1、S2、S3的开关状态为001时的等效电路图，10(h)为S1、S2、S3的开关状态为000时的等效电路图。

其他扇区的工作情况与扇区Ⅱ的基本相同，用过UC3854对开关管的开关状态进行控制，对电感电流进行调节，使其跟随输入电压并保持输出电压稳定。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims

1.一种全硬件实现三相三开关三电平PFC整流器的系统，其特征是：包括三相并联的单相PFC整流电路，形成三相三电平整流器，所述三相三电平整流器的各相电流信号和正弦波电压信号分别输入高功率因数校正集成控制电路芯片，产生驱动信号驱动三相三电平整流器各单相PFC整流电路的控制开关。

2.如权利要求1所述的一种全硬件实现三相三开关三电平PFC整流器的系统，其特征是：三相三电平整流器的三相电源之间解耦，相互独立。

3.如权利要求1所述的一种全硬件实现三相三开关三电平PFC整流器的系统，其特征是：三相三电平整流器的三相电源各连接一个高功率因数校正集成控制电路芯片。

4.如权利要求3所述的一种全硬件实现三相三开关三电平PFC整流器的系统，其特征是：所有的高功率因数校正集成控制电路芯片共用同一个输出电压反馈信号。

5.如权利要求1所述的一种全硬件实现三相三开关三电平PFC整流器的系统，其特征是：三相三电平整流器的各相的电流和电压信号通过不同的电流采样电路和电压采样电路进行采样。

6.如权利要求1或3或4所述的一种全硬件实现三相三开关三电平PFC整流器的系统，其特征是：所述输入高功率因数校正集成控制电路芯片为UC3854。

7.如权利要求5所述的一种全硬件实现三相三开关三电平PFC整流器的系统，其特征是：电压采样电路采集三相三电平整流器中各相相对N相经过整流后的正弦波电压信号，对输入端前馈电压取平方值后进入乘法器除法输入端；输出电压经过分压后的反馈信号输入到误差放大器的反向输入端，与非反相输入端的输入电压进行误差放大后输出，输出端通过反馈网络与反向输入端相连接并输入到乘法器的乘法输入端。

8.如权利要求1所述的一种全硬件实现三相三开关三电平PFC整流器的系统，其特征是：每个单相PFC整流电路上包括PFC电感，所述PFC电感串联有两个共S极双向开关，所述共S极双向开关并联有整流电路。

9.如权利要求1所述的一种全硬件实现三相三开关三电平PFC整流器的系统，其特征是：每两个单相PFC整流电路之间设置有滤波电解电容。

10.如权利要求1所述的一种全硬件实现三相三开关三电平PFC整流器的系统，其特征是：电流采样电路将各相电流信号输入到电流误差放大器的正向输入端，电流误差放大器的输出端连接到脉宽调制比较器，与输入高功率因数校正集成控制电路芯片CT端产生的锯齿波比较后产生PWM波形经过R-S触发器后输出，以驱动三相三电平整流器对应相的双向开关，来稳定输出电压及控制输入电流的正弦波形及相位。