CN209435106U - 一种三相降压型pfc整流电路 - Google Patents

Abstract

一种三相降压型PFC整流电路，包括三相电压源、三相不控整流电路、两个对称的buck电路和有源三次谐波电流注入电路；本实用新型与三相LC滤波无源功率因素校正电路相比，功率因素可达到1.0，且输出电压可控；与三相boost‑buck型PFC整流电路相比，本实用新型能在无升压电路的情况下输出较低电压；与三相单开关校正电路相比，本实用新型电流控制简单，电感电流工作在连续模式下，输入输出电流纹波小，且只需两个电感，不需实现三相解耦，控制简单；与三相多开关功率因素校正电路相比，本实用新型驱动和控制策略简单，大幅节约成本，便于实现，使用范围广。

Description

一种三相降压型PFC整流电路

技术领域

本实用新型涉及功率因数校正技术领域，尤其涉及一种三相降压型PFC整流电路。

背景技术

功率因数校正技术(PowerFactorCorrectionTechnique)是电力电子学界和工业领域的一项基础技术，用于抑制谐波污染以降低高次电流谐波对电网及各用电设备造成的危害。随着用电设备的增加，对电能变换器也提出了高效率、高功率密度和高功率因数的更高要求，因此，各种新型的PFC变换拓扑也应运而生。目前，单相功率因数校正技术的研究比较多，在电路拓扑和控制方面都相当成熟，而三相功率因数校正的研究则相对较晚较少。近年来随着PFC技术的研究不断的深入，三相PFC日益引起人们的重视。

功率因数校正技术分为无源功率因数校正和有源功率因数校正两种：无源功率因数校正采用无源器件，例如LC滤波，虽然电路结构简单、效率高，但是功率因数受电感取值影响，最高只能达到0.95，且输出电压不可控，所以多数情况下不被采用；三相有源功率因数校正的拓扑结构现有技术中已有Buck、Boost、Buck-Boost、Flyback、Sepic和Cuk等，其中Boost、Buck-Boost电路因具有升压功能，可以保证输入电压在很宽的范围内变化时输入电流的仍处于连续状态，但输出电压依然较高电位，对于要求整流输出电压较低的场合则需要在其后级连接有降压电路进行降压调节。

从使用有源功率管的数量来看，三相PFC可分为两类：一类是单开关结构，一类是多开关结构。三相单开关Boost型PFC电路，为了实现三相之间的解耦，三个电感放在交流侧，并工作在电流断续模式下，其特点是电流控制简单，但是该电路的输入、输出电流纹波较大，对滤波电流要求较高，输出电压过高，这给功率管的选取带来了一定的困难，该电路一般应用于输出功率小于10kw以及对电流THD要求不严格的场合；三相多开关虽然能以较高的精度控制输入电流，获得优异的性能，但驱动和控制策略复杂，成本较高，其适合于较大功率的场合。

发明内容

根据背景技术提出的功率因数校正技术发展现状以及存在的问题，本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种三相降压型PFC整流电路进行改进，该电路结构简单，采用注入三次谐波电流的方式来实现功率因数校正的目的，接下来对本实用新型做进一步地阐述。

一种三相降压型PFC整流电路，包括三相电压源、三相不控整流电路、两个对称的buck电路和有源三次谐波电流注入电路；其中，

三相电压源，由a、b、c三相互成120°的三个正弦电压源组成，a、b、c三相电压源一端连在一起，另一端分别与三相不控整流电路相连；

三相不控整流电路，包括并联的三条串联电路，D₁的阳极与D₄的阴极相连构成第一条串联电路，D₂的阳极和D₅的阴极相连构成第二条串联电路，D₃的阳极和D₆的阴极相连构成第三条串联电路，以上三条串联电路阴极与阴极相连形成共阴极、阳极与阳极形成共阳极；

两个对称的buck电路，包括由功率开关管Q₁、二极管D₇、二极管D₂₁、电感L₁、电容C₁组成第一个buck电路和功率开关管Q₂，二极管D₈、二极管D₂₁、电感L₂、电容C₁组成第二个buck电路；Q₁的集电极与三相不控整流电路的共阴极相连，Q₂的发射极与三相不控整流电路的共阳极相连；

有源三次谐波电流注入电路，包括二极管D₉、D₁₀、D₁₁、D₁₂、D₁₃、D₁₄、D₁₅、D₁₆、D₁₇、D₁₈、D₁₉、D₂₀和功率管Q₃、Q₄、Q₅、Q₆、Q₇、Q₈、Q₉、Q₁₀、Q₁₁、Q₁₂、Q₁₃、Q₁₄，其中功率管Q₃的集电极与D₉的阴极和第一条串联电路中D₁与D₄之间的一点相连，Q₃的发射极与D₉的阳极、D₁₀的阳极和Q₄的发射极相连，Q₄的集电极与D₁₀的阴极和D₂₁的阴极相连；Q₅的集电极与D₁₁的阴极和第二条串联电路的中D₂和D₅之间的一点相连，Q₅的发射极与D₁₁的阳极、D₁₂的阳极和Q₆的发射极相连，Q₆的集电极与D₁₂的阴极和D₂₁的阴极相连，Q₇的集电极与D₁₃的阴极和第三条串联电路的中点相连，Q₇的发射极与D₁₃的阳极、D₁₄的阳极和Q₈的发射极相连，Q₈的集电极与D₁₄的阴极和D₂₁的阴极相连，Q₉的集电极与D₁₅的阴极和第一条串联电路的中点相连，Q₉的发射极与D₁₅的阳极、D₁₆的阳极和Q₁₀的发射极相连，Q₁₀的集电极与D₁₆的阴极和D₂₁的阳极相连，Q₁₁的集电极与D₁₇的阴极和第二条串联电路的中点相连，Q₁₁的发射极与D₁₇的阳极、D₁₈的阳极和Q₁₂的发射极相连，Q₁₂的集电极与D₁₈的阴极和D₂₁的阳极相连，Q₁₃的集电极与D₁₉的阴极和第三条串联电路的中点相连，Q₁₃的发射极与D₁₉的阳极、D₂₀的阳极和Q₁₄的发射极相连，Q₁₄的集电极与D₂₀的阴极和D₂₁的阳极相连。

进一步的，所述a相电压源的另一端与第一条串联电路中D₁与D₄之间的一点相连，b相电压源的另一端与第二条串联电路的中D₂和D₅之间的一点相连，c相电压源的另一端与第三条串联电路的中D₃和D₆之间的一点相连。

进一步的，所述第一个buck电路中，功率开关管Q₁的发射极与D₇的阳极相连，Q₁的集电极与D₇的阴极相连，Q₁的集电极与三相不控整流电路的共阴极相连，Q₁的发射极与D₂₁的阴极和L₁的一端相连，L₁的另一端与C₁的正极相连；第二个buck电路中，Q₂的发射极与D₈的阳极相连，Q₂的集电极与D₈的阴极相连，Q₂的发射极与三相不控整流电路的共阳极相连，Q₂的集电极与D₂₁的阳极和L₂的一端相连，L₂的另一端与C₁的负极相连。

进一步的，所述功率开关管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄、Q₅、Q₆、Q₇、Q₈、Q₉、Q₁₀、Q₁₁、Q₁₂、Q₁₃、Q₁₄采用MOSFET或IGBT。

进一步的，所述三相电压源采用两个对称的三相半波整流电路，其共阴极对中性点电压为三相输入电压正半周包络线，共阳极对中性点电压为三相输入电压负半周包络线。

有益效果：在与现有技术相比，本实用新型具有如下突出效果：与三相LC滤波无源功率因素校正电路相比，本实用新型功率因素可达到1.0，且输出电压可控；与三相boost-buck型PFC整流电路相比，本实用新型能在无升压电路的情况下输出较低电压；与三相单开关校正电路相比，本实用新型电流控制简单，电感电流工作在连续模式下，输入输出电流纹波小，且只需两个电感，不需实现三相解耦，控制简单；与三相多开关功率因素校正电路相比，本实用新型驱动和控制策略简单，大幅节约成本，便于实现，使用范围广。

附图说明

图1是本实用新型的电路结构示意图。

图2是本实用新型的控制环路示意图。

图3是本实用新型的a相电压电流仿真示意图。

图4是本实用新型的b相电压电流仿真示意图。

图5是本实用新型的c相电压电流仿真示意图。

图6是本实用新型的本实用新型电路工作的四条电流回路。

图7是本实用新型的本实用新型电路工作的四条电流回路。

图8是本实用新型的本实用新型电路工作的四条电流回路。

图9是本实用新型的本实用新型电路工作的四条电流回路。

具体实施方式

现结合附图对本实用新型的一个具体实施例来做详细地阐述。

如图1和图2所示，一种三相降压型PFC整流电路，包括：三相电压源电路、三相不控整流电路、两个对称的buck电路和有源三次谐波电流注入电路。

三相电压源，由a、b、c三相互成120°的三个正弦电压源组成，a、b、c三相电压源一端连在一起，另一端分别与三相不控整流电路相连。

三相不控整流电路，包括二极管D₁、D₂、D₃、D₄、D₅、D₆，D₁的阳极与D₄的阴极相连构成第一条串联电路，D₂的阳极和D₅的阴极相连构成第二条串联电路，D₃的阳极和D₆的阴极相连构成第三条串联电路，以上三条串联电路阴极与阴极相连形成共阴极、阳极与阳极形成共阳极，以此相连构成三相不控整流电路；a相电压源的另一端与第一条串联电路中D₁与D₄之间的一点相连，b相电压源的另一端与第二条串联电路的中D₂和D₅之间的一点相连，c相电压源的另一端与第三条串联电路的中D₃和D₆之间的一点相连。

两个对称的buck电路，包括由功率开关管Q₁、二极管D₇、二极管D₂₁、电感L₁、电容C₁组成第一个buck电路和功率开关管Q₂，二极管D₈、二极管D₂₁、电感L₂、电容C₁组成第二个buck电路；第一个buck电路中，功率开关管Q₁的发射极与D₇的阳极相连，Q₁的集电极与D₇的阴极相连，Q₁的集电极与三相不控整流电路的共阴极相连，Q₁的发射极与D₂₁的阴极和L₁的一端相连，L₁的另一端与C₁的正极相连；第二个buck电路中，Q₂的发射极与D₈的阳极相连，Q₂的集电极与D₈的阴极相连，Q₂的发射极与三相不控整流电路的共阳极相连，Q₂的集电极与D₂₁的阳极和L₂的一端相连，L₂的另一端与C₁的负极相连。

有源三次谐波电流注入电路，包括二极管D₉、D₁₀、D₁₁、D₁₂、D₁₃、D₁₄、D₁₅、D₁₆、D₁₇、D₁₈、D₁₉、D₂₀和功率管Q₃、Q₄、Q₅、Q₆、Q₇、Q₈、Q₉、Q₁₀、Q₁₁、Q₁₂、Q₁₃、Q₁₄，其中功率管Q₃的集电极与D₉的阴极和第一条串联电路中D₁与D₄之间的一点相连，Q₃的发射极与D₉的阳极、D₁₀的阳极和Q₄的发射极相连，Q₄的集电极与D₁₀的阴极和D₂₁的阴极相连；Q₅的集电极与D₁₁的阴极和第二条串联电路的中D₂和D₅之间的一点相连，Q₅的发射极与D₁₁的阳极、D₁₂的阳极和Q₆的发射极相连，Q₆的集电极与D₁₂的阴极和D₂₁的阴极相连，Q₇的集电极与D₁₃的阴极和第三条串联电路的中点相连，Q₇的发射极与D₁₃的阳极、D₁₄的阳极和Q₈的发射极相连，Q₈的集电极与D₁₄的阴极和D₂₁的阴极相连，Q₉的集电极与D₁₅的阴极和第一条串联电路的中点相连，Q₉的发射极与D₁₅的阳极、D₁₆的阳极和Q₁₀的发射极相连，Q₁₀的集电极与D₁₆的阴极和D₂₁的阳极相连，Q₁₁的集电极与D₁₇的阴极和第二条串联电路的中点相连，Q₁₁的发射极与D₁₇的阳极、D₁₈的阳极和Q₁₂的发射极相连，Q₁₂的集电极与D₁₈的阴极和D₂₁的阳极相连，Q₁₃的集电极与D₁₉的阴极和第三条串联电路的中点相连，Q₁₃的发射极与D₁₉的阳极、D₂₀的阳极和Q₁₄的发射极相连，Q₁₄的集电极与D₂₀的阴极和D₂₁的阳极相连。

本实施例中，功率开关管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄、Q₅、Q₆、Q₇、Q₈、Q₉、Q₁₀、Q₁₁、Q₁₂、Q₁₃、Q₁₄采用MOSFET，在其他实施例中，也可采用IGBT。

三相输入采用两个对称的三相半波整流电路，其共阴极对中性点电压为三相输入电压正半周包络线，共阳极对中性点电压为三相输入电压负半周包络线；控制两个对称的buck电路功率管电流分别跟随输入电压正半周和负半周包络线，有源三次谐波电流注入电路的调制是根据整流器输入电压而换相的低频调制，最终三相相电流与相电压保持相位完全一致，即实现功率因数校正的目的，仿真结果显示，该PFC功能可使功率因数达到接近1.0。

如图3~5所示，图3为三相输入a相电压U_a和电流i_a，图4三相输入b相电压U_b和电流i_b，图5为三相输入c相电压U_c和电流i_c。从图3~5可以看出三相电流与三相相电压保持同相位，即实现功率因数校正的目的。

图6~9为典型控制方式下，电网电压在U_a>U_b>U_c时，电路工作的四条电流回路：如附图6所示，当Q₁、Q₂都导通时，电流从U_a出发，经D₁、Q₁、L₁、C₁、L₂、Q₂、D₆流回U_c；如附图7所示，当Q₁导通，Q₂关断时，电流从U_a出发，经D₁、Q₁、L₁、C₁、L₂、Q₁₂、D₁₇流回U_b；如附图8所示，当Q₁关断，Q₂导通时，电流从U_b出发，经Q₅、D₁₂、L₁、C₁、L₂、Q₂、D₆流回U_c；如附图9所示，当Q₁、Q₂都关断时，电流经L₁、C₁、L₂以及D₂₁实现续流。别的电压情况下做类似分析。

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

Claims (5)

1.一种三相降压型PFC整流电路，其特征在于：包括三相电压源、三相不控整流电路、两个对称的buck电路和有源三次谐波电流注入电路；其中，

三相电压源，由a、b、c三相互成120°的三个正弦电压源组成，a、b、c三相电压源一端连在一起，另一端分别与三相不控整流电路相连；

三相不控整流电路，包括并联的三条串联电路，D₁的阳极与D₄的阴极相连构成第一条串联电路，D₂的阳极和D₅的阴极相连构成第二条串联电路，D₃的阳极和D₆的阴极相连构成第三条串联电路，以上三条串联电路阴极与阴极相连形成共阴极、阳极与阳极形成共阳极；

两个对称的buck电路，包括由功率开关管Q₁、二极管D₇、二极管D₂₁、电感L₁、电容C₁组成第一个buck电路和功率开关管Q₂，二极管D₈、二极管D₂₁、电感L₂、电容C₁组成第二个buck电路；Q₁的集电极与三相不控整流电路的共阴极相连，Q₂的发射极与三相不控整流电路的共阳极相连；

有源三次谐波电流注入电路，包括二极管D₉、D₁₀、D₁₁、D₁₂、D₁₃、D₁₄、D₁₅、D₁₆、D₁₇、D₁₈、D₁₉、D₂₀和功率管Q₃、Q₄、Q₅、Q₆、Q₇、Q₈、Q₉、Q₁₀、Q₁₁、Q₁₂、Q₁₃、Q₁₄，其中功率管Q₃的集电极与D₉的阴极和第一条串联电路中D₁与D₄之间的一点相连，Q₃的发射极与D₉的阳极、D₁₀的阳极和Q₄的发射极相连，Q₄的集电极与D₁₀的阴极和D₂₁的阴极相连；Q₅的集电极与D₁₁的阴极和第二条串联电路的中D₂和D₅之间的一点相连，Q₅的发射极与D₁₁的阳极、D₁₂的阳极和Q₆的发射极相连，Q₆的集电极与D₁₂的阴极和D₂₁的阴极相连，Q₇的集电极与D₁₃的阴极和第三条串联电路的中点相连，Q₇的发射极与D₁₃的阳极、D₁₄的阳极和Q₈的发射极相连，Q₈的集电极与D₁₄的阴极和D₂₁的阴极相连，Q₉的集电极与D₁₅的阴极和第一条串联电路的中点相连，Q₉的发射极与D₁₅的阳极、D₁₆的阳极和Q₁₀的发射极相连，Q₁₀的集电极与D₁₆的阴极和D₂₁的阳极相连，Q₁₁的集电极与D₁₇的阴极和第二条串联电路的中点相连，Q₁₁的发射极与D₁₇的阳极、D₁₈的阳极和Q₁₂的发射极相连，Q₁₂的集电极与D₁₈的阴极和D₂₁的阳极相连，Q₁₃的集电极与D₁₉的阴极和第三条串联电路的中点相连，Q₁₃的发射极与D₁₉的阳极、D₂₀的阳极和Q₁₄的发射极相连，Q₁₄的集电极与D₂₀的阴极和D₂₁的阳极相连。

2.根据权利要求1所述的一种三相降压型PFC整流电路，其特征在于：所述a相电压源的另一端与第一条串联电路中D₁与D₄之间的一点相连，b相电压源的另一端与第二条串联电路的中D₂和D₅之间的一点相连，c相电压源的另一端与第三条串联电路的中D₃和D₆之间的一点相连。

3.根据权利要求1所述的一种三相降压型PFC整流电路，其特征在于：所述第一个buck电路中，功率开关管Q₁的发射极与D₇的阳极相连，Q₁的集电极与D₇的阴极相连，Q₁的集电极与三相不控整流电路的共阴极相连，Q₁的发射极与D₂₁的阴极和L₁的一端相连，L₁的另一端与C₁的正极相连；第二个buck电路中，Q₂的发射极与D₈的阳极相连，Q₂的集电极与D₈的阴极相连，Q₂的发射极与三相不控整流电路的共阳极相连，Q₂的集电极与D₂₁的阳极和L₂的一端相连，L₂的另一端与C₁的负极相连。

4.根据权利要求1所述的一种三相降压型PFC整流电路，其特征在于：所述功率开关管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄、Q₅、Q₆、Q₇、Q₈、Q₉、Q₁₀、Q₁₁、Q₁₂、Q₁₃、Q₁₄采用MOSFET或IGBT。

5.根据权利要求1所述的一种三相降压型PFC整流电路，其特征在于：所述三相电压源采用两个对称的三相半波整流电路，其共阴极对中性点电压为三相输入电压正半周包络线，共阳极对中性点电压为三相输入电压负半周包络线。