CN211981771U - 隔离型三相ac-dc单级pfc变换器 - Google Patents

隔离型三相ac-dc单级pfc变换器 Download PDF

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Abstract

本实用新型是一种隔离型三相AC‑DC单级PFC变换器，由三个相同的隔离型单相单级PFC变换器构成。其交流输入端连接三相三线制或三相四线制正弦交流电源，三个隔离型单相单级PFC变换器分别接入不同的线电压或者相电压，使其相位两两相差120°。三个隔离型单相单级PFC变换器的直流输出端并联，采用均衡功率或者均流控制，使其输出功率相等，从而完全消除直流输出电压的二次谐波交流分量，并且实现三相功率因数校正。这是根据数学原理，利用巧妙的输入输出连接方式，产生三个特殊关联规律的输出电流功率而叠加，自然抵消二次谐波。该变换器拓扑简洁可靠性高、低成本高效率，便于模块化设计，兼具冗余功能，普适于三相AC‑DC大功率开关电源领域。

Description

隔离型三相AC-DC单级PFC变换器
技术领域
本实用新型涉及一种隔离型三相AC-DC单级PFC变换器，是一种开关电源技术，属于电力电子技术领域。
背景技术
目前，三相交流输入的高功率因数AC-DC隔离变换器，主要应用于大功率电源，其通用技术方案为两级电路拓扑。第一级为AC-DC非隔离高功率因数变换，主要有三相维也纳(Vienna)拓扑和三相SPWM整流拓扑。第二级为DC-DC隔离变换，主要有移相全桥拓扑和LLC变换拓扑。
此两级电路方案固有的不足是：(1)电路复杂。(2)整机效率降低。(3)可靠性降低。(4)成本较高。(5)体积较大。这些都是由于进行两级功率变换所造成的。另外，第一级的AC-DC非隔离高功率因数变换不易实现软开关，并且控制较复杂。
模块化是开关电源及其设备的发展趋势之一，即通过标准电源模块的串并联实现大功率电能变换。一般情况下，作为电压源输出的模块并联，需要各模块的输出电压的瞬时波形一致，同时需要进行均流控制。
上述内容仅用于辅助理解本实用新型的技术方案，并不代表承认上述内容都是现有技术。
实用新型内容
本实用新型的目的是，克服上述现有技术的不足，设计一种隔离型三相AC-DC单级PFC 变换器。它是一种三相交流输入的AC-DC变换器，采用隔离型单级PFC变换拓扑，稳定直流输出，且实现三相功率因数校正。它以隔离型单相单级PFC变换器作为基本变换器模块，由三个相同的基本变换器模块构成，其交流输入端的三个正弦电压两两相差120°，其直流输出端并联，并且输出功率相等，可以完全消除直流输出电压的交流分量。也就是说，采用巧妙的输入输出连接方式，利用均衡功率或者均流控制，产生三个特殊关联规律的输出波形而叠加，根据数学原理自然抵消二次谐波，从而简化拓扑降低成本提高效率。
本实用新型的技术方案如下。
一种隔离型三相AC-DC单级PFC变换器，由三个相同的隔离型单相单级PFC变换器构成。隔离型三相AC-DC单级PFC变换器的交流输入端，连接三相交流电源，三相交流电源有三相三线制和三相四线制两种。
其中，所述三个隔离型单相单级PFC变换器的交流输入端的单相正弦交流电压两两相差120°；所述三个隔离型单相单级PFC变换器的输出功率相等；所述三个隔离型单相单级 PFC变换器的直流输出端并联，即正极输出端相互连接作为隔离型三相AC-DC单级PFC变换器的正极，负极输出端相互连接作为隔离型三相AC-DC单级PFC变换器的负极。负载 Ro的两端则连接在所述正极和负极。
对于三相三线制的三相交流电源，第一个隔离型单相单级PFC变换器，其交流输入端连接A相线和B相线；第二个隔离型单相单级PFC变换器，其交流输入端连接B相线和C 相线；第三个隔离型单相单级PFC变换器，其交流输入端连接C相线和A相线。
对于三相四线制的三相交流电源，第一个隔离型单相单级PFC变换器，其交流输入端连接A相线和零线；第二个隔离型单相单级PFC变换器，其交流输入端连接B相线和零线；第三个隔离型单相单级PFC变换器，其交流输入端连接C相线和零线。
因为，三个相同的隔离型单相单级PFC变换器交流输入端的正弦电压两两相差120°，并且输出功率相等。所以，三个相同的隔离型单相单级PFC变换器的直流输出端并联，可以自然抵消直流输出端的二次谐波，得到纯净的直流电压。
本实用新型与现有技术相比具有如下优越性。
1.所述隔离型三相AC-DC单级PFC变换器，采用三个相同的隔离型单相单级PFC变换器构成，实现三相功率因数校正，得到纯净的直流电压，且能实现无电解电容方案。
2.所述隔离型三相AC-DC单级PFC变换器，利用三相交流输入端及直流输出端的特殊连接方式，根据数学原理自然抵消二次谐波，拓扑简洁可靠性高，并且低成本高效率。
3.所述隔离型三相AC-DC单级PFC变换器，便于模块化设计，兼具冗余功能，普适于三相交流输入的AC-DC大功率开关电源领域。
附图说明
图1为三相三线制交流电源输入的隔离型AC-DC单级PFC变换器的原理示意图。
图2为三相四线制交流电源输入的隔离型AC-DC单级PFC变换器的原理示意图。
附图标号说明：
Figure DEST_PATH_GDA0002657047830000021
Figure DEST_PATH_GDA0002657047830000031
具体实施方式
下面将结合附图，以优选实施例，对本实用新型进行详细地描述与分析。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例而非全部。
再说明一点，在本实用新型中涉及的“第一”“第二”和“第三”等描述仅用于指示性说明之目的，而不能理解为表示其相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。
1、本实用新型的优选实施例
如图1、图2所示，隔离型三相AC-DC单级PFC变换器，由三个相同的隔离型单相单级PFC变换器构成。隔离型三相AC-DC单级PFC变换器的交流输入端，连接三相交流电源，三相交流电源有三相三线制和三相四线制两种。三相三线制的三相交流电源，有A相线 (Ua)、B相线(Ub)和C相线(Uc)；三相四线制的三相交流电源，有A相线(Ua)、B相线(Ub)、 C相线(Uc)和零线(N)。
其中，所述三个隔离型单相单级PFC变换器的交流输入端的单相正弦交流电压两两相差120°；所述三个隔离型单相单级PFC变换器的输出功率相等；所述三个隔离型单相单级 PFC变换器的直流输出端并联，即正极输出端(+)相互连接作为隔离型三相AC-DC单级PFC 变换器的正极(Vo+)，负极输出端(-)相互连接作为隔离型三相AC-DC单级PFC变换器的负极(Vo-)。负载Ro的两端则连接在正极(Vo+)和负极(Vo-)。
如图1所示，对于三相三线制的三相交流电源，第一个隔离型单相单级PFC变换器(1)，其交流输入端(～)分别连接A相线(Ua)和B相线(Ub)；第二个隔离型单相单级PFC变换器(2)，其交流输入端(～)分别连接B相线(Ub)和C相线(Uc)；第三个隔离型单相单级PFC变换器(3)，其交流输入端(～)分别连接C相线(Uc)和A相线(Ua)。
如图2所示，对于三相四线制的三相交流电源，第一个隔离型单相单级PFC变换器(1)，其交流输入端(～)分别连接A相线(Ua)和零线(N)；第二个隔离型单相单级PFC变换器(2)，其交流输入端(～)分别连接B相线(Ub)和零线(N)；第三个隔离型单相单级PFC变换器(3)，其交流输入端(～)分别连接C相线(Uc)和零线(N)。
因为，三个相同的隔离型单相单级PFC变换器交流输入端的正弦电压两两相差120°，并且采用均衡功率或者均流控制，使每个隔离型单相单级PFC变换器的输出功率相等。所以，根据数学原理，三个隔离型单相单级PFC变换器的直流输出端并联，可以完全消除直流输出端的二次谐波，得到纯净的直流电压。
2、本实用新型的工作原理
2.1隔离型单相单级PFC变换器的功率因数校正与输出二次谐波
隔离型单相单级PFC变换器，其输出量为直流电压Vo和直流电流Io，输入量为单相正弦交流电压us和交流电流is。单级PFC变换器的控制策略是，稳定所需的直流输出量，同时实现交流输入端的功率因数校正。
所谓功率因数校正(PFC)，即是交流电流is跟踪交流电压us，使它们波形一致相位相同，从而达到高功率因数。理论上，功率因数PF≤1。当PF＝1时即有：
Figure DEST_PATH_GDA0002657047830000041
式(E-1)中，Vs为交流电压us的有效值，Is为交流电流is的有效值，ω为正弦交流电的角频率。根据式(E-1)得出交流输入功率Ps为：
Ps＝2VsIs·sin2(ωt)＝VsIs·(1-cos(2ωt)) (E-2)
将输入功率PS分解成直流分量
Figure DEST_PATH_GDA0002657047830000042
加上交流分量
Figure DEST_PATH_GDA0002657047830000043
的形式：
Figure DEST_PATH_GDA0002657047830000044
下面以电阻负载为例，分析直流输出电压Vo中的谐波分量。因为含有电抗分量(感抗或容抗)的负载与滤波电容并联，可以等效成电容与电阻的并联模型。
直流输出电压Vo，可以分解成直流分量
Figure DEST_PATH_GDA0002657047830000045
加上交流分量
Figure DEST_PATH_GDA0002657047830000046
的形式，即：
Figure DEST_PATH_GDA0002657047830000047
根据能量守恒定律和线性叠加定理，设变换器的效率为η，则有下式成立。
Figure DEST_PATH_GDA0002657047830000048
式(E-5)中，Ro为负载电阻。
综上所述，根据能量守恒和输出滤波电容Co的滤波作用，输入功率的直流分量
Figure DEST_PATH_GDA0002657047830000049
和交流分量
Figure DEST_PATH_GDA00026570478300000410
传输到变换器的输出端，在直流输出电压中形成直流分量
Figure DEST_PATH_GDA00026570478300000411
和交流分量
Figure DEST_PATH_GDA00026570478300000412
其中直流分量
Figure DEST_PATH_GDA00026570478300000413
由式(E-5)确定。交流分量
Figure DEST_PATH_GDA00026570478300000414
的角频率与输入功率交流分量
Figure DEST_PATH_GDA00026570478300000415
的角频率一致，为输入交流电压角频率的2倍，所以又称为二次谐波分量。增大滤波电容Co可以减小二次谐波，但是不能完全消除。
2.2隔离型三相AC-DC单级PFC变换器自然抵消二次谐波
隔离型三相AC-DC单级PFC变换器，其三相交流输入端连接三相正弦交流电源，三相正弦交流电源有三相三线制和三相四线制两种。
对于三相三线制的三相交流输入，如图1所示。三个相同的隔离型单相单级PFC变换器，其单相交流输入依次连接A相线(Ua)与B相线(Ub)、B相线(Ub)与C相线(Uc)、C相线(Uc) 与A相线(Ua)，即三个单相交流电压为线电压[uab，ubc，uca]，电压有效值为
Figure DEST_PATH_GDA0002657047830000051
正弦相位两两相差120°(即2π3)。
Figure DEST_PATH_GDA0002657047830000052
对于三相四线制的三相交流输入，如图2所示。三个相同的隔离型单相单级PFC变换器，其单相交流输入依次连接A相线(Ua)、B相线(Ub)、C相线(Uc)和零线(N)，即三个单相交流电压为相电压[ua，ub，uc]，电压有效值为Vs，正弦相位两两相差120°。
Figure DEST_PATH_GDA0002657047830000053
三个相同的隔离型单相单级PFC变换器，采用均衡功率或者均流控制，使其三个输出功率相等。其三个单相交流电压两两相差120°，将三个直流输出端并联，可以叠加消除直流输出电压的二次谐波。下面以三相四线制输入为例进行分析，三相三线制输入只是电压有效值不同而已。
根据式(E-3)和式(E-10)，假设三个相同的隔离型单相单级PFC变换器具有相同的效率η，当输出功率相等时，则输入功率的交流分量
Figure DEST_PATH_GDA0002657047830000054
为：
Figure DEST_PATH_GDA0002657047830000055
根据式(E-11)和线性叠加定理，则三个相同的隔离型单相单级PFC变换器输出端并联时，由三角函数公式推导出，输出电压的谐波分量
Figure DEST_PATH_GDA0002657047830000056
满足下面的方程。
Figure DEST_PATH_GDA0002657047830000061
综上所述，该隔离型三相AC-DC单级PFC变换器，利用三相交流输入端的特殊连接方式，通过均衡功率或者均流控制，产生三个特殊关联规律的输出波形(即电流功率)而叠加，根据数学原理自然抵消二次谐波，得到纯净的直流输出。此时，输出滤波电容Co可采用小容量的薄膜电容，从而实现无电解电容方案，提高使用寿命和可靠性。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的发明构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (3)

1.隔离型三相AC-DC单级PFC变换器，由三个相同的隔离型单相单级PFC变换器构成；隔离型三相AC-DC单级PFC变换器的交流输入端，连接三相交流电源，三相交流电源有三相三线制和三相四线制两种；其特征在于：三个相同的隔离型单相单级PFC变换器的交流输入端的单相正弦交流电压两两相差120°；三个相同的隔离型单相单级PFC变换器的输出功率相等；三个相同的隔离型单相单级PFC变换器的直流输出端并联，即正极输出端相互连接作为隔离型三相AC-DC单级PFC变换器的正极，负极输出端相互连接作为隔离型三相AC-DC单级PFC变换器的负极。
2.如权利要求1所述的隔离型三相AC-DC单级PFC变换器，其特征在于：对于三相三线制的三相交流电源，第一个隔离型单相单级PFC变换器，其交流输入端连接A相线和B相线；第二个隔离型单相单级PFC变换器，其交流输入端连接B相线和C相线；第三个隔离型单相单级PFC变换器，其交流输入端连接C相线和A相线。
3.如权利要求1所述的隔离型三相AC-DC单级PFC变换器，其特征在于：对于三相四线制的三相交流电源，第一个隔离型单相单级PFC变换器，其交流输入端连接A相线和零线；第二个隔离型单相单级PFC变换器，其交流输入端连接B相线和零线；第三个隔离型单相单级PFC变换器，其交流输入端连接C相线和零线。
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