CN216794854U - 功率因数校正电路、控制系统及电源设备 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种功率因数校正电路、控制系统及电源设备，功率因数校正电路包括功率因数校正电路包括输入母线，与所述输入母线连接的至少两条并联连接的功率因数校正支路，以及并联在所述输入母线两端的滤波电容和负载，每条功率因数校正支路包括储能电感以及与储能电感连接的开关管和二极管，开关管和二极管还分别与滤波电容和负载连接；输入母线用于连接输入电源。本申请可以减小单个储能电感容量，并且可以降低开关器件的平均电流应力和输出电流纹波，延长开关器件寿命，并且减小电源设备成本，提高电源设备工作效率。
Description
技术领域
本申请属于电源电路技术领域，具体涉及一种功率因数校正电路、控制系统及电源设备。
背景技术
功率因素(Power Factor Correction，PFC)指的是有功功率与总功率之间的关系，也就是有效功率与总功率的比值。功率因素可以衡量电力被有效利用的程度，功率因素值越大，代表其电力利用率越高。功率因素校正电路在大功率交流变直流电源中应用较为广泛。随着电动汽车和备用储能电池站不断发展，交流电源供电设备所需的功率也在不断提高，传统的单级功率因素校正电路结构的使用受到限制。当功率增加时，单级功率因素校正电路的开关器件必须承受更大的电流应力和电压应力，在开关过程中，电路中关键节点出现过大的电流应力和电压应力，会造成严重的辐射和电磁干扰(EMI，ElectromagneticInterference)，并且，当功率因素校正校正电路的功率比较大的时候，比如超过10kW，该功率因素校正校正电路由于采用独立的电感作为磁性结构，因此电感体积会比较大，而且损耗比较高，造成电源设备成本整体提高。
实用新型内容
为至少在一定程度上克服单级功率因素校正电路的开关器件承受的电流应力和电压应力过大易损坏且会造成严重的辐射和电磁干扰，以及电感体积过大，电源设备成本较高的问题，本申请提供一种功率因数校正电路、控制系统及电源设备。
第一方面，本申请提供一种功率因数校正电路，包括：
输入母线，与所述输入母线连接的至少两条并联连接的功率因数校正支路，以及并联在所述输入母线两端的滤波电容和负载；
每条功率因数校正支路包括储能电感以及与所述储能电感连接的开关管和二极管，所述开关管和二极管还分别与所述滤波电容和负载连接；
所述输入母线用于连接输入电源，在一条功率因数校正支路中的开关管导通时，输入电源、与导通开关管连接的储能电感和导通开关管组成供电回路，此时与导通开关管连接的储能电感进行储能，滤波电容为负载供电；
当所述功率因数校正支路中开关管截止时，输入电源、与截止开关管连接的储能电感、二极管、滤波电容与负载构成供电回路，输入电源和与截止开关管连接的储能电感为负载供电，同时向滤波电容充电。
进一步的，所述功率因数校正支路的数量为偶数且大于等于2。
进一步的，所述开关管导通时，对应功率因数校正支路的电流和电压随着导通时间而递增，所述开关管截至时时，对应功率因数校正支路的电流和电压随着截至时间而减小。
进一步的，所述开关管为MOSFET。
第二方面，本申请提供一种功率因数校正控制系统，包括：
如第一方面所述的功率因数校正电路。
进一步的，还包括：
至少一个控制器，所述至少一个控制器与一条或多条功率因数校正支路中的开关管连接。
进一步的，还包括：
所述至少一个控制器用于控制在一个功率因数校正电路工作周期T内分别控制多个开关管依次导通，以使每个开关管导通时间为1/T。
进一步的，还包括：
控制器数量是所述功率因数校正支路数量的一半，所述功率因数校正电路工作周期T包括多个导通时间段，每个控制器在对应导通时间段内控制与所述控制器连接的开关管导通时间为1/T。
进一步的，还包括：
在一个导通时间段内，一个控制器连接的两条功率因数校正支路中，导通的开关管连接的储能电感处于储能状态，未导通的开关管连接的储能电感处于放电状态。
第三方面，本申请提供一种电源设备，包括：
如第二方面所述的功率因数校正控制系统。
本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本申请实施例提供的功率因数校正电路、控制系统及电源设备，功率因数校正电路包括输入母线，与所述输入母线连接的至少两条并联连接的功率因数校正支路，以及并联在所述输入母线两端的滤波电容和负载，每条功率因数校正支路包括储能电感以及与储能电感连接的开关管和二极管，开关管和二极管还分别与滤波电容和负载连接；输入母线用于连接输入电源，在一条功率因数校正支路中的开关管导通时，输入电源、与导通开关管连接的储能电感和导通开关管组成供电回路，此时与导通开关管连接的储能电感进行储能，滤波电容为负载供电；当功率因数校正支路中开关管截止时，输入电源、与截止开关管连接的储能电感、二极管、滤波电容与负载构成供电回路，输入电源和与截止开关管连接的储能电感为负载供电，同时向滤波电容充电，减小单个储能电感容量，并且可以降低开关器件的平均电流应力和输出电流纹波，延长开关器件寿命，并且减小电源设备成本，提高电源设备工作效率。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1为本申请一个实施例提供的一种功率因数校正电路的电路。
图2为本申请一个实施例提供的一种传统单级功率因数校正电路的电路图。
图3为本申请一个实施例提供的一种功率因数校正控制系统的功能结构图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本申请所保护的范围。
图1为本申请一个实施例提供的功率因数校正电路的电路图，如图1所示，该功率因数校正电路，包括：
输入母线，与输入母线连接的至少两条并联连接的功率因数校正支路，以及并联在输入母线两端的滤波电容Co和负载R；
每条功率因数校正支路包括储能电感以及与储能电感连接的开关管和二极管，开关管和二极管还分别与滤波电容Co和负载R连接；
例如，如图1所示，储能电感L1与开关管Q1和二极管D1连接，储能电感 L2与开关管Q2和二极管D2连接，……，储能电感L6与开关管Q6和二极管D6连接；
输入母线用于连接输入电源，在一条功率因数校正支路中的开关管导通时，输入电源、与导通开关管连接的储能电感和导通开关管组成供电回路，此时与导通开关管连接的储能电感进行储能，滤波电容为负载供电；
当功率因数校正支路中开关管截止时，输入电源、与截止开关管连接的储能电感、二极管、滤波电容与负载构成供电回路，输入电源和与截止开关管连接的储能电感为负载供电，同时向滤波电容充电。
本实施例中，功率因数校正支路的数量为偶数且大于等于2。
开关管(例如为MOSFET)导通时，对应功率因数校正支路的电流和电压随着导通时间而递增，所述开关管截至时时，对应功率因数校正支路的电流和电压随着截至时间而减小。开关管导通时，对应支路上的电流随着导通时间递增，开关管截止时，电流随着截止时间减小，因此，每条支路承受的电流应力比单级结构中电路一直导通的时候要小。
传统的单级功率因素校正电路结构的使用受到限制。如图2所示，单级功率因素校正电路由储能电感L、开关管Q、二极管D、输出滤波电容C以及负载 R构成。该变换器的工作原理根据开关管Q的导通和关断可以分为导通和关断两个模式。当Q导通时，二极管D及其之后的部分电路被短路，DC电源、储能电感L和MOSFET三者组成回路。此时储能电感L储能，负载R由滤波电容C 供电。当Q关断时，DC电源、储能电感L、二极管D、滤波电容C与负载R构成回路，此时DC电源和储能电感L一起为负载R供电，同时向滤波电容C充电。该工作模式中，储能电感L释放能量，回路中有两个能量源，输出电压大于DC 电源电压。当功率增加时，单级功率因素校正电路的开关管Q必须承受更大的电流应力和电压应力，在导通和关断两个模式切换过程中，开关管Q会出现过大的电流应力和电压应力，会造成严重的辐射和电磁干扰，并且，当功率因素校正校正电路的功率比较大的时候，比如超过10kW，该功率因素校正校正电路储能电感L的容量也必须加大，因此电感体积会比较大，而且储能或释放电能时损耗也比较高，造成电源设备成本整体提高。
本实施例中，功率因数校正电路包括输入母线，与所述输入母线连接的至少两条并联连接的功率因数校正支路，以及并联在所述输入母线两端的滤波电容和负载，每条功率因数校正支路包括储能电感以及与储能电感连接的开关管和二极管，开关管和二极管还分别与滤波电容和负载连接；输入母线用于连接输入电源，在一条功率因数校正支路中的开关管导通时，输入电源、与导通开关管连接的储能电感和导通开关管组成供电回路，此时与导通开关管连接的储能电感进行储能，滤波电容为负载供电；当功率因数校正支路中开关管截止时，输入电源、与截止开关管连接的储能电感、二极管、滤波电容与负载构成供电回路，输入电源和与截止开关管连接的储能电感为负载供电，同时向滤波电容充电，减小单个储能电感容量，并且可以降低开关器件的平均电流应力和输出电流纹波，延长开关器件寿命，并且减小电源设备成本，提高电源设备工作效率。
图3为本申请一个实施例提供的功率因数校正控制系统的功能结构图，如图3所示，该功率因数校正控制系统包括：
如上述实施例所述的功率因数校正电路31。
本实施例中，该功率因数校正控制系统还包括：
至少一个控制器32，至少一个控制器32与一条或多条功率因数校正支路中的开关管连接。
至少一个控制器用于控制在一个功率因数校正电路工作周期T内分别控制多个开关管依次导通，以使每个开关管导通时间为1/T。
例如，N(N≥2，N为偶数)级交错并联功率因素校正支路的功率因数校正系统中，通过控制器分别使每一路功率因素校正支路导通，相当于在一个功率因数校正电路工作周期T内，每级功率因素校正电路依次导通1/N的时间，将功率输出等份地分摊在每一功率因素校正支路上，每一功率因素校正支路交错工作，使得每一功率因素校正支路的承受电流应力减小、电压应力减小，有效减小EMI噪声；高输入功率因数，增加了系统的功率密度，极大地提高了设备功率。
一些实施例中，控制器数量是功率因数校正支路数量的一半，功率因数校正电路工作周期T包括多个导通时间段，每个控制器在对应导通时间段内控制与控制器连接的开关管导通时间为1/T。
当单个控制芯片无法满足要求时，可以使用多个控制器芯片协调工作，设控制器个数为M(M＝N/2)，分别为U1，U2，…UM，每个控制器控制2路功率因素校正支路，交错导通，每路支路导通时间为整个系统的1/N，0-T1时间段， U1控制第1和第2个功率因素校正支路交错导通，T1-T2时间段，U2控制第3 和第4个功率因素校正支路交错导通，…UM控制第N-1和第N个功率因素校正支路交错导通。因此，采用N级并联功率因素校正系统，提高输入功率因数，有效减小EMI噪声，在同等功率下相较单级功率因素校正系统，每路上承担的电流应力变小，减小了储能电感的体积，增加了系统的功率密度，极大地提高了设备功率。并且，使用多个控制器进行协调控制，实现智能调控，提高系统工作效率。
本实施例中，使用多个控制器对功率因素校正进行控制，实现智能控制，提高电路工作效率。
本实施例中，在一个导通时间段内，一个控制器连接的两条功率因数校正支路中，导通的开关管连接的储能电感处于储能状态，未导通的开关管连接的储能电感处于放电状态。
处于储能状态的储能电感和处于放电状态储能电感所输出的电流纹波相互抵消，可以降低开关器件的平均电流应力和输出电流纹波。
本实施例中，采用N级并联功率因素校正电路结构，多级电路交错并联，在同等功率下相较单级功率因素校正系统，每路上承担的电流应力变小，减小了储能电感的体积，增加了其系统的功率密度，极大地提高了设备功率，同时可以使用多个控制器对该功率因素校正系统进行智能控制，提高电路工作效率。
本申请实施例提供一种电源设备，包括：如上述实施例所述的功率因数校正控制系统。
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
需要说明的是，本实用新型不局限于上述最佳实施方式，本领域技术人员在本实用新型的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种功率因数校正电路，其特征在于，包括：
输入母线，与所述输入母线连接的至少两条并联连接的功率因数校正支路，以及并联在所述输入母线两端的滤波电容和负载；
每条功率因数校正支路包括储能电感以及与所述储能电感连接的开关管和二极管，所述开关管和二极管还分别与所述滤波电容和负载连接；
所述输入母线用于连接输入电源，在一条功率因数校正支路中的开关管导通时，输入电源、与导通开关管连接的储能电感和导通开关管组成供电回路，此时与导通开关管连接的储能电感进行储能，滤波电容为负载供电；
当所述功率因数校正支路中开关管截止时，输入电源、与截止开关管连接的储能电感、二极管、滤波电容与负载构成供电回路，输入电源和与截止开关管连接的储能电感为负载供电，同时向滤波电容充电。
2.根据权利要求1所述的功率因数校正电路，其特征在于，所述功率因数校正支路的数量为偶数且大于等于2。
3.根据权利要求1所述的功率因数校正电路，其特征在于，所述开关管导通时，对应功率因数校正支路的电流和电压随着导通时间而递增，所述开关管截至时时，对应功率因数校正支路的电流和电压随着截至时间而减小。
4.根据权利要求1或3所述的功率因数校正电路，其特征在于，所述开关管为MOSFET。
5.一种功率因数校正控制系统，其特征在于，包括：
如权利要求1～4任一项所述的功率因数校正电路。
6.根据权利要求5所述的功率因数校正控制系统，其特征在于，还包括：
至少一个控制器，所述至少一个控制器与一条或多条功率因数校正支路中的开关管连接。
7.根据权利要求6所述的功率因数校正控制系统，其特征在于，还包括：
所述至少一个控制器用于控制在一个功率因数校正电路工作周期T内分别控制多个开关管依次导通，以使每个开关管导通时间为1/T。
8.根据权利要求7所述的功率因数校正控制系统，其特征在于，还包括：
控制器数量是所述功率因数校正支路数量的一半，所述功率因数校正电路工作周期T包括多个导通时间段，每个控制器在对应导通时间段内控制与所述控制器连接的开关管导通时间为1/T。
9.根据权利要求8所述的功率因数校正控制系统，其特征在于，还包括：
在一个导通时间段内，一个控制器连接的两条功率因数校正支路中，导通的开关管连接的储能电感处于储能状态，未导通的开关管连接的储能电感处于放电状态。
10.一种电源设备，其特征在于，包括：
如权利要求5～9任一项所述的功率因数校正控制系统。
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