專利名稱：三相單開關(guān)功率因數(shù)校正升壓變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種帶有功率因數(shù)校正電路的三相單開關(guān)整流變換器，特別是采用不連續(xù)模式(DCM)的升壓(Boost)變換器，其通稱為三相單開關(guān)DCM Boost變換器。
三相單開關(guān)DCM Boost變換器[參見文獻(xiàn)1A.R.Prasad，P.D.Ziogas，and S.Manias，“An Active Power Factor Correction Technique for Three-Phase Diode Rectifiers”，IEEE Power Electronic Specialists Conf.(PESC)Record，pp.58-66，1989.]是一種近似的功率因數(shù)校正電路(PFC)。與其它三相PFC電路比較，它具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、Boost二級(jí)管無反向恢復(fù)問題等優(yōu)點(diǎn)。采用傳統(tǒng)定頻定占空比的這種PFC電路，滿足IEC-1000-3-2A級(jí)諧波標(biāo)準(zhǔn)的最大輸入功率大約是5kW。因而對于更大輸入功率的通信電源模塊，為既能保持這種PFC電路結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，又能達(dá)到IEC-1000-3-2 A級(jí)諧波標(biāo)準(zhǔn)，最佳的途徑就是修改控制策略，調(diào)制占空比函數(shù)。
近幾年，已有一些改進(jìn)的定頻控制方案相繼被提出，它們可以分為兩大類第一類是通過高次諧波注入來調(diào)制控制占空比典型的控制技術(shù)是6次諧波注入控制[參見文獻(xiàn)2Q.Huang and F.C.Lee，“Harmonic Reduction in A Single-Switch，Three-Phase Boost Retifier with HighOrder Harmonic Injected PWM”，IEEE Power Electronics Specialists Conf.(PESC)Record，pp.1266-1271，1996.和文獻(xiàn)3Qihong Huang，”Harmonic ReductionIn A Single-Switch Three Phase Boost Rectifer With Harmonic-Injected PWM，Thesis submitted to the Faculty of the Virginia Polytechnic Institute and StateUniversity in Partial fulfillment of the requirements for the degree Master ofScience in Electrical Engineering，F(xiàn)ebruary 4，1997，Blacksburg，Virgina.]；6n次諧波注入控制[參見文獻(xiàn)4Yangtack Jang，and Milan M.Jovanovié，“Robust，Harmonic Injection Method for Single-Switch，Three Phase，Discontinuous-Conduction-Mode Boost Rectifiers.”United States Patent 5847944，Dec 18，1998]和峰值電流注入控制[參見文獻(xiàn)5專利號(hào)為99121240.1名稱為《帶有功率因數(shù)校正電路的三相整流器》的中國專利申請]等；第二類是一種平均電流控制技術(shù)[文獻(xiàn)6參見申請?zhí)枮?9104662.5、名稱為《單開關(guān)三相功率因數(shù)校正方法及電路》]。采用這些改進(jìn)的控制策略后，能大大減小5次、7次等諧波含量，從而保證了在主電路結(jié)構(gòu)不變的情況下，增加滿足IEC-1000-3-2標(biāo)準(zhǔn)的最大輸入功率。盡管這些控制策略都能有效地實(shí)現(xiàn)電流諧波含量的減小，但各有缺點(diǎn)。其中第一類中的前兩種[前述文獻(xiàn)2-4]要用復(fù)雜的檢測電路來產(chǎn)生諧波注入信號(hào)；后一種[文獻(xiàn)5]雖有非常簡單的檢測電路，但仍與前兩種一樣，大信號(hào)的穩(wěn)定性較差。而第二類[文獻(xiàn)6]則是推廣單相CCM平均電流PFC控制技術(shù)，它的檢測電路和控制非常復(fù)雜。
現(xiàn)有技術(shù)還提出過一種采用Current-Clamped(電流箝位)[參見文獻(xiàn)7R.Rdel，B.P.Erisman，“Low-Cost Power-Factor Correction/Line-Harmonics Reduction with Current-ClampedBoost converter，″HFPC′95，pp261-269.和文獻(xiàn)8R.Rdel，A.S.Kislovski，B.P.Erisman，“Input-Current-ClampingAnInexpensive Novel Control，Technique to Achieve Compliance with HarmonicRegulations″.IEEE APEC′96，pp145-151]控制的CCM單相Boost PFC電路，它采用傳統(tǒng)的平均電流型控制和峰值電流型控制兩種技術(shù)，相當(dāng)簡單地實(shí)現(xiàn)了1KW以內(nèi)的滿足IEC 1000-3-2 A級(jí)諧波標(biāo)準(zhǔn)的單相高功率因數(shù)校正要求。但僅在1KW以內(nèi)滿足要求顯然是不夠的。
本發(fā)明的目的就是為了解決以上問題，提供一種三相單開關(guān)功率因數(shù)校正升壓變換器，既能改善輸入電流諧波，使之在較大功率的應(yīng)用場合仍能滿足IEC-1000-3-2標(biāo)準(zhǔn)，又使電路更加簡單。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)上述目的的方案是一種三相單開關(guān)功率因數(shù)校正升壓變換器，包括三相輸入端、輸出端、三相整流電路、脈寬調(diào)制電路和電壓環(huán)，所述三相輸入端分別接三相交流電源，輸出端的輸出為直流電，在整流電路的輸出端兩端跨接一個(gè)電子開關(guān)，該電子開關(guān)的控制端和脈寬調(diào)制電路的輸出端相連，該脈寬調(diào)制電路PWM的反相輸入端與外部輸入三角波信號(hào)相連；其特征是還包括電流環(huán)，所述電流環(huán)的正相輸入端接電壓環(huán)的輸出，反相輸入端接電流采樣電路的輸出端，電流環(huán)的輸出端則接于脈寬調(diào)制電路的正相輸入端。
由于采用了以上的方案，將平均電流箝位控制技術(shù)推廣應(yīng)用于三相單開關(guān)DCM Boost電路并經(jīng)過修改和綜合，保留了該電路高功率因數(shù)校正低諧波的特點(diǎn)，提高了功率范圍。在這種方案中，電壓環(huán)(帶寬遠(yuǎn)低于網(wǎng)頻，一般＜10Hz)的輸出是電流內(nèi)環(huán)(快環(huán)，一般＞1/10fs，fs為開關(guān)頻率)的基準(zhǔn)?？刂频慕Y(jié)果是強(qiáng)制整流橋直流側(cè)的電流變?yōu)橹绷鳎瑥亩墒垢飨嚯姼须娏髟诎胫芷趦?nèi)都有60度的時(shí)間(對應(yīng)于相電壓60度-120度的間隔)為直流，總的相電流近似為梯形波，故可增加滿足IEC-1000-3-2A諧波標(biāo)準(zhǔn)的最大功率。實(shí)驗(yàn)也證明了這一點(diǎn)。另一方面，與其他處理方式相比，電路又大大簡化了。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中采用定頻控制的三相單開關(guān)DCM Boost變換器的原理示意圖。
圖2是現(xiàn)有技術(shù)一種改進(jìn)型三相單開關(guān)DCM BOOST PFC電路示意圖。
圖3是現(xiàn)有技術(shù)另一種改進(jìn)型三相單開關(guān)DCM BOOST PFC電路示意圖。
圖4(a)是本發(fā)明提出的改進(jìn)型單相DCM BOOST PFC電路示意圖之一。
圖4(b)是本發(fā)明提出的改進(jìn)型單相DCM BOOST PFC電路示意圖之二。
圖5是圖1 PFC輸入相電流的示意圖(M＝1.4)。
圖6是圖3 PFC輸入相電流的示意圖(M＝1.4)。
圖7是圖4 PFC輸入相電流的示意圖(M＝1.4)示意圖。
下面通過具體的實(shí)施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
本發(fā)明是通過檢測三相單開關(guān)DCM Boost變換器直流側(cè)的電流信號(hào)，與電壓環(huán)(外環(huán))的輸出構(gòu)成一個(gè)電流環(huán)(內(nèi)環(huán))放大器，電流環(huán)的輸出再與外部載波信號(hào)比較產(chǎn)生所需的開關(guān)占空比，以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的輸入電流波形，提高滿足IEC 1000-3-2A級(jí)諧波標(biāo)準(zhǔn)的輸入功率范圍。發(fā)明的電路控制結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的平均電流型控制技術(shù)相似，故在這里叫做平均電流控制方案。但這種控制在三相單開關(guān)DCM BOOST變換器中的實(shí)現(xiàn)尚屬首次。
圖1是現(xiàn)有技術(shù)中采用定頻控制的三相單開關(guān)DCM Boost變換器框圖，它是一個(gè)傳統(tǒng)的電壓型控制，如設(shè)計(jì)電壓環(huán)的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電網(wǎng)的頻率(一般＜10Hz)，則開關(guān)占空比在整流后的電網(wǎng)周期內(nèi)(300Hz)可看成常數(shù)，這種最簡單的三相PFC技術(shù)可滿足IEC-1000-3-2A諧波標(biāo)準(zhǔn)的最大功率是5KW。
圖2是現(xiàn)有技術(shù)中的一種改進(jìn)型三相PFC框圖，它通過在電壓環(huán)的輸出迭加一個(gè)輸入線電壓的6次或6n次諧波信號(hào)以調(diào)制開關(guān)占空比，使之在電網(wǎng)周期內(nèi)不為常數(shù)——調(diào)制的作用是在相電壓峰值附近，適當(dāng)增加占空比；而在60度和120度附近，適當(dāng)減小占空比，使輸入相電流更加接近正弦，從而增加滿足IEC-1000-3-2A諧波標(biāo)準(zhǔn)的最大功率。但都具有大信號(hào)穩(wěn)定性較差的缺點(diǎn)，其中[文獻(xiàn)2-4]還要用復(fù)雜的檢測電路來產(chǎn)生諧波注入信號(hào)。
圖3是現(xiàn)有技術(shù)中的另一種改進(jìn)型三相PFC框圖，它與單相CCM BOOST PFC的平均電流控制具有相同的原理，也用UC3854芯片，只是檢測的電流信號(hào)為整流橋直流側(cè)的電流，非單獨(dú)的各相電感電流，波形信號(hào)是輸入三相相電壓的六脈波頭，非各相的相電壓波形。從原理上，這種控制可使各相電感電流在半周期內(nèi)都有60度的時(shí)間(對應(yīng)于相電壓60度-120度的間隔)跟隨其輸入相電壓，故可改進(jìn)增加滿足IEC-1000-3-2A諧波標(biāo)準(zhǔn)的最大功率。但對于三相三線制輸入，三相輸入相電壓的六脈波頭檢測電路非常復(fù)雜，文獻(xiàn)[6]中的整流橋直流側(cè)電流檢測電路也很復(fù)雜，故較難實(shí)用化。
圖4(a)、4(b)是本發(fā)明提出的改進(jìn)型三相PFC框圖。其中圖4(a)是非常簡單的一種平均電流控制技術(shù)，該圖所示三相單開關(guān)功率因數(shù)校正升壓變換器包括三相輸入端Va、Vb、Vc、輸出端Vo、三相整流電路、脈寬調(diào)制電路PWM和電壓環(huán)1，所述三相輸入端Va、Vb、Vc分別接三相交流電源，輸出端Vo的輸出為直流電，在整流電路的輸出端兩端跨接一個(gè)電子開關(guān)S，該電子開關(guān)S的控制端和脈寬調(diào)制電路(PWM)的輸出端相連，該脈寬調(diào)制電路PWM的反相輸入端與外部輸入三角波信號(hào)相連；其特征是還包括電流環(huán)2，所述電流環(huán)2的正相輸入端接電壓環(huán)1的輸出Vc，反相輸入端接電流采樣電路的輸出端，電流環(huán)2的輸出端則接于脈寬調(diào)制電路PWM的正相輸入端。
在這種方案中，電壓環(huán)(帶寬遠(yuǎn)低于網(wǎng)頻，一般＜10Hz)的輸出是電流內(nèi)環(huán)(快環(huán)，一般＞1/10fs，fs為開關(guān)頻率)的基準(zhǔn)?？刂频慕Y(jié)果是強(qiáng)制整流橋直流側(cè)的電流(Idc)變?yōu)橹绷?，從而可使各相電感電流在半周期?nèi)都有60度的時(shí)間(對應(yīng)于相電壓60度～120度的間隔)為直流，總的相電流近似為梯形波，故可增加滿足IEC-1000-3-2A諧波標(biāo)準(zhǔn)的最大功率。
圖4(b)是采用圖3的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)圖4(a)，與圖4(a)的區(qū)別是在電流環(huán)2的正相輸入端和電壓環(huán)1的輸出端之間還接有乘法器3，該乘法器3的波形電壓輸出端A和有效值輸入端C與一個(gè)固定的電壓信號(hào)Vcon相連，信號(hào)輸入端B與電壓環(huán)1的輸出端相連。
雖然從理論上講，該乘法器3是沒有意義的，完全可以省略，但在實(shí)際應(yīng)用中，該電路具有一定的指導(dǎo)意義。為了應(yīng)用圖3所示的電路，已有現(xiàn)成的集成電路芯片，在該芯片中在電流環(huán)2和電壓環(huán)1之間有一個(gè)乘法器3。為了應(yīng)用現(xiàn)成的芯片，可以用圖4(b)所示接法將乘法器“貫通”。此時(shí)相當(dāng)于圖3電路中6波形電壓信號(hào)不用檢測，而用一個(gè)固定的直流電壓替代。使得控制實(shí)現(xiàn)大大簡化。
本發(fā)明的電路可直接用電流互感器檢測整流橋直流側(cè)的電流，使實(shí)現(xiàn)更加簡單。
用圖4原理實(shí)現(xiàn)的平均電流控制三相單開關(guān)DCM BOOSTPFC，可采用分離元件或集成IC以及任何種電流檢測電路，它們都屬本專利的保護(hù)范圍。
圖4中畫了三個(gè)電流傳感器，在實(shí)際的應(yīng)用電路中，只要采用檢測id、is的一對電流傳感器或檢測idc的電流傳感器即可，并接上相應(yīng)的取樣電路。其連接關(guān)系見圖所示。
當(dāng)采用idc時(shí)，所述電流采樣電路串接于整流電路直流側(cè)近地端母線上，其采樣的信號(hào)為直流側(cè)近地端母線電流idc。當(dāng)采用id、is的迭加時(shí)，所述電流采樣電路有兩個(gè)，二者的輸出信號(hào)迭加后輸入到電流環(huán)2的反相輸入端，其中一個(gè)電流采樣電路串接于整流電路開關(guān)二極管D上，其采樣的信號(hào)為二極管電流id，另一個(gè)串接于開關(guān)管S上，其采樣的信號(hào)為開關(guān)電流is。
下面僅以圖4(a)、4(b)的框圖為例介紹本發(fā)明的工作原理。傳統(tǒng)單開關(guān)三相DCM Boost變換器[文獻(xiàn)1]的輸入電流歸一化波形如圖5所示。采用圖3的改進(jìn)型三相PFC，其輸入電流波形如圖6所示。可見能大大減小輸入電流的各次諧波含量。
在保證圖4(a)、4(b)的電路參數(shù)滿足條件(1)三個(gè)電感的電流為DCM；條件(2)電壓環(huán)帶寬很低(一般＜10Hz)，即在整流后的電網(wǎng)周期內(nèi)，電壓環(huán)輸出可近似為常數(shù)；和條件(3)三個(gè)電感La＝Lb＝Lc；那么當(dāng)圖4(a)、4(b)中的電流環(huán)被設(shè)計(jì)成足夠快時(shí)(一個(gè)實(shí)驗(yàn)例子是R1＝20K，R2＝100K，C1＝470pF，C2＝0.01uF)，其輸入電流波形將如圖7所示，與圖6相比，此輸入電流的各次諧波含量已有明顯減小。通過調(diào)節(jié)電流環(huán)的參數(shù)，還可使它具有最小的失真。
本發(fā)明的重點(diǎn)是把Current Clamped的平均電流控制首次推廣到了三相單開關(guān)DCM BOOST變換器中，用非常簡單的檢測和控制實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)穩(wěn)定的三相PFC。本方案已用于三相輸入(304V-456VAC)，48V@100A輸出(額定為53.5V@100A)的通信一次電源前置級(jí)單管DCM三相Boost變換器中，在IEC1000-3-2A標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的輸入電壓和負(fù)載范圍內(nèi)都能相當(dāng)容易地滿足諧波要求。從具體實(shí)現(xiàn)比較，它比已有的各種控制方案都要簡單，可靠，且動(dòng)態(tài)特性更好。
權(quán)利要求
1.一種三相單開關(guān)功率因數(shù)校正升壓變換器，包括三相輸入端(Va、Vb、Vc)、輸出端(Vo)、三相整流電路、脈寬調(diào)制電路(PWM)和電壓環(huán)(1)，所述三相輸入端(Va、Vb、Vc)分別接三相交流電源，輸出端(Vo)的輸出為直流電，在整流電路的輸出端兩端跨接一個(gè)電子開關(guān)(S)，該電子開關(guān)(S)的控制端和脈寬調(diào)制電路(PWM)的輸出端相連，該脈寬調(diào)制電路(PWM)的反相輸入端與外部輸入三角波信號(hào)相連，在整流電路直流側(cè)正端串接一個(gè)開關(guān)二極管(D)；其特征是還包括電流環(huán)(2)，所述電流環(huán)(2)的正相輸入端接電壓環(huán)(1)的輸出(Vc)，反相輸入端接電流采樣電路的輸出端，電流環(huán)(2)的輸出端則接于脈寬調(diào)制電路(PWM)的正相輸入端。
2.如權(quán)利要求1所述的三相單開關(guān)功率因數(shù)校正升壓變換器，其特征是在電流環(huán)(2)的正相輸入端和電壓環(huán)(1)的輸出端之間還接有乘法器(3)，該乘法器(3)的波形電壓輸出端(A)和有效值輸入端(C)與一個(gè)固定的電壓信號(hào)Vcon相連，信號(hào)輸入端(B)與電壓環(huán)(1)的輸出端相連。
3.如權(quán)利要求1或2所述的三相單開關(guān)功率因數(shù)校正升壓變換器，其特征是所述電流采樣電路串接于整流電路直流側(cè)近地端母線上，其采樣的信號(hào)為直流側(cè)近地端母線電流(idc)。
4.如權(quán)利要求1或2所述的三相單開關(guān)功率因數(shù)校正升壓變換器，其特征是所述電流采樣電路有兩個(gè)，二者的輸出信號(hào)迭加后輸入到電流環(huán)(2)的反相輸入端，其中一個(gè)電流采樣電路串接于開關(guān)二極管(D)上，其采樣的信號(hào)為開關(guān)二極管的電流(id)，另一個(gè)串接于開關(guān)管(S)上，其采樣的信號(hào)為開關(guān)電流(is)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種三相單開關(guān)功率因數(shù)校正升壓變換器,包括三相輸入端、輸出端、三相整流電路、脈寬調(diào)制電路和電壓環(huán)、電流環(huán),所述電流環(huán)的正相輸入端接電壓環(huán)的輸出,反相輸入端接電流采樣電路的輸出端,電流環(huán)的輸出端則接于脈寬調(diào)制電路的正相輸入端。只要保證電路參數(shù)滿足一定條件,即可大大提高滿足IEC1000－3－2A級(jí)諧波標(biāo)準(zhǔn)的輸入功率范圍。
文檔編號(hào)H02M1/00GK1308406SQ0013605
公開日2001年8月15日 申請日期2000年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月26日
發(fā)明者張興柱, 張華建, 譚云華 申請人:深圳市華為電氣技術(shù)有限公司