共陽(yáng)極半橋功率因數(shù)校正電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種共陽(yáng)極半橋功率因數(shù)校正電路,包括第一斬波單元和第二斬波單元,其中:第一斬波單元用以完成電網(wǎng)電壓正半周中單位功率因數(shù)單相AC-DC變換,并輸出穩(wěn)定的直流電壓;第二斬波單元用以完成電網(wǎng)電壓負(fù)半周中單位功率因數(shù)單相AC-DC變換,并輸出穩(wěn)定的直流電壓;第一斬波單元和第二斬波單元按照完整電網(wǎng)電壓負(fù)半周或正半周分時(shí)工作,待機(jī)時(shí)用于散熱。本發(fā)明所述的一種共陽(yáng)極半橋功率因數(shù)校正電路能夠?qū)崿F(xiàn)單相功率因數(shù)校正,具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、支持較大功率輸出、總體成本節(jié)約等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】共陽(yáng)極半橋功率因數(shù)校正電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電力電子變換【技術(shù)領(lǐng)域】的一種單相功率因數(shù)校正器(PFC),具體地,涉及一種共陽(yáng)極半橋功率因數(shù)校正電路。
【背景技術(shù)】
[0002]為了改善采用單相二極管不控整流橋的單相AC-DC變換器的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù),降低諧波電流的危害,使其符合諧波電流的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),如IEC61000-3-2,需要采用單相有源功率因數(shù)校正(APFC)技術(shù)或單相有源功率因數(shù)校正技術(shù)。
[0003]在電路拓?fù)浞矫妫瑔蜗郃PFC具有多種電路拓?fù)?,包括傳統(tǒng)單級(jí)有橋APFC、提高功率等級(jí)的兩級(jí)或多級(jí)交錯(cuò)有橋APFC、無(wú)橋APFC等多種。單相APFC的工作原理往往與電路拓?fù)涿芮邢嚓P(guān),一般而言,一個(gè)APFC電路可能有多種控制策略,一個(gè)控制策略可能滿足多種APFC電路,但是對(duì)于有些電路只能擁有獨(dú)立適用的控制策略。
[0004]隨著單相APFC技術(shù)的發(fā)展,在大功率變頻空調(diào)等應(yīng)用領(lǐng)域,要求單相APFC的功率等級(jí)越來越大,目前都必須采用多級(jí)交錯(cuò)有橋APFC,否則難以解決功率器件散熱問題和升壓電感在板安裝問題以及成本問題。但是單級(jí)APFC的大功率化設(shè)計(jì)也較為成熟,運(yùn)行較為可靠,設(shè)計(jì)較為容易,總體成本較為控制。單相無(wú)橋APFC也存在著電感電流檢測(cè)困難,支持功率等級(jí)較低的問題。因此對(duì)于目前發(fā)展階段,在較大傳輸功率領(lǐng)域,單相APFC和多級(jí)交錯(cuò)APFC都得到了一定程度的應(yīng)用。
[0005]經(jīng)過對(duì)單相APFC電路的檢索,發(fā)現(xiàn)主要有以下代表性文獻(xiàn):
[0006][l]ffanfeng Zhang, Guang Feng, Yan-Fei Liu and Bin ffu.A Digital PowerFactor Correction (PFC) Control Strategy Optimized for DSP.1EEE Transactions ONPower Electronics, Vol.19, N0.6, November2004, pp.1474-1485.其主要技術(shù)特征如下:米用了傳統(tǒng)的單級(jí)APFC電路。
[0007][2]王晗.大功率單相數(shù)字APFC的研究與實(shí)現(xiàn).上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文.2009年I月。其主要技術(shù)特征如下:采用了無(wú)橋APFC電路。
[0008][3]陸飛,王男,楊喜軍,鄭水波,尹德斌.單相三倍壓交錯(cuò)功率因數(shù)校正器的仿真分析.電氣自動(dòng)化.2013年3期.其主要技術(shù)特征如下:采用了三倍壓交錯(cuò)APFC電路。
[0009]綜合以上,對(duì)單相有源功率因數(shù)校正器現(xiàn)有電路結(jié)構(gòu)及其控制的檢索發(fā)現(xiàn),目前階段需要推出一種介于單相APFC、無(wú)橋APFC和多級(jí)交錯(cuò)APFC之間的一種新的APFC電路及其控制,在設(shè)計(jì)方面、成本方面具有優(yōu)秀的綜合指標(biāo)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0010]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷,本發(fā)明的目的是提供一種共陽(yáng)極半橋功率因數(shù)校正電路,實(shí)現(xiàn)單位輸入功率因數(shù)的AC-DC變換,支持較大功率輸出,同時(shí)具有電路簡(jiǎn)單、控制方便等優(yōu)點(diǎn)。
[0011]為實(shí)現(xiàn)以上目的,本發(fā)明提供一種共陽(yáng)極半橋功率因數(shù)校正電路,包括第一斬波單元和第二斬波單元,所述第一斬波單元用以完成電網(wǎng)電壓正半周中單位功率因數(shù)單相AC-DC變換,并輸出穩(wěn)定的直流電壓;所述第二斬波單元用以完成電網(wǎng)電壓負(fù)半周中單位功率因數(shù)單相AC-DC變換并輸出穩(wěn)定的直流電壓;所述第一斬波單元和所述第二斬波單元一備一用,順利切換,不工作時(shí)用于散熱;
[0012]所述第一斬波單元和第二斬波單元包括公共的并聯(lián)于單相電網(wǎng)的濾波電感、濾波電容、升壓電感、分流電阻和并聯(lián)于直流輸出端的電解電容,第一斬波單元還包括第一常規(guī)二極管、第一快恢復(fù)二極管和第一功率開關(guān),第二斬波單元還包括第二常規(guī)二極管、第二快恢復(fù)二極管和第二功率開關(guān),從而構(gòu)成一個(gè)不可分割的電力電子變換器;其中:
[0013]所述濾波電感的一端與單相交流電源的火線相連、另一端與升壓電感和濾波電容的一端相連,升壓電感的另一端與第一快恢復(fù)二極管的陽(yáng)極、第二常規(guī)二極管的陰極、第一功率開關(guān)的集電極相連,形成公共點(diǎn)ACL;濾波電容的另一端與單相交流電源的零線、第二快恢復(fù)二極管的陽(yáng)極、第一常規(guī)二極管的陰極、第二功率開關(guān)的集電極相連,形成公共點(diǎn)ACN ;
[0014]所述第一快恢復(fù)二極管的陰極與第二快恢復(fù)二極管的陰極連接后與電解電容的正極相連后形成直流輸出正極DCP;第一常規(guī)二極管的陽(yáng)極、第二常規(guī)二極管的陽(yáng)極連接后與分流電阻的一端相連后形成公共端COM ;第一功率開關(guān)的發(fā)射極與第二功率開關(guān)的發(fā)射極與分流電阻的另一端相連后形成直流輸出負(fù)極DCN。
[0015]優(yōu)選地,所述第一斬波單元與所述第二斬波單元中的第一功率開關(guān)、第二功率開關(guān)的門極分別接受來自控制電路的驅(qū)動(dòng)脈沖,分別在電網(wǎng)電壓正半周、負(fù)半周中斬波工作,在網(wǎng)側(cè)得到單位功率因數(shù),在輸出端得到穩(wěn)定的直流電壓,為后級(jí)負(fù)載供電,完成單相功率因數(shù)校正。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0017](I)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用器件數(shù)量少,兩個(gè)斬波單元共用一只分流電阻,可以采用常規(guī)的輸出直流電壓檢測(cè)電路、電感電流檢測(cè)電路和電網(wǎng)交流電壓檢測(cè)電路,兩只功率開關(guān)可以共用同一只驅(qū)動(dòng)器,進(jìn)一步簡(jiǎn)化功率電路設(shè)計(jì)和降低成本;
[0018](2)電源電壓負(fù)半周,第一斬波單元進(jìn)行斬波工作,實(shí)現(xiàn)單位網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)和穩(wěn)定直流輸出電壓,第二斬波單元冷卻待機(jī);電源電壓正半周,第二斬波單元進(jìn)行斬波工作,實(shí)現(xiàn)單位網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)和穩(wěn)定直流輸出電壓,第一斬波單元冷卻待機(jī);可以支持較大的功率輸出;
[0019](3)濾波電感、濾波電容、升壓電感可以構(gòu)成LCL濾波器,等效增加網(wǎng)側(cè)阻抗,使得濾波電容的容性電流減低和改善網(wǎng)側(cè)電流波形,從而降低濾波電容的尺寸,采用交流升壓電感,降低了電感的設(shè)計(jì)難度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]通過閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述,本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯:
[0021]圖1為本發(fā)明一實(shí)施例的電路原理圖。
【具體實(shí)施方式】[0022]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明,但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是,對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說,在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下,還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0023]如圖1所示,本實(shí)施例提供一種共陽(yáng)極半橋功率因數(shù)校正電路,包括第一斬波單元和第二斬波單元,所述第一斬波單元用以完成電網(wǎng)電壓負(fù)半周中單位功率因數(shù)單相AC-DC變換,并輸出穩(wěn)定的直流電壓;所述第二斬波單元用以完成電網(wǎng)電壓正半周中單位功率因數(shù)單相AC-DC變換,并輸出穩(wěn)定的直流電壓;第一斬波單元和第二斬波單元一備一用,工作時(shí)間為半個(gè)完整電源周期(正半周或負(fù)半周),不工作時(shí)用于散熱,可以支持較大的功率輸出.[0024]本實(shí)施例中,所述第一斬波單元和所述第二斬波單元包括公共的并聯(lián)于單相電網(wǎng)的一只濾波電感L1、一只升壓電感L2、一只濾波電容Cl、一只分流電阻Rl和并聯(lián)于輸出端的一只電解電容El,第一斬波單元還包括第一常規(guī)二極管Dl、第一快恢復(fù)二極管FRDl和第一功率開關(guān)SI,第二斬波單元還包括第二常規(guī)二極管D2、第二快恢復(fù)二極管FRD2和第二功率開關(guān)S2,從而構(gòu)成一個(gè)不可分割的電力電子變換器;其中:
[0025]所述濾波電感LI的一端與單相交流電源的火線相連、另一端與升壓電感L2和濾波電容Cl的一端相連,升壓電感L2的另一端與第一快恢復(fù)二極管FRDl的陽(yáng)極、第二常規(guī)二極管D2的陰極、第一功率開關(guān)SI的集電極相連,形成公共點(diǎn)ACL ;濾波電容Cl的另一端與單相交流電源的零線、第二快恢復(fù)二極管FRD2的陽(yáng)極、第一常規(guī)二極管Dl的陰極、第二功率開關(guān)S2的集電極相連,形成公共點(diǎn)ACN ;
[0026]所述第一快恢復(fù)二極管FRDl的陰極與第二快恢復(fù)二極管FRD2的陰極連接后與電解電容El的正極相連,形成直流輸出正極DCP ;第一常規(guī)二極管Dl的陽(yáng)極、第二常規(guī)二極管D2的陽(yáng)極連接后與分流電阻Rl的一端相連,形成公共端COM;第一功率開關(guān)SI的發(fā)射極、第二功率開關(guān)S2的發(fā)射極與分流電阻Rl的另一端相連后,形成直流輸出負(fù)極DCN。
[0027]本實(shí)施例中:所述第一斬波單元與所述第二斬波單元中的第一功率開關(guān)S1、第二功率開關(guān)S2的門極分別接受來自控制電路的驅(qū)動(dòng)脈沖,分別在電網(wǎng)電壓正半周、負(fù)半周中斬波工作,在網(wǎng)側(cè)得到單位功率因數(shù),在輸出端得到穩(wěn)定的直流電壓,為后級(jí)負(fù)載供電,完成單相功率因數(shù)校正。
[0028]本實(shí)施例整個(gè)電路具體工作過程為:
[0029]在單相電網(wǎng)電壓正半周,第一斬波單元工作,實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正,第二斬波單元待機(jī);當(dāng)?shù)谝还β书_關(guān)SI導(dǎo)通時(shí),通過交流電源、濾波電感LI與濾波電容Cl的濾波電路、升壓電感L2、第一功率開關(guān)S1、分流電阻R1、第一常規(guī)二極管Dl構(gòu)成回路,濾波電容Cl兩端電壓近似正弦半波電壓,升壓電感L2儲(chǔ)存能量;當(dāng)?shù)谝还β书_關(guān)SI關(guān)斷時(shí),通過交流電源、濾波電感LI與濾波電容Cl的濾波電路、升壓電感L2、第一快恢復(fù)二極管FRD1、電解電容E1、分流電阻R1、第一常規(guī)二極管Dl構(gòu)成續(xù)流路徑,濾波電容Cl兩端電壓近似正弦半波電壓,升壓電感L2釋放能量;通過控制電路控制第一功率開關(guān)SI導(dǎo)通欲關(guān)斷規(guī)律以及濾波電感L1、濾波電容Cl的濾波作用,可以獲得穩(wěn)定的直流電壓和網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)。
[0030]在單相電網(wǎng)電壓負(fù)半周,第二斬波單元工作,實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正,第一斬波單元待機(jī);當(dāng)?shù)诙β书_關(guān)S2導(dǎo)通時(shí),通過濾波電感LI與濾波電容Cl的濾波電路、交流電源、升壓電感L2、第二功率開關(guān)S2、分流電阻R1、第二常規(guī)二極管D2構(gòu)成回路,濾波電容Cl兩端電壓近似正弦半波電壓,升壓電感L2儲(chǔ)存能量;當(dāng)?shù)诙β书_關(guān)S2關(guān)斷時(shí),通過濾波電感LI與濾波電容Cl的濾波電路、交流電源、升壓電感L2、第二快恢復(fù)二極管FRD2、電解電容E1、分流電阻R1、第二常規(guī)二極管D2構(gòu)成續(xù)流路徑,濾波電容Cl兩端電壓近似正弦半波電壓,升壓電感L2釋放能量;通過控制電路控制第二功率開關(guān)S2導(dǎo)通欲關(guān)斷規(guī)律以及濾波電感L1、濾波電容Cl的濾波作用,可以獲得穩(wěn)定的直流電壓和網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)。
[0031]本實(shí)例中:
[0032]交流輸入電壓寬范圍,85VAC — 264VAC,工頻,額定輸入電壓220VAC,額定輸出直流電壓平均值比網(wǎng)壓幅值動(dòng)態(tài)高出20VDC,紋波電壓峰峰值控制在IOV以內(nèi),額定輸出功率達(dá)到2.5kW以上;
[0033]開關(guān)頻率:35kHz—40kHz;
[0034]濾波電感(LI):100 μ H,插件,在板安裝;
[0035]濾波電容(Cl):275V,1.0 μ F— 2.2 μ F,插件;
[0036]升壓電感(L2):500 μ H,插件,在板安裝;
[0037]第一、第二常規(guī)二極管(D1、D2):600V,50/100°C,扁橋,插件;
[0038]第一、第二快恢復(fù)二極管(FRD1、FRD2):600V,50A/100°C,恢復(fù)時(shí)間小于 20ns ;
[0039]第一、第二功率開關(guān)(S1、S2):600V,100A/100°C,快速IGBT,不含反并聯(lián)二極管;
[0040]電解電容(El):6x680yF,并聯(lián),400WV ;
[0041]分流電阻(Rl):10ηιΩ-15ηιΩ ,5W,水泥無(wú)感電阻。
[0042]本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)單相功率因數(shù)校正,具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用器件數(shù)量少,簡(jiǎn)化功率電路設(shè)計(jì)和降低成本;實(shí)現(xiàn)了單位輸入功率因數(shù)的AC-DC變換,支持較大功率輸出;濾波電感、濾波電容、升壓電感可以構(gòu)成LCL濾波器,等效增加網(wǎng)側(cè)阻抗,使得濾波電容的容性電流減低和改善網(wǎng)側(cè)電流波形,降低濾波電容的尺寸,采用交流升壓電感,降低了電感的設(shè)計(jì)難度。
[0043]以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是,本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式,本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改,這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種共陽(yáng)極半橋功率因數(shù)校正電路,其特征在于,包括第一斬波單元和第二斬波單元,所述第一斬波單元用以完成電網(wǎng)電壓正半周中單位功率因數(shù)單相AC-DC變換,并輸出穩(wěn)定的直流電壓;所述第二斬波單元用以完成電網(wǎng)電壓負(fù)半周中單位功率因數(shù)單相AC-DC變換并輸出穩(wěn)定的直流電壓;所述第一斬波單元和所述第二斬波單元一備一用,工作時(shí)間為半個(gè)完整電源周期,即正半周或負(fù)半周,不工作時(shí)用于散熱; 所述第一斬波單元和第二斬波單元包括公共的并聯(lián)于單相電網(wǎng)的濾波電感、濾波電容、升壓電感、分流電阻和并聯(lián)于直流輸出端的電解電容,第一斬波單元還包括第一常規(guī)二極管、第一快恢復(fù)二極管和第一功率開關(guān),第二斬波單元還包括第二常規(guī)二極管、第二快恢復(fù)二極管和第二功率開關(guān),從而構(gòu)成一個(gè)不可分割的電力電子變換器;其中: 所述濾波電感的一端與單相交流電源的火線相連、另一端與升壓電感和濾波電容的一端相連,升壓電感的另一端與第一快恢復(fù)二極管的陽(yáng)極、第二常規(guī)二極管的陰極、第一功率開關(guān)的集電極相連,形成公共點(diǎn)ACL;濾波電容的另一端與單相交流電源的零線、第二快恢復(fù)二極管的陽(yáng)極、第一常規(guī)二極管的陰極、第二功率開關(guān)的集電極相連,形成公共點(diǎn)ACN ; 所述第一快恢復(fù)二極管的陰極與第二快恢復(fù)二極管的陰極連接后與電解電容的正極相連后形成直流輸出正極DCP;第一常規(guī)二極管的陽(yáng)極、第二常規(guī)二極管的陽(yáng)極連接后與分流電阻的一端相連后形成公共端COM ;第一功率開關(guān)的發(fā)射極與第二功率開關(guān)的發(fā)射極與分流電阻的另一端相連后形成直流輸出負(fù)極DCN。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種共陽(yáng)極半橋功率因數(shù)校正電路,其特征在于,所述第一斬波單元與所述第二斬波單元中的第一功率開關(guān)、第二功率開關(guān)的門極分別接受來自控制電路的驅(qū)動(dòng)脈沖,分別在電網(wǎng)電壓正半周、負(fù)半周中斬波工作,在網(wǎng)側(cè)得到單位功率因數(shù),在輸出端得到穩(wěn)定的直流電壓,為后級(jí)負(fù)載供電,完成單相功率因數(shù)校正。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種共陽(yáng)極半橋功率因數(shù)校正電路,其特征在于,在單相電網(wǎng)電壓正半周,第一斬波單元工作,實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正,第二斬波單元待機(jī);當(dāng)?shù)谝还β书_關(guān)導(dǎo)通時(shí),通過交流電源、濾波電感與濾波電容的濾波電路、升壓電感、第一功率開關(guān)、分流電阻、第一常規(guī)二極管構(gòu)成回路,濾波電容兩端電壓近似正弦半波電壓,升壓電感儲(chǔ)存能量;當(dāng)?shù)谝还β书_關(guān)關(guān)斷時(shí),通過交流電源、濾波電感與濾波電容的濾波電路、升壓電感、第一快恢復(fù)二極管、電解電容、分流電阻、第一常規(guī)二極管構(gòu)成續(xù)流路徑,濾波電容兩端電壓近似正弦半波電壓,升壓電感釋放能量;通過控制電路控制第一功率開關(guān)導(dǎo)通欲關(guān)斷規(guī)律以及濾波電感、濾波電容的濾波作用,獲得穩(wěn)定的直流電壓和網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種共陽(yáng)極半橋功率因數(shù)校正電路,其特征在于,在單相電網(wǎng)電壓負(fù)半周,第二斬波單元工作,實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正,第一斬波單元待機(jī);當(dāng)?shù)诙β书_關(guān)導(dǎo)通時(shí),通過濾波電感與濾波電容的濾波電路、交流電源、升壓電感、第二功率開關(guān)、分流電阻、第二常規(guī)二極管構(gòu)成回路,濾波電容兩端電壓近似正弦半波電壓,升壓電感儲(chǔ)存能量;當(dāng)?shù)诙β书_關(guān)關(guān)斷時(shí),通過濾波電感與濾波電容的濾波電路、交流電源、升壓電感、第二快恢復(fù)二極管、電解電容、分流電阻、第二常規(guī)二極管構(gòu)成續(xù)流路徑,濾波電容兩端電壓近似正弦半波電壓,升壓電感釋放能量;通過控制電路控制第二功率開關(guān)導(dǎo)通欲關(guān)斷規(guī)律以及濾波電感、濾波電容的濾波作用,獲得穩(wěn)定的直流電壓和網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)。
【文檔編號(hào)】H02M1/42GK103916002SQ201410123022
【公開日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2014年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月28日
【發(fā)明者】楊喜軍, 馮瑞昀, 王乾, 唐厚君 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)