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CN108683330A - 一种三开关管三相pfc电路控制方法及系列拓扑结构 - Google Patents

一种三开关管三相pfc电路控制方法及系列拓扑结构 Download PDF

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CN108683330A
CN108683330A CN201810516454.2A CN201810516454A CN108683330A CN 108683330 A CN108683330 A CN 108683330A CN 201810516454 A CN201810516454 A CN 201810516454A CN 108683330 A CN108683330 A CN 108683330A
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朱忠尼
宋庆国
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Abstract

本发明属于三相功率因数校正PFC电路领域，公开了一种三开关管三相PFC电路控制方法及系列拓扑结构，根据不同的相电压利用Li及双向开关PWM驱动信号产生模块组成Boost电流变换器只对相电压的(0°～30°)、(150°～180°)、(180°～210°)、(330°～360°)进行PWM控制，使相电流与电压同相，并校正功率因数，其中i＝a、b、c。本发明的结构特点是主功率开关管器件位于旁路位置，平均电流小，功耗小；同时，针对该结构，依据三相电的相间自然换相涉及整流二极管导通顺序的特点；本发明控制简单，开关器件承受的峰值电流只有额定电流的一半，损耗低、效率高、电磁干扰小。

Description

一种三开关管三相PFC电路控制方法及系列拓扑结构
技术领域
本发明属于电能量单向传输的三相功率因数校正PFC电路领域，尤其涉及一种三开关管三相PFC电路控制方法及系列拓扑结构。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：
三相功率因数校正(PFC)电路有单开关管、两开关管、三开关管、四开关管等多种拓扑结构。在小功率范围内，单开关管应用比较普遍，在大功率、能量双向流动时，六开关管应用更多一些。三开关管更适合中、大功率、能量单向流动的场合应用。
综上所述，现有技术存在的问题是：
现有多开关管三相功率因数校正(PFC)及控制方案中主要问题是：
(1)结构复杂，功率开关器件多；
(2)所采取的空间矢量(SVPWM)控制模式，开关频率高，检测元件多。
(3)功率开关器件电压、电流应力大，成本高
总之，现有的技术都存在开关损耗大、效率不高、电磁干扰严重、开关器件容量大等问题。
解决上述技术问题的难度和意义：
主要难度在于：提出了一种拓扑结构，使功率开关管处于电流传输的旁路位置减少器件导通损耗；同时，通过双向功率开关管器件公共端的连接方式，降低开关器件电压应力；提出新的控制策略，降低开关次数规避峰值时开关器件导通，减少开关器件电流应力，提高效率，降低电磁干扰。
本发明的意义在于：在满足三相功率因数及电流谐波的相关国家标准要求下，降低功率因数(PFC)设备成本，简化控制策略，提高电源效率，降低设备的体积质量。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种三开关管三相PFC电路控制方法及系列拓扑结构。
本发明是这样实现的，一种三开关管三相PFC电路控制方法，所述三开关管三相PFC电路控制方法：
充分利用电网的三相电自然换向点及三相整流桥导通顺序的特点，实现控制。如图1所示，以A相电为例，当30°≤wt≤150°时，D1管自然导通；当210°≤wt≤330°时，D2管自然导通；而在0°≤wt≤30°、150°≤wt≤180°、180°≤wt≤210°、330°≤wt≤360°范围内，D1和D2不能导通，A相在这段时间内出现电流缺失，影响功率因数。本发明提出在此4段时间内，通过控制双向开关器件Sa工作。A相电流通过La和Sa形成回路，以补偿位段时间内的电流、提高功率因数。B相电、C相电的控制方法同A相电，实现了三相电的解耦控制。
进一步，进行补偿双向开关PWM驱动信号产生模块电压应力表示为：
其中Vs表示开关电压应力，Vdc表示直流母线电压。
本发明的另一目的在于提供一种为实现所述的三开关管三相PFC电路控制方法的系列PFC拓扑结构，所述系列PFC拓扑结构包括：
三个高频电感模块、三相整流桥、三个双向功率开关组件；
三个高频电感模块与三个双向功率开关组件的输入端连接；三个双向功率开关组件的输入端与三相整流桥的负极端连接或与输出电容连接；
三个高频电感模块的输出端与三相整流桥的输入端连接。
三相整流桥的两端分别与输出电容的正负极连接。
进一步，三个双向功率开关组件公共点接电网零线；三相整流桥的两端分别接在输出电容的正负极。
进一步，三个双向功率开关组件的公共点连接在输出电容一端，输出电容另一端接在直流电源的“-”极。
进一步，三个双向功率开关组件的公共点连接在输出电容电压中点。
进一步，三个高频电感模块包括升压电感器La、升压电感器Lb、升压电感器Lc；均为高频磁芯绕制的电感器；
三个双向功率开关组件包括：
双向开关组件Sa、双向开关组件Sb、双向开关组件Sc；双向开关组件Sa、双向开关组件Sb、双向开关组件Sc另一端接在一起形成公共端；
升压电感器La、升压电感器Lb、升压电感器Lc与双向开关组件Sa、双向开关组件Sb、双向开关组件Sc连接在一起的公共端与D1～D6组成的三相整流桥的中点连接；D1～D6组成的整流桥输出接滤波电容得到直流输出电压Vdc；
D1～D6均为高频整流桥或者高频快恢复二极管组成的高频整流桥；
双向开关组件Sa、双向开关组件Sb、双向开关组件Sc均为功率MOSFET或IGBT器件，或为四个超快恢复的二极管加功率MOSFET或四个IGBT器件；
双向开关组件Sa、双向开关组件Sb、双向开关组件Sc双向开关组成的公共端接零点或者输出电容或者输出电容的电压中点。
本发明的另一目的在于提供一种实现所述的三开关管三相PFC电路控制方法的三开关管三相PFC电路控制系统，所述三开关管三相PFC电路控制系统包括：
三相电相位检测模块；与三相电压相位角捕捉模块连接，用于完成电网电压的过零检测；
三相电压相位角捕捉模块；与双向开关PWM驱动信号产生模块连接，用于判断相限，产生30°脉冲；在30°脉冲范围内进行高频PWM检测；
双向开关PWM驱动信号产生模块，用于高频PWM信号通过放大、隔离、放大连接双向开关PWM驱动信号产生模块的门极G极，驱动双向开关导通和关断；
还用于通过检测输出电压Vdc的值对PWM信号的占空比进行调节。
进一步，三相电相位检测模块由锁相环、PLL组成并相互连接；
锁相环用于调控PLL的抗干扰状态。
进一步，三相电相位检测模块、三相电压相位角捕捉模块均与外部系列PFC拓扑结构连接。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：
本发明的结构主功率开关管器件位于旁路位置，平均电流小，功耗小；同时，针对该结构，依据三相电的相间自然换相涉及整流二极管导通顺序的特点，提出了一种相电压的(0°～30°)、(150°～180°)、(180°～210°)、(330°～360°)的范围内的脉冲宽度调制(PWM)的控制策略。本发明控制简单，开关器件承受的峰值电流只有额定电流的一半，损耗低、效率高、电磁干扰小。
与现有技术相比，本发明的优点还有：
(1)拓扑结构简单。不改变常规的三相桥整流电路。
(2)附加的三相功率因数校正功率开关处在电流的旁路位置，只在部分时间内流过整流电流，功率小效率高。
(3)双向开关管的连接方式，降低器件的电压应力。
(4)控制简单便于工程实施，易于产业化。
(5)功率开关器件只在正弦波小于30°时工作，电流应力只有峰值电流的一半，功耗低，可靠性高。
(6)在电网电压周期内，双向功率开关器件平均开关次数少，开关损耗小，电磁干扰小，效率高。
表1是60KW三相功率因数校正装置中本发明专利与PWM三相功率因数校正电路关键参数对照表。
表1本发明专利与PWM三相功率因数校正电路关键参数对照表
附图说明
图1是本发明实施例提供的三个双向功率开关组件公共点接电网零线电路图。
图中：1、三个高频电感模块；2、三个双向功率开关组件；3、三相全桥整流器；4、输出滤波电容。
图2是本发明实施例提供的三个双向功率开关组件的公共点连接在输出电容一端，输出电容另一端接在直流电源的“-”极电路图。
图3是本发明实施例提供的三个双向功率开关组件的公共点连接在输出电容电压中点电路图。
图4是本发明实施例提供的三开关管三相PFC电路控制系统图。
图中：5、三相电相位检测模块；6、三相电相位捕捉模块；7、双向开关PWM驱动信号产生模块。
图5是本发明实施例提供的效率对比曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
现有技术中，三开关PFC电路结构整流三极管太多，效率不高；多采用空间矢量调制(SVPWM)模式，控制复杂，检测元件多；同时功率开关器电压，电流应力大。
下面结合具体分析对本发明作进一步描述。
本发明实施例提供的三开关管三相PFC电路控制方法，所述三开关管三相PFC电路控制方法包括：
根据不同的相电压利用Li及双向开关PWM驱动信号产生模块组成Boost电流变换器只对相电压的(0°～30°)、(150°～180°)、(180°～210°)、(330°～360°)进行PWM控制，使相电流与电压同相，并校正功率因数，其中i＝a、b、c。
进行补偿双向开关PWM驱动信号产生模块电压应力表示为：
其中Vs表示开关电压应力，Vdc表示直流母线电压。
如图1-图3本发明实施例提供系列PFC拓扑结构包括：
三个高频电感模块、三相整流桥、三个双向功率开关组件；
三个高频电感模块与三个双向功率开关组件的输入端连接；三个双向功率开关组件的输入端与三相整流桥的负极端连接或与输出电容连接；
三个高频电感模块的输出端与三相整流桥的输入端连接。
三相整流桥的两端分别与输出电容的正负极连接。
如图1，三个双向功率开关组件公共点接电网零线；三相整流桥的两端分别接在输出电容的正负极。
如图2，三个双向功率开关组件的公共点连接在输出电容一端，输出电容另一端接在直流电源的“-”极。
如图3，三个双向功率开关组件的公共点连接在输出电容电压中点。
三个高频电感模块包括升压电感器La、升压电感器Lb、升压电感器Lc；均为高频磁芯绕制的电感器；
三个双向功率开关组件包括：
双向开关组件Sa、双向开关组件Sb、双向开关组件Sc；双向开关组件Sa、双向开关组件Sb、双向开关组件Sc另一端接在一起形成公共端；
升压电感器La、升压电感器Lb、升压电感器Lc与双向开关组件Sa、双向开关组件Sb、双向开关组件Sc连接在一起的公共端与D1～D6组成的三相整流桥的中点连接；D1～D6组成的整流桥输出接滤波电容得到直流输出电压Vdc；
D1～D6均为高频整流桥或者高频快恢复二极管组成的高频整流桥；
双向开关组件Sa、双向开关组件Sb、双向开关组件Sc均为功率MOSFET或IGBT器件，或为四个超快恢复的二极管加功率MOSFET或四个IGBT器件；
双向开关组件Sa、双向开关组件Sb、双向开关组件Sc双向开关组成的公共端接零点或者输出电容或者输出电容的电压中点。
如图4所示，本发明实施例提供的三开关管三相PFC电路控制系统包括：
三相电相位检测模块；与三相电压相位角捕捉模块连接，用于完成电网电压的过零检测；
三相电压相位角捕捉模块；与双向开关PWM驱动信号产生模块连接，用于判断相限，产生30°脉冲；在30°脉冲范围内进行高频PWM检测；
双向开关PWM驱动信号产生模块，用于高频PWM信号通过放大、隔离、放大连接双向开关PWM驱动信号产生模块的门极G极，驱动双向开关导通和关断；
还用于通过检测输出电压值对PWM信号的占空比进行调节。
三相电相位检测模块由锁相环、PLL组成并相互连接；
锁相环用于调控PLL的抗干扰状态。
三相电相位检测模块、三相电压相位角捕捉模块均与外部系列PFC拓扑结构连接。
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。
附图2结构形式是三只双向开关组件的公共点连接在储能电容一端，输出滤波电容另一端接在直流电源的“-”极。其特点是：降低开关组件的电压应力(VS＝Vdc-VCh，其中VS表示开关组件电压应力，Vdc表示母线电压、VCh储能电容电压)，增大升压电感Li(i＝a、b、c)的值，降低输入电流谐波。
附图3结构形式是：三个双向功率开关组件的公共点连接在输出电压中点，其特点是：降低开关组件的电压应力(VS＝Vdc/2，其中VS表示开关组件电压应力，Vdc表示母线电压)，增大升压电感Li(i＝a、b、c)的值，降低输入电流谐波。
所述电路A、B、C端接A、B、C三相电源，经三个升压电感La、Lb、Lc及旁路的三个双向开关组件Sa、Sb、Sc，Sa、Sb、Sc另一端接在一起形成公共端，按照附图1、2、3形成系列结构，La、Lb、Lc与Sa、Sb、Sc连接在一起的公共端与D1～D6组成的三相整流桥的中点连接，D1～D6组成的整流桥输出接滤波电容得到直流输出电压Vdc。
D1～D6选用高频整流桥或者高频快恢复二极管组成高频整流桥，可以降低二极管反向恢复电流，电磁干扰小。
Sa、Sb、Sc双向开关与整流器旁路功率电流主要通过二极管D1～D6供负载工作。双向开关电流有效值小，损耗低，效率高。
Sa、Sb、Sc双向开关组成的公共端接零点或者储能电容或者输出主流电压中点，降低功率开关组件电压应力能对相电压单独调制。
下面结合具体分析对本发明作进一步描述。
针对三开关三相PFC电路的控制方法，
因为三相电存在相间自然换向点，根据附图1的D1～D6组成三相全桥整流，以A相为例，在整流过程中0°<wt<30°及150°<wt<180°范围内，D1是不导通的，wt在(30°～150°)范围内是连续导通的。
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。
附图1所示，本发明公开了一种基本双向三开关功率因素校正系列电路。功率开关器件公共点接零线；根据双向功率开关器件公共接点的不同的连接位可派生出附图2(功率开关器件公共点接储能电容器)，附图3(功率开关器件公共点接输出直流电压中点)两种电路。
包括：三个高频电感模块1、三个双向功率开关组件2、三相全桥整流器3、输出滤波电容4。
所述的三个高频电感模块1的三个起始端分别接电网A,B,C三相，另一端与三相全桥整流器3的三个中点及双向功率开关管组件2起始端相连接；三只功率开关管组件2的另一端连接在一起形成公共端，公共端可以连接零线，直流输出4电压中点或者输出电容器的一端，形成系列结构；三相全桥整流器3的输出正极和负极分别接在输出滤波电容4Cd的“+”和“–”端(Cd电解电容)。
附图4是本发明公开的基于上述电路的控制框图。
它包含三相电相位检测模块5(PLL)，三相电相位捕捉模块6，双向开关PWM驱动信号产生模块7。
所述三相电相位检测模块5的输入端与电网A,B,C三相连接，经PLL锁相，过零辨识后形成方波信号送入三相电相位捕捉模块6，三相电相位捕捉模块6对三相电相位检测模块5信号进行处理，形成各项±30°的PWM控制信号送给双向开关PWM驱动信号产生模块7，双向开关PWM驱动信号产生模块7将三相电相位捕捉模块6送过来的信号隔离，放大后与功率双向开关组件门极相连接，驱动双向组件工作。
实施例子：
设计参数：Po＝60KW，Vh＝220V/50Hz,La＝Lb＝Lc＝400μH
双向开光器件：FF450R12KS4 150A/600V
输出滤波电容Cd＝1000μF，PWM驱动信号占空比D＝0.57
输入电流电压波形，经测试PF>0.99，THD<9.2％满足相关因数和谐波标准要求。
附图5是效率对比曲线，由图可以看出与三相PWM整流效率相比较，效率高出了接近2％。
通过实例，充分说明本发明的优势在于：
(1)理论分析表明该PFC功率拓扑具有结构简单、易于控制、功率因数高，网侧总谐波分量低、变换效率高、功率密度高等优点；
(2)理论分析表明，该拓扑主要有过零电流补偿电路与三相不控整流电路，三相不控整流电路实现变流，过零电流补偿电路抑制网侧电流畸变，提高功率因数与降低THD；
(3)理论分析表明，该拓扑损耗主要来自于三相不控整流电路快恢复二极管导通损耗与过零电流补偿电路功率开关器件的开关损耗。理论与实验验证该新型PFC整流拓扑损耗低，无需软开关辅助网络也能提高整体效率，适用于中大功率场合；
(4)提出的控制方法简单易实现，且控制环路稳定，使用在中大功率场合更加安全可靠。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三开关管三相PFC电路控制方法，其特征在于，所述三开关管三相PFC电路控制方法包括：
根据不同的相电压利用Li及双向开关PWM驱动信号产生模块组成Boost电流变换器只对相电压的(0°～30°)、(150°～180°)、(180°～210°)、(330°～360°)进行PWM控制，使相电流与电压同相，并校正功率因数，其中i＝a、b、c。
2.如权利要求1所述的三开关管三相PFC电路控制方法，其特征在于，进行补偿双向开关PWM驱动信号产生模块电压应力表示为：
其中Vs表示开关电压应力，Vdc表示直流母线电压。
3.如权利要求1所述的三开关管三相PFC电路控制方法的系列PFC拓扑结构，其特征在于，所述系列PFC拓扑结构包括：
三个高频电感模块、三相整流桥、三个双向功率开关组件；
三个高频电感模块与三个双向功率开关组件的输入端连接；三个双向功率开关组件的输入端与三相整流桥的负极端连接或与输出电容连接；
三个高频电感模块的输出端与三相整流桥的输入端连接。
三相整流桥的两端分别与输出电容的正负极连接。
4.如权利要求3所述的系列PFC拓扑结构，其特征在于，三个双向功率开关组件公共点接电网零线；三相整流桥的两端分别接在输出电容的正负极。
5.如权利要求3所述的系列PFC拓扑结构，其特征在于，三个双向功率开关组件的公共点连接在输出电容一端，输出电容另一端接在直流电源的负极。
6.如权利要求3所述的系列PFC拓扑结构，其特征在于，三个双向功率开关组件的公共点连接在输出电容电压中点。
7.如权利要求3所述的系列PFC拓扑结构，其特征在于，三个高频电感模块包括升压电感器La、升压电感器Lb、升压电感器Lc；均为高频磁芯绕制的电感器；
三个双向功率开关组件包括：
双向开关组件Sa、双向开关组件Sb、双向开关组件Sc；双向开关组件Sa、双向开关组件Sb、双向开关组件Sc另一端接在一起形成公共端；
升压电感器La、升压电感器Lb、升压电感器Lc与双向开关组件Sa、双向开关组件Sb、双向开关组件Sc连接在一起的公共端与D1～D6组成的三相整流桥的中点连接；D1～D6组成的整流桥输出接滤波电容得到直流输出电压Vdc；
D1～D6均为高频整流桥或者高频快恢复二极管组成的高频整流桥；
双向开关组件Sa、双向开关组件Sb、双向开关组件Sc均为功率MOSFET或IGBT器件，或为四个超快恢复的二极管加功率MOSFET或IGBT器件；
双向开关组件Sa、双向开关组件Sb、双向开关组件Sc组成的公共端接零点或者输出电容或者输出电容的电压中点。
8.一种实现权利要求1所述的三开关管三相PFC电路控制方法的三开关管三相PFC电路控制系统，其特征在于，所述三开关管三相PFC电路控制系统包括：
三相电相位检测模块；与三相电压相位角捕捉模块连接，用于完成电网电压的过零检测；
三相电压相位角捕捉模块；与双向开关PWM驱动信号产生模块连接，用于判断相限，产生30°脉冲；在30°脉冲范围内进行高频PWM检测；
双向开关PWM驱动信号产生模块，用于高频PWM信号通过放大、隔离、放大连接双向开关PWM驱动信号产生模块的门极G极，驱动双向开关导通和关断；
通过检测输出电压值Vdc对PWM信号的占空比进行调节。
9.如权利要求8所述的三开关管三相PFC电路控制系统，其特征在于，
三相电相位检测模块由锁相环、PLL组成并相互连接。
10.如权利要求8所述的三开关管三相PFC电路控制系统，其特征在于，三相电相位检测模块、三相电压相位角捕捉模块均与外部系列PFC拓扑结构连接。
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