專利名稱：三相功率因數(shù)校正電能變換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三相功率因數(shù)校正電能變換裝置。
背景技術(shù)：
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，對電能變換裝置的輸入功率因數(shù)的要求越來越高。對于中大功率的裝置，三相功率因數(shù)校正(Power Factor Correction，PFC)電路是最優(yōu)的選擇，而三相三電平PFC又是其中較好的。雖然三相三電平PFC有不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但是可以統(tǒng)一為一個等效的拓?fù)潆娐罚鐖D1所示。
其中Va、Vb和Vc是三相輸入的相電壓，La、Lb和Lc為升壓電感，S1、S2和S3為雙向功率管，D1～D6為續(xù)流二極管。它的工作原理與單相BOOST PFC基本一致，通過控制三個功率管，使得三相電流跟蹤三相電壓，呈近似正弦波。此電路存在著如下問題當(dāng)S1關(guān)斷時，(以A相為例進(jìn)行說明，其它相相同)若A相電壓為正，則D1導(dǎo)通(若A相電壓為負(fù)，D4導(dǎo)通，按正向論述，負(fù)向類似)，流過正向電流，當(dāng)S1導(dǎo)通時，D1承受反壓，形成反向恢復(fù)電流。反向恢復(fù)電流與L1電流一起流過S1，從而增加了S1的開通損耗和D1的損耗。當(dāng)輸出電壓Vo越高，由于高壓二極管的反向恢復(fù)時間更長，使上述問題更加嚴(yán)重。S1的開關(guān)頻率越高，則反向恢復(fù)造成的損耗越大，因此就限制了電路工作頻率的提高。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的就是為了解決以上問題，提供一種三相功率因數(shù)校正電能變換裝置，減小反向恢復(fù)損耗，提高電路效率。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出兩種屬于同一構(gòu)思的三相功率因數(shù)校正電能變換裝置。
其中第一種三相功率因數(shù)校正電能變換裝置包括第一至三電壓輸入端、第一至三主電感、第一至三正向續(xù)流二極管、第一至三反向續(xù)流二極管和第一至三雙向功率管，構(gòu)成三相三電平PFC電路；其特征是在第一相中還包括第一輔助電感、第一至二正向輔助二極管、第一至二反向輔助二極管、第一輔助電容、第四輔助電容和第一耦合電感，構(gòu)成第一相的正向支路和反向支路；由上述元件構(gòu)成的第一相正向支路結(jié)構(gòu)如下所述第一耦合電感、第一輔助電感與第一正向續(xù)流二極管相串聯(lián)形成第一串聯(lián)支路，同向串聯(lián)的第一、二正向輔助二極管形成第二串聯(lián)支路，上述第一串聯(lián)支路和第二串聯(lián)支路同向并聯(lián)，所述第一輔助電容跨接于上述第一串聯(lián)支路和第二串聯(lián)支路的中點；由上述元件構(gòu)成的第一相反向支路結(jié)構(gòu)如下所述第一耦合電感、第一輔助電感與第一反向續(xù)流二極管相串聯(lián)形成第三串聯(lián)支路，同向串聯(lián)的第一、二反向輔助二極管形成第四串聯(lián)支路，上述第三串聯(lián)支路和第四串聯(lián)支路同向并聯(lián)，所述第四輔助電容跨接于上述第三串聯(lián)支路和第四串聯(lián)支路的中點；所述第一耦合電感與電壓輸入端同名的端通過第一輔助電感連接于第一雙向功率管上；在第二相中還包括第二輔助電感、第三至四正向輔助二極管、第三至四反向輔助二極管、第二輔助電容、第五輔助電容和第二耦合電感，構(gòu)成與第一相相同的電路結(jié)構(gòu)；在第三相中還包括第三輔助電感、第五至六正向輔助二極管、第五至六反向輔助二極管、第三輔助電容、第六輔助電容和第三耦合電感，構(gòu)成與第一相相同的電路結(jié)構(gòu)。
其中第二種三相功率因數(shù)校正電能變換裝置包括第一至三電壓輸入端、第一至三主電感、第一至三正向續(xù)流二極管、第一至三反向續(xù)流二極管和第一至三雙向功率管，構(gòu)成三相三電平PFC電路；其特征是在第一相中還包括第四、七輔助電感、第一至二正向輔助二極管、第一至二反向輔助二極管、第一輔助電容、第四輔助電容和第一耦合電感，構(gòu)成第一相的正向支路和反向支路；由上述元件構(gòu)成的第一相正向電路結(jié)構(gòu)如下所述第一耦合電感、第四輔助電感與第一正向續(xù)流二極管相串聯(lián)形成第一串聯(lián)支路，同向串聯(lián)的第一至二正向輔助二極管形成第二串聯(lián)支路，上述第一串聯(lián)支路和第二串聯(lián)支路同向并聯(lián)，所述第一輔助電容跨接于上述第一串聯(lián)支路和第二串聯(lián)支路的中點； 由上述元件構(gòu)成的第一相反向支路結(jié)構(gòu)如下所述第一耦合電感、第七輔助電感與第一反向續(xù)流二極管相串聯(lián)形成第三串聯(lián)支路，同向串聯(lián)的第一至二反向輔助二極管形成第四串聯(lián)支路，上述第三串聯(lián)支路和第四串聯(lián)支路同向并聯(lián)，所述第四輔助電容跨接于上述第三串聯(lián)支路和第四串聯(lián)支路的中點；所述第一耦合電感與電壓輸入端同名的端連接于第一雙向功率管上；在第二相中還包括第五、八輔助電感、第三、四正向輔助二極管、第三至四反向輔助二極管、第二輔助電容、第五輔助電容和第二耦合電感；構(gòu)成與第一相相同的電路結(jié)構(gòu)；在第三相中還包括第六、九輔助電感、第五、六正向輔助二極管、第五六反向輔助二極管、第三輔助電容、第六輔助電容和第三耦合電感；構(gòu)成與第一相相同的電路結(jié)構(gòu)。
在上述兩種方案中，將所述主電感分為兩個部分的方式也可以有兩種選擇一是所述第一至三主電感為帶有中心抽頭的第一至三線圈中第一接線端和第二接線端之間的整個線圈，而第一至三耦合電感為位于上述中心抽頭和第二接線端的之間線圈部分。；二是所述主電感和其耦合電感耦合構(gòu)成變壓器，所述主電感為原邊繞組，所述耦合電感為副邊繞組。
由于采用了以上的方案，用一個輔助電感和與之對應(yīng)的主續(xù)流二極管串聯(lián)來減少反向恢復(fù)電流，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷后，由于輔助電感儲存的反向恢復(fù)能量的作用，能有效的使續(xù)流電流轉(zhuǎn)移到主續(xù)流二極管上。上述能量最終轉(zhuǎn)移到輸出，減少了能量損耗，從而提高了整個電路的效率。由于還在主電感上增加中心抽頭或是副邊繞組來增加電流轉(zhuǎn)移能量，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷后，增加的電流轉(zhuǎn)移能量與輔助電感儲存的反向恢復(fù)能量共同作用，能有效的使續(xù)流電流全部轉(zhuǎn)移到主續(xù)流二極管上。上述兩部分能量最終都轉(zhuǎn)移到輸出，理想情況下沒有能量損耗，從而進(jìn)一步提高了整個電路的效率。
圖1是現(xiàn)有等效三相三電平PFC電路示意圖。
圖2(a)、2(b)、2(c)、2(d)是本發(fā)明四個實施例的示意圖。
圖3是圖2(a)電路的工作時序波形示意圖。
具體實施方式下面通過具體的實施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
本發(fā)明的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有圖2(a)～2(d)所示的四種基本形式，其中圖2(a)、2(c)示出了上述第一種方案的兩個實施例，圖2(b)、2(d)示出了上述第二種方案的兩個實施例。La～Lc是帶有中心抽頭的線圈或是帶有副邊繞組的耦合變壓器，同名端如圖所示，Lsa～Lsc和L1～L6是輔助電感，D1～D6是主續(xù)流二極管，其余二極管為輔助二極管，C1～C6是輔助電容。由圖可見，本發(fā)明的上述實施例的共同點在于增設(shè)輔助電感Lsa～Lsc或L1～L6、輔助二極管D11、D12、D21、D22、D31、D32、D41、D42、D51、D52、D61、D62、輔助電容C1～C6；在每相中所述輔助電感Lsa～Lsc或L1～L6分別與對應(yīng)的續(xù)流二極管D1-D6相串聯(lián)形成第一串聯(lián)支路，兩個同向串聯(lián)的輔助二極管D11、D12、D21、D22、D31、D32、D41、D42、D51、D52、D61、D62形成第二串聯(lián)支路，上述第一串聯(lián)支路和第二串聯(lián)支路同向并聯(lián)，所述輔助電容C1～C6跨接于上述第一串聯(lián)支路和第二串聯(lián)支路的中點。
其中輔助電感的接法有兩種形式，一種示于圖2(a)、圖2(b)中，在每相中正負(fù)半周共用輔助電感Lsa～Lsc。另一種示于圖2(c)、2(d)中，在每相中正負(fù)半周分別采用獨立的輔助電感L1～L6。
在每相中，所述主電感La1、Lb1、Lc1至少還耦合有一個，該耦合電感La2、Lb2、Lc2串聯(lián)于所述第一串聯(lián)支路中，并且該耦合電感La2、Lb2、Lc2中的電壓輸入端同名端連接于雙向功率管S1、S2、S3上或通過輔助電感Lsa～Lsc連接于雙向功率管S1、S2、S3上。它也可以通過兩種方式實現(xiàn)一種是圖2(a)、2(c)中所示的方案，所述主電感La1、Lb1、Lc1為帶有中心抽頭的線圈La、Lb、Lc中第一接線端和第二接線端之間的整個線圈，而耦合電感La2、Lb2、Lc2為位于上述中心抽頭和第二接線端的之間線圈部分。
另一種是圖2(b)、2(d)所示的方案，所述主電感La1、Lb1、Lc1和其耦合電感La2、Lb2、Lc2耦合構(gòu)成變壓器La、Lb、Lc，所述主電感La1、Lb1、Lc1為原邊繞組，所述耦合電感La2、Lb2、Lc2為副邊繞組。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明方案的工作原理進(jìn)行簡單介紹圖2(a)是發(fā)明方案中較典型的一種，下面將以這個電路為例介紹本發(fā)明的工作原理。
工作過程中，由于各工作時段以及各相具有相似性，因此下面的描述是基于這樣一個時段的A相電流為正，B相電流為負(fù)，且在過零點附近，C相電流為負(fù)；描述的電路對象是A相電路。其余時段與其余兩相的工作過程可類推得到。
為了簡化電路分析，在一個開關(guān)周期中可作如下假設(shè)a、輸出電容足夠大，可以認(rèn)為輸出電壓為恒定不變的直流電壓；b、除了主續(xù)流二極管外，所有功率器件為理想器件；c、主電感遠(yuǎn)大于輔助電感，主電感的電感值La1遠(yuǎn)大于其耦合電感的電感值La2；d、輸入電壓為常數(shù)。
基于以上的假設(shè)，把選定時段的一個開關(guān)周期分為10個時間段來分析，工作的時序波形如圖3所示。其中dr1～dr3分別為S1～S3的驅(qū)動。
第一階段(t0-t1)t0時刻，S1開通，主續(xù)流二極管D1有反向恢復(fù)電流流過，La2、Lsa與D1串聯(lián)起來減少反向恢復(fù)電流。
第二階段(t1-t2)t1時刻反向恢復(fù)結(jié)束，La2提供電流轉(zhuǎn)移能量，同時Lsa中儲存了反向恢復(fù)能量，并與C1經(jīng)D12諧振，能量向C1轉(zhuǎn)移。
第三階段(t2-t3)t2時刻諧振結(jié)束，D12截止，C1電壓保持不變，電路進(jìn)入正常的S1導(dǎo)通狀態(tài)。
第四階段(t3-t4)t3時刻，S1關(guān)斷，由于Lsa電流不能突變，D11與D12導(dǎo)通，同時C1與La1通過D11諧振放電，Lsa、D12、D11支路電流不斷減小。
第五階段(t4-t5)t4時刻，Lsa電流減小為零，D12截止，C1繼續(xù)放電，由于C1兩端電壓越來越小，D1開始導(dǎo)通，電流慢慢增大，與之相反D11電流越來越小。
第六階段(t5-t6)t5時刻，S2關(guān)斷，由于此時B相電流為負(fù)，所以v點電位為-Vo，u點電位也跟著下降，使得D1出現(xiàn)反向恢復(fù)電流，由于La電流不能突變，D11電流突然增大。C1兩端電壓減為零，放電完畢。而后D1電流又開始增長，D11電流則減小。
第七階段(t6-t7)t6時刻，S3開通，Lc電流增大，而Lb電流在0附近，且絕對值減小，必然導(dǎo)致La電流增大，La產(chǎn)生左正右負(fù)的電勢，使得La2、Lsa、D12、D11通路導(dǎo)通，并逐漸增大，而D1電流逐漸減小。
第八階段(t7-t8)t7時刻，S3關(guān)斷，La電流減小，產(chǎn)生左負(fù)右正的電勢，所以La2、Lsa、D12、D11通路電流與t6-t7時段相反，逐漸減小，而D1有所增加。
第九階段(t8-t9)t8時刻，S2開通，由于Lb電流在0附近，對整個電路的電流影響不大，所以各器件波形仍然按先前的趨勢變化。
第十階段(t9-t10)t9時刻，Lsa、D11、D12電流均下降為0，A相電流完全由D1續(xù)流，并不斷減小。t10時刻，S1又開通，開始了一個新的周期。
從上面的分析可以看出，由于主電感的La2部分的存在，轉(zhuǎn)移到C1電容的能量，除了反向恢復(fù)能量外，還有來自于La2產(chǎn)生的能量，這部分能量使得C1放電時能更有效地將電流轉(zhuǎn)移到D1中。另外，輸入電壓Va越大，對應(yīng)的輸入電流ILa也越大，La2能夠提供的能量也越大，使得大電流也能夠完全轉(zhuǎn)移。這是本發(fā)明的一個突出優(yōu)點。
本發(fā)明采用一個輔助電感與主續(xù)流二極管串聯(lián)來減小反向恢復(fù)電流，并利用PFC電感增加一個特殊的儲能電路以提供更大的電流轉(zhuǎn)移能量。本發(fā)明的作用，能夠減小續(xù)流二極管反向恢復(fù)電流所造成的功率開關(guān)管與續(xù)流二極管的損耗，提高整個電路的效率。
權(quán)利要求
1.一種三相功率因數(shù)校正電能變換裝置，包括第一至三電壓輸入端(Va、Vb、Vc)、第一至三主電感(La1、Lb1、Lc1)、第一至三正向續(xù)流二極管(D1、D2、D3)、第一至三反向續(xù)流二極管(D4、D5、D6)和第一至三雙向功率管(S1、S2、S3)，構(gòu)成三相三電平PFC電路；其特征是在第一相中還包括第一輔助電感(Lsa)、第一至二正向輔助二極管(D11、D12)、第一至二反向輔助二極管(D41、D42)、第一輔助電容(C1)、第四輔助電容(C4)和第一耦合電感(La2)，構(gòu)成第一相的正向支路和反向支路；由上述元件構(gòu)成的第一相正向支路結(jié)構(gòu)如下所述第一耦合電感(La2)、第一輔助電感(Lsa)與第一正向續(xù)流二極管(D1)相串聯(lián)形成第一串聯(lián)支路，同向串聯(lián)的第一、二正向輔助二極管(D11、D12)形成第二串聯(lián)支路，上述第一串聯(lián)支路和第二串聯(lián)支路同向并聯(lián)，所述第一輔助電容(C1)跨接于上述第一串聯(lián)支路和第二串聯(lián)支路的中點；由上述元件構(gòu)成的第一相反向支路結(jié)構(gòu)如下所述第一耦合電感(La2)、第一輔助電感(Lsa)與第一反向續(xù)流二極管(D4)相串聯(lián)形成第三串聯(lián)支路，同向串聯(lián)的第一、二反向輔助二極管(D41、D42)形成第四串聯(lián)支路，上述第三串聯(lián)支路和第四串聯(lián)支路同向并聯(lián)，所述第四輔助電容(C4)跨接于上述第三串聯(lián)支路和第四串聯(lián)支路的中點；所述第一耦合電感(La2)與電壓輸入端同名的端通過第一輔助電感(Lsa)連接于第一雙向功率管(S1)上；在第二相中還包括第二輔助電感(Lsb)、第三至四正向輔助二極管(D21、D22)、第三至四反向輔助二極管(D51、D52)、第二輔助電容(C2)、第五輔助電容(C5)和第二耦合電感(Lb2)，構(gòu)成與第一相相同的電路結(jié)構(gòu)；在第三相中還包括第三輔助電感(Lsc)、第五至六正向輔助二極管(D31、D32)、第五至六反向輔助二極管(D61、D62)、第三輔助電容(C3)、第六輔助電容(C6)和第三耦合電感(Lc2)，構(gòu)成與第一相相同的電路結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的三相功率因數(shù)校正電能變換裝置，其特征是所述第一至三主電感(La1、Lb1、Lc1)為帶有中心抽頭的第一至三線圈(La、Lb、Lc)中第一接線端和第二接線端之間的整個線圈，而第一至三耦合電感(La2、Lb2、Lc2)為位于上述中心抽頭和第二接線端的之間線圈部分。
3.如權(quán)利要求1所述的三相功率因數(shù)校正電能變換裝置，其特征是所述第一至三主電感(La1、Lb1、Lc1)和與其相應(yīng)的第一至三耦合電感(La2、Lb2、Lc2)相耦合構(gòu)成第一至三變壓器(La、Lb、Lc)，所述第一至三主電感(La1、Lb1、Lc1)為原邊繞組，所述第一至三耦合電感(La2、Lb2、Lc2)為副邊繞組。
4.一種三相功率因數(shù)校正電能變換裝置，包括第一至三電壓輸入端(Va、Vb、Vc)、第一至三主電感(La1、Lb1、Lc1)、第一至三正向續(xù)流二極管(D1、D2、D3)、第一至三反向續(xù)流二極管(D4、D5、D6)和第一至三雙向功率管(S1、S2、S3)，構(gòu)成三相三電平PFC電路；其特征是在第一相中還包括第四、七輔助電感(L1、L4)、第一至二正向輔助二極管(D11、D12)、第一至二反向輔助二極管(D41、D42)、第一輔助電容(C1)、第四輔助電容(C4)和第一耦合電感(La2)，構(gòu)成第一相的正向支路和反向支路；由上述元件構(gòu)成的第一相正向電路結(jié)構(gòu)如下所述第一耦合電感(La2)、第四輔助電感(L1)與第一正向續(xù)流二極管(D1)相串聯(lián)形成第一串聯(lián)支路，同向串聯(lián)的第一至二正向輔助二極管(D11、D12)形成第二串聯(lián)支路，上述第一串聯(lián)支路和第二串聯(lián)支路同向并聯(lián)，所述第一輔助電容(C1)跨接于上述第一串聯(lián)支路和第二串聯(lián)支路的中點；由上述元件構(gòu)成的第一相反向支路結(jié)構(gòu)如下所述第一耦合電感(La2)、第七輔助電感(L4)與第一反向續(xù)流二極管(D4)相串聯(lián)形成第三串聯(lián)支路，同向串聯(lián)的第一至二反向輔助二極管(D41、D42)形成第四串聯(lián)支路，上述第三串聯(lián)支路和第四串聯(lián)支路同向并聯(lián)，所述第四輔助電容(C4)跨接于上述第三串聯(lián)支路和第四串聯(lián)支路的中點；所述第一耦合電感(La2)與電壓輸入端同名的端連接于第一雙向功率管(S1)上；在第二相中還包括第五、八輔助電感(L2、L5)、第三、四正向輔助二極管(D21、D22)、第三至四反向輔助二極管(D51、D52)、第二輔助電容(C2)、第五輔助電容(C5)和第二耦合電感(Lb2)；構(gòu)成與第一相相同的電路結(jié)構(gòu)；在第三相中還包括第六、九輔助電感(L3、L6)、第五、六正向輔助二極管(D31、D32)、第五六反向輔助二極管(D61、D62)、第三輔助電容(C3)、第六輔助電容(C6)和第三耦合電感(Lc2)；構(gòu)成與第一相相同的電路結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求4所述的三相功率因數(shù)校正電能變換裝置，其特征是所述第一至三主電感(La1、Lb1、Lc1)為帶有中心抽頭的第一至三線圈(La、Lb、Lc)中第一接線端和第二接線端之間的整個線圈，而第一至三耦合電感(La2、Lb2、Lc2)為位于上述中心抽頭和第二接線端之間的線圈部分。
6.如權(quán)利要求4所述的三相功率因數(shù)校正電能變換裝置，其特征是所述第一至三主電感(La1、Lb1、Lc1)和與其相應(yīng)的第一至三耦合電感(La2、Lb2、Lc2)相耦合構(gòu)成第一至三變壓器(La、Lb、Lc)，所述第一至三主電感(La1、Lb1、Lc1)為原邊繞組，所述第一至三耦合電感(La2、Lb2、Lc2)為副邊繞組。
全文摘要
本發(fā)明公開一種三相功率因數(shù)校正電能變換裝置，用一個輔助電感和與之對應(yīng)的主續(xù)流二極管串聯(lián)來減少反向恢復(fù)電流，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷后，由于輔助電感儲存的反向恢復(fù)能量的作用，能有效的使續(xù)流電流轉(zhuǎn)移到主續(xù)流二極管上。上述能量最終轉(zhuǎn)移到輸出，減少了能量損耗，從而提高了整個電路的效率；并且還在主電感上通過增加中心抽頭或是副邊繞組來增加電流轉(zhuǎn)移能量，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷后，增加的電流轉(zhuǎn)移能量與輔助電感儲存的反向恢復(fù)能量共同作用，能有效的使續(xù)流電流全部轉(zhuǎn)移到主續(xù)流二極管上。上述兩部分能量最終都轉(zhuǎn)移到輸出，理想情況下沒有能量損耗，從而進(jìn)一步提高了整個電路的效率。
文檔編號H02M1/12GK1555124SQ20031012100
公開日2004年12月15日 申請日期2003年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月29日
發(fā)明者阮世良, 于啟學(xué) 申請人:艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司