一種帶遲滯比較功能的整流器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種帶遲滯比較功能的整流器，包括主電路、檢測電路和控制電路，主電路與負載相連，控制電路包括依次串接的滯環(huán)比較單元、信號處理單元、處理器、功率管驅動單元，檢測電路的輸入端與主電路相連，檢測電路的輸出端與滯環(huán)比較單元的輸入端相連，功率管驅動單元的輸出端與主電路相連。檢測電路采集整流器三相輸入端的電流值、直流輸出側的電壓值以及直流側上下兩電容的電壓值并送入滯環(huán)比較單元，滯環(huán)比較單元輸出信號至處理器，得到功率開關管的開關信號，功率管驅動單元驅動開關管通斷，達到穩(wěn)定輸出電壓、平衡中點電壓的目的，具有簡單易實現(xiàn)、控制效果好的特點。
【專利說明】
一種帶遲滯比較功能的整流器
技術領域
[0001] 本實用新型涉及電力電子技術領域，特別涉及一種帶遲滯比較功能的整流器。
【背景技術】
[0002] 目前很多電力電子裝置在電能變換應用方面給人們帶來了許多便利，但同時也帶 來了嚴重的諧波和無功污染，若能夠減小輸入電流諧波含量，則對改善整流器的性能、提高 系統(tǒng)的功率因數(shù)具有非常重要的意義。因此，研究高功率因數(shù)和低諧波的整流裝置已成為 電力電子領域一個熱門方向。VIENNA整流器具有功率因數(shù)高、輸入電流Thdi低、開關器件 少、可靠性高等優(yōu)點，對其深入研究具有很重要的意義。傳統(tǒng)VIENNA整流器存在中點波動的 問題，中點波形會帶來諧波，故研究一種平衡中點電壓的控制方法尤為迫切。

【發(fā)明內容】

[0003] 為了解決上述技術問題，本實用新型提供一種結構簡單、能平衡中點電壓的帶遲 滯比較功能的整流器。
[0004] 本實用新型解決上述問題的技術方案是：一種帶遲滯比較功能的整流器，包括主 電路、檢測電路和控制電路，所述主電路與負載相連，所述控制電路包括依次串接的滯環(huán)比 較單元、信號處理單元、處理器、功率管驅動單元，所述檢測電路的輸入端與主電路相連，檢 測電路的輸出端與滯環(huán)比較單元的輸入端相連，所述功率管驅動單元的輸出端與主電路相 連。
[0005] 上述帶遲滯比較功能的整流器中，所述主電路包括依次串接的三相輸入單元、光 耦隔離單元、整流濾波單元、降壓單元，降壓單元與負載相連。
[0006] 上述帶遲滯比較功能的整流器中，所述檢測電路包括三相電壓采樣單元、三相電 流采樣單元和直流輸出采樣單元，所述三相電壓采樣單元的輸入端與光親隔離單元的輸出 端相連，三相電壓采樣單元的輸出端與滯環(huán)比較單元的輸入端相連，三相電流采樣單元的 輸入端與光耦隔離單元的輸出端相連，三相電流采樣單元的輸出端與滯環(huán)比較單元的輸入 端相連，直流輸出采樣單元的輸入端與降壓單元的輸出端相連，直流輸出采樣單元的輸出 端與滯環(huán)比較單元的輸入端相連。
[0007] 上述帶遲滯比較功能的整流器中，所述控制電路還包括過電壓檢測單元和過電流 檢測單元，所述過電壓檢測單元的輸入端與三相電壓采樣單元的輸出端相連，過電壓檢測 單元的輸出端與處理器相連，過電流檢測單元的輸入端與三相電流采樣單元的輸出端相 連，過電流檢測單元的輸出端與處理器相連。
[0008] 上述帶遲滯比較功能的整流器中，所述信號處理單元與處理器之間還設有信號鉗 位保護單元。
[0009] 本實用新型的有益效果在于:本實用新型的檢測電路采集整流器三相輸入端的電 流值、直流輸出側的電壓值以及直流側上下兩電容的電壓值，然后將采集到的輸出電壓值、 輸入側的電流值、直流側上下電容的電壓值送入滯環(huán)比較單元，最后滯環(huán)比較單元輸出信 號至處理器，得到功率開關管的開關信號，功率管驅動單元驅動開關管通斷，達到穩(wěn)定輸出 電壓、平衡中點電壓的目的，具有簡單易實現(xiàn)、控制效果好的特點。
【附圖說明】
[0010]圖1為本實用新型的結構框圖。
[0011] 圖2為圖1中主電路的拓撲結構圖。
[0012] 圖3為圖1中三相電壓采樣單元的電路圖。
[0013]圖4為圖1中二相電流米樣單兀的電路圖。
[0014] 圖5為圖1中直流輸出采樣單元的電路圖。
[0015] 圖6為圖1中滯環(huán)比較單元的電路圖。
[0016] 圖7為本實用新型滯環(huán)控制下的不同工作狀態(tài)圖示意。
[0017] 圖8為本實用新型直流側輸出電壓、網(wǎng)側相電壓電流仿真波形圖。
[0018] 圖9為本實用新型直流輸出側兩電容兩端電壓的仿真圖。
【具體實施方式】
[0019] 下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步的說明。
[0020] 如圖1所示，本實用新型包括主電路、檢測電路和控制電路。
[0021] 所述主電路包括依次串接的三相輸入單元、光耦隔離單元、整流濾波單元、降壓單 元，降壓單元與負載相連。
[0022] 所述控制電路包括依次串接的滯環(huán)比較單元、信號處理單元、信號鉗位保護單元、 處理器、功率管驅動單元，處理器采用DSP控制器，所述檢測電路的輸入端與主電路相連，檢 測電路的輸出端與滯環(huán)比較單元的輸入端相連，所述功率管驅動單元的輸出端與降壓單元 相連。所述控制電路還包括過電壓檢測單元和過電流檢測單元，所述過電壓檢測單元的輸 入端與三相電壓采樣單元的輸出端相連，過電壓檢測單元的輸出端與處理器相連，過電流 檢測單元的輸入端與三相電流采樣單元的輸出端相連，過電流檢測單元的輸出端與處理器 相連。
[0023]所述檢測電路包括三相電壓采樣單元、三相電流采樣單元和直流輸出采樣單元， 所述三相電壓采樣單元的輸入端與光耦隔離單元的輸出端相連，三相電壓采樣單元的輸出 端與滯環(huán)比較單元的輸入端相連，三相電流采樣單元的輸入端與光耦隔離單元的輸出端相 連，三相電流采樣單元的輸出端與滯環(huán)比較單元的輸入端相連，直流輸出采樣單元的輸入 端與降壓單元的輸出端相連，直流輸出采樣單元的輸出端與滯環(huán)比較單元的輸入端相連。 [0024]圖2為主電路拓撲結構圖，其中Ua、Ub、Uc為三相交流輸入電壓，Ls為輸入電感，Sa、 313、3〇為功率型器件1]1〇8€61:，01、04為4相橋臂的上下兩二極管，02、05為13相橋臂的上下兩二 極管，D3、D6為C相橋臂的上下兩二極管，C1、C2為輸出端上下兩電容，R1、R2為并聯(lián)在C1、C2 兩端起均壓作用的兩均壓電阻，Udc為直流側輸出電壓，Rout為負載電阻。
[0025]圖3為本實用新型三相電壓采樣單元的電路圖，其中三相輸入電壓U相通過電阻 R11與R12串聯(lián)接地，通過設置R11與R12的阻值使得R12分壓得到η倍(n〈l)U相電壓，作為第 一個LF353MX運放的輸入信號，由于U相電壓中含有高頻諧波，故在其輸入之前加入電容C11 與電阻R13構成RC濾波器，濾除掉從市電夾雜的干擾信號，LF353MX運放通過一個+5V和一 個-5V供電，電容C12和C13同樣是濾波，第一個運放LF353MX的作用就是電壓跟隨隔離，由于 DSP芯片能識別的電壓范圍為0-3，3V，故在輸入DSP芯片之前需要做處理，由于此時的R14的 左端信號為一個峰值小于3V的正弦信號，信號有負值，此時通過加入+3V電壓將其最低點拉 高到零值之上，此時得到一個在X軸上方的正弦信號波，第二個運放LM353MX同樣是跟隨隔 離的作用，電阻R16與電容C14構成RC濾波，得到最后信號供DSP芯片識別處理。
[0026] 圖4為本實用新型三相電流采樣單元的電路圖，其中在U相輸入線中串聯(lián)一個功率 電阻(分流器），功率電阻兩端分別標號為U1和U2，+5V為HCPL-7840-300E芯片供電，電容C21 與C23為+5V供電電源濾波，使得芯片工作更加穩(wěn)定，電阻R21與電容C22串聯(lián)接地形成RC濾 波器，HCPL-7840-300E芯片起到的作用是一個光耦隔離和一個信號放大的作用，信號放大 倍數(shù)為8倍，電阻R24與電容C24構成RC并聯(lián)濾波器，電阻R22、R23、R25為第一個運放LF353MX 構成差分放大器的放大倍數(shù)，放大倍數(shù)為R25/R23(R22)，電容C25、C26、C27都是濾波電容， 第二個運放LF353MX的作用是電壓跟隨，同時也起到隔離的作用，由于DSP芯片能識別的電 壓范圍為0-3，3V，故在輸入DSP芯片之前需要做處理，由于此時的R27的左端信號為一個峰 值小于3V的正弦信號，信號有負值，此時通過加入+3V電壓將其最低點拉高到零值之上，此 時得到一個在X軸上方的正弦信號波，電阻R29與電容C28構成RC濾波器，第三個運放 LM353MX的作用是信號跟隨與隔離，電容C29與電容C210為其運放的供電濾波電容，電阻 R21 〇與電容C211構成RC濾波器，濾除輸出信號的高頻干擾信號。
[0027] 圖5為本實用新型直流輸出采樣單元的電路圖，其中電容C31并聯(lián)在輸出電壓Udc 與地之間，濾除輸出電壓中夾雜的干擾信號，電容C32與電阻R33構成RC濾波器，電阻R31、 R32、R34構成運放LF353MX的差分信號的放大倍數(shù)，放大倍數(shù)為R4/R1 (R2)，將此大電壓通過 適當?shù)姆糯蟊稊?shù)（放大倍數(shù)小于1)得到一個0-3.3V之間的信號，電容，34、C35為運放 LF353MX的+5V供電電源的濾波電容，電阻R35與電容C36構成RC濾波器，濾除最后輸出的信 號的高頻干擾。
[0028] 圖6為本實用新型滯環(huán)比較單元的電路圖，其中Aia為通過電壓外環(huán)、電流內環(huán)、 中點電壓補償處理后得到最終信號，LM393為比較器，上面比較器的+端與下面的比較器的-端連接在一起，構成滯環(huán)比較器的輸入端，電阻R41、R43,電阻R42、R44構成了滯環(huán)比較器的 滯環(huán)上限大小和滯環(huán)下限大小，通過SR觸發(fā)器從Q端輸出，此信號構成或非門MC14081BDR2G 的一個輸入，另一個輸入由通過鎖相環(huán)處理三相輸入電壓得到的跟隨三相電壓動態(tài)的波形 信號，最后得到功率開關管的驅動信號。
[0029]本實用新型的工作原理如下：
[0030]步驟一:檢測電路采集整流器輸入側三相電流、輸出側直流電壓及輸出側上下兩 電容的電壓值；
[0031] 步驟二:利用輸出側直流電壓作為反饋與基準電壓作比較得到的差值作為電壓外 環(huán)PI控制信號，再將此控制信號做處理輸入電流內環(huán)，同時通過采集到的三相輸入電流也 作為電流內環(huán)控制的輸入信號，此外，由于需要考慮中點電壓平衡，引入輸出側兩電容的電 壓值作差后再作比例放大處理、限幅處理后輸入電流內環(huán)控制，電流內環(huán)控制器輸出信號 即為功率開關管Mosfet的開關信號。達到的效果輸出電壓穩(wěn)定，中點電壓平衡。
[0032] 步驟二具體過程為:采用典型Π 型系統(tǒng)來設計電壓外環(huán)控制器，得到電壓外環(huán)傳 遞函數(shù)Gs，
[0033]
[0034] 上式中T為元器件的慣性時間常數(shù)，KdPI調節(jié)器的的比例參數(shù)，ΚΑΡΙ調節(jié)器的 積分參數(shù)，C為電壓輸出端電容的值，S為復參數(shù)。
[0035] 而中頻寬定義為：
[0036]
[0037]綜合考慮電壓外環(huán)的抗擾性能和跟隨性能，工程實踐中一般取值hv=5。
[0038] 由典型Π 型系統(tǒng)控制器參數(shù)整定關系可得：
[0039]
[0040] 慣性時間常數(shù)T取值為1.78X 10_8,電容C的取值為2mF。
[0041] 電流內環(huán)控制采用一個非線性的滯環(huán)比較單元作為控制調節(jié)器，滯環(huán)控制的環(huán)寬 度h的選取需要綜合考慮電網(wǎng)側諧波和開關的頻率，h的值越小，網(wǎng)側電流的諧波雖減小，但 開關頻率高，由于受器件性能限制，開關頻率不能太高，需要適當選取，一般h的值選取如下 公式：
[0042] h>Udc*T/(18L)
[0043] 上式中：T為采樣周期;L為輸入電感。
[0044]考慮中點電壓平衡，引入額外參數(shù)icp = k*AUc，Uc為輸出兩串聯(lián)電容的差值，k為 補償系數(shù)，得到滯環(huán)比較的開關邏輯表達式如下：
[0045]
[0046]
[0047]式中分別表示為a相、b相、c相的開關狀態(tài)，k表示為采樣到的輸 入電流，ξ表示為經(jīng)電壓外環(huán)整定后的參考電流，h表示為滯環(huán)寬度。
[0048] 圖7為滯環(huán)控制下的不同工作狀態(tài)，（l)Ua>0時，當(/>')'> A時，上比較器輸 出端為〇,下比較器輸出端為1，即SR觸發(fā)器S = 0，R=1，得到Q=1，Q為輸入開關管開關信號， 艮PS=1，開關管開通；當+')-& </*時，上比較器輸出端為1，下比較器輸出端為0,即SR觸 發(fā)器S=1，R = 0,得至UQ = 0，Q為輸入開關管開關信號，即S = 0,開關管關斷；當?shù)?值處于_h與h之間時，s上比較器輸出端為0,下比較器輸出端為0,即SR觸發(fā)器S = 0，R = 0,此 時為保持狀態(tài)，輸出保持上一時刻的值。
[0049] 該開關邏輯從VIENNA拓撲結構上分析可以清晰的得到各個狀態(tài)的電流流向，以A 相為例進行說明，規(guī)定電流正方向為流入開關管的方向，分析如下：
[0050] (l)Ua>0時，開關管51導通，開關管&的反向并聯(lián)二極管導通，此時電感儲能，電感 電流增大，當增大到滯環(huán)上限值(? A時，開關管31關斷，電感通過橋臂上橋臂二極管 對心充電并對負載供電，此時電感電流減小，當減小到滯環(huán)下限值々時，Si重新導 通。
[0051] (2)Ua<0時，開關管&導通，開關管&的反向并聯(lián)二極管導通，此時電感儲能，電感 電流減小，當減小到滯環(huán)下限值〇>以4時，開關管&關斷，電感通過橋臂上橋臂二極管對 C2充電并對負載供電，此時電感電流增大，當增大到滯環(huán)上限值々時，&重新導通。
[0052] 圖8、圖9為直流側輸出電壓、網(wǎng)側相電壓電流仿真波形和直流輸出側兩電容的電 壓仿真波形圖，由仿真波形可見，經(jīng)滯環(huán)控制后，電流總諧波含量THD = 2.23%，網(wǎng)側功率因 數(shù)PF = 99.93%，輸入線電壓相電流波形跟隨基本一致。輸出側兩電容電壓近似相同，控制 效果較好。
【主權項】
1. 一種帶遲滯比較功能的整流器，其特征在于:包括主電路、檢測電路和控制電路，所 述主電路與負載相連，所述控制電路包括依次串接的滯環(huán)比較單元、信號處理單元、處理 器、功率管驅動單元，所述檢測電路的輸入端與主電路相連，檢測電路的輸出端與滯環(huán)比較 單元的輸入端相連，所述功率管驅動單元的輸出端與主電路相連。2. 根據(jù)權利要求1所述的帶遲滯比較功能的整流器，其特征在于:所述主電路包括依次 串接的三相輸入單元、光親隔離單元、整流濾波單元、降壓單元，降壓單元與負載相連。3. 根據(jù)權利要求2所述的帶遲滯比較功能的整流器，其特征在于:所述檢測電路包括三 相電壓采樣單元、三相電流采樣單元和直流輸出采樣單元，所述三相電壓采樣單元的輸入 端與光耦隔離單元的輸出端相連，三相電壓采樣單元的輸出端與滯環(huán)比較單元的輸入端相 連，三相電流采樣單元的輸入端與光親隔離單元的輸出端相連，三相電流采樣單元的輸出 端與滯環(huán)比較單元的輸入端相連，直流輸出采樣單元的輸入端與降壓單元的輸出端相連， 直流輸出采樣單元的輸出端與滯環(huán)比較單元的輸入端相連。4. 根據(jù)權利要求3所述的帶遲滯比較功能的整流器，其特征在于:所述控制電路還包括 過電壓檢測單元和過電流檢測單元，所述過電壓檢測單元的輸入端與三相電壓采樣單元的 輸出端相連，過電壓檢測單元的輸出端與處理器相連，過電流檢測單元的輸入端與三相電 流采樣單元的輸出端相連，過電流檢測單元的輸出端與處理器相連。5. 根據(jù)權利要求4所述的帶遲滯比較功能的整流器，其特征在于:所述信號處理單元與 處理器之間還設有信號鉗位保護單元。
【文檔編號】H02M1/42GK205622535SQ201620434345
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年5月12日
【發(fā)明人】唐勇奇, 卿騰, 趙懷陽, 林軒, 陳麗娟
【申請人】湖南工程學院