一种兼容升压及降压控制的高效率三相PFC整流器电路及控制方法与流程
一种兼容升压及降压控制的高效率三相pfc整流器电路及控制方法
技术领域
1.本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种兼容升压及降压控制的高效率三相pfc整流器电路及控制方法。
背景技术：
2.随着电力电子装置的广泛使用，特别是许多低功率因数的电力电子的使用，电网中产生大量的谐波，对供电质量、电网损耗都存在一定的影响，严重时会造成设备异常甚至损坏。将功率因数校正技术应用到电力电子设备中，能有效降低谐波对电网的影响，提高设备的效率。因此，高性能的三相整流器显得尤为重要。此外，多电飞机的发电机输出交流电压通常有3～5倍甚至更宽变化范围，通常情况下，输入电压范围越宽，电源变换器的变换效率越低，急切需要既能适应宽电压范围输入也能实现电网谐波抑制的高效率电源变换器技术。
3.目前在三相整流器领域，三相整流器工作在降压模式时，为防止直流侧电感电流断续，三相整流器要求每个时刻有一桥臂直通，即通过三相桥臂构成电感电流续流回路，效率较低，不适用于大功率应用场合。因此，在一些输入电压范围很宽、功率因数要求比较高及要求高变换效率的场合，现有拓扑无法满足要求。
技术实现要素：
4.为解决上述技术问题，本发明提供了一种兼容升压及降压控制的高效率三相pfc整流器电路及控制方法。
5.本发明通过以下技术方案得以实现。
6.本发明提供的一种兼容升压及降压控制的高效率三相pfc整流器电路，包括输入滤波电路、功率开关电路、输出滤波电路以及控制电路，所述输入滤波电路与功率开关电路连接，功率开关电路与输出滤波电路连接，控制电路的输出端与功率开关电路连接；
7.所述输入滤波电路包括电感la、电感lb、电感lc、电容ca、电容cb以及电容cc；所述功率开关电路包括功率桥电路与续流电路，所述功率桥电路包含功率mos管qa1、功率mos管qa2、功率mos管qa3、功率mos管qa4、功率mos管qb1、功率mos管qb2、功率mos管qb3、功率mos管qb4、功率mos管qc1、功率mos管qc2、功率mos管qc3以及功率mos管qc4，所述续流电路包括功率mos管qd；所述输出滤波电路包括电感ldc以及电容co；
8.所述电感la的一端与a相电压连接，另一端与电容ca的一端连接；电感lb的一端与b相电压连接，另一端与电容cb的一端连接；电感lc的一端与c相电压连接，另一端与电容cc的一端连接；电容ca的另一端、电容cb的另一端以及电容cc的另一端相连接；
9.所述电感ldc的一端与电容co的一端相连接，电感ldc的另一端与电容co的另一端分别与控制电路连接；
10.所述功率mos管qa1的漏极与电感ldc的另一端相连，功率mos管qa1的源极与功率
mos管qa2的源极相连，功率mos管qa2的漏极与电感la的另一端相连，功率mos管qa1的栅极与功率mos管qa2的栅极相连；功率mos管qa3的漏极与电感la的另一端相连，功率mos管qa3的源极与功率mos管qa4的源极相连，功率mos管qa4的漏极与电容co的另一端相连，功率mos管qa3的栅极与功率mos管qa4的栅极相连；所述功率mos管qb1的漏极与电感ldc的另一端相连，功率mos管qb1的源极与功率mos管qb2的源极相连，功率mos管qb2的漏极与电感lb的另一端相连，功率mos管qb1的栅极与功率mos管qb2的栅极相连；功率mos管qb3的漏极与电感lb的另一端相连，功率mos管qb3的源极与功率mos管qb4的源极相连，功率mos管qb4的漏极与电容co的另一端相连，功率mos管qb3的栅极与功率mos管qb4的栅极相连；所述功率mos管qc1的漏极与电感ldc的另一端相连，功率mos管qc1的源极与功率mos管qc2的源极相连，功率mos管qc2的漏极与电感lc的另一端相连，功率mos管qc1的栅极与功率mos管qc2的栅极相连；功率mos管qc3的漏极与电感lc的另一端相连，功率mos管qc3的源极与功率mos管qc4的源极相连，功率mos管qc4的漏极与电容co的另一端相连，功率mos管qc3的栅极与功率mos管qc4的栅极相连；功率mos管qd的漏极与电感ldc的另一端相连，功率mos管qd的源极与电容co的另一端相连。
11.进一步的，还包括辅助电源，所述辅助电源与控制电路连接。
12.进一步的，所述电感ldc的另一端与辅助电源连接。
13.进一步的，所述电容co的另一端与辅助电源连接。
14.进一步的，还包括电阻rl，所述电阻rl与电容co并联连接。
15.进一步的，所述控制电路输入端接入三相输入电压信号与三相输入电流信号，输出端接入功率开关电路。
16.一种兼容升压及降压控制的高效率三相pfc整流器电路的控制方法，包括以下步骤：
17.步骤1，判断三相pfc整流器的三相输入电压与直流输出电压设定值udc之间的数值关系；
18.步骤2，根据步骤1所得的数值关系进行升压控制、降压控制及同步整流控制工作模式的切换，具体为：
19.当直流输出电压设定值vref满足时，三相整流变换器工作在降压模式；
20.当直流输出电压设定值vref满足时，三相整流变换器工作在升压模式；
21.当直流输出电压设定值vref满足时，三相整流变换器工作在同步整流模式；
22.其中，vref为直流输出电压设定值，um为整流器三相输入电压的线电压峰值，δu％代表电网电压的波动范围。
23.进一步的，所述三相输入电压的幅值相同，相位依次相差120
°
。
24.本发明的有益效果在于：通过本发明的实施，在三相pfc整流器桥臂使用6组反向连接的mos管，实现网侧高功率因数及适应宽输入交流电压的功能；相应的控制方法解决了
现有技术中只能升压控制或降压控制，直流侧输出电压调节范围小的问题；对于本兼容升压及降压控制的三相pfc整流器，桥臂mos管关断时，输入与输出隔离，不存在电流通路；本发明的电路中，同一相的上、下桥臂直通工况是一个正常运行状态，不会损坏整流器。因此具有较低启动电流与可靠的短路电流抑制能力。三相整流器工作在降压模式时，为防止直流侧电感电流断续，通过元器件qd构成电感电流续流回路。可使续流时损耗降为用桥臂续流损耗的1/4，可极大地提高变换器效率，降低产品散热设计难度，提高可靠性，使其可用于大功率应用场合。相比传统三相boost pfc整流器或buck pfc整流器，本发明具有结构简单、网侧输入电压范围宽、变换效率高、功率因数高、控制简单、成本低等突出优势。
附图说明
25.图1为本发明的电路拓扑结构框图；
26.图2为本发明的功率桥电路图；
27.图3为本发明的整流器控制原理框图；
28.图4为本发明的整流器降压模式输出控制逻辑图。
具体实施方式
29.下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
30.如图1-2所示，一种兼容升压及降压控制的高效率三相pfc整流器电路，包括输入滤波电路、功率开关电路、输出滤波电路以及控制电路，输入滤波电路与功率开关电路连接，功率开关电路与输出滤波电路连接，控制电路的输出端与功率开关电路连接；输入滤波电路包括电感la、电感lb、电感lc、电容ca、电容cb以及电容cc；功率开关电路包括功率桥电路与续流电路，功率桥电路包含功率mos管qa1、功率mos管qa2、功率mos管qa3、功率mos管qa4、功率mos管qb1、功率mos管qb2、功率mos管qb3、功率mos管qb4、功率mos管qc1、功率mos管qc2、功率mos管qc3以及功率mos管qc4，续流电路包括功率mos管qd；输出滤波电路包括电感ldc以及电容co；电感la的一端与a相电压连接，另一端与电容ca的一端连接；电感lb的一端与b相电压连接，另一端与电容cb的一端连接；电感lc的一端与c相电压连接，另一端与电容cc的一端连接；电容ca的另一端、电容cb的另一端以及电容cc的另一端相连接；电感ldc的一端与电容co的一端相连接，电感ldc的另一端与电容co的另一端分别与控制电路连接；功率mos管qa1的漏极与电感ldc的另一端相连，功率mos管qa1的源极与功率mos管qa2的源极相连，功率mos管qa2的漏极与电感la的另一端相连，功率mos管qa1的栅极与功率mos管qa2的栅极相连；功率mos管qa3的漏极与电感la的另一端相连，功率mos管qa3的源极与功率mos管qa4的源极相连，功率mos管qa4的漏极与电容co的另一端相连，功率mos管qa3的栅极与功率mos管qa4的栅极相连；功率mos管qb1的漏极与电感ldc的另一端相连，功率mos管qb1的源极与功率mos管qb2的源极相连，功率mos管qb2的漏极与电感lb的另一端相连，功率mos管qb1的栅极与功率mos管qb2的栅极相连；功率mos管qb3的漏极与电感lb的另一端相连，功率mos管qb3的源极与功率mos管qb4的源极相连，功率mos管qb4的漏极与电容co的另一端相连，功率mos管qb3的栅极与功率mos管qb4的栅极相连；功率mos管qc1的漏极与电感ldc的另一端相连，功率mos管qc1的源极与功率mos管qc2的源极相连，功率mos管qc2的漏极与电感lc的另一端相连，功率mos管qc1的栅极与功率mos管qc2的栅极相连；功率mos管qc3的漏极
与电感lc的另一端相连，功率mos管qc3的源极与功率mos管qc4的源极相连，功率mos管qc4的漏极与电容co的另一端相连，功率mos管qc3的栅极与功率mos管qc4的栅极相连；功率mos管qd的漏极与电感ldc的另一端相连，功率mos管qd的源极与电容co的另一端相连。
31.还包括辅助电源，辅助电源与控制电路连接；电感ldc与电容co的另一端均与辅助电源连接。还包括电阻rl，电阻rl与电容co并联连接。控制电路输入端接入三相输入电压信号与三相输入电流信号，输出端接入功率开关电路。
32.使用时，三相交流电源连接输入滤波电路，输入滤波电路的输出端连接有三相整流器网络，三相整流器输出端接续流电路，续流电路后端接输出滤波电路，输出滤波电路输出正负极之间接有负载。
33.整流器交流侧三相输入电压和整流桥开关管的开关状态决定了整流器的工作状态。因此，在分析本整流器的工作原理时，首先要分析整流桥开关管的开关状态。本整流器的控制方法，具体按照以下步骤实施：
34.步骤1，判断三相pfc整流器的三相输入电压与直流输出电压设定值udc之间的数值关系；
35.步骤2，根据步骤1所得的数值关系进行升压控制、降压控制及同步整流控制工作模式的切换，具体为：
36.当直流输出电压设定值vref满足时，三相整流变换器工作在降压模式；当直流输出电压设定值vref满足时，三相整流变换器工作在升压模式；当直流输出电压设定值vref满足时，三相整流变换器工作在同步整流模式；
37.其中，vref为直流输出电压设定值，um为整流器三相输入电压的线电压峰值，δu％代表电网电压的波动范围。三相输入电压的幅值相同，相位依次相差120
°
。
38.为了便于分析整流器的整个工作过程，现作以下假设：1、网侧三相电压va，vb，vc幅值相同，相位依次相差120
°
；2、不考虑输入电感的饱和问题；3、不考虑功率开关管的死区时间；4、三相整流器工作在单位功率因数状态下运行。
39.整流器工作在升压模式时，由图1及图2所示的整流器主电路结构可知，整流器共有a、b、c三相桥臂，每一相上、下桥臂的开关信号满足互补的逻辑关系。为防止因桥臂直通而导致电路出现过流问题，需要对处于同一桥臂上的开关管驱动信号设置死区时间。三相整流器的驱动信号是由正弦调制波和三角载波比较后得到，该信号称为二值逻辑信号。对于pwm调制来说，由于每相桥臂共有两种开关模式，即上桥臂开通或者下桥臂开通，利用二值逻辑开关函数pk(k＝a，b，c)描述，即
[0040][0041]
当pk＝1时，上桥臂开关管导通，当pk＝-1时，下桥臂开关管导通，则六桥臂开关管共计有23＝8种组合工作模态，在目标矢量合成时，选取合适的零状态可以最大限度减少开关状态转变，使系统运行更加稳定。
[0042][0043]
式(2)中xa、xb、xc表示一个开关周期内维持高电平导通的时间。
[0044]
整流器工作在降压模式时，为防止直流侧电感电流断续，通过元器件qd构成电感电流续流回路。
[0045]
由于二值逻辑信号无法表示出桥臂直通的情况，因此需要用新的开关逻辑信号来进行控制，此信号称为三值逻辑信号k(k＝a,b,c)，可以表示为：
[0046][0047]
根据式(3)所示的三值逻辑信号表达式可知，三相整流器降压工作存有9种工作模态。三值逻辑信号为全0时，元器件qd打开，元器件qd压降只有采用同一桥臂续流方式压降的1/4，因此直流侧自主选择通过元器件qd进行同步续流，代替传统的零矢量续流模式。这不仅省去了60
°
区间判断和零状态判断等逻辑控制环节，而且显著降低了整流器的导通功率损耗，保证了直流侧电感电流始终存在通路。在一个调制波周期开关状态切换过程中，为减小开关损耗，选择开关管状态时，还应遵循各工作模式转换时开关管切换次数最少的原则。
[0048][0049]
式(4)中sk(k＝a，b，c)，sa＝1表示a相电压大于0，sb＝1表示b相电压大于0，sc＝1表示a相电压大于0。
[0050]
图1给出了兼容三相可升压及降压控制的pfc电路拓扑结构，图2为三相全桥电路图，其中va，vb，vc为网侧相电压；ia，ib，ic为网侧相电流；isa，isb，isc为交流侧电流；电感la，lb，lc和电容ca，cb，cc构成网侧lc滤波器，其作用是滤除交流侧高频谐波，使电网相电流正弦化，当整流器升压工作时作储能电感用；每个半桥臂上元器件qx1与qx2反向串联，增强了开关管反向阻断能力；为防止直流侧电感电流断续，通过元器件qd构成电感电流续流回路；直流侧电感ldc和电容co共同作用保证输出电压电流平稳。vdc为直流侧输出端电压；ildc为直流侧电感电流；idc为直流电流；rl为负载电阻。
[0051]
三相整流器网络包含有6组反向连接的mos管，功率mos管qx1的漏极与直流侧滤波
电路输入端相连，功率mos管qx1的源极与功率mos管qx2的源极相连，功率mos管qx2的漏极与交流侧滤波电路输出端相连，功率mos管qx1的栅极与功率mos管qx2的栅极相连；功率mos管qx3的漏极与交流侧滤波电路输出端相连，功率mos管qx3的源极与功率mos管qx4的源极相连，功率mos管qx4的漏极与直流侧负极相连，功率mos管qx3的栅极与功率mos管qx4的栅极相连，其中x为a、b、c。功率mos管qx1与功率mos管qx2同通断，功率mos管qx3的栅极与功率mos管qx4同通断。功率mos管栅极无驱动时，功率mos管qx1及功率mos管qx3可防止电流从直流输出端流向交流输入端。
[0052]
三相整流器工作在升压模式时，每一相上、下桥臂的开关信号满足互补的逻辑关系。为防止因桥臂直通而导致电路出现过流问题，对处于同一桥臂上的开关管驱动信号设置死区时间。三相整流器的驱动信号是由正弦调制波和三角载波比较后得到，同一个时刻，每一相只有上桥臂开通或者下桥臂开通。
[0053]
三相整流器工作在降压模式，三值逻辑信号为全0时，元器件qd打开，保证了直流侧电感电流始终存在通路。在一个调制波周期开关状态切换过程中，为减小开关损耗，选择开关管状态时，应遵循各工作模式转换时开关管切换次数最少的原则。
[0054]
本发明通过在整流器输出端添加一mos管构成电感电流续流回路，可使续流时损耗降为用桥臂续流损耗的1/4，这不仅省去了60
°
区间判断和零状态判断等逻辑控制环节，而且显著降低了整流器的导通功率损耗，可极大地提高变换器效率，使其可用于大功率应用场合。相比传统三相boost pfc整流器或buck pfc整流器，本发明具有结构简单、网侧输入电压范围宽、变换效率高、功率因数高、控制简单、成本低等突出优势。
技术特征：
1.一种兼容升压及降压控制的高效率三相pfc整流器电路，其特征在于：包括输入滤波电路、功率开关电路、输出滤波电路以及控制电路，所述输入滤波电路与功率开关电路连接，功率开关电路与输出滤波电路连接，控制电路的输出端与功率开关电路连接；所述输入滤波电路包括电感la、电感lb、电感lc、电容ca、电容cb以及电容cc；所述功率开关电路包括功率桥电路与续流电路，所述功率桥电路包含功率mos管qa1、功率mos管qa2、功率mos管qa3、功率mos管qa4、功率mos管qb1、功率mos管qb2、功率mos管qb3、功率mos管qb4、功率mos管qc1、功率mos管qc2、功率mos管qc3以及功率mos管qc4，所述续流电路包括功率mos管qd；所述输出滤波电路包括电感ldc以及电容co；所述电感la的一端与a相电压连接，另一端与电容ca的一端连接；电感lb的一端与b相电压连接，另一端与电容cb的一端连接；电感lc的一端与c相电压连接，另一端与电容cc的一端连接；电容ca的另一端、电容cb的另一端以及电容cc的另一端相连接；所述电感ldc的一端与电容co的一端相连接，电感ldc的另一端与电容co的另一端分别与控制电路连接；所述功率mos管qa1的漏极与电感ldc的另一端相连，功率mos管qa1的源极与功率mos管qa2的源极相连，功率mos管qa2的漏极与电感la的另一端相连，功率mos管qa1的栅极与功率mos管qa2的栅极相连；功率mos管qa3的漏极与电感la的另一端相连，功率mos管qa3的源极与功率mos管qa4的源极相连，功率mos管qa4的漏极与电容co的另一端相连，功率mos管qa3的栅极与功率mos管qa4的栅极相连；所述功率mos管qb1的漏极与电感ldc的另一端相连，功率mos管qb1的源极与功率mos管qb2的源极相连，功率mos管qb2的漏极与电感lb的另一端相连，功率mos管qb1的栅极与功率mos管qb2的栅极相连；功率mos管qb3的漏极与电感lb的另一端相连，功率mos管qb3的源极与功率mos管qb4的源极相连，功率mos管qb4的漏极与电容co的另一端相连，功率mos管qb3的栅极与功率mos管qb4的栅极相连；所述功率mos管qc1的漏极与电感ldc的另一端相连，功率mos管qc1的源极与功率mos管qc2的源极相连，功率mos管qc2的漏极与电感lc的另一端相连，功率mos管qc1的栅极与功率mos管qc2的栅极相连；功率mos管qc3的漏极与电感lc的另一端相连，功率mos管qc3的源极与功率mos管qc4的源极相连，功率mos管qc4的漏极与电容co的另一端相连，功率mos管qc3的栅极与功率mos管qc4的栅极相连；功率mos管qd的漏极与电感ldc的另一端相连，功率mos管qd的源极与电容co的另一端相连。2.如权利要求1所述的兼容升压及降压控制的高效率三相pfc整流器电路，其特征在于：还包括辅助电源，所述辅助电源与控制电路连接。3.如权利要求2所述的兼容升压及降压控制的高效率三相pfc整流器电路，其特征在于：所述电感ldc的另一端与辅助电源连接。4.如权利要求2所述的兼容升压及降压控制的高效率三相pfc整流器电路，其特征在于：所述电容co的另一端与辅助电源连接。5.如权利要求1所述的兼容升压及降压控制的高效率三相pfc整流器电路，其特征在于：还包括电阻rl，所述电阻rl与电容co并联连接。6.如权利要求1所述的兼容升压及降压控制的高效率三相pfc整流器电路，其特征在于：所述控制电路输入端接入三相输入电压信号与三相输入电流信号，输出端接入功率开
关电路。7.如权利要求1-6任一所述的兼容升压及降压控制的高效率三相pfc整流器电路的控制方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1，判断三相pfc整流器的三相输入电压与直流输出电压设定值udc之间的数值关系；步骤2，根据步骤1所得的数值关系进行升压控制、降压控制及同步整流控制工作模式的切换，具体为：当直流输出电压设定值vref满足时，三相整流变换器工作在降压模式；当直流输出电压设定值vref满足时，三相整流变换器工作在升压模式；当直流输出电压设定值vref满足时，三相整流变换器工作在同步整流模式；其中，vref为直流输出电压设定值，um为整流器三相输入电压的线电压峰值，δu％代表电网电压的波动范围。8.如权利要求7所述的兼容升压及降压控制的高效率三相pfc整流器电路的控制方法，其特征在于：所述三相输入电压的幅值相同，相位依次相差120
°
。
技术总结
一种兼容升压及降压控制的高效率三相PFC整流器电路与控制方法，电路包括输入滤波电路、功率开关电路、输出滤波电路以及控制电路，通过本发明的实施，在功率开关电路使用6组反向连接的MOS管，解决了现有技术中只能升压控制或降压控制、直流侧输出电压调节范围小的问题；通过在整流器输出端添加一MOS管构成电感电流续流回路，显著降低了整流器续流时的导通功率损耗，可极大地提高变换器效率，使其可用于大功率应用场合，相比传统三相Boost PFC整流器或BuckPFC整流器，本发明具有结构简单、网侧输入电压范围宽、变换效率高、功率因数高、控制简单、成本低等突出优势。成本低等突出优势。成本低等突出优势。
