專利名稱：交流升壓功率因數(shù)校正電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是一種交流升壓單相，三相功率因數(shù)校正電路，主要應用于功率因數(shù)校正， 提高功率因數(shù)，以減少電源的諧波對電網(wǎng)的危害，屬于電力電子技術領域。
背景技術：
隨著世界范圍內的工業(yè)化進程加快，能源和環(huán)保得到越來越廣泛的重視。解決能 源問題除了能源合理開發(fā)、尋找新能源外，自身挖潛、提高能源的利用效率在各行業(yè)也提到 了重要的地位。環(huán)境保護也不再限于廢氣、廢渣、噪聲的治理，電磁污染已經被確定為第五 大污染源。諧波污染和射頻污染時典型的電磁污染。材料電加工是耗電量最大的行業(yè)，如各 式各樣的鑄造、焊接、鍛壓、熱處理和機械加工設備，都使用通過電能轉化而來的熱能或動 能。材料加工設備的負載狀況幾乎全部都是非線性很強的，如高頻感應加熱、電弧加熱、電 子束加熱、電解、電鍍以及采用整流輸入的電設備(如調壓設備、變頻調速和逆變電源等)。 這些非線性負載使供電電網(wǎng)中含有大量的高次諧波，一方面使設備的功率因數(shù)大大降低， 造成輸電損耗和供電容量的極大浪費，另一方面嚴重污染電網(wǎng)，影響其他設備的正常運轉， 使計算機控制設備誤動作，甚至會造成配電事故。諧波已經成為一種電力公害，解決的最有 效方法是在設備的輸入端接有諧波抑制裝置。功率因數(shù)校正通常是在橋式整流之后，增加一個Boost電路，如圖1所示，通過功 率元件的開關作用，使輸入電流變成與電網(wǎng)電壓幾乎完全同相得正弦波，可以使電流畸變 率降到5%以下，功率因數(shù)提高到0. 99或更高。其工作的基本原理功率管S(由控制電路控制)導通時，輸入電壓Vin全部加在 電感L上，隨著輸入電壓Vin的上升，通過電感L的電流也隨之上升；當功率管關斷時，電感 產生與輸入電壓同極性的感應電壓VL。此時，功率管兩端的電壓為Vin+VL，該電壓通過二 極管D送到電容C。這樣，輸入電感L的平均電流就會跟蹤正弦電壓的變化，電流波形接近 和電壓同相位的正弦波，使功率因數(shù)接近于1。為實現(xiàn)諧波抑制功能，Boost PFC電路的輸 出電壓UO必須大于整流器輸出的峰值電壓。有源功率因數(shù)校正電路按應用對象的不同分為單相功率因數(shù)校正和三相功率因數(shù)校正，按電路的工作模式有分為電感電流連續(xù)模式(CCM)和電感電流斷續(xù)模式(DCM)。國 內外的電力電子學領域的專家對單相功率因數(shù)校正技術已經進行了深入的研究，并且發(fā)表 了不少的文章，但大多數(shù)研究都是對控制電路及方法的研究，并沒有改變傳統(tǒng)的功率因數(shù) 校正電路的主電路，使得在電源的利用率和大功率設備應用受到限制，所以必須研究新的 功率因數(shù)校正電路拓撲，提高電路的效率。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于，通過提供交流升壓功率因數(shù)校正電路，提高電路的效率，使得電源的利用率和大功率設備得到更加廣泛的應用。
本發(fā)明是采用以下技術手段實現(xiàn)的交流升壓功率因數(shù)校正電路，包括二極管D1、D2、D3、D4 ；功率管M1、M2 ；以及控制功率管的控制電路；其特征在于在單相功率因數(shù)校正電路中，Dl與D3之間設有電感Li， D2與D4之間設有電感L2 ；所述的電感Ll和L2互相耦合，繞制同一磁芯上；其中，V與Dl 的陽極和D2的陰極一端連接；Dl的陰極與電感Ll的一端串聯(lián)；D2的陽極與電感L2的一 端串聯(lián)；兩個帶有反并聯(lián)二極管的功率管Ml和M2串聯(lián)相接；Ll的另一端與功率管Ml的集 電極和二極管D3的陽極一端連；L2的另一端與功率管M2的發(fā)射極和二極管D4的陰極一 端連；電容Cl和C2串聯(lián)相接；Cl兩端并聯(lián)電阻Rl ；C2兩端并聯(lián)電阻R2 ；D3的陰極與電容 Cl的正極和輸出端DC+相連；D4的陽極與電容C2的負極和輸出端DC-連；零線與功率管 (Ml)、(M2)的公共端相連；(Cl)、(C2)的公共端連接在零線上。將所述的Ll和L2合并成一個電感Li，一端和V相連，另一端和二極管Dl的陽極 和二極管D2的陰極一端連；Dl的陰極與功率管Ml的集電極和二極管D3的陽極一端連；D2 的陽極與功率管M2的發(fā)射極和二極管D4的陰極一端連接。前述的功率開關元件Ml和功率開關元件M2采用MOSFET或者IGBT，開關元件的 頻率為5KHz-100KHz ；當采用MOSFET時，功率開關管的反并聯(lián)二極管(DMl)、(DM2)可以用 MOSFET的體二極管代替。前述的電容Cl、C2 為 20uF_3300uF。前述的電阻R1、R2電阻值范圍是2K-100K。前述的電感Li、L2的電感量范圍是0. 05mH-2. OOmH。前述的二極管(Dl)、(D2)、(D3)、(D4)采用具有快恢復特性的二極管。本發(fā)明采用前述的單相功率因數(shù)校正電路，組成一種交流升壓三相功率因數(shù)校正 電路。包括二極管D1、D2、D3、D4 ；功率管Ml、M2 ；以及控制功率管的控制電路；采用對稱 的校正電路；Dl與D3之間設有電感L1，D2與D4之間設有電感L2 ；電感Ll和L2互相耦合， 繞制同一磁芯上；其中，V與Dl的陽極和D2的陰極一端連接；Dl的陰極與電感Ll的一端串 聯(lián)；D2的陽極與電感L2的一端串聯(lián)；兩個帶有反并聯(lián)二極管的功率管Ml和M2串聯(lián)相接； Ll的另一端與功率管Ml的集電極和二極管D3的陽極一端連；L2的另一端與功率管M2的 發(fā)射極和二極管D4的陰極一端連；電容Cl和C2串聯(lián)相接；Cl兩端并聯(lián)電阻Rl ；C2兩端并 聯(lián)電阻R2 ；D3的陰極與電容Cl的正極和輸出端DC+相連；D4的陽極與電容C2的負極和輸 出端DC-相連；各相的零線與功率管Ml、M2的公共端相連；各相的Cl、C2的公共端共同連 接在零線上。前述的交流升壓三相功率因數(shù)校正電路各相的Ll和L2合并成一個電感Li，一端 和V相連，另一端和二極管Dl的陽極和二極管D2的陰極一端連；Dl的陰極與功率管Ml的 集電極和二極管D3的陽極一端連；D2的陽極與功率管M2的發(fā)射極和二極管D4的陰極一
端連接。本發(fā)明交流升壓功率因數(shù)校正電路，與現(xiàn)有技術相比，具有以下明顯的優(yōu)勢和有 益效果本發(fā)明采用交流升壓模式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直流升壓，與一般的PFC電路相比，在功率 通路上減少一個二極管，可以提高電路的效率，同時控制系統(tǒng)可以采用任何一種功率因數(shù) 校正的控制模式，電流采集傳感器Si、S2可以依據(jù)控制模式的不同而改變位置。從電路的器件來看，本發(fā)明電路中的功率開關管Ml和M2因為串聯(lián)，可以很方便的做在一起成為一個元器件，電感Ll和L2因為耦合也可以很方便的做在一起成為一個元器件，與傳統(tǒng)的單相 Boost PFC電路相比，本發(fā)明電路器件只多了一個輸出電容，電路簡單；從控制方式來看，本 發(fā)明電路，我們只要控制當其中一個功率開關管工作時，使另一個開關管關斷，而這是很容 易實現(xiàn)的，可以采用任何一種成熟的單相功率因數(shù)校正的控制方式，如平均電流型控制。由于其三相功率因數(shù)校正電路，因為是將上面所述的三個交流升壓單相的功率因 數(shù)校正電路以星形接法接在三相四線制的電網(wǎng)上，每一相都接一個上面所述的交流升壓單 相功率因數(shù)校正電路，每個模塊都獨立工作。


圖1為傳統(tǒng)的單相Boost PFC電路原理圖；圖2為帶有兩個電感的交流升壓單相功率因數(shù)校正電路原理結構圖；圖3為一個電感的交流升壓單相功率因數(shù)校正電路原理結構圖；圖4為具有六個電感的交流升壓三相功率因數(shù)校正電路原理結構圖；圖5為具有三個電感的交流升壓三相功率因數(shù)校正電路原理結構圖；圖6為本發(fā)明設計的交流升壓單相功率因數(shù)校正電路應用原理圖；圖7為本發(fā)明設計的交流升壓三相功率因數(shù)校正電路應用原理圖；圖8為采用本發(fā)明設計的單相弧焊逆變電源原理圖；圖9為采用本發(fā)明設計的三相弧焊逆變電源原理圖。
具體實施例方式以下結合說明書附圖對本發(fā)明的具體實施例加以說明請參閱圖2所示，本發(fā)明的一種交流升壓單相功率因數(shù)校正電路。V與Dl的陽極 和D2的陰極一端連；Dl的陰極與電感Ll的一端串聯(lián)；D2的陽極與電感L2的一端串聯(lián)；兩 個帶有反并聯(lián)二極管的功率管Ml和M2串聯(lián)相接；Ll的另一端與功率管Ml的集電極和二 極管D3的陽極一端連；L2的另一端與功率管M2的發(fā)射極和二極管D4的陰極一端連；電感 Ll和L2互相耦合，繞制同一磁芯上；電容Cl和C2串聯(lián)相接；Cl兩端并聯(lián)電阻Rl ；C2兩端 并聯(lián)電阻R2 ；D3的陰極與電容Cl的正極和輸出端DC+相連；D4的陽極與電容C2的負極和 輸出端DC-連；零線與功率管M1、M2的公共端相連。C1、C2的公共端建議連在零線上，也可 以不連。請參閱圖3所示，其中電路可以有另一種接法，可以把Ll和L2合并成一個電感 Li，一端和V相連，另一端和二極管Dl的陽極和二極管D2的陰極一端連；Dl的陰極與功率 管Ml的集電極和二極管D3的陽極一端連；D2的陽極與功率管M2的發(fā)射極和二極管D4的 陰極一端連；其它的接法與上面所述一樣。圖4為采用六個電感的交流升壓三相功率因數(shù)校正電路原理結構圖，圖5為采用 具有三個電感的交流升壓三相功率因數(shù)校正電路原理結構圖。將上面所述的三個交流升壓單相的功率因數(shù)校正電路以星形接法接在三相四線 制的電網(wǎng)上，每一相都接一個上面所述的交流升壓單相功率因數(shù)校正電路模塊，但其中三 個交流升壓單相的功率因數(shù)校正電路的輸出端接在一起，再接濾波電容Cl、C2和并聯(lián)在他們兩端的電阻R1、R2。每個模塊的功率管Ml、M2的公共端、濾波電容Cl、C2的公共端和零 線建議接在一起，也可部分連接在一起甚至全都互不連接，也就是本電路不接零線也能正 常工作，電路原理圖如圖4所示。同理它也有另一種接法。本發(fā)明采用交流升壓模式代替?zhèn)?統(tǒng)的直流升壓，與一般的PFC電路相比，在功率通路上減少一個二極管，可以提高電路的效 率，同時控制系統(tǒng)可以采用任何一種功率因數(shù)校正的控制模式，電流采集傳感器Si、S2可 以依據(jù)控制模式的不同而改變位置。一種交流升壓單相功率因數(shù)校正電路，功率開關元件Ml和功率開關元件M2采用MOSFET或者IGBT，采用MOSFET時，功率開關的反并聯(lián)二極管DMl、DM2可以用MOSFET的體 二極管代替。開關頻率可在5KHz到IOOKHz范圍內。所述的電容C1、C2容量范圍是20uF-3300uF，電阻R1、R2電阻值范圍是2K-100K， 其作用是使電容C1、C2兩端電壓相等，電感L1、L2的電感量范圍是0. 05mH-2. OOmH,依據(jù)開 關頻率的大小和電路的輸出功率確定。所述的二極管D1、D2、D3、D4采用具有快恢復特性的二極管。本發(fā)明電路的基本工作原理是當V為正時，功率管Ml工作M2不工作，由D1、L1、 M1、D3、C1組成一單相Boost PFC電路；當V為負時，功率管M2工作Ml不工作，由D2、L2、 M2、D4、C2組成一單相Boost PFC電路，而傳統(tǒng)的單相功率因數(shù)校正電路如圖1所示，當Vin 為正時D2、D4、L、S、D、C組成單相Boost PFC電路，當Vin為負時Dl、D4、L、S、D、C組成一 單相Boost PFC電路，可見本發(fā)明電路在在功率通路上比傳統(tǒng)的單相Boost PFC減少一個 二極管，可以提高電路的效率。從電路的器件來看，本發(fā)明電路中的功率開關管Ml和M2因為串聯(lián)，可以很方便的 做在一起成為一個元器件，電感Ll和L2因為耦合也可以很方便的做在一起成為一個元器 件，與傳統(tǒng)的單相Boost PFC電路相比，本發(fā)明電路器件只多了一個輸出電容，電路簡單； 從控制方式來看，本發(fā)明電路，我們只要控制當其中一個功率開關管工作時，使另一個開關 管關斷，而這是很容易實現(xiàn)的，就可以采用任何一種成熟的單相功率因數(shù)校正的控制方式， 如平均電流型控制。一種交流升壓三相功率因數(shù)校正電路，因為它是將上面所述的三個交流升壓單相 的功率因數(shù)校正電路以星形接法接在三相四線制的電網(wǎng)上，每一相都接一個上面所述的交 流升壓單相功率因數(shù)校正電路，每個模塊都獨立工作，所以其分析跟上面所述的交流升壓 單相功率因數(shù)校正電路一樣，這里就不再重述。交流升壓單相功率因數(shù)校正電路的兩種不同接法，當電路采用兩個電感時，如圖2 所示，它的基本思路是當V為正時，開關管Ml開通時，通過電源，電感Li，二極管D1，開關 管Ml形成一個回路，開關管Ml關斷時，電感Ll儲存的能量通過二極管D3給電容Cl充電， 當V為負時，開關管M2開通時，通過電源，電感L2，二極管D2，開關管M2形成一個回路，開 關管M2關斷時，電感L2儲存的能量通過二極管D4給電容C2充電。當電路采用一個電感時，如圖3所示，它的基本思路是當V為正時，開關管Ml開 通時，通過電源，電感Li，二極管D1，開關管Ml形成一個回路，開關管Ml關斷時，電感Ll儲 存的能量通過二極管D1，D3給電容Cl充電，當V為負時，開關管M2開通時，通過電源，電感 Li，二極管D2，開關管M2形成一個回路，開關管M2關斷時，電感Ll儲存的能量通過二極管 D2，D4給電容C2充電，可見在開關管關斷時，它要比有兩個電感的電路多一個二極管工作，電路效率要低。這兩種電路各有優(yōu)缺點當采用一個電感時，器件要少，但效率要低，采用兩個電 感時，器件要多，但電路效率更高，在電路應用時，可以根據(jù)需要采用其中的一種接法。交流 升壓三相功率因數(shù)校正電路，根據(jù)單相功率因數(shù)校正電路的不同接法，它相對應也有兩種 不同的接法。圖4為采用六個電感的交流升壓三相功率因數(shù)校正電路原理結構圖，圖5為采用 具有三個電感的交流升壓三相功率因數(shù)校正電路原理結構圖，分析跟上面所述一樣，這里 就不再重述。采用本發(fā)明的設計可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的功率因數(shù)校正電路，按上面所述的選取電容 Cl、C2容量范圍20uF-3300uF，電阻Rl、R2電阻值范圍2K-100K，電感Li、L2的電感量范圍 0. 05mH-2. OOmH,功率開關管M1、M2采用MOSFET或者IGBT，開關頻率可在5KHz到IOOKHz范 圍內，加上EMI模塊，放在電源的輸入端，控制電源相對于電網(wǎng)的負載特性，提高功率因數(shù) 校正，以減少電源的諧波對電網(wǎng)的危害，并使供電系統(tǒng)的容量得到充分的利用，使電源的效 率得到進一步提高，根據(jù)需求可以適用不同的負載，圖6是在電源輸入端加入EMI濾波模塊 根據(jù)本發(fā)明設計在單相電路中的應用原理圖，圖7是在電源輸入端加入EMI濾波模塊根據(jù) 本發(fā)明設計在三相電路中的應用原理圖，主要分為兩部分一是諧波抑制器，也可以稱做電 壓預調節(jié)器或功率因數(shù)校正極，它由EMI濾波模塊和本發(fā)明設計的交流升壓功率因數(shù)校正 電路組成，二是根據(jù)需求接的不同負載。圖8是根據(jù)本發(fā)明設計的應用與弧焊逆變電源的單相弧焊逆變電源原理圖，圖9 是根據(jù)本發(fā)明設計的應用與弧焊逆變電源的三相弧焊逆變電源原理圖，從總體上來看包括 兩個部分一是諧波抑制器，也可以稱做電壓預調節(jié)器或功率因數(shù)校正極，它由EMI濾波模 塊和本發(fā)明設計的交流升壓功率因數(shù)校正電路組成，二是功率變換器，也就是傳統(tǒng)的弧焊 逆變電源去掉輸入整流濾波部分。這兩部分各自是一個獨立的系統(tǒng)，功率因數(shù)校正電路是 用來提高功率因數(shù)，減少電源對電網(wǎng)的危害，而功率變換器是將電網(wǎng)的能量變換負載所需 要的形式，對弧焊逆變電源來說就是低的電壓、大的電流。
權利要求
交流升壓功率因數(shù)校正電路，包括二極管(D1)、(D2)、(D3)、(D4)；功率管(M1)、(M2)；以及控制功率管的控制電路；其特征在于在單相功率因數(shù)校正電路中，(D1)與(D3)之間設有電感(L1)，(D2)與(D4)之間設有電感(L2)；所述的電感(L1)和(L2)互相耦合，繞制同一磁芯上；其中，(V)與(D1)的陽極和(D2)的陰極一端連接；(D1)的陰極與電感(L1)的一端串聯(lián)；(D2)的陽極與電感(L2)的一端串聯(lián)；兩個帶有反并聯(lián)二極管的功率管(M1)和(M2)串聯(lián)相接；(L1)的另一端與功率管(M1)的集電極和二極管(D3)的陽極一端連；(L2)的另一端與功率管(M2)的發(fā)射極和二極管(D4)的陰極一端連；電容(C1)和(C2)串聯(lián)相接；(C1)兩端并聯(lián)電阻(R1)；(C2)兩端并聯(lián)電阻(R2)；(D3)的陰極與電容(C1)的正極和輸出端DC+相連；(D4)的陽極與電容(C2)的負極和輸出端DC-連；零線與功率管(M1)、(M2)的公共端相連；(C1)、(C2)的公共端連接在零線上。
2.根據(jù)權利要求1所述的交流升壓功率因數(shù)校正電路，其特征在于將所述的(Li)和 (L2)合并成一個電感(Li)，一端和V相連，另一端和二極管(Dl)的陽極和二極管(D2)的 陰極一端連；(Dl)的陰極與功率管(Ml)的集電極和二極管(D3)的陽極一端連；(D2)的陽 極與功率管(M2)的發(fā)射極和二極管(D4)的陰極一端連接。
3.根據(jù)權利要求1所述的交流升壓功率因數(shù)校正電路，其特征在于所述功率開關元 件(Ml)和功率開關元件(M2)采用MOSFET或者IGBT，開關元件的頻率為5KHz-100KHz ；當 采用MOSFET時，功率開關管的反并聯(lián)二極管(DMl)、(DM2)可以用MOSFET的體二極管代替。
4.根據(jù)權利要求1所述的交流升壓功率因數(shù)校正電路，其特征在于所述的二極管 (Dl)、(D2)、(D3)、(D4)采用具有快恢復特性的二極管。
5.根據(jù)權利要求1所述的交流升壓功率因數(shù)校正電路，其特征在于所述的電容(Cl)、 (C2)為 20uF-3300uF。
6.根據(jù)權利要求1所述的交流升壓功率因數(shù)校正電路，其特征在于所述的電阻(Rl)、 (R2)電阻值范圍是2K-100K。
7.根據(jù)權利要求1所述的交流升壓功率因數(shù)校正電路，其特征在于所述的電感(Li)、 (L2)的電感量范圍是0. 05mH-2. OOmH。
8.一種交流升壓三相功率因數(shù)校正電路，包括二極管(Dl)、(D2)、(D3)、(D4)；功率 管(Ml)、(M2)；以及控制功率管的控制電路；其特征在于(Dl)與(D3)之間設有電感(Li)， (D2)與(D4)之間設有電感(L2)；所述的電感(Li)和(L2)互相耦合，繞制同一磁芯上；其 中，(V)與(Dl)的陽極和(D2)的陰極一端連接；(Dl)的陰極與電感(Li)的一端串聯(lián)；(D2) 的陽極與電感(L2)的一端串聯(lián)；兩個帶有反并聯(lián)二極管的功率管(Ml)和(M2)串聯(lián)相接； (Li)的另一端與功率管(Ml)的集電極和二極管(D3)的陽極一端連；(L2)的另一端與功率 管(M2)的發(fā)射極和二極管(D4)的陰極一端連；電容(Cl)和(C2)串聯(lián)相接；(Cl)兩端并 聯(lián)電阻(Rl) ； (C2)兩端并聯(lián)電阻(R2) ； (D3)的陰極與電容(Cl)的正極和輸出端DC+相連； (D4)的陽極與電容(C2)的負極和輸出端DC-相連；各相的零線與功率管(Ml)、(M2)的公 共端相連；各相的(Cl)、(C2)的公共端共同連接在零線上。
9.根據(jù)權利要求8所述的交流升壓三相功率因數(shù)校正電路，其特征在于所述的各相 的(Li)和(L2)合并成一個電感(Li)，一端和(V)相連，另一端和二極管(Dl)的陽極和二 極管(D2)的陰極一端連；(Dl)的陰極與功率管(Ml)的集電極和二極管(D3)的陽極一端 連；(D2)的陽極與功率管(M2)的發(fā)射極和二極管(D4)的陰極一端連接。
全文摘要
本發(fā)明交流升壓功率因數(shù)校正電路，包括整流二極管(D1)、(D2)、(D3)、(D4)；功率管(M1)、(M2)；以及控制功率管的控制電路；在單相功率因數(shù)校正電路中，(D1)與(D3)之間設有電感(L1)，(D2)與(D4)之間設有電感(L2)；電感(L1)和(L2)互相耦合，繞制同一磁芯上；零線與功率管(M1)、(M2)的公共端相連；(C1)、(C2)的公共端連接在零線上。采用前述的單相功率因數(shù)校正電路，組成的一種三相功率交流升壓功率因數(shù)校正電路。本電路不接零線也能正常工作，與一般的PFC電路相比，在功率通路上減少一個二極管，可以提高電路的效率，同時控制系統(tǒng)可以采用任何一種功率因數(shù)校正的控制模式，電流采集傳感器S1、S2可以依據(jù)控制模式的不同而改變位置。
文檔編號H02M1/42GK101820216SQ20091025024
公開日2010年9月1日 申請日期2009年12月11日 優(yōu)先權日2009年12月11日
發(fā)明者于洋, 盧振洋, 吳日光, 陳樹君, 韋婉琰 申請人:北京工業(yè)大學