專利名稱：三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路起動(dòng)與磁復(fù)位方法及實(shí)現(xiàn)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路起動(dòng)與磁復(fù)位方法及實(shí)現(xiàn)電路，屬于電力
電子領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
電力電子等非線性負(fù)載的廣泛應(yīng)用給電網(wǎng)帶來(lái)了大量的諧波，諧波對(duì)電網(wǎng)的"污 染"已經(jīng)引起人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。為了有效地抑制諧波，人們提出了有源功率因數(shù)校正 (APFC)技術(shù)，目前，APFC技術(shù)是抑制諧波電流、提高用電設(shè)備網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)的最直接方法。 APFC技術(shù)按電路結(jié)構(gòu)可分為兩級(jí)型和單級(jí)型，單級(jí)APFC將PFC環(huán)節(jié)和DC/DC變換環(huán)節(jié)集 成，共用一個(gè)控制器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)，是電力電子技術(shù)領(lǐng)域中的一項(xiàng) 重要課題和發(fā)展趨勢(shì)。 將電流源型帶變壓器隔離的全橋升壓拓?fù)鋺?yīng)用于單相、三相單級(jí)APFC電 路中，圖1所示為典型的基于電流源型帶變壓器隔離全橋升壓拓?fù)涞娜鄦渭?jí)APFC (ActivePowerFactorCorrection，有源功率因數(shù)校正)電路，所述APFC電路主要由三相三 線制交流輸入電源(ua、ub、u。)、三相輸入整流電路1、移相橋2、高頻變壓器T、輸出整流電路 3和輸出濾波電容C構(gòu)成。移相橋2由開關(guān)管Sr^構(gòu)成，三相輸入整流電路l是由六個(gè)二 極管構(gòu)成的三相的全橋整流電路，輸出整流電路3是由四個(gè)二極管構(gòu)成的單相的全橋整流 電路，電源ua串接A相升壓電感La，電源ub串接B相升壓電感Lb，電源u。串接C相升壓電 感Lc。 移相橋2是所述APFC電路的主要部分(其中開關(guān)管S,S4可由功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管 或IGBT構(gòu)成)，所述AFPC電路可同時(shí)完成功率因數(shù)校正和AC/DC變換；高頻變壓器T的采 用即實(shí)現(xiàn)了變換器輸入輸出側(cè)的電氣隔離，又可以完成對(duì)輸出直流電壓的調(diào)節(jié)，以滿足不 同負(fù)載R對(duì)變換器輸出電壓等級(jí)的要求。 圖2所示為APFC電路中各開關(guān)管的開關(guān)時(shí)序，開關(guān)管S工與S3的導(dǎo)通狀態(tài)互補(bǔ)，S2 與S4的導(dǎo)通狀態(tài)互補(bǔ)，S,S4的導(dǎo)通比都固定在50%，但SpS3對(duì)開關(guān)管S2、S4的導(dǎo)通相位時(shí) 可控的。所述APFC電路與傳統(tǒng)的DC/DC橋式變換器或移相軟開關(guān)橋式變換器的工作過(guò)程 是不同的，在移相的過(guò)程中允許橋臂開關(guān)直通，不需要設(shè)置死區(qū)時(shí)間，通過(guò)調(diào)整橋臂開關(guān)直 通的時(shí)間就可以達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。 所述APFC電路工作于電感電流斷續(xù)(DCM)模式，利用橋臂開關(guān)直通(SpS2導(dǎo)通或 者S3、 S4導(dǎo)通)來(lái)實(shí)現(xiàn)升壓電感(A相升壓電感La、 B相升壓電感Lb和C相升壓電感L。)的 充電，利用橋臂開關(guān)對(duì)臂導(dǎo)通(Sp S4導(dǎo)通或者S2、 S3導(dǎo)通)來(lái)實(shí)現(xiàn)升壓電感的放電以及能 量向負(fù)載的傳遞。該電路輸入電流波形如圖3所示，其中各相輸入電流峰值的包絡(luò)線為正 弦且與該相電壓波形同相位，因此，所述APFC電路無(wú)需任何特殊的控制策略，只需保證輸 入電流工作于DCM模式即可實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正的目的。 圖1所述的電流源型帶變壓器隔離的全橋升壓拓?fù)漕怉PFC電路和傳統(tǒng)DC/DC橋式變換器或移相軟開關(guān)橋式變換器相比具有較大的優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)在(l)實(shí)現(xiàn)了輸入輸 出側(cè)的電氣隔離；(2)實(shí)現(xiàn)了功率開關(guān)管的軟開關(guān)；(3)實(shí)現(xiàn)了輸出電壓的調(diào)節(jié)；(4)消除
了橋臂開關(guān)直通、短路的危險(xiǎn)。 所述APFC電路為升壓類拓?fù)?，即正常工作時(shí)，整流輸出電壓UT高于輸入電壓，其 中整流輸出電壓UT為高頻變壓器原邊電壓，即U^nU。，其中n為高頻變壓器T原副邊繞組 的變比，U。為APFC電路的輸出電壓，與高頻變壓器T副邊電壓相等；輸入電壓為輸入三相 電源的線電壓，只有整流輸出電壓UT高于輸入電壓這樣設(shè)置才能實(shí)現(xiàn)電路于開關(guān)對(duì)臂導(dǎo)通 階段，升壓電感承受反向電壓而導(dǎo)致電流下降。但是，該類拓?fù)浔旧泶嬖谝韵聠?wèn)題
(1)起動(dòng)時(shí)輸出濾波電容C的電壓為零，升壓電感因?qū)V波電容C充電而產(chǎn)生很大的過(guò)流。 在電路起動(dòng)過(guò)程中，輸出濾波電容C的電壓即APFC電路的輸出電壓是由零開始逐 漸增加的，因此在起動(dòng)過(guò)程中，電路無(wú)法工作于升壓模式，這就造成了電路于開關(guān)對(duì)臂導(dǎo)通 階段，升壓電感承受正向電壓而導(dǎo)致電流增加。由于電路于開關(guān)直通階段，升壓電感電流也 是增加的，這就造成了電路在起動(dòng)過(guò)程中的各個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，升壓電感電流只增加不減少， 最終將因過(guò)流而導(dǎo)致電感飽和以及開關(guān)管的損壞。 目前，在實(shí)驗(yàn)室中，上述APFC電路起動(dòng)時(shí)，采用三相調(diào)壓器手動(dòng)調(diào)節(jié)的方法，將三
相輸入電壓由零逐漸加至額定，使升壓電感在對(duì)臂導(dǎo)通階段承受反向電壓，流過(guò)升壓電感
的電流減少，來(lái)避免因過(guò)流而導(dǎo)致升壓電感飽和以及開關(guān)管的損壞，完成電路的起動(dòng)。 而在工業(yè)應(yīng)用的實(shí)際電路中，輸入是直接接到電網(wǎng)上的，輸入電壓是恒定的，致使
升壓電感在對(duì)臂導(dǎo)通階段承受正向電壓，不能安全起動(dòng)，此時(shí)，不可能通過(guò)采用手動(dòng)調(diào)節(jié)的
方法來(lái)完成電路的起動(dòng)。 (2)APFC電路正常停止或因故障導(dǎo)致開關(guān)管突然關(guān)斷時(shí)，升壓電感能量無(wú)從釋放， 使橋臂產(chǎn)生很高的電壓應(yīng)力。 在電路停止工作，尤其是出現(xiàn)如過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱等故障而導(dǎo)致開關(guān)管S廣S4全部 關(guān)斷時(shí)，電路中升壓電感的剩余能量無(wú)從釋放，最終將因橋臂的過(guò)壓而導(dǎo)致開關(guān)管的損壞。 不能實(shí)現(xiàn)關(guān)機(jī)磁復(fù)位。 由于三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路存在著上述問(wèn)題，因此無(wú)法用于工業(yè)應(yīng)用的實(shí)際 電路中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有的三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路不能用于工業(yè)應(yīng)用的 實(shí)際電路中的問(wèn)題，提供了三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路起動(dòng)與磁復(fù)位方法及實(shí)現(xiàn)電路。
本發(fā)明采用的三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路包括三相輸入整流電路、移相橋、高頻 變壓器、輸出整流電路和輸出濾波電容，
三相輸入整流電路由D工至D6六個(gè)二極管構(gòu)成三相全橋結(jié)構(gòu)的整流電路，
移相橋由S工至S4四個(gè)開關(guān)管構(gòu)成全橋開關(guān)電路，
三相輸入整流電路的輸出端與移相橋的輸入端連接，移相橋的輸出端與高頻變壓器的 原邊繞組兩端相連，高頻變壓器的副邊繞組兩端與輸出整流電路的輸入端相連，輸出整流 電路的輸出端并聯(lián)有輸出濾波電容，在三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路中的三相輸入整流電路的每個(gè)橋臂上串聯(lián)兩個(gè)相同的 升壓電感，兩個(gè)所述升壓電感的連接點(diǎn)作為該橋臂的交流信號(hào)輸入端，采用輔助繞組與所 述的兩個(gè)升壓電感耦合連接，所述輔助繞組與輸出整流電路的輸出端并聯(lián)；
三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路的起動(dòng)方法為
在開關(guān)管對(duì)臂導(dǎo)通或直臂導(dǎo)通時(shí)，有電流通過(guò)的升壓電感進(jìn)行儲(chǔ)能，
在開關(guān)管全部關(guān)斷時(shí)，儲(chǔ)能的升電感將其全部能量轉(zhuǎn)移到與其耦合的輔助繞組中，進(jìn) 而轉(zhuǎn)移到三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路的輸出側(cè)，對(duì)輸出濾波電容進(jìn)行充電，以使三相單級(jí) 功率因數(shù)校正電路平滑進(jìn)入升壓模式，實(shí)現(xiàn)安全的自起動(dòng)；
在三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路關(guān)機(jī)時(shí)開關(guān)管全部關(guān)斷時(shí)，儲(chǔ)能的升電感將其全部能 量轉(zhuǎn)移到與其耦合的輔助繞組中，進(jìn)而轉(zhuǎn)移到三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路的輸出側(cè)，以使 得升壓電感的儲(chǔ)能釋放掉，實(shí)現(xiàn)關(guān)機(jī)磁復(fù)位，
其中，升壓電感和與其耦合的輔助繞組的匝數(shù)比nf滿足以下關(guān)系式
0. 5n《nf《0. 6n，其中，n為高頻變壓器T的變比。
實(shí)現(xiàn)上述方法的電路包括三相輸入整流電路、移相橋、高頻變壓器、輸出整流電路 和輸出濾波電容，
三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路包括三相輸入整流電路、移相橋、高頻變壓器、輸出整流電 路和輸出濾波電容，
三相輸入整流電路由A至D6六個(gè)二極管構(gòu)成三相全橋結(jié)構(gòu)的整流電路， 移相橋由S工至S4四個(gè)開關(guān)管構(gòu)成全橋開關(guān)電路，
三相輸入整流電路的輸出端與移相橋的輸入端連接，移相橋的輸出端與高頻變壓器的 原邊繞組兩端相連，高頻變壓器的副邊繞組兩端與輸出整流電路的輸入端相連，輸出整流 電路的輸出端并聯(lián)有輸出濾波電容，
三相輸入整流電路還包括A相上橋臂升壓電感、A相下橋臂升壓電感、A相上橋臂輔助 繞組、A相上橋臂二極管；
B相上橋臂升壓電感、B相下橋臂升壓電感、B相上橋臂輔助繞組、B相上橋臂二極管； C相上橋臂升壓電感、C相下橋臂升壓電感、C相上橋臂輔助繞組、C相上橋臂二極管， 三相輸入整流電路的A相橋臂上依次串聯(lián)有第一二極管、A相上橋臂升壓電感、A相下 橋臂升壓電感和第四二極管，第一二極管的陽(yáng)極與A相上橋臂升壓電感的異名端相連，A相 上橋臂升壓電感的同名端與A相下橋臂升壓電感的異名端相連，A相下橋臂升壓電感的同 名端與第四二極管的陰極相連，
A相上橋臂輔助繞組耦合A相上橋臂升壓電感和A相下橋臂升壓電感，A相上橋臂輔助 繞組的同名端接輸出整流電路輸出端的電源地，A相上橋臂輔助繞組的異名端連接A相上 橋臂二極管的陽(yáng)極，A相上橋臂二極管的陰極連接輸出濾波電容的一端，輸出濾波電容的另 一端接地，
三相輸入整流電路的B相橋臂、C相橋臂與所述A相橋臂的結(jié)構(gòu)相同。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明提供了一種基于電流源型帶變壓器隔離全橋升壓拓?fù)涞娜?相單級(jí)APFC電路的起動(dòng)與關(guān)機(jī)磁復(fù)位方法。本方法針對(duì)該類三相單級(jí)APFC的典型電路， 對(duì)電源部分進(jìn)行了改進(jìn)，將該電路原有的3個(gè)升壓電感增加為6個(gè)并在各升壓電感上增加 輔助繞組；在結(jié)構(gòu)安排方面，將該升壓電感的位置由交流側(cè)轉(zhuǎn)移至直流支路并與三相整流橋結(jié)合到一起，利用相應(yīng)的開關(guān)管控制策略，即可實(shí)現(xiàn)該電路的起動(dòng)與關(guān)機(jī)磁復(fù)位，又不影 響電路的正常工作。 本發(fā)明提供的方法在起動(dòng)時(shí)可以將電路安全地送入升壓模式，實(shí)現(xiàn)安全的正常起 動(dòng)；電路正常工作過(guò)程中，如果遇到關(guān)機(jī)或開關(guān)管故障，瞬間開關(guān)S,S4全部關(guān)斷時(shí)，交流側(cè) 能量得到了有效的轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)了升壓電感的磁復(fù)位。


圖1是背景技術(shù)中典型的三相單級(jí)全橋APFC電路，圖2是圖1所述電路中各開關(guān) 管的開關(guān)時(shí)序圖，圖3是圖1所述電路的三相電流波形圖，圖4是圖1所述電路的A相電壓 電流波形圖，圖5是實(shí)施方式二的結(jié)構(gòu)示意圖，圖6是實(shí)施方式三的結(jié)構(gòu)示意圖，圖7是具 體實(shí)施方式一中所述的起動(dòng)方法中各開關(guān)管的第一種開關(guān)時(shí)序圖，圖8是具體實(shí)施方式
一 中所述的起動(dòng)方法中的各開關(guān)管的第二種開關(guān)時(shí)序圖，圖9是采用實(shí)施方式二技術(shù)方案， 并采用第一種開關(guān)時(shí)序的第一階段等效電路圖，圖10是采用實(shí)施方式二技術(shù)方案，并采用 第二種開關(guān)時(shí)序的第一階段等效電路圖，圖11采用實(shí)施方式二技術(shù)方案的第二階段等效 電路圖，圖12是一個(gè)充電周期內(nèi)升壓電感的電流波形圖，圖13是采用第一種開關(guān)時(shí)序起動(dòng) 三相單級(jí)全橋APFC電路的輸入電流和輸出電壓波形圖，圖14是采用第二種開關(guān)時(shí)序起動(dòng) 三相單級(jí)全橋APFC電路的輸入電流和輸出電壓波形圖，圖15是電路正常工作中瞬間令開 關(guān)管S廣S4全部關(guān)斷時(shí)的輸入電流和輸出電壓波形圖。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一 下面結(jié)合圖5至圖15說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式采用的三相 單級(jí)功率因數(shù)校正電路包括三相輸入整流電路1、移相橋2、高頻變壓器T、輸出整流電路3 和輸出濾波電容C，
三相輸入整流電路1由D工至D6六個(gè)二極管構(gòu)成三相全橋結(jié)構(gòu)的整流電路，
移相橋2由S工至S4四個(gè)開關(guān)管構(gòu)成全橋開關(guān)電路，
三相輸入整流電路1的輸出端與移相橋2的輸入端連接，移相橋2的輸出端與高頻變 壓器T的原邊繞組兩端相連，高頻變壓器T的副邊繞組兩端與輸出整流電路3的輸入端相 連，輸出整流電路3的輸出端并聯(lián)有輸出濾波電容C，
在三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路中的三相輸入整流電路的每個(gè)橋臂上串聯(lián)兩個(gè)相同的 升壓電感，兩個(gè)所述升壓電感的連接點(diǎn)作為該橋臂的交流信號(hào)輸入端，采用輔助繞組與所 述的兩個(gè)升壓電感耦合連接，所述輔助繞組與輸出整流電路3的輸出端并聯(lián)；
輔助繞組為一個(gè)線圈或由兩個(gè)線圈并聯(lián)組成，輔助繞組為一個(gè)線圈的結(jié)構(gòu)如圖5所 示，輔助繞組為兩個(gè)線圈結(jié)構(gòu)時(shí)，兩個(gè)線圈分別與一個(gè)升壓電感耦合連接，如圖6所示。
本實(shí)施方式方法所涉及的三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路是基于電流源型帶變壓器 隔離全橋升壓拓?fù)涞娜鄦渭?jí)有源功率因數(shù)校正電路。
三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路的起動(dòng)方法為
在開關(guān)管對(duì)臂導(dǎo)通或直臂導(dǎo)通時(shí)，有電流通過(guò)的升壓電感進(jìn)行儲(chǔ)能， 在開關(guān)管全部關(guān)斷時(shí)，儲(chǔ)能的升電感將其全部能量轉(zhuǎn)移到與其耦合的輔助繞組中，進(jìn) 而轉(zhuǎn)移到三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路的輸出側(cè)，對(duì)輸出濾波電容C進(jìn)行充電，以使三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路平滑進(jìn)入升壓模式，實(shí)現(xiàn)安全的自起動(dòng)；
在三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路關(guān)機(jī)時(shí)開關(guān)管全部關(guān)斷時(shí)，儲(chǔ)能的升電感將其全部能 量轉(zhuǎn)移到與其耦合的輔助繞組中，進(jìn)而轉(zhuǎn)移到三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路的輸出側(cè)，以使 得升壓電感的儲(chǔ)能釋放掉，實(shí)現(xiàn)關(guān)機(jī)磁復(fù)位，
其中，升壓電感和與其耦合的輔助繞組的匝數(shù)比nf滿足以下關(guān)系式
<formula>formula see original document page 8</formula> 當(dāng)輔助繞組為兩個(gè)線圈并聯(lián)的結(jié)構(gòu)時(shí)，每個(gè)線圈和與其耦合的升壓電感的匝數(shù)比 rif滿足上述條件。 其中，n為高頻變壓器T的變比。輔助繞組按nf涉及的關(guān)系式進(jìn)行設(shè)計(jì)，此設(shè)計(jì)原 則分析如下
三相升壓電感值參見圖5所示電路，LfL^Lb尸LbfL,l^，該升壓電感值由電路的穩(wěn) 態(tài)特性計(jì)算得到，與本專利無(wú)關(guān)，這里不做介紹；
高頻變壓器T的變比為n :高頻變壓器T的原、副邊繞組的匝數(shù)比； 關(guān)于圖5中輔助繞組Lf的確定各相升壓電感上輔助繞組的作用是幫助電路進(jìn)行起動(dòng) 和磁復(fù)位，在電路穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)應(yīng)保證輔助繞組不工作。穩(wěn)態(tài)時(shí)，當(dāng)橋臂開關(guān)對(duì)臂導(dǎo)通時(shí)，橋 臂電壓(即變壓器原邊電壓)為nU。(U。為三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路輸出電壓)；而此時(shí) 輸出電壓如經(jīng)過(guò)輔助繞組作用到原邊，則橋臂電壓為2rifU。。那么為了保證穩(wěn)態(tài)時(shí)輔助繞組 不工作，有如下關(guān)系
raf/。-2 l^ (1)
簡(jiǎn)化為
ra《2Rf (2)
由式(1)可知，在輸出電壓相同的情況下，輔助繞組工作時(shí)，電路的橋臂電壓高于正常 情況下該繞組不工作的時(shí)候，這就造成了輔助繞組工作時(shí)，各開關(guān)所承受電壓應(yīng)力的增加。
最嚴(yán)重的情況出現(xiàn)在電路因故障導(dǎo)致開關(guān)S廣S4全部關(guān)斷的瞬間，該時(shí)刻為使輔助繞組工 作，橋臂電壓將由原來(lái)的0或nU。(主要看開關(guān)全部關(guān)斷之前，橋臂開關(guān)是直通還是對(duì)臂導(dǎo) 通狀態(tài))增加至2nfU。。如S,S4的關(guān)斷不同步(該情況為電力電子中普遍存在的現(xiàn)象)，則 此時(shí)橋臂電壓幾乎全部加在上某一開關(guān)上，為了使開關(guān)不因過(guò)壓而擊穿，必須限制過(guò)壓。如
限制過(guò)壓不超過(guò)20%，即滿足關(guān)系<formula>formula see original document page 8</formula>簡(jiǎn)化為<formula>formula see original document page 8</formula>
由式(2) 、(3)可得<formula>formula see original document page 8</formula>按照式(4)設(shè)計(jì)輔助繞組。
在三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路起動(dòng)時(shí)，所述四個(gè)開關(guān)管有兩種時(shí)序，第一種時(shí) 序
一對(duì)開關(guān)管直通一開關(guān)管全部關(guān)斷一另一對(duì)開關(guān)管直通一開關(guān)管全部關(guān)斷一一對(duì)開
關(guān)管直通。參見圖7所示。
第二種時(shí)序
一對(duì)開關(guān)管對(duì)臂導(dǎo)通一開關(guān)管全部關(guān)斷一另一對(duì)開關(guān)管對(duì)臂導(dǎo)通一開關(guān)管全部關(guān)斷 — 一對(duì)開關(guān)管對(duì)臂導(dǎo)通。參見圖8所示。
具體實(shí)施方式
二、下面結(jié)合圖5說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式實(shí)現(xiàn)實(shí)施方式一所 述的三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路的起動(dòng)與關(guān)機(jī)磁復(fù)位方法的實(shí)現(xiàn)電路，包括三相輸入整流 電路1、移相橋2、高頻變壓器T、輸出整流電路3和輸出濾波電容C，
本實(shí)施方式方法所涉及的三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路是基于電流源型帶變壓器隔離 全橋升壓拓?fù)涞娜鄦渭?jí)有源功率因數(shù)校正電路。 三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路包括三相輸入整流電路1、移相橋2、高頻變壓器T、輸 出整流電路3和輸出濾波電容C，
三相輸入整流電路1由D工至D6六個(gè)二極管構(gòu)成三相全橋結(jié)構(gòu)的整流電路，
移相橋2由S工至S4四個(gè)開關(guān)管構(gòu)成全橋開關(guān)電路，
輸出整流電路3由DQ1至D。4四個(gè)二極管構(gòu)成單相全橋結(jié)構(gòu)的整流電路。
三相輸入整流電路1的輸出端與移相橋2的輸入端連接，移相橋2的輸出端與高 頻變壓器T的原邊繞組兩端相連，高頻變壓器T的副邊繞組兩端與輸出整流電路3的輸入 端相連，輸出整流電路3的輸出端并聯(lián)有輸出濾波電容C，
三相輸入整流電路1還包括A相上橋臂升壓電感L^、 A相下橋臂升壓電感L《、A相上 橋臂輔助繞組Lfal、 A相上橋臂二極管Dal ;
B相上橋臂升壓電感Lbl、B相下橋臂升壓電感Lb2、B相上橋臂輔助繞組Lfbl、B相上橋臂 二極管Dbl ;
C相上橋臂升壓電感Lel、C相下橋臂升壓電感Le2、C相上橋臂輔助繞組Lfel、C相上橋臂 二極管Dcl，
三相輸入整流電路1的A相橋臂上依次串聯(lián)有第一二極管D"A相上橋臂升壓電感L^ A相下橋臂升壓電感La2和第四二極管W，第一二極管D工的陽(yáng)極與A相上橋臂升壓電感Lal 的異名端相連，A相上橋臂升壓電感1^的同名端與A相下橋臂升壓電感1^的異名端相連， A相下橋臂升壓電感l(wèi)^的同名端與第四二極管D4的陰極相連，
A相上橋臂輔助繞組Lfal耦合A相上橋臂升壓電感Lal和A相下橋臂升壓電感La2， A相 上橋臂輔助繞組Lfal的同名端接輸出整流電路3輸出端的電源地，A相上橋臂輔助繞組Lfal 的異名端連接A相上橋臂二極管Dal的陽(yáng)極，A相上橋臂二極管D^的陰極連接輸出濾波電 容C的一端，輸出濾波電容C的另一端接地，
三相輸入整流電路1的B相橋臂、C相橋臂與所述A相橋臂的結(jié)構(gòu)相同。
A相上橋臂升壓電感Lal、A相下橋臂升壓電感La2、B相上橋臂升壓電感Lbl、B相下 橋臂升壓電感Lb2、 C相上橋臂升壓電感1^和C相下橋臂升壓電感L。2的電感值相等。
升壓電感和與其耦合的輔助繞組的匝數(shù)比nf滿足以下關(guān)系式
0. 5n《nf《0. 6n，其中，n為高頻變壓器T的變比。
當(dāng)y,O時(shí)，A相電流流過(guò)A相上橋臂升壓電感1^，當(dāng)&〈0時(shí)，A相電流流過(guò)A相下 橋臂升壓電感L&。 A相上橋臂輔助繞組L^為加在各升壓電感上的輔助繞組，只有在電路 起動(dòng)和升壓電感關(guān)機(jī)磁復(fù)位時(shí)，A相上橋臂輔助繞組L^才工作，而在電路正常運(yùn)行時(shí)，A相 上橋臂輔助繞組L^不工作。
下面以三相瑜入電壓的工頻周期中的0《"t《n/6階段為例進(jìn)行說(shuō)明，在該階 段中三相電壓的關(guān)系為《b《0《《a《《c。 電路采用圖7所示的第一種開關(guān)時(shí)序起動(dòng)時(shí)，在升壓電感的一個(gè)充電周期內(nèi)，電 路都有兩個(gè)工作階段，各階段等效電路如圖9和圖11所示，一個(gè)充電周期內(nèi)升壓電感電流 波形如圖12所示。 第一種開關(guān)時(shí)序，給出一個(gè)具體的例子對(duì)電路的工作原理進(jìn)行說(shuō)明開關(guān)直通 (S^S2導(dǎo)通) 一開關(guān)全部關(guān)斷一開關(guān)直通(S3、^導(dǎo)通) 一開關(guān)全部關(guān)斷一開關(guān)直通(SpS2 導(dǎo)通)(依次循環(huán))。本質(zhì)是分成兩個(gè)階段直臂導(dǎo)通——全部關(guān)斷。 階段1 (開關(guān)時(shí)序1):本階段電路處于橋臂開關(guān)直通狀態(tài)(這里假設(shè)開關(guān)SpS2導(dǎo) 通)，此時(shí)高頻變壓器T原邊電壓為零。升壓電感相當(dāng)于直接與輸入交流電源相連，各相升 壓電感中，Lal、 Lb2、 ！^流過(guò)電流，并且電感電流由零開始以與各相電壓成正比的方式上升， 升壓電感儲(chǔ)能增加，該階段結(jié)束時(shí)，三相升壓電感電流上升到本周期內(nèi)的最大值。三相單級(jí) 功率因數(shù)校正電路的輸出側(cè)，負(fù)載R的電流僅由輸出濾波電容C放電提供。參見圖9所示。
階段2(開關(guān)時(shí)序1):本階段橋臂開關(guān)管全部關(guān)斷。！^、Lb2、l^的原有充電回路切 斷。1^、1^、Ld存儲(chǔ)的能量轉(zhuǎn)移到各自的輔助繞組上。因此本階段中，升壓電感電流為零， 而各相輔助繞組開始工作。本階段中，三相升壓電感的輔助繞組——A相上橋臂輔助繞組 Lfal、B相上橋臂輔助繞組Lftl、C相上橋臂輔助繞組Lftl并聯(lián)為負(fù)載R供電，同時(shí)為輸出濾波 電容C充電，各輔助繞組所承受的電壓為本周期的輸出電壓值U。，各輔助繞組中的電流按相 同的速度逐漸減小，并依次于本階段結(jié)束之前歸零。參見圖ll所示。 下一步進(jìn)行是依次循環(huán)，開關(guān)直通(SpS4導(dǎo)通)與SpS2直通相同，按第一種時(shí)序 循環(huán)進(jìn)行，能量通過(guò)各升壓電感的輔助繞組傳遞到輸出側(cè)，輸出電壓U。在起動(dòng)過(guò)程結(jié)束前 得以建立，因此電路可以正常地轉(zhuǎn)入升壓模式，直至三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路進(jìn)入升壓 模式，輔助繞組退出工作狀態(tài)，參見圖13所示。 電路采用圖8所示的第二種開關(guān)時(shí)序起動(dòng)時(shí)，在升壓電感的一個(gè)充電周期內(nèi)，電 路都有兩個(gè)工作階段，各階段等效電路如圖IO和圖ll所示，一個(gè)充電周期內(nèi)升壓電感電流 波形如圖12所示。 第二種開關(guān)時(shí)序，給出一個(gè)具體的例子對(duì)電路的工作原理進(jìn)行說(shuō)明開關(guān)對(duì)臂導(dǎo) 通(S2、 ^導(dǎo)通) 一開關(guān)全部關(guān)斷一開關(guān)對(duì)臂導(dǎo)通(Sp ^導(dǎo)通) 一開關(guān)全部關(guān)斷一開關(guān)對(duì) 臂導(dǎo)通(S2、 S3導(dǎo)通)(依次循環(huán))。本質(zhì)是分成兩個(gè)階段對(duì)臂導(dǎo)通——全部關(guān)斷。
階段1 (開關(guān)時(shí)序2):本階段電路處于橋臂開關(guān)對(duì)臂導(dǎo)通狀態(tài)(這里假設(shè)開關(guān)S2、 S3導(dǎo)通)。由于起動(dòng)過(guò)程中輸出電壓U。很低，因此輸入交流電源通過(guò)三相升壓電感向負(fù)載 R供電并給輸出濾波電容C充電，各相升壓電感中，l^、l^、Ld流過(guò)電流，電感電流由零開始 上升，升壓電感儲(chǔ)能增加，該階段結(jié)束時(shí)，三相升壓電感電流上升到本周期內(nèi)的最大值。參 見圖IO所示。 階段2(開關(guān)時(shí)序2):本階段橋臂開關(guān)全部關(guān)斷。1^、1^、Ld的原有充電回路切斷， Lal、 Lb2、 存儲(chǔ)的能量轉(zhuǎn)移到各自的輔助繞組上。因此本階段中，升壓電感電流為零，而各 相輔助繞組開始工作。本階段中，三相升壓電感的輔助繞組——A相上橋臂輔助繞組Lfal、 B相上橋臂輔助繞組Lfbl、 C相上橋臂輔助繞組Lfel并聯(lián)為負(fù)載供電，同時(shí)為輸出濾波電容 C充電，各輔助繞組所承受的電壓為本周期的輸出電壓值，各輔助繞組中的電流按相同的速度逐漸減小，并依次于本階段結(jié)束之前回零。參見圖ll所示。 下一步進(jìn)行是依次循環(huán)，開關(guān)對(duì)臂導(dǎo)通(Sp&導(dǎo)通)與S2、S3對(duì)臂導(dǎo)通相同，按第 一種時(shí)序循環(huán)進(jìn)行，能量通過(guò)各升壓電感的輔助繞組傳遞到輸出側(cè)，輸出電壓U。在起動(dòng)過(guò) 程結(jié)束前得以建立，因此電路可以正常地轉(zhuǎn)入升壓模式，直至三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路 進(jìn)入升壓模式，輔助繞組退出工作狀態(tài)，參見圖14所示。 由以上分析可以看出，在電路的起動(dòng)過(guò)程中，能量通過(guò)各升壓電感的輔助繞組傳 遞到輸出側(cè)，輸出電壓在起動(dòng)過(guò)程結(jié)束前得以建立，因此電路可以正常地轉(zhuǎn)入升壓模式。
本實(shí)施方式所述電路升壓電感的關(guān)機(jī)磁復(fù)位過(guò)程的機(jī)理與起動(dòng)過(guò)程中的階段2
相同，即當(dāng)開關(guān)全部關(guān)斷后，升壓電感原有的充電回路切斷，電感的能量轉(zhuǎn)移至各自的輔助 繞組上，由輔助繞組將能量釋放到輸出側(cè)，這樣就不再存在因升壓電感能量無(wú)法釋放而造 成橋臂電壓過(guò)高的問(wèn)題。 圖15為電路正常工作過(guò)程中，瞬間令開關(guān)S,S4全部關(guān)斷時(shí)的輸入電流與輸出電 壓實(shí)驗(yàn)波形，可以看出，交流側(cè)能量得到了有效的轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)了升壓電感的磁復(fù)位。
具體實(shí)施方式
三、下面結(jié)合圖6說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
二 的不同之處在于，它還包括A相下橋臂輔助繞組Lfa2、A相下橋臂二極管Da2 ;B相下橋臂輔助 繞組Lfb2、 B相下橋臂二極管Db2 ;C相下橋臂輔助繞組Lf。2、 C相下橋臂二極管D。2， A相上橋臂輔助繞組Lfal耦合A相上橋臂升壓電感Lal的能量，
A相下橋臂輔助繞組Lfa2耦合A相下橋臂升壓電感La2的能量，A相下橋臂輔助繞組Lfa2 的同名端接地，A相下橋臂輔助繞組Lf《的異名端連接A相下橋臂二極管D《的陽(yáng)極，A相下 橋臂二極管Da2的陰極連接輸出濾波電容C的一端，輸出濾波電容C的另一端接地，
三相輸入整流電路1的B相橋臂、C相橋臂與所述A相橋臂的結(jié)構(gòu)相同，其它與實(shí)施方 式二相同。 本實(shí)施方式的只是每相多配備了一套輔助繞組，或者是輔助繞組由兩個(gè)線圈并聯(lián) 構(gòu)成，工作原理與實(shí)施方式二相同。
權(quán)利要求
三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路起動(dòng)與磁復(fù)位方法，三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路包括三相輸入整流電路(1)、移相橋(2)、高頻變壓器(T)、輸出整流電路(3)和輸出濾波電容(C)，三相輸入整流電路(1)由D1至D6六個(gè)二極管構(gòu)成三相全橋結(jié)構(gòu)的整流電路，移相橋(2)由S1至S4四個(gè)開關(guān)管構(gòu)成全橋開關(guān)電路，三相輸入整流電路(1)的輸出端與移相橋(2)的輸入端連接，移相橋(2)的輸出端與高頻變壓器(T)的原邊繞組兩端相連，高頻變壓器(T)的副邊繞組兩端與輸出整流電路(3)的輸入端相連，輸出整流電路(3)的輸出端并聯(lián)有輸出濾波電容(C)，其特征在于，在三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路中的三相輸入整流電路的每個(gè)橋臂上串聯(lián)兩個(gè)相同的升壓電感，兩個(gè)所述升壓電感的連接點(diǎn)作為該橋臂的交流信號(hào)輸入端，采用輔助繞組與所述的兩個(gè)升壓電感耦合連接，所述輔助繞組與輸出整流電路(3)的輸出端并聯(lián)；三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路的起動(dòng)方法為在開關(guān)管對(duì)臂導(dǎo)通或直臂導(dǎo)通時(shí)，有電流通過(guò)的升壓電感進(jìn)行儲(chǔ)能，在開關(guān)管全部關(guān)斷時(shí)，儲(chǔ)能的升電感將其全部能量轉(zhuǎn)移到與其耦合的輔助繞組中，進(jìn)而轉(zhuǎn)移到三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路的輸出側(cè)，對(duì)輸出濾波電容(C)進(jìn)行充電，以使三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路平滑進(jìn)入升壓模式，實(shí)現(xiàn)安全的自起動(dòng)；在三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路關(guān)機(jī)時(shí)開關(guān)管全部關(guān)斷時(shí)，儲(chǔ)能的升電感將其全部能量轉(zhuǎn)移到與其耦合的輔助繞組中，進(jìn)而轉(zhuǎn)移到三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路的輸出側(cè)，以使得升壓電感的儲(chǔ)能釋放掉，實(shí)現(xiàn)關(guān)機(jī)磁復(fù)位，其中，升壓電感和與其耦合的輔助繞組的匝數(shù)比nf滿足以下關(guān)系式0.5n≤nf≤0.6n，其中，n為高頻變壓器(T)的變比。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路起動(dòng)與磁復(fù)位方法，其特征在 于，輔助繞組為一個(gè)線圈或由兩個(gè)線圈并聯(lián)組成，輔助繞組為兩個(gè)線圈結(jié)構(gòu)時(shí)，兩個(gè)線圈分 別與一個(gè)升壓電感耦合連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路起動(dòng)與磁復(fù)位方法，其特征在 于，在三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路起動(dòng)時(shí)，四個(gè)開關(guān)管的開關(guān)時(shí)序?yàn)橐粚?duì)開關(guān)管直通一開關(guān)管全部關(guān)斷一另一對(duì)開關(guān)管直通一開關(guān)管全部關(guān)斷一一對(duì)開 關(guān)管直通。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路起動(dòng)與磁復(fù)位方法，其特征在于，在三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路起動(dòng)時(shí)，四個(gè)開關(guān)管的開關(guān)時(shí)序?yàn)橐粚?duì)開關(guān)管對(duì)臂導(dǎo)通一開關(guān)管全部關(guān)斷一另一對(duì)開關(guān)管對(duì)臂導(dǎo)通一開關(guān)管全部關(guān)斷 —一對(duì)開關(guān)管對(duì)臂導(dǎo)通。
5. 實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述的三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路起動(dòng)與磁復(fù)位方法的實(shí)現(xiàn)電路， 其特征在于，它包括三相輸入整流電路(1)、移相橋(2)、高頻變壓器(T)、輸出整流電路(3) 和輸出濾波電容(C)，三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路包括三相輸入整流電路(1)、移相橋(2)、高頻變壓器(T)、 輸出整流電路(3)和輸出濾波電容(C)，三相輸入整流電路(l)由D工至De六個(gè)二極管構(gòu)成三相全橋結(jié)構(gòu)的整流電路，移相橋(2)由S工至S4四個(gè)開關(guān)管構(gòu)成全橋開關(guān)電路，三相輸入整流電路(1)的輸出端與移相橋(2)的輸入端連接，移相橋(2)的輸出端與高 頻變壓器(T)的原邊繞組兩端相連，高頻變壓器(T)的副邊繞組兩端與輸出整流電路(3)的 輸入端相連，輸出整流電路(3)的輸出端并聯(lián)有輸出濾波電容(C)，其特征在于，三相輸入整流電路(1)還包括A相上橋臂升壓電感(LJ、A相下橋臂升壓 電感(1^)、A相上橋臂輔助繞組(L^)、A相上橋臂二極管(DJ ;B相上橋臂升壓電感(Lb》、B相下橋臂升壓電感(Lb》、B相上橋臂輔助繞組(L皿)、B相 上橋臂二極管(Db》；C相上橋臂升壓電感(L?！贰相下橋臂升壓電感(L。》、C相上橋臂輔助繞組(Lftl)、 C相 上橋臂二極管(DJ，三相輸入整流電路(1 )的A相橋臂上依次串聯(lián)有第一二極管(D》、A相上橋臂升壓電感 (1^)、A相下橋臂升壓電感(LJ和第四二極管(D》，第一二極管(D》的陽(yáng)極與A相上橋臂 升壓電感(LJ的異名端相連，A相上橋臂升壓電感(LJ的同名端與A相下橋臂升壓電感 (La2)的異名端相連，A相下橋臂升壓電感(L《)的同名端與第四二極管(D》的陰極相連，A相上橋臂輔助繞組(LfJ耦合A相上橋臂升壓電感(Lj和A相下橋臂升壓電感(1^)， A相上橋臂輔助繞組(L^)的同名端接輸出整流電路(3)輸出端的電源地，A相上橋臂輔助 繞組(LfJ的異名端連接A相上橋臂二極管(Dj的陽(yáng)極，A相上橋臂二極管(D^)的陰極連 接輸出濾波電容(C)的一端，輸出濾波電容(C)的另一端接地，三相輸入整流電路(1)的B相橋臂、C相橋臂與所述A相橋臂的結(jié)構(gòu)相同。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路起動(dòng)與磁復(fù)位方法的實(shí)現(xiàn)電路， 其特征在于，A相上橋臂升壓電感(LJ、 A相下橋臂升壓電感(LJ、B相上橋臂升壓電感 (LM)、B相下橋臂升壓電感(Lb》、C相上橋臂升壓電感(L。》和C相下橋臂升壓電感(L。》的 電感值相等。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路起動(dòng)與磁復(fù)位方法的實(shí)現(xiàn)電路， 其特征在于，升壓電感和與其耦合的輔助繞組的匝數(shù)比Hf滿足以下關(guān)系式0. 5n《nf《0. 6n，其中，n為高頻變壓器(T)的變比。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路起動(dòng)與磁復(fù)位方法的實(shí)現(xiàn)電路， 其特征在于，它還包括A相下橋臂輔助繞組(Lfa2)、 A相下橋臂二極管(Da2) ;B相下橋臂輔助 繞組(Lfb2)、B相下橋臂二極管(Db2) ;C相下橋臂輔助繞組(Lf。2)、C相下橋臂二極管(Dc2)，A相上橋臂輔助繞組(Lfal)耦合A相上橋臂升壓電感(Lal)的能量， A相下橋臂輔助繞組(Lf《)耦合A相下橋臂升壓電感(L《)的能量，A相下橋臂輔助繞組 (Lfa2)的同名端接地，A相下橋臂輔助繞組(Lf《)的異名端連接A相下橋臂二極管(D^)的陽(yáng) 極，A相下橋臂二極管(D《)的陰極連接輸出濾波電容(C)的一端，輸出濾波電容(C)的另一 端接地，三相輸入整流電路(1)的B相橋臂、C相橋臂與所述A相橋臂的結(jié)構(gòu)相同。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路起動(dòng)與磁復(fù)位方法的實(shí)現(xiàn)電路， 其特征在于，輸出整流電路(3)由DQ1至Dm四個(gè)二極管構(gòu)成單相全橋結(jié)構(gòu)的整流電路。
全文摘要
三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路起動(dòng)與磁復(fù)位方法及實(shí)現(xiàn)電路，屬于電力電子領(lǐng)域，本發(fā)明為解決現(xiàn)有的三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路不能用于工業(yè)應(yīng)用的實(shí)際電路中的問(wèn)題。本發(fā)明所述三相單級(jí)功率因數(shù)校正電路是基于電流源型帶變壓器隔離全橋升壓拓?fù)涞模谌噍斎胝麟娐返拿總€(gè)橋臂上串聯(lián)兩個(gè)相同的升壓電感，兩升壓電感的連接點(diǎn)接交流信號(hào)，輔助繞組與其耦合，輔助繞組與整個(gè)電路輸出端并聯(lián)；起動(dòng)方法為在開關(guān)管對(duì)臂導(dǎo)通或直臂導(dǎo)通時(shí)，有電流通過(guò)的升壓電感進(jìn)行儲(chǔ)能，在開關(guān)管全部關(guān)斷時(shí)，輔助繞組將升壓電感的全部能量轉(zhuǎn)移到電路輸出側(cè)，實(shí)現(xiàn)起動(dòng)；同理，在開關(guān)管全部關(guān)斷時(shí)，按上述方法，使升壓電感的儲(chǔ)能釋放掉，實(shí)現(xiàn)關(guān)機(jī)磁復(fù)位。
文檔編號(hào)H02M1/42GK101795058SQ201010118070
公開日2010年8月4日 申請(qǐng)日期2010年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月5日
發(fā)明者孫紹華, 孟濤, 李春鵬, 賁洪奇 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)