一种基于IGBT模块的单电感无桥APFC电路的制作方法

本发明涉及单相功率因数校正领域的一种基于igbt模块的单电感无桥apfc电路。

背景技术：

在单相电网中采用不控整流桥和电解电容作为前级电路的电力电子变换器，不论后级连接何种阻抗性质的负载，均属于非线性负载，对电网产生谐波电流污染，不能满足iec61000-3-2和iec61000-3-1中规定的谐波电流限值，而且网侧功率因数偏低，为此必须采用功率因数校正措施。

然而，传统无桥功率因数校正器必须使用两个电感,电流流向有不确定性,低频二极管和igbt模块内二极管可能同时导通,增加了不稳定因素，且双电感拓扑成本高，所占体积较大。因此，需要找寻一种单电感无桥单相功率因数校正电路来解决这些问题。

经过对无桥功率因数校正器的现有技术的检索，比如《电气应用》2015年第8期公开的文献《单相无桥功率因数校正器的分析与设计》提出一种无环流型单相无桥apfc采用单周期控制，但是该电路与传统无桥apfc一样，均为双电感电路，成本较高，所占空间较大，不满足现在功率因数校正器的发展方向。

综合以上，对无桥功率因数校正器现有技术的检索后发现，现有的电路均为双电感结构，无法满足现在实际应用的需求。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种基于igbt模块的单电感无桥apfc电路相比传统无桥apfc电路，只采用一个电感，节省成本和在板空间，使得驱动电路设计更加方便。

实现上述目的的一种技术方案是：一种基于igbt模块的单电感无桥apfc电路,包括交流滤波电容c1、第一igbt模块s1、第二igbt模块s2、电感l、第一功率二极管d1、第二功率二极管d2、第三功率二极管d3、第四功率二极管d4、直流滤波电容e1、第一分压电阻r1、第二分压电阻r2；

第一功率二极管d1的正极、交流滤波电容c1的第一端部以及第一igbt模块s1的集电极连接电源火线；

第四功率二极管d4的正极、交流滤波电容c1的第二端部以及第二igbt模块s2的集电极连接电源零线；

第一igbt模块s2的发射极，和电感l的第一端部以及第二功率二极管d2的负极连接；

第二igbt模块s2的发射极，和电感l的第二端部以及第三功率二极管d3的负极连接；

第二功率二极管d2的正极、第三功率二极管d3的正极、直流滤波电容e1的负极连接第二分压电阻r2的第一端部构成负输出端；

第一功率二极管d1的负极和第四功率二极管d4的负极，连接直流滤波电容e1的正极以及第一分压电阻r1的第一端部；

第一分压电阻r1的第二端部与第二分压电阻r2的第二端部连接，构成直流侧采样端。

进一步的，第一功率二极管d1的正极、交流滤波电容c1的第一端部以及第一igbt模块s1的集电极连接电源火线，构成输入电压和输入电流采样端；第一功率二极管d1的负极、第四功率二极管d4的负极、直流滤波电容e1的正极连接第一分压电阻r1的第一端部构成正输出端。

再进一步的，所述基于igbt模块的单电感无桥apfc电路其还包括驱动电路，所述驱动电路包括：

在所述输入电压和输入电流采样端采集输入电压有效值uirms的有效值计算模块；

连接所述有效值计算模块，用以计算输入电压有效值平方倒数1/u²irms的有效值平方倒数计算模块；

在所述直流侧采样端采集输出电压u0，并将输出电压u0和输出电压基准值ur进行比较，得到电压误差ev的第二乘法器；

对电压误差ev进行比例积分调节得到电压基准值uvc的电压环准pi调节模块；

根据输入电压有效值平方倒数1/u²irms和电压基准值uvc得到基准电流ir的第一乘法器；

在输入电压和输入电流采样端对输入电流il进行采样，并将输入电流il和基准电流ir进行比较，得到电流误差ei的第三乘法器；

对电流误差ei进行比例积分调节，得到电源电压ucc的电流环准pi调节模块；

对电源电压ucc进行离散得到驱动电压ucd的信号离散模块；

通过对驱动电压ucd进行斩波，得到用以驱动第一igbt模块s1的pwm1脉冲信号的脉冲形成模块；

连接所述脉冲形成模块，用以形成与所述pwm1脉冲信号互补的，用以驱动第二igbt模块s2的pwm2脉冲信号的脉冲求补模块。

进一步的，第一功率二极管d1的正极、交流滤波电容c1的第一端部以及第一igbt模块s1的集电极通过双向开关bs1连接电源火线，双向开关bs1的第一端部连接电源火线，构成输入电压和输入电流采样端；双向开关bs1的第二端部连接第一功率二极管d1的正极、交流滤波电容c1的第一端部以及第一igbt模块s1的集电极；

第一功率二极管d1的负极和第四功率二极管d4的负极，通过第三igbt模块，连接直流滤波电容e1的正极以及第一分压电阻r1的第一端部；其中第一功率二极管d1的负极和第四功率二极管d4的负极连接第三igbt模块的集电极，第三igbt模块的发射极连接直流滤波电容e1的正极以及第一分压电阻r1的第一端部，构成正输出端。

再进一步的，所述基于igbt模块的单电感无桥apfc电路，其特征在于：其还包括驱动电路，所述驱动电路包括：

在所述输入电压和输入电流采样端采集输入电压有效值uirms的有效值计算模块；

连接所述有效值计算模块，用以计算输入电压有效值平方倒数1/u²irms的有效值平方倒数计算模块；

在所述直流侧采样端采集输出电压u0，并将输出电压u0和输出电压基准值ur进行比较，得到电压误差ev的第二乘法器；

对电压误差ev进行比例积分调节得到电压基准值uvc的电压环准pi调节模块；

根据输入电压有效值平方倒数1/u²irms和电压基准值uvc得到基准电流ir的第一乘法器；

在输入电压和输入电流采样端对输入电流il进行采样，并将输入电流il和基准电流ir进行比较，得到电流误差ei的第三乘法器；

对电流误差ei进行比例积分调节，得到电源电压ucc的电流环准pi调节模块；

对电源电压ucc进行离散得到驱动电压ucd的信号离散模块；

通过对驱动电压ucd进行斩波，得到用以驱动第一igbt模块s1和双向开关bs1的pwm1脉冲信号的脉冲形成模块；

连接所述脉冲形成模块，用以形成与所述pwm1脉冲信号互补的，用以驱动第二igbt模块s2的pwm2脉冲信号的脉冲求补模块。

更进一步的，第三igbt模块的驱动信号可在pwm1信号和pwm2信号之间进行切换。

采用了本发明的一种基于igbt模块的单电感无桥apfc电路的技术方案,包括交流滤波电容c1、第一igbt模块s1、第二igbt模块s2、电感l、第一功率二极管d1、第二功率二极管d2、第三功率二极管d3、第四功率二极管d4、直流滤波电容e1、第一分压电阻r1、第二分压电阻r2；第一功率二极管d1的正极、交流滤波电容c1的第一端部以及第一igbt模块s1的集电极连接电源火线；第四功率二极管d4的正极、交流滤波电容c1的第二端部以及第二igbt模块s2的集电极连接电源零线；第一igbt模块s2的发射极，和电感l的第一端部以及第二功率二极管d2的负极连接；第二igbt模块s2的发射极，和电感l的第二端部以及第三功率二极管d3的负极连接；第二功率二极管d2的正极、第三功率二极管d3的正极、直流滤波电容e1的负极连接第二分压电阻r2的第一端部构成负输出端；第一功率二极管d1的负极和第四功率二极管d4的负极，连接直流滤波电容e1的正极以及第一分压电阻r1的第一端部；第一分压电阻r1的第二端部与第二分压电阻r2的第二端部连接，构成直流侧采样端。其技术效果是：第一，相比传统无桥apfc电路，只采用一个电感，节省成本和在板空间。第二，第一igbt模块s1和第二igbt模块s2脉冲互补，使得驱动电路设计更加方便。

附图说明

图1为本发明的一种基于igbt模块的单电感无桥apfc电路的实施例1的结构示意图。

图2为本发明的一种基于igbt模块的单电感无桥apfc电路的实施例2的结构示意图。

图3为本发明的一种基于igbt模块的单电感无桥apfc电路的驱动电路的示意图。

具体实施方式

请参阅图1至图3，本发明的发明人为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例，并结合附图进行详细地说明：

实施例1

本发明的一种基于igbt模块的单电感无桥apfc电路,包括交流滤波电容c1、第一igbt模块s1、第二igbt模块s2、电感l、第一功率二极管d1、第二功率二极管d2、第三功率二极管d3、第四功率二极管d4、直流滤波电容e1、第一分压电阻r1、第二分压电阻r2。

第一功率二极管d1的正极、交流滤波电容c1的第一端部以及第一igbt模块s1的集电极连接电源火线构成输入电压和输入电流采样端，可在该点采样输入电流il和输入电压ui。

第四功率二极管d4的正极、交流滤波电容c1的第二端部以及第二igbt模块s2的集电极连接电源零线。

第一igbt模块s2的发射极，和电感l的第一端部以及第二功率二极管d2的负极连接。

第二igbt模块s2的发射极，和电感l的第二端部以及第三功率二极管d3的负极连接。

第二功率二极管d2的正极、第三功率二极管d3的正极、直流滤波电容e1的负极连接第二分压电阻r2的第一端部构成负输出端；第一功率二极管d1的负极、第四功率二极管d4的负极、直流滤波电容e1的正极连接第一分压电阻r1的第一端部，构成正输出端，第一分压电阻r1的第二端部与第二分压电阻r2的第二端部连接，构成直流侧采样端，可在该点采集直流的输出电压u0。

其中第一igbt模块s1、第二igbt模块s2用以完成对电感l的充电；第一功率二极管d1、第二功率二极管d2、第三功率二极管d3、第四功率二极管d4提供放电回路；交流滤波电容c1和直流滤波电容e1用于减小电压与电流纹波；第一分压电阻r1和第二分压电阻r2用以对直流侧电压采样。

本发明的一种单电感无桥apfc电路配备有驱动电路，包括有效值计算模块1、有效值平方倒数计算模块2、准pi调节模块、信号离散模块4、脉冲形成模块5和脉冲求补模块6。其中准pi调节模块分为电压环准pi调节模块31和电流环准pi调节模块32。

有效值计算模块1在输入电压和输入电流采样端采样输入电压ui的绝对值并进而得到输入电压有效值uirms，有效值平方倒数计算模块2计算得到输入电压有效值平方倒数1/u²irms，有效值平方倒数计算模块2将电压有效值平方倒数1/u²irms输出给第一乘法器71。

第二乘法器72在直流侧采样端采样输出电压u0，并将输出电压u0与输出电压基准值ur进行比较，得到两者的差值，即电压误差ev，电压误差ev输入电压环准pi调节模块31，电压环准pi调节模块31对电压误差ev进行比例积分调节，电压环准pi调节模块31将对电压误差ev比例积分调节后得到的电压基准值uvc输出给第一乘法器71。

第一乘法器71根据输入电压有效值平方倒数1/u²irms和电压基准值uvc，得到基准电流ir，输出给第三乘法器73，第三乘法器73在输入电压和输入电流采样端对输入电流il进行采样，并与基准电流ir比较后，得到电流误差ei，电流误差ei输入电流环准pi调节模块32，电流环准pi调节模块32对电流误差ei进行比例积分调节，得到电源电压ucc，电源电压ucc输入信号离散模块4进行离散得到驱动电压ucd，驱动电压ucd被送入脉冲形成模块5，脉冲形成模块5通过其内部生成的内三角波对驱动电压ucd进行斩波，形成pwm1脉冲信号，用以驱动第一igbt模块s1，pwm1脉冲信号同时输出给脉冲求补模块6，脉冲求补模块6输出与pwm1脉冲信号互补的脉冲，即pwm2脉冲信号，用以驱动第二igbt模块s2。

本发明的一种单电感无桥apfc电路通过两路互补的pwm脉冲信号控制第一igbt模块s1和第二igbt模块s2的通断，利用第一功率二极管d1、第二功率二极管d2、第三功率二极管d3、第四功率二极管d4实现二极管型单电感无桥apfc的升压。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

第一，相比传统无桥apfc电路，只采用一个电感，节省成本和在板空间。

第二，第一igbt模块s1和第二igbt模块s2脉冲互补，使得驱动电路设计更加方便。

第三，第一igbt模块s1和第二igbt模块s2通过互补的pwm脉冲进行驱动，减少成本和在板体积，且有原理清晰明了、控制信号发生简单。

本实施例中：

交流输入电压宽范围，220v±15％，工频50hz或60hz，额定输出直流平均电压390v，输入功率为6kw。

电感l的参数为2.2mh，40a。

第一igbt模块s1、第二igbt模块s2的斩波频率的40khz。

直流滤波电容e1的参数为450v，0.47uf。

第一分压电阻r1的参数为3mω，5w。

第二分压电阻r1的参数为：16.8ω，5w。

第一功率二极管d1、第二功率二极管d2、第三功率二极管d3、第四功率二极管d4的参数为：600v，40a/100℃；

电感l充电过程，第一igbt模块s1开通，第二igbt模块s2关断；电感l放电过程，第一igbt模块s1关断，第二igbt模块s2开通；利用第一功率二极管d1、第二功率二极管d2、第三功率二极管d3、第四功率二极管d4构成充放电回路。

实施例2

本发明的一种基于igbt模块的单电感无桥apfc电路,包括交流滤波电容c1、第一igbt模块s1、第二igbt模块s2、第三igbt模块s3，电感l、第一功率二极管d1、第二功率二极管d2、第三功率二极管d3、第四功率二极管d4、直流滤波电容e1、第一分压电阻r1、第二分压电阻r2，以及双向开关bs1。

双向开关bs1的第一端部连接电源火线构成输入电压和输入电流采样端，在该点可采样输入电流il和输入电压ui。

双向开关bs1的第二端部连接交流滤波电容c1的第一端部、第一igbt模块s1的集电极以及第一功率二极管d1的正极。

第四功率二极管d4的正极、交流滤波电容c1的第二端部以及第二igbt模块s2的集电极连接电源零线。

第一igbt模块s1的发射极、电感l的第一端部连接第二功率二极管d2的负极。

第二igbt模块s2的发射极、电感l的第二端部连接第三功率二极管d3的负极。

第二功率二极管d2的正极、第三功率二极管d3的正极、直流滤波电容e1的负极连接第二分压电阻r2的第一端部，构成负输出端。

第一功率二极管d1的负极、第四功率二极管d4的负极连接第三igbt模块s3的集电极，第三igbt模块s3的发射极连接直流滤波电容e1的正极和第一分压电阻r1的第一端部，构成正输出端。

第一分压电阻r1的第二端部与第二分压电阻r2的第二端部连接，构成直流侧采样端。

本发明的一种单电感无桥apfc电路配备有驱动电路，包括有效值计算模块1、有效值平方倒数计算模块2、准pi调节模块、信号离散模块4、脉冲形成模块5和脉冲求补模块6。其中准pi调节模块分为电压环准pi调节模块31和电流环准pi调节模块32。

有效值计算模块1在输入电压和输入电流采样端采样输入电压ui的绝对值并进而得到输入电压有效值uirms，有效值平方倒数计算模块2计算得到输入电压有效值平方倒数1/u²irms，有效值平方倒数计算模块2将电压有效值平方倒数1/u²irms输出给第一乘法器71。

第二乘法器72在直流侧采样端采样输出电压u0，并将输出电压u0与输出电压基准值ur进行比较，得到两者的差值，即电压误差ev，电压误差ev输入电压环准pi调节模块31，电压环准pi调节模块31对电压误差ev进行比例积分调节，电压环准pi调节模块31将对电压误差ev比例积分调节后得到的电压基准值uvc输出给第一乘法器71。

第一乘法器71根据输入电压有效值平方倒数1/u²irms和电压基准值uvc，得到基准电流ir，输出给第三乘法器73，第三乘法器73在输入电压和输入电流采样端对输入电流il进行采样，并与基准电流ir比较后，得到电流误差ei，电流误差ei输入电流环准pi调节模块32，电流环准pi调节模块32对电流误差ei进行比例积分调节，得到电源电压ucc，电源电压ucc信号离散模块4进行离散得到驱动电压ucd，驱动电压ucd被送入脉冲形成模块5，通过其内部生成的内三角波对驱动电压ucd进行斩波，形成pwm1脉冲信号，用以驱动第一igbt模块s1和双向开关bs1，pwm1脉冲信号同时输出给脉冲求补模块6，脉冲求补模块6输出与pwm1互补的脉冲，即pwm2脉冲信号，用以驱动第二igbt模块s2。双向开关bs1通过脉冲形成模块5进行驱动，而第三igbt模块3的驱动信号可在pwm1脉冲信号和pwm2脉冲信号之间进行切换。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

采用单只电感l进行储能，节省成本和在板空间。

实现输出直流电压的升压和降压控制。

第一igbt模块s1和第二igbt模块s2所需驱动脉冲互补，使得驱动电路设计更加方便。

本发明的一种基于igbt模块的单电感无桥apfc电路通过第一igbt模块s1和第二igbt模块s2所需驱动脉冲互补，控制双向开关bs1通断实现降压，且采用电感l，减少成本和体积，且有原理清晰明了、控制信号发生简单。

该实施例中各个器件的参数为：

交流输入电压宽范围，220v±15％，工频50hz或60hz，额定输出直流平均电压390v，输入功率为6kw。

电感l的参数为2.2mh，40a。

第一igbt模块s1、第二igbt模块s2和第三igbt模块3的斩波频率的40khz。

直流滤波电容e1的参数为450v，0.47uf。

第一分压电阻r1的参数为3mω，5w。

第二分压电阻r1的参数为：16.8ω，5w。

第一功率二极管d1、第二功率二极管d2、第三功率二极管d3、第四功率二极管d4的参数为：600v，40a/100℃。

双向开关bs1与第一igbt模块s1开通，第二igbt模块s2与第三igbt模块s3关断时，电感l充电；双向开关bs1与第一igbt模块s1关断，第二igbt模块s2与第三igbt模块s3开通，电感l通过第三igbt模块s3，以及第一功率二极管d1、第二功率二极管d2、第三功率二极管d3、第四功率二极管d4构成回路放电，且电源不给直流侧充电，完成降压过程。

当双向开关bs1与第三igbt模块s3一直处于导通状态，可实现升压。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。