专利名称：三相单开关功率因数校正升压变换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种带有功率因数校正电路的三相单开关整流变换器，特别是采用不连续模式(DCM)的升压(Boost)变换器，其通称为三相单开关DCM Boost变换器。
三相单开关DCM Boost变换器[参见文献1A.R.Prasad，P.D.Ziogas，and S.Manias，“An Active Power Factor Correction Technique for Three-Phase Diode Rectifiers”，IEEE Power Electronic Specialists Conf.(PESC)Record，pp.58-66，1989.]是一种近似的功率因数校正电路(PFC)。与其它三相PFC电路比较，它具有结构简单、控制方便、Boost二级管无反向恢复问题等优点。采用传统定频定占空比的这种PFC电路，满足IEC-1000-3-2A级谐波标准的最大输入功率大约是5kW。因而对于更大输入功率的通信电源模块，为既能保持这种PFC电路结构简单的优点，又能达到IEC-1000-3-2 A级谐波标准，最佳的途径就是修改控制策略，调制占空比函数。
近几年，已有一些改进的定频控制方案相继被提出，它们可以分为两大类第一类是通过高次谐波注入来调制控制占空比典型的控制技术是6次谐波注入控制[参见文献2Q.Huang and F.C.Lee，“Harmonic Reduction in A Single-Switch，Three-Phase Boost Retifier with HighOrder Harmonic Injected PWM”，IEEE Power Electronics Specialists Conf.(PESC)Record，pp.1266-1271，1996.和文献3Qihong Huang，”Harmonic ReductionIn A Single-Switch Three Phase Boost Rectifer With Harmonic-Injected PWM，Thesis submitted to the Faculty of the Virginia Polytechnic Institute and StateUniversity in Partial fulfillment of the requirements for the degree Master ofScience in Electrical Engineering，February 4，1997，Blacksburg，Virgina.]；6n次谐波注入控制[参见文献4Yangtack Jang，and Milan M.Jovanovié，“Robust，Harmonic Injection Method for Single-Switch，Three Phase，Discontinuous-Conduction-Mode Boost Rectifiers.”United States Patent 5847944，Dec 18，1998]和峰值电流注入控制[参见文献5专利号为99121240.1名称为《带有功率因数校正电路的三相整流器》的中国专利申请]等；第二类是一种平均电流控制技术[文献6参见申请号为99104662.5、名称为《单开关三相功率因数校正方法及电路》]。采用这些改进的控制策略后，能大大减小5次、7次等谐波含量，从而保证了在主电路结构不变的情况下，增加满足IEC-1000-3-2标准的最大输入功率。尽管这些控制策略都能有效地实现电流谐波含量的减小，但各有缺点。其中第一类中的前两种[前述文献2-4]要用复杂的检测电路来产生谐波注入信号；后一种[文献5]虽有非常简单的检测电路，但仍与前两种一样，大信号的稳定性较差。而第二类[文献6]则是推广单相CCM平均电流PFC控制技术，它的检测电路和控制非常复杂。
现有技术还提出过一种采用Current-Clamped(电流箝位)[参见文献7R.Rdel，B.P.Erisman，“Low-Cost Power-Factor Correction/Line-Harmonics Reduction with Current-ClampedBoost converter，″HFPC′95，pp261-269.和文献8R.Rdel，A.S.Kislovski，B.P.Erisman，“Input-Current-ClampingAnInexpensive Novel Control，Technique to Achieve Compliance with HarmonicRegulations″.IEEE APEC′96，pp145-151]控制的CCM单相Boost PFC电路，它采用传统的平均电流型控制和峰值电流型控制两种技术，相当简单地实现了1KW以内的满足IEC 1000-3-2 A级谐波标准的单相高功率因数校正要求。但仅在1KW以内满足要求显然是不够的。
本发明的目的就是为了解决以上问题，提供一种三相单开关功率因数校正升压变换器，既能改善输入电流谐波，使之在较大功率的应用场合仍能满足IEC-1000-3-2标准，又使电路更加简单。
本发明实现上述目的的方案是一种三相单开关功率因数校正升压变换器，包括三相输入端、输出端、三相整流电路、脉宽调制电路和电压环，所述三相输入端分别接三相交流电源，输出端的输出为直流电，在整流电路的输出端两端跨接一个电子开关，该电子开关的控制端和脉宽调制电路的输出端相连，该脉宽调制电路PWM的反相输入端与外部输入三角波信号相连；其特征是还包括电流环，所述电流环的正相输入端接电压环的输出，反相输入端接电流采样电路的输出端，电流环的输出端则接于脉宽调制电路的正相输入端。
由于采用了以上的方案，将平均电流箝位控制技术推广应用于三相单开关DCM Boost电路并经过修改和综合，保留了该电路高功率因数校正低谐波的特点，提高了功率范围。在这种方案中，电压环(带宽远低于网频，一般＜10Hz)的输出是电流内环(快环，一般＞1/10fs，fs为开关频率)的基准。控制的结果是强制整流桥直流侧的电流变为直流，从而可使各相电感电流在半周期内都有60度的时间(对应于相电压60度-120度的间隔)为直流，总的相电流近似为梯形波，故可增加满足IEC-1000-3-2A谐波标准的最大功率。实验也证明了这一点。另一方面，与其他处理方式相比，电路又大大简化了。
图1是现有技术中采用定频控制的三相单开关DCM Boost变换器的原理示意图。
图2是现有技术一种改进型三相单开关DCM BOOST PFC电路示意图。
图3是现有技术另一种改进型三相单开关DCM BOOST PFC电路示意图。
图4(a)是本发明提出的改进型单相DCM BOOST PFC电路示意图之一。
图4(b)是本发明提出的改进型单相DCM BOOST PFC电路示意图之二。
图5是图1 PFC输入相电流的示意图(M＝1.4)。
图6是图3 PFC输入相电流的示意图(M＝1.4)。
图7是图4 PFC输入相电流的示意图(M＝1.4)示意图。
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。
本发明是通过检测三相单开关DCM Boost变换器直流侧的电流信号，与电压环(外环)的输出构成一个电流环(内环)放大器，电流环的输出再与外部载波信号比较产生所需的开关占空比，以实现高质量的输入电流波形，提高满足IEC 1000-3-2A级谐波标准的输入功率范围。发明的电路控制结构与传统的平均电流型控制技术相似，故在这里叫做平均电流控制方案。但这种控制在三相单开关DCM BOOST变换器中的实现尚属首次。
图1是现有技术中采用定频控制的三相单开关DCM Boost变换器框图，它是一个传统的电压型控制，如设计电压环的带宽远远低于电网的频率(一般＜10Hz)，则开关占空比在整流后的电网周期内(300Hz)可看成常数，这种最简单的三相PFC技术可满足IEC-1000-3-2A谐波标准的最大功率是5KW。
图2是现有技术中的一种改进型三相PFC框图，它通过在电压环的输出迭加一个输入线电压的6次或6n次谐波信号以调制开关占空比，使之在电网周期内不为常数——调制的作用是在相电压峰值附近，适当增加占空比；而在60度和120度附近，适当减小占空比，使输入相电流更加接近正弦，从而增加满足IEC-1000-3-2A谐波标准的最大功率。但都具有大信号稳定性较差的缺点，其中[文献2-4]还要用复杂的检测电路来产生谐波注入信号。
图3是现有技术中的另一种改进型三相PFC框图，它与单相CCM BOOST PFC的平均电流控制具有相同的原理，也用UC3854芯片，只是检测的电流信号为整流桥直流侧的电流，非单独的各相电感电流，波形信号是输入三相相电压的六脉波头，非各相的相电压波形。从原理上，这种控制可使各相电感电流在半周期内都有60度的时间(对应于相电压60度-120度的间隔)跟随其输入相电压，故可改进增加满足IEC-1000-3-2A谐波标准的最大功率。但对于三相三线制输入，三相输入相电压的六脉波头检测电路非常复杂，文献[6]中的整流桥直流侧电流检测电路也很复杂，故较难实用化。
图4(a)、4(b)是本发明提出的改进型三相PFC框图。其中图4(a)是非常简单的一种平均电流控制技术，该图所示三相单开关功率因数校正升压变换器包括三相输入端Va、Vb、Vc、输出端Vo、三相整流电路、脉宽调制电路PWM和电压环1，所述三相输入端Va、Vb、Vc分别接三相交流电源，输出端Vo的输出为直流电，在整流电路的输出端两端跨接一个电子开关S，该电子开关S的控制端和脉宽调制电路(PWM)的输出端相连，该脉宽调制电路PWM的反相输入端与外部输入三角波信号相连；其特征是还包括电流环2，所述电流环2的正相输入端接电压环1的输出Vc，反相输入端接电流采样电路的输出端，电流环2的输出端则接于脉宽调制电路PWM的正相输入端。
在这种方案中，电压环(带宽远低于网频，一般＜10Hz)的输出是电流内环(快环，一般＞1/10fs，fs为开关频率)的基准。控制的结果是强制整流桥直流侧的电流(Idc)变为直流，从而可使各相电感电流在半周期内都有60度的时间(对应于相电压60度～120度的间隔)为直流，总的相电流近似为梯形波，故可增加满足IEC-1000-3-2A谐波标准的最大功率。
图4(b)是采用图3的结构来实现图4(a)，与图4(a)的区别是在电流环2的正相输入端和电压环1的输出端之间还接有乘法器3，该乘法器3的波形电压输出端A和有效值输入端C与一个固定的电压信号Vcon相连，信号输入端B与电压环1的输出端相连。
虽然从理论上讲，该乘法器3是没有意义的，完全可以省略，但在实际应用中，该电路具有一定的指导意义。为了应用图3所示的电路，已有现成的集成电路芯片，在该芯片中在电流环2和电压环1之间有一个乘法器3。为了应用现成的芯片，可以用图4(b)所示接法将乘法器“贯通”。此时相当于图3电路中6波形电压信号不用检测，而用一个固定的直流电压替代。使得控制实现大大简化。
本发明的电路可直接用电流互感器检测整流桥直流侧的电流，使实现更加简单。
用图4原理实现的平均电流控制三相单开关DCM BOOSTPFC，可采用分离元件或集成IC以及任何种电流检测电路，它们都属本专利的保护范围。
图4中画了三个电流传感器，在实际的应用电路中，只要采用检测id、is的一对电流传感器或检测idc的电流传感器即可，并接上相应的取样电路。其连接关系见图所示。
当采用idc时，所述电流采样电路串接于整流电路直流侧近地端母线上，其采样的信号为直流侧近地端母线电流idc。当采用id、is的迭加时，所述电流采样电路有两个，二者的输出信号迭加后输入到电流环2的反相输入端，其中一个电流采样电路串接于整流电路开关二极管D上，其采样的信号为二极管电流id，另一个串接于开关管S上，其采样的信号为开关电流is。
下面仅以图4(a)、4(b)的框图为例介绍本发明的工作原理。传统单开关三相DCM Boost变换器[文献1]的输入电流归一化波形如图5所示。采用图3的改进型三相PFC，其输入电流波形如图6所示。可见能大大减小输入电流的各次谐波含量。
在保证图4(a)、4(b)的电路参数满足条件(1)三个电感的电流为DCM；条件(2)电压环带宽很低(一般＜10Hz)，即在整流后的电网周期内，电压环输出可近似为常数；和条件(3)三个电感La＝Lb＝Lc；那么当图4(a)、4(b)中的电流环被设计成足够快时(一个实验例子是R1＝20K，R2＝100K，C1＝470pF，C2＝0.01uF)，其输入电流波形将如图7所示，与图6相比，此输入电流的各次谐波含量已有明显减小。通过调节电流环的参数，还可使它具有最小的失真。
本发明的重点是把Current Clamped的平均电流控制首次推广到了三相单开关DCM BOOST变换器中，用非常简单的检测和控制实现了相当稳定的三相PFC。本方案已用于三相输入(304V-456VAC)，48V@100A输出(额定为53.5V@100A)的通信一次电源前置级单管DCM三相Boost变换器中，在IEC1000-3-2A标准规定的输入电压和负载范围内都能相当容易地满足谐波要求。从具体实现比较，它比已有的各种控制方案都要简单，可靠，且动态特性更好。
权利要求
1.一种三相单开关功率因数校正升压变换器，包括三相输入端(Va、Vb、Vc)、输出端(Vo)、三相整流电路、脉宽调制电路(PWM)和电压环(1)，所述三相输入端(Va、Vb、Vc)分别接三相交流电源，输出端(Vo)的输出为直流电，在整流电路的输出端两端跨接一个电子开关(S)，该电子开关(S)的控制端和脉宽调制电路(PWM)的输出端相连，该脉宽调制电路(PWM)的反相输入端与外部输入三角波信号相连，在整流电路直流侧正端串接一个开关二极管(D)；其特征是还包括电流环(2)，所述电流环(2)的正相输入端接电压环(1)的输出(Vc)，反相输入端接电流采样电路的输出端，电流环(2)的输出端则接于脉宽调制电路(PWM)的正相输入端。
2.如权利要求1所述的三相单开关功率因数校正升压变换器，其特征是在电流环(2)的正相输入端和电压环(1)的输出端之间还接有乘法器(3)，该乘法器(3)的波形电压输出端(A)和有效值输入端(C)与一个固定的电压信号Vcon相连，信号输入端(B)与电压环(1)的输出端相连。
3.如权利要求1或2所述的三相单开关功率因数校正升压变换器，其特征是所述电流采样电路串接于整流电路直流侧近地端母线上，其采样的信号为直流侧近地端母线电流(idc)。
4.如权利要求1或2所述的三相单开关功率因数校正升压变换器，其特征是所述电流采样电路有两个，二者的输出信号迭加后输入到电流环(2)的反相输入端，其中一个电流采样电路串接于开关二极管(D)上，其采样的信号为开关二极管的电流(id)，另一个串接于开关管(S)上，其采样的信号为开关电流(is)。
全文摘要
本发明公开一种三相单开关功率因数校正升压变换器,包括三相输入端、输出端、三相整流电路、脉宽调制电路和电压环、电流环,所述电流环的正相输入端接电压环的输出,反相输入端接电流采样电路的输出端,电流环的输出端则接于脉宽调制电路的正相输入端。只要保证电路参数满足一定条件,即可大大提高满足IEC1000－3－2A级谐波标准的输入功率范围。
文档编号H02M1/00GK1308406SQ0013605
公开日2001年8月15日 申请日期2000年12月26日 优先权日2000年12月26日
发明者张兴柱, 张华建, 谭云华 申请人:深圳市华为电气技术有限公司