专利名称：功率因数校正电路的缓启动电路及其控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及功率因数校正电路的缓启动及其控制技术，具体涉及一种兼有市电输入功率因数校正(PFC)功能和电池升压功能的三电平输出单相升压功率因数校正(Boost PFC)电路的缓启动及其控制。
在UPS系统中，该电路往往兼有市电输入PFC功能和电池升压功能，而需引入的电池支路通常跨接在VT3的K极(REC+)与VT4的A极(REC-)之间BATTERY的负极接REC-，BATTERY的正极接晶闸管VT5的A极，VT5的K极接REC+。这样当VT3、VT4导通，VT5截止时，相当于UPS的市电输入PFC工作状态；当VT5导通，VT3、VT4截止时，相当于UPS的电池升压工作状态。这种电池连接方法比传统UPS在中间直流环节接电池，可以降低电池的电压，从而减少电池串联个数，也不需专门的电池升压电路，因此降低了成本，在中小功率(因单相输入限制)在线式双变换UPS中得到了广泛的应用。
本电路因为带有较大的容性负载(C1，C2)，如果不加缓启动功能，启动时需要市电或电池提供很大的瞬时电流，会对电网造成较大的冲击或对电池造成较大的损害，也容易损坏输入开关、保险、电路中相关的功率器件(VD1，VD2，VT3，VT4)，总结现有功率电路的缓启动方法，一般采用以下方法电阻或热敏电阻并联可控器件(如继电器、晶闸管、MOSFET)，串联在输入电路中，启动时通过电阻限流，启动完成后导通可控器件降低损耗。有时，电阻再串联一继电器，启动时导通继电器，启动完成后导通可控器件并断开继电器，以增加系统可靠性。该方法简单通用，但需要在功率电路之外再增加缓启动电路，而且串联在输入电路中，增加了成本，降低了系统的效率和可靠性。
在美国专利US6009008“Soft strat bridge rectifier circuit”中提到了不增加额外的缓启动电路，直接控制晶闸管的触发脉冲来实现AC/DC整流桥的缓启动。该专利适合有自然过流点的交流输入，主要是整流电路，但不适合电池直流输入。
本发明提出的三电平输出单相Boost PFC电路的缓启动电路市电输入火线L接整流晶闸管VT3的A极，VT3的K极经升压电感L1接主MOSFET管VT1的D端和升压二极管VD1的A极，VD1的K极接电解电容C1的正极，VT1的S端和C1的负极均接市电输入零线N，C1的正极即为+DCBUS；市电输入火线L还接整流晶闸管VT4的K极，VT4的A极经升压电感L2接主MOSFET管VT2的S端和升压二极管VD2的K极，VD2的A极接电解电容C2的负极，VT2的D端和C2的正极均接市电输入零线N，C2的负极即为-DCBUS，电池BATTERY的负极接VT4的A极，BATTERY的正极接晶闸管VT5的A极，VT5的K极接VT3的K极；其特征在于增加一条并联于晶闸管VT5的负温度系数热敏电阻RT1串常开继电器K1的支路。使得既有电池输入缓启动功能，又有市电输入缓启动功能。
本发明提出功率因数校正电路的缓启动电路的控制装置包括所述的三电平Boost PFC电路的缓启动电路、信号采样电路、系统控制部分、Boost PFC控制电路、驱动电路部分；信号采样电路从所述的三电平Boost PFC电路的缓启动电路得到输入市电波形和电压信号、电池电压信号、升压电感电流信号、输出电压信号；系统控制部分根据信号采样电路送来的信号和预先设定的控制方式，发出所述的三电平Boost PFC电路的缓启动电路中各开关器件的驱动信号，控制其正常工作(其中包括缓启动)；Boost PFC控制电路，根据信号采样电路送来的信号通过专用PFC控制芯片UC3854控制三电平Boost PFC电路的缓启动电路中的VT1、VT2的驱动信号，使三电平Boost PFC电路的缓启动电路具备市电PFC或电池升压功能，并具有输出稳压，输入限功率和限流保护等功能；驱动电路部分，接受系统控制部分303和Boost PFC控制电路送来的驱动信号，驱动Boost PFC电路的缓启动电路中的相应器件。
本发明使得兼有市电输入PFC功能和电池升压功能的三电平输出的单相Boost PFC电路能有效的进行缓启动，避免对电网造成较大的冲击或对电池造成较大的损害，避免启动过程中损坏输入开关、保险、电路中相关的功率器件，在几乎不增加硬件成本的基础上，增加了系统的可靠性。
图2是本发明提出的三电平输出的单相Boost PFC缓启动电路。
图3是本发明提出的三电平输出的单相Boost PFC缓启动电路的控制装置。
图4是本发明所述的控制装置实现电池缓启动和市电间接缓启动控制时相关器件开关时序图和+DCBUS电压波形示意图。
图5是本发明所述的控制装置在实现市电输入直接缓启动的控制时相关器件开关时序图和+DCBUS电压波形示意图。
图2是本发明提出的三电平输出的单相Boost PFC缓启动电路，在
图1的基础上，增加了一条并联于晶闸管VT5的负温度系数热敏电阻RT1串常开继电器K1的支路使得既有电池输入缓启动功能，又有市电输入缓启动功能。
图3是本发明提出的三电平输出的单相Boost PFC缓启动电路的控制装置；包括三电平Boost PFC电路的缓启动电路301、信号采样电路302、系统控制部分303、Boost PFC控制电路304、驱动电路部分305；其中，所述的三电平Boost PFC电路的缓启动电路301即为图2所示的三电平输出的单相Boost PFC缓启动电路，信号采样电路302从所述的三电平Boost PFC电路的缓启动电路301得到输入市电波形和电压信号、电池电压信号、升压电感电流信号、输出电压信号；系统控制部分303根据信号采样电路302送来的信号和预先设定的控制方式，发出所述的三电平Boost PFC电路的缓启动电路301中各开关器件的驱动信号，控制其正常工作(其中包括缓启动)；Boost PFC控制电路304，根据信号采样电路302送来的信号通过专用PFC控制芯片UC3854控制三电平Boost PFC电路的缓启动电路中的VT1、VT2的驱动信号，使三电平Boost PFC电路的缓启动电路301具备市电PFC或电池升压功能，并具有输出稳压，输入限功率和限流保护等功能；驱动电路部分305，接受系统控制部分303和Boost PFC控制电路304送来的驱动信号，驱动Boost PFC电路的缓启动电路301中的VT1，VT2，VT3，VT3，VT5，K1；系统控制部分303可由数字信号处理器(DSP)和微程序控制器(MCU)等可编程器件构成，给系统的控制带来了很大的灵活性。
针对于系统电池和市电配置情况的不同，本发明所述的控制装置在系统控制部分303中预先设定了三种三电平Boost PFC电路的缓启动电路301的缓启动方式进行选择方式一对应于系统有电池，电池电压也在系统要求的范围内的情况，称之为电池缓启动方式；方式二对应于系统既有电池又有市电，电池市电电压都在系统要求的范围内的情况，称之为市电间接缓启动方式；方式三对应于系统仅有市电(市电电压在系统要求的范围内)，没有电池或电池电压不在系统要求的范围内的情况，称之为市电直接缓启动方式。各种缓启动控制方式都包含两个阶段首先是电池接入或市电整流接入给C1、C2充电，然后是Boost升压；其中第一个阶段由系统控制部分303完成，第二个阶段由系统控制部分303部分启动Boost PFC控制电路304，由Boost PFC控制电路304完成；由于Boost PFC控制电路304中芯片UC3854自具缓启动功能，升压过程快慢由芯片UC3854的SS端所接缓启动电容大小决定，当该电容大小设计合适时，第二阶段没有较大的冲击电流。因此，下面着重描述第一阶段的缓启动实现方案。
图4是本发明所述的控制装置实现电池缓启动和市电间接缓启动控制时相关器件开关时序图和+DCBUS电压波形示意图图中+DCBUS电压分段缓慢上升可表征软启动过程，其中[t0，t3]时段为电池输入缓启动阶段t0时刻所述的控制装置开始工作，由系统控制部分303导通图2中的常开继电器K1，电池组BATTERY通过图2中的热敏电阻RT1，常开继电器K1，电感L1，升压二极管VD1，电解电容C1、C2，升压二极管VD2，电感L2构成回路给C1，C2充电，充电电流由电池电压与RT1的阻值限定，选用合适RT1的阻值，没有较大的冲击电流；当缓启动电路301的后续环节(DC/DC变换器或DC/AC逆变器)未启动时(这一点一般是满足的)，也不需要大电流等级的常开继电器K1和热敏电阻RT1；充电完成后，电解电容C1、C2端电压为一半的电池电压，当系统控制部分303通过信号采样电路302的信号检测到充电完成后，于t1时刻导通晶闸管VT5，关断常开继电器K1，由晶闸管VT5作为电池电流的主通道，并启动Boost PFC控制电路304，进入缓启动的第二阶段；由Boost PFC控制电路304控制电解电容C1、C2端电压继续上升，于t3时刻升到所需要的直流母线电压。该方式虽然与背景技术中所述常用方式类似，但因为VT5本来就是电路的一部分，所以没有在主电路中串联多余的器件，不影响电路的效率和可靠性，其优点是控制简单，K1，RT1的容量也很小。
图4中[t0，t4]时段为市电输入间接缓启动控制方式[t0，t3]时段同前所述，t3时刻后电路进入电池升压工作模式，当系统控制部分303通过信号采样电路302的信号检测到这一点，并且判断市电输入在系统允许的范围内，在t4时刻给出整流晶闸管VT3和VT4的驱动信号，并同时取消VT5的驱动信号，电路将过渡到市电PFC工作模式，需要Boost PFC控制电路参数设计恰当，使得电池升压工作模式与市电PFC工作模式的过渡平稳，虽然需要电池参与缓启动，但是不增加额外的器件，并且控制简单可靠。
图5是本发明所述的控制装置在实现市电输入直接缓启动的控制时相关器件开关时序图和+DCBUS电压波形示意图[t0，t1]时段采用相控的方法导通整流晶闸管VT3、VT4，导通角θ逐步由0°增加到90°，+DCBUS将逐步上升到1.3倍的输入市电电压有效值，-DCBUS亦然，选择不同的步数，市电输入冲击电流大小不同，步数越多，冲击越小，选择合适的步数可满足要求，当导通角θ＞90°以后，可选用较少的步数迅速增加到180°，使VT3、VT4分别在市电输入正负半周时完全导通。当VT3、VT4完全导通后，进入第二阶段，同上。只是此时+DCBUS电压已非一半的电池电压，而是1.3倍的输入市电电压有效值。一般地，该电压比一半的电池电压要高许多，相应的，对第二阶段缓启动的压力也小许多。该过程控制比较复杂，但提供了一种没有电池或电池电压过低时电路的一种缓启动控制方案，可用于系统调试和自检，并可减少电池的消耗，也可用于当电池过放电时系统的恢复(市电启动后给过放电的电池充电使之恢复)，并具有背景技术所述的美国专利“Soft strat bridge rectifiercircuit”不增加额外的缓启动电路，直接控制晶闸管的触发脉冲来实现AC/DC整流桥的缓启动的优点；由于系统控制部分303由DSP和MCU实现，提高了系统的控制方案实现的灵活性，同时避免了庞杂的硬件控制电路。
本发明使得无论是仅有市电或电池，或既有市电又有电池的三电平输出的单相Boost PFC电路都能有效的进行缓启动，避免对电网造成较大的冲击或对电池造成较大的损害，避免启动过程中损坏输入开关、保险、电路中相关的功率器件(VD1，VD2，VT3，VT4)，在几乎不增加硬件成本的基础上，增加了系统的可靠性。本发明既可以应用于在线式双极变换UPS系统中，也可以应用于通讯电源、感应加热电源等电源中。
权利要求
1.一种功率因数校正电路的缓启动电路，包括市电输入火线L接整流晶闸管VT3的A极，VT3的K极经升压电感L1接主MOSFET管VT1的D端和升压二极管VD1的A极，VD1的K极接电解电容C1的正极，VT1的S端和C1的负极均接市电输入零线N，C1的正极即为+DCBUS；市电输入火线L还接整流晶闸管VT4的K极，VT4的A极经升压电感L2接主MOSFET管VT2的S端和升压二极管VD2的K极，VD2的A极接电解电容C2的负极，VT2的D端和C2的正极均接市电输入零线N，C2的负极即为-DCBUS，电池BATTERY的负极接VT4的A极，BATTERY的正极接晶闸管VT5的A极，VT5的K极接VT3的K极，其特征在于还包括一条并联于晶闸管VT5的负温度系数热敏电阻RT1串常开继电器K1的支路。
2.一种功率因数校正电路的缓启动电路的控制装置，包括三电平Boost PFC电路的缓启动电路(301)、信号采样电路(302)、系统控制部分(303)、Boost PFC控制电路(304)、驱动电路部分(305)；信号采样电路(302)从所述的三电平Boost PFC电路的缓启动电路(301)得到输入市电波形和电压信号、电池电压信号、升压电感电流信号、输出电压信号；系统控制部分(303)根据信号采样电路(302)送来的信号和预先设定的控制方式，发出所述的三电平Boost PFC电路的缓启动电路(301)中各开关器件的驱动信号，控制其正常工作；Boost PFC控制电路(304)根据信号采样电路(302)送来的信号控制三电平Boost PFC电路的缓启动电路(301)中的驱动信号，使三电平Boost PFC电路的缓启动电路具备市电PFC或电池升压功能，并具有输出稳压，输入限功率和限流保护等功能；驱动电路部分(305)接受系统控制部分(303)和Boost PFC控制电路(304)送来的驱动信号，驱动Boost PFC电路的缓启动电路(301)中的相应器件。
全文摘要
功率因数校正电路的缓启动电路及其控制装置，其中的缓启动电路包括市电输入火线L接整流晶闸管VT3的A极，VT3的K极经升压电感L1接主MOSFET管VT1的D端和升压二极管VD1的A极，VD1的K极接电解电容C1的正极，VT1的S端和C1的负极均接市电输入零线N，C1的正极即为+DCBUS；市电输入火线L还接整流晶闸管VT4的K极，VT4的A极经升压电感L2接主MOSFET管VT2的S端和升压二极管VD2的K极，VD2的A极接电解电容C2的负极，VT2的D端和C2的正极均接市电输入零线N，C2的负极即为－DCBUS，电池BATTERY的负极接VT4的A极，BATTERY的正极接晶闸管VT5的A极，VT5的K极接VT3的K极；其特征在于增加一条并联于晶闸管VT5的负温度系数热敏电阻RT1串常开继电器K1的支路；使得兼有电池输入和市电输入缓启动功能。
文档编号H02J7/34GK1428911SQ0114539
公开日2003年7月9日 申请日期2001年12月27日 优先权日2001年12月27日
发明者罗勇, 胡喜林, 黎学伟 申请人:深圳市中兴通讯股份有限公司上海第二研究所