专利名称：一种交流升压方式的三相功率因数校正电路的制作方法
技术领域：
该技术属于电力电子技术领域，主要应用范围是逆变式弧焊电源及其它逆变电源。
背景技术：
随着世界范围内的工业化进程加快，能源和环保得到越来越广泛的重视。解决能源问题除了能源合理开发、寻找新能源外，自身挖潜、提高能源的利用效率在各行业也提到了重要的地位。环境保护也不再限于废气、废水、废渣、噪声的治理，电磁污染已经被确定为第五大污染源。
谐波污染和射频污染是典型的电磁污染。材料电加工是耗电量最大的行业，如各式各样的铸造、焊接、锻压、热处理和机械加工设备，都使用通过电能转化而来的热能或动能。材料电加工设备的负载状况几乎全部都是非线性很强的，如高频感应加热、电弧加热、电子束加热、电解、电镀以及采用整流输入的电设备(如调压设备、变频调速和逆变电源等)。这些非线性负载使供电电网中含有大量高次谐波，一方面使设备的功率因数大大降低，造成输电损耗和供电容量的极大浪费，另一方面严重污染电网，影响其他设备的正常运转，使计算机控制设备误动作，甚至会造成配电事故。
逆变焊接电源作为一种典型的电力电子装置，虽然具有体积小、重量轻，控制性能好等优点，但对电网来说，它本质上是一个大的整流电源。逆变电源的输入电流波形是一种尖角波，如附图1所示，使电网中含有大量高次谐波。高次电压、电流谐波之间存在严重相移，导致焊机的功率因数很低。低频谐波畸变问题是当前电力电子设备的一个共性问题，解决的最有效方法是在设备的输入端接有谐波抑制装置。
功率因数校正通常是在桥式整流之后，增加一个Boost电路，如图2所示，通过功率元件的开关作用，使输入电流变成与电网电压几乎完全同相的正弦波，可以使电流畸变率降到5％以下，功率因数可以提高到0.99或更高。
其工作的基本原理是功率开关管S(由控制电路控制)导通时，输入电压Vin全部加在电感L上，随着输入电压Vin的上升，通过电感L的电流也随之上升；当功率管关断时，电感产生与输入电压同极性的感应电压VL。此时，功率管两端的电压为Vin+VL，该电压通过二极管D送到电容C。这样，输入电感L的平均电流就会跟踪正弦电压的变化，电流波形接近和电压同相位的正弦波，使功率因数接近于1。为实现谐波抑制功能，BoostPFC电路的输出电压Vo必须大于整流器输出的峰值电压。而且功率管放在整流桥的直流侧，通过功率管的电流为直流，只需要单向电流通过的功率开关管。
有源功率因数校正电路按应用对象的不同分为单相功率因数校正和三相功率因数校正，按电路的工作模式有分为电感电流连续模式(CCM)和电感电流断续模式(DCM)。国内外的电力电子学领域的专家对单相功率因数校正技术已经进行了深入的研究，在焊接电源领域，国内已经出现了单相小功率逆变焊接电源的功率因数校正的文章。但是，三相功率因数校正电路由于技术难度大，由单相功率因数校正电路的简单组合，难以实现三相电路的谐波抑制。国外的学者只是进行到初步研究阶段，电路的工作模式普遍采用电感电流断续模式，电路的功率开关承受比较大的电流电压应力，只适用于稳定负载的三相小功率设备，而对于电感电流连续的10KW级大功率三相功率因数校正电路，目前尚未见文章发表。国内有关三相功率因数校正的文章发表甚少，也都是功率输出很小的情况下运行的。随着器件制造技术和高频功率变换技术的进步，功率因数校正技术已逐渐深入到中大功率的整流电源中，因此这种方式必将对谐波污染的治理作出巨大贡献，所以必须研究新的适用于大功率三相电路的谐波抑制方案。
发明内容
本发明采用交流升压方式的功率因数校正电路拓扑代替传统的电容滤波的二极管整流电路。
一种交流升压方式的三相功率因数校正电路，其特征在于，按照三相平衡准则，电路中的电感La、Lb、Lc相同，二极管VD1～VD6相同，电容C1、C2相同，双向功率开关管模块Sa、Sb、Sc相同；三相电网星型连接，其输出端Via、Vib、Vic与高频EMI即Electro Magnetic Interference电磁干扰滤波模块和电感La、Lb、Lc的一端依次采用串行连接；La的另外一端与VD1的阳极、双向功率开关管模块Sa的一端连接在一起；Lb的另外一端与VD3的阳极、双向功率开关管模块Sb的一端连接在一起；Lc的另外一端与VD5的阳极、双向功率开关管模块Sc的一端连接在一起；在由二极管VD1～VD6组成的整流桥中，VD1的阳极和VD2的阴极连接、VD3的阳极和VD4阴极连接、VD5的阳极和VD6的阴极连接；用于滤波的直流侧电容C1和C2串连相接；VD1、VD3、VD5的阴极和C1的正极连接在一起形成负载供电的正极；VD2、VD4、VD6的阳极和C2的负极连接在一起形成负载供电的负极；双向功率开关管模块Sa、Sb、Sc的另外一端必须和C1的负极、C2的正极连接一起，C1、C2的公共连接点与三相电网的零线连接在一起或者相互独立；上述双向功率开关模块由附图5所示的两种方式之一构成，一种方式是将两个带有反并联二极管的功率开关元件VT1和VT2对接，如附图5(a)所示，VT1和VT2的栅极连在一起、发射极接在一起，VT1的集电极和D1的阴极连接形成双向功率开关模块的一端，VT2的集电极和D2的阴极连接形成双向功率开关模块的另一端，D1、D2的阳极和VT1、VT2的发射极共同连接在一起；另一种方式如附图5(b)所示，将一个功率开关元件VT接在一个由D-1、D-2、D-3、D-4组成的单相整流桥的直流输出端，该单相整流桥直流输出端的正极接VT的集电极，整流桥直流输出端的负极接VT的发射极，该单相整流桥交流输入端作为双向功率开关模块的两个接线端。
一种交流升压方式的三相功率因数校正电路，其特征在于，所述的由二极管VD1～VD6组成整流桥中的二极管采用具有快恢复特性的二极管。
一种交流升压方式的三相功率因数校正电路，其特征在于，功率开关元件VT1和VT2以及功率开关元件VT采用MOSFET或者IGBT。
一种交流升压方式的三相功率因数校正电路，其特征在于，所述的电感La、Lb、Lc电感量范围是1mH-7mH，滤波电容的电容量范围是470uF-3300uF，功率器件的开关频率可在15KHz到25KHz范围内。
整个电路是由三套交流的Boost电路组成，在电路工作的每一瞬时，这三套交流的Boost电路都同时工作，电源的每一相都向输出端提供能量，这一点和常规的二极管整流器是不同的。从整个电路结构来看，升压电感和功率开关依次放在三相整流桥的输入侧，通过改变双向功率开关管的闭合状态把整流器的交流输入电压升高，与此同时使得每一相的输入电感电流直接跟踪正弦波波形，这和单相谐波抑制电路中电感电流跟踪半波正弦是不同的。这个电路也正是利用电路的这一特点实现三相电路输入电流的谐波抑制的。
本发明电路工作的基本原理是以a相为例，当Via为正时，由La、Sa、VD1、C1组成一单相Boost PFC电路；当Via为负时，由La、Sa、VD2、C2组成一单相Boost PFC电路，其它两相依此类推。这样，在任一时刻，每一相都接有一个Boost PFC电路，电路的控制方式可以采用任何一种成熟单相功率因数校正的控制方式，如平均电流型控制。这三套交流升压电路可以采用相同的控制电路，每套电路分别采用各自的电流反馈回路，采用同一个电压反馈回路，形成一个三个电流反馈内环、一个电压反馈外环的多闭环系统。
本发明为一种交流升压方式的三相功率因数校正电路，其特征在于整流桥中所用到的二极管采用具有快恢复特性的二极管代替普通整流桥所用的二极管。目的是降低二极管整流所带来的功率损耗，进一步提高系统的功率因数以及系统的稳定性。
本发明为一种交流升压方式的三相功率因数校正电路，其特征在于选用电感La、Lb、Lc时，根据Boost升压电路设计原理使通过电感的电流工作在连续导电模式，其电感量范围是1mH-7mH，滤波电容的电容量范围是470uF-3300uF，功率器件的开关频率可在15KHz到25KHz范围内。串连滤波电容C1、C2中点和双向功率开关的公共端必须接在一起，其公共点和电网零线可以互相接通也可以相互独立。每个电流环的设计方法和平均电流型控制的单相Boost PFC电路电流内环的设计方法是完全相同的。而电压外环的设计和单相Boost PFC电路稍有不同的是，由于输出端电容的纹波的频率是电网供电频率的3倍，其带宽的选择可以根据系统响应的需要适当放宽以提高电压环的闭环响应速度。
在交流升压式三相功率因数校正电路中，一个比较重要的开关元件就是双向功率开关模块的设计。考虑到成本等因素通常会想到用可控硅作为双向功率开关模块的基件，但是可控硅的工作频率不能很高，而且是半控型器件，并不适合功率因数校正电路的应用。所以，我们必须采用现有的其他开关元件构造出一个双向开关。现有两种方法可以构成双向开关，在试验过程中可采用其中的一种。一种是将两个带有反并联二极管的可控开关元件的对接，如图5(a)所示，VT1和VT2的栅极相连、发射极相连，VT1的集电极和VD1的阴极连接形成双向开关的一端，VT2的集电极和D2的阴极连接形成双向开关的另一端，D1、VD2的阳极和VT1、VT2的发射极共同连接在一起。这样两个功率开关元件可以采用同一套驱动电路。其工作原理是正向电流电流时，电流流过VT1、D2；反向电流时，电流流过VT2、D1，实现电流的双向流动。另一种方法是将一个功率开关元件接在一单相整流桥的直流输出端(整流桥直流输出端的正极接VT的集电极，整流桥直流输出端的负极接VT的发射极)，交流输入端做为两个双向开关的两个端子，如图5(b)所示。其工作原理是正向电流时，电流流过D-1、VT、D-4；反向电流时，电流流过D-2、VT、D-3，实现电流的双向流动。这两种实现双向开关的方法各有优缺点，图5(a)的方法采用的元件较少，但导通压降低，图5(b)的方法采用的元件较多，但是只采用一个可控开关元件，导通压降比图5(a)方法高一个二极管压降。采用这两种双向功率开关，都可以简化本发明的控制系统设计，只需要三路驱动信号就可完成控制。在构造上述两种双向开关模块时，可根据功率输出大小，选择MOSFET或者IGBT作为设计双向功率开关的基本构件。
图1大功率弧焊逆变电源的输入电流的典型波形(a)和频谱图(b)图2单相BoostPFC电路原理3交流升压方式的三相功率因数校正电路框4交流升压方式的三相功率因数校正电路原理结构5两种双向开关的设计原理6交流升压方式的三相功率因数校正电路的输入电流波形图7交流升压方式的三相功率因数校正的相电压与相电流波形图8交流升压的弧焊逆变电源测试的输入电压电流(a)和频谱(b)具体实施方式
采用本发明的设计，研制了一台400A的带有谐波抑制功能的弧焊逆变电源，其输入级采用交流升压方式的三相功率因数校正电路(电感值为3mL，直流侧电容C1、C2为2200uF，整流桥采用的具有快恢复特性的二极管整流，双向功率开关模块的基件选用IGBT(BSM150GB120DN2))，功率输出范围10kW～15kW，功率变换器采用全桥逆变电路。低谐波畸变的弧焊逆变电源是焊接电源的发展趋势。这种焊机从总体上看，包括两个部分一是谐波抑制器，也可称做电压预调节器或功率因数校正级，二是功率变换器，也就是传统的弧焊逆变电源去掉输入整流滤波部分。这两部分各自是一个独立的系统，只不过谐波抑制器是控制电源相对于电网的负载特性，以减少电源的谐波对电网的危害，并使供电系统的容量得到充分的利用。而功率变换器是将电网的能量变换成负载所需要的形式，对弧焊逆变电源来说就是低的电压、大的电流。所以谐波抑制器是控制整个焊机系统的输入，功率变换器是控制焊机系统的输出，这两部分组合在一起，就是一台低谐波畸变的的焊接电源。
图6是交流升压方式的三相功率因数校正电路的电感电流测试波形，图7是三相功率因数校正电路的相电压和相电流波形。可以看出，交流升压方式的输入电流已接近标准的正弦波，但是在电流过零点稍稍有一点畸变，这是因为功率因数电路相对于电网来说，具有一定的感性，电感电流相位滞后于电源电压，电流在过零点时，电流反馈回路无法跟踪上基准电流，同时电感电流在过零点附近是断续的，所以造成了电感电流在过零点有一定的畸变，采用这样的拓扑结构这种缺点是无法避免的。图8是采用FLUKE谐波测试仪进行的功率因数和电流谐波的测试结果。可见焊机的功率因数已达到0.99，电流谐波畸变率在5％以下，完全符合IEC61000-3-2标准。
权利要求
1.一种交流升压方式的三相功率因数校正电路，其特征在于，按照三相平衡准则，电路中的电感La、Lb、Lc相同，二极管VD1～VD6相同，电容C1、C2相同，双向功率开关管模块Sa、Sb、Sc相同；三相电网星型连接，其输出端Via、Vib、Vic与高频EMI即Electro Magnetic Interference电磁干扰滤波模块和电感La、Lb、Lc的一端依次采用串行连接；La的另外一端与VD1的阳极、双向功率开关管模块Sa的一端连接在一起；Lb的另外一端与VD3的阳极、双向功率开关管模块Sb的一端连接在一起；Lc的另外一端与VD5的阳极、双向功率开关管模块Sc的一端连接在一起；在由二极管VD1～VD6组成的整流桥中，VD1的阳极和VD2的阴极连接、VD3的阳极和VD4阴极连接、VD5的阳极和VD6的阴极连接；电容C1和C2串连相接；VD1、VD3、VD5的阴极和C1的正极连接在一起形成负载供电的正极；VD2、VD4、VD6的阳极和C2的负极连接在一起形成负载供电的负极；双向功率开关管模块Sa、Sb、Sc的另外一端必须和C1的负极、C2的正极连接一起，C1、C2的公共连接点与三相电网的零线连接在一起或者相互独立；上述双向功率开关模块由附图5所示的两种方式之一构成，一种方式是将两个带有反并联二极管的功率开关元件VT1和VT2对接，如附图5(a)所示，VT1和VT2的栅极连在一起、发射极接在一起，VT1的集电极和D1的阴极连接形成双向功率开关模块的一端，VT2的集电极和D2的阴极连接形成双向功率开关模块的另一端，D1、D2的阳极和VT1、VT2的发射极共同连接在一起；另一种方式如附图5(b)所示，将一个功率开关元件VT接在一个由D-1、D-2、D-3、D-4组成的单相整流桥的直流输出端，该单相整流桥直流输出端的正极接VT的集电极，整流桥直流输出端的负极接VT的发射极，该单相整流桥交流输入端作为双向功率开关模块的两个接线端。
2.根据权利要求1所述的一种交流升压方式的三相功率因数校正电路，其特征在于，所述的由二极管VD1～VD6组成整流桥中的二极管采用具有快恢复特性的二极管。
3.根据权利要求1所述的一种交流升压方式的三相功率因数校正电路，其特征在于，所述功率开关元件VT1和VT2以及功率开关元件VT采用MOSFET或者IGBT。
4.根据权利要求1所述一种交流升压方式的三相功率因数校正电路，其特征在于，所述的电感La、Lb、Lc电感量范围是1mH-7mH，滤波电容C1、C2的电容量范围是470uF-3300uF，功率开关元件VT1和VT2以及功率开关元件VT的开关频率在15KHz到25KHz范围内。
全文摘要
一种交流升压方式的三相功率因数校正电路，用于逆变电源。尚无对电感电流连续的10KW级大功率三相功率因数校正电路。本发明特征三相电网星型连接，输出端Via、Vib、Vic与EMI和电感La、Lb、Lc的一端串行连接；La的另一端与VD1阳极、双向功率开关管模块Sa的一端连；Lb的另一端与VD3阳极、Sb的一端连；Lc的另一端与VD5的阳极、Sc的一端连；二极管VD1～VD6组成的整流桥；电容C1和C2串连相接；VD1、VD3、VD5的阴极和C1的正极连；VD2、VD4、VD6的阳极和C2的负极一起形成电的负极；Sa、Sb、Sc的另一端和C1的负极、C2的正极连，C1、C2的公共连接点零线连或独立；本发明控制简化，将采用电容滤波的整流电路作为输入级的弧焊逆变电源的功率因数从0.6～0.7提高到0.98～1。
文档编号H02M7/12GK1610230SQ20041008689
公开日2005年4月27日 申请日期2004年11月5日 优先权日2004年11月5日
发明者陈树君, 殷树言, 卢振洋, 李西恭, 曾华 申请人:北京工业大学