专利名称：有源无源混合的单相功率因数校正电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种有源无源混合的单相功率因数校正电路，尤其涉及一种适用于采用电抗器电路、磁能恢复开关和三次谐振电路构成串联补偿方案、能够获得更高直流电压输出的带有输入功率因数校正功能的单相AC-DC电路，具有非常广泛的应用场合。
背景技术：
在采用单相不可控整流器作为功率前级的小功率电力电子变换器领域，例如变频家用电器领域，其最终产品必须满足中国3C认证和相关的国际认证，包括电磁兼容(EMC)认证。在这项认证中，其中规定了变频家用电器向电网注入的谐波电流次数与含量标准以及向电网传播的传导骚扰强度标准。同时为了建设节约型社会，必须提高电网容量的利用率。为此在这些家用电器中必须采取谐波电流抑制和电磁干扰抑制措施，并提高其功率因数，总称为功率因数校正(PFC)技术。对于家用电器而言，仅从电气指标上，功率因数校正的目标可以体现为①满足各次谐波电流标准前提下尽量提高输入功率因数；②提高直流电压的幅度以便提高负载能力；③避免功率因数校正环节引入幅值过高的电磁干扰水平。随着各项相关技术的发展，出现了多种无源校正技术和有源校正技术。经过比较，两种技术的应用各有优点和缺点。采用有源校正技术，校正效果好，但是增加成本过高，还需要处理好散热和高频电磁干扰等问题。采用无源校正技术，合适的参数配置能够获得较好的校正效果，增加成本较低，便于处理好散热和电磁干扰等问题，但是负载大时由于滤波电抗器引起的压降较大，影响负载能力的增加。基于以上实际情况，选择何种校正方案和不同的参数配置，使得功率因数校正电路既能够获得良好的校正效果，同时又能够获得较高的直流输出电压，既可以达到较低附加成本，又不引入高强度的电磁干扰，成为功率因数校正领域的一个新的追求方向。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，设计提供一种有源无源混合的单相功率因数校正电路，具有校正效果好、输出直流电压高、结构简单、成本低廉、通用性强等优点。
为实现上述目的，本发明设计的有源无源混合的单相功率因数校正电路由电抗器电路、磁能恢复开关、三次谐振电路和整流滤波电路构成，电抗器电路对线路电流进行滤波，得到滞后和近似正弦波形的输入电流，磁能恢复开关由四只功率开关、四只功率二极管、电解电容及控制与驱动器构成，对线路电流进行容性补偿，并弥补电抗器引起的压降，获得与电源电压同步的近似正弦波形电流，三次谐振电路的对输入电流的三次谐波成分进一步进行有效的滤波，得到接近正弦波形的输入电流波形，整流滤波电路对近似方波的交变电压进行整流和滤波，得到高平均值和低纹波电压的直流输出电压。
本发明所述的电抗器电路由一只电抗器构成，电抗器的输入端连接单相正弦交流电源的火线，另一端为输出端与磁能恢复开关的输入端连接。
本发明所述的磁能恢复开关由四只功率开关、四只功率二极管、一只电解电容和控制与驱动器构成，其中，四只功率开关与四只功率二极管两两对应经反向并联构成四只逆导型开关，两只逆导型开关顺次串联形成一个左桥臂，另两只逆导型开关顺次串联形成一个右桥臂，左右桥臂的上端相连为正极，下端相连为负极，构成一个H桥。左桥臂中点作为输入端与电抗器电路的输出端相连，右桥臂中点作为输出端与整流滤波电路的一个交流端相连，H桥上端正极连接电解电容的阳极，其下端负极连接电解电容的阴极。控制与驱动器根据单相正弦交流电源的极性产生四路脉冲驱动信号，分别与四只功率开关的门极相连。
本发明所述的三次谐振电路由一只谐振电抗器、一只交流电容构成，其中，谐振电抗器的初级线圈的输入端与磁能恢复开关的输出端相连，其输出端与整流滤波电路的一个输入端相连，其次级线圈的两端分别与交流电容的两端相连，构成三次谐振电路。
本发明所述的整流滤波电路由一只单相整流桥和一只电解电容、一只交流电容构成，其中，单相整流桥的一个交流输入端与三次谐振电路的初级线圈的输出端相连，另一个交流输入端与单相正弦交流电源的零线相连，单相整流桥的正极输出端与交流电容的一端、电解电容的阳极相连，负极输出端与交流电容的另一端、电解电容的阴极相连。
本发明的电抗器电路串联于电源火线上，其输入为单相正弦交流电压，对线路电流进行滤波后，输出非正弦交流电压。磁能恢复开关串联于电源火线上，对线路电流进行容性补偿作用，并弥补电抗器引起的压降，获得与电源电压同步的近似正弦波形电流。三次谐振电路的初级线圈流过近似正弦波形电流后，其基波电流成分在次级线圈产生三次振荡，形成的三次谐波磁场抵消初级线圈的三次谐波磁场，获得更加接近正弦波形电流。电抗器电路、磁能恢复开关与三次谐振电路的相互作用，产生近似方波的交变电压，方波电压的包络线为一个完整周期的、两倍电源频率的、幅值为输出电压峰值的上负下正的正弦电压波形。整流滤波电路输入该近似方波电压，经过整流和电解电容的滤波后，得到高平均值和低纹波电压的直流输出电压，其纹波为一个两倍电源频率的正弦电压波形，同时整流桥输入端得到一个与电网电压同步的接近正弦的电流波形，实现功率因数校正和提高输出电压幅值，并且由于磁能恢复开关的开关频率仅为电源频率，引起的附加电磁干扰非常轻微。
本发明根据电抗器电路滞流特性对单相整流桥产生的谐波电流进行滤波得到近似正弦波电流，同时利用磁能恢复开关串入电容的电流移相作用，补偿电抗器引起的电流滞后作用，并补偿电抗器的压降，并利用三次谐振电路进一步对输入电流三次谐波成分进行滤波，得到接近单位的功率因数，从而提高整流滤波电路电解电容的输出电压，并减少直流电压纹波幅度，增强整个单相AC-DC电路的负载能力，因而具有校正效果良好、通用性强等特征，同时具有结构简单、附加成本低、实现容易等优点，还可以实现较大的功率输出。
本发明可用在单相AC-DC变换器、单相输出的风力发电中，作为功率电路为后级电路提供较高质量和较高平均值的直流电压源，能够获得接近于单位的输入功率因数，并能够起到降低电磁干扰强度的作用。
本发明也可用在三相AC-DC变换器或三相输出的风力发电中，作为功率电路为后级电路提供较高质量和较高平均值的直流电压源，能够获得接近于单位的输入功率因数，并能够起到降低电磁干扰强度的作用，此时只需采用三组电抗器电路、磁能恢复开关和三次谐振电路，整流滤波电路中的单相整流桥改为三相整流桥即可。
图1为本发明的电路原理图。
图2为本发明应用于单相有源功率因数校正器(PFC)中的实施例电路原理图。
具体实施例方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。以下实施例是对本发明的进一步说明，而不构成对本发明的限定。
本发明设计的有源无源混合的单相功率因数校正电路如图1所示，由电抗器电路1、磁能恢复开关2、三次谐振电路3和整流滤波电路4构成。电抗器电路1由一只电抗器L1组成，连接单相交流电源的火线。磁能恢复开关2由四只功率开关S1～S4、四只功率二极管D1～D4、一只电解电容E1组成，功率开关与功率二极管经过反并联构成四只逆阻型开关，并形成一个H桥结构，电解电容跨接于H桥的两端，四只功率开关接受来自控制与驱动电路的门极驱动信号。三次谐振电路3由一只谐振电抗器T1、一只交流电容C2组成，谐振电抗器的次级与交流电容C2构成三次谐振环节。整流滤波电路4由一只单相整流桥B1、一只交流电容C1和一只电解电容E2组成，两只电容分别跨接在整流桥的输出正极与负极之间。
电抗器电路1中，电抗器L1的一端与单相正弦交流电源的火线相连，另一端与磁能恢复开关中的输入端相连。
磁能恢复开关2中，功率开关S1与功率二极管D1、功率开关S2与功率二极管D2、功率开关S3与功率二极管D3、功率开关S4与功率二极管D4，两两对应经反向并联构成四只逆导型开关，其中，两只逆导型开关顺次串联形成一个左桥臂，另两只逆导型开关顺次串联形成一个右桥臂，左右桥臂的上端(正极)相连，下端(负极)相连，构成一个H桥。左桥臂中点IN作为输入端与电抗器电路的输出端相连，右桥臂中点OUT作为输出端与整流滤波电路的一个交流端相连，H桥正极连接电解电容E1的阳极，H桥负极连接电解电容E1的阴极。控制与驱动器根据单相正弦交流电源的极性产生四路脉冲驱动信号P1～P4，分别直接与四只功率开关的门极相连。
三次谐振电路3中，谐振电抗器T1的初级线圈PC1的输入端与磁能恢复开关的输出端相连，初级线圈输出端与整流滤波电路的一个交流输入端相连，其次级线圈SC1的两端与交流电容C2的两端相连，构成一个环形支路。
整流滤波电路4中，单相整流桥B1的两个交流输入端分别与三次谐振电路初级线圈PC1的输出端和单相交流电源的零线相连，其直流输出端正极与交流电容C1的一端和电解电容E2的阳极相连，构成输出直流正极P，其直流输出端负极与交流电容C1的另一端和电解电容E2的负极相连，构成输出直流正极N。
本发明的工作原理为(1)电抗器电路1中，电抗器L1单独作用时起到滞流作用，对整流滤波电路的非线性畸变电流进行滤波，得到近似正弦波形和相移滞后的输入电流，电抗器的电感量较大时，效果较好。
(2)磁能恢复开关2中，在单相正弦波交流电源-90°～+90°区间，功率开关S2和S3开通，功率开关S1和S4关闭。在单相正弦波交流电源+90°～+270°区间，功率开关S1和S4开通，功率开关S2和S3关闭。这样电解电容E1相当于串联接入火线与电抗器电路中电抗器L1串联，能够补偿电抗器L1引起的输入电流相位差和电抗器L1引起的电压降落。
(3)三次谐振电路3中，谐振电抗器的初级线圈通入来自磁能恢复开关的近似正弦波形的线路电流后，其中的基波成分在次级引起三次谐波振荡，产生的三次谐波磁场抵消初级的三次谐波电流，因为在磁能恢复开关的作用下，线路电流的三次谐波含量有一定的含量，但是高次谐波含量很低，因此能够获得正弦度更高的线路电流波形。最终在整流滤波电路4中的整流器B1的两个交流输入端得到一个瞬时值高出直流输出电压两倍二极管压降的近似方波的交变电压，方波电压的包络线为一个完整周期的两倍电源频率、幅值为输出电压峰值的上负下正的正弦电压波形。该电压作用于整流滤波电路3后，得到近似正弦波形而且与单相正弦交流电压同步的输入电流，实现接近于单位的输入功率因数。同时由于磁能恢复开关的开关频率仅为电源频率，所引起的附加电磁干扰非常轻微。
(4)整流滤波电路4中，单相整流器B1的两个交流输入端输入来自三次谐振电路的近似方波电压后，经过整流作用和后级电解电容E2的储能滤波作用后得到一个直流输出电压，其纹波为一个两倍电源频率正弦电压波形，波形平稳，输出电压的平均值提高，而且最大纹波电压峰峰值大大降低。
本发明的电抗器电路、磁能恢复开关、三次谐振电路和整流滤波电路为密不可分的四个组成部分，不能简单地单独分析，从而构成有源无源混合的单相功率因数校正电路。校正原理的实质是单独作用时的整流滤波电路将产生严重的输入谐波电流，造成电网谐波电流污染和利用率下降，而且直流输出电压的平均值较低和纹波电压峰峰值较大，负载能力和电压质量均较低。单独采用电抗器电路时，较大电感滤波效果较好，但是输入电流的正弦度仍然较低，存在一定谐波电流含量，而且电流滞后严重，输入功率因数较低，同时电抗器本身的压降较大，致使整流滤波电路输出的直流电压平均值严重下降。同时采用磁能恢复开关后，其等效电解电容E1既能够储能，又能够补偿电抗器引起的压降，使得最终的输入电流趋向于与单相正弦交流电压同步的正弦波形，再加上三次谐振电路的采用进一步扼制三次谐波电流，达到最佳功率因数校正目的，又能获得较高平均值和较高质量的输出直流电压，引起的电磁干扰也非常轻微，在成本增加有限的前提下实现了高功能单相AC-DC变换器，而且可以推广到三相AC-DC变换器和风力发电领域，适用于较大功率应用条件。
本发明用于三相AC-DC变换器或三相输出的风力发电领域中，只需采用三组电抗器电路、磁能恢复开关和三次谐振电路，整流滤波电路中的单相整流桥改为三相整流桥即可。
上述器件中电抗器L1为普通电抗器，不要求精度；功率开关S1～S4可选则一般的IGBT，正向电压阻断能力为600V，对一致性不作要求；功率二极管D1～D4可选则一般的功率二极管，反向电压阻断能力为600V，对一致性不作要求；控制与驱动器可以选择一般的模拟电路或数模混合电路，不作具体要求；谐振电抗器T1参数的精度为5％，交流电容的C2的精度为5％；单相整流桥B1可选择一般的整流桥，反向耐压600V；交流电容C1耐压选择630V，电解电容E2选择耐压400WV。本发明一个实施例的参数为L1取25mH～100mH，C2取20μF，电抗器T1的初级线圈PC1取1.9mH，电抗器T1的次级线圈SC1取56.9mH，C1取0.1nF～4.7μF，E1取1410μF，功率开关S1～S4取50A/125℃，功率二极管D1～D4取50A/125℃，单相整流桥B1取25A/125℃。
图2为本发明有源无源混合的单相功率因数校正电路在单相有源功率因数校正器(PFC)-逆变器系统中的实施例。
按图2所示，单相有源功率因数校正器的输入单相正弦交流电压源，额定电压有效值为220V，输出功率2.5kW左右，由功率电路和控制电路构成。其功率电路为由本发明有源无源混合的单相功率因数校正电路、三相逆变器-电动机系统组成，其控制电路包含在本发明有源无源混合的单相功率因数校正电路中。本发明在单相有源功率因数校正器的应用目的就是提供一个接近单位的输入功率因数以及高输出电压平均值和低纹波电压峰峰值的输出直流电压，既能够降低电网谐波电流污染，提高电源利用率，又能够提高负载能力，提高逆变器的基本频率。
显然，本发明有源无源混合的单相功率因数校正电路可以应用在单相AC-DC变换器、三相AC-DC变换器和风力发电领域，适用于较大功率应用条件，起到提高输入功率因数、增加输出直流电压和降低EMI强度的作用。
权利要求
1.一种有源无源混合的单相功率因数校正电路，其特征在于包括电抗器电路、磁能恢复开关、三次谐振电路和整流滤波电路，所述电抗器电路由电抗器(L1)构成，电抗器(L1)的一端连接单相正弦交流电源的火线，另一端连接磁能恢复开关的输入端；所述磁能恢复开关由四只功率开关(S1～S4)、四只功率二极管(D1～D4)、第一只电解电容(E1)、控制与驱动器构成，其中，四只功率开关(S1～S4)与四只功率二极管(D1～D4)两两对应经反向并联构成四只逆导型开关，两只逆导型开关顺次串联形成一个左桥臂，另两只逆导型开关顺次串联形成一个右桥臂，左右桥臂的上端正极相连，下端负极相连，构成一个H桥；左桥臂中点作为输入端与电抗器电路的输出端相连，右桥臂中点作为输出端与整流滤波电路的一个交流端相连，H桥上端正极连接第一只电解电容(E1)的阳极，其下端负极连接第一只电解电容(E1)的阴极；控制与驱动器根据单相正弦交流电源的极性产生四路脉冲驱动信号(P1～P4)，分别与四只功率开关(S1～S4)的门极相连；所述三次谐振电路由一只谐振电抗器(T1)、一只交流电容(C2)构成，其中，谐振电抗器(T1)初级线圈(PC1)的输入端与磁能恢复开关的输出端相连，其输出端与整流滤波电路的一个交流输入端相连，次级线圈(SC1)的两端与交流电容(C2)的两端分别相连；所述整流滤波电路由单相整流桥(B1)、交流电容(C1)、第二只电解电容(E2)构成，其中，单相整流桥(B1)的一个交流输入端与三次谐振电路的初级线圈的输出端相连，另一个交流输入端与单相正弦交流电源的零线相连，单相整流桥(B1)的正极输出与交流电容(C1)的一端及第二只电解电容(E2)的阳极相连，其负极输出与交流电容(C1)的另一端及第二只电解电容(E2)的阴极相连。
2.一种由权利要求1的单相功率因数校正电路构成的三相功率因数校正电路，其特征在于所述电抗器电路、磁能恢复开关及所述三次谐振电路采用三组，所述整流滤波电路中的单相整流桥(B1)改用三相整流桥。
3.一种权利要求1的单相功率因数校正电路的应用，其特征在于用在单相AC-DC变换器、单相输出的风力发电中，作为功率电路为后级电路提供直流电压源。
4.一种权利要求2的三相功率因数校正电路的应用，其特征在于用在三相AC-DC变换器、三相输出的风力发电中，作为功率电路为后级电路提供直流电压源。
全文摘要
本发明涉及一种有源无源混合的单相功率因数校正电路，由电抗器电路、磁能恢复开关、三次谐振电路和整流滤波电路构成。电抗器电路对线路电流进行感性滤波，磁能恢复开关对线路电流进行容性补偿作用，三次谐振电路次级产生的三次谐波磁场抵消初级的三次谐波电流，在以上三部分电路的共同作用下，产生近似方波的交变电压和接近同步与正弦波形的线路电流，再经整流滤波电路，又可以得到高平均值和低纹波电压的直流输出电压。本发明的电路应用到单相AD－DC变换器中，产生高的输入功率因数和高平均值的直流输出电压，具有结构简单、附加成本低、通用性强等优点，尤其适用于采用AC－DC变换器为前级电路的变频家电和风力发电机侧的电力变换器。
文档编号H02J3/18GK1933307SQ200610030610
公开日2007年3月21日 申请日期2006年8月31日 优先权日2006年8月31日
发明者杨喜军, 王建全 申请人:上海交通大学