专利名称：交流升压功率因数校正电路的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种交流升压单相，三相功率因数校正电路，主要应用于功率因数 校正，提高功率因数，以减少电源的谐波对电网的危害，属于电力电子技术领域。
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时典型的电磁污染。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的高次谐波，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。谐波已经成为一种电力公害，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1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得正弦波，可以使电流畸变 率降到5%以下，功率因数提高到0. 99或更高。其工作的基本原理功率管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，Boost PFC电路的输 出电压UO必须大于整流器输出的峰值电压。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，并且发表 了不少的文章，但大多数研究都是对控制电路及方法的研究，并没有改变传统的功率因数 校正电路的主电路，使得在电源的利用率和大功率设备应用受到限制，所以必须研究新的 功率因数校正电路拓扑，提高电路的效率。
实用新型内容本实用新型的目的在于，通过提供交流升压功率因数校正电路，提高电路的效率， 使得电源的利用率和大功率设备得到更加广泛的应用。本实用新型是采用以下技术手段实现的[0010]交流升压功率因数校正电路，包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管 D3、第四二极管D4 ；第一功率管Ml、第二功率管M2 ；以及控制功率管的控制电路；其特征在 于在单相功率因数校正电路中，第一二极管Dl与第三二极管D3之间设有第一电感Li，第 二二极管D2与第四二极管D4之间设有第二电感L2 ；所述的第一电感Ll和第二电感L2互 相耦合，绕制同一磁芯上；其中，输入电压V与第一二极管Dl的阳极和第二二极管D2的阴 极一端连接；第一二极管Dl的阴极与第一电感Ll的一端串联；第二二极管D2的阳极与第 二电感L2的一端串联；两个带有反并联二极管的第一功率管Ml和第二功率管M2串联相 接；第一电感Ll的另一端与第一功率管Ml的集电极和第三二极管D3的阳极一端连；第二 电感L2的另一端与第二功率管M2的发射极和第四二极管D4的阴极一端连；第一电容Cl 和第二电容C2串联相接；第一电容Cl两端并联第一电阻Rl ；第二电容C2两端并联第二电 阻R2 ；第三二极管D3的阴极与第一电容Cl的正极和输出端DC+相连；第四二极管D4的阳 极与第二电容C2的负极和输出端DC-连；零线与第一功率管Ml、第二功率管M2的公共端 相连；第一电容Cl、第二电容C2的公共端连接在零线上。将所述的第一电感Ll和第二电感L2合并成一个电感Li，一端和输入电压V相 连，另一端和第一二极管Dl的阳极和第二二极管D2的阴极一端连；第一二极管Dl的阴极 与第一功率管Ml的集电极和第三二极管D3的阳极一端连；第二二极管D2的阳极与第二功 率管M2的发射极和第四二极管D4的阴极一端连接。前述的第一功率管Ml和第二功率管M2采用MOSFET或者IGBT，开关元件的频率为 5KHz-100KHz ；当采用MOSFET时，功率开关管的反并联第一二极管(DMl)、第二二极管(DM2) 可以用MOSFET的体二极管代替。前述的第一电容Cl、第二电容C2为20uF_3300uF。前述的第一电阻R1、第二电阻R2电阻值范围是2K-100K。前述的电感Li、L2的电感量范围是0. 05mH-2. OOmH。前述的第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4采用具有快 恢复特性的二极管。本实用新型采用前述的单相功率因数校正电路，组成一种交流升压三相功率因数 校正电路。包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4 ；第一功率 管Ml、第二功率管M2 ；以及控制功率管的控制电路；采用对称的校正电路；第一二极管Dl 与第三二极管D3之间设有第一电感Li，第二二极管D2与第四二极管D4之间设有第二电 感L2 ；第一电感Ll和第二 L2互相耦合，绕制同一磁芯上；其中，输入电压V与第一二极管 Dl的阳极和第二二极管D2的阴极一端连接；第一二极管Dl的阴极与第一电感Ll的一端 串联；第二二极管D2的阳极与第二电感L2的一端串联；两个带有反并联二极管的第一功 率管Ml和第二功率管M2串联相接；第一电感Ll的另一端与第一功率管Ml的集电极和第 三二极管D3的阳极一端连；第二电感L2的另一端与第二功率管M2的发射极和第四二极 管D4的阴极一端连；第一电容Cl和第二电容C2串联相接；第一电容Cl两端并联第一电阻 Rl ；第二电容C2两端并联第二电阻R2 ；第三二极管D3的阴极与第一电容Cl的正极和输出 端DC+相连；第四二极管D4的阳极与第二电容C2的负极和输出端DC-相连；各相的零线与 第一功率管Ml、第二功率管M2的公共端相连；各相的第一电容Cl、第二电容C2的公共端共 同连接在零线上。[0018]前述的交流升压三相功率因数校正电路各相的第一电感Ll和第二电感L2合并成 一个电感Li，一端和输入电压V相连，另一端和第一二极管Dl的阳极和第二二极管D2的 阴极一端连；第一二极管Dl的阴极与第一功率管Ml的集电极和第三二极管D3的阳极一端 连；第二二极管D2的阳极与第二功率管M2的发射极和第四二极管D4的阴极一端连接。本实用新型交流升压功率因数校正电路，与现有技术相比，具有以下明显的优势 和有益效果本实用新型采用交流升压模式代替传统的直流升压，与一般的PFC电路相比，在 功率通路上减少一个二极管，可以提高电路的效率，同时控制系统可以采用任何一种功率 因数校正的控制模式，电流采集第一传感器Si、第二传感器S2可以依据控制模式的不同而 改变位置。从电路的器件来看，本实用新型电路中的第一功率管Ml和第二功率管M2因为 串联，可以很方便的做在一起成为一个元器件，第一电感Ll和第二电感L2因为耦合也可以 很方便的做在一起成为一个元器件，与传统的单相Boost PFC电路相比，本实用新型电路器 件只多了一个输出电容，电路简单；从控制方式来看，本实用新型电路，我们只要控制当其 中一个功率开关管工作时，使另一个开关管关断，而这是很容易实现的，可以采用任何一种 成熟的单相功率因数校正的控制方式，如平均电流型控制。由于其三相功率因数校正电路，因为是将上面所述的三个交流升压单相的功率因 数校正电路以星形接法接在三相四线制的电网上，每一相都接一个上面所述的交流升压单 相功率因数校正电路，每个模块都独立工作。
图1为传统的单相Boost PFC电路原理图；图2为带有两个电感的交流升压单相功率因数校正电路原理结构图；图3为一个电感的交流升压单相功率因数校正电路原理结构图；图4为具有六个电感的交流升压三相功率因数校正电路原理结构图；图5为具有三个电感的交流升压三相功率因数校正电路原理结构图；图6为本实用新型设计的交流升压单相功率因数校正电路应用原理图；图7为本实用新型设计的交流升压三相功率因数校正电路应用原理图；图8为采用本实用新型设计的单相弧焊逆变电源原理图；图9为采用本实用新型设计的三相弧焊逆变电源原理图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本实用新型的具体实施例加以说明请参阅图2所示，本实用新型的一种交流升压单相功率因数校正电路。输入电压V 与第一二极管Dl的阳极和第二二极管D2的阴极一端连；第一二极管Dl的阴极与第一电感 Ll的一端串联；第二二极管D2的阳极与第二电感L2的一端串联；两个带有反并联二极管 的第一功率管Ml和第二功率管M2串联相接；第一电感Ll的另一端与第一功率管Ml的集 电极和第三二极管D3的阳极一端连；第二电感L2的另一端与第二功率管M2的发射极和第 四二极管D4的阴极一端连；第一电感Ll和第二电感L2互相耦合，绕制同一磁芯上；第一电 容电容Cl和第二电容C2串联相接；第一电容Cl两端并联第一电阻Rl ；第二电容C2两端 并联第二电阻R2 ；第三二极管D3的阴极与第一电容Cl的正极和输出端DC+相连；第四二 极管D4的阳极与第二电容C2的负极和输出端DC-连；零线与第一功率管Ml、第二功率管M2的公共端相连。第一电容Cl、第二电容C2的公共端建议连在零线上，也可以不连。请参阅图3所示，其中电路可以有另一种接法，可以把第一电感Ll和第二电感L2 合并成一个电感Li，一端和输入电压V相连，另一端和第一二极管Dl的阳极和第二二极管 D2的阴极一端连；第一二极管Dl的阴极与第一功率管Ml的集电极和第三二极管D3的阳极 一端连；第二二极管D2的阳极与第二功率管M2的发射极和第四二极管D4的阴极一端连； 其它的接法与上面所述一样。图4为采用六个电感的交流升压三相功率因数校正电路原理结构图，图5为采用 具有三个电感的交流升压三相功率因数校正电路原理结构图。将上面所述的三个交流升压单相的功率因数校正电路以星形接法接在三相四线 制的电网上，每一相都接一个上面所述的交流升压单相功率因数校正电路模块，但其中三 个交流升压单相的功率因数校正电路的输出端接在一起，再接滤波第一电容Cl、第二电容 C2和并联在他们两端的第一电阻R1、第二电阻R2。每个模块的第一功率管Ml、第二功率 管M2的公共端、滤波第一电容Cl、第二电容C2的公共端和零线建议接在一起，也可部分连 接在一起甚至全都互不连接，也就是本电路不接零线也能正常工作，电路原理图如图4所 示。同理它也有另一种接法。本实用新型采用交流升压模式代替传统的直流升压，与一般 的PFC电路相比，在功率通路上减少一个二极管，可以提高电路的效率，同时控制系统可以 采用任何一种功率因数校正的控制模式，电流采集第一传感器Si、第二传感器S2可以依据 控制模式的不同而改变位置。一种交流升压单相功率因数校正电路，第一功率管Ml和第二功率管M2采用 MOSFET或者IGBT，采用MOSFET时，功率开关的反并联第一二极管DMl、第二二极管DM2可以 用MOSFET的体二极管代替。开关频率可在5KHz到IOOKHz范围内。所述的第一电容Cl、第二电容C2容量范围是20uF_3300uF，第一电阻R1、第二电 阻R2电阻值范围是2K-100K，其作用是使第一电容Cl、第二电容C2两端电压相等，第一电 感Li、第二电感L2的电感量范围是0. 05mH-2. OOmH，依据开关频率的大小和电路的输出功 率确定。所述的第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4采用具有快 恢复特性的二极管。本实用新型电路的基本工作原理是当输入电压V为正时，第一功率管Ml工作第 二功率管M2不工作，由第一二极管D1、第一电感Li、第一功率管Ml、第三二极管D3、第一电 容Cl组成一单相Boost PFC电路；当输入电压V为负时，第二功率管M2工作第一功率管Ml 不工作，由第二二极管D2、第二电感L2、第二功率管M2、第四二极管D4、第二电容C2组成一 单相Boost PFC电路，而传统的单相功率因数校正电路如图1所示，当输入电压Vin为正时 第二二极管D2、第四二极管D4、电感L、功率管S、二极管D、电容C组成一单相Boost PFC电 路，当输入电压Vin为负时第一二极管D1、第四二极管D4、电感L、功率管S、二极管D、电容C 组成一单相Boost PFC电路，可见本实用新型电路在在功率通路上比传统的单相BoostPFC 减少一个二极管，可以提高电路的效率。从电路的器件来看，本实用新型电路中的第一功率管Ml和第二功率管M2因为串 联，可以很方便的做在一起成为一个元器件，第一电感Ll和第二电感L2因为耦合也可以很 方便的做在一起成为一个元器件，与传统的单相Boost PFC电路相比，本实用新型电路器件只多了一个输出电容，电路简单；从控制方式来看，本实用新型电路，我们只要控制当其中 一个功率开关管工作时，使另一个开关管关断，而这是很容易实现的，就可以采用任何一种 成熟的单相功率因数校正的控制方式，如平均电流型控制。一种交流升压三相功率因数校正电路，因为它是将上面所述的三个交流升压单相 的功率因数校正电路以星形接法接在三相四线制的电网上，每一相都接一个上面所述的交 流升压单相功率因数校正电路，每个模块都独立工作，所以其分析跟上面所述的交流升压 单相功率因数校正电路一样，这里就不再重述。交流升压单相功率因数校正电路的两种不同接法，当电路采用两个电感时，如图2 所示，它的基本思路是当输入电压V为正时，第一功率管Ml开通时，通过电源，第一电感 Ll，第一二极管Dl，第一功率管Ml形成一个回路，第一功率管Ml关断时，第一电感Ll储存 的能量通过第三二极管D3给第一电容Cl充电，当输入电压V为负时，第二功率管M2开通 时，通过电源，第二电感L2，第二二极管D2，第二功率管M2形成一个回路，第二功率管M2关 断时，第二电感L2储存的能量通过第四二极管D4给第二电容C2充电。当电路采用一个电感时，如图3所示，它的基本思路是当输入电压V为正时，第一 功率管Ml开通时，通过电源，第一电感Ll，第一二极管Dl，第一功率管Ml形成一个回路，第 一功率管Ml关断时，第一电感Ll储存的能量通过第一二极管D1，第三二极管D3给第一电 容Cl充电，当输入电压V为负时，第二功率管M2开通时，通过电源，第一电感Li，第二二极 管D2，第二功率管M2形成一个回路，第二功率管M2关断时，第一电感Ll储存的能量通过第 二二极管D2，第四二极管D4给第二电容C2充电，可见在开关管关断时，它要比有两个电感 的电路多一个二极管工作，电路效率要低。这两种电路各有优缺点当采用一个电感时，器件要少，但效率要低，采用两个电 感时，器件要多，但电路效率更高，在电路应用时，可以根据需要采用其中的一种接法。交流 升压三相功率因数校正电路，根据单相功率因数校正电路的不同接法，它相对应也有两种 不同的接法。图4为采用六个电感的交流升压三相功率因数校正电路原理结构图，图5为采用 具有三个电感的交流升压三相功率因数校正电路原理结构图，分析跟上面所述一样，这里 就不再重述。采用本实用新型的设计可以代替传统的功率因数校正电路，按上面所述的选取第 一电容Cl、第二 C2容量范围20uF-3300uF，第一电阻R1、第二电阻R2电阻值范围2K-100K， 第一电感Li、第二电感L2的电感量范围0. 05mH-2. OOmH，第一功率管Ml、第二功率管M2采 用MOSFET或者IGBT，开关频率可在5KHz到IOOKHz范围内，加上EMI模块，放在电源的输 入端，控制电源相对于电网的负载特性，提高功率因数校正，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，使电源的效率得到进一步提高，根据需求可以适 用不同的负载，图6是在电源输入端加入EMI滤波模块根据本实用新型设计在单相电路中 的应用原理图，图7是在电源输入端加入EMI滤波模块根据本实用新型设计在三相电路中 的应用原理图，主要分为两部分一是谐波抑制器，也可以称做电压预调节器或功率因数校 正极，它由EMI滤波模块和本实用新型设计的交流升压功率因数校正电路组成，二是根据 需求接的不同负载。图8是根据本实用新型设计的应用与弧焊逆变电源的单相弧焊逆变电源原理图，图9是根据本实用新型设计的应用与弧焊逆变电源的三相弧焊逆变电源原理图，从总体上 来看包括两个部分一是谐波抑制器，也可以称做电压预调节器或功率因数校正极，它由 EMI滤波模块和本实用新型设计的交流升压功率因数校正电路组成，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，功率因 数校正电路是用来提高功率因数，减少电源对电网的危害，而功率变换器是将电网的能量 变换负载所需要的形式，对弧焊逆变电源来说就是低的电压、大的电流。
权利要求交流升压功率因数校正电路，包括第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)；第一功率管(M1)、第二功率管(M2)；以及控制功率管的控制电路；其特征在于在单相功率因数校正电路中，第一二极管(D1)与第三二极管(D3)之间设有第一电感(L1)，第二二极管(D2)与第四二极管(D4)之间设有第二电感(L2)；所述的第一电感(L1)和第二电感(L2)互相耦合，绕制同一磁芯上；其中，输入电压(V)与第一二极管(D1)的阳极和第二二极管(D2)的阴极一端连接；第一二极管(D1)的阴极与第一电感(L1)的一端串联；第二二极管(D2)的阳极与第二电感(L2)的一端串联；两个带有反并联二极管的第一功率管(M1)和第二功率管(M2)串联相接；第一电感(L1)的另一端与第一功率管(M1)的集电极和第三二极管(D3)的阳极一端连；第二电感(L2)的另一端与第二功率管(M2)的发射极和第四二极管(D4)的阴极一端连；第一电容(C1)和第二电容(C2)串联相接；第一电容(C1)两端并联第一电阻(R1)；第二电容(C2)两端并联第二电阻(R2)；第三二极管(D3)的阴极与第一电容(C1)的正极和输出端DC+相连；第四二极管(D4)的阳极与第二电容(C2)的负极和输出端DC 连；零线与第一功率管(M1)、第二功率管(M2)的公共端相连；第一电容(C1)、第二电容(C2)的公共端连接在零线上。
2.根据权利要求1所述的交流升压功率因数校正电路，其特征在于将所述的第一电 感(Li)和第二电感(L2)合并成一个电感(Li)，一端和输入电压V相连，另一端和第一二 极管(Dl)的阳极和第二二极管(D2)的阴极一端连；第一二极管(Dl)的阴极与第一功率 管(Ml)的集电极和第三二极管(D3)的阳极一端连；第一二极管(D2)的阳极与第二功率管 (M2)的发射极和第四二极管(D4)的阴极一端连接。
3.根据权利要求1所述的交流升压功率因数校正电路，其特征在于所述第一功率管 (Ml)和第二功率管(M2)采用MOSFET或者IGBT，开关元件的频率为5KHz-100KHz ；当采用 MOSFET时，功率开关管的反并联第一二极管(DMl)、第二二极管(DM2)可以用MOSFET的体 二极管代替。
4.根据权利要求1所述的交流升压功率因数校正电路，其特征在于所述的第一二极 管(Dl)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)采用具有快恢复特性的二极管。
5.根据权利要求1所述的交流升压功率因数校正电路，其特征在于所述的第一电容 (Cl)、第二电容(C2)为 20uF-3300uF。
6.根据权利要求1所述的交流升压功率因数校正电路，其特征在于所述的第一电阻 (Rl)、第二电阻(R2)电阻值范围是2K-100K。
7.根据权利要求1所述的交流升压功率因数校正电路，其特征在于所述的第一电感 (Li)、第二电感(L2)的电感量范围是0. 05mH-2. OOmH。
8.一种交流升压三相功率因数校正电路，包括第一二极管(Dl)、第二二极管(D2)、第 三二极管(D3)、第四二极管(D4)；第一功率管(Ml)、第二功率管(M2)；以及控制功率管的 控制电路；其特征在于第一二极管(Dl)与第三二极管(D3)之间设有第一电感(Li)，第 二二极管(D2)与第四二极管(D4)之间设有第二电感(L2)；所述的第一电感(Li)和第二 电感(L2)互相耦合，绕制同一磁芯上；其中，输入电压(V)与第一二极管(Dl)的阳极和第 二二极管(D2)的阴极一端连接；第一二极管(Dl)的阴极与第一电感(Li)的一端串联；第 二二极管(D2)的阳极与第二电感(L2)的一端串联；两个带有反并联二极管的第一功率管(Ml)和第二功率管(M2)串联相接；第一电感(Li)的另一端与第一功率管(Ml)的集电极 和第三二极管(D3)的阳极一端连；第二电感(L2)的另一端与第二功率管(M2)的发射极和 第四二极管(D4)的阴极一端连；第一电容(Cl)和第二电容(C2)串联相接；第一电容(Cl) 两端并联第一电阻(Rl)；第二电容(C2)两端并联第二电阻(R2)；第三二极管(D3)的阴极 与第一电容(Cl)的正极和输出端DC+相连；第四二极管(D4)的阳极与第二电容(C2)的负 极和输出端DC-相连；各相的零线与第一功率管(Ml)、第二功率管(M2)的公共端相连；各 相的第一电容(Cl)、第二电容(C2)的公共端共同连接在零线上。
9.根据权利要求8所述的交流升压三相功率因数校正电路，其特征在于所述的各相 的第一电感(Li)和第二电感(L2)合并成一个电感(Li)，一端和输入电压(V)相连，另一端 和第一二极管(Dl)的阳极和第二二极管(D2)的阴极一端连；第一二极管(Dl)的阴极与第 一功率管(Ml)的集电极和第三二极管(D3)的阳极一端连；第二二极管(D2)的阳极与第二 功率管(M2)的发射极和第四二极管(D4)的阴极一端连接。
专利摘要本实用新型交流升压功率因数校正电路，包括整流第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)；第一功率管(M1)、第二二极管(M2)；以及控制功率管的控制电路；在单相功率因数校正电路中，第一二极管(D1)与第三二极管(D3)之间设有第一电感(L1)，第二二极管(D2)与第四二极管(D4)之间设有第二电感(L2)；第一电感(L1)和第二电感(L2)互相耦合，绕制同一磁芯上；零线与第一功率管(M1)、第二功率管(M2)的公共端相连；第一电容(C1)、第二电容(C2)的公共端连接在零线上。本电路不接零线也能正常工作，与一般的PFC电路相比，在功率通路上减少一个二极管，可以提高电路的效率。
文档编号H02M1/42GK201663545SQ20092021897
公开日2010年12月1日 申请日期2009年12月11日 优先权日2009年12月11日
发明者于洋, 卢振洋, 吴日光, 陈树君, 韦婉琰 申请人:北京工业大学