专利名称：三相升降压功率因数校正变换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种三相升降压功率因数校正变换器(Boost-Buck PFC Converter),尤其涉及ー种利用三个独立単相升降压功率因数校正电路的变换器。
背景技术：
近20年来，电カ电子技术得到了快速发展，各类电カ电子装置在化工、通信等领域得到了广泛应用，其中整流器是最为典型的ー种。传统的整流器包括ニ极管整流和采用晶闸管的相控整流，作为典型的非线性电路，工作过程中，整流器的输入电流将含有大量谐波成分，这给公用电网造成了严重的谐波污染。PFC变换器可以大幅降低输入电流的谐波含量，实现单位功率因数整流，得到了各国学者的广泛关注。 目前，具有升压功能的単相Boost型PFC变换器得到了广泛应用。该方案具有电路结构简单，输入电流连续，滤波器体积较小等方面的优势，但适用范围有限，即仅适用于输出电压大于输入电压峰值的场合。而在某些场合下，输出电压是小于输入电压峰值的，这意味着，一个基波周期内，变换器既有工作在Boost模式的阶段,也有工作于Buck模式的阶段，因此，既能工作于Boost模式，又能工作于Buck模式的PFC变换器成了近年来国内外学者研究的热点之一。图I为传统単相Buck-Boost PFC变换器电路拓扑，通过控制开关管SI或S2可使变换器工作在Buck或Boost工作模式，SI恒导通，S2处于PWM开关状态时，变换器处于Boost工作模式，S2恒关断，SI处于PWM开关状态时，变换器处于Buck工作模式。该电路为单相Buck-Boost变换器，仅适用于小功率场合。图2为ー种现有的两级式三相Buck-Boost PFC变换器，该变换器由前级三相Buck PFC变换器和后级Boost升压电路构成，为三相三线制结构。该电路三相输入电流相互率禹合，控制较为复杂，不利于降低输入电流的总谐波失真(Total Harmonic Distortion THD ) ο图3为ー种现有的三相四线制结构的三电平三相Buck-Boost PFC变换器。对于每相支路，在电源电压正、负半周内各有半个支路处于工作状态，具体的工作模式(Buck或Boost工作模式)由输入电压与输出电压之间的相对大小关系确定当相电压极性为正吋，每相电路的上半支路处于工作状态，此时，如果相电压大于输出电压，则上半支路工作于Buck模式，否则工作于Boost模式；当相电压极性为负时，每相电路的下半支路处于エ作状态，此时，如果相电压绝对值大于输出电压，则下半支路工作于Buck模式，否则工作于Boost模式。该电路有效解决了上述现有技术所存在的应用范围窄、控制复杂的缺陷，且有利于降低电路中的总谐波失真。但根据该电路拓扑可以看出，在Buck工作模式下，任意时刻都有两个ニ极管存在导通损耗，而传统Buck PFC在开关管关断期间仅有一个ニ极管存在导通损耗，因此，使用图3所示拓扑的话，Buck工作模式所占的比例越多，则ニ极管导通损耗导致的系统损耗越大，将显著降低系统效率，Boost工作模式下，电感储能阶段有ー个ニ极管存在导通损耗，而在续流阶段存在两个ニ极管存在导通损耗，而传统Boost PFC变换器在续流阶段也只有一个ニ极管存在导通损耗，这也降低了变换器的效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供ー种三相升降压功率因数校正变换器，以解决现有技术所存在的系统损耗较大的问题。本发明采用以下技术方案来解决上述技术问题
ー种三相升降压功率因数校正变换器，包括
分别接收三相电压的其中一相电压的第一、第二、第三单相功率因数校正电路，第一输 出电容，第二输出电容，以及一条中性线；所述第一、第二、第三単相升降压功率因数校正电路分别包含一中性点、ー输入端、一第一输出端及一第二输出端；第一输出电容的ー极与所述三个中性点连接，另ー极与所述三个第一输出端连接；第ニ输出电容的一极与所述三个中性点连接，另ー极与所述三个第二输出端连接；所述三个中性点均与所述中性线连接；其特征在于，所述第一、第二、第三単相升降压功率因数校正电路均由两个分别在输入电压正、负半周独立工作的単相升降压变换器组成，这两个単相升降压变换器在输入侧并联，输出侧串联，每ー个单相升降压变换器均由前端的升压电路与后端的降压电路级联而成。作为本发明的三相升降压功率因数校正变换器的第一优选方案，所述第一、第二、第三単相升降压功率因数校正电路均包含
第一至第六ニ极管，其中第一ニ极管的阳极与第三ニ极管的阳极连接，第二ニ极管的阴极与第四ニ极管的阴极连接，第六ニ极管的阴极和第五ニ极管的阳极均与中性点连接；第一至第四开关管，每ー开关管具有一第一端与一第二端，其中第一开关管的第一端、第二开关管的第二端均与中性点连接，第一开关管的第二端与第一ニ极管的阴极连接，第ニ开关管的第一端与第二ニ极管的阳极连接，第三开关管的第一端与第五开关管的阴极连接，第三开关管的第二端与第三ニ极管的阴极连接，第四开关管的第一端与第四ニ极管的阳极连接，第四开关管的第二端与第六ニ极管的阳极连接；
第一至第四电感，其中第一电感的一端与输入端连接，第一电感的另一端接入第一ニ极管的阳极与第三ニ极管的阳极之间的连线，第二电感的一端与输入端连接，第二电感的另一端接入第二ニ极管的阴极与第四ニ极管的阴极之间的连线，第三电感的一端与第一输出端连接，第三电感的另一端与第三开关管的第一端连接，第四电感的一端与第二输出端连接，第四电感的另一端与第四开关管的第二端连接；
第一、第二滤波电容，其中第一滤波电容的一端接入第三开关管的第二端与第三ニ极管的阴极之间的连线，第一滤波电容的另一端与中性点连接，第二滤波电容的一端接入第四开关管的第一端与第四ニ极管的阳极之间的连线，第二滤波电容的另一端与中性点连接。进ー步地，所述第一电感和第二电感磁路耦合，从而可以减少电路中元器件数量，使电路结构更紧凑。作为本发明的三相升降压功率因数校正变换器的第二优选方案，所述第一、第二、第三単相升降压功率因数校正电路均包含
第一至第六ニ极管，其中第一ニ极管的阳极与第三ニ极管的阳极连接，第二ニ极管的阴极与第四ニ极管的阴极连接，第六ニ极管的阴极和第五ニ极管的阳极均与中性点连接；第一至第四开关管，每ー开关管具有一第一端与一第二端，其中第一开关管的第一端、第二开关管的第二端均与中性点连接，第一开关管的第二端与第一ニ极管的阴极连接，第ニ开关管的第一端与第二ニ极管的阳极连接，第三开关管的第一端与第五开关管的阴极连接，第三开关管的第二端与第三ニ极管的阴极连接，第四开关管的第一端与第四ニ极管的阳极连接，第四开关管的第二端与第六ニ极管的阳极连接；
第一至第三电感，其中第一电感的一端与输入端连接，第一电感的另一端分别接入第一二极管与第三ニ极管的阳极之间的连线以及第ニニ极管与第四ニ极管的阴极之间的连线，第二电感的一端与第一输出端连接，第二电感的另一端与第三开关管的第一端连接，第三电感的一端与第二输出端连接，第三电感的另一端与第四开关管的第二端连接；
第一、第二滤波电容，其中第一滤波电容的一端接入第三开关管的第二端与第三ニ极管的阴极之间的连线，第一滤波电容的另一端与中性点连接，第二滤波电容的一端接入第四开关管的第一端与第四ニ极管的阳极之间的连线，第二滤波电容的另一端与中性点连接。 作为本发明的三相升降压功率因数校正变换器的第三优选方案，所述第一、第二、第三単相升降压功率因数校正电路均包含
第一至第六ニ极管，其中第一ニ极管的阳极与第三ニ极管的阳极连接，第二ニ极管的阴极与第四ニ极管的阴极连接，第五ニ极管的阴极与第一输出端连接，第六ニ极管的阳极与第二输出端连接，第五ニ极管的阳极与第六ニ极管的阴极连接；
第一至第四开关管，每ー开关管具有一第一端与一第二端，其中第一开关管的第一端、第二开关管的第二端均与中性点连接，第一开关管的第二端与第一ニ极管的阴极连接，第ニ开关管的第一端与第二ニ极管的阳极连接，第三开关管的第一端接入第五开关管的阴极与第一输出端之间的连线，第三开关管的第二端与第三ニ极管的阴极连接，第四开关管的第一端与第四ニ极管的阳极连接，第四开关管的第二端接入第六ニ极管的阳极与第二输出端的连线；
第一至第三电感，其中第一电感的一端与输入端连接，第一电感的另一端接入第一ニ极管的阳极与第三ニ极管的阳极之间的连线，第二电感的一端与输入端连接，第二电感的另一端接入第二ニ极管的阴极与第四ニ极管的阴极之间的连线，第三电感的一端与中性点连接，第三电感的另一端接入第五ニ极管的阳极与第六ニ极管的阴极之间的连线；
第一、第二滤波电容，其中第一滤波电容的一端接入第三开关管的第二端与第三ニ极管的阴极之间的连线，第一滤波电容的另一端与中性点连接，第二滤波电容的一端接入第四开关管的第一端与第四ニ极管的阳极之间的连线，第二滤波电容的另一端与中性点连接。进ー步地，所述第一电感和第二电感磁路耦合。作为本发明的三相升降压功率因数校正变换器的第四优选方案，所述第一、第二、第三単相升降压功率因数校正电路均包含
第一至第六ニ极管，其中第一ニ极管的阳极与第三ニ极管的阳极连接，第二ニ极管的阴极与第四ニ极管的阴极连接，第五ニ极管的阴极与第一输出端连接，第六ニ极管的阳极与第二输出端连接，第五ニ极管的阳极与第六ニ极管的阴极连接；第一至第四开关管，每ー开关管具有一第一端与一第二端，其中第一开关管的第一端、第二开关管的第二端均与中性点连接，第一开关管的第二端与第一ニ极管的阴极连接，第ニ开关管的第一端与第二ニ极管的阳极连接，第三开关管的第一端接入第五开关管的阴极与第一输出端之间的连线，第三开关管的第二端与第三ニ极管的阴极连接，第四开关管的第一端与第四ニ极管的阳极连接，第四开关管的第二端接入第六ニ极管的阳极与第二输出端的连线；
第一电感、第二电感，其中第一电感的一端与输入端连接，第一电感的另一端分别接入第一ニ极管与第三ニ极管的阳极之间的连线以及第ニニ极管与第四ニ极管的阴极之间的连线，第二电感的一端与中性点连接，第二电感的另一端接入第五ニ极管的阳极与第六ニ极管的阴极之间的连线；
第一、第二滤波电容，其中第一滤波电容的一端接入第三开关管的第二端与第三ニ极管的阴极之间的连线，第一滤波电容的另一端与中性点连接，第二滤波电容的一端接入第 四开关管的第一端与第四ニ极管的阳极之间的连线，第二滤波电容的另一端与中性点连接。本发明的三相升降压功率因数校正变换器可解耦为三个独立的単相升降压功率因数校正变换器，因此根据本发明思路，还可得到一种单相升降压功率因数校正变换器，包括
一单相功率因数校正电路，第一输出电容，第二输出电容，以及一条中性线；所述单相升降压功率因数校正电路包含一中性点、ー输入端、一第一输出端及一第二输出端；第ー输出电容的ー极与所述中性点连接，另ー极与所述第一输出端连接；第ニ输出电容的ー极与所述中性点连接，另ー极与所述第二输出端连接；第二输入端与所述中性点连接；
其特征在于，所述单相升降压功率因数校正电路由两个分别在输入电压正、负半周独立工作的単相升降压变换器组成，这两个単相升降压变换器在输入侧并联，输出侧串联，每一个单相升降压变换器均由前端的升压电路与后端的降压电路级联而成。作为本发明的単相升降压功率因数校正变换器的第一优选方案，所述单相功率因数校正电路包含
第一至第六ニ极管，其中第一ニ极管的阳极与第三ニ极管的阳极连接，第二ニ极管的阴极与第四ニ极管的阴极连接，第六ニ极管的阴极和第五ニ极管的阳极均与中性点连接；第一至第四开关管，每ー开关管具有一第一端与一第二端，其中第一开关管的第一端、第二开关管的第二端均与中性点连接，第一开关管的第二端与第一ニ极管的阴极连接，第ニ开关管的第一端与第二ニ极管的阳极连接，第三开关管的第一端与第五开关管的阴极连接，第三开关管的第二端与第三ニ极管的阴极连接，第四开关管的第一端与第四ニ极管的阳极连接，第四开关管的第二端与第六ニ极管的阳极连接；
第一至第四电感，其中第一电感的一端与输入端连接，第一电感的另一端接入第一ニ极管的阳极与第三ニ极管的阳极之间的连线，第二电感的一端与输入端连接，第二电感的另一端接入第二ニ极管的阴极与第四ニ极管的阴极之间的连线，第三电感的一端与第一输出端连接，第三电感的另一端与第三开关管的第一端连接，第四电感的一端与第二输出端连接，第四电感的另一端与第四开关管的第二端连接；
第一、第二滤波电容，其中第一滤波电容的一端接入第三开关管的第二端与第三ニ极管的阴极之间的连线，第一滤波电容的另一端与中性点连接，第二滤波电容的一端接入第四开关管的第一端与第四ニ极管的阳极之间的连线，第二滤波电容的另一端与中性点连接。进ー步地，所述所述第一电感和第二电感磁路耦合。作为本发明的単相升降压功率因数校正变换器的第二优选方案，所述单相功率因数校正电路包含
第一至第六ニ极管，其中第一ニ极管的阳极与第三ニ极管的阳极连接，第二ニ极管的阴极与第四ニ极管的阴极连接，第六ニ极管的阴极和第五ニ极管的阳极均与中性点连接；第一至第四开关管，每ー开关管具有一第一端与一第二端，其中第一开关管的第一端、第二开关管的第二端均与中性点连接，第一开关管的第二端与第一ニ极管的阴极连接，第ニ开关管的第一端与第二ニ极管的阳极连接，第三开关管的第一端与第五开关管的阴极连接，第三开关管的第二端与第三ニ极管的阴极连接，第四开关管的第一端与第四ニ极管的阳极连接，第四开关管的第二端与第六ニ极管的阳极连接；
第一至第三电感，其中第一电感的一端与输入端连接，第一电感的另一端分别接入第一二极管与第三ニ极管的阳极之间的连线以及第ニニ极管与第四ニ极管的阴极之间的连线，第二电感的一端与第一输出端连接，第二电感的另一端与第三开关管的第一端连接，第三电感的一端与第二输出端连接，第三电感的另一端与第四开关管的第二端连接；
第一、第二滤波电容，其中第一滤波电容的一端接入第三开关管的第二端与第三ニ极管的阴极之间的连线，第一滤波电容的另一端与中性点连接，第二滤波电容的一端接入第四开关管的第一端与第四ニ极管的阳极之间的连线，第二滤波电容的另一端与中性点连接。作为本发明的単相升降压功率因数校正变换器的第三优选方案，所述单相功率因数校正电路包含
第一至第六ニ极管，其中第一ニ极管的阳极与第三ニ极管的阳极连接，第二ニ极管的阴极与第四ニ极管的阴极连接，第五ニ极管的阴极与第一输出端连接，第六ニ极管的阳极与第二输出端连接，第五ニ极管的阳极与第六ニ极管的阴极连接；
第一至第四开关管，每ー开关管具有一第一端与一第二端，其中第一开关管的第一端、第二开关管的第二端均与中性点连接，第一开关管的第二端与第一ニ极管的阴极连接，第ニ开关管的第一端与第二ニ极管的阳极连接，第三开关管的第一端接入第五开关管的阴极与第一输出端之间的连线，第三开关管的第二端与第三ニ极管的阴极连接，第四开关管的第一端与第四ニ极管的阳极连接，第四开关管的第二端接入第六ニ极管的阳极与第二输出端的连线；
第一至第三电感，其中第一电感的一端与输入端连接，第一电感的另一端接入第一ニ极管的阳极与第三ニ极管的阳极之间的连线，第二电感的一端与输入端连接，第二电感的另一端接入第二ニ极管的阴极与第四ニ极管的阴极之间的连线，第三电感的一端与中性点连接，第三电感的另一端接入第五ニ极管的阳极与第六ニ极管的阴极之间的连线；
第一、第二滤波电容，其中第一滤波电容的一端接入第三开关管的第二端与第三ニ极管的阴极之间的连线，第一滤波电容的另一端与中性点连接，第二滤波电容的一端接入第四开关管的第一端与第四ニ极管的阳极之间的连线，第二滤波电容的另一端与中性点连接。进ー步地，所述所述所述第一电感和第二电感磁路耦合。作为本发明的単相升降压功率因数校正变换器的第四优选方案，所述单相功率因数校正电路包含
第一至第六ニ极管，其中第一ニ极管的阳极与第三ニ极管的阳极连接，第二ニ极管的阴极与第四ニ极管的阴极连接，第五ニ极管的阴极与第一输出端连接，第六ニ极管的阳极与第二输出端连接，第五ニ极管的阳极与第六ニ极管的阴极连接；
第一至第四开关管，每ー开关管具有一第一端与一第二端，其中第一开关管的第一端、第二开关管的第二端均与中性点连接，第一开关管的第二端与第一ニ极管的阴极连接，第ニ开关管的第一端与第二ニ极管的阳极连接，第三开关管的第一端接入第五开关管的阴极与第一输出端之间的连线，第三开关管的第二端与第三ニ极管的阴极连接，第四开关管的第一端与第四ニ极管的阳极连接，第四开关管的第二端接入第六ニ极管的阳极与第二输出端的连线；
第一电感、第二电感，其中第一电感的一端与输入端连接，第一电感的另一端分别接入第一ニ极管与第三ニ极管的阳极之间的连线以及第ニニ极管与第四ニ极管的阴极之间的连线，第二电感的一端与中性点连接，第二电感的另一端接入第五ニ极管的阳极与第六ニ极管的阴极之间的连线；
第一、第二滤波电容，其中第一滤波电容的一端接入第三开关管的第二端与第三ニ极管的阴极之间的连线，第一滤波电容的另一端与中性点连接，第二滤波电容的一端接入第 四开关管的第一端与第四ニ极管的阳极之间的连线，第二滤波电容的另一端与中性点连接。本发明涉及的三相升降压功率因数校正变换器包含三个独立的単相升降压功率因数校正电路，可分别对三相电的每一相进行功率因数校正，所述单相升降压功率因数校正电路由两个分别在输入电压正、负半周独立工作的単相升降压变换器组成，这两个単相升降压变换器在输入侧并联，输出侧串联，每ー个单相升降压变换器均由前端的升压电路与后端的降压电路级联而成。相比现有技木，不论是在Boost模式，还是在Buck模式下，均可有效降低导通损耗，提高整个系统的效率。
图I为传统单相Buck-Boost PFC变换器电路 图2为ー种现有的两级式三相Buck-Boost PFC变换器的电路 图3为ー种现有的三相四线制结构的三电平三相Buck-Boost PFC变换器电路 图4为本发明的三相升降压功率因数校正变换器的第一优选方案的电路 图5为本发明的三相升降压功率因数校正变换器的第一优选方案的改进的电路 图6本发明的三相升降压功率因数校正变换器的第二优选方案的电路 图7本发明的三相升降压功率因数校正变换器的第三优选方案的电路 图8为本发明的三相升降压功率因数校正变换器的第三优选方案的改进的电路 图9为本发明的三相升降压功率因数校正变换器的第四优选方案的电路 图10为本发明的単相升降压功率因数校正变换器的第一优选方案的电路图；图11为本发明的単相升降压功率因数校正变换器的第一优选方案的改进的电路图； 图12为本发明的単相升降压功率因数校正变换器的第二优选方案的电路 图13为本发明的単相升降压功率因数校正变换器的第三优选方案的电路 图14为本发明的単相升降压功率因数校正变换器的第三优选方案的改进的电路图； 图15为为本发明的単相升降压功率因数校正变换器的第四优选方案的电路 图16为本发明的単相升降压功率因数校正变换器的第一优选方案的分解示意 图17为本发明的単相升降压功率因数校正变换器在电源电压正半周期间的Boostエ作模式示意图，其中图(a)为SI导通期间工作状态示意图，图(b)为SI关断期间工作状态示意 图18为本发明的単相升降压功率因数校正变换器在电源电压正半周期间的Buck工作 模式示意图，其中图(a)为S3导通期间工作状态示意图，图(b)为S3关断期间工作状态示意 图19为本发明的単相升降压功率因数校正变换器在电源电压负半周期间的Boostエ作模式示意图，其中图(a)为S2导通期间工作状态示意图，图(b)为S2关断期间工作状态示意 图20为本发明的単相升降压功率因数校正变换器在电源电压负半周期间的Buck工作模式示意图，其中图(a)为S4导通期间工作状态示意图，图(b)为S4关断期间工作状态示意 图21为本发明的単相升降压功率因数校正变换器的控制框图，其中Qsl—Qs4分别为开关管SI — S4的门极驱动信号。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明
本发明的三相升降压功率因数校正变换器，包括三个独立的単相升降压功率因数校正电路，所述单相升降压功率因数校正电路均由前端的升压电路与后段的降压电路级联而成，即为单相Boost-Buck PFC电路。本发明的三相升降压功率因数校正变换器的第一优选方案，如图4所示，包括分别接收三相电压(Va、Vb、Vc)的其中一相电压的第一、第二、第三単相功率因数校正电路，第一输出电容Col，第二输出电容Co2，以及一条中性线N ;所述第一、第二、第三単相升降压功率因数校正电路分别包含一中性点、ー输入端、一第一输出端及一第二输出端 ，第一输出电容Col的一极与所述三个中性点连接，另ー极与所述三个第一输出端连接；第ニ输出电容Co2的一极与所述三个中性点连接，另ー极与所述三个第二输出端连接；所述三个中性点均与所述中性线连接；还包括ニ极管Dal-Da6、Dbl_Db6、Dcl_Dc6，开关管Sal_Sa4、SbトSb4、ScトSc4，电感 Lal_La4、Lbl_Lb4、LcトLc4，以及滤波电容 Cal_Ca2、Cbl_Cb2、Ccl-Cc2，其连接方式如图4所示。本发明的三相升降压功率因数校正变换器的第一优选方案改进的方案如附图5所示，电感Lal与La2、Lbl与Lb2、Lcl与Lc2磁路耦合，即两个电感共用同一磁芯，其余部分与图4相同。本发明的三相升降压功率因数校正变换器的第二优选方案如附图6所示，其中电感Lal，Lbl，Lcl分别取代了图4电路中的Lal、La2，Lbl、Lb2，Lcl、Lc2，从而使得整个电路更精简，所用的元器件更少，具体连接方式如图所示。电路其余部分与图4相同。本发明的三相升降压功率因数校正变换器的第三优选方案如附图7所示，其中电感La3，Lb3，Lc3分别取代了图4电路中的La3、La4，Lb3、Lb4，Lc3、Lc4，从而使得整个电路更精简，所用的元器件更少，具体连接方式如图所示。电路其余部分与图4相同。本发明的三相升降压功率因数校正变换器的第一优选方案改进的方案如附图8所示，电感Lal与La2、Lbl与Lb2、Lcl与Lc2磁路耦合，即两个电感共用同一磁芯，其余部分与图7相同。本发明的三相升降压功率因数校正变换器的第四优选方案如附图9所示，其中电 感 Lal,Lbl,Lcl 分别取代了图 4 中的的 Lal、La2，Lbl、Lb2，Lcl、Lc2，电感 La2，Lb2，Lc2 分别取代了图4电路中的La3、La4，Lb3、Lb4，Lc3、Lc4，从而进ー步精简了电路结构，其具体连接方式如图9所示。电路其余部分与图4相同。图4-图9的电路均可解耦为三个独立的単相升降压功率因数校正变换器，从而可得到一种单相升降压功率因数校正变换器，包括
一单相功率因数校正电路，第一输出电容，第二输出电容，以及一条中性线；所述单相升降压功率因数校正电路包含一中性点、ー输入端、一第一输出端及一第二输出端；第ー输出电容的ー极与所述中性点连接，另ー极与所述第一输出端连接；第ニ输出电容的ー极与所述中性点连接，另ー极与所述第二输出端连接；第二输入端与所述中性点连接；所述单相升降压功率因数校正电路由前端的升压(Boost)电路与后段的降压(Buck)电路级联而成，即该单相升降压功率因数校正电路为Boost-Buck PFC电路。类似的，可得到本发明的単相升降压功率因数校正变换器的6种优选方案，分别如图10-图15所示。由于本发明的三相升降压功率因数校正变换器可解耦为三个本发明的単相升降压功率因数校正变换器，其基本原理及工作过程完全相同，因此下面仅以图10所示的単相升降压功率因数校正变换器为例来说明本发明的三相升降压功率因数校正变换器及単相升降压功率因数校正变换器的原理及其工作过程。图10中的単相升降压功率因数校正变换器可分解为两个对称支路，如图16所示，即实线连接的上半支路和虚线连接的下半支路，而且上、下支路中元器件数目和型号完全一祥。以上半支路为例，电路中包含两个电感LI和L3，两个开关管SI和S3，三个ニ极管Dl、D3和D5，以及两个滤波电容Cl和Col。令输入电压为I，输出电
容Col和Co2两端的电压分别为Vsl和Vfl2 ,则该变换器工作过程可描述如下
I) >0时，即输入电压正半周内，単相升降压变换器上半支路处于工作状态，具体エ作模式可表述为
<、吋，上半支路工作于Boost模式，此阶段，开关管S3处于恒导通状态，ニ极管D5
处于截止状态，开关管SI处于PWM开关工作状态S1导通期间电感LI储能，电感电流ヒ增大，ニ极管D3和D5截止，电流通路如图17 (a)所示；S1关断期间，ニ极管D3导通，D5截止，电流通路如图17(b)所示。Vk > Vd吋，上半支路工作于Buck模式，此阶段，开关管SI处于恒关断状态，ニ极
管D3恒导通，开关管S3处于PWM开关工作状态S3导通期间，交流电源直接向负载侧传输功率，ニ极管D5截止，电流通路如图18(a)所示；S3关断期间，电感L3通过ニ极管D5续流，电流通路如图18(b)所示。2) Vk <0时，即输入电压负半周内，变换器下半支路处于工作状态，具体工作模式为
Vis くVぬ吋，下半支路工作于Boost模式，此阶段，开关管S4处于恒导通状态，开关管S2
处于PWM开关工作状态S2导通期间，电感电流h増大，ニ极管D4和D6截止，电流通路如图19(a)所示；S2关断期间，ニ极管D4导通，D6截止，电流通路如图19(b)所示。vk > Vrf吋，上半支路工作于Buck模式，此阶段，开关管S2处于恒关断状态，开关
管S4处于PWM开关工作状态S4导通期间，交流电源直接向负载侧传输功率，电感电流！
的绝对值増大，ニ极管D6截止，电流通路如图20 (a)所示；S4关断期间，电感L4通过ニ极管D6续流，给输出电容Co2充电，电流通路如图20(b)所示。图21为图10的単相升降压功率因数校正变换器的控制框图，采用了电压外环和电流内环的双环控制结构。为将输出电压控制在给定值，并实现输入侧的功率因数校正，需米样输出电压、输入侧电感电流，另外，为了协助分配开关控制脉冲，并产生输入电流的參考信号，还需要对电源电压进行采样，具体控制原理如下
首先，采样输出电压，计算输出电压參考U与实际输出之间的差值，并将误差送电压
控制器PI_vout，通常为比例-积分控制器，即PI控制器，然后将电压控制器的输出与输入
电压采样值相乘，从而得到输入电流參考信号W ;再将电流參考与输入电流采样值求差，
并进行PI运算，控制器的输出即可作为调制波，最后，调制波与载波交截产生控制脉冲。相比现有技术，本发明的三相及単相升降压功率因数校正变换器可有效提高系统效率。下面以电源电压正半周期的A相支路为例，将本发明的三相升降压功率因数校正变换器(图4所示)与图3所示的电路进行比较分析。Boost工作模式下(图3中的Sal恒导通，图4中的Sa3恒导通)
对于图3所示的电路，开关管Sa3导通期间，开关管Sal、Sa3和ニ极管Bal存在导通损耗；对于图4所示电路，开关管Sal导通期间，开关管Sal、Sa3和ニ极管Dal存在导通损耗。因此，这ー过程中，两个电路涉及导通损耗的开关管类型和数量都对应相等，导通损耗并无太大差别。对于图3所示电路，当Sa3关断后，ニ极管Dal、Da3存在导通损耗；对于图4所示的电路，当Sal关断后，ニ极管Da3和开关管Sa3存在导通损耗。因此，这ー过程中，虽然两个电路涉及导通损耗的开关器件数量相等，但图4电路中涉及的是ー只开关管和一只ニ极管，而图3拓扑涉及的两只皆为ニ极管，而通常情况下，ニ极管的通态电阻要比开关管的通态电阻大，所以在流过同等电流情况下，ニ极管的导通损耗比开关管的大，故这ー过程中图4所示的电路可以实现更高的效率。
Buck工作模式下(图3电路中Sa3恒关断，图4电路中Sal恒关断)
对于图3所示的电路，Sal导通期间，开关管Sal和ニ极管Bal、Da3存在导通损耗；而对于图4所示电路，Sa3导通期间，仅有开关管Sa3和ニ极管Da3存在导通损耗。因此，这ー过程中，与图3所示电路相比，图4所示电路拓扑减少了一个ニ极管的导通损耗，可以实现更高的效率。对于图3所示的电路，Sal关断期间，ニ极管Dal、Da3存在导通损耗；对于图4所示的电路，Sa3关断期间，ニ极管Da3、Da5存在导通损耗。因此，这ー过程中，两个电路涉及导通损耗的开关器件数目和类型都相等，导通损耗并无太大差别。 通过上面的分析可以看出，不论是在Boost工作模式,还是在Buck工作模式下，图4所示电路拓扑都可以实现更高的效率，这在大容量UPS电源系统中具有重要意义。
权利要求
1.ー种三相升降压功率因数校正变换器，包括 分别接收三相电压的其中一相电压的第一、第二、第三单相功率因数校正电路，第一输出电容，第二输出电容，以及一条中性线；所述第一、第二、第三単相升降压功率因数校正电路分别包含一中性点、ー输入端、一第一输出端及一第二输出端；第一输出电容的ー极与所述三个中性点连接，另ー极与所述三个第一输出端连接；第ニ输出电容的一极与所述三个中性点连接，另ー极与所述三个第二输出端连接；所述三个中性点均与所述中性线连接； 其特征在于，所述第一、第二、第三単相升降压功率因数校正 电路均由两个分别在输入电压正、负半周独立工作的単相升降压变换器组成，这两个単相升降压变换器在输入侧并联，输出侧串联，每ー个单相升降压变换器均由前端的升压电路与后端的降压电路级联而成。
2.如权利要求I所述三相升降压功率因数校正变换器，其特征在于，所述第一、第二、第三単相升降压功率因数校正电路均包含 第一至第六ニ极管，其中第一ニ极管的阳极与第三ニ极管的阳极连接，第二ニ极管的阴极与第四ニ极管的阴极连接，第六ニ极管的阴极和第五ニ极管的阳极均与中性点连接； 第一至第四开关管，每ー开关管具有一第一端与一第二端，其中第一开关管的第一端、第二开关管的第二端均与中性点连接，第一开关管的第二端与第一ニ极管的阴极连接，第ニ开关管的第一端与第二ニ极管的阳极连接，第三开关管的第一端与第五开关管的阴极连接，第三开关管的第二端与第三ニ极管的阴极连接，第四开关管的第一端与第四ニ极管的阳极连接，第四开关管的第二端与第六ニ极管的阳极连接； 第一至第四电感，其中第一电感的一端与输入端连接，第一电感的另一端接入第一ニ极管的阳极与第三ニ极管的阳极之间的连线，第二电感的一端与输入端连接，第二电感的另一端接入第二ニ极管的阴极与第四ニ极管的阴极之间的连线，第三电感的一端与第一输出端连接，第三电感的另一端与第三开关管的第一端连接，第四电感的一端与第二输出端连接，第四电感的另一端与第四开关管的第二端连接； 第一、第二滤波电容，其中第一滤波电容的一端接入第三开关管的第二端与第三ニ极管的阴极之间的连线，第一滤波电容的另一端与中性点连接，第二滤波电容的一端接入第四开关管的第一端与第四ニ极管的阳极之间的连线，第二滤波电容的另一端与中性点连接。
3.如权利要求2所述三相升降压功率因数校正变换器，其特征在于，所述第一电感和第二电感磁路耦合。
4.如权利要求I所述三相升降压功率因数校正变换器，其特征在于，所述第一、第二、第三単相升降压功率因数校正电路均包含 第一至第六ニ极管，其中第一ニ极管的阳极与第三ニ极管的阳极连接，第二ニ极管的阴极与第四ニ极管的阴极连接，第六ニ极管的阴极和第五ニ极管的阳极均与中性点连接； 第一至第四开关管，每ー开关管具有一第一端与一第二端，其中第一开关管的第一端、第二开关管的第二端均与中性点连接，第一开关管的第二端与第一ニ极管的阴极连接，第ニ开关管的第一端与第二ニ极管的阳极连接，第三开关管的第一端与第五开关管的阴极连接，第三开关管的第二端与第三ニ极管的阴极连接，第四开关管的第一端与第四ニ极管的阳极连接，第四开关管的第二端与第六ニ极管的阳极连接；第一至第三电感，其中第一电感的一端与输入端连接，第一电感的另一端分别接入第一二极管与第三ニ极管的阳极之间的连线以及第ニニ极管与第四ニ极管的阴极之间的连线，第二电感的一端与第一输出端连接，第二电感的另一端与第三开关管的第一端连接，第三电感的一端与第二输出端连接，第三电感的另一端与第四开关管的第二端连接； 第一、第二滤波电容，其中第一滤波电容的一端接入第三开关管的第二端与第三ニ极管的阴极之间的连线，第一滤波电容的另一端与中性点连接，第二滤波电容的一端接入第四开关管的第一端与第四ニ极管的阳极之间的连线，第二滤波电容的另一端与中性点连接。
5.如权利要求I所述三相升降压功率因数校正变换器，其特征在于，所述第一、第二、第三単相升降压功率因数校正电路均包含 第一至第六ニ极管，其中第一ニ极管的阳极与第三ニ极管的阳极连接，第二ニ极管的阴极与第四ニ极管的阴极连接，第五ニ极管的阴极与第一输出端连接，第六ニ极管的阳极与第二输出端连接，第五ニ极管的阳极与第六ニ极管的阴极连接； 第一至第四开关管，每ー开关管具有一第一端与一第二端，其中第一开关管的第一端、第二开关管的第二端均与中性点连接，第一开关管的第二端与第一ニ极管的阴极连接，第ニ开关管的第一端与第二ニ极管的阳极连接，第三开关管的第一端接入第五开关管的阴极与第一输出端之间的连线，第三开关管的第二端与第三ニ极管的阴极连接，第四开关管的第一端与第四ニ极管的阳极连接，第四开关管的第二端接入第六ニ极管的阳极与第二输出端的连线； 第一至第三电感，其中第一电感的一端与输入端连接，第一电感的另一端接入第一ニ极管的阳极与第三ニ极管的阳极之间的连线，第二电感的一端与输入端连接，第二电感的另一端接入第二ニ极管的阴极与第四ニ极管的阴极之间的连线，第三电感的一端与中性点连接，第三电感的另一端接入第五ニ极管的阳极与第六ニ极管的阴极之间的连线； 第一、第二滤波电容，其中第一滤波电容的一端接入第三开关管的第二端与第三ニ极管的阴极之间的连线，第一滤波电容的另一端与中性点连接，第二滤波电容的一端接入第四开关管的第一端与第四ニ极管的阳极之间的连线，第二滤波电容的另一端与中性点连接。
6.如权利要求5所述三相升降压功率因数校正变换器，其特征在于，所述第一电感和第二电感磁路耦合。
7.如权利要求I所述三相升降压功率因数校正变换器，其特征在于，所述第一、第二、第三単相升降压功率因数校正电路均包含 第一至第六ニ极管，其中第一ニ极管的阳极与第三ニ极管的阳极连接，第二ニ极管的阴极与第四ニ极管的阴极连接，第五ニ极管的阴极与第一输出端连接，第六ニ极管的阳极与第二输出端连接，第五ニ极管的阳极与第六ニ极管的阴极连接； 第一至第四开关管，每ー开关管具有一第一端与一第二端，其中第一开关管的第一端、第二开关管的第二端均与中性点连接，第一开关管的第二端与第一ニ极管的阴极连接，第ニ开关管的第一端与第二ニ极管的阳极连接，第三开关管的第一端接入第五开关管的阴极与第一输出端之间的连线，第三开关管的第二端与第三ニ极管的阴极连接，第四开关管的第一端与第四ニ极管的阳极连接，第四开关管的第二端接入第六ニ极管的阳极与第二输出端的连线； 第一电感、第二电感，其中第一电感的一端与输入端连接，第一电感的另一端分别接入第一ニ极管与第三ニ极管的阳极之间的连线以及第ニニ极管与第四ニ极管的阴极之间的连线，第二电感的一端与中性点连接，第二电感的另一端接入第五ニ极管的阳极与第六ニ极管的阴极之间的连线； 第一、第二滤波电容，其中第一滤波电容的一端接入第三开关管的第二端与第三ニ极管的阴极之间的连线，第一滤波电容的另一端与中性点连接，第二滤波电容的一端接入第四开关管的第一端与第四ニ极管的阳极之间的连线，第二滤波电容的另一端与中性点连接。
8.一种单相升降压功率因数校正变换器，包括 一单相功率因数校正电路，第一输出电容，第二输出电容，以及一条中性线；所述单相升降压功率因数校正电路包含一中性点、ー输入端、一第一输出端及一第二输出端；第ー输出电容的ー极与所述中性点连接，另ー极与所述第一输出端连接；第ニ输出电容的ー极与所述中性点连接，另ー极与所述第二输出端连接；第二输入端与所述中性点连接； 其特征在于，所述单相升降压功率因数校正电路由两个分别在输入电压正、负半周独立工作的単相升降压变换器组成，这两个単相升降压变换器在输入侧并联，输出侧串联，每一个单相升降压变换器均由前端的升压电路与后端的降压电路级联而成。
9.如权利要求8所述单相升降压功率因数校正变换器，其特征在干，所述单相功率因数校正电路包含 第一至第六ニ极管，其中第一ニ极管的阳极与第三ニ极管的阳极连接，第二ニ极管的阴极与第四ニ极管的阴极连接，第六ニ极管的阴极和第五ニ极管的阳极均与中性点连接； 第一至第四开关管，每ー开关管具有一第一端与一第二端，其中第一开关管的第一端、第二开关管的第二端均与中性点连接，第一开关管的第二端与第一ニ极管的阴极连接，第ニ开关管的第一端与第二ニ极管的阳极连接，第三开关管的第一端与第五开关管的阴极连接，第三开关管的第二端与第三ニ极管的阴极连接，第四开关管的第一端与第四ニ极管的阳极连接，第四开关管的第二端与第六ニ极管的阳极连接； 第一至第四电感，其中第一电感的一端与输入端连接，第一电感的另一端接入第一ニ极管的阳极与第三ニ极管的阳极之间的连线，第二电感的一端与输入端连接，第二电感的另一端接入第二ニ极管的阴极与第四ニ极管的阴极之间的连线，第三电感的一端与第一输出端连接，第三电感的另一端与第三开关管的第一端连接，第四电感的一端与第二输出端连接，第四电感的另一端与第四开关管的第二端连接； 第一、第二滤波电容，其中第一滤波电容的一端接入第三开关管的第二端与第三ニ极管的阴极之间的连线，第一滤波电容的另一端与中性点连接，第二滤波电容的一端接入第四开关管的第一端与第四ニ极管的阳极之间的连线，第二滤波电容的另一端与中性点连接。
10.如权利要求9所述单相升降压功率因数校正变换器，其特征在于，所述第一电感和第二电感磁路耦合。
11.如权利要求8所述单相升降压功率因数校正变换器，其特征在于，所述单相升降压功率因数校正电路包含第一至第六ニ极管，其中第一ニ极管的阳极与第三ニ极管的阳极连接，第二ニ极管的阴极与第四ニ极管的阴极连接，第六ニ极管的阴极和第五ニ极管的阳极均与中性点连接；第一至第四开关管，每ー开关管具有一第一端与一第二端，其中第一开关管的第一端、第二开关管的第二端均与中性点连接，第一开关管的第二端与第一ニ极管的阴极连接，第ニ开关管的第一端与第二ニ极管的阳极连接，第三开关管的第一端与第五开关管的阴极连接，第三开关管的第二端与第三ニ极管的阴极连接，第四开关管的第一端与第四ニ极管的阳极连接，第四开关管的第二端与第六ニ极管的阳极连接； 第一至第三电感，其中第一电感的一端与输入端连接，第一电感的另一端分别接入第一二极管与第三ニ极管的阳极之间的连线以及第ニニ极管与第四ニ极管的阴极之间的连线，第二电感的一端与第一输出端连接，第二电感的另一端与第三开关管的第一端连接，第三电感的一端与第二输出端连接，第三电感的另一端与第四开关管的第二端连接； 第一、第二滤波电容，其中第一滤波电容的一端接入第三开关管的第二端与第三ニ极管的阴极之间的连线，第一滤波电容的另一端与中性点连接，第二滤波电容的一端接入第四开关管的第一端与第四ニ极管的阳极之间的连线，第二滤波电容的另一端与中性点连接。
12.如权利要求8所述单相升降压功率因数校正变换器，其特征在于，所述单相升降压功率因数校正电路包含 第一至第六ニ极管，其中第一ニ极管的阳极与第三ニ极管的阳极连接，第二ニ极管的阴极与第四ニ极管的阴极连接，第五ニ极管的阴极与第一输出端连接，第六ニ极管的阳极与第二输出端连接，第五ニ极管的阳极与第六ニ极管的阴极连接； 第一至第四开关管，每ー开关管具有一第一端与一第二端，其中第一开关管的第一端、第二开关管的第二端均与中性点连接，第一开关管的第二端与第一ニ极管的阴极连接，第ニ开关管的第一端与第二ニ极管的阳极连接，第三开关管的第一端接入第五开关管的阴极与第一输出端之间的连线，第三开关管的第二端与第三ニ极管的阴极连接，第四开关管的第一端与第四ニ极管的阳极连接，第四开关管的第二端接入第六ニ极管的阳极与第二输出端的连线； 第一至第三电感，其中第一电感的一端与输入端连接，第一电感的另一端接入第一ニ极管的阳极与第三ニ极管的阳极之间的连线，第二电感的一端与输入端连接，第二电感的另一端接入第二ニ极管的阴极与第四ニ极管的阴极之间的连线，第三电感的一端与中性点连接，第三电感的另一端接入第五ニ极管的阳极与第六ニ极管的阴极之间的连线； 第一、第二滤波电容，其中第一滤波电容的一端接入第三开关管的第二端与第三ニ极管的阴极之间的连线，第一滤波电容的另一端与中性点连接，第二滤波电容的一端接入第四开关管的第一端与第四ニ极管的阳极之间的连线，第二滤波电容的另一端与中性点连接。
13.如权利要求12所述单相升降压功率因数校正变换器，其特征在于，所述第一电感和第二电感磁路耦合。
14.如权利要求8所述单相升降压功率因数校正变换器，其特征在于，所述单相升降压功率因数校正电路包含 第一至第六ニ极管，其中第一ニ极管的阳极与第三ニ极管的阳极连接，第二ニ极管的阴极与第四ニ极管的阴极连接，第五ニ极管的阴极与第一输出端连接，第六ニ极管的阳极与第二输出端连接，第五ニ极管的阳极与第六ニ极管的阴极连接； 第一至第四开关管，每ー开关管具有一第一端与一第二端，其中第一开关管的第一端、第二开关管的第二端均与中性点连接，第一开关管的第二端与第一ニ极管的阴极连接，第ニ开关管的第一端与第二ニ极管的阳极连接，第三开关管的第一端接入第五开关管的阴极与第一输出端之间的连线，第三开关管的第二端与第三ニ极管的阴极连接，第四开关管的第一端与第四ニ极管的阳极连接，第四开关管的第二端接入第六ニ极管的阳极与第二输出端的连线； 第一电感、第二电感，其中第一电感的一端与输入端连接，第一电感的另一端分别接入第一ニ极管与第三ニ极管的阳极之间的连线以及第ニニ极管与第四ニ极管的阴极之间的连线，第二电感的一端与中性点连接，第二电感的另一端接入第五ニ极管的阳极与第六ニ极管的阴极之间的连线； 第一、第二滤波电容，其中第一滤波电容的一端接入第三开关管的第二端与第三ニ极 管的阴极之间的连线，第一滤波电容的另一端与中性点连接，第二滤波电容的一端接入第四开关管的第一端与第四ニ极管的阳极之间的连线，第二滤波电容的另一端与中性点连接。
全文摘要
本发明公开了一种三相升降压功率因数校正变换器。本发明的三相升降压功率因数校正变换器包含三个独立的单相升降压功率因数校正电路，可分别对三相电的每一相进行功率因数校正，所述单相升降压功率因数校正电路由两个分别在输入电压正、负半周独立工作的单相升降压变换器组成，这两个单相升降压变换器在输入侧并联，输出侧串联，每一个单相升降压变换器均由前端的升压电路与后端的降压电路级联而成。相比现有技术，不论是在Boost模式，还是在Buck模式下，均可降低器件的导通损耗，有效提高整个系统的效率。
文档编号H02M1/42GK102694460SQ201110071620
公开日2012年9月26日 申请日期2011年3月24日 优先权日2011年3月24日
发明者徐 明, 毛鹏, 王川云 申请人:南京博兰得电子科技有限公司