专利名称：单相半桥倍压整流pfc电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种电力电子技术领域的AC-DC变换器，具体是一种能够输出倍压的单相半桥倍压整流PFC电路。
背景技术：
随着电力电子技术的发展，越来越多的电力电子设备接入电网运行，电网谐波电流问题越来越严重。对谐波电流的发生原理及其抑制大量的研究，促进了功率因数校正 (PFC)技术的快速发展。其中单相有源PFC技术逐渐成熟，但是传统的单相PFC技术适合输入电压较高，否则将导致升压电感的体积和功率器件的损耗较大，在此背景下，本发明提出了一种单相半桥倍压整流PFC电路，可以在低输入交流电压时，完成单位功率因数控制和高直流电压输出。为了完成升压环节，可以采用升降压型斩波电路、Ctik斩波电路，也可以采用 BOOST升压电路。BOOST电路具有结构简单，控制方便等优点，是升压环节采取的首选方案之一。为了实现整流环节，同时实现阻抗变换，可以采用功率因数校正电路。传统的有源 PFC校正器采用不可控整流桥方案，只适应输入电压足够高的情况，否则输入电压较低时， 会增加功率器件的应力，从而产生过热和增加成本。综上所述，较低单相交流电压输入时，传统的单相整流电路对功率器件要求高，成本较高，不能应用于低交流电压输入-高压直流输出的应用场合，传统的功率因数控制电路出现了较大的局限性。随着实践应用的扩大，设计一种结构简单、功能全面、高输入功率因数且能低压交流输入-高压直流输出的电路已是本领域技术人员的当务之急。
发明内容
本发明针对现有技术的上述不足，提出了一种单相半桥倍压整流PFC电路，使其实现低压交流-高压直流变换，具有线性阻抗，结构简单，控制容易和成本低廉的优点。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括功率电路、检测电路和控制电路，其中功率电路的输出端与检测电路的输入端相连，检测电路的输出端与控制电路的输入端相连。所述的功率电路包括依次级联的升压电路和整流电路。所述的升压电路为BOOST型升压电路，结构为升压电感、检流电阻和一组双向开关，并联在交流电源的火线与零线之间，升压电感的一端与交流电源火线相连，另一端与升压电路中双向开关的一端和整流电路的一个输入端相连，升压电路中双向开关的另一端与检流电阻的一端和整流电路的另一个输入端相连，检流电阻的另一端与交流电源零线相连；所述的整流电路的结构为两个二极管、两个电容和两个电阻构成的桥式整流电路，分别称为二极管桥臂和电容桥臂，第一二极管与第二二极管顺次串联，构成二极管桥臂，该桥臂中点作为一个输入端与升压电路中升压电感和双向开关的公共端相连。第一电容与第二电容顺次串联，构成电容桥臂，该桥臂中点作为另一个输入端与升压电路中双向开关和检流电路中电流互感器初级绕组的公共端相连。第一二极管的阴极与第一电容的正极和第一电阻的一端相连后作为直流输出的正极，第二二极管的阳极与第二电容的阴极和第二电阻的一端相连后作为直流输出的负极，第一电阻的另一端与第二电阻的一端相连后与电容桥臂的中点相连；所述的BOOST型升压电路的两个输出端分别与桥式整流电路的两个桥臂的中点相连，整流电路的输出端输出直流电压。所述的检测电路为三个单独存在的输入电压的检零电路、功率电路的检流电路和输出电压的检压电路。检零电路的两个输入端分别连接交流电源的两个输出端，检流电路的两个电流互感器的输入端串联在交流零线上，检压电路的两个输入端分别连接整流桥的正极输出端和电容桥臂的中点。所述的控制电路包括PFC控制器。PFC控制器的输入端与检测电路的四个输出端相连，输出端与双向开关的控制端相连。本发明单相半桥倍压整流PFC电路检零电路负责检测网压过零点，为控制电路提供网压过零信息，辅助判断网压的同步信号；检流电路负责检测升压电感的电流，用于控制电路中PFC控制算法的电流闭环控制；检压电路可以得到输出总电压和电容桥臂下臂的电压，通过相减还可以得到电容桥臂上臂的电压，用于控制电路中PFC控制算法的电压闭环控制。控制电路在获得上述过零、电流与电压信息就可以采用各种PFC控制算法去实现 PFC的控制，最终产生PWM驱动脉冲，驱动功率电路中升压电路的双向功率开关，使之按照一定规律通断，实现PFC的基本功能，即稳定输出电压和获得单位输入功率因数。本发明根据倍压整流电路可以在低输入交流电压的情况下，获得是一般整流电路输出电压二倍的原理下，制定了倍压整流PFC电路，可以实现灵活的、可靠的调压能力和获得线性输入阻抗，克服输入电压过低引起的对升压电感、功率器件的苛刻要求，适合低压交流输入-高压直流输出的各种应用场合。功率电路设计简单，控制方便，具有重要的应用价值。本发明倍压整流PFC电路具有设计结构新颖、通用性强等特征，同时具有结构简单、成本低等优点。
图1为本发明实施例1的电路原理图。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提进行，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。实施例1如图1所示，本实施例提供一种单相半桥倍压整流PFC电路，包括功率电路、检测电路和控制电路6，功率电路的输出端为直流电压，检测电路的输入端与功率电路的电压、 电流信号相连，检测电路的输出端与控制电路的输入端相连，控制电路的输出端与功率电路中功率开关的门极相连。
所述的功率电路包括依次级联的升压电路1、整流电路2。升压电路的输出端与整流电路的两个桥臂的中点相连，整流电路的输出端DCP和DCN输出直流电压。所述的升压电路1为BOOST型升压电路，包括电感Li、双向开关Sl和检流电阻 R19，升压电感Ll的一端与交流电源火线ACL相连，另一端与双向开关Sl的一端和整流电路2的一个输入端相连，双向开关Sl的另一端与检流电阻R19的一端和整流电路2的另一个输入端相连，检流电阻R19的另一端与交流电源零线相连；所述的电感Ll为非晶体材料，感值为lmH。所述的双向开关是由两个逆导开关共射极串联组成，该双向开关的门极接受PWM 脉冲控制信号。所述的逆导开关为IGBT 600V/50A/100°C，共射极逆导开关的PWM驱动脉冲根据闭环控制结果可调，开关频率为20kHz。所述的整流电路2是由两个二极管、两个电容和两个电阻组成的整流电路，第一二极管Dl与第二二极管D2顺次串联，构成二极管桥臂，该桥臂中点作为一个输入端与升压电路1中升压电感Ll和双向开关Sl的公共端相连。第一电容El与第二电容E2顺次串联，构成电容桥臂，该桥臂中点作为另一个输入端与升压电路1中双向开关Sl和检测电路的检流电路4中电流互感器Ml初级绕组的公共端相连。第一二极管Dl的阴极与第一电容 El的正极和第一电阻Rl的一端相连后作为直流输出的正极DCP，第二二极管D2的阳极与第二电容E2的阴极和第二电阻R2的一端相连后作为直流输出的负极DCN，第一电阻Rl的另一端与第二电阻R2的一端相连后与电容桥臂的中点相连；所述的二极管D1、D2为反向快恢复二极管，其反向耐压值为600V/35A/100°C。所述的电解电容El、E2为铝电解电容分别为3300yF/330V。所述的第一和第二电阻Rl、R2为普通电阻，阻值为50k Ω/2W。所述的检测电路包括独立存在的检零电路3、检流电路4、检压电路5。所述的检零电路3包括六个电阻、四个二极管、一个电容和一个运算放大器，它的输出端为CAP信号。 所述的第三电阻R3、第四电阻R4、第六电阻R6、第七电阻R7为普通插件电阻，阻值为 200k Ω。所述的第五电阻R5、第八电阻R8为普通电阻，阻值为IkQ。所述的第三到第六二极管D3、D4、D5、D6为普通二极管，反向耐压值800V。所述的电容Cl为普通电容，0. lyF/63V。所述的运算放大器Al为普通运放，如TLC2272。所述的检流电路4包括六个电阻、一个二极管、三个电容、一个电流互感器、一个运算放大器，它的输出端为控制电路的一个输入端。所述的第九到第十三电阻R9、R10、R11、R12、R13为普通电阻，阻值为IOkQ。所述的第十四电阻R14为普通电阻，阻值为IkQ。所述的第七二极管D7为普通二极管，反向耐压值为700V。所述的第二到第四电容C2、C3、C4为普通电容，0. lyF/63V。所述的电流互感器Ml为电流互感器，匝比为200 1。所述的运算放大器为普通运放，如TLC2272。
5
所述的检压电路5包括八个电阻、四个电容，它的输出端为控制电路的两个输入端。所述的第十五电阻R15、第十六电阻R16、第十九电阻R19、第二十电阻R20为普通插件电阻，阻值为200k Ω。所述的第十七电阻R17、第十八电阻R18、第二i^一电阻R21、第二十二电阻R22为普通电阻，阻值为IkQ。所述的第五到第八电容05、06丄7、08为普通电容，0.1“？/63￥。所述的控制电路6的输入端是与检测电路的输出端相连，输出端与逆导开关的控制端相连。本实施例中，额定输入交流电压为110V，输出直流电压为380V，额定输出功率为 2. 2kW，所有元器件均采用高精度。本实施例能够实现高电压输入和更大的功率输出。本实施例通过以下方式工作检零电路3输入端分别与电源端子相连，电源两端电压分别经过第三电阻、第四电阻和第六电阻、第七电阻分别与第五电阻和第八电阻进行分压，第五电阻和第八电阻公共端接地，得到较小正弦电压，第一滤波电容从第五电阻和第八电阻上取出该电压信号，施加到一组反向并联的第三二极管和第四二极管上，则可获得为幅值不超过二极管正向压降的交变电压，此电压方向随着电源过零发生改变，则第一运算放大器两个输入端的电压为二极管的导通电压，正负与第一滤波电容两端电压方向一致，当电源电压经过零点变化时， 第一运算放大器输出电压方向改变，完成检零的目的。第五二极管和第六二极管构成保护电路，使得检零电路输出电压处于安全范围内。检流电路4是通过电流互感器将功率电路的电流信号无影响的提取出来，此电流信号经过第九电阻、第十电阻和第十一电阻的分流电路转化成电压信号，该电压信号经过由第二运算放大器构成的比例放大器传输到输出侧，并经过第十四电阻转化为电流信号。 第二滤波电容、第三滤波电容滤除高次谐波，第四滤波电容和第七二极管构成保护电路。检压电路5的输入端与功率电路电容桥臂、正极输出端相连，构成两个结构完全一致的电路。第十五电阻、第十六电阻和第十七电阻构成分压电路，检测电容桥臂下桥臂的电压，输入到控制电路的第二采样输入端。第十九电阻、第二十电阻和第二十一电阻构成分压电路，检测整流电路正极输出端电压，输入到控制电路的第三采样输入端。第五滤波电容、第六滤波电容、第七滤波电容和第八滤波电容具有滤除输出电压中高频分量的作用。控制电路6对检测的电压信号、电流信号进行闭环控制，通过采用经典的PFC控制算法或者其它PFC控制算法，产生高频PWM脉冲控制信号，通过PWM端口控制功率电路中升压电路的双向开关开通与关断，最终使得整流电路输出稳定的直流电压，同时使得网侧呈现单位功率因数特征。在电源正半周，双向开关导通时，电源向升压电感充能，第一电解电容、第二电解电容向负载释放能量；双向开关关断时，电源、电感和第二电解电容释放能量， 对第一电解电容充电，并向负载提供输出功率，其中第二电解释放能量较慢。在电源负半周，双向开关导通时，电源向升压电感充电，第一电解电容、第二电解电容向负载释放能量； 双向开关关断时，电源、电感和第一电解电容释放能量，对第二电解电容充电，并向负载提供能量。第一电阻和第二电阻为能耗电阻，起到均压作用。通过控制系统合理控制双向开关的通断时间，即可PFC的功能。本发明单相半桥倍压整流PFC电路检零电路负责检测网压过零点，为控制电路提供网压过零信息，辅助判断网压的同步信号；检流电路负责检测升压电感Ll的电流，用于控制电路中PFC控制算法的电流闭环控制；检压电路可以得到输出总电压和电容桥臂下臂的电压，通过相减还可以得到电容桥臂上臂的电压，用于控制电路中PFC控制算法的电压闭环控制。控制电路在获得上述过零、电流与电压信息就可以采用各种PFC控制算法去实现PFC的控制，最终产生PWM驱动脉冲，驱动功率电路中升压电路的双向功率开关，使之按照一定规律通断，实现PFC的基本功能，即稳定输出电压和获得单位输入功率因数。上述检测电路非常适合由两个二极管以及两个电容构成的桥式整流电路进行倍压整流，适合较低交流输入电压情况。同时整个电路非常简单，直接检测电量和被控电量较少，控制器设计也并不复杂，已获得仿真分析和实验初步验证。而现有的几种方案的共同不足不适合低交流电压输入，功率器件的应力和损耗功率较大，成本较高。尽管本发明的内容已经通过上述优选实例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应该被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
权利要求
1.一种单相半桥倍压整流PFC电路，包括功率电路、检测电路和控制电路，其中功率电路输出端与检测电路输入端相连，检测电路输出端与控制电路输入端相连，功率电路的过零、电压、电流信号通过检测电路传至控制电路，其特征在于所述的功率电路包括依次级联的升压电路和整流电路，所述的升压电路为BOOST型升压电路；所述的整流电路是由两个二极管、两个电容和两个电阻构成的桥式整流电路，分别称为二极管桥臂和电容桥臂，第一二极管与第二二极管顺次串联，构成二极管桥臂，该桥臂中点作为一个输入端与升压电路中升压电感和双向开关的公共端相连；第一电容与第二电容顺次串联，构成电容桥臂，该桥臂中点作为另一个输入端与升压电路中双向开关和检流电路中电流互感器初级绕组的公共端相连；第一二极管的阴极与第一电容的正极和第一电阻的一端相连后作为直流输出的正极，第二二极管的阳极与第二电容的阴极和第二电阻的一端相连后作为直流输出的负极，第一电阻的另一端与第二电阻的一端相连后与电容桥臂的中点相连；所述的BOOST型升压电路的两个输出端分别与桥式整流电路的两个桥臂的中点相连， 整流电路的输出端输出直流电压。
2.根据权利要求1所述的单相半桥倍压整流PFC电路，其特征是，所述的BOOST型升压电路并联在交流电源的火线与零线之间，包括升压电感、检流电阻和一组双向开关，其中升压电感的一端与交流电源火线相连，另一端与双向开关的一端和整流电路的一个输入端相连，双向开关的另一端与检流电阻的一端和整流电路的另一个输入端相连，检流电阻的另一端与交流电源零线相连。
3.根据权利要求1所述的单相半桥倍压整流PFC电路，其特征是，所述的检测电路为三个单独存在的输入电压的检零电路、功率电路的检流电路和输出电压的检压电路，检零电路的两个输入端分别连接交流电源的两个输出端，检流电路的两个电流互感器的输入端串联在交流零线上，检压电路的两个输入端分别连接整流桥的正极输出端和电容桥臂的中点ο
4.根据权利要求1所述的单相半桥倍压整流PFC电路，其特征是，所述的控制电路包括 PFC控制器，PFC控制器的输入端与检测电路的四个输出端相连，输出端与双向开关的控制端相连。
5.根据权利要求1-4任一项所述的单相半桥倍压整流PFC电路，其特征是，所述检零电路负责检测网压过零点，为控制电路提供网压过零信息，辅助判断网压的同步信号；检流电路负责检测升压电感的电流，用于控制电路中PFC控制算法的电流闭环控制；检压电路得到输出总电压和电容桥臂下臂的电压，通过相减还得到电容桥臂上臂的电压，用于控制电路中PFC控制算法的电压闭环控制；控制电路在获得上述过零、电流与电压信息后采用PFC 控制算法去实现PFC的控制，最终产生PWM驱动脉冲，驱动功率电路中升压电路的双向功率开关。
全文摘要
本发明公开一种电力电子技术领域的单相半桥倍压整流PFC电路，包括功率电路、检测电路和控制电路，功率电路电压电流信号通过检测电路与控制电路相连，所述的功率电路包括升压电路和整流电路，升压电路的两个输出端与整流电路的两个桥臂的中点相连，整流电路的输出端输出直流电压；检测电路检测功率电路的网压过零、电感电流和输出电压信号；控制电路的输入端与检测电路的输出端相连，其输出端与功率电路的功率开关的门极相连。本发明输出稳定的直流电压，同时产生单位输入功率因数，实现灵活的调压能力和获得线性输入阻抗，且可在较低的输入电压情况下，获得更高的输出电压，降低功率器件的功率损耗及耐压等级，通用性强，结构简单、成本低。
文档编号H02M5/293GK102545578SQ201110442460
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月26日 优先权日2011年12月26日
发明者李华武, 杨喜军, 马红星 申请人:上海交通大学