共阴极半桥功率因数校正电路的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种共阴极半桥功率因数校正电路，包括第一斩波单元和第二斩波单元，其中：第一斩波单元用以完成电网电压正半周中单位功率因数单相AC-DC变换，并输出稳定的直流电压；第二斩波单元用以完成电网电压负半周中单位功率因数单相AC-DC变换，并输出稳定的直流电压；第一斩波单元和第二斩波单元按照完整电网电压负半周或正半周分时工作，待机时用于散热。本发明能够实现单相功率因数校正，具有电路结构简单、支持较大功率输出、总体成本节约等优点。
【专利说明】共阴极半桥功率因数校正电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力电子变换【技术领域】的一种单相功率因数校正器(PFC)，具体地，涉及一种共阴极半桥功率因数校正电路。
【背景技术】
[0002]为了改善采用单相二极管不控整流桥的单相AC-DC变换器的网侧功率因数，降低谐波电流的危害，使其符合谐波电流的相关标准，如IEC61000-3-2，需要采用单相有源功率因数校正(APFC)技术或单相有源功率因数校正技术。
[0003]在电路拓扑方面，单相APFC具有多种电路拓扑，包括传统单级有桥APFC、提高功率等级的两级或多级交错有桥APFC、无桥APFC等多种。单相APFC的工作原理往往与电路拓扑密切相关，一般而言，一个APFC电路可能有多种控制策略，一个控制策略可能满足多种APFC电路，但是对于有些电路只能拥有独立适用的控制策略。
[0004]随着单相APFC技术的发展，在大功率变频空调等应用领域，要求单相APFC的功率等级越来越大，目前都必须采用多级交错有桥APFC，否则难以解决功率器件散热问题和升压电感在板安装问题以及成本问题。但是单级APFC的大功率化设计也较为成熟，运行较为可靠，设计较为容易，总体成本较为控制。单相无桥APFC也存在着电感电流检测困难，支持功率等级较低的问题。因此对于目前发展阶段，在较大传输功率领域，单相APFC和多级交错APFC都得到了一定程度的应用。
[0005]经过对单相APFC电路的检索，发现主要有以下代表性文献:
[0006][l]ffanfeng Zhang, Guang Feng, Yan-Fei Liu and Bin ffu.A Digital PowerFactor Correction (PFC) Control Strategy Optimized for DSP.1EEE Transactions ONPower Electronics, Vol.19, N0.6, November2004, pp.1474-1485.其主要技术特征如下:米用了传统的单级APFC电路。
[0007][2]王晗.大功率单相数字APFC的研究与实现.上海交通大学硕士学位论文.2009年I月。其主要技术特征如下:采用了无桥APFC电路。
[0008][3]陆飞，王男，杨喜军，郑水波，尹德斌.单相三倍压交错功率因数校正器的仿真分析.电气自动化.2013年3期.其主要技术特征如下:采用了三倍压交错APFC电路。
[0009]综合以上，对单相有源功率因数校正器现有电路结构及其控制的检索发现，目前阶段需要推出一种介于单相APFC、无桥APFC和多级交错APFC之间的一种新的APFC电路及其控制，在设计方面、成本方面具有优秀的综合指标。
【发明内容】
[0010]针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种共阴极半桥功率因数校正电路，该电路实现单位输入功率因数的AC-DC变换，支持较大功率输出，同时具有电路简单、控制方便等优点。
[0011]为实现以上目的，本发明提供一种共阴极半桥功率因数校正电路，包括第一斩波单元和第二斩波单元，其中:所述第一斩波单元用以完成电网电压正半周中单位功率因数单相AC-DC变换，并输出稳定的直流电压；所述第二斩波单元用以完成电网电压负半周中单位功率因数单相AC-DC变换，并输出稳定的直流电压；第一斩波单元和第二斩波单元一备一用工作时间为半个完整电源周期，即正半周或负半周，不工作时用于散热；
[0012]所述第一斩波单元和所述第二斩波单元包括公共的并联于单相电网的滤波电感、滤波电容、升压电感、分流电阻和并联于直流输出端的电解电容，所述第一斩波单元还包括第一常规二极管、第一快恢复二极管和第一功率开关，第二斩波单元还包括第二常规二极管、第二快恢复二极管和第二功率开关，从而构成一个不可分割的电力电子变换器；其中:
[0013]所述滤波电感的一端与单相交流电源的火线相连、另一端与升压电感和滤波电容的一端相连，升压电感的另一端与第一快恢复二极管的阳极、第二常规二极管的阴极、第二功率开关的发射极相连，形成公共点ACL;滤波电容的另一端与单相交流电源的零线、第二快恢复二极管的阳极、第一常规二极管的阴极、第一功率开关的发射极相连，形成公共点ACN ；
[0014]所述第一快恢复二极管的阴极与第二快恢复二极管的阴极连接后与分流电阻的一端相连，分流电阻的另一端与第一功率开关的集电极、第二功率开关的集电极、电解电容的正极相连，形成直流输出正极DCP;第一常规二极管的阳极、第二常规二极管的阳极连接后，形成直流输出负极DCN。
[0015]优选地，所述第一斩波单元与所述第二斩波单元中的第一功率开关、第二功率开关的门极分别接受来自控制电路的驱动脉冲，分别在电网电压正半周、负半周中斩波工作，在网侧得到单位功率因数，在输出端得到稳定的直流电压，为后级负载供电，完成单相功率因数校正。
[0016]与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果:
[0017](I)电路结构简单，使用器件数量少，两个斩波单元共用一只分流电阻，可以采用常规的输出直流电压检测电路、电感电流检测电路和电网交流电压检测电路，两只功率开关可以共用同一只驱动器，进一步简化功率电路设计和降低成本；
[0018](2)电源电压负半周，第一斩波单元进行斩波工作，实现单位网侧功率因数和稳定直流输出电压，第二斩波单元冷却待机；电源电压正半周，第二斩波单元进行斩波工作，实现单位网侧功率因数和稳定直流输出电压，第一斩波单元冷却待机；从而可以支持较大的功率输出；
[0019](3)滤波电感、滤波电容、升压电感可以构成LCL滤波器，等效增加网侧阻抗，使得滤波电容的容性电流减低和改善网侧电流波形，从而降低滤波电容的尺寸，采用交流升压电感，降低了电感的设计难度。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
[0021 ] 图1为本发明实施例1的电路原理图。
【具体实施方式】[0022]下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0023]如图1所示，本实施例提供一种共阴极半桥功率因数校正电路，包括第一斩波单元和第二斩波单元，其中:所述第一斩波单元用以完成电网电压负半周中单位功率因数单相AC-DC变换，并输出稳定的直流电压；所述第二斩波单元用以完成电网电压正半周中单位功率因数单相AC-DC变换，并输出稳定的直流电压；第一斩波单元和第二斩波单元一备一用，工作时间为半个完整电源周期(正半周或负半周)，不工作时用于散热，可以支持较大的功率输出。
[0024]本实施例中，所述第一斩波单元和所述第二斩波单元包括公共的并联于单相电网的一只滤波电感L1、一只滤波电容Cl、一只升压电感L2、一只分流电阻Rl和并联于输出端的一只电解电容El，所述第一斩波单元还包括第一常规二极管D1、第一快恢复二极管FRDl和第一功率开关SI，所述第二斩波单元还包括第二常规二极管D2、第二快恢复二极管FRD2和第二功率开关S2，从而构成一个不可分割的电力电子变换器；其中:
[0025]所述滤波电感LI的一端与单相交流电源的火线相连、另一端与升压电感L2和滤波电容Cl的一端相连，升压电感L2的另一端与第一快恢复二极管FRDl的阳极、第二常规二极管D2的阴极、第二功率开关S2的发射极相连，形成公共点ACL ;滤波电容Cl的另一端与单相交流电源的零线、第二快恢复二极管FRD2的阳极、第一常规二极管Dl的阴极、第一功率开关SI的发射极相连，形成公共点ACN ；
[0026]所述第一快恢复二极管FRDl的阴极与第二快恢复二极管FRD2的阴极连接后与分流电阻Rl的一端相连，分流电阻Rl的另一端与第一功率开关SI的集电极、第二功率开关S2的集电极、电解电容El的正极相连，形成直流输出正极DCP ;第一常规二极管Dl的阳极、第二常规二极管D2的阳极连接后，形成直流输出负极DCN。
[0027]本实施例所述第一斩波单元与所述第二斩波单元中的第一功率开关、第二功率开关的门极分别接受来自控制电路的驱动脉冲，分别在电网电压正半周、负半周中斩波工作，在网侧得到单位功率因数，在输出端得到稳定的直流电压，为后级负载供电，完成单相功率因数校正。
[0028]本实施例所述电路具体工作原理如下:
[0029]在单相电网电压正半周，所述第一斩波单元工作，实现功率因数校正，所述第二斩波单元待机；当第一功率开关SI导通时，通过交流电源、滤波电感LI与滤波电容Cl的滤波电路、升压电感L2、第一快恢复二极管FRD1、分流电阻R1、第一功率开关SI构成回路，滤波电容Cl两端电压近似正弦半波电压，升压电感L2储存能量；当第一功率开关SI关断时，通过交流电源、滤波电感LI与滤波电容Cl的滤波电路、升压电感L2、第一快恢复二极管FRDl、分流电阻R1、电解电容E1、第一常规二极管Dl构成续流路径，滤波电容Cl两端电压近似正弦半波电压，升压电感L2释放能量；通过控制电路控制第一功率开关SI导通欲关断规律以及滤波电感L1、滤波电容Cl的滤波作用，可以获得稳定的直流电压和网侧单位功率因数。
[0030]在单相电网电压负半周，所述第二斩波单元工作，实现功率因数校正，所述第一斩波单元待机；当第二功率开关S2导通时，通过升压电感L2、滤波电感LI与滤波电容Cl的滤波电路、交流电源、第二快恢复二极管FRD2、分流电阻Rl、第二功率开关S2构成回路，滤波电容Cl两端电压近似正弦半波电压，升压电感L2储存能量；当第二功率开关S2关断时，通过升压电感L2、滤波电感LI与滤波电容Cl的滤波电路、交流电源、第二快恢复二极管FRD2、分流电阻R1、电解电容E1、第二常规二极管D2构成续流路径，滤波电容Cl两端电压近似正弦半波电压，升压电感L2释放能量；通过控制电路控制第二功率开关S2导通欲关断规律以及滤波电感L1、滤波电容Cl的滤波作用，可以获得稳定的直流电压和网侧单位功率因数。
[0031]本实例中:
[0032]交流输入电压宽范围，85VAC — 264VAC，工频，额定输入电压220VAC，额定输出直流电压平均值比网压幅值动态高出20VDC，纹波电压峰峰值控制在IOV以内，额定输出功率达到2.5kW以上；
[0033]开关频率:35kHz—40kHz；
[0034]滤波电感(LI):100 μ H，插件，在板安装；
[0035]滤波电容(Cl):275V，1.0 μ F— 2.2 μ F，插件；
[0036]升压电感(L2):500 μ H，插件，在板安装；
[0037]第一、第二常规二极管(D1、D2):600V，50/100°C，扁桥，插件；
[0038]第一、第二快恢复二极管(FRD1、FRD2):600V，50A/100°C，恢复时间小于 20ns ；
[0039]第一、第二功率开关(S1、S2):600V，100A/100°C，快速IGBT，不含反并联二极管；
[0040]电解电容(El):6x680yF，并联，400WV ;
[0041]分流电阻(Rl):10ηιΩ-15ηιΩ ,5W,水泥无感电阻。
[0042]本发明能够实现单相功率因数校正，具有电路结构简单、使用器件数量少，简化功率电路设计和降低成本；实现了单位输入功率因数的AC-DC变换，支持较大功率输出；滤波电感、滤波电容、升压电感可以构成LCL滤波器，等效增加网侧阻抗，使得滤波电容的容性电流减低和改善网侧电流波形，降低滤波电容的尺寸，采用交流升压电感，降低了电感的设计难度。
[0043]以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
【权利要求】
1.一种共阴极半桥功率因数校正电路，其特征在于，包括第一斩波单元和第二斩波单元，其中:所述第一斩波单元用以完成电网电压正半周中单位功率因数单相AC-DC变换，并输出稳定的直流电压；所述第二斩波单元用以完成电网电压负半周中单位功率因数单相AC-DC变换,并输出稳定的直流电压；第一斩波单兀和第二斩波单兀一备一用，工作时间为半个完整电源周期，即正半周或负半周，不工作时用于散热； 所述第一斩波单元和所述第二斩波单元包括公共的并联于单相电网的滤波电感、滤波电容、升压电感、分流电阻和并联于直流输出端的电解电容，所述第一斩波单元还包括第一常规二极管、第一快恢复二极管和第一功率开关，第二斩波单元还包括第二常规二极管、第二快恢复二极管和第二功率开关，从而构成一个不可分割的电力电子变换器；其中: 所述滤波电感的一端与单相交流电源的火线相连、另一端与升压电感和滤波电容的一端相连，升压电感的另一端与第一快恢复二极管的阳极、第二常规二极管的阴极、第二功率开关的发射极相连，形成公共点ACL ;滤波电容的另一端与单相交流电源的零线、第二快恢复二极管的阳极、第一常规二极管的阴极、第一功率开关的发射极相连，形成公共点ACN ； 所述第一快恢复二极管的阴极与第二快恢复二极管的阴极连接后与分流电阻的一端相连，分流电阻的另一端与第一功率开关的集电极、第二功率开关的集电极、电解电容的正极相连，形成直流输出正极DCP;第一常规二极管的阳极、第二常规二极管的阳极连接后，形成直流输出负极DCN。
2.根据权利要求1所述的一种共阴极半桥功率因数校正电路，其特征在于，所述第一斩波单元与所述第二斩波单元中的第一功率开关、第二功率开关的门极分别接受来自控制电路的驱动脉冲，分别在电网电压正半周、负半周中斩波工作，在网侧得到单位功率因数，在输出端得到稳定的直流电压，为后级负载供电，完成单相功率因数校正。
3.根据权利要求1或2所述的一种共阴极半桥功率因数校正电路，其特征在于，在单相电网电压正半周，所述第一斩波单元工作，实现功率因数校正，所述第二斩波单元待机；当第一功率开关导通时，通过交流电源、滤波电感与滤波电容的滤波电路、升压电感、第一快恢复二极、分流电阻、第一功率开关构成回路，滤波电容两端电压近似正弦半波电压，升压电感储存能量；当第一功率开关关断时，通过交流电源、滤波电感与滤波电容的滤波电路、升压电感、第一快恢复二极管、分流电阻、电解电容、第一常规二极管构成续流路径，滤波电容两端电压近似正弦半波电压，升压电感释放能量；通过控制电路控制第一功率开关导通欲关断规律以及滤波电感、滤波电容的滤波作用，获得稳定的直流电压和网侧单位功率因数。
4.根据权利要求1或2所述的一种共阴极半桥功率因数校正电路，其特征在于，在单相电网电压负半周，所述第二斩波单元工作，实现功率因数校正，所述第一斩波单元待机；当第二功率开关导通时，通过升压电感、滤波电感与滤波电容的滤波电路、交流电源、第二快恢复二极管、分流电阻、第二功率开关构成回路，滤波电容两端电压近似正弦半波电压，升压电感储存能量；当第二功率开关关断时，通过升压电感、滤波电感与滤波电容的滤波电路、交流电源、第二快恢复二极管、分流电阻、电解电容、第二常规二极管构成续流路径，滤波电容两端电压近似正弦半波电压，升压电感释放能量；通过控制电路控制第二功率开关导通欲关断规律以及滤波电感、滤波电容的滤波作用，获得稳定的直流电压和网侧单位功率因数。
【文档编号】H02M1/42GK103916003SQ201410124400
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年3月28日 优先权日:2014年3月28日
【发明者】杨喜军, 冯瑞昀, 王乾, 唐厚君 申请人:上海交通大学