一种三相宽频交流输入自适应同步整流电路及控制方法与流程

本发明涉及一种宽频自适应同步整流电路及控制策略，更具体的说，是涉及一种三相宽频交流输入自适应同步整流电路及控制方法。

背景技术：

随着电力电子的发展，对某些电子设备如航空发电机等体积重量要求越来越轻量化、所要求的输出功率也越来越大。传统的电力电子转换电路，一般采用二极管方式进行整流转换，由于二极管本身的压降特性，导致转换效率低，发热量大。特别是在高频三相交流输入时，低压大电流的场合下，传统的转换电路更是无法控制。一般解决方法采用场效应管(mosfet)，来替代二极管进行整流，亦成为同步整流。另外，较为先进的控制是采用电压模型进行矢量跟随控制，虽然能很大程度上提高转换效率，但是算法比较复杂，而且在电源输入侧如果有谐波会是转换控制变得紊乱，不稳定。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供了一种三相宽频交流输入自适应同步整流电路及控制方法，采用电流传感器或者其他方式得到电流值并设定其相应的阈值，来控制相应场效应管的开通关断，进而实现宽频三相交流输入的电源转换，使得电源转换整流电路在三相输入频率变换的情况下仍能正常工作，而且电路简单，控制方便，使整流电路具有控制简单、转换效率高、发热量少、自适应的特点。

本发明的目的可通过以下技术方案实现。

一种三相宽频交流输入自适应同步整流电路，包括依次连接的发电机三相交流电源、电流检测电路和电压检测电路，所述电流检测电路和电压检测电路之间连接有三相整流电路和直流稳压输出电路；

所述三相整流电路包括构成三相同步整流桥的第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管、第五场效应管和第六场效应管，所述第一场效应管、第三场效应管和第五场效应管的漏极均连接在一起，共漏极端；所述第二场效应管、第四场效应管和第六场效应管的源极均连接在一起，共源极端；所述共漏极端和共源极端之间串联有第一电感和第一电容；

所述直流稳压输出电路包括并联于第一电容两端的第七场效应管和第八场效应管，且第七场效应管和第八场效应管相互串联，所述第八场效应管的漏极和源极之间并联有第二电感和第二电容，且第二电感和第二电容相互串联，电压检测电路并联于第二电容两端；

所述电流检测电路的三相电流输出端连接至mcu的电流输入端，所述电压检测电路的电压输出端连接至mcu的电压输入端，所述mcu的电流输出端分别连接至第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管、第五场效应管和第六场效应管的栅极，所述mcu的电压输出端分别连接至第七场效应管和第八场效应管的栅极。

所述第一场效应管的源极和第二场效应管的漏极均连接至电流检测电路的a相电流输出端；所述第三场效应管的源极和第四场效应管的漏极均连接至电流检测电路的b相电流输出端；所述第五场效应管的源极和第六场效应管的漏极均连接至电流检测电路的c相电流输出端。

所述第七场效应管的源极和第八场效应管的漏极串联在一起。

所述第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管、第五场效应管、第六场效应管、第七场效应管和第八场效应管均采用n型mosfet场效应管。

本发明的目的还可通过以下技术方案实现。

一种三相宽频交流输入自适应同步整流电路的控制方法，包括以下步骤：

步骤一，三相整流：发电机三相交流电源供电，当电流检测电路检测到有电流输入后，会将检测到的三相电流值分别送给mcu，将三相电流值分别与设定阈值进行比较：若某一相电流值大于正设定阈值i＞+ith，则mcu向源极与该相电流输出端相连接的场效应管发送开通的脉冲信号，使此场效应管导通；若某一相电流值小于负设定阈值i＜-ith，则mcu向漏极与该相电流输出端相连接的场效应管发送开通的脉冲信号，使此场效应管导通；若某一相电流值处于正设定阈值和负设定阈值之间-ith≤i≤+ith，则mcu均未向与该相电流输出端相连接的两个场效应管发送开通的脉冲信号，通过此两个场效应管的寄生二极管来流过电流。

步骤二，滤波：经过第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管、第五场效应管和第六场效应管构成的三相同步整流桥整流后的直流电压，输入到第一电感和第一电容组成的lc滤波器滤波成为未稳定的直流电压；

步骤三，直流稳压输出：电压检测电路输出的电压反馈信号送至mcu，mcu通过周期性检测电压反馈信号与设定电压值的大小，来决定输出开通第七场效应管或第八场效应管的脉冲控制信号，第七场效应管的脉冲控制信号和第八场效应管的脉冲控制信号构成互补输出控制信号。

步骤一中所述三相电流的控制逻辑均相同，且每一相电流均独立工作，互不干扰。

步骤三中mcu通过周期性检测电压反馈信号与设定电压值的大小具体过程：

①第一个周期：电压反馈信号小于设定电压值，mcu发送导通第七场效应管的脉冲控制信号pwm7，第七场效应管导通；设定pwm7占空比为90％，当到达90％时，pwm7和pwm8都关闭；

②第二个周期：电压反馈信号小于设定电压值，仍然开通第七场效应管，第八场效应管关闭；电压反馈信号大于或等于设定电压值，关闭pwm7输出，pwm7关闭后，引入一段死区时间，然后开通pwm8通过第八场效应管续流；在到达pwm7占空比90％时，pwm7和pwm8同时关闭；

③第三个周期：电压反馈信号大于或等于设定电压值，本周期pwm7不再开通，pwm8开通，电路通过第八场效应管续流，在达到占空比90％处时，关断pwm8；

④第四个周期：电压反馈信号小于设定电压值，pwm7开通，然后电压反馈信号大于或等于设定电压值，关断pwm7，延时一段死区时间后，开通pwm8，最后到达占空比90％处时关闭pwm8；

⑤第五周期及之后重复循环执行上述①～④四个周期的控制逻辑。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)本发明通过电流检测电路得到电流值，并根据设定的导通阈值，来控制相应场效应管的开通关断作为整流桥，进而实现宽频三相交流输入的电源转换，使得电源转换整流电路在三相输入频率变换的情况下仍能正常工作；

(2)本发明采用可控的mosfet场效应管代替不可快速整流二极管具有同步行续流作用，降低损耗，使整流电路管耗大大的降低；对于低压大电流整流，特别是当电压较低时，本发明利用率更高；另外将场效应管并联分流，这样既可以使流过每个场效应管电流减小为原来一半，是的管耗消耗更小。

(3)本发明具有对输入三相输入具有宽频自适应、抗干扰强、电路简单控制方便、转换效率高、功耗低、发热量小的优点。

附图说明

图1是本发明的电路原理图；

图2是本发明中mcu部分电路图；

图3是本发明中交流侧整流控制工作过程波形图；

图4是本发明中直流侧稳压控制工作过程波形图。

附图标记:ga发电机三相交流电源；q1第一场效应管；q2第二场效应管；q3第三场效应管；q4第四场效应管；q5第五场效应管；q6第六场效应管；q7第七场效应管；q8第八场效应管；c1第一电容；c2第二电容；l1第一电感；l2第二电感。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明的三相宽频交流输入自适应同步整流电路，包括依次连接的发电机三相交流电源ga、电流检测电路、三相整流电路、直流稳压输出电路和电压检测电路。电流检测电路检测输入的三相交流电的值，对发电机三相交流电源ga输出的三相电流进行采样并进行比较或者将采样值送入处理器mcu，根据得到的比较信号或者采样值进行脉冲信号pwm输出的逻辑控制。电压检测电路用来检测输出直流部分的电压值，对输出稳压与设定电压值比较或者采样直接送入处理器mcu进行处理，根据得到的比较信号控制pwm7、pwm8的开通关断逻辑。

三相整流电路包括构成三相同步整流桥的第一场效应管q1、第二场效应管q2、第三场效应管q3、第四场效应管q4、第五场效应管q5和第六场效应管q6。所述第一场效应管q1、第三场效应管q3和第五场效应管q5的漏极均连接在一起，共漏极端。所述第二场效应管q2、第四场效应管q4和第六场效应管q6的源极均连接在一起，共源极端。所述共漏极端和共源极端之间串联有第一电感l1和第一电容c1。所述第一场效应管q1的源极和第二场效应管q2的漏极均连接至电流检测电路的a相电流输出端。所述第三场效应管q3的源极和第四场效应管q4的漏极均连接至电流检测电路的b相电流输出端。所述第五场效应管q5的源极和第六场效应管q6的漏极均连接至电流检测电路的c相电流输出端。三相整流电路左边为交流侧，有三条开关桥臂，每条开关桥臂上有两个场效应管串联组成，上场效应管的源极和下场效应管的漏极相连形成开关节点。三相整流电路右边为直流输出侧，第一电容c1在输出直流电压正负之间。

直流稳压输出电路包括并联于第一电容c1两端的第七场效应管q7和第八场效应管q8，且第七场效应管q7和第八场效应管q8相互串联，所述第八场效应管q8的漏极和源极之间并联有第二电感l2和第二电容c2，且第二电感l2和第二电容c2相互串联，电压检测电路并联于第二电容c2两端。所述第七场效应管q7的源极和第八场效应管q8的漏极串联在一起。第七场效应管q7的漏极与三相同步整流桥的上桥相连，在第二电感l2和第八场效应管q8的开通、关断下，组合成续流电路。

电流检测电路的三相电流输出端连接至mcu的电流输入端，即图1中的ia、ib、ic分别连接至图2中的ia、ib、ic。所述电压检测电路的电压输出端连接至mcu的电压输入端，即图1中的u+、u-分别连接至图2中的u+、u-。所述mcu的电流输出端分别连接至第一场效应管q1、第二场效应管q2、第三场效应管q3、第四场效应管q4、第五场效应管q5和第六场效应管q6的栅极，所述mcu的电压输出端分别连接至第七场效应管q7和第八场效应管q8的栅极，即图2中的pwm1、pwm2、pwm3、pwm4、pwm5、pwm6、pwm7、pwm8分别连接至图1中的pwm1、pwm2、pwm3、pwm4、pwm5、pwm6、pwm7、pwm8。

三相同步整流桥通过接受mcu发出的方波脉冲信号控制三相电流的开通、关断，并通过第一电感l1和第一电容c1稳流滤波。第七场效应管q7、第八场效应管q8通过接受mcu发出的方波信号控制输出侧电压稳定，第二电容c2和第二电感l2为输出电路提供滤波和续流。对于直流输出侧，经过整流滤波后流入第七场效应管q7漏极，第二电感l2和第二电容c2与第八场效应管q8，一同控制电路续流。其中，通过pwm7开通关断点，控制电压输出大小。所述第一场效应管q1、第二场效应管q2、第三场效应管q3、第四场效应管q4、第五场效应管q5、第六场效应管q6、第七场效应管q7和第八场效应管q8均采用n型mosfet场效应管。

上述三相宽频交流输入自适应同步整流电路的控制方法，包括以下步骤：

(一)三相整流

发电机三相交流电源供电，当电流检测电路检测到有电流输入后，会将检测到的三相电流值分别送给mcu，将三相电流值分别与设定阈值进行比较：若某一相电流值大于正设定阈值i＞+ith，则mcu向源极与该相电流输出端相连接的场效应管发送开通的脉冲信号，使此场效应管导通；若某一相电流值小于负设定阈值i＜-ith，则mcu向漏极与该相电流输出端相连接的场效应管发送开通的脉冲信号，使此场效应管导通；若某一相电流值处于正设定阈值和负设定阈值之间-ith≤i≤+ith，则mcu均未向与该相电流输出端相连接的两个场效应管发送开通的脉冲信号，通过此两个场效应管的寄生二极管来流过电流。

图3概念性的描述了在能量从交流侧输入时，场效应管的开通关断操作波形，其中pwm1、pwm2、pwm3、pwm4、pwm5、pwm6分别为其所对应的交流侧的第一场效应管q1、第二场效应管q2、第三场效应管q3、第四场效应管q4、第五场效应管q5、第六场效应管q6的栅极控制信号波形。

传统的三相交流全波整流技术已经非常成熟，为该领域工作者所熟知，就不在细述。本发明采用通断可控的场效应管，结合控制mcu和电流检测来实现对电流整流的控制。三相交流输入中的a相为例，pwm1与pwm2不能同时开通，其余两相工作机制相同。

以a相电流输入为例，当a相电流检测到有电流输入后，会将检测到的电流值送给处理器mcu，然后将电流值与正设定阈值+ith进行比较。如果电流值大于+ith,则mcu会发送开通第一场效应管q1的脉冲信号pwm1，使第一场效应管q1导通。对于a相下桥臂，如果电流值大于≤-ith,则mcu会发送开通第二场效应管q2的脉冲信号pwm2，使第二场效应管q2导通。如果电流值在-ith≤ia≤+ith范围内,则不发送导通第一场效应管q1的脉冲信号pwm1和第二场效应管q2的脉冲信号pwm2，通过第一场效应管q1和第二场效应管q2的寄生二极管来流过电流。如此，实现输入同步整流的目的。如电流波形图3所示。

另一种设定阈值的方法，是通过硬件窗口比较电路来实现，当电流值大于硬件设定的电流阈值时，这时将比较后的逻辑信号传递给mcu，进而控制pwm1的开通,当电流值小于硬件设定的电流阈值时，这时将比较后的逻辑信号传递给mcu，进而控制pwm1的关断。其它两相电流控制逻辑，与a相电流相同。每一相电流，可看成独立在工作，互不干扰。这就使得整流电路具有跟谁外部输入电流频率变化自适应的能力。

与传统二极管管压降作为整流桥相比，本发明是根据设定的导通阈值，控制场效应管通断作为整流桥。比如传统的耐压300v二极管整流电路，二极管压降uf典型值在1.4v以上，场效应管的导通电阻r典型值12mω左右。以流过整流管的电流i为50a为例，对于普通二极管管耗：pdiode＝ud*i＝1.4*50＝70w。对于本发明，场效应管管耗：pmosfet＝i²*r＝50*50*0.012＝30w。由此，可见本发明使整流电路管耗大大的降低。对于低压大电流整流，特别是当电压较低时，本发明利用率更高。另外，本发明可以将场效应管并联分流，这样既可以使流过每个场效应管电流减小为原来一半，是的管耗消耗更小。

(二)滤波

经过第一场效应管q1、第二场效应管q2、第三场效应管q3、第四场效应管q4、第五场效应管q5和第六场效应管q6构成的三相同步整流桥整流后的直流电压，输入到第一电感l1和第一电容c1组成的lc滤波器滤波成为未稳定的直流电压uc1。

(三)直流稳压输出

直流稳压输出控制方法如图4所示，电压反馈信号uout送给处理器mcu。直流输出侧工作机制，正常工作时，处理器mcu会以固定频率和固定占空比的脉冲，pwm8会以相反的信号输入，在pwm7关断时，使电路续流。当检测到电压高于设定输出值时，就会关断pwm7的脉冲输入。低于设定电压值时，pwm7开通。为了防止电路短路，pwm7关断后，增加一定延时开通pwm8；当pwm7开通时，pwm8提前关断，这样就保证电路可靠运行。

电压检测电路输出的电压反馈信号送至mcu，mcu通过周期性(周期时间t)检测电压反馈信号uout与设定值uset(设定参考输出电压值)，来决定输出开通第七场效应管q7或第八场效应管q8的脉冲控制信号。第七场效应管q7的脉冲控制信号和第八场效应管q8的脉冲控制信号构成互补输出控制信号，为了保护第七场效应管q7或第八场效应管q8不产生共通导致损坏，必须具有死区时间，具体过程：

①第一个周期：在s0处，电压反馈信号小于设定电压值，uout<uset，mcu发送导通第七场效应管q7的脉冲控制信号pwm7，第七场效应管q7导通。设定pwm7占空比为90％，当到达90％时，仍然有uout<uset，此时pwm7和pwm8都关闭。

②第二个周期：由于第一个周期没有使电压达到设定值，在第二个周期s1处，仍有电压反馈信号小于设定电压值，uout<uset，仍然开通pwm7，pwm8关闭，开通第七场效应管q7，第八场效应管q8关闭。在s5处，电压反馈信号大于或等于设定电压值，uout≥uset，此时关闭pwm7输出，由于硬件延时和电感的存在电压继续上升。为了防止第七场效应管q7或第八场效应管q8共通导致场效应管损坏，pwm7关闭后，引入一段死区时间，然后开通pwm8通过第八场效应管续流。在到达pwm7占空比90％时，pwm7和pwm8同时关闭。

③第三个周期：s2处，由于电压反馈信号大于或等于设定电压值，uout≥uset，因此本周期pwm7不再开通，为了保证续流，pwm8开通，电路通过第八场效应管q8续流。在达到占空比90％处时，关断pwm8。

④第四个周期：s3处，电压反馈信号小于设定电压值，uout<uset，因此pwm7开通，到达s7处时，电压反馈信号大于或等于设定电压值，uout≥uset，关断pwm7，延时一段死区时间后，开通pwm8。最后到达占空比90％处时关闭pwm8。

⑤第五周期及之后重复循环执行上述①～④四个周期的控制逻辑。

本技术方案，已经开发出成熟产品，按照实施方式的描述，其他本领域的技术人员容易实现。以上所描述的实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。