基于三相耦合电感的无桥PFC电路的制作方法

基于三相耦合电感的无桥pfc电路
技术领域
[0001]
本发明涉及电路技术领域，特别是涉及一种基于三相耦合电感的无桥pfc电路。


背景技术：

[0002]
利用运载平台的动力驱动电机发电的轴带取力发电系统是军用、民用移动电源的发展方向，为了节省空间优先选择高功率密度的永磁发电机，永磁发电机输出电压频率和幅值随转速变化，为得到稳定输出电能，主要在输出端级联ac/ac或ac/dc变换器。
[0003]
随着轴带取力发电系统在军用移动电源已经逐步普及，中频三相功率因数校正装置研制十分必要。对于轴带取力发电，其发电机转速较高(n
max
≥6000转/分钟)，转速变比范围大(n
max
/n
min
≥4)，发电机输出电压的频率变比范围δf大(δf≥4)，目前已有的技术和装置不能满足要求。
[0004]
现有的工业应用的整流装置以三相二极管不控整流装置桥为主，适用于50hz(或者60hz)用电领域研究应用，而中频(典型为400hz)电源的应用范围受限，三相功率因数校正鲜有研究。并且，由于中频电源的电源频率较高，当前主流的商用数字控制芯片很难满足锁相和调制要求，因此现有的整流装置难以实现相位跟踪和高频调制。


技术实现要素：

[0005]
鉴于上述状况，有必要提供一种基于三相耦合电感的无桥pfc电路，以实现中频电源的整流和功率因数校正。
[0006]
本发明技术方案提供了一种基于三相耦合电感的无桥pfc电路，包括：
[0007]
三相耦合集成电感模块，包括三个并联的电感模块，三个所述电感模块的输入端连接三相输入电源；
[0008]
三相整流桥模块，包括三个并联的整流桥电路，每个所述整流桥电路包括串联的二极管和开关模块，所述三相耦合集成电感模块的三个输出端分别连接在所述整流桥电路的中点；
[0009]
信号控制模块，所述信号控制模块的输出端与所述整流桥电路的开关模块连接，所述信号控制模块用于生成和输出三路脉冲信号，且所述信号控制模块输出的三路信号分别用于控制三个所述整流桥电路的开关模块的通断。
[0010]
进一步的，上述无桥pfc电路，其中，所述开关模块采用功率开关管。
[0011]
进一步的，上述无桥pfc电路，其中，每个所述整流桥电路中，所述开关功率管的门极与所述信号控制模块的输出端连接，所述开关功率管的集电极或栅极与所述二极管的正极连接，且，各个所述二极管的负极并联后输出端为正极，各个所述开关功率管的发射极或漏极并联后输出端为负极。
[0012]
进一步的，上述无桥pfc电路，其中，所述开关模块为mos管、igbt或sic中的任意一种。
[0013]
进一步的，上述无桥pfc电路，其中，三个所述电感模块的耦合系数
[0014]
进一步的，上述无桥pfc电路，其中，三个所述电感模块的电感满足条件：
[0015]
l
a
＝l
b
＝l
c
＝l；
[0016]
三个所述电感模块的互感满足条件：
[0017]
m
ab
＝m
ba
＝m
ac
＝m
ca
＝m
bc
＝m
cb
＝m<0；
[0018]
其中，l
a
、l
b
和l
c
分别为三个电感模块a，b和c的电感。
[0019]
进一步的，上述无桥pfc电路，其中，所述信号控制模块包括串联连接的稳压调节模块、脉冲信号发生器和驱动模块，所述稳压调节模块包括电压处理模块和控制调节器，所述电压处理模块用于接收辅助电源的分压和反馈电压，并将所述分压和所述反馈电压的差值发送至所述控制调节器中，所述驱动模块包括三个并联的驱动电路，所述脉冲信号发生器用于生成脉冲信号，并分别发送至三个所述驱动电路中，三个所述驱动电路的输出端分别与三个所述整流桥电路的开关模块连接。
[0020]
进一步的，上述无桥pfc电路，其中，所述脉冲发生器为pwm信号发生器或pfm信号发生器。
[0021]
进一步的，上述无桥pfc电路，还包括滤波模块，所述滤波模块的两端分别与所述三相整流桥模块的正负极相连。
[0022]
进一步的，上述无桥pfc电路，其中，所述滤波模块包括一滤波电容。
[0023]
相对现有技术，本发明具有如下特色创新和有益效果：
[0024]
(1)本发明不需检测输入频率、相位和相位跟踪的技术方案，具有控制简单，易于实现等优点；
[0025]
(2)为了实现高功率因数，在设计和控制上，可以采用pwm调制方式或pfm调制方式，在pwm调制方式下可实现输入电感电流工作在断续模式(dcm)；在pfm调制方式可以实现输入电感电流工作在临界+断续模式(bcm+dcm)，两种模式下均可降低功率开关器件的电流应力；
[0026]
(3)相对于分离式电感，三相耦合集成电感可以降低电感量，降低磁性的ap取值，减少了体积和电感分布。
附图说明
[0027]
图1为本发明实施例中的基于三相耦合电感的无桥pfc电路的拓扑结构；
[0028]
图2为本发明实施例中分布式三相集成耦合电感示意图；
[0029]
图3为本发明实施例中信号控制模块的结构示意图；
[0030]
图4为本发明实施例无桥pfc电路的工作时序图；
[0031]
图5a和5b分别为本发明实施例中电感的输入电压和电流仿真波形；
[0032]
图6a和6b分别为对比例1中电感的输入电压和电流仿真波形；
[0033]
图7a和7b分别为对比例2中电感的输入电压和电流仿真波形。
[0034]
主要元件符号说明
[0035]
具体实施方式
[0036]
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供该实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
[0037]
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
[0038]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0039]
请参阅图1，为发明第一实施例中的基于三相耦合电感的无桥pfc电路，包括三相耦合集成电感模块20、三相整流桥模块30和信号控制模块。该三相耦合集成电感模块连接在三相输入电源10和三相整流桥模块30之间。该信号控制模块与该三相整流桥模块30连接，该信号控制模块用于生成的脉冲信号输出至该三相整流桥模块30，以控制三相整流桥模块30的通断。
[0040]
具体的，该三相耦合集成电感模块20包括三个并联的电感模块，三个电感模块的输入端连接三相输入电源10。该三相输入电源10可来自发电机组输出，也可以是发电设备产生的三相交流电源。三个电感模块的输入端口分别与三相输入电源相连接，三个电感模块的输出端口分别与三相整流桥模块30的端点u，v，w连接。
[0041]
该电感模块为分布式耦合电感，采用9只分布式磁芯，分为3*3结构，采取多磁芯分布式平面结构，扩大磁芯散热面积，增大电感磁芯的取值，降低空间便于安装。该三个电感模块l
a
，l
b
和l
c
的磁芯排列与磁芯编号见图2，其中：
[0042]
l
a
绕组分别串绕在磁芯l
11
，l
21
，l
31
，l
11
，l
12
，l
13
上；
[0043]
l
b
绕组分别串绕在磁芯l
21
，l
22
，l
12
，l
22
，l
32
，l
23
上；
[0044]
l
c
绕组分别串绕在磁芯l
33
，l
31
，l
32
，l
13
，l
23
，l
33
上。
[0045]
该三个电感模块存在如下关系：
[0046]
l
a
＝l
b
＝l
c
＝l；m
ab
＝m
ba
＝m
ac
＝m
ca
＝m
bc
＝m
cb
＝m<0；
[0047]
其中，l为电感模块的自感值，m
ab
，m
ba
由两磁芯l
12
，l
21
上的两绕组耦合得到；m
ac
，m
ca
由两磁芯l
13
，l
31
上的两绕组耦合得到；m
bc
，m
cb
由两磁芯l
23
，l
32
上的两绕组耦合得到。
[0048]
即l
a
与l
b
之间的互感为m
ab
＝m
ba
；同样，l
b
与l
c
，l
c
与l
a
均存在互感：m
bc
＝m
cb
，m
ac
＝m
ca
，且m
ab
＝m
ba
＝m
ac
＝m
ca
＝m
bc
＝m
cb
＝m，在设计上要求：l
a
，l
b
，l
c
之间的耦合为负向(反向)耦合，即要求m<0或者要求耦合系数：(i＝a,b,c；j＝a,b,c且i≠j)。
[0049]
依据理论分析，三相耦合电感最大稳态电感为：
[0050]
l
ss
＝(1+2k)l
i
；
[0051]
式中，l
ss
为稳态电感，也是设计上的分离电感的电感值，l
i
为耦合电感的自感值，k为耦合系数。
[0052]
若k＝1/4时，可得：
[0053][0054]
假设在磁耦合和非耦合方式下，电流纹波均为δi＝20％i
m
，耦合集成条件下的电感磁芯的ap0值：
[0055][0056]
分离元件的ap值的2/3，即：
[0057][0058]
同样可以分析三相电感的动态电感为：
[0059]
l
st
＝l
i
(1-3k)；
[0060]
当k＝1/4时，
[0061][0062]
根据上述分析可知，相对于分离式电感，本实施例中的三相耦合集成电感可以降低电感量，降低磁性的ap取值，且优化了系统的动态特性。
[0063]
该三相整流桥模块30包括三个并联的整流桥电路，每个整流桥电路包括串联的二极管和开关模块。具体的，该二极管为高频二极管，例如可以为超快速、快恢复、sic等功率二极管，也可以采用igbt等器件的体二极管。该开关模块采用功率开关管，例如本实施例中采用mos管。其中，该二极管d
a
的正极与mos管t
a
的源极相连接形成桥的输入端点u，二极管d
b
与mos管t
b
的源极相连接形成桥的输入端点v，二极管d
c
与mos管t
c
的源极相连接形成桥的输入端点w。三个二极管d
a
、d
b
、d
c
的负极并联后输出端为正极，三个mos管，t
a
，t
b
和t
c
的漏极并联后输出端为负极。
[0064]
可以理解的，在本发明的其他实施例中该开关模块可采用igbt(绝缘栅双极型晶体管)、sic等功率器件。
[0065]
如图3所示，该信号控制模块包括串联连接的稳压调节模块50、脉冲信号发生器60
和驱动模块70。该驱动模块70包括三个并联的驱动电路，该脉冲信号发生器用于生成脉冲信号，并分别发送至三个驱动电路中，三个驱动电路的输出端分别与三个整流桥电路中mos管的栅极连接。
[0066]
该稳压调节模块50包括电压处理模块和控制调节器，该电压处理模块用于接收辅助电源的分压和反馈电压，并将该分压和反馈电压的差值发送至控制调节器v
cr
中。辅助电源v
c
分压产生的与反馈电压形相减后，将相减的电压差值送入控制调节器v
cr
中。控制调节器v
cr
输出量送入脉冲信号发生器。
[0067]
其中，该脉冲信号发生器60可采用pwm发生器或pfm发生器。该脉冲信号发生器60采用专用脉宽或频率调制芯片，其控制电路不需要输入电压的幅值和频率信号，它只对输出直流信号实现稳压控制。
[0068]
该驱动电路可以采用脉冲变压器隔离放大驱动功率开关器件，或者采用光耦隔离放大驱动功率开关器件，且由于功率开关管共地结构，最多只需要一级辅助电源。
[0069]
脉冲信号发生器60输出的脉冲信号分为三路分别送给三路驱动电路，该三路驱动电路的输出端分别与mos管t
a
，mos管t
b
和mos管t
c
的栅极(门极)相连接。脉冲信号经驱动电路放大后输入至三个mos管中，以驱动该三个mos管的导通与关断。
[0070]
进一步的，无桥pfc电路还包括滤波模块40，该滤波模块40的两端分别与三相整流桥模块30的正负极相连。该滤波模块40包括一滤波电容，该滤波电容两极分别与整流桥的正负极相连接输出直流电压。
[0071]
如图4所示，以a相正半周的(t
1 t2)时段为例进行说明，该无桥pfc电路工作流程如下：
[0072]
假设：电感电流工作在电感电流断续模式(dcm模式)，t1时刻初始时刻，i
a
(t1)＝i
b
(t1)＝i
c
(t1)＝0；
[0073]
t1时刻后，mos管t
a
，t
b
，t
c
同时导通，由于u
a
>0，u
b
<0，u
c
>0，a相电流i
a
(t)和b相电流i
b
(t)通过回路n v
a l
a t
a t
b
体二极管l
b v
b n给l
a
和l
b
充电，c相电流i
c
(t)和b相电流i
b
(t)通过n v
c l
c t
c t
b
体二极管l
b v
b n给l
c
和l
b
充电，此时i
a
(t)>0，i
b
(t)<0,i
c
(t)>0；也就说明此时，i
a
(t)，i
b
(t)，i
c
(t)与v
a
(t)，v
b
(t)，v
c
(t)相位分别对应上，即实现了相位跟踪。
[0074]
t
12
时刻，mos管t
a
，t
b
，t
c
关断，由于电感电流不能够突变，所以此时i
a
(t)，i
b
(t)和i
c
(t)电流方向保持不变，i
a
(t)和i
b
(t)通过回路n v
a l
a d
a
负载t
b
体二极管l
b v
b n续流，i
c
(t)和i
b
(t)通过回路n v
c l
c d
c
负载t
b
体二极管l
b v
b n续流，i
a
(t)，i
b
(t)，i
c
(t)电流降低，但电流方向没有改变，此时也就实现了相位跟踪。t
13
时刻之前，i
a
(t)，i
b
(t)，i
c
(t)均降为零，为下一个开关周期相位跟踪创造条件。
[0075]
(2)当电感电流工作在电感电流断续模式(dcm模式)时，输入滤波电流与输入电压相位保持一致，实现了输入端高功率因数。
[0076]
(3)在电感设计上确保输入电流工作在dcm模式，不需要检测输入电压相位和频率，能实现相位的跟踪避免了频率跟踪变化范围大和中频锁相跟踪的技术难题。
[0077]
为了更进一步说明本发明的工作原理与效果，对该电路进行了仿真，仿真参数如下：
[0078]
输入电压：有效值为115v/400hz的三相交流电；
[0079]
输出功率：18kw；
[0080]
输出电压：650v；
[0081]
输出滤波电容：200μf。
[0082]
如图5a和5b所示，为本发明实施例中的无桥pfc仿真波形，其中l
a
＝l
b
＝l
c
＝l＝56μh，|m|＝19μh，|k|＝19/56≈0.34。图5a为相电流波形，5b为其对应相电压波形，其功率因数为0.92，峰值电流i
m
＝75a，其单相电感磁性的a
p
值为：
[0083]
对比例1
[0084]
采用传统的二极管组成的三相不控整流桥仿真波形如图6a和6b所示，6a为相电流波形，6b为其对应相电压波形，其电流为脉冲波，且pf＝0.60.7。在其，采取传统的三只分离式电感，取l
a
＝l
b
＝l
c
＝150μh，开关频率f
s
＝50khz，可以得到其输入电流和电压仿真波形，其功率因素pf≈0.92，其峰值电流i
m
＝75a，通过计算和查表可知其磁芯的a
p
值大约为146.7cm4。
[0085]
对比例2
[0086]
采取本发明实施例中的电路拓扑结构(图1)得到的三相无桥pfc仿真波形如图7a和7b所示，其使用的电感为三只无耦合关系的分离电感，其中l
a
＝l
b
＝l
c
＝l＝150μh，m
ab
＝m
ba
＝m
ac
＝m
ca
＝m
bc
＝m
cb
＝0，功率器件工作频率f
s
＝50khz，图7a为相电流波形，图7b为其对应相电压波形，其功率因数为0.92，峰值电流i
m
＝75a，单相电感l
a
的磁芯面积乘积其中，b为铁硅铝磁芯工作磁通，取b＝0.3t，j为导线截面积载流密度，取j＝300a/cm2，k
u
为窗口利用系数，取k
u
＝0.4。
[0087]
根据仿真试验可知，在达到相同效果的情况下，本发明实施例中的集成耦合电感可以有效降低铁芯的体积、质量、提高装置的功率密度。
[0088]
相对现有技术，本发明具有如下特色创新和有益效果：
[0089]
(1)本发明不需检测输入频率、相位和相位跟踪的技术方案，具有控制简单，易于实现等优点；
[0090]
(2)为了实现高功率因数，在设计和控制上，可以采用pwm调制方式和pfm调制方式，在pwm调制方式下可实现输入电感电流工作在断续模式(dcm)；在pfm调制方式可以实现输入电感电流工作在临界+断续模式(bcm+dcm)，两种模式下均可降低功率开关器件的电流应力；
[0091]
(3)相对于分离式电感，三相耦合集成电感可以降低电感量，降低磁性的ap取值，减少了体积和电感分布。
[0092]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0093]
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。