一种双升压型级联功率因数校正电路及控制方法

1.本发明属于电力电子技术领域，涉及基于级联型多电平开关变换技术，具体涉及一种双升压型级联功率因数校正电路及控制方法。


背景技术：

2.传统两电平功率因数校正电路的开关器件电压应力大、电感伏秒大，导致功率密度和效率受限。为了进一步提高功率因数校正电路的功率密度和效率，可以采用多电平技术减小器件承受的电压应力和降低电感伏秒积。
3.通过多电平技术，不仅能有效降低电感两端的电压幅值，还能达到开关频率翻倍的效果，从而大幅降低了电感的伏秒积。目前，基于级联型多电平和飞跨电容型多电平技术的无桥功率因数校正电路已经可以实现峰值效率大于99％。尽管如此，上述方法仍存在共模干扰严重等问题。这些问题会干扰其他用电设备的正常工作，对自身电路系统的稳定性造成了破坏。与此同时，由电压型桥臂组合的变换器还存在直通的风险，必须通过增设死区来防止直通的发生，但这也降低了输入电流的波形质量。因此，在解决多电平共模问题的基础上，提出能够防止桥臂直通的功率因数校正装置对提高其可靠性具有重要的现实意义。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提出了一种双升压型级联功率因数校正电路及控制方法，在解决三电平级联无桥功率因数校正的共模问题的基础上，通过采用双boost桥臂，来防止直通，增加系统可靠性。
5.一种双升压型级联功率因数校正电路，包括组成两条支路的6个桥臂、并联在两条支路之间的1个耦合电感，和2个滤波电容、2个负载电阻。
6.每条工频桥臂均有两个开关管，每条boost桥臂含有一个开关管和二极管，boost桥臂的组成形式为上开关管的源极与下二极管的阴极相连或上二极管的阳极与下开关管的漏极相连。
7.交流电源的正、负极性端分别与第一工频桥臂、第二工频桥臂的上开关管的源极连接。耦合电感左端并联在第一boost桥臂上开关管的源极和第二boost桥臂上二极管的阳极之间。耦合电感右端在第三boost桥臂上二极管的阳极和第四boost桥臂上开关管的源极之间。
8.滤波电容1的两端分别与上支路中的boost桥臂3上二极管阴极与下开关管源极连接，滤波电容2的两端分别与下支路中的boost桥臂4上开关管漏极与下二极管阳极连接，两个负载电阻分别并联在滤波电容1、2两端。
9.需要说明的是，本发明中所描述的上开关管、上二极管、下开关管和下二极管是如图中所示位置上的上下，便于区分不同开关管和二极管的连接关系。
10.其中，工频桥臂的开关管可选用si mosfet管，boost桥臂的开关管选用sic mosfet管或gan管，二极管选用sic二极管。
11.本发明还提供了一种双升压型级联功率因数校正电路的控制方法，具体包括以下步骤：
12.步骤1、采集级联无桥双boost型功率因数校正装置中，流经耦合电感的电流il1、电流il2，两个滤波电容两端的电压值vc1、vc2，和交流电源的瞬时电压值vac。
13.步骤2、将交流电源的瞬时电压值vac与零值比较，产生第一、第二工频桥臂的开关管控制信号v
control
：
[0014][0015]
步骤3、将电压值vc1、vc2相加后，再与第一参考电压v0相减，然后将计算结果通过pi调节器，再与交流电源的瞬时相位ph相乘后，得到电感电流参考信号。
[0016]
步骤4、将步骤3得到的参考电感电流信号，通过正向幅值限幅后与电流il1相减，然后将计算结果通过pi调节器，再分别与第一载波、第二载波进行比较，得到第一boost桥臂和第二boost桥臂的开关管控制信号。
[0017]
步骤5、将步骤3得到的参考电感电流信号，通过负向幅值限幅后与电流il2相减，然后将计算结果通过pi调节器，再分别与第三载波、第四载波进行比较，得到第三boost桥臂和第四boost桥臂的开关管控制信号。
[0018]
所述第一载波到第四载波为峰值相等的三角波或锯齿波，第一载波和第三载波同相位，第二载波和第四载波同相位，第一、三载波与第二、四载波的相位相差180
°
。
[0019]
本发明具有以下有益效果：
[0020]
1、设置交流电源两端分别与两个工频桥臂的中点连接，这种结构消除了级联无桥功率因数校正电路的共模噪声，有助于减小共模滤波器的体积。
[0021]
2、级联boost桥臂采用载波移相的控制方式，可以降低电感的伏秒积，减小电感电流纹波，降低输入电流的thd并提高了电路的pf值。
附图说明
[0022]
图1为一种双升压型级联功率因数校正电路及控制方法示意图。
[0023]
图2为载波移相控制下的电感电流il1波形。
[0024]
图3为载波移相控制下的电感电流il2波形。
[0025]
图4为输出电容电压vc1波形。
[0026]
图5为输出电容电压vc2波形。
具体实施方式
[0027]
以下结合附图对本发明作进一步的解释说明；
[0028]
本发明提供了一种双升压型级联功率因数校正电路，如图1所示，包括组成两条支路的6个桥臂、一个耦合电感、2个滤波电容和2个负载电阻。
[0029]
其中，第一工频桥臂包括开关管s1、s2，第一boost桥臂包括开关管s3、二极管d1，第三boost桥臂包括开关管s4、二极管d2，第二工频桥臂包括开关管s5、s6，第二boost桥臂包括开关管s7、二极管d3，第四boost桥臂包括开关管s8、二极管d4。开关管s1、s3的漏极和
二极管d2的阴极相连，开关管s1、s3的源极分别与开关管s2的漏极、二极管d1的阴极相连，二极管d2的阳极和s4的漏极相连；开关管s2、s4的源极和二极管d1的阳极相连。开关管s5、s8的漏极与二极管d3阴极相连，开关管s5、s8的源极分别与开关管s6的漏极、二极管d4阴极相连，二极管d3的阳极和s7的漏极相连；开关管s6、s7的源极和二极管d4阳极相连。
[0030]
开关管s1、s5的源极分别与交流电源的正、负极性端相连。开关管s3的源极和二极管d3的阳极分别与耦合电感的左侧两端相连。开关管s8的源极和二极管d2的阳极分别与耦合电感的右侧两端相连.
[0031]
第一滤波电容c1与第一电阻r1的一端与开关管s1、s3的漏极和二极管d2的阴极相连，另一端与开关管s2、s4的源极和二极管d1的阴极相连。第二滤波电容c2与第二电阻r2的一端与开关管s5、s8的漏极与二极管d3阴极相连，另一端与开关管s6、s7的源极和二极管d4阳极相连。
[0032]
本发明还提供了一种双升压型级联功率因数校正电路的控制方法，具体包括以下步骤：
[0033]
步骤1、采集流经耦合电感的电流il1、il2，两个滤波电容两端的电压值vc1、vc2，和交流电源的瞬时电压值vac。
[0034]
步骤2、将交流电源的瞬时电压值vac与零值比较，产生第一、第二工频桥臂的开关管控制信号v
control
：
[0035][0036]
步骤3、将电压值vc1、vc2相加后，再与第一参考电压v0相减，然后将计算结果通过pi调节器，再与交流电源的瞬时相位ph相乘后，得到电感电流参考信号。
[0037]
步骤4、将步骤3得到的电感电流参考信号，通过正向幅值限幅后与电流il1相减，然后将计算结果通过pi调节器，再分别与第一载波、第二载波进行比较，得到第一boost桥臂和第二boost桥臂的开关管控制信号。
[0038]
步骤5、将步骤3得到的参考电感电流信号，通过负向幅值限幅后与电流il2相减，然后将计算结果通过pi调节器，再分别与第三载波、第四载波进行比较，得到第三boost桥臂和第四boost桥臂的开关管控制信号。
[0039]
实施例1
[0040]
结合上述技术方案，本实施例给出以下具体的案例。
[0041]
本实施例中，采用载波移相控制，所述第一载波到第四载波均为幅值为1的三角波，即第一载波、第二载波、第三载波、第四载波的相位分别为0
°
、180
°
、0
°
、180
°
。
[0042]
在交流电源的正半周时，开关管s1与开关管s6一直导通，开关管s2与开关管s5一直断开，boost桥臂1和boost桥臂2在交流电源处于正半周时工作产生电流il1，而boost桥臂3和boost桥臂4不工作，电流不流经耦合电感右侧，不产生电流il2。
[0043]
当开关管s3、s7都断开时，交流电源通过二极管d1、d3、滤波电容c1、c2、负载电阻r1、r2，形成回路并对耦合电感右侧进行放电，流经耦合电感左侧的电流il1以一定斜率下降，对滤波电容c1、c2进行充电。
[0044]
当开关管s3导通，开关管s7断开时，耦合电感左侧电流流经二极管d3、第二滤波电
容c2、负载电阻r2与交流电源形成的回路进行放电，流经耦合电感左侧的电流il1以一定斜率下降，负载r1由滤波电容c1进行供电。
[0045]
当开关管s7导通，开关管s3断开时，耦合电感左侧电流流经二极管d1、第一滤波电容c1、负载电阻r1与交流电源形成的回路进行充电，流经耦合电感左侧的电流il1以一定斜率上升，负载r2由滤波电容c2进行供电。
[0046]
当开关管s3、s7都导通时，耦合电感左侧与交流电源形成回路对电感进行充电，流经耦合电感左侧的电流il1以一定斜率上升，负载r1由滤波电容c1进行供电，负载r2由滤波电容c2进行供电。
[0047]
类似地，在交流电源的负半周时，开关管s2与开关管s5一直导通，开关管s1与开关管s6一直断开，boost桥臂3和boost桥臂4在交流电源处于负半周时工作产生电流il2，而boost桥臂1和boost桥臂2不工作，电流不流经耦合电感左侧，不产生电流il1。