CN101820216A - 交流升压功率因数校正电路 - Google Patents

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Abstract

本发明交流升压功率因数校正电路，包括：整流二极管(D1)、(D2)、(D3)、(D4)；功率管(M1)、(M2)；以及控制功率管的控制电路；在单相功率因数校正电路中，(D1)与(D3)之间设有电感(L1)，(D2)与(D4)之间设有电感(L2)；电感(L1)和(L2)互相耦合，绕制同一磁芯上；零线与功率管(M1)、(M2)的公共端相连；(C1)、(C2)的公共端连接在零线上。采用前述的单相功率因数校正电路，组成的一种三相功率交流升压功率因数校正电路。本电路不接零线也能正常工作，与一般的PFC电路相比，在功率通路上减少一个二极管，可以提高电路的效率，同时控制***可以采用任何一种功率因数校正的控制模式，电流采集传感器S1、S2可以依据控制模式的不同而改变位置。

Description

交流升压功率因数校正电路
技术领域
本发明是一种交流升压单相，三相功率因数校正电路，主要应用于功率因数校正，提高功率因数，以减少电源的谐波对电网的危害，属于电力电子技术领域。
背景技术
随着世界范围内的工业化进程加快，能源和环保得到越来越广泛的重视。解决能源问题除了能源合理开发、寻找新能源外，自身挖潜、提高能源的利用效率在各行业也提到了重要的地位。环境保护也不再限于废气、废渣、噪声的治理，电磁污染已经被确定为第五大污染源。
谐波污染和射频污染时典型的电磁污染。材料电加工是耗电量最大的行业，如各式各样的铸造、焊接、锻压、热处理和机械加工设备，都使用通过电能转化而来的热能或动能。材料加工设备的负载状况几乎全部都是非线性很强的，如高频感应加热、电弧加热、电子束加热、电解、电镀以及采用整流输入的电设备(如调压设备、变频调速和逆变电源等)。这些非线性负载使供电电网中含有大量的高次谐波，一方面使设备的功率因数大大降低，造成输电损耗和供电容量的极大浪费，另一方面严重污染电网，影响其他设备的正常运转，使计算机控制设备误动作，甚至会造成配电事故。谐波已经成为一种电力公害，解决的最有效方法是在设备的输入端接有谐波抑制装置。
功率因数校正通常是在桥式整流之后，增加一个Boost电路，如图1所示，通过功率元件的开关作用，使输入电流变成与电网电压几乎完全同相得正弦波，可以使电流畸变率降到5％以下，功率因数提高到0.99或更高。
其工作的基本原理：功率管S(由控制电路控制)导通时，输入电压Vin全部加在电感L上，随着输入电压Vin的上升，通过电感L的电流也随之上升；当功率管关断时，电感产生与输入电压同极性的感应电压VL。此时，功率管两端的电压为Vin+VL，该电压通过二极管D送到电容C。这样，输入电感L的平均电流就会跟踪正弦电压的变化，电流波形接近和电压同相位的正弦波，使功率因数接近于1。为实现谐波抑制功能，Boost PFC电路的输出电压U0必须大于整流器输出的峰值电压。
有源功率因数校正电路按应用对象的不同分为单相功率因数校正和三相功率因数校正，按电路的工作模式有分为电感电流连续模式(CCM)和电感电流断续模式(DCM)。国内外的电力电子学领域的专家对单相功率因数校正技术已经进行了深入的研究，并且发表了不少的文章，但大多数研究都是对控制电路及方法的研究，并没有改变传统的功率因数校正电路的主电路，使得在电源的利用率和大功率设备应用受到限制，所以必须研究新的功率因数校正电路拓扑，提高电路的效率。
发明内容
本发明的目的在于，通过提供交流升压功率因数校正电路，提高电路的效率，使得电源的利用率和大功率设备得到更加广泛的应用。
本发明是采用以下技术手段实现的：
交流升压功率因数校正电路，包括：二极管D1、D2、D3、D4；功率管M1、M2；以及控制功率管的控制电路；其特征在于：在单相功率因数校正电路中，D1与D3之间设有电感L1，D2与D4之间设有电感L2；所述的电感L1和L2互相耦合，绕制同一磁芯上；其中，V与D1的阳极和D2的阴极一端连接；D1的阴极与电感L1的一端串联；D2的阳极与电感L2的一端串联；两个带有反并联二极管的功率管M1和M2串联相接；L1的另一端与功率管M1的集电极和二极管D3的阳极一端连；L2的另一端与功率管M2的发射极和二极管D4的阴极一端连；电容C1和C2串联相接；C1两端并联电阻R1；C2两端并联电阻R2；D3的阴极与电容C1的正极和输出端DC+相连；D4的阳极与电容C2的负极和输出端DC-连；零线与功率管(M1)、(M2)的公共端相连；(C1)、(C2)的公共端连接在零线上。
将所述的L1和L2合并成一个电感L1，一端和V相连，另一端和二极管D1的阳极和二极管D2的阴极一端连；D1的阴极与功率管M1的集电极和二极管D3的阳极一端连；D2的阳极与功率管M2的发射极和二极管D4的阴极一端连接。
前述的功率开关元件M1和功率开关元件M2采用MOSFET或者IGBT，开关元件的频率为5KHz-100KHz；当采用MOSFET时，功率开关管的反并联二极管(DM1)、(DM2)可以用MOSFET的体二极管代替。
前述的电容C1、C2为20uF-3300uF。
前述的电阻R1、R2电阻值范围是2K-100K。
前述的电感L1、L2的电感量范围是0.05mH-2.00mH。
前述的二极管(D1)、(D2)、(D3)、(D4)采用具有快恢复特性的二极管。
本发明采用前述的单相功率因数校正电路，组成一种交流升压三相功率因数校正电路。包括：二极管D1、D2、D3、D4；功率管M1、M2；以及控制功率管的控制电路；采用对称的校正电路；D1与D3之间设有电感L1，D2与D4之间设有电感L2；电感L1和L2互相耦合，绕制同一磁芯上；其中，V与D1的阳极和D2的阴极一端连接；D1的阴极与电感L1的一端串联；D2的阳极与电感L2的一端串联；两个带有反并联二极管的功率管M1和M2串联相接；L1的另一端与功率管M1的集电极和二极管D3的阳极一端连；L2的另一端与功率管M2的发射极和二极管D4的阴极一端连；电容C1和C2串联相接；C1两端并联电阻R1；C2两端并联电阻R2；D3的阴极与电容C1的正极和输出端DC+相连；D4的阳极与电容C2的负极和输出端DC-相连；各相的零线与功率管M1、M2的公共端相连；各相的C1、C2的公共端共同连接在零线上。
前述的交流升压三相功率因数校正电路各相的L1和L2合并成一个电感L1，一端和V相连，另一端和二极管D1的阳极和二极管D2的阴极一端连；D1的阴极与功率管M1的集电极和二极管D3的阳极一端连；D2的阳极与功率管M2的发射极和二极管D4的阴极一端连接。
本发明交流升压功率因数校正电路，与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果：
本发明采用交流升压模式代替传统的直流升压，与一般的PFC电路相比，在功率通路上减少一个二极管，可以提高电路的效率，同时控制***可以采用任何一种功率因数校正的控制模式，电流采集传感器S1、S2可以依据控制模式的不同而改变位置。从电路的器件来看，本发明电路中的功率开关管M1和M2因为串联，可以很方便的做在一起成为一个元器件，电感L1和L2因为耦合也可以很方便的做在一起成为一个元器件，与传统的单相Boost PFC电路相比，本发明电路器件只多了一个输出电容，电路简单；从控制方式来看，本发明电路，我们只要控制当其中一个功率开关管工作时，使另一个开关管关断，而这是很容易实现的，可以采用任何一种成熟的单相功率因数校正的控制方式，如平均电流型控制。
由于其三相功率因数校正电路，因为是将上面所述的三个交流升压单相的功率因数校正电路以星形接法接在三相四线制的电网上，每一相都接一个上面所述的交流升压单相功率因数校正电路，每个模块都独立工作。
附图说明
图1为传统的单相Boost PFC电路原理图；
图2为带有两个电感的交流升压单相功率因数校正电路原理结构图；
图3为一个电感的交流升压单相功率因数校正电路原理结构图；
图4为具有六个电感的交流升压三相功率因数校正电路原理结构图；
图5为具有三个电感的交流升压三相功率因数校正电路原理结构图；
图6为本发明设计的交流升压单相功率因数校正电路应用原理图；
图7为本发明设计的交流升压三相功率因数校正电路应用原理图；
图8为采用本发明设计的单相弧焊逆变电源原理图；
图9为采用本发明设计的三相弧焊逆变电源原理图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明的具体实施例加以说明：
请参阅图2所示，本发明的一种交流升压单相功率因数校正电路。V与D1的阳极和D2的阴极一端连；D1的阴极与电感L1的一端串联；D2的阳极与电感L2的一端串联；两个带有反并联二极管的功率管M1和M2串联相接；L1的另一端与功率管M1的集电极和二极管D3的阳极一端连；L2的另一端与功率管M2的发射极和二极管D4的阴极一端连；电感L1和L2互相耦合，绕制同一磁芯上；电容C1和C2串联相接；C1两端并联电阻R1；C2两端并联电阻R2；D3的阴极与电容C1的正极和输出端DC+相连；D4的阳极与电容C2的负极和输出端DC-连；零线与功率管M1、M2的公共端相连。C1、C2的公共端建议连在零线上，也可以不连。
请参阅图3所示，其中电路可以有另一种接法，可以把L1和L2合并成一个电感L1，一端和V相连，另一端和二极管D1的阳极和二极管D2的阴极一端连；D1的阴极与功率管M1的集电极和二极管D3的阳极一端连；D2的阳极与功率管M2的发射极和二极管D4的阴极一端连；其它的接法与上面所述一样。
图4为采用六个电感的交流升压三相功率因数校正电路原理结构图，图5为采用具有三个电感的交流升压三相功率因数校正电路原理结构图。
将上面所述的三个交流升压单相的功率因数校正电路以星形接法接在三相四线制的电网上，每一相都接一个上面所述的交流升压单相功率因数校正电路模块，但其中三个交流升压单相的功率因数校正电路的输出端接在一起，再接滤波电容C1、C2和并联在他们两端的电阻R1、R2。每个模块的功率管M1、M2的公共端、滤波电容C1、C2的公共端和零线建议接在一起，也可部分连接在一起甚至全都互不连接，也就是本电路不接零线也能正常工作，电路原理图如图4所示。同理它也有另一种接法。本发明采用交流升压模式代替传统的直流升压，与一般的PFC电路相比，在功率通路上减少一个二极管，可以提高电路的效率，同时控制***可以采用任何一种功率因数校正的控制模式，电流采集传感器S1、S2可以依据控制模式的不同而改变位置。
一种交流升压单相功率因数校正电路，功率开关元件M1和功率开关元件M2采用MOSFET或者IGBT，采用MOSFET时，功率开关的反并联二极管DM1、DM2可以用MOSFET的体二极管代替。开关频率可在5KHz到100KHz范围内。
所述的电容C1、C2容量范围是20uF-3300uF，电阻R1、R2电阻值范围是2K-100K，其作用是使电容C1、C2两端电压相等，电感L1、L2的电感量范围是0.05mH-2.00mH，依据开关频率的大小和电路的输出功率确定。
所述的二极管D1、D2、D3、D4采用具有快恢复特性的二极管。
本发明电路的基本工作原理是：当V为正时，功率管M1工作M2不工作，由D1、L1、M1、D3、C1组成一单相Boost PFC电路；当V为负时，功率管M2工作M1不工作，由D2、L2、M2、D4、C2组成一单相Boost PFC电路，而传统的单相功率因数校正电路如图1所示，当Vin为正时D2、D4、L、S、D、C组成单相Boost PFC电路，当Vin为负时D1、D4、L、S、D、C组成一单相Boost PFC电路，可见本发明电路在在功率通路上比传统的单相Boost PFC减少一个二极管，可以提高电路的效率。
从电路的器件来看，本发明电路中的功率开关管M1和M2因为串联，可以很方便的做在一起成为一个元器件，电感L1和L2因为耦合也可以很方便的做在一起成为一个元器件，与传统的单相Boost PFC电路相比，本发明电路器件只多了一个输出电容，电路简单；从控制方式来看，本发明电路，我们只要控制当其中一个功率开关管工作时，使另一个开关管关断，而这是很容易实现的，就可以采用任何一种成熟的单相功率因数校正的控制方式，如平均电流型控制。
一种交流升压三相功率因数校正电路，因为它是将上面所述的三个交流升压单相的功率因数校正电路以星形接法接在三相四线制的电网上，每一相都接一个上面所述的交流升压单相功率因数校正电路，每个模块都独立工作，所以其分析跟上面所述的交流升压单相功率因数校正电路一样，这里就不再重述。
交流升压单相功率因数校正电路的两种不同接法，当电路采用两个电感时，如图2所示，它的基本思路是：当V为正时，开关管M1开通时，通过电源，电感L1，二极管D1，开关管M1形成一个回路，开关管M1关断时，电感L1储存的能量通过二极管D3给电容C1充电，当V为负时，开关管M2开通时，通过电源，电感L2，二极管D2，开关管M2形成一个回路，开关管M2关断时，电感L2储存的能量通过二极管D4给电容C2充电。
当电路采用一个电感时，如图3所示，它的基本思路是：当V为正时，开关管M1开通时，通过电源，电感L1，二极管D1，开关管M1形成一个回路，开关管M1关断时，电感L1储存的能量通过二极管D1，D3给电容C1充电，当V为负时，开关管M2开通时，通过电源，电感L1，二极管D2，开关管M2形成一个回路，开关管M2关断时，电感L1储存的能量通过二极管D2，D4给电容C2充电，可见在开关管关断时，它要比有两个电感的电路多一个二极管工作，电路效率要低。
这两种电路各有优缺点：当采用一个电感时，器件要少，但效率要低，采用两个电感时，器件要多，但电路效率更高，在电路应用时，可以根据需要采用其中的一种接法。交流升压三相功率因数校正电路，根据单相功率因数校正电路的不同接法，它相对应也有两种不同的接法。
图4为采用六个电感的交流升压三相功率因数校正电路原理结构图，图5为采用具有三个电感的交流升压三相功率因数校正电路原理结构图，分析跟上面所述一样，这里就不再重述。
采用本发明的设计可以代替传统的功率因数校正电路，按上面所述的选取电容C1、C2容量范围20uF-3300uF，电阻R1、R2电阻值范围2K-100K，电感L1、L2的电感量范围0.05mH-2.00mH，功率开关管M1、M2采用MOSFET或者IGBT，开关频率可在5KHz到100KHz范围内，加上EMI模块，放在电源的输入端，控制电源相对于电网的负载特性，提高功率因数校正，以减少电源的谐波对电网的危害，并使供电***的容量得到充分的利用，使电源的效率得到进一步提高，根据需求可以适用不同的负载，图6是在电源输入端加入EMI滤波模块根据本发明设计在单相电路中的应用原理图，图7是在电源输入端加入EMI滤波模块根据本发明设计在三相电路中的应用原理图，主要分为两部分：一是谐波抑制器，也可以称做电压预调节器或功率因数校正极，它由EMI滤波模块和本发明设计的交流升压功率因数校正电路组成，二是根据需求接的不同负载。
图8是根据本发明设计的应用与弧焊逆变电源的单相弧焊逆变电源原理图，图9是根据本发明设计的应用与弧焊逆变电源的三相弧焊逆变电源原理图，从总体上来看包括两个部分：一是谐波抑制器，也可以称做电压预调节器或功率因数校正极，它由EMI滤波模块和本发明设计的交流升压功率因数校正电路组成，二是功率变换器，也就是传统的弧焊逆变电源去掉输入整流滤波部分。这两部分各自是一个独立的***，功率因数校正电路是用来提高功率因数，减少电源对电网的危害，而功率变换器是将电网的能量变换负载所需要的形式，对弧焊逆变电源来说就是低的电压、大的电流。

Claims (9)

1.交流升压功率因数校正电路，包括：二极管(D1)、(D2)、(D3)、(D4)；功率管(M1)、(M2)；以及控制功率管的控制电路；其特征在于：在单相功率因数校正电路中，(D1)与(D3)之间设有电感(L1)，(D2)与(D4)之间设有电感(L2)；所述的电感(L1)和(L2)互相耦合，绕制同一磁芯上；其中，(V)与(D1)的阳极和(D2)的阴极一端连接；(D1)的阴极与电感(L1)的一端串联；(D2)的阳极与电感(L2)的一端串联；两个带有反并联二极管的功率管(M1)和(M2)串联相接；(L1)的另一端与功率管(M1)的集电极和二极管(D3)的阳极一端连；(L2)的另一端与功率管(M2)的发射极和二极管(D4)的阴极一端连；电容(C1)和(C2)串联相接；(C1)两端并联电阻(R1)；(C2)两端并联电阻(R2)；(D3)的阴极与电容(C1)的正极和输出端DC+相连；(D4)的阳极与电容(C2)的负极和输出端DC-连；零线与功率管(M1)、(M2)的公共端相连；(C1)、(C2)的公共端连接在零线上。
2.根据权利要求1所述的交流升压功率因数校正电路，其特征在于：将所述的(L1)和(L2)合并成一个电感(L1)，一端和V相连，另一端和二极管(D1)的阳极和二极管(D2)的阴极一端连；(D1)的阴极与功率管(M1)的集电极和二极管(D3)的阳极一端连；(D2)的阳极与功率管(M2)的发射极和二极管(D4)的阴极一端连接。
3.根据权利要求1所述的交流升压功率因数校正电路，其特征在于：所述功率开关元件(M1)和功率开关元件(M2)采用MOSFET或者IGBT，开关元件的频率为5KHz-100KHz；当采用MOSFET时，功率开关管的反并联二极管(DM1)、(DM2)可以用MOSFET的体二极管代替。
4.根据权利要求1所述的交流升压功率因数校正电路，其特征在于：所述的二极管(D1)、(D2)、(D3)、(D4)采用具有快恢复特性的二极管。
5.根据权利要求1所述的交流升压功率因数校正电路，其特征在于：所述的电容(C1)、(C2)为20uF-3300uF。
6.根据权利要求1所述的交流升压功率因数校正电路，其特征在于：所述的电阻(R1)、(R2)电阻值范围是2K-100K。
7.根据权利要求1所述的交流升压功率因数校正电路，其特征在于：所述的电感(L1)、(L2)的电感量范围是0.05mH-2.00mH。
8.一种交流升压三相功率因数校正电路，包括：二极管(D1)、(D2)、(D3)、(D4)；功率管(M1)、(M2)；以及控制功率管的控制电路；其特征在于：(D1)与(D3)之间设有电感(L1)，(D2)与(D4)之间设有电感(L2)；所述的电感(L1)和(L2)互相耦合，绕制同一磁芯上；其中，(V)与(D1)的阳极和(D2)的阴极一端连接；(D1)的阴极与电感(L1)的一端串联；(D2)的阳极与电感(L2)的一端串联；两个带有反并联二极管的功率管(M1)和(M2)串联相接；(L1)的另一端与功率管(M1)的集电极和二极管(D3)的阳极一端连；(L2)的另一端与功率管(M2)的发射极和二极管(D4)的阴极一端连；电容(C1)和(C2)串联相接；(C1)两端并联电阻(R1)；(C2)两端并联电阻(R2)；(D3)的阴极与电容(C1)的正极和输出端DC+相连；(D4)的阳极与电容(C2)的负极和输出端DC-相连；各相的零线与功率管(M1)、(M2)的公共端相连；各相的(C1)、(C2)的公共端共同连接在零线上。
9.根据权利要求8所述的交流升压三相功率因数校正电路，其特征在于：所述的各相的(L1)和(L2)合并成一个电感(L1)，一端和(V)相连，另一端和二极管(D1)的阳极和二极管(D2)的阴极一端连；(D1)的阴极与功率管(M1)的集电极和二极管(D3)的阳极一端连；(D2)的阳极与功率管(M2)的发射极和二极管(D4)的阴极一端连接。
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