CN102684472A - 一种三相功率因数校正电路装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种三相功率因数校正电路装置，包括三个输入整流器，每个所述输入整流器连接一个双Boost电路，三个所述双Boost电路并联且连接输出正BUS电容以及输出负BUS电容，所述输入整流器用于连接三相输入，所述三相输入中的每相连接两个所述输入整流器。本发明实施例的三相功率因数校正电路装置，在没有增加整个***功率密度、复杂性的前提下，实现交错并联的效果。

Description

一种三相功率因数校正电路装置

技术领域

本发明实施例涉及通信技术领域，尤其涉及一种三相功率因数校正(PFC，PowerFactor Correction)电路装置。

背景技术

通信***、信息设备对电源的要求越来越高，需要达到高效率、高功率密度、高可靠性。电源作为***功率变换的关键部分，一般采用分布式供电结构，从功能上可分为交流/直流变换器(AC/DC)、及不间断电源(UPS，Uninterruptible Power System)。其中，交流/直流变换器也称为一次电源，UPS主要为后级AC/DC提供高可靠性、高纯净度的交流供电。

一次电源AC/DC、及UPS一般采用两级功率变换结构，其中第一级是功率因数校正(PFC，Power Factor Correction)电路；后级分别为隔离DC/DC变换器、及正弦波逆变器。由于简单升压(Boost)电路具有较高效率、及高可靠性的优点，第一级功率因数校正电路一般由Boost电路实现，达到功率因数校正功能，使输入交流谐波电流分量低于各种标准的规定值。一般单相PFC电路在5kW(千瓦)左右负载时性价比较高，为了实现更高的输出功率，一般采用三相PFC电路，并且可以在三相PFC电路中实现两相交错并联。

通常，在现有三相PFC电路中增加另外一整套功率、驱动、控制电路来实现交错并联功能。但是整个***将变得非常复杂，及增加了Boost电路的印刷电路板(PCB，Printed Circuit Board)布线难度，同时也在一定程度上降低了Boost电路的功率密度。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种三相功率因数校正电路装置，便捷的实现交错并联功能。

本发明实施例的目的是通过以下技术方案实现的：

一种三相功率因数校正电路装置，包括三个输入整流器，每个所述输入整流器连接一个双Boost电路，三个所述双Boost电路并联且连接输出正BUS电容以及输出负BUS电容，所述输入整流器用于连接三相输入，所述三相输入中的每相连接两个所述输入整流器。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，通过三个输入整流器，每个所述输入整流器连接一个双Boost电路，三个所述双Boost电路并联且连接输出正BUS电容以及输出负BUS电容，所述输入整流器用于连接三相输入，所述三相输入中的每相连接两个所述输入整流器。在没有增加整个***功率密度、复杂性的前提下，实现Boost电路并联的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的三相功率因数校正电路装置的构成示意图。

图2为本发明实施例提供的三相功率因数校正电路装置的电路示意图。

图3为本发明实施例提供的三相功率因数校正电路装置的波形示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明实施例提供一种三相功率因数校正电路装置，包括三个输入整流器(输入整流器11、输入整流器12、输入整流器13)，每个输入整流器连接一个双Boost电路(输入整流器11连接双Boost电路14，输入整流器12连接双Boost电路15，输入整流器13连接双Boost电路16)，三个双Boost电路并联且连接输出正BUS电容17以及输出负BUS电容18，输入整流器11用于连接三相输入(a相、b相、c相)，三相输入中的每相连接两个输入整流器(a相连接输入整流器11和输入整流器13，b相连接输入整流器11、输入整流器12，c相连接输入整流器12、输入整流器13)。

可选的，输入整流器的整流二极管可以构成全桥整流结构或者其他结构，不受限制。如，每个输入整流器包括四个整流二极管，四个整流二极管构成一个全桥整流电路，全桥整流电路的输出连接双Boost电路。具体而言，如图2所示：

输入整流器11为：整流二极管D1、整流二极管D2，整流二极管D3、整流二极管D4构成的全桥整流电路；

输入整流器12为：整流二极管D5、整流二极管D6，整流二极管D7、整流二极管D8构成的全桥整流电路；

输入整流器13为：整流二极管D9、整流二极管D10，整流二极管D11、整流二极管D12构成的全桥整流电路。

其中，可选的，输入整流器包括的整流二极管可以替换为可控硅(SCR，SiliconControlled Rectifier)、或者功率开关管。功率开关管可以包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor)，或者金氧半场效晶体管(MOSFET，Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)，等等。

另外，本领域技术人员可以知道，双Boost电路包括一个正Boost电路和一个负Boost电路，可以理解，正Boost电路实现正的BUS(母线)直流电压，而负Boost电路实现负的BUS直流电压。因此，本发明实施例三个双Boost电路可以对应理解为六个Boost电路。

具体而言，双Boost电路中的每个Boost电路可以包括电感(通常在Boost电路中也可以称为主电感)、功率开关管、以及功率二极管。仍如图2所示，双Boost电路14为：由电感L1、功率开关管Q1、功率二极管D21构成正Boost电路，由电感L2、功率开关管Q2、功率二极管D22构成负Boost电路；

双Boost电路15为：由电感L3、功率开关管Q3、功率二极管D23构成正Boost电路；由电感L4、功率开关管Q4、功率二极管D24构成负Boost电路；

双Boost电路16为：由电感L5、功率开关管Q5、功率二极管D25构成正Boost电路；由电感L6、功率开关管Q6、功率二极管D26构成负Boost电路。

其中，可选的，Boost电路包括的主电感可以为一个或者为多个，当为多个时多个主电感之间可以并联或者串联。

可选的，Boost电路包括的功率开关管可以一个或者为多个，当为多个时多个功率开关管之间可以并联或者串联，所述Boost电路包括的功率开关管可以包括MOSFET或者IGBT，等等。

可选的，Boost电路包括的功率二极管可以为一个或者为多个，当为多个时多个功率二极管之间可以并联或者串联，所述Boost电路包括的功率二极管可以包括MOSFET或者IGBT，等等。本领域技术人员可以知道，MOSFET或IGBT等功率开关管在特定情况下可以实现二极管的效果，如用MOSFET来代替二极管，在半波期间让MOSFET导通，同样起到了正向导通的作用，从而降低损耗、提高效率。

具体而言，双Boost电路14、15、16并联且连接输出正BUS电容C1以及输出负BUS电容C2。本领域技术人员可以知道，正BUS电容可以表示为+BUS电容，负BUS电容可以表示为-BUS电容，不作限制。

具体而言，仍如图2所示，三相输入中a相(电压Va)既通过整流二极管D1接到电感L1、通过整流二极管D2接到电感L2；同时也通过整流二极管D11接到电感L5、通过整流二极管D12接到电感L6。即Va连接双Boost电路14以及双Boost电路16。

三相输入中b相(电压Vb)既通过整流二极管D3接到电感L1、通过整流二极管D4接到电感L2；同时也通过整流二极管D5接到电感L3、通过整流二极管D6接到电感L4。即Vb连接双Boost电路电感14以及双Boost电路电感15。

三相输入中c相(电压Vc)既通过整流二极管D7接到电感L3、通过整流二极管D8接到电感L4；同时也通过整流二极管D9接到电感L5、通过整流二极管D10接到电感L6。即Vc连接双Boost电路15以及双Boost电路16。

可选的，本发明实施例中上述Boost电路可以替换为Buck电路、Buck/Boost电路、Cuk电路、或SEPIC电路，等等。上述电路可以参照现有技术得以理解，在此不作赘述。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，在没有增加整个***功率密度、复杂性的前提下，可以实现Boost电路并联的效果。

仍如图2所示，以三个双Boost电路为例，将输入整流器的整流二极管接至不同的Boost主电感，本质上输入三相两两整流构成三个独立的双Boost电路，说明本发明实施例的三相功率因数校正电路装置：

其中，符号L代表主电感，符号Q代表功率开关管，符号D代表二极管。

首先，本发明实施例的三相功率因数校正电路装置包含六个Boost电路，第一个Boost电路由L1、Q1、D21构成；第二个Boost电路由L2、Q2、D22构成；第三个Boost电路由L3、Q3、D23构成；第四个Boost电路由L4、Q4、D24构成；第五个Boost电路由L5、Q5、D25构成；第六个Boost电路由L6、Q6、D26构成。

接着，对于输入电压a相，整流二极管D1、D11，D2、D12接至主电感L1、L5、L2，L6。

对于输入电压b相，整流二极管D3、D5，D4、D6接至主电感L1、L3、L2，L4。

对于输入电压c相，整流二极管D7、D9，D8、D10接至主电感L3、L5、L4，L6。

最后，对于a相、b相和c相中的任意2相，都可以实现连接到主电感L1、L2、L3、L4，L5、L6，从而构成六个Boost电路，即实现两两整流构成三个独立的双Boost电路。

如图3所示，本发明实施例的三相功率因数校正电路装置的主要波形，其中，符号t代表时间，符号i代表电流，具体的，如iD1代表：流过D1的电流、iD11代表：流过D11的电流、ia代表：a相电流、iL1代表：流过L1的电流，Va、Vb、Vc分别代表交流三相a、b、c的电压。

一个输入三相正弦波周期包含十二个开关模态，详细工作原理说明如下：

模态一(0～t1)：D1、D7、D9导通，L1、L3、L5构成的Boost电路工作给+BUS电容C1充电；D4、D6导通，L2、L4构成的Boost电路工作给-BUS电容C2充电。a相ia流过D1、L1、Q1、D21，构成一个单相Boost电路；b相ib流过D4、D6、L2、L4、Q2、Q4、D22、D24，构成一个两相交错并联Boost电路；c相ic流过D7、D9、L3、L5、Q3、Q5、D23、D25，构成另外一个两相交错并联Boost电路。

模态二(t1～t2)：D1、D7、D11导通，L1、L3、L5构成的Boost电路工作给+BUS充电；D4、D6导通，L2、L4构成的Boost电路工作给-BUS充电。a相ia流过D1、D11、L1、L5、Q1、Q5、D21、D25，构成一个两相交错并联Boost电路；b相ib流过D4、D6、L2、L4、Q2、Q4、D22、D24，构成另外一个两相交错并联Boost电路；c相ic流过D7、L3、Q3、D23，构成一个单相Boost电路。

模态三(t2～t3)：D1、D11导通，L1、L5构成的Boost电路工作给+BUS充电；D4、D6、D10导通，L2、L4、L6构成的Boost电路工作给-BUS充电。a相ia流过D1、D11、L1、L5、Q1、Q5、D21、D25，构成一个两相交错并联Boost电路；b相ib流过D4、D6、L2、L4、Q2、Q4、D22、D24，构成另外一个两相交错并联Boost电路；c相ic流过D10、L6、Q6、D26，构成一个单相Boost电路。

模态四(t3～t4)：D1、D11导通，L1、L5构成的Boost电路工作给+BUS充电；D4、D8、D10导通，L2、L4、L6构成的Boost电路工作给-BUS充电。a相ia流过D1、D11、L1、L5、Q1、Q5、D21、D25，构成一个两相交错并联Boost电路；b相ib流过D4、L2、Q2、D22，构成一个单相Boost电路；c相ic流过D8、D10、L4、L6、Q4、Q6、D24、D26，构成另外一个两相交错并联Boost电路。

模态五(t4～t5)：D1、D5、D11导通，L1、L3、L5构成的Boost电路工作给+BUS充电；D8、D10导通，L4、L6构成的Boost电路工作给-BUS充电。a相ia流过D1、D11、L1、L5、Q1、Q5、D21、D25，构成一个两相交错并联Boost电路；b相ib流过D5、L3、Q3、D23，构成一个单相Boost电路；c相ic流过D8、D10、L4、L6、Q4、Q6、D24、D26，构成另外一个两相交错并联Boost电路。

模态六(t5～t6)：D3、D5、D11导通，L1、L3、L5构成的Boost电路工作给+BUS充电；D8、D10导通，L4、L6构成的Boost电路工作给-BUS充电。a相ia流过D11、L5、Q5、D25，构成一个单相Boost电路；b相ib流过D3、D5、L1、L3、Q1、Q3、D21、D23，构成一个两相交错并联Boost电路；c相ic流过D8、D10、L4、L6、Q4、Q6、D24、D26，构成另外一个两相交错并联Boost电路。

模态七(t6～t7)：D3、D5导通，L1、L3构成的Boost电路工作给+BUS充电；D2、D8、D10导通，L2、L4、L6构成的Boost电路工作给-BUS充电。a相ia流过D2、L2、Q2、D22，构成一个单相Boost电路；b相ib流过D3、D5、L1、L3、Q1、Q3、D21、D23，构成一个两相交错并联Boost电路；c相ic流过D8、D10、L4、L6、Q4、Q6、D24、D26，构成另外一个两相交错并联Boost电路。

模态八(t7～t8)：D3、D5导通，L1、L3构成的Boost电路工作给+BUS充电；D2、D8、D12导通，L2、L4、L6构成的Boost电路工作给-BUS充电。a相ia流过D2、D12、L2、L6、Q2、Q6、D22、D26，构成一个两相交错并联Boost电路；b相ib流过D3、D5、L1、L3、Q1、Q3、D21、D23，构成另外一个两相交错并联Boost电路；c相ic流过D8、L4、Q4、D24，构成一个单相Boost电路。

模态九(t8～t9)：D3、D5、D9导通，L1、L3、L5构成的Boost电路工作给+BUS充电；D2、D12导通，L2、L6构成的Boost电路工作给-BUS充电。a相ia流过D2、D12、L2、L6、Q2、Q6、D22、D26，构成一个两相交错并联Boost电路；b相ib流过D3、D5、L1、L3、Q1、Q3、D21、D23，构成另外一个两相交错并联Boost电路；c相ic流过D9、L5、Q5、D25，构成一个单相Boost电路。

模态十(t9～t10)：D3、D7、D9导通，L1、L3、L5构成的Boost电路工作给+BUS充电；D2、D12导通，L2、L6构成的Boost电路工作给-BUS充电。a相ia流过D2、D12、L2、L6、Q2、Q6、D22、D26，构成一个两相交错并联Boost电路；b相ib流过D3、L1、Q1、D21，构成一个单相Boost电路；c相ic流过D7、D9、L3、L5、Q3、Q5、D23、D25，构成另外一个两相交错并联Boost电路。

模态十一(t10～t11)：D7、D9导通，L3、L5构成的Boost电路工作给+BUS充电；D2、D6、D12导通，L2、L4、L6构成的Boost电路工作给-BUS充电。a相ia流过D2、D12、L2、L6、Q2、Q6、D22、D26，构成一个两相交错并联Boost电路；b相ib流过D6、L4、Q4、D24，构成一个单相Boost电路；c相ic流过D7、D9、L3、L5、Q3、Q5、D23、D25，构成另外一个两相交错并联Boost电路。

模态十二(t11～t12)：D7、D9导通，L3、L5构成的Boost电路工作给+BUS充电；D4、D6、D12导通，L2、L4、L6构成的Boost电路工作给-BUS充电。a相ia流过D12、L6、Q6、D26，构成一个单相Boost电路；b相ib流过D4、D6、L2、L4、Q2、Q4、D22、D24，构成一个两相交错并联Boost电路；c相ic流过D7、D9、L3、L5、Q3、Q5、D23、D25，构成另外一个两相交错并联Boost电路。

下面具体说明Boost电路主功率管的换流工作：

在360度三相交流工频周期内，每个Boost电路工作300度，也就是三相交流电压工频周期内停止工作60度。例如，第一个Boost电路的工作区间为：0～300度。因而，每个Boost电路的功率开关管每60度换流一次。

再具体说明输入整流二极管的换流工作：

在360度三相交流工频周期内，每个输入整流二极管导通150度。例如，D1的导通区间为：0～150度。因而，每个输入整流二极管每30度换流一次。

再具体说明Boost电路的交错并联工作区间：

由工作过程可以看出，每个Boost电路的交错并联工作区间为120度。以输入电压a相正半波为例：输入电压a相正半波的交错并联由D1、D11并联来实现，D1的导通区间为：0～150度；而D11的导通区间为：30～180度。因而，在30～150度区间内，D1可与D11并联工作。同时，Q1、L1和Q5、L5的开关频率相同，但可以错相180度工作，这样在此区间内就能实现交错并联。另外，D2的导通区间为：180～330度；而D12的导通区间为：210～360度。因此，在210～330度区间内，Q2、L2和Q6、L6实现交错并联工作。

再具体说明输入电流与输入二极管电流的关系：

仍然以输入电压a相正半波为例：输入电压a相正半波的输入电流为流过D1、D11的电流之和，D1的导通区间为：0～150度；而D11的导通区间为：30～180度。因此，输入电压a相正半波的输入电流的导通区间为：0～180度。同理，可以分析得到每相电流的导通区间为360度，在整个360度工频周期内新架构不会缺相工作。

再具体说明PFC的实现原理：

仍然以输入电压a相正半波为例：0～30度区间内D1导通，第一个Boost电路以高频工作，L1的电流跟随a相输入电压的变化而变化；30～150度区间内D1与D11共同导通，第一个Boost电路与第五个Boost电路以高频交错并联工作，L1与L5的电流跟随a相输入电压的变化而变化；150～180度区间内D11导通，第五个Boost电路以高频工作，L5的电流跟随a相输入电压的变化而变化。因此，在0～180度区间内PFC电感电流都可以跟随a相输入电压的正半波的变化而变化。同时，可以分析得到所有PFC电感都可以跟随输入电压的变化而变化，从而实现每相的PFC工作。各种模拟、数字控制方案都可以实现文中提到的控制功能，但是CPLD与DSP的数字控制方案更加方便实际应用。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，通过巧妙地改变输入整流二极管的连接方式，在没有增加整个***功率密度、复杂性的前提下，实现了交错并联的效果。同时三相交流输入可360度全工频周期内工作，可达到输入低PF、高THD的优良功率因数校正的效果。

除此之外，本发明实施例的三相功率因数校正电路装置本质上输入三相两两整流构成三个独立的双Boost电路，由于这种新拓扑架构的优越性，还具有以下的优点：

现有三相双Boost电路也包含六个Boost电路，但每个Boost电路的工作区间仅为180度，并且这半个工频周期内也要提供额定的输出功率，因而输入峰值电流较大，影响器件的选型及工作效率的提高。而本发明实施例的三相功率因数校正电路装置中，每个Boost电路的工作区间可扩展至300度，提高了电感的利用率。

在每个工频半波周期内(180度)，每相可以实现120度区间的两相交错并联工作，并且这种交错并联发生在输入电压的峰值附近，这个区间需要传输给负载的功率最大。因此，由于交错并联工作，PFC主电感、功率开关管、功率二极管的电流定额可以降低，在同等程度上节省了成本。

如果功率开关管、二极管的电压、电压定额没有变化，由于初始的电流被两相交错并联共同承担，减小了功率管的导通损耗，从而可以提高工作效率。

如果功率开关管、二极管的电压、电压定额没有变化，由于峰值电流已经减小了将近一半，因而在一定程度上降低了功率管的电流、电压应力。

由于减小了输入电流纹波，可简化输入电磁兼容性(EMC，Electro MagneticCompatibility)滤波器的设计，改进了EMC的性能；由于减小了输出电流纹波，可降低BUS电容纹波电流，减小了电容的发热量，提高了电解电容的使用寿命。

输入某相缺失、断掉时，另外两个独立的输入全桥整流器仍然可以正常工作，因而可以用通过使用合适的控制方式，仍能保持正常工作。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。

Claims (8)

1.一种三相功率因数校正电路装置，其特征在于，包括三个输入整流器，每个所述输入整流器连接一个双Boost电路，三个所述双Boost电路并联且连接输出正BUS电容以及输出负BUS电容，所述输入整流器用于连接三相输入，所述三相输入中的每相连接两个所述输入整流器。

2.根据权利要求1所述的三相功率因数校正电路装置，其特征在于，所述输入整流器包括的整流二极管替换为可控硅SCR、或者功率开关管，所述功率开关管包括金属氧化物半导体场效应管MOSFET或者绝缘栅双极型晶体管IGBT。

3.根据权利要求1所述的三相功率因数校正电路装置，其特征在于，每个所述输入整流器包括四个整流二极管，所述四个整流二极管构成一个全桥整流电路，所述全桥整流电路的输出连接所述双Boost电路。

4.根据权利要求1所述的三相功率因数校正电路装置，其特征在于，所述双Boost电路包括一个正Boost电路和一个负Boost电路，每个Boost电路包括主电感、功率开关管、以及功率二极管。

5.根据权利要求4所述的三相功率因数校正电路装置，其特征在于，所述Boost电路包括的主电感为一个或者为多个，当为多个时多个主电感之间并联或者串联。

6.根据权利要求4所述的三相功率因数校正电路装置，其特征在于，所述Boost电路包括的功率开关管为一个或者为多个，当为多个时多个功率开关管之间并联或者串联，所述Boost电路包括的功率开关管包括MOSFET或者IGBT。

7.根据权利要求4所述的三相功率因数校正电路装置，其特征在于，所述Boost电路包括的功率二极管为一个或者为多个，当为多个时多个功率二极管之间并联或者串联，所述Boost电路包括的功率二极管包括MOSFET或者IGBT。

8.根据权利要求1所述的三相功率因数校正电路装置，其特征在于，所述三个双Boost电路替换为Buck电路、Buck/Boost电路、Cuk电路、或SEPIC电路。

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