CN107579671A - 单相三电平无桥pfc整流器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单相三电平无桥PFC整流器，包括交叉开关滤波网络、电力电子开关网络、直流电容C₁和直流电容C₂；所述交叉开关滤波网络的第一输入端与电源电压v_s的第一端相连，所述交叉开关滤波网络的第二输入端与电源电压v_s的第二端相连，所述交叉开关滤波网络的第一输出端与所述电力电子开关网络的第一输入端相连，所述交叉开关滤波网络的第二输出端与所述电力电子开关网络的第二输入端相连。将交叉开关滤波网络引入到现有的三电平无桥PFC整流器中，不仅能保持原来三电平无桥PFC整流器的优势，而且能在不增加漏电流和安全风险前提下，大大减小整流器的共模电流，适合于对漏电流和共模噪声有严格限制的应用场合。

Description

单相三电平无桥PFC整流器

技术领域

本发明属于高效率、高功率密度PFC整流器技术领域，具体涉及一种单相三电平无桥PFC整流器。

背景技术

开关电源的输入级通常采用由二极管构成的不可控电容性整流电路，这种电路的主要缺点是输入电流含有大量低次谐波成分，功率因数很低，对电网造成严重污染。采用全控电力电子开关器件构成的有源PFC技术，可以有效降低谐波含量、提高功率因数。由于采用高频开关控制，有源PFC电路中无源滤波元件，如电感器、电容器体积可以大大减小，对提高变换器的功率密度十分有利。目前，有源PFC电路的应用已越来越广泛。

两电平Boost型PFC电路最为成熟和常见。该电路容易实现，可靠性高，但存在几个问题：1)电感电流高频开关纹波大；2)开关器件电压应力大；3)当输入电压较低时，二极管整流桥的通态损耗大。这些问题会增加整流器的体积、成本，降低效率。

为解决上述问题，中国发明专利(授权公告号CN101728964授权公告日2012.1.4)提出的单电感三电平无桥功率因数校正变换器，能提高低输入电压时变换器的效率，且将电感电流纹波减小约50％，但在电源电压的半个周期内，有一个直流电容一直处于放电状态，因此必须采用较大容量和体积的电容，增加了体积、成本。国外学者提出了一种单相三电平无桥PFC电路，能实现两个直流电容在半个电源周期内均匀充、放电，因而可以减小电容容量和体积，但共模噪声较大，不利于EMI滤波器设计。在整流器主电路与机壳之间加装共模滤波电容(Y电容)的方法，可以有效减少整流器的共模噪声，但会增加漏电流和安全风险。

发明内容

本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种能在不增加漏电流和安全风险前提下大大减小整流器共模电流的单相三电平无桥PFC整流器。

为实现上述目的，本发明所设计的单相三电平无桥PFC整流器，包括交叉开关滤波网络、电力电子开关网络、直流电容C₁和直流电容C₂；所述交叉开关滤波网络的第一输入端与电源电压v_s的第一端相连，所述交叉开关滤波网络的第二输入端与电源电压v_s的第二端相连，所述交叉开关滤波网络的第一输出端与所述电力电子开关网络的第一输入端相连，所述交叉开关滤波网络的第二输出端与所述电力电子开关网络的第二输入端相连。

进一步地，所述交叉开关滤波网络1包括电子开关S_p、电子开关S_n、电感L₁、电感L₂、电容C_p和电容C_n；所述电子开关S_p与所述电容C_p组成第一串联支路，所述电子开关S_n与所述电容C_n组成第二串联支路；第一串联支路中所述电子开关S_p的自由端与所述电感L₁的第一端相连作为所述交叉开关滤波网络的第一输入端与电源电压v_s的第一端相连，第一串联支路中所述电容C_p的自由端与所述电感L₂的第二端相连作为所述交叉开关滤波网络的第二输出端；第二串联支路中所述电子开关S_n的自由端与所述电感L₁的第二端相连作为所述交叉开关滤波网络的第一输出端，第二串联支路中所述电容C_n的自由端与所述电感L₂的第一端相连作为所述交叉开关滤波网络的第二输入端与电源电压v_s的第二端相连；

所述电力电子开关网络包括二极管D₁、二极管D₂、二极管D₃、二极管D₄、二极管D₅、二极管D₆、二极管D₇、二极管D₈、MOSFET开关管T₁及MOSFET开关管T₂；所述二极管D₁阳极分别与所述二极管D₂阴极、所述二极管D₅阴极、所述二极管D₆阳极相连，所述二极管D₃阳极分别与所述二极管D₄阴极、所述二极管D₇阴极、所述二极管D₈阳极相连，所述二极管D₁阴极与所述二极管D₃阴极相连，所述二极管D₂阳极与所述二极管D₄阳极相连，所述MOSFET开关管T₁源极分别与所述二极管D₅阳极、所述二极管D₇阳极相连，所述MOSFET开关管T₁漏极和所述MOSFET开关管T₂源极相连，所述MOSFET开关管T₂漏极分别与所述二极管D₆阴极、所述二极管D₈阴极相连；所述交叉开关滤波网络的第二输出端与所述二极管D₄的阴极相连，所述交叉开关滤波网络的第一输出端与所述二极管D₁的阳极相连。

进一步地，所述直流电容C₁正极连接到所述二极管D₁阴极与所述二极管D₃阴极的接点，所述直流电容C₁负极连接到所述MOSFET开关管T₁漏极与所述MOSFET开关管T₂源极的接点；所述直流电容C₂正极与所述直流电容C₁负极相连，所述直流电容C₂负极连接到所述二极管D₂阳极与所述二极管D₄阳极的接点。

进一步地，所述直流电容C₁的电压与直流电容C₂的电压相等。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：将交叉开关滤波网络引入到现有的三电平无桥PFC整流器中，不仅能保持原来三电平无桥PFC整流器的优势，而且能在不增加漏电流和安全风险前提下，大大减小整流器的共模电流，适合于对漏电流和共模噪声有严格限制的应用场合。

附图说明

图1是本发明单相三电平无桥PFC整流器电路图；

图2a～2h是本实施例整流器在电源电压v_s一个周期内各开关模态的电路图；

图3为本实施例整流器在电源电压v_s正半周时的共模等效电路；

图4为本实施例整流器在电源电压v_s负半周时的共模等效电路。

图中各部件标号如下：

交叉开关滤波网络1、电力电子开关网络2。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示为单相三电平无桥PFC整流器的一种具体电路图，该整流器包括交叉开关滤波网络1、电力电子开关网络2、直流电容C₁和直流电容C₂；交叉开关滤波网络1有两个输入端(即第一输入端和第二输入端)和两个输出端(即第一输出端和第二输出端)，其中，交叉开关滤波网络1的第一输入端与电源电压v_s的第一端相连，交叉开关滤波网络1的第二输入端与电源电压v_s的第二端相连，交叉开关滤波网络1的第一输出端与电力电子开关网络2的第一输入端相连，交叉开关滤波网络1的第二输出端与电力电子开关网络2的第二输入端相连。

交叉开关滤波网络1包括电子开关S_p、电子开关S_n、电感L₁、电感L₂、电容C_p和电容C_n，电子开关S_p与电容C_p组成第一串联支路，电子开关S_n与电容C_n组成第二串联支路。第一串联支路中电子开关S_p的自由端与电感L₁的第一端相连作为交叉开关滤波网络1的第一输入端与电源电压v_s的第一端相连，第一串联支路中电容C_p的自由端与电感L₂的第二端相连作为交叉开关滤波网络1的第二输出端；第二串联支路中电子开关S_n的自由端与电感L₁的第二端相连作为交叉开关滤波网络1的第一输出端，第二串联支路中电容C_n的自由端与电感L₂的第一端相连作为交叉开关滤波网络1的第二输入端与电源电压v_s的第二端相连。

电力电子开关网络2包括二极管D₁、二极管D₂、二极管D₃、二极管D₄、二极管D₅、二极管D₆、二极管D₇、二极管D₈、MOSFET开关管T₁及MOSFET开关管T₂；二极管D₁阳极分别与二极管D₂阴极、二极管D₅阴极、二极管D₆阳极相连，二极管D₃阳极分别与二极管D₄阴极、二极管D₇阴极、二极管D₈阳极相连，二极管D₁阴极与二极管D₃阴极相连，二极管D₂阳极与二极管D₄阳极相连，MOSFET开关管T₁源极分别与二极管D₅阳极、二极管D₇阳极相连，MOSFET开关管T₁漏极和MOSFET开关管T₂源极相连，MOSFET开关管T₂漏极分别与二极管D₆阴极、二极管D₈阴极相连，且交叉开关滤波网络1中第一串联支路中电容C_p的自由端与电感L₂的第二端相连作为交叉开关滤波网络1的第二输出端与二极管D₄的阴极相连，第二串联支路中电子开关S_n的自由端与电感L₁的第二端相连作为交叉开关滤波网络1的第一输出端与二极管D₁的阳极相连。

直流电容C₁正极连接到二极管D₁阴极与二极管D₃阴极的接点，直流电容C₁负极连接到MOSFET开关管T₁漏极与MOSFET开关管T₂源极的接点；直流电容C₂正极与直流电容C₁负极相连，直流电容C₂负极连接到二极管D₂阳极与二极管D₄阳极的接点。直流电容C₁、直流电容C₂的电压相等，即

以下结合图2、图3和图4详细说明本发明的整流器工作原理(假设电路中各二极管和MOSFET开关管导通电压均为零)：

如图2a～2h所示为本发明的整流器在电源电压一个周期内各开关模态的电路图。该整流器共含8个开关模态，其中电源电压v_s正半周4个(如图2a～2d所示)，电源电压v_s负半周4个(如图2e～2h所示)。

在图2a所示的开关模态1中，电子开关S_p闭合，电子开关S_n断开；二极管D₆、二极管D₇、MOSFET开关管T₁、MOSFET开关管T₂导通；二极管D₁、二极管D₂、二极管D₃、二极管D₄、二极管D₅、二极管D₈关断。电网电流i_s流经由电感L₁、电感L₂和电容C_p构成的LCL滤波器，二极管D₆，二极管D₇，MOSFET开关管T₁和MOSFET开关管T₂。电力电子开关网络2的交流输入端A、B两点间电压v_AB＝0。电容C₁、电容C₂向负载放电。

在图2b所示的开关模态2中，电子开关S_p闭合，电子开关S_n断开；二极管D₁、二极管D₇、MOSFET开关管T₁导通；二极管D₂、二极管D₃、二极管D₄、二极管D₅、二极管D₆、二极管D₈、MOSFET开关管T₂关断。电网电流i_s流经由电感L₁、电感L₂和电容C_p构成的LCL滤波器，二极管D₁，电容C₁，二极管D₇和MOSFET开关管T₁。电力电子开关网络2的交流输入端A、B两点间电压电容C₁充电，电容C₂向负载放电。

在图2c所示的开关模态3中，电子开关S_p闭合，电子开关S_n断开；二极管D₄、二极管D₆、MOSFET开关管T₂导通；二极管D₁、二极管D₂、二极管D₃、二极管D₅、二极管D₇、二极管D₈、MOSFET开关管T₁关断。电网电流i_s流经由电感L₁、电感L₂和电容C_p构成的LCL滤波器，二极管D₆，MOSFET开关管T₂，电容C₂和二极管D₄。电力电子开关网络2的交流输入端A、B两点间电压电容C₂充电，电容C₁向负载放电。

在图2d所示的开关模态4中，电子开关S_p闭合，电子开关S_n断开；二极管D₁、二极管D₄导通；二极管D₂、二极管D₃、二极管D₅、二极管D₆、二极管D₇、二极管D₈、MOSFET开关管T₁、MOSFET开关管T₂关断。电网电流i_s流经由电感L₁、电感L₂和电容C_p构成的LCL滤波器，二极管D₁，电容C₁，电容C₂和二极管D₄。电力电子开关网络2的交流输入端A、B两点间电压v_AB＝V_C1+V_C2＝V_o。电容C₁、电容C₂充电。

在图2e所示的开关模态5中，电子开关S_n闭合，电子开关S_p断开；二极管D₅、二极管D₈、MOSFET开关管T₁、MOSFET开关管T₂导通；二极管D₁、二极管D₂、二极管D₃、二极管D₄、二极管D₆、二极管D₇关断。电网电流i_s流经由电感L₁、电感L₂和电容C_n构成的LCL滤波器，二极管D₈，二极管D₅，MOSFET开关管T₁和MOSFET开关管T₂。电力电子开关网络2的交流输入端A、B两点间电压v_AB＝0。电容C₁、电容C₂向负载放电。

在图2f所示的开关模态6中，电子开关S_n闭合，电子开关S_p断开；二极管D₃、二极管D₅、MOSFET开关管T₁导通；二极管D₁、二极管D₂、二极管D₄、二极管D₆、二极管D₇、二极管D₈、MOSFET开关管T₂关断。电网电流i_s流经由电感L₁、电感L₂和电容C_n构成的LCL滤波器，二极管D₃，电容C₁，二极管D₅和MOSFET开关管T₁。电力电子开关网络2的交流输入端A、B两点间电压电容C₁充电，电容C₂向负载放电。

在图2g所示的开关模态7中，电子开关S_n闭合，电子开关S_p断开；二极管D₂、二极管D₈、MOSFET开关管T₂导通；二极管D₁、二极管D₃、二极管D₄、二极管D₅、二极管D₆、二极管D₇、MOSFET开关管T₁关断。电网电流i_s流经由电感L₁、电感L₂和电容C_n构成的LCL滤波器，二极管D₈，MOSFET开关管T₂，电容C₂和二极管D₂。电力电子开关网络2的交流输入端A、B两点间电压电容C₂充电，电容C₁向负载放电。

在图2h所示的开关模态8中，电子开关S_n闭合，电子开关S_p断开；二极管D₂、二极管D₃导通；二极管D₁、二极管D₄、二极管D₅、二极管D₆、二极管D₇、二极管D₈、MOSFET开关管T₁、MOSFET开关管T₂关断。电网电流i_s流经由电感L₁、电感L₂和电容C_n构成的LCL滤波器，二极管D₃，电容C₁，电容C₂和二极管D₂。电力电子开关网络2的交流输入端A、B两点间电压v_AB＝-(V_C1+V_C2)＝-V_o。电容C₁、电容C₂充电。

定义整流器的调制比m为：

根据m值、电容C₁电压V_c1和电容C₂电压V_c2大小，控制MOSFET开关管T₁、MOSFET开关管T₂，使整流器工作在不同的状态。

在电源电压v_s正半周，当0<m<0.5且V_c1<V_c2时，使整流器在开关模态1、2之间切换；当0<m<0.5且V_c1>V_c2时，使整流器在开关模态1、3之间切换；当0.5<m<1且V_c1<V_c2时，使整流器在开关模态2、4之间切换；当0.5<m<1且V_c1>V_c2时，使整流器在开关模态3、4之间切换。

在电源电压v_s负半周，当-0.5<m<0且V_c1<V_c2时，使整流器在开关模态5、6之间切换；当-0.5<m<0且V_c1>V_c2时，使整流器在开关模态5、7之间切换；当-1<m<-0.5且V_c1<V_c2时，使整流器在开关模态6、8之间切换；当-1<m<-0.5且V_c1>V_c2时，使整流器在开关模态7、8之间切换。

按上述规律控制整流器，可以确保v_AB每次变化的幅值均为V_o的一半。与普通两电平Boost型PFC整流器相比，在保持开关频率和最大允许电感电流纹波一致前提下，可将电感体积减少约50％。而且电容C₁和电容C₂能在四分之一电源电压周期内实现均匀充、放电。

如图3所示为本发明整流器在电源电压v_s正半周时的共模等效电路。图中C_cmB为整流器B点和机壳之间的分布电容，v_cm为电力电子开关器件在开/关状态转换时产生的共模电压(v_cm的幅值仅为V_o的一半)，i_cmB为共模电流噪声。根据图3，可得出：

一般地，电感L₁、电感L₂的值较小，可以忽略：

如图4所示为本发明整流器在电源电压v_s负半周时的共模等效电路。图中C_cmA为整流器A点和机壳之间的分布电容，v_cm为电力电子开关器件在开/关状态转换时产生的共模电压(v_cm的幅值仅为V_o的一半)，i_cmA为共模电流噪声。根据图4，可得出：

忽略电感L₁、电感L₂：

在图3和图4中，若电容C_p＝C_n＝0，可得出普通三电平无桥PFC整流器的共模电流噪声：

对比式(3)与式(6)、式(5)与式(7)可知，本发明的改进型单相三电平无桥PFC整流器能利用交叉滤波网络中的差模电容C_p和C_n，在不增加漏电流和安全风险的前提下，有效地降低三电平无桥PFC整流器主电路和机壳之间的共模电流。

应该理解到的是：上述实施方式只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超过本发明精神范围内的发明创造，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种单相三电平无桥PFC整流器，包括交叉开关滤波网络、电力电子开关网络、直流电容C₁和直流电容C₂；其特征在于：所述交叉开关滤波网络的第一输入端与电源电压v_s的第一端相连，所述交叉开关滤波网络的第二输入端与电源电压v_s的第二端相连，所述交叉开关滤波网络的第一输出端与所述电力电子开关网络的第一输入端相连，所述交叉开关滤波网络的第二输出端与所述电力电子开关网络的第二输入端相连。

2.根据权利要求1所述单相三电平无桥PFC整流器，其特征在于：所述交叉开关滤波网络1包括电子开关S_p、电子开关S_n、电感L₁、电感L₂、电容C_p和电容C_n；所述电子开关S_p与所述电容C_p组成第一串联支路，所述电子开关S_n与所述电容C_n组成第二串联支路；第一串联支路中所述电子开关S_p的自由端与所述电感L₁的第一端相连作为所述交叉开关滤波网络的第一输入端与电源电压v_s的第一端相连，第一串联支路中所述电容C_p的自由端与所述电感L₂的第二端相连作为所述交叉开关滤波网络的第二输出端；第二串联支路中所述电子开关S_n的自由端与所述电感L₁的第二端相连作为所述交叉开关滤波网络的第一输出端，第二串联支路中所述电容C_n的自由端与所述电感L₂的第一端相连作为所述交叉开关滤波网络的第二输入端与电源电压v_s的第二端相连；

所述电力电子开关网络包括二极管D₁、二极管D₂、二极管D₃、二极管D₄、二极管D₅、二极管D₆、二极管D₇、二极管D₈、MOSFET开关管T₁及MOSFET开关管T₂；所述二极管D₁阳极分别与所述二极管D₂阴极、所述二极管D₅阴极、所述二极管D₆阳极相连，所述二极管D₃阳极分别与所述二极管D₄阴极、所述二极管D₇阴极、所述二极管D₈阳极相连，所述二极管D₁阴极与所述二极管D₃阴极相连，所述二极管D₂阳极与所述二极管D₄阳极相连，所述MOSFET开关管T₁源极分别与所述二极管D₅阳极、所述二极管D₇阳极相连，所述MOSFET开关管T₁漏极和所述MOSFET开关管T₂源极相连，所述MOSFET开关管T₂漏极分别与所述二极管D₆阴极、所述二极管D₈阴极相连；所述交叉开关滤波网络的第二输出端与所述二极管D₄的阴极相连，所述交叉开关滤波网络的第一输出端与所述二极管D₁的阳极相连。

3.根据权利要求2所述单相三电平无桥PFC整流器，其特征在于：所述直流电容C₁正极连接到所述二极管D₁阴极与所述二极管D₃阴极的接点，所述直流电容C₁负极连接到所述MOSFET开关管T₁漏极与所述MOSFET开关管T₂源极的接点；所述直流电容C₂正极与所述直流电容C₁负极相连，所述直流电容C₂负极连接到所述二极管D₂阳极与所述二极管D₄阳极的接点。

4.根据权利要求3所述单相三电平无桥PFC整流器，其特征在于：所述直流电容C₁的电压与直流电容C₂的电压相等。