共陰極半橋功率因數(shù)校正電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種共陰極半橋功率因數(shù)校正電路，包括第一斬波單元和第二斬波單元，其中：第一斬波單元用以完成電網(wǎng)電壓正半周中單位功率因數(shù)單相AC-DC變換，并輸出穩(wěn)定的直流電壓；第二斬波單元用以完成電網(wǎng)電壓負半周中單位功率因數(shù)單相AC-DC變換，并輸出穩(wěn)定的直流電壓；第一斬波單元和第二斬波單元按照完整電網(wǎng)電壓負半周或正半周分時工作，待機時用于散熱。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)單相功率因數(shù)校正，具有電路結構簡單、支持較大功率輸出、總體成本節(jié)約等優(yōu)點。
【專利說明】共陰極半橋功率因數(shù)校正電路
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及電力電子變換【技術領域】的一種單相功率因數(shù)校正器(PFC)，具體地，涉及一種共陰極半橋功率因數(shù)校正電路。
【背景技術】
[0002]為了改善采用單相二極管不控整流橋的單相AC-DC變換器的網(wǎng)側功率因數(shù)，降低諧波電流的危害，使其符合諧波電流的相關標準，如IEC61000-3-2，需要采用單相有源功率因數(shù)校正(APFC)技術或單相有源功率因數(shù)校正技術。
[0003]在電路拓撲方面，單相APFC具有多種電路拓撲，包括傳統(tǒng)單級有橋APFC、提高功率等級的兩級或多級交錯有橋APFC、無橋APFC等多種。單相APFC的工作原理往往與電路拓撲密切相關，一般而言，一個APFC電路可能有多種控制策略，一個控制策略可能滿足多種APFC電路，但是對于有些電路只能擁有獨立適用的控制策略。
[0004]隨著單相APFC技術的發(fā)展，在大功率變頻空調(diào)等應用領域，要求單相APFC的功率等級越來越大，目前都必須采用多級交錯有橋APFC，否則難以解決功率器件散熱問題和升壓電感在板安裝問題以及成本問題。但是單級APFC的大功率化設計也較為成熟，運行較為可靠，設計較為容易，總體成本較為控制。單相無橋APFC也存在著電感電流檢測困難，支持功率等級較低的問題。因此對于目前發(fā)展階段，在較大傳輸功率領域，單相APFC和多級交錯APFC都得到了一定程度的應用。
[0005]經(jīng)過對單相APFC電路的檢索，發(fā)現(xiàn)主要有以下代表性文獻:
[0006][l]ffanfeng Zhang, Guang Feng, Yan-Fei Liu and Bin ffu.A Digital PowerFactor Correction (PFC) Control Strategy Optimized for DSP.1EEE Transactions ONPower Electronics, Vol.19, N0.6, November2004, pp.1474-1485.其主要技術特征如下:米用了傳統(tǒng)的單級APFC電路。
[0007][2]王晗.大功率單相數(shù)字APFC的研究與實現(xiàn).上海交通大學碩士學位論文.2009年I月。其主要技術特征如下:采用了無橋APFC電路。
[0008][3]陸飛，王男，楊喜軍，鄭水波，尹德斌.單相三倍壓交錯功率因數(shù)校正器的仿真分析.電氣自動化.2013年3期.其主要技術特征如下:采用了三倍壓交錯APFC電路。
[0009]綜合以上，對單相有源功率因數(shù)校正器現(xiàn)有電路結構及其控制的檢索發(fā)現(xiàn)，目前階段需要推出一種介于單相APFC、無橋APFC和多級交錯APFC之間的一種新的APFC電路及其控制，在設計方面、成本方面具有優(yōu)秀的綜合指標。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]針對現(xiàn)有技術中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種共陰極半橋功率因數(shù)校正電路，該電路實現(xiàn)單位輸入功率因數(shù)的AC-DC變換，支持較大功率輸出，同時具有電路簡單、控制方便等優(yōu)點。
[0011]為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供一種共陰極半橋功率因數(shù)校正電路，包括第一斬波單元和第二斬波單元，其中:所述第一斬波單元用以完成電網(wǎng)電壓正半周中單位功率因數(shù)單相AC-DC變換，并輸出穩(wěn)定的直流電壓；所述第二斬波單元用以完成電網(wǎng)電壓負半周中單位功率因數(shù)單相AC-DC變換，并輸出穩(wěn)定的直流電壓；第一斬波單元和第二斬波單元一備一用工作時間為半個完整電源周期，即正半周或負半周，不工作時用于散熱；
[0012]所述第一斬波單元和所述第二斬波單元包括公共的并聯(lián)于單相電網(wǎng)的濾波電感、濾波電容、升壓電感、分流電阻和并聯(lián)于直流輸出端的電解電容，所述第一斬波單元還包括第一常規(guī)二極管、第一快恢復二極管和第一功率開關，第二斬波單元還包括第二常規(guī)二極管、第二快恢復二極管和第二功率開關，從而構成一個不可分割的電力電子變換器；其中:
[0013]所述濾波電感的一端與單相交流電源的火線相連、另一端與升壓電感和濾波電容的一端相連，升壓電感的另一端與第一快恢復二極管的陽極、第二常規(guī)二極管的陰極、第二功率開關的發(fā)射極相連，形成公共點ACL;濾波電容的另一端與單相交流電源的零線、第二快恢復二極管的陽極、第一常規(guī)二極管的陰極、第一功率開關的發(fā)射極相連，形成公共點ACN ；
[0014]所述第一快恢復二極管的陰極與第二快恢復二極管的陰極連接后與分流電阻的一端相連，分流電阻的另一端與第一功率開關的集電極、第二功率開關的集電極、電解電容的正極相連，形成直流輸出正極DCP;第一常規(guī)二極管的陽極、第二常規(guī)二極管的陽極連接后，形成直流輸出負極DCN。
[0015]優(yōu)選地，所述第一斬波單元與所述第二斬波單元中的第一功率開關、第二功率開關的門極分別接受來自控制電路的驅(qū)動脈沖，分別在電網(wǎng)電壓正半周、負半周中斬波工作，在網(wǎng)側得到單位功率因數(shù)，在輸出端得到穩(wěn)定的直流電壓，為后級負載供電，完成單相功率因數(shù)校正。
[0016]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0017](I)電路結構簡單，使用器件數(shù)量少，兩個斬波單元共用一只分流電阻，可以采用常規(guī)的輸出直流電壓檢測電路、電感電流檢測電路和電網(wǎng)交流電壓檢測電路，兩只功率開關可以共用同一只驅(qū)動器，進一步簡化功率電路設計和降低成本；
[0018](2)電源電壓負半周，第一斬波單元進行斬波工作，實現(xiàn)單位網(wǎng)側功率因數(shù)和穩(wěn)定直流輸出電壓，第二斬波單元冷卻待機；電源電壓正半周，第二斬波單元進行斬波工作，實現(xiàn)單位網(wǎng)側功率因數(shù)和穩(wěn)定直流輸出電壓，第一斬波單元冷卻待機；從而可以支持較大的功率輸出；
[0019](3)濾波電感、濾波電容、升壓電感可以構成LCL濾波器，等效增加網(wǎng)側阻抗，使得濾波電容的容性電流減低和改善網(wǎng)側電流波形，從而降低濾波電容的尺寸，采用交流升壓電感，降低了電感的設計難度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯:
[0021 ] 圖1為本發(fā)明實施例1的電路原理圖。
【具體實施方式】[0022]下面結合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。
[0023]如圖1所示，本實施例提供一種共陰極半橋功率因數(shù)校正電路，包括第一斬波單元和第二斬波單元，其中:所述第一斬波單元用以完成電網(wǎng)電壓負半周中單位功率因數(shù)單相AC-DC變換，并輸出穩(wěn)定的直流電壓；所述第二斬波單元用以完成電網(wǎng)電壓正半周中單位功率因數(shù)單相AC-DC變換，并輸出穩(wěn)定的直流電壓；第一斬波單元和第二斬波單元一備一用，工作時間為半個完整電源周期(正半周或負半周)，不工作時用于散熱，可以支持較大的功率輸出。
[0024]本實施例中，所述第一斬波單元和所述第二斬波單元包括公共的并聯(lián)于單相電網(wǎng)的一只濾波電感L1、一只濾波電容Cl、一只升壓電感L2、一只分流電阻Rl和并聯(lián)于輸出端的一只電解電容El，所述第一斬波單元還包括第一常規(guī)二極管D1、第一快恢復二極管FRDl和第一功率開關SI，所述第二斬波單元還包括第二常規(guī)二極管D2、第二快恢復二極管FRD2和第二功率開關S2，從而構成一個不可分割的電力電子變換器；其中:
[0025]所述濾波電感LI的一端與單相交流電源的火線相連、另一端與升壓電感L2和濾波電容Cl的一端相連，升壓電感L2的另一端與第一快恢復二極管FRDl的陽極、第二常規(guī)二極管D2的陰極、第二功率開關S2的發(fā)射極相連，形成公共點ACL ;濾波電容Cl的另一端與單相交流電源的零線、第二快恢復二極管FRD2的陽極、第一常規(guī)二極管Dl的陰極、第一功率開關SI的發(fā)射極相連，形成公共點ACN ；
[0026]所述第一快恢復二極管FRDl的陰極與第二快恢復二極管FRD2的陰極連接后與分流電阻Rl的一端相連，分流電阻Rl的另一端與第一功率開關SI的集電極、第二功率開關S2的集電極、電解電容El的正極相連，形成直流輸出正極DCP ;第一常規(guī)二極管Dl的陽極、第二常規(guī)二極管D2的陽極連接后，形成直流輸出負極DCN。
[0027]本實施例所述第一斬波單元與所述第二斬波單元中的第一功率開關、第二功率開關的門極分別接受來自控制電路的驅(qū)動脈沖，分別在電網(wǎng)電壓正半周、負半周中斬波工作，在網(wǎng)側得到單位功率因數(shù)，在輸出端得到穩(wěn)定的直流電壓，為后級負載供電，完成單相功率因數(shù)校正。
[0028]本實施例所述電路具體工作原理如下:
[0029]在單相電網(wǎng)電壓正半周，所述第一斬波單元工作，實現(xiàn)功率因數(shù)校正，所述第二斬波單元待機；當?shù)谝还β书_關SI導通時，通過交流電源、濾波電感LI與濾波電容Cl的濾波電路、升壓電感L2、第一快恢復二極管FRD1、分流電阻R1、第一功率開關SI構成回路，濾波電容Cl兩端電壓近似正弦半波電壓，升壓電感L2儲存能量；當?shù)谝还β书_關SI關斷時，通過交流電源、濾波電感LI與濾波電容Cl的濾波電路、升壓電感L2、第一快恢復二極管FRDl、分流電阻R1、電解電容E1、第一常規(guī)二極管Dl構成續(xù)流路徑，濾波電容Cl兩端電壓近似正弦半波電壓，升壓電感L2釋放能量；通過控制電路控制第一功率開關SI導通欲關斷規(guī)律以及濾波電感L1、濾波電容Cl的濾波作用，可以獲得穩(wěn)定的直流電壓和網(wǎng)側單位功率因數(shù)。
[0030]在單相電網(wǎng)電壓負半周，所述第二斬波單元工作，實現(xiàn)功率因數(shù)校正，所述第一斬波單元待機；當?shù)诙β书_關S2導通時，通過升壓電感L2、濾波電感LI與濾波電容Cl的濾波電路、交流電源、第二快恢復二極管FRD2、分流電阻Rl、第二功率開關S2構成回路，濾波電容Cl兩端電壓近似正弦半波電壓，升壓電感L2儲存能量；當?shù)诙β书_關S2關斷時，通過升壓電感L2、濾波電感LI與濾波電容Cl的濾波電路、交流電源、第二快恢復二極管FRD2、分流電阻R1、電解電容E1、第二常規(guī)二極管D2構成續(xù)流路徑，濾波電容Cl兩端電壓近似正弦半波電壓，升壓電感L2釋放能量；通過控制電路控制第二功率開關S2導通欲關斷規(guī)律以及濾波電感L1、濾波電容Cl的濾波作用，可以獲得穩(wěn)定的直流電壓和網(wǎng)側單位功率因數(shù)。
[0031]本實例中:
[0032]交流輸入電壓寬范圍，85VAC — 264VAC，工頻，額定輸入電壓220VAC，額定輸出直流電壓平均值比網(wǎng)壓幅值動態(tài)高出20VDC，紋波電壓峰峰值控制在IOV以內(nèi)，額定輸出功率達到2.5kW以上；
[0033]開關頻率:35kHz—40kHz；
[0034]濾波電感(LI):100 μ H，插件，在板安裝；
[0035]濾波電容(Cl):275V，1.0 μ F— 2.2 μ F，插件；
[0036]升壓電感(L2):500 μ H，插件，在板安裝；
[0037]第一、第二常規(guī)二極管(D1、D2):600V，50/100°C，扁橋，插件；
[0038]第一、第二快恢復二極管(FRD1、FRD2):600V，50A/100°C，恢復時間小于 20ns ；
[0039]第一、第二功率開關(S1、S2):600V，100A/100°C，快速IGBT，不含反并聯(lián)二極管；
[0040]電解電容(El):6x680yF，并聯(lián)，400WV ;
[0041]分流電阻(Rl):10ηιΩ-15ηιΩ ,5W,水泥無感電阻。
[0042]本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)單相功率因數(shù)校正，具有電路結構簡單、使用器件數(shù)量少，簡化功率電路設計和降低成本；實現(xiàn)了單位輸入功率因數(shù)的AC-DC變換，支持較大功率輸出；濾波電感、濾波電容、升壓電感可以構成LCL濾波器，等效增加網(wǎng)側阻抗，使得濾波電容的容性電流減低和改善網(wǎng)側電流波形，降低濾波電容的尺寸，采用交流升壓電感，降低了電感的設計難度。
[0043]以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。
【權利要求】
1.一種共陰極半橋功率因數(shù)校正電路，其特征在于，包括第一斬波單元和第二斬波單元，其中:所述第一斬波單元用以完成電網(wǎng)電壓正半周中單位功率因數(shù)單相AC-DC變換，并輸出穩(wěn)定的直流電壓；所述第二斬波單元用以完成電網(wǎng)電壓負半周中單位功率因數(shù)單相AC-DC變換,并輸出穩(wěn)定的直流電壓；第一斬波單兀和第二斬波單兀一備一用，工作時間為半個完整電源周期，即正半周或負半周，不工作時用于散熱； 所述第一斬波單元和所述第二斬波單元包括公共的并聯(lián)于單相電網(wǎng)的濾波電感、濾波電容、升壓電感、分流電阻和并聯(lián)于直流輸出端的電解電容，所述第一斬波單元還包括第一常規(guī)二極管、第一快恢復二極管和第一功率開關，第二斬波單元還包括第二常規(guī)二極管、第二快恢復二極管和第二功率開關，從而構成一個不可分割的電力電子變換器；其中: 所述濾波電感的一端與單相交流電源的火線相連、另一端與升壓電感和濾波電容的一端相連，升壓電感的另一端與第一快恢復二極管的陽極、第二常規(guī)二極管的陰極、第二功率開關的發(fā)射極相連，形成公共點ACL ;濾波電容的另一端與單相交流電源的零線、第二快恢復二極管的陽極、第一常規(guī)二極管的陰極、第一功率開關的發(fā)射極相連，形成公共點ACN ； 所述第一快恢復二極管的陰極與第二快恢復二極管的陰極連接后與分流電阻的一端相連，分流電阻的另一端與第一功率開關的集電極、第二功率開關的集電極、電解電容的正極相連，形成直流輸出正極DCP;第一常規(guī)二極管的陽極、第二常規(guī)二極管的陽極連接后，形成直流輸出負極DCN。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種共陰極半橋功率因數(shù)校正電路，其特征在于，所述第一斬波單元與所述第二斬波單元中的第一功率開關、第二功率開關的門極分別接受來自控制電路的驅(qū)動脈沖，分別在電網(wǎng)電壓正半周、負半周中斬波工作，在網(wǎng)側得到單位功率因數(shù)，在輸出端得到穩(wěn)定的直流電壓，為后級負載供電，完成單相功率因數(shù)校正。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的一種共陰極半橋功率因數(shù)校正電路，其特征在于，在單相電網(wǎng)電壓正半周，所述第一斬波單元工作，實現(xiàn)功率因數(shù)校正，所述第二斬波單元待機；當?shù)谝还β书_關導通時，通過交流電源、濾波電感與濾波電容的濾波電路、升壓電感、第一快恢復二極、分流電阻、第一功率開關構成回路，濾波電容兩端電壓近似正弦半波電壓，升壓電感儲存能量；當?shù)谝还β书_關關斷時，通過交流電源、濾波電感與濾波電容的濾波電路、升壓電感、第一快恢復二極管、分流電阻、電解電容、第一常規(guī)二極管構成續(xù)流路徑，濾波電容兩端電壓近似正弦半波電壓，升壓電感釋放能量；通過控制電路控制第一功率開關導通欲關斷規(guī)律以及濾波電感、濾波電容的濾波作用，獲得穩(wěn)定的直流電壓和網(wǎng)側單位功率因數(shù)。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的一種共陰極半橋功率因數(shù)校正電路，其特征在于，在單相電網(wǎng)電壓負半周，所述第二斬波單元工作，實現(xiàn)功率因數(shù)校正，所述第一斬波單元待機；當?shù)诙β书_關導通時，通過升壓電感、濾波電感與濾波電容的濾波電路、交流電源、第二快恢復二極管、分流電阻、第二功率開關構成回路，濾波電容兩端電壓近似正弦半波電壓，升壓電感儲存能量；當?shù)诙β书_關關斷時，通過升壓電感、濾波電感與濾波電容的濾波電路、交流電源、第二快恢復二極管、分流電阻、電解電容、第二常規(guī)二極管構成續(xù)流路徑，濾波電容兩端電壓近似正弦半波電壓，升壓電感釋放能量；通過控制電路控制第二功率開關導通欲關斷規(guī)律以及濾波電感、濾波電容的濾波作用，獲得穩(wěn)定的直流電壓和網(wǎng)側單位功率因數(shù)。
【文檔編號】H02M1/42GK103916003SQ201410124400
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年3月28日 優(yōu)先權日:2014年3月28日
【發(fā)明者】楊喜軍, 馮瑞昀, 王乾, 唐厚君 申請人:上海交通大學