專利名稱：半主動式有源功率因數校正器及校正方法
技術領域：
本發明涉及電力電子技術領域，尤其涉及功率因數校正器及校正方法。
技術背景目前功率因數校正器(Power Factor Correction, PFC)主要采取被動式和主 動式兩種方案。被動式PFC主要采用工頻電抗器和電容這兩類器件的組合，來達到抑制諧 波電流、提高功率因素的目的。該方法的優勢在于成本低、可靠性高。但其功 率因數校正的效果有限，在使用過程中還會在電感上產生比較大的壓降，影響 后面整流后的直流母線電壓，特別是在電流比較大的時候其電壓降更加厲害。如圖1所示，主動式PFC主要采用高頻電感和高速功率器件(如IGBT或 MOSFET等)，并通過對電流和電壓的閉環控制達到抑制諧波電流、提高功率因 數的目的。該方法效果最好，功率因數可以達到99%以上，電流的諧波含量也 可以抑制在10%以下，且輸出電壓穩定。但由于使用了高頻電感和高速功率器 件，其最大的不足就是EM (電磁干擾，Electromagnetic Interference簡稱EMI) 問題處理比較麻煩，濾波器設計復雜成本高，同時其本身使用的高頻電感成本 也較高；另外控制復雜，調試難度大。發明內容本發明的目的是針對被動式PFC在電感上壓降大的缺點和主動式PFC傳導 干擾大，成本高，控制復雜的缺點，提供一種半主動式有源功率因數校正器及 校正方法。本發明的目的是由以下技術方案實現的一種半主動式有源功率因素校正器，其特征在于，主要由第一橋式電路、第二橋式電路、工頻電感、IGBT、后級電容構成，第一橋式電路的第1端及第 3端分別連接交流電的N和L端，工頻電感設置在第一橋式電路的第3端與交流電L端，IGBT的C極和E極分別連接第一橋式電路的第2端及第4端，IGBT 的G極連接控制單元，第二橋式電路的第1端及第3端分別與第一橋式電路的 第3端及第1端連接，第二橋式電路的第2端及第4端之間連接后級電容。一種半主動式有源功率因素校正方法，基于上述半主動式有源功率因素校 正器，該方法的特征在于，在檢測到交流電壓過零以后，立即控制IGBT開通一 個或多個脈沖，對工頻電感進行充電、儲能，當IGBT閉合時，工頻電感釋放存 儲的能量到后級的電容。本發明提出的半主動式有源PFC的方案可以消除被動式PFC電感壓降大的 缺點，同時解決了主動式PFC中EMI干擾大的問題。該方案在通過國家規定的 諧波測試標準前提下，大大提高了產品的性價比。
圖1為現有主動式PFC的結構圖；圖2為本發明半主動式有源功率因數校正器的結構圖；圖3為本發明半主動式有源功率因數校正方法中采用單脈沖控制時的控制 信號波形圖；圖4為本發明半主動式有源功率因數校正方法中采用雙脈沖控制時的控制 信號波形圖；圖5為本發明半主動式有源功率因數校正方法中采用雙邊控制方式時的控 制信號波形圖。
具體實施方式
如圖2所示，本實施例提供的半主動式有源功率因素校正器主要由第一橋 式電路BR1 、第二橋式電路BR2、工頻電感、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor 絕緣柵雙極型功率管)、后級電容構成，第一橋式電路BR1的第1端及第3端分 別連接交流電的N和L端，工頻電感設置在第一橋式電路的第3端與交流電L 端，IGBT的C極和E極分別連接第一橋式電路BRl的第2端及第4端，IGBT 的G極連接控制單元(MCU或DSP)，第二橋式電路BR2的第1端及第3端分別與第一橋式電路BR1的第3端及第1端連接，第二橋式電路BR2的第2端及 第4端之間連接所述后級電容。上述半主動式有源PFC采用經典的主動式PFC的拓補結構，并借鑒BOOST 電路的特點進行設計，將工頻電感和低速IGBT組合，起到抑制諧波和補償電感 上壓降的功能，原理如下假設工頻電感兩端電壓為^r， IGBT開通時間為T。n，電感量為L，輸出電 壓為Vo，輸入電壓為Vin。貝UIGBT開通時其兩端電壓為^^3"'，(以輸入電壓的方向為正方向)。當IGBT關斷時，電感兩端的電壓立即反向，因此疊加輸入電壓對后級電容 進行充電，因此「。=已+^^，從而達到補償電感上壓降的目的。基于上述半主動式有源PFC，其進行功率因數校正的方法如下在檢測到 交流電壓過零以后，立即控制IGBT開通一個或多個脈沖，對工頻電感進行充電、 儲能，這樣增大了電流的導通角，從而抑制諧波電流，提高了功率因數；當IGBT 閉合時，工頻電感釋放存儲的能量到后級的電容，補償電感造成的壓降。下面是三種具體實現方式1 、單脈沖方案:如圖3所示，在每個周期過零后輸出 一個有效脈沖控制IGBT 開啟。通過中斷檢測到交流電壓過零信號后，控制IGBT的MCU或DSP立即根 據交流電流(Iac)的有效值計算出一個脈沖寬度(T。n)， 4=1。在固定系統 選用的電感和電容后，k值根據具體的諧波測試情況進行調整，調整到最佳狀態。2、雙脈沖控制方案如圖4所示，在每個周期過零后開通一對有效脈沖控 制IGBT，在一對脈沖中，前面一個有效脈沖屬于主脈沖，起抑制諧波和提高功 率因數的作用；另外一個有效脈沖設定得比較小，屬于輔助脈沖，對諧波電流 的影響可以忽略不計，起減小電抗器噪音的作用。通過中斷檢測到交流電壓過零信號后，控制IGBT的MCU或DSP立即根 據交流電流的有效值(Iae)計算出一個或多個主脈沖寬度(T。n)， L-Wa。(此 時多個主脈沖可能對應多個k值)。在固定系統選用的電感和電容后，k值和雙脈沖的個數根據具體的諧波測試情況進行調整，調整到最佳狀態。輔助脈沖則在選定了電感和主脈沖的k值以后根據電感的固有震動頻率來選定，該脈沖的 寬度為一固定寬度的脈沖。反過來，k值和雙脈沖個數的選取又會影響電感和電 容的選取。兩者綜合考慮以達到性價比最高。3、"雙邊"控制方案如圖5所示，在交流輸入電壓每半個正弦波周期內， 在過零后對IGBT進行固定頻率的多個脈沖控制，同時，在下一個過零到來前的 一段時間內也增加固定頻率的多個脈沖對IGBT進行控制。通過中斷檢測到交流電壓過零信號后，控制IGBT的MCU或DSP立即輸 出一串頻率固定、占空比按照一定的規律變化的控制脈沖，各脈沖的開通時間 (T。n)主要根據交流輸入電流的大小(Iac)和后級電解電容上的電壓V。與設定 輸出電壓Vde的差值(該電壓叫誤差電壓，用AV來表示)來確定r。" = </。t + fc2AV 。 其中的kl、 k2根據選用的工頻電感的感量、后級的濾波電解電容容量、系統對 輸出直流電壓的要求和實際的諧波測試數據來確定。反過來，在系統對輸出直 流電壓確定的情況下還可以適當調整kl、 k2，以使選用的電感和電容達到價格 最低，提高整個系統的性價比。以上三個控制方案還可以根據實際需要直接根據輸出電壓(V。)來控制各方 案中的有效脈沖的占空比，達到穩定輸出電壓的目的。
權利要求
1.一種半主動式有源功率因素校正器，其特征在于，主要由第一橋式電路、第二橋式電路、工頻電感、IGBT、后級電容構成，第一橋式電路的第1端及第3端分別連接交流電的N和L端，工頻電感設置在第一橋式電路的第3端與交流電L端，IGBT的C極和E極分別連接第一橋式電路的第2端及第4端，IGBT的G極連接控制單元，第二橋式電路的第1端及第3端分別與第一橋式電路的第3端及第1端連接，第二橋式電路的第2端及第4端之間連接后級電容。
2. —種半主動式有源功率因素校正方法，基于權利要求1所述半主動式有源功 率因素校正器，該方法的特征在于，在檢測到交流電壓過零以后，立即控制IGBT 開通一個或多個脈沖，對工頻電感進行充電、儲能，當IGBT閉合時，工頻電感 釋放存儲的能量到后級的電容。
3. 根據權利要求2所述的半主動式有源功率因素校正方法，其特征在于，所述 控制IGBT開通一個或多個脈沖的具體方式為單脈沖控制方式，在每個周期過零 后輸出一個有效脈沖控制IGBT開啟。
4. 根據權利要求3所述的半主動式有源功率因素校正方法，其特征在于，所述 單脈沖的脈沖寬度^-W"在固定系統選用的電感和電容后，k值根據具體的 諧波測試情況進行調整，調整到最佳狀態。
5. 根據權利要求2所述的半主動式有源功率因素校正方法，其特征在于，所述 控制IGBT開通一個或多個脈沖的具體方式為雙脈沖控制方式，在每個周期過零 后開通一對有效脈沖控制IGBT，前面一個有效脈沖屬于主脈沖，起抑制諧波和 提高功率因數的作用；另外一個有效脈沖設定得比較小，屬于輔助脈沖，起減 小電抗器噪音的作用。
6. 根據權利要求5所述的半主動式有源功率因素校正方法，其特征在于，所述 雙脈沖中主脈沖的寬度^-W"在固定系統選用的電感和電容后，k值和雙脈 沖的個數根據具體的諧波測試情況進行調整，調整到最佳狀態；輔助脈沖則在 選定了電感和主脈沖的k值以后根據電感的固有震動頻率來選定，該脈沖的寬 度為一固定寬度的脈沖。
7. 根據權利要求2所述的半主動式有源功率因素校正方法，其特征在于，所述 控制IGBT開通一個或多個脈沖的具體方式為雙邊控制方式，在交流輸入電壓每半個正弦波周期內，在過零后對IGBT進行固定頻率的多個脈沖控制，同時，在 下一個過零到來前的一段時間內也增加固定頻率的多個脈沖對IGBT進行控制。 8.根據權利要求7所述的半主動式有源功率因素校正方法，其特征在于，所述 各脈沖的頻率固定，開通時間(T。n)主要根據交流輸入電流的大小(Ia(:)和后 級電解電容上的電壓V。與設定的直流輸出電壓Vde的差值AV來確定 <formula>formula see original document page 3</formula>，其中的kl、 k2根據選用的工頻電感的感量、后級的濾波電解 電容容量、系統對輸出直流電壓的要求和實際的諧波測試數據來確定。
全文摘要
本發明涉及半主動式有源功率因素校正器及校正方法，校正器中的第一橋式電路的第1端及第3端分別連接交流電的N和L端，工頻電感設置在第一橋式電路的第3端與交流電L端，IGBT的C極和E極分別連接第一橋式電路的第2端及第4端，IGBT的G極連接控制單元，第二橋式電路的第1端及第3端分別與第一橋式電路的第3端及第1端連接，第二橋式電路的第2端及第4端之間連接后級電容。所述校正方法是在檢測到交流電壓過零以后，立即控制IGBT開通一個或多個脈沖，對工頻電感進行充電、儲能，當IGBT閉合時，工頻電感釋放存儲的能量到后級的電容。本發明消除了被動式PFC電感壓降大的缺點，同時解決了主動式PFC中EMI干擾大的問題。
文檔編號H02M1/42GK101217254SQ200810025949
公開日2008年7月9日 申請日期2008年1月21日 優先權日2008年1月21日
發明者卓森慶, 輝 張, 李文燦, 鐘明生 申請人:珠海格力電器股份有限公司