專利名稱：單相半橋倍壓整流pfc電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種電力電子技術領域的AC-DC變換器，具體是一種能夠輸出倍壓的單相半橋倍壓整流PFC電路。
背景技術：
隨著電力電子技術的發展，越來越多的電力電子設備接入電網運行，電網諧波電流問題越來越嚴重。對諧波電流的發生原理及其抑制大量的研究，促進了功率因數校正 (PFC)技術的快速發展。其中單相有源PFC技術逐漸成熟，但是傳統的單相PFC技術適合輸入電壓較高，否則將導致升壓電感的體積和功率器件的損耗較大，在此背景下，本發明提出了一種單相半橋倍壓整流PFC電路，可以在低輸入交流電壓時，完成單位功率因數控制和高直流電壓輸出。為了完成升壓環節，可以采用升降壓型斬波電路、Ctik斬波電路，也可以采用 BOOST升壓電路。BOOST電路具有結構簡單，控制方便等優點，是升壓環節采取的首選方案之一。為了實現整流環節，同時實現阻抗變換，可以采用功率因數校正電路。傳統的有源 PFC校正器采用不可控整流橋方案，只適應輸入電壓足夠高的情況，否則輸入電壓較低時， 會增加功率器件的應力，從而產生過熱和增加成本。綜上所述，較低單相交流電壓輸入時，傳統的單相整流電路對功率器件要求高，成本較高，不能應用于低交流電壓輸入-高壓直流輸出的應用場合，傳統的功率因數控制電路出現了較大的局限性。隨著實踐應用的擴大，設計一種結構簡單、功能全面、高輸入功率因數且能低壓交流輸入-高壓直流輸出的電路已是本領域技術人員的當務之急。
發明內容
本發明針對現有技術的上述不足，提出了一種單相半橋倍壓整流PFC電路，使其實現低壓交流-高壓直流變換，具有線性阻抗，結構簡單，控制容易和成本低廉的優點。本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括功率電路、檢測電路和控制電路，其中功率電路的輸出端與檢測電路的輸入端相連，檢測電路的輸出端與控制電路的輸入端相連。所述的功率電路包括依次級聯的升壓電路和整流電路。所述的升壓電路為BOOST型升壓電路，結構為升壓電感、檢流電阻和一組雙向開關，并聯在交流電源的火線與零線之間，升壓電感的一端與交流電源火線相連，另一端與升壓電路中雙向開關的一端和整流電路的一個輸入端相連，升壓電路中雙向開關的另一端與檢流電阻的一端和整流電路的另一個輸入端相連，檢流電阻的另一端與交流電源零線相連；所述的整流電路的結構為兩個二極管、兩個電容和兩個電阻構成的橋式整流電路，分別稱為二極管橋臂和電容橋臂，第一二極管與第二二極管順次串聯，構成二極管橋臂，該橋臂中點作為一個輸入端與升壓電路中升壓電感和雙向開關的公共端相連。第一電容與第二電容順次串聯，構成電容橋臂，該橋臂中點作為另一個輸入端與升壓電路中雙向開關和檢流電路中電流互感器初級繞組的公共端相連。第一二極管的陰極與第一電容的正極和第一電阻的一端相連后作為直流輸出的正極，第二二極管的陽極與第二電容的陰極和第二電阻的一端相連后作為直流輸出的負極，第一電阻的另一端與第二電阻的一端相連后與電容橋臂的中點相連；所述的BOOST型升壓電路的兩個輸出端分別與橋式整流電路的兩個橋臂的中點相連，整流電路的輸出端輸出直流電壓。所述的檢測電路為三個單獨存在的輸入電壓的檢零電路、功率電路的檢流電路和輸出電壓的檢壓電路。檢零電路的兩個輸入端分別連接交流電源的兩個輸出端，檢流電路的兩個電流互感器的輸入端串聯在交流零線上，檢壓電路的兩個輸入端分別連接整流橋的正極輸出端和電容橋臂的中點。所述的控制電路包括PFC控制器。PFC控制器的輸入端與檢測電路的四個輸出端相連，輸出端與雙向開關的控制端相連。本發明單相半橋倍壓整流PFC電路檢零電路負責檢測網壓過零點，為控制電路提供網壓過零信息，輔助判斷網壓的同步信號；檢流電路負責檢測升壓電感的電流，用于控制電路中PFC控制算法的電流閉環控制；檢壓電路可以得到輸出總電壓和電容橋臂下臂的電壓，通過相減還可以得到電容橋臂上臂的電壓，用于控制電路中PFC控制算法的電壓閉環控制。控制電路在獲得上述過零、電流與電壓信息就可以采用各種PFC控制算法去實現 PFC的控制，最終產生PWM驅動脈沖，驅動功率電路中升壓電路的雙向功率開關，使之按照一定規律通斷，實現PFC的基本功能，即穩定輸出電壓和獲得單位輸入功率因數。本發明根據倍壓整流電路可以在低輸入交流電壓的情況下，獲得是一般整流電路輸出電壓二倍的原理下，制定了倍壓整流PFC電路，可以實現靈活的、可靠的調壓能力和獲得線性輸入阻抗，克服輸入電壓過低引起的對升壓電感、功率器件的苛刻要求，適合低壓交流輸入-高壓直流輸出的各種應用場合。功率電路設計簡單，控制方便，具有重要的應用價值。本發明倍壓整流PFC電路具有設計結構新穎、通用性強等特征，同時具有結構簡單、成本低等優點。
圖1為本發明實施例1的電路原理圖。
具體實施例方式下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例以本發明技術方案為前提進行，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。實施例1如圖1所示，本實施例提供一種單相半橋倍壓整流PFC電路，包括功率電路、檢測電路和控制電路6，功率電路的輸出端為直流電壓，檢測電路的輸入端與功率電路的電壓、 電流信號相連，檢測電路的輸出端與控制電路的輸入端相連，控制電路的輸出端與功率電路中功率開關的門極相連。
所述的功率電路包括依次級聯的升壓電路1、整流電路2。升壓電路的輸出端與整流電路的兩個橋臂的中點相連，整流電路的輸出端DCP和DCN輸出直流電壓。所述的升壓電路1為BOOST型升壓電路，包括電感Li、雙向開關Sl和檢流電阻 R19，升壓電感Ll的一端與交流電源火線ACL相連，另一端與雙向開關Sl的一端和整流電路2的一個輸入端相連，雙向開關Sl的另一端與檢流電阻R19的一端和整流電路2的另一個輸入端相連，檢流電阻R19的另一端與交流電源零線相連；所述的電感Ll為非晶體材料，感值為lmH。所述的雙向開關是由兩個逆導開關共射極串聯組成，該雙向開關的門極接受PWM 脈沖控制信號。所述的逆導開關為IGBT 600V/50A/100°C，共射極逆導開關的PWM驅動脈沖根據閉環控制結果可調，開關頻率為20kHz。所述的整流電路2是由兩個二極管、兩個電容和兩個電阻組成的整流電路，第一二極管Dl與第二二極管D2順次串聯，構成二極管橋臂，該橋臂中點作為一個輸入端與升壓電路1中升壓電感Ll和雙向開關Sl的公共端相連。第一電容El與第二電容E2順次串聯，構成電容橋臂，該橋臂中點作為另一個輸入端與升壓電路1中雙向開關Sl和檢測電路的檢流電路4中電流互感器Ml初級繞組的公共端相連。第一二極管Dl的陰極與第一電容 El的正極和第一電阻Rl的一端相連后作為直流輸出的正極DCP，第二二極管D2的陽極與第二電容E2的陰極和第二電阻R2的一端相連后作為直流輸出的負極DCN，第一電阻Rl的另一端與第二電阻R2的一端相連后與電容橋臂的中點相連；所述的二極管D1、D2為反向快恢復二極管，其反向耐壓值為600V/35A/100°C。所述的電解電容El、E2為鋁電解電容分別為3300yF/330V。所述的第一和第二電阻Rl、R2為普通電阻，阻值為50k Ω/2W。所述的檢測電路包括獨立存在的檢零電路3、檢流電路4、檢壓電路5。所述的檢零電路3包括六個電阻、四個二極管、一個電容和一個運算放大器，它的輸出端為CAP信號。 所述的第三電阻R3、第四電阻R4、第六電阻R6、第七電阻R7為普通插件電阻，阻值為 200k Ω。所述的第五電阻R5、第八電阻R8為普通電阻，阻值為IkQ。所述的第三到第六二極管D3、D4、D5、D6為普通二極管，反向耐壓值800V。所述的電容Cl為普通電容，0. lyF/63V。所述的運算放大器Al為普通運放，如TLC2272。所述的檢流電路4包括六個電阻、一個二極管、三個電容、一個電流互感器、一個運算放大器，它的輸出端為控制電路的一個輸入端。所述的第九到第十三電阻R9、R10、R11、R12、R13為普通電阻，阻值為IOkQ。所述的第十四電阻R14為普通電阻，阻值為IkQ。所述的第七二極管D7為普通二極管，反向耐壓值為700V。所述的第二到第四電容C2、C3、C4為普通電容，0. lyF/63V。所述的電流互感器Ml為電流互感器，匝比為200 1。所述的運算放大器為普通運放，如TLC2272。
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所述的檢壓電路5包括八個電阻、四個電容，它的輸出端為控制電路的兩個輸入端。所述的第十五電阻R15、第十六電阻R16、第十九電阻R19、第二十電阻R20為普通插件電阻，阻值為200k Ω。所述的第十七電阻R17、第十八電阻R18、第二i^一電阻R21、第二十二電阻R22為普通電阻，阻值為IkQ。所述的第五到第八電容05、06丄7、08為普通電容，0.1“？/63￥。所述的控制電路6的輸入端是與檢測電路的輸出端相連，輸出端與逆導開關的控制端相連。本實施例中，額定輸入交流電壓為110V，輸出直流電壓為380V，額定輸出功率為 2. 2kW，所有元器件均采用高精度。本實施例能夠實現高電壓輸入和更大的功率輸出。本實施例通過以下方式工作檢零電路3輸入端分別與電源端子相連，電源兩端電壓分別經過第三電阻、第四電阻和第六電阻、第七電阻分別與第五電阻和第八電阻進行分壓，第五電阻和第八電阻公共端接地，得到較小正弦電壓，第一濾波電容從第五電阻和第八電阻上取出該電壓信號，施加到一組反向并聯的第三二極管和第四二極管上，則可獲得為幅值不超過二極管正向壓降的交變電壓，此電壓方向隨著電源過零發生改變，則第一運算放大器兩個輸入端的電壓為二極管的導通電壓，正負與第一濾波電容兩端電壓方向一致，當電源電壓經過零點變化時， 第一運算放大器輸出電壓方向改變，完成檢零的目的。第五二極管和第六二極管構成保護電路，使得檢零電路輸出電壓處于安全范圍內。檢流電路4是通過電流互感器將功率電路的電流信號無影響的提取出來，此電流信號經過第九電阻、第十電阻和第十一電阻的分流電路轉化成電壓信號，該電壓信號經過由第二運算放大器構成的比例放大器傳輸到輸出側，并經過第十四電阻轉化為電流信號。 第二濾波電容、第三濾波電容濾除高次諧波，第四濾波電容和第七二極管構成保護電路。檢壓電路5的輸入端與功率電路電容橋臂、正極輸出端相連，構成兩個結構完全一致的電路。第十五電阻、第十六電阻和第十七電阻構成分壓電路，檢測電容橋臂下橋臂的電壓，輸入到控制電路的第二采樣輸入端。第十九電阻、第二十電阻和第二十一電阻構成分壓電路，檢測整流電路正極輸出端電壓，輸入到控制電路的第三采樣輸入端。第五濾波電容、第六濾波電容、第七濾波電容和第八濾波電容具有濾除輸出電壓中高頻分量的作用。控制電路6對檢測的電壓信號、電流信號進行閉環控制，通過采用經典的PFC控制算法或者其它PFC控制算法，產生高頻PWM脈沖控制信號，通過PWM端口控制功率電路中升壓電路的雙向開關開通與關斷，最終使得整流電路輸出穩定的直流電壓，同時使得網側呈現單位功率因數特征。在電源正半周，雙向開關導通時，電源向升壓電感充能，第一電解電容、第二電解電容向負載釋放能量；雙向開關關斷時，電源、電感和第二電解電容釋放能量， 對第一電解電容充電，并向負載提供輸出功率，其中第二電解釋放能量較慢。在電源負半周，雙向開關導通時，電源向升壓電感充電，第一電解電容、第二電解電容向負載釋放能量； 雙向開關關斷時，電源、電感和第一電解電容釋放能量，對第二電解電容充電，并向負載提供能量。第一電阻和第二電阻為能耗電阻，起到均壓作用。通過控制系統合理控制雙向開關的通斷時間，即可PFC的功能。本發明單相半橋倍壓整流PFC電路檢零電路負責檢測網壓過零點，為控制電路提供網壓過零信息，輔助判斷網壓的同步信號；檢流電路負責檢測升壓電感Ll的電流，用于控制電路中PFC控制算法的電流閉環控制；檢壓電路可以得到輸出總電壓和電容橋臂下臂的電壓，通過相減還可以得到電容橋臂上臂的電壓，用于控制電路中PFC控制算法的電壓閉環控制。控制電路在獲得上述過零、電流與電壓信息就可以采用各種PFC控制算法去實現PFC的控制，最終產生PWM驅動脈沖，驅動功率電路中升壓電路的雙向功率開關，使之按照一定規律通斷，實現PFC的基本功能，即穩定輸出電壓和獲得單位輸入功率因數。上述檢測電路非常適合由兩個二極管以及兩個電容構成的橋式整流電路進行倍壓整流，適合較低交流輸入電壓情況。同時整個電路非常簡單，直接檢測電量和被控電量較少，控制器設計也并不復雜，已獲得仿真分析和實驗初步驗證。而現有的幾種方案的共同不足不適合低交流電壓輸入，功率器件的應力和損耗功率較大，成本較高。盡管本發明的內容已經通過上述優選實例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應該被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容后，對于本發明的多種修改和替代都是顯而易見的。因此，本發明的保護范圍應由所附的權利要求來限定。
權利要求
1.一種單相半橋倍壓整流PFC電路，包括功率電路、檢測電路和控制電路，其中功率電路輸出端與檢測電路輸入端相連，檢測電路輸出端與控制電路輸入端相連，功率電路的過零、電壓、電流信號通過檢測電路傳至控制電路，其特征在于所述的功率電路包括依次級聯的升壓電路和整流電路，所述的升壓電路為BOOST型升壓電路；所述的整流電路是由兩個二極管、兩個電容和兩個電阻構成的橋式整流電路，分別稱為二極管橋臂和電容橋臂，第一二極管與第二二極管順次串聯，構成二極管橋臂，該橋臂中點作為一個輸入端與升壓電路中升壓電感和雙向開關的公共端相連；第一電容與第二電容順次串聯，構成電容橋臂，該橋臂中點作為另一個輸入端與升壓電路中雙向開關和檢流電路中電流互感器初級繞組的公共端相連；第一二極管的陰極與第一電容的正極和第一電阻的一端相連后作為直流輸出的正極，第二二極管的陽極與第二電容的陰極和第二電阻的一端相連后作為直流輸出的負極，第一電阻的另一端與第二電阻的一端相連后與電容橋臂的中點相連；所述的BOOST型升壓電路的兩個輸出端分別與橋式整流電路的兩個橋臂的中點相連， 整流電路的輸出端輸出直流電壓。
2.根據權利要求1所述的單相半橋倍壓整流PFC電路，其特征是，所述的BOOST型升壓電路并聯在交流電源的火線與零線之間，包括升壓電感、檢流電阻和一組雙向開關，其中升壓電感的一端與交流電源火線相連，另一端與雙向開關的一端和整流電路的一個輸入端相連，雙向開關的另一端與檢流電阻的一端和整流電路的另一個輸入端相連，檢流電阻的另一端與交流電源零線相連。
3.根據權利要求1所述的單相半橋倍壓整流PFC電路，其特征是，所述的檢測電路為三個單獨存在的輸入電壓的檢零電路、功率電路的檢流電路和輸出電壓的檢壓電路，檢零電路的兩個輸入端分別連接交流電源的兩個輸出端，檢流電路的兩個電流互感器的輸入端串聯在交流零線上，檢壓電路的兩個輸入端分別連接整流橋的正極輸出端和電容橋臂的中點ο
4.根據權利要求1所述的單相半橋倍壓整流PFC電路，其特征是，所述的控制電路包括 PFC控制器，PFC控制器的輸入端與檢測電路的四個輸出端相連，輸出端與雙向開關的控制端相連。
5.根據權利要求1-4任一項所述的單相半橋倍壓整流PFC電路，其特征是，所述檢零電路負責檢測網壓過零點，為控制電路提供網壓過零信息，輔助判斷網壓的同步信號；檢流電路負責檢測升壓電感的電流，用于控制電路中PFC控制算法的電流閉環控制；檢壓電路得到輸出總電壓和電容橋臂下臂的電壓，通過相減還得到電容橋臂上臂的電壓，用于控制電路中PFC控制算法的電壓閉環控制；控制電路在獲得上述過零、電流與電壓信息后采用PFC 控制算法去實現PFC的控制，最終產生PWM驅動脈沖，驅動功率電路中升壓電路的雙向功率開關。
全文摘要
本發明公開一種電力電子技術領域的單相半橋倍壓整流PFC電路，包括功率電路、檢測電路和控制電路，功率電路電壓電流信號通過檢測電路與控制電路相連，所述的功率電路包括升壓電路和整流電路，升壓電路的兩個輸出端與整流電路的兩個橋臂的中點相連，整流電路的輸出端輸出直流電壓；檢測電路檢測功率電路的網壓過零、電感電流和輸出電壓信號；控制電路的輸入端與檢測電路的輸出端相連，其輸出端與功率電路的功率開關的門極相連。本發明輸出穩定的直流電壓，同時產生單位輸入功率因數，實現靈活的調壓能力和獲得線性輸入阻抗，且可在較低的輸入電壓情況下，獲得更高的輸出電壓，降低功率器件的功率損耗及耐壓等級，通用性強，結構簡單、成本低。
文檔編號H02M5/293GK102545578SQ201110442460
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月26日 優先權日2011年12月26日
發明者李華武, 楊喜軍, 馬紅星 申請人:上海交通大學