一种带迟滞比较功能的整流器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种带迟滞比较功能的整流器，包括主电路、检测电路和控制电路，主电路与负载相连，控制电路包括依次串接的滞环比较单元、信号处理单元、处理器、功率管驱动单元，检测电路的输入端与主电路相连，检测电路的输出端与滞环比较单元的输入端相连，功率管驱动单元的输出端与主电路相连。检测电路采集整流器三相输入端的电流值、直流输出侧的电压值以及直流侧上下两电容的电压值并送入滞环比较单元，滞环比较单元输出信号至处理器，得到功率开关管的开关信号，功率管驱动单元驱动开关管通断，达到稳定输出电压、平衡中点电压的目的，具有简单易实现、控制效果好的特点。
【专利说明】
一种带迟滞比较功能的整流器
技术领域
[0001] 本实用新型涉及电力电子技术领域，特别涉及一种带迟滞比较功能的整流器。
【背景技术】
[0002] 目前很多电力电子装置在电能变换应用方面给人们带来了许多便利，但同时也带 来了严重的谐波和无功污染，若能够减小输入电流谐波含量，则对改善整流器的性能、提高 系统的功率因数具有非常重要的意义。因此，研究高功率因数和低谐波的整流装置已成为 电力电子领域一个热门方向。VIENNA整流器具有功率因数高、输入电流Thdi低、开关器件 少、可靠性高等优点，对其深入研究具有很重要的意义。传统VIENNA整流器存在中点波动的 问题，中点波形会带来谐波，故研究一种平衡中点电压的控制方法尤为迫切。
【发明内容】
[0003] 为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种结构简单、能平衡中点电压的带迟 滞比较功能的整流器。
[0004] 本实用新型解决上述问题的技术方案是：一种带迟滞比较功能的整流器，包括主 电路、检测电路和控制电路，所述主电路与负载相连，所述控制电路包括依次串接的滞环比 较单元、信号处理单元、处理器、功率管驱动单元，所述检测电路的输入端与主电路相连，检 测电路的输出端与滞环比较单元的输入端相连，所述功率管驱动单元的输出端与主电路相 连。
[0005] 上述带迟滞比较功能的整流器中，所述主电路包括依次串接的三相输入单元、光 耦隔离单元、整流滤波单元、降压单元，降压单元与负载相连。
[0006] 上述带迟滞比较功能的整流器中，所述检测电路包括三相电压采样单元、三相电 流采样单元和直流输出采样单元，所述三相电压采样单元的输入端与光親隔离单元的输出 端相连，三相电压采样单元的输出端与滞环比较单元的输入端相连，三相电流采样单元的 输入端与光耦隔离单元的输出端相连，三相电流采样单元的输出端与滞环比较单元的输入 端相连，直流输出采样单元的输入端与降压单元的输出端相连，直流输出采样单元的输出 端与滞环比较单元的输入端相连。
[0007] 上述带迟滞比较功能的整流器中，所述控制电路还包括过电压检测单元和过电流 检测单元，所述过电压检测单元的输入端与三相电压采样单元的输出端相连，过电压检测 单元的输出端与处理器相连，过电流检测单元的输入端与三相电流采样单元的输出端相 连，过电流检测单元的输出端与处理器相连。
[0008] 上述带迟滞比较功能的整流器中，所述信号处理单元与处理器之间还设有信号钳 位保护单元。
[0009] 本实用新型的有益效果在于:本实用新型的检测电路采集整流器三相输入端的电 流值、直流输出侧的电压值以及直流侧上下两电容的电压值，然后将采集到的输出电压值、 输入侧的电流值、直流侧上下电容的电压值送入滞环比较单元，最后滞环比较单元输出信 号至处理器，得到功率开关管的开关信号，功率管驱动单元驱动开关管通断，达到稳定输出 电压、平衡中点电压的目的，具有简单易实现、控制效果好的特点。
【附图说明】
[0010]图1为本实用新型的结构框图。
[0011] 图2为图1中主电路的拓扑结构图。
[0012] 图3为图1中三相电压采样单元的电路图。
[0013]图4为图1中二相电流米样单兀的电路图。
[0014] 图5为图1中直流输出采样单元的电路图。
[0015] 图6为图1中滞环比较单元的电路图。
[0016] 图7为本实用新型滞环控制下的不同工作状态图示意。
[0017] 图8为本实用新型直流侧输出电压、网侧相电压电流仿真波形图。
[0018] 图9为本实用新型直流输出侧两电容两端电压的仿真图。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。
[0020] 如图1所示，本实用新型包括主电路、检测电路和控制电路。
[0021] 所述主电路包括依次串接的三相输入单元、光耦隔离单元、整流滤波单元、降压单 元，降压单元与负载相连。
[0022] 所述控制电路包括依次串接的滞环比较单元、信号处理单元、信号钳位保护单元、 处理器、功率管驱动单元，处理器采用DSP控制器，所述检测电路的输入端与主电路相连，检 测电路的输出端与滞环比较单元的输入端相连，所述功率管驱动单元的输出端与降压单元 相连。所述控制电路还包括过电压检测单元和过电流检测单元，所述过电压检测单元的输 入端与三相电压采样单元的输出端相连，过电压检测单元的输出端与处理器相连，过电流 检测单元的输入端与三相电流采样单元的输出端相连，过电流检测单元的输出端与处理器 相连。
[0023]所述检测电路包括三相电压采样单元、三相电流采样单元和直流输出采样单元， 所述三相电压采样单元的输入端与光耦隔离单元的输出端相连，三相电压采样单元的输出 端与滞环比较单元的输入端相连，三相电流采样单元的输入端与光耦隔离单元的输出端相 连，三相电流采样单元的输出端与滞环比较单元的输入端相连，直流输出采样单元的输入 端与降压单元的输出端相连，直流输出采样单元的输出端与滞环比较单元的输入端相连。 [0024]图2为主电路拓扑结构图，其中Ua、Ub、Uc为三相交流输入电压，Ls为输入电感，Sa、 313、3〇为功率型器件1]1〇8€61:，01、04为4相桥臂的上下两二极管，02、05为13相桥臂的上下两二 极管，D3、D6为C相桥臂的上下两二极管，C1、C2为输出端上下两电容，R1、R2为并联在C1、C2 两端起均压作用的两均压电阻，Udc为直流侧输出电压，Rout为负载电阻。
[0025]图3为本实用新型三相电压采样单元的电路图，其中三相输入电压U相通过电阻 R11与R12串联接地，通过设置R11与R12的阻值使得R12分压得到η倍(n〈l)U相电压，作为第 一个LF353MX运放的输入信号，由于U相电压中含有高频谐波，故在其输入之前加入电容C11 与电阻R13构成RC滤波器，滤除掉从市电夹杂的干扰信号，LF353MX运放通过一个+5V和一 个-5V供电，电容C12和C13同样是滤波，第一个运放LF353MX的作用就是电压跟随隔离，由于 DSP芯片能识别的电压范围为0-3，3V，故在输入DSP芯片之前需要做处理，由于此时的R14的 左端信号为一个峰值小于3V的正弦信号，信号有负值，此时通过加入+3V电压将其最低点拉 高到零值之上，此时得到一个在X轴上方的正弦信号波，第二个运放LM353MX同样是跟随隔 离的作用，电阻R16与电容C14构成RC滤波，得到最后信号供DSP芯片识别处理。
[0026] 图4为本实用新型三相电流采样单元的电路图，其中在U相输入线中串联一个功率 电阻(分流器），功率电阻两端分别标号为U1和U2，+5V为HCPL-7840-300E芯片供电，电容C21 与C23为+5V供电电源滤波，使得芯片工作更加稳定，电阻R21与电容C22串联接地形成RC滤 波器，HCPL-7840-300E芯片起到的作用是一个光耦隔离和一个信号放大的作用，信号放大 倍数为8倍，电阻R24与电容C24构成RC并联滤波器，电阻R22、R23、R25为第一个运放LF353MX 构成差分放大器的放大倍数，放大倍数为R25/R23(R22)，电容C25、C26、C27都是滤波电容， 第二个运放LF353MX的作用是电压跟随，同时也起到隔离的作用，由于DSP芯片能识别的电 压范围为0-3，3V，故在输入DSP芯片之前需要做处理，由于此时的R27的左端信号为一个峰 值小于3V的正弦信号，信号有负值，此时通过加入+3V电压将其最低点拉高到零值之上，此 时得到一个在X轴上方的正弦信号波，电阻R29与电容C28构成RC滤波器，第三个运放 LM353MX的作用是信号跟随与隔离，电容C29与电容C210为其运放的供电滤波电容，电阻 R21 〇与电容C211构成RC滤波器，滤除输出信号的高频干扰信号。
[0027] 图5为本实用新型直流输出采样单元的电路图，其中电容C31并联在输出电压Udc 与地之间，滤除输出电压中夹杂的干扰信号，电容C32与电阻R33构成RC滤波器，电阻R31、 R32、R34构成运放LF353MX的差分信号的放大倍数，放大倍数为R4/R1 (R2)，将此大电压通过 适当的放大倍数（放大倍数小于1)得到一个0-3.3V之间的信号，电容，34、C35为运放 LF353MX的+5V供电电源的滤波电容，电阻R35与电容C36构成RC滤波器，滤除最后输出的信 号的高频干扰。
[0028] 图6为本实用新型滞环比较单元的电路图，其中Aia为通过电压外环、电流内环、 中点电压补偿处理后得到最终信号，LM393为比较器，上面比较器的+端与下面的比较器的-端连接在一起，构成滞环比较器的输入端，电阻R41、R43,电阻R42、R44构成了滞环比较器的 滞环上限大小和滞环下限大小，通过SR触发器从Q端输出，此信号构成或非门MC14081BDR2G 的一个输入，另一个输入由通过锁相环处理三相输入电压得到的跟随三相电压动态的波形 信号，最后得到功率开关管的驱动信号。
[0029]本实用新型的工作原理如下：
[0030]步骤一:检测电路采集整流器输入侧三相电流、输出侧直流电压及输出侧上下两 电容的电压值；
[0031] 步骤二:利用输出侧直流电压作为反馈与基准电压作比较得到的差值作为电压外 环PI控制信号，再将此控制信号做处理输入电流内环，同时通过采集到的三相输入电流也 作为电流内环控制的输入信号，此外，由于需要考虑中点电压平衡，引入输出侧两电容的电 压值作差后再作比例放大处理、限幅处理后输入电流内环控制，电流内环控制器输出信号 即为功率开关管Mosfet的开关信号。达到的效果输出电压稳定，中点电压平衡。
[0032] 步骤二具体过程为:采用典型Π 型系统来设计电压外环控制器，得到电压外环传 递函数Gs，
[0033]
[0034] 上式中T为元器件的惯性时间常数，KdPI调节器的的比例参数，ΚΑΡΙ调节器的 积分参数，C为电压输出端电容的值，S为复参数。
[0035] 而中频宽定义为：
[0036]
[0037]综合考虑电压外环的抗扰性能和跟随性能，工程实践中一般取值hv=5。
[0038] 由典型Π 型系统控制器参数整定关系可得：
[0039]
[0040] 惯性时间常数T取值为1.78X 10_8,电容C的取值为2mF。
[0041] 电流内环控制采用一个非线性的滞环比较单元作为控制调节器，滞环控制的环宽 度h的选取需要综合考虑电网侧谐波和开关的频率，h的值越小，网侧电流的谐波虽减小，但 开关频率高，由于受器件性能限制，开关频率不能太高，需要适当选取，一般h的值选取如下 公式：
[0042] h>Udc*T/(18L)
[0043] 上式中：T为采样周期;L为输入电感。
[0044]考虑中点电压平衡，引入额外参数icp = k*AUc，Uc为输出两串联电容的差值，k为 补偿系数，得到滞环比较的开关逻辑表达式如下：
[0045]
[0046]
[0047]式中分别表示为a相、b相、c相的开关状态，k表示为采样到的输 入电流，ξ表示为经电压外环整定后的参考电流，h表示为滞环宽度。
[0048] 图7为滞环控制下的不同工作状态，（l)Ua>0时，当(/>')'> A时，上比较器输 出端为〇,下比较器输出端为1，即SR触发器S = 0，R=1，得到Q=1，Q为输入开关管开关信号， 艮PS=1，开关管开通；当+')-& </*时，上比较器输出端为1，下比较器输出端为0,即SR触 发器S=1，R = 0,得至UQ = 0，Q为输入开关管开关信号，即S = 0,开关管关断；当的 值处于_h与h之间时，s上比较器输出端为0,下比较器输出端为0,即SR触发器S = 0，R = 0,此 时为保持状态，输出保持上一时刻的值。
[0049] 该开关逻辑从VIENNA拓扑结构上分析可以清晰的得到各个状态的电流流向，以A 相为例进行说明，规定电流正方向为流入开关管的方向，分析如下：
[0050] (l)Ua>0时，开关管51导通，开关管&的反向并联二极管导通，此时电感储能，电感 电流增大，当增大到滞环上限值(? A时，开关管31关断，电感通过桥臂上桥臂二极管 对心充电并对负载供电，此时电感电流减小，当减小到滞环下限值々时，Si重新导 通。
[0051] (2)Ua<0时，开关管&导通，开关管&的反向并联二极管导通，此时电感储能，电感 电流减小，当减小到滞环下限值〇>以4时，开关管&关断，电感通过桥臂上桥臂二极管对 C2充电并对负载供电，此时电感电流增大，当增大到滞环上限值々时，&重新导通。
[0052] 图8、图9为直流侧输出电压、网侧相电压电流仿真波形和直流输出侧两电容的电 压仿真波形图，由仿真波形可见，经滞环控制后，电流总谐波含量THD = 2.23%，网侧功率因 数PF = 99.93%，输入线电压相电流波形跟随基本一致。输出侧两电容电压近似相同，控制 效果较好。
【主权项】
1. 一种带迟滞比较功能的整流器，其特征在于:包括主电路、检测电路和控制电路，所 述主电路与负载相连，所述控制电路包括依次串接的滞环比较单元、信号处理单元、处理 器、功率管驱动单元，所述检测电路的输入端与主电路相连，检测电路的输出端与滞环比较 单元的输入端相连，所述功率管驱动单元的输出端与主电路相连。2. 根据权利要求1所述的带迟滞比较功能的整流器，其特征在于:所述主电路包括依次 串接的三相输入单元、光親隔离单元、整流滤波单元、降压单元，降压单元与负载相连。3. 根据权利要求2所述的带迟滞比较功能的整流器，其特征在于:所述检测电路包括三 相电压采样单元、三相电流采样单元和直流输出采样单元，所述三相电压采样单元的输入 端与光耦隔离单元的输出端相连，三相电压采样单元的输出端与滞环比较单元的输入端相 连，三相电流采样单元的输入端与光親隔离单元的输出端相连，三相电流采样单元的输出 端与滞环比较单元的输入端相连，直流输出采样单元的输入端与降压单元的输出端相连， 直流输出采样单元的输出端与滞环比较单元的输入端相连。4. 根据权利要求3所述的带迟滞比较功能的整流器，其特征在于:所述控制电路还包括 过电压检测单元和过电流检测单元，所述过电压检测单元的输入端与三相电压采样单元的 输出端相连，过电压检测单元的输出端与处理器相连，过电流检测单元的输入端与三相电 流采样单元的输出端相连，过电流检测单元的输出端与处理器相连。5. 根据权利要求4所述的带迟滞比较功能的整流器，其特征在于:所述信号处理单元与 处理器之间还设有信号钳位保护单元。
【文档编号】H02M1/42GK205622535SQ201620434345
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年5月12日
【发明人】唐勇奇, 卿腾, 赵怀阳, 林轩, 陈丽娟
【申请人】湖南工程学院