专利名称：一种双开关升压型三相功率因素矫正电路的控制方法及实现装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及功率因素矫正(PFC)技术，更具体地说，涉及一种双开关升压型三相功率因素矫正电路的控制方法及实现该方法的装置。
背景技术：
较大功率(一般几千瓦以上)的电器设备，多以三相电压作为输入，而传统的设备以二极管或晶闸管整流滤波后直接用于后级负载，产生大量的谐波，成为电网的公害。国内和国际制定了限制谐波电流的相关标准，一些行业和应用环境对谐波有更高的要求，为此， 采用以电力电子技术为基础的三相功率因素矫正技术正被越来越广泛地应用。一些全控型的三相功率因素矫正电路可以实现0.99以上的功率因素，电流总谐波失真(THD)可小于5%，如
图1表示的三相三开关升压电路，但图中的Sa、Sb、&必须是双向开关。如图2所示的三相六开关PFC电路，虽然可以实现完全控制，但电路复杂，成本高，控制也较复杂。一些半控型三相功率因素矫正电路相对简单，如图3所示的三相单开关升压型 PFC电路、图4所示的三相双开关升压型两电平PFC电路、图5所示的三相双开关升压型三电平PFC电路。其中三相双开关升压型PFC电路可以单独控制两个开关管，但已有的控制方法并不根据三相输入电压合理控制电子开关的中点电压，很难使输入电流THD达到5 % 以下。本发明设法提高双开关升压型三相功率因素矫正电路的功率因素，降低谐波电流。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明根据三相双开关升压型PFC电路的原理，提出了三相双开关升压型PFC电路的控制方法及实现装置，通过合理设计，能提高功率因素，减小电流总谐波失真。以图5所示的三相双开关升压型三电平PFC电路为例，说明本发明基本原理。这里以三相输入电压的平均值代替三相输入的理论中点电压。假设A相输入电压Vain和B 相输入电压Vbin高于三相输入的中点电压Vn，而C相输入电压Vein低于Vn，假设升压电感la、lb、Ic相同，均为In，且电路工作在DCM状态，输出电容cl和c2上电压均为Vout，开关管SOl和S02的连接点即开关管中点电压为Vsn，忽略二极管和开关管压降，开关管SOl 导通时间ton，关断时间toff，为方便计算，电压以Vn作参考点，即Vn = 0V,则A相电感电流可通过如下得到
电流峰值 _ (Vain - Vsn ) χ ton lap -In
权利要求
1.一种双开关升压型三相功率因素矫正电路的控制方法，所述的双开关升压型三相功率因素矫正电路包括第一升压电感、第二升压电感、第三升压电感、三相整流电路、第一电子开关、第二电子开关、输出整流单元、输出电容单元、脉冲控制单元；所述的第一电子开关、第二电子开关串联后并联在三相整流单元的输出端，串联连接点为电子开关的中点，第一电子开关连接到三相整流输出的正输出端，第二电子开关连接到三相整流单元的负输出端，输出整流单元与输出电容单元串联后并联在三相整流单元的输出端；当输入为无中线时，所述的两个电子开关的中点与输入三相火线之间连接有电容，当输入有中线时，所述的电子开关中点与三相输入火线之间连接有电容，或者与中线之间连接有电容，或者与三相输入和中线同时连接有电容；当所述的电子开关中点与输出电容单元的中点不连接时构成双开关两电平升压型电路，当所述两个电子开关的中点与输出电容单元的中点连接时构成双开关三电平升压电路；所述的脉冲控制单元的输入包括三相输入电压、三相输入电流、三相输入功率、功率因素矫正电路输出电压、功率因素矫正电路输出电流、功率因素矫正电路输出功率、三相整流正输出电流、三相整流负输出电流、第一电子开关电流、第二电子开关电流、输出整流电流中的部分或全部信号，脉冲控制单元对输入信号运算后得到分别控制电子开关的输出信号，连接到控制所述的两个电子开关的控制端，其特征为在电路工作时，还通过分别控制电子开关的通断来改变三相整流正输出电流和负输出电流绝对值的差值，从而控制所述电子开关的中点电压与三相输入中点电压的差值在目标范围，所述的电子开关中点电压与三相输入中点电压的差值的控制目标值设定方法为，当三相输入只有一相电压高于三相输入中点电压时，控制目标值为正值，当三相输入只有一相电压低于三相输入中点电压时，控制目标值为负值。
2.如权利要求1所述的双开关升压型三相功率因素矫正电路的控制方法，其特征是 所述的三相整流正输出电流和负输出电流的控制目标的确定方法为，三相整流正输出电流或三相整流负输出电流绝对值或三相整流正输出电流与三相整流负输出电流绝对值的加权平均值的控制目标由包括三相输入电压、三相输入电流、三相输入功率、功率因素矫正电路输出电压、功率因素矫正电路输出电流、功率因素矫正电路输出功率、三相整流正输出电流、三相整流负输出电流、第一电子开关电流、第二电子开关电流、输出整流电流中的部分或全部信号进行运算得到，三相整流正输出电流与三相整流负输出电流绝对值的差值由电子开关中点电压与三相输入中点电压的差值测量值及其控制目标值进行反馈运算得到，从而分别确定三相整流正输出电流和三相整流负输出电流绝对值的控制目标值。
3.如权利要求2所述的双开关升压型三相功率因素矫正电路的控制方法，其特征是 当三相输入只有一相电压高于三相输入中点电压时，所述的三相整流正输出电流的控制目标比例于该相电压，所述的三相整流负输出电流的控制目标由电子开关中点电压与三相输入中点电压的差值测量值及其控制目标值进行反馈运算确定，当三相输入只有一相电压低于三相输入中点电压时，所述的三相整流负输出电流的控制目标比例于该相电压，所述的三相整流正输出电流的控制目标由电子开关中点电压与三相输入中点电压的差值测量值及其控制目标值进行反馈运算确定。
4.如权利要求3所述的双开关升压型三相功率因素矫正电路的控制方法，其特征是 电子开关中点电压与三相输入中点电压的差值的控制目标值为，其频率为输入电压频率的 3倍，波形为方波、梯形波或者波形为当输入电压同极性的两相电压的差值绝对值大于某一值时，其绝对值随该差值绝对值的减小而增大或不变，当输入电压同极性的两相电压的差值绝对值小于某一值时，其绝对值随该差值绝对值的减小而减小或不变。
5.一种双开关升压型三相功率因素矫正电路，所述的双开关升压型三相功率因素矫正电路包括第一升压电感、第二升压电感、第三升压电感、三相整流电路、第一电子开关、第二电子开关、输出整流单元、输出电容单元、脉冲控制单元；所述的第一升压电感、第二升压电感、第三升压电感串联于3个三相输入和3个三相整流输入之间；所述的第一电子开关、第二电子开关串联后并联在三相整流单元的输出端，串联连接点为电子开关的中点，第一电子开关连接到三相整流输出的正输出端，第二电子开关连接到三相整流单元的负输出端， 输出整流单元与输出电容单元串联后并联在三相整流单元的输出端；当输入为无中线时， 所述的两个电子开关的中点与输入三相火线之间连接有电容，当输入有中线时，所述的电子开关中点与三相输入火线之间连接有电容，或者与中线之间连接有电容，或者与三相输入火线和中线同时连接有电容；当所述的电子开关中点与输出电容单元的中点不连接时构成双开关两电平升压型电路，当所述两个电子开关的中点与输出电容单元的中点连接时构成双开关三电平升压电路；所述的脉冲控制单元的输入包括三相输入电压、三相输入电流、 三相输入功率、功率因素矫正电路输出电压、功率因素矫正电路输出电流、功率因素矫正电路输出功率、三相整流正输出电流、三相整流负输出电流、第一电子开关电流、第二电子开关电流、输出整流电流中的部分或全部信号，所述的脉冲控制单元包括功率因素主控单元， 功率因素主控单元根据输入信号运算，得到控制电子开关的信号，输出连接到控制所述的两个电子开关的控制端，其特征为所述的脉冲控制单元还包括电子开关的中点电压与三相输入中点电压的中点差值控制单元，所述的中点差值控制单元包括中点差值基准单元、 中点差值检测单元、中点差值运算单元；所述的中点差值基准单元输入包括三相输入电压、 三相输入电流、三相输入功率、功率因素矫正电路输出电压、功率因素矫正电路输出电流、 功率因素矫正电路输出功率、三相整流正输出电流、三相整流负输出电流、第一电子开关电流、第二电子开关电流、输出整流电流中的部分或全部信号，输出为根据其输入信号运算得到中点差值基准，当三相输入只有一相电压高于三相输入中点电压时，中点差值基准为正值，当三相输入只有一相电压低于三相输入中点电压时，中点差值基准为负值；中点差值检测单元的输入为三相输入电压和电子开关中点电压，输出比例于电子开关中点电压与三相输入中点电压的差值；所述的中点差值基准单元的输出和中点差值检测单元输出为所述的中点差值运算单元的输入，中点电压运算单元进行反馈运算后得到中点差值运算的输出， 也是中点差值控制单元的输出；中点差值控制单元的输出作为所述的功率因素主控单元的内部输入，代表三相整流正输出电流与三相整流负输出电流绝对值的差值的控制目标，参与电子开关控制信号的形成。
6.如权利要求5所述的双开关升压型三相功率因素矫正电路，其特征是所述的脉冲控制单元中的功率因素主控单元包括三相整流输出电流基准单元，三相整流输出电流测量单元，电子开关脉冲形成单元；所述的三相整流输出电流基准单元包括三相整流正负输出电流加权基准单元、三相整流正输出电流基准单元、三相整流负输出电流基准单元；所述的三相整流正负输出电流加权基准单元输入包括三相输入电压、三相输入电流、三相输入功率、功率因素矫正电路输出电压、功率因素矫正电路输出电流、功率因素矫正电路输出功率、三相整流正输出电流、三相整流负输出电流、第一电子开关电流、第二电子开关电流、输出整流电流中的部分或全部信号，对其输入信号经过运算处理得到三相整流正输出电流和三相整流负输出电流绝对值的加权平均值基准，输出到三相整流正输出电流基准单元和三相整流负输出电流基准单元；三相整流正输出电流基准单元和三相整流负输出电流基准单元的输入包括三相整流正负输出电流加权基准单元的输出和中点差值控制单元的输出，经过运算处理分别得到三相整流正输出电流基准和三相整流正输出电流基准，输出到电子开关脉冲形成单元；三相整流输出电流测量单元直接或间接测量三相整流正输出电流和三相整流负输出电流，处理后得到三相整流正输出和三相整流负输出电流测量值，输出到电子开关脉冲形成单元；电子开关脉冲形成单元对三相整流正输出电流基准值、三相整流正输出电流基准值、三相整流正输出测量值、三相整流负输出电流测量值进行反馈处理后，得到电子开关的控制信号。
7.如权利要求5的双开关升压型三相功率因素矫正电路，其特征是所述的中点差值基准单元包括三相输入中点采样电路、三相整流电路、加法比例电路和基准合成电路；所述的三相输入中点采样电路包括3个同样的阻抗单元，阻抗单元由电阻或电容或电感或三者混合串、并联构成，每个阻抗单元的一端连接到三相输入中的一相输入上，另一端连接在一起，形成输入中点采样电路的输出Vn，连接到所述的加法比例电路；所述的三相整流电路的输入连接到三相输入，正输出Vdl和负输出Vd2也连接到所述的加法比例电路；所述的加法比例电路对Vdl、Vd2、Vn运算，输出比例于(Vdl+Vd2-2Vn)；基准合成电路对加法比例电路的输出进行处理，输出即中点差值基准的输出。
8.如权利要求6所述的双开关升压型三相功率因素矫正电路，其特征是所述的三相整流正负输出电流加权基准单元的输入包括三相输入电压信号，其输出比例于3个三相输入电压与三相输入中点电压之差的绝对值中的最大者；所述的中点差值基准单元的输入包括三相输入电压信号，输出的中点差值控制目标值的频率为输入电压频率的3倍，波形为方波、梯形波或者波形为当输入电压同极性的两相电压的差值绝对值大于某一值时，其绝对值随该差值绝对值的减小而增大或不变，当输入电压同极性的两相电压的差值绝对值小于某一值时，其绝对值随该差值绝对值的减小而减小或不变。
9.如权利要求7的双开关升压型三相功率因素矫正电路，其特征是所述的基准合成电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、双向稳压部件，第三电阻与双向稳压部件相串联后再与第二电阻并联，并联的一端连接到控制地，另一端连接到第一电阻的一端，作为基准合成电路的输出，第一电阻的另一端连接到基准合电路的输入，特殊地，第三电阻可短路， 第二电阻可以开路。
10.如权利要求8的双开关升压型三相功率因素矫正电路，其特征是三相整流正负输出电流加权基准单元包括三相整流电路、第一差分放大电路、第二差分放大电路；第一差分放大电路的包括第一运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、 第六电阻、第一二极管，第一电阻、第二电阻、第三电阻等阻值，3个电阻的一端连接到三相输入，另一端都连接第一运算放大器的负输入端，第一二极管的正端连接到第一运算放大器的输出，负端连接到第四电阻的一端，第四电阻的另一端也连接到第一运算放大器的负输入端，三相整流电路的正输出连接到第五电阻的一端，第五电阻的另一端连接到第一运算放大器的正输入端，第六电阻的一端连接到第一运算放大器的正输入端，另一端连接到控制地；第二差分放大电路的包括第二运算放大器、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第二二极管，第七电阻、第八电阻、第九电阻等阻值，3个电阻的一端连接到三相输入，另一端都连接第二运算放大器的正输入端，第十一电阻的一端连接到第二运算放大器的正输入端，另一端连接到控制地，第二二极管的正端连接到第二运算放大器的输出，负端连接到第十电阻的一端，第十电阻的另一端连接到第二运算放大器的负输入端，三相整流电路的负输出连接到第十二电阻的一端，第十二电阻的另一端连接到第二运算放大器的负输入端；第一二极管和第二二极管的负端连接在一起，作为三相整流正负输出电流加权基准单元的输出；第一差分放大电路通过第一至第六电阻的匹配组成对三相整流正输出与三相输入平均值的差分放大电路，第二差分放大电路通过第七至第十二电阻的匹配组成对三相输入平均值与三相整流负输出的差分放大电路。
全文摘要
本发明涉及功率因素矫正(PFC)技术，更具体地说，涉及一种双开关升压型三相功率因素矫正电路的控制方法及实现该方法的装置。本发明通过改变三相整流正输出电流与负输出电流绝对值之差来调节开关管连接中点Vsn的电压；而Vsn的控制目标设定为，其频率为输入电压频率的3倍，波形为方波、梯形波或者波形为当输入电压同极性的两相电压的差值绝对值大于某一值时，其绝对值随该差值绝对值的减小而增大或不变，当输入电压同极性的两相电压的差值绝对值小于某一值时，其绝对值随该差值绝对值的减小而减小或不变。本发明通过改进控制提升双开关升压型三相功率矫正电路的功率因素，减小输入电流畸变，使这双开关升压型三相功率因素矫正电路能应用于功率因素要求很高的场合。
文档编号H02M1/14GK102545581SQ20121002117
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月9日 优先权日2012年1月9日
发明者朱春辉 申请人:朱春辉