三相单级功率因数校正电路起动与磁复位方法及实现电路

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图5至图15说明本实施方式，本实施方式采用的三相单级功率因数校正电路包括三相输入整流电路1、移相桥2、高频变压器T、输出整流电路3和输出滤波电容C，

三相输入整流电路1由D₁至D₆六个二极管构成三相全桥结构的整流电路，

移相桥2由S₁至S₄四个开关管构成全桥开关电路，

三相输入整流电路1的输出端与移相桥2的输入端连接，移相桥2的输出端与高频变压器T的原边绕组两端相连，高频变压器T的副边绕组两端与输出整流电路3的输入端相连，输出整流电路3的输出端并联有输出滤波电容C，

在三相单级功率因数校正电路中的三相输入整流电路的每个桥臂上串联两个相同的升压电感，两个所述升压电感的连接点作为该桥臂的交流信号输入端，采用辅助绕组与所述的两个升压电感耦合连接，所述辅助绕组与输出整流电路3的输出端并联；

辅助绕组为一个线圈或由两个线圈并联组成，辅助绕组为一个线圈的结构如图5所示，辅助绕组为两个线圈结构时，两个线圈分别与一个升压电感耦合连接，如图6所示。

本实施方式方法所涉及的三相单级功率因数校正电路是基于电流源型带变压器隔离全桥升压拓扑的三相单级有源功率因数校正电路。

三相单级功率因数校正电路的起动方法为：

在开关管对臂导通或直臂导通时，有电流通过的升压电感进行储能，

在开关管全部关断时，储能的升电感将其全部能量转移到与其耦合的辅助绕组中，进而转移到三相单级功率因数校正电路的输出侧，对输出滤波电容C进行充电，以使三相单级功率因数校正电路平滑进入升压模式，实现安全的自起动；

在三相单级功率因数校正电路关机时：开关管全部关断时，储能的升电感将其全部能量转移到与其耦合的辅助绕组中，进而转移到三相单级功率因数校正电路的输出侧，以使得升压电感的储能释放掉，实现关机磁复位，

其中，升压电感和与其耦合的辅助绕组的匝数比n_f满足以下关系式：

0.5n≤n_f≤0.6n。

当辅助绕组为两个线圈并联的结构时，每个线圈和与其耦合的升压电感的匝数比n_f满足上述条件。

其中，n为高频变压器T的变比。辅助绕组按n_f涉及的关系式进行设计，此设计原则分析如下：

三相升压电感值：参见图5所示电路，L_a1=L_a2=L_b1=L_b2=L_c1=L_c2，该升压电感值由电路的稳态特性计算得到，与本专利无关，这里不做介绍；

高频变压器T的变比为n：高频变压器T的原、副边绕组的匝数比；

关于图5中辅助绕组L_f的确定：各相升压电感上辅助绕组的作用是帮助电路进行起动和磁复位，在电路稳态运行时应保证辅助绕组不工作。稳态时，当桥臂开关对臂导通时，桥臂电压(即变压器原边电压)为nU_o(U_o为三相单级功率因数校正电路输出电压)；而此时输出电压如经过辅助绕组作用到原边，则桥臂电压为2n_fU_o。那么为了保证稳态时辅助绕组不工作，有如下关系：

                                     (1)

简化为：

                                          (2)

由式(1)可知，在输出电压相同的情况下，辅助绕组工作时，电路的桥臂电压高于正常情况下该绕组不工作的时候，这就造成了辅助绕组工作时，各开关所承受电压应力的增加。最严重的情况出现在电路因故障导致开关S₁~S₄全部关断的瞬间，该时刻为使辅助绕组工作，桥臂电压将由原来的0或nU_o(主要看开关全部关断之前，桥臂开关是直通还是对臂导通状态)增加至2n_fU_o。如S₁~S₄的关断不同步(该情况为电力电子中普遍存在的现象)，则此时桥臂电压几乎全部加在上某一开关上，为了使开关不因过压而击穿，必须限制过压。如限制过压不超过20%，即满足关系：，简化为：

                                       (3)

由式(2)、(3)可得：

                                  (4)

按照式（4）设计辅助绕组。

在三相单级功率因数校正电路起动时，所述四个开关管有两种时序，第一种时序：

一对开关管直通→开关管全部关断→另一对开关管直通→开关管全部关断→一对开关管直通。参见图7所示。

第二种时序：

一对开关管对臂导通→开关管全部关断→另一对开关管对臂导通→开关管全部关断→一对开关管对臂导通。参见图8所示。

具体实施方式二、下面结合图5说明本实施方式，本实施方式实现实施方式一所述的三相单级功率因数校正电路的起动与关机磁复位方法的实现电路，包括三相输入整流电路1、移相桥2、高频变压器T、输出整流电路3和输出滤波电容C，

本实施方式方法所涉及的三相单级功率因数校正电路是基于电流源型带变压器隔离全桥升压拓扑的三相单级有源功率因数校正电路。

三相单级功率因数校正电路包括三相输入整流电路1、移相桥2、高频变压器T、输出整流电路3和输出滤波电容C，

三相输入整流电路1由D₁至D₆六个二极管构成三相全桥结构的整流电路，

移相桥2由S₁至S₄四个开关管构成全桥开关电路，

输出整流电路3由D_O1至D_O4四个二极管构成单相全桥结构的整流电路。

三相输入整流电路1的输出端与移相桥2的输入端连接，移相桥2的输出端与高频变压器T的原边绕组两端相连，高频变压器T的副边绕组两端与输出整流电路3的输入端相连，输出整流电路3的输出端并联有输出滤波电容C，

三相输入整流电路1还包括A相上桥臂升压电感L_a1、A相下桥臂升压电感L_a2、A相上桥臂辅助绕组L_fa1、A相上桥臂二极管D_a1；

B相上桥臂升压电感L_b1、B相下桥臂升压电感L_b2、B相上桥臂辅助绕组L_fb1、B相上桥臂二极管D_b1；

C相上桥臂升压电感L_c1、C相下桥臂升压电感L_c2、C相上桥臂辅助绕组L_fc1、C相上桥臂二极管D_c1，

三相输入整流电路1的A相桥臂上依次串联有第一二极管D₁、A相上桥臂升压电感L_a1、A相下桥臂升压电感L_a2和第四二极管D₄，第一二极管D₁的阳极与A相上桥臂升压电感L_a1的异名端相连，A相上桥臂升压电感L_a1的同名端与A相下桥臂升压电感L_a2的异名端相连，A相下桥臂升压电感L_a2的同名端与第四二极管D₄的阴极相连，

A相上桥臂辅助绕组L_fa1耦合A相上桥臂升压电感L_a1和A相下桥臂升压电感L_a2，A相上桥臂辅助绕组L_fa1的同名端接输出整流电路3输出端的电源地，A相上桥臂辅助绕组L_fa1的异名端连接A相上桥臂二极管D_a1的阳极，A相上桥臂二极管D_a1的阴极连接输出滤波电容C的一端，输出滤波电容C的另一端接地，

三相输入整流电路1的B相桥臂、C相桥臂与所述A相桥臂的结构相同。

A相上桥臂升压电感L_a1、A相下桥臂升压电感L_a2、B相上桥臂升压电感L_b1、B相下桥臂升压电感L_b2、C相上桥臂升压电感L_c1和C相下桥臂升压电感L_c2的电感值相等。

升压电感和与其耦合的辅助绕组的匝数比n_f满足以下关系式：

0.5n≤n_f≤0.6n，其中，n为高频变压器T的变比。

当u_a>0时，A相电流流过A相上桥臂升压电感L_a1，当u_a<0时，A相电流流过A相下桥臂升压电感L_a2。A相上桥臂辅助绕组L_fa1为加在各升压电感上的辅助绕组，只有在电路起动和升压电感关机磁复位时，A相上桥臂辅助绕组L_fa1才工作，而在电路正常运行时，A相上桥臂辅助绕组L_fa1不工作。

下面以三相输入电压的工频周期中的0≤ωt≤π/6阶段为例进行说明，在该阶段中三相电压的关系为：u_b≤0≤u_a≤u_c。

电路采用图7所示的第一种开关时序起动时，在升压电感的一个充电周期内，电路都有两个工作阶段，各阶段等效电路如图9和图11所示，一个充电周期内升压电感电流波形如图12所示。

第一种开关时序，给出一个具体的例子对电路的工作原理进行说明：开关直通(S₁、S₂导通)－开关全部关断－开关直通(S₃、S₄导通)－开关全部关断－开关直通(S₁、S₂导通)(依次循环)。本质是分成两个阶段：直臂导通——全部关断。

阶段1(开关时序1)：本阶段电路处于桥臂开关直通状态(这里假设开关S₁、S₂导通)，此时高频变压器T原边电压为零。升压电感相当于直接与输入交流电源相连，各相升压电感中，L_a1、L_b2、L_c1流过电流，并且电感电流由零开始以与各相电压成正比的方式上升，升压电感储能增加，该阶段结束时，三相升压电感电流上升到本周期内的最大值。三相单级功率因数校正电路的输出侧，负载R的电流仅由输出滤波电容C放电提供。参见图9所示。

阶段2(开关时序1)：本阶段桥臂开关管全部关断。L_a1、L_b2、L_c1的原有充电回路切断。L_a1、L_b2、L_c1存储的能量转移到各自的辅助绕组上。因此本阶段中，升压电感电流为零，而各相辅助绕组开始工作。本阶段中，三相升压电感的辅助绕组——A相上桥臂辅助绕组L_fa1、B相上桥臂辅助绕组L_fb1、C相上桥臂辅助绕组L_fc1并联为负载R供电，同时为输出滤波电容C充电，各辅助绕组所承受的电压为本周期的输出电压值U₀，各辅助绕组中的电流按相同的速度逐渐减小，并依次于本阶段结束之前归零。参见图11所示。

下一步进行是依次循环，开关直通(S₃、S₄导通)与S₁、S₂直通相同，按第一种时序循环进行，能量通过各升压电感的辅助绕组传递到输出侧，输出电压U₀在起动过程结束前得以建立，因此电路可以正常地转入升压模式,直至三相单级功率因数校正电路进入升压模式，辅助绕组退出工作状态，参见图13所示。

电路采用图8所示的第二种开关时序起动时，在升压电感的一个充电周期内，电路都有两个工作阶段，各阶段等效电路如图10和图11所示，一个充电周期内升压电感电流波形如图12所示。

第二种开关时序，给出一个具体的例子对电路的工作原理进行说明：开关对臂导通(S₂、S₃导通)－开关全部关断－开关对臂导通(S₁、S₄导通)－开关全部关断－开关对臂导通(S₂、S₃导通)(依次循环)。本质是分成两个阶段：对臂导通——全部关断。

阶段1(开关时序2)：本阶段电路处于桥臂开关对臂导通状态(这里假设开关S₂、S₃导通)。由于起动过程中输出电压U₀很低，因此输入交流电源通过三相升压电感向负载R供电并给输出滤波电容C充电，各相升压电感中，L_a1、L_b2、L_c1流过电流，电感电流由零开始上升，升压电感储能增加，该阶段结束时，三相升压电感电流上升到本周期内的最大值。参见图10所示。

阶段2(开关时序2)：本阶段桥臂开关全部关断。L_a1、L_b2、L_c1的原有充电回路切断，L_a1、L_b2、L_c1存储的能量转移到各自的辅助绕组上。因此本阶段中，升压电感电流为零，而各相辅助绕组开始工作。本阶段中，三相升压电感的辅助绕组——A相上桥臂辅助绕组L_fa1、B相上桥臂辅助绕组L_fb1、C相上桥臂辅助绕组L_fc1并联为负载供电，同时为输出滤波电容C充电，各辅助绕组所承受的电压为本周期的输出电压值，各辅助绕组中的电流按相同的速度逐渐减小，并依次于本阶段结束之前回零。参见图11所示。

下一步进行是依次循环，开关对臂导通(S₁、S₄导通)与S₂、S₃对臂导通相同，按第一种时序循环进行，能量通过各升压电感的辅助绕组传递到输出侧，输出电压U₀在起动过程结束前得以建立，因此电路可以正常地转入升压模式,直至三相单级功率因数校正电路进入升压模式，辅助绕组退出工作状态，参见图14所示。

由以上分析可以看出，在电路的起动过程中，能量通过各升压电感的辅助绕组传递到输出侧，输出电压在起动过程结束前得以建立，因此电路可以正常地转入升压模式。

本实施方式所述电路升压电感的关机磁复位过程的机理与起动过程中的阶段2相同，即当开关全部关断后，升压电感原有的充电回路切断，电感的能量转移至各自的辅助绕组上，由辅助绕组将能量释放到输出侧，这样就不再存在因升压电感能量无法释放而造成桥臂电压过高的问题。

图15为电路正常工作过程中，瞬间令开关S₁~S₄全部关断时的输入电流与输出电压实验波形，可以看出，交流侧能量得到了有效的转移，实现了升压电感的磁复位。

具体实施方式三、下面结合图6说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二的不同之处在于，它还包括A相下桥臂辅助绕组L_fa2、A相下桥臂二极管D_a2；B相下桥臂辅助绕组L_fb2、B相下桥臂二极管D_b2；C相下桥臂辅助绕组L_fc2、C相下桥臂二极管D_c2，

A相上桥臂辅助绕组L_fa1耦合A相上桥臂升压电感L_a1的能量，

A相下桥臂辅助绕组L_fa2耦合A相下桥臂升压电感L_a2的能量，A相下桥臂辅助绕组L_fa2的同名端接地，A相下桥臂辅助绕组L_fa2的异名端连接A相下桥臂二极管D_a2的阳极，A相下桥臂二极管D_a2的阴极连接输出滤波电容C的一端，输出滤波电容C的另一端接地，

三相输入整流电路1的B相桥臂、C相桥臂与所述A相桥臂的结构相同，其它与实施方式二相同。

本实施方式的只是每相多配备了一套辅助绕组，或者是辅助绕组由两个线圈并联构成，工作原理与实施方式二相同。