專利名稱：雙管雙正激升壓式單級功率因數(shù)校正電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力電子領(lǐng)域，具體說是一種單級功率因數(shù)校正變換電路。
背景技術(shù)：
目前的功率因數(shù)校正變換器研究和應(yīng)用最多的是兩級電路結(jié)構(gòu)的功率因數(shù)校正變換器，這種電路一般使用兩個控制器，一個用來控制儲能電容上的電壓和輸入電流使之成正弦波，另一個用來控制輸出電壓使之保持恒定。這種電路具有很高的功率因數(shù)和很好的輸出特性，但其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，并且功率須經(jīng)過兩次處理，功率密度低，成本較高。為了降低功率因數(shù)校正變換器的成本，近年來，出現(xiàn)了單級功率因數(shù)校正變換器，它的結(jié)構(gòu)比較簡單，成本低，功率密度高，可同時實現(xiàn)對輸入電流波形的校正和對輸出電壓的調(diào)整，具有很大的市場前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、具有較高功率因數(shù)、能實現(xiàn)較大功率輸出的雙管雙正激升壓式單級功率因數(shù)校正電路。
本發(fā)明提供的雙管雙正激升壓式單級功率因數(shù)校正電路，其電容器C正極、開關(guān)管S1上端、S3上端和二極管D3、D6陰極相匯接，電容器C負(fù)極、開關(guān)管S2下端、S4下端和二極管D4、D5陽極相連；開關(guān)管S1下端通過變壓器T的初級繞組T1與開關(guān)管S2上端相串聯(lián)，開關(guān)管S3下端通過變壓器T的初級繞組T2與開關(guān)管S4上端相串聯(lián)，開關(guān)管S1下端與二極管D4陰極相接，開關(guān)管S3下端與二極管D5陰極相接；變壓器T次級繞組接整流橋Q2，整流橋Q2的陰極接電感Lo，電感Lo接輸出濾波電容Co的陽極和負(fù)載R的一端，整流橋Q2的陽極接輸出濾波電容Co的陰極和負(fù)載R的另一端；所述變壓器T采用雙正激變壓器，即兩個對稱初級繞組和一個次級繞組。本發(fā)明是通過將BOOST單開關(guān)功率因數(shù)校正電路和雙管雙正激電路變換組合得到的。該電路通過控制輸入電感工作于電流斷續(xù)模式，使得輸入電流自動跟蹤輸入電壓，實現(xiàn)功率因數(shù)校正的功能。前級的BOOST功率因數(shù)校正電路由于單相與三相的可選擇性組成了單相雙管雙正激升壓式單級功率因數(shù)校正電路和三相雙管雙正激升壓式單級功率因數(shù)校正電路。
本發(fā)明提供的單相雙管雙正激升壓式單級功率因數(shù)校正電路，其輸入電感La、Lb，二極管D1、D2和開關(guān)管S2、S4組成雙管交錯并聯(lián)升壓型功率因數(shù)校正電路；輸入整流橋Q1陰極端與電感La、Lb匯接，電感La另一端與二極管D1陽極相接，D1陰極、開關(guān)管S2上端相匯接，電感Lb另一端與二極管D2陽極相接，D2陰極、開關(guān)管S4上端相匯接，開關(guān)管S2、S4下端與整流橋Q1陽極端連接。其特征是還包括電容器C，開關(guān)管S1、S2、S3、S4，二極管D3、D4、D5、D6，變壓器T和輸出整流濾波電路組成的雙管正激交錯并聯(lián)型功率變換電路。開關(guān)管S1下端通過變壓器T的初級繞組T1與開關(guān)管S2上端相串聯(lián)，開關(guān)管S3下端通過變壓器T的初級繞組T2與開關(guān)管S4上端相串聯(lián)，電容器C正極、開關(guān)管S1、S3上端和二極管D3、D6陰極相匯接，電容器C負(fù)極、開關(guān)管S2、S4下端和二極管D4、D5陽極相連，接于整流橋Q1陽極端。變壓器T的次級繞組接整流橋Q2；整流橋Q2的陰極接電感Lo；電感Lo接輸出濾波電容Co的陽極和負(fù)載R的一端；整流橋Q2的陽極接輸出濾波電容Co的陰極和負(fù)載R的另一端。
本發(fā)明提供的三相雙管雙正激升壓式單級功率因數(shù)校正電路，其輸入升壓電感La、Lb、Lc分別串在輸入整流橋Q1的三相進(jìn)線中；整流橋Q1的陰極分別與電容C1的陽極、開關(guān)管S1的上端、二極管D3的陰極、二極管D6的陰極、開關(guān)管S3的上端、電解電容C2的陽極匯接；整流橋Q1的陽極分別與二極管D1的陰極、D2的陰極、D7的陰極、D8的陰極連接；變壓器T的初級繞組T1的同名端與開關(guān)管S1的下端、二極管D4的陰極、二極管D2的陽極相連；初級繞組T1的異名端與開關(guān)管S2的上端、二極管D3的陽極連接；電容C1的陰極與二極管D7的陽極、開關(guān)管S2的下端、二極管D4的陽極連接；初級繞組T2的異名端與二極管D1的陽極、二極管D5的陰極、開關(guān)管S3的下端相接；初級繞組T2的同名端與二極管D6的陽極、開關(guān)管S4的上端相接；電容C2的陰極與開關(guān)管S4的下端、二極管D8的陽極、二極管D5的陽極相接；變壓器T次級繞組接整流橋Q2；整流橋Q2的陰極接電感Lo；電感Lo接輸出濾波電容Co的陽極和負(fù)載R的一端；整流橋Q2的陽極接輸出濾波電容Co的陰極和負(fù)載R的另一端。
變壓器二次側(cè)的整流濾波電路根據(jù)輸出電壓的高低、電流的大小可進(jìn)行選擇。本例為橋式整流，適用于較高電壓，低壓可為全波整流，更低電壓用倍流整流，高壓可用倍壓電路，可用C濾波或LC濾波。
開關(guān)管S1和S2同時導(dǎo)通，S3和S4同時導(dǎo)通，S1和S3交替導(dǎo)通。開關(guān)管S2(S4)導(dǎo)通時，輸入電感通過S2(S4)儲能，同時儲能電容經(jīng)過S1(S3)和S2(S4)放電，將能量傳送到變壓器的次級繞組。
本發(fā)明的有益效果是使用單級電路實現(xiàn)了功率因數(shù)校正和功率的變換，在同樣開關(guān)頻率下，由于開關(guān)管交替工作，輸入電流紋波減小一半，輸出濾波電感上電壓的頻率提高了一倍，減小了輸出濾波電感和輸入濾波器的體積，從而進(jìn)一步減小整機的體積。使輸入輸出實現(xiàn)電氣隔離，無橋臂直通的危險，無需正激電路的復(fù)位繞組，而且變壓器工作于雙向磁化的狀態(tài)，提高了電路的效率和可靠性，還可以做到中大功率的輸出。


圖1是雙管雙正激升壓式單級功率因數(shù)校正電路原理圖；圖2是單相雙管雙正激升壓式單級功率因數(shù)校正電路原理圖；圖3是三相雙管雙正激升壓式單級功率因數(shù)校正電路原理圖；圖4是三相電路一個開關(guān)周期內(nèi)升壓電感La、Lb、Lc的電流波形圖；圖5(a)是三相雙管雙正激升壓式單級功率因數(shù)校正電路在[t0，t1]時間段電路的工作過程；圖5(b)是三相雙管雙正激升壓式單級功率因數(shù)校正電路在[t1，t2]時間段電路的工作過程；圖5(c)是三相雙管雙正激升壓式單級功率因數(shù)校正電路在[t2，t3]時間段電路的工作過程；圖5(d)是三相雙管雙正激升壓式單級功率因數(shù)校正電路在[t3，t4]時間段電路的工作過程；圖5(e)是三相雙管雙正激升壓式單級功率因數(shù)校正電路在[t4，t5]時間段電路的工作過程；
圖5(f)是三相雙管雙正激升壓式單級功率因數(shù)校正電路在[t5，t6]時間段電路的工作過程；圖5(g)是三相雙管雙正激升壓式單級功率因數(shù)校正電路在[t6，t7]時間段電路的工作過程；圖5(h)是三相雙管雙正激升壓式單級功率因數(shù)校正電路在[t7，t8]時間段電路的工作過程。
在上述附圖中，Q1為輸入整流橋，Q2為輸出整流橋，T為雙正激變壓器，S1、S2、S3、S4為開關(guān)管，La、Lb、Lc為輸入電感，C、Co、C1、C2為電解電容，Lo為輸出濾波電感，R為負(fù)載，Co為輸出濾波電容，D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8為二極管。
具體實施例方式
實施例1雙管雙正激升壓式單級功率因數(shù)校正電路(見圖1)，主要包括雙正激變壓器T，輸出整流橋Q2，開關(guān)管S1、S2、S3、S4，電解電容C，輸出濾波電感Lo，輸出濾波電容Co和多個續(xù)流二極管，其特征是電容器C正極、開關(guān)管S1上端、S3上端和二極管D3、D6陰極相匯接，電容器C負(fù)極、開關(guān)管S2下端、S4下端和二極管D4、D5陽極相連；開關(guān)管S1下端通過變壓器T的初級繞組T1與開關(guān)管S2上端相串聯(lián)，開關(guān)管S3下端通過變壓器T的初級繞組T2與開關(guān)管S4上端相串聯(lián)，開關(guān)管S1下端與二極管D4陰極相接，開關(guān)管S3下端與二極管D5陰極相接；變壓器T次級繞組接整流橋Q2，整流橋Q2的陰極接電感Lo，電感Lo接輸出濾波電容Co的陽極和負(fù)載R的一端，整流橋Q2的陽極接輸出濾波電容Co的陰極和負(fù)載R的另一端；所述變壓器T采用雙正激變壓器，即兩個對稱初級繞組和一個次級繞組。本發(fā)明是通過將BOOST單開關(guān)功率因數(shù)校正電路和雙管雙正激電路變換組合得到的。該電路通過控制輸入電感工作于電流斷續(xù)模式，使得輸入電流自動跟蹤輸入電壓，實現(xiàn)功率因數(shù)校正的功能。前級的BOOST功率因數(shù)校正電路由于單相與三相的可選擇性組成了單相雙管雙正激升壓式單級功率因數(shù)校正電路和三相雙管雙正激升壓式單級功率因數(shù)校正電路。
實施例2單相雙管雙正激升壓式單級功率因數(shù)校正電路拓?fù)?見圖2)，主要包括輸入整流橋Q1，輸出整流橋Q2，雙正激變壓器T，開關(guān)管S1、S2、S3、S4，輸入電感La、Lb，電解電容C，輸出濾波電感Lo，輸出濾波電容Co和二極管D1、D2、D3、D4、D5、D6。輸入整流橋Q1的陰極與電感La、Lb匯接，電感La另一端與二極管D1陽極相接，D1陰極、D3陽極、開關(guān)管S2上端相匯接，電感Lb另一端與二極管D2陽極相接，D2陰極、D6陽極、開關(guān)管S4上端相匯接，開關(guān)管S1下端通過變壓器T的初級繞組T1與開關(guān)管S2上端相串聯(lián)，開關(guān)管S3下端通過變壓器T的初級繞組T2與開關(guān)管S4上端相串聯(lián)，電容器C正極、開關(guān)管S1上端、S3上端和二極管D3、D6陰極相匯接，電容器C負(fù)極、開關(guān)管S2下端、S4下端和二極管D4、D5陽極相連，接于整流橋Q1陽極端，開關(guān)管S1下端與二極管D4陰極相接，開關(guān)管S3下端與二極管D5陰極相接，變壓器T的次級繞組接有整流濾波輸出電路。
在本實施例中，輸入整流橋可選用模塊，續(xù)流二極管選用快速二極管，開關(guān)管也選用1200V耐壓的全控型器件IGBT，高頻變壓器T鐵芯選用鐵氧體磁芯，其有效面積根據(jù)容量選定。
實施例3三相雙管雙正激升壓式單級功率因數(shù)校正電路拓?fù)?見圖3)，主要包括輸入整流橋Q1，輸出整流橋Q2，雙正激變壓器T，開關(guān)管S1、S2、S3、S4，輸入電感La、Lb、Lc，電解電容C1、C2，輸出濾波電感Lo，輸出濾波電容Co和二極管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8。輸入升壓電感La、Lb、Lc分別串在輸入整流橋Q1的三相進(jìn)線中。輸入整流橋Q1的陰極分別與電容C1的陽極、開關(guān)管S1的上端、二極管D3的陰極、二極管D6的陰極、開關(guān)管S3的上端、電解電容C2的陽極匯接；整流橋Q1的陽極分別與二極管D1的陰極、D2的陰極、D7的陰極、D8的陰極連接；變壓器T的初級繞組T1的同名端與開關(guān)管S1的下端、二極管D4的陰極、二極管D2的陽極相連；初級繞組T1的異名端與開關(guān)管S2的上端、二極管D3的陽極連接；電容C1的陰極與二極管D7的陽極、開關(guān)管S2的下端、二極管D4的陽極連接；初級繞組T2的異名端與二極管D1的陽極、二極管D5的陰極、開關(guān)管S3的下端相接；初級繞組T2的同名端與二極管D6的陽極、開關(guān)管S4的上端相接；電容C2的陰極與開關(guān)管S4的下端、二極管D8的陽極、二極管D5的陽極相接；變壓器T的次級繞組接整流橋Q2；整流橋Q2的陰極接電感Lo；電感Lo接輸出濾波電容Co的陽極和負(fù)載R的一端；整流橋Q2的陽極接輸出濾波電容Co的陰極和負(fù)載R的另一端。
本實施例中，輸入整流橋的二極管均選用快速二極管，開關(guān)管選用1200V耐壓的的IGBT，續(xù)流二極管也選用快速二極管，高頻變壓器T鐵芯選用鐵氧體磁芯，其有效面積根據(jù)容量選定。
在上述實施例中，功率因數(shù)控制采用相應(yīng)的功率因數(shù)校正(PFC)芯片，如TI公司的UC3854A/B，UCC3818等，也可采用IR公司的IR1150，它是屬單周期控制。不過這些PFC芯片都是單端輸出，對于雙正激的驅(qū)動控制，須另外兩分頻控制及相應(yīng)的驅(qū)動電路。在自動控制上可用芯片內(nèi)的乘法器PFC控制，單周期PFC控制也可以外加雙閉環(huán)控制以及各種現(xiàn)有的通用的控制系統(tǒng)及PFC芯片。
單相雙管雙正激升壓式單級功率因數(shù)校正電路(見圖2)與三相雙管雙正激升壓式單級功率因數(shù)校正電路(見圖3)的工作原理基本相同，因此下面以三相雙管雙正激升壓式單級功率因數(shù)校正電路為例說明電路的工作過程。
圖5(a-h)給出了三相雙管雙正激升壓式單級功率因數(shù)校正電路的工作過程電路圖，在一個開關(guān)周期內(nèi)，其工作過程如下在一個工頻周期內(nèi)，可以分成12個區(qū)間進(jìn)行分析，在此以Ua＞0＞Ub＞Uc的區(qū)間為例進(jìn)行分析；并假設(shè)在一個開關(guān)周期內(nèi)輸入電壓恒定。在一個開關(guān)周期內(nèi)電路有以下八種工作模式，前四種工作模式與后四種工作原理基本相同。
(1)[t0，t1]時間段電路的工作過程如圖5(a)所示，開關(guān)管S1和S2同時導(dǎo)通，S3和S4關(guān)斷；輸入升壓電感La、Lb、Lc通過開關(guān)S1進(jìn)行充電儲能，同時電容C1通過開關(guān)S1和S2加在變壓器初級繞組T1上，給變壓器次級繞組傳遞能量；
(2)[t1，t2]時間段電路的工作過程如圖5(b)所示，開關(guān)管S1、S2、S3、S4全部關(guān)斷，電感La、Lb、Lc開始同時放電；(3)[t2，t3]時間段電路的工作過程如圖5(c)所示，開關(guān)管S1、S2、S3、S4全部關(guān)斷，電感Lb放電完畢，而電感La、Lc繼續(xù)放電。到t3時刻電感La、Lb、Lc全部放電完畢；(4)[t3，t4]時間段電路的工作過程如圖5(d)所示，電感La、Lb、Lc全部放電完畢，負(fù)載由輸出濾波電感和電容提供能量。
(5)[t4，t5]時間段，電路的工作過程如圖5(e)所示，開關(guān)管S3和S4同時導(dǎo)通時，S1和S2關(guān)斷；輸入升壓電感La、Lb、Lc通過開關(guān)S3進(jìn)行充電儲能，同時電容C2通過開關(guān)S3和S4加在變壓器初級繞組T2上，給次級繞組傳遞能量；(6)[t5，t6]時間段，電路的工作過程如圖5(f)所示，開關(guān)管S1、S2、S3、S4全部關(guān)斷，電感La、Lb、Lc開始同時放電；(7)[t6，t7]時間段，電路的工作過程如圖5(g)所示，開關(guān)管S1、S2、S3、S4全部關(guān)斷，電感Lb放電完畢，而電感La、Lc繼續(xù)放電；(8)[t7，t8]時間段，電路的工作過程如圖5(h)所示，電感La、Lb、Lc全部放電完畢，負(fù)載由輸出濾波電感和電容提供能量。
權(quán)利要求
1.一種雙管雙正激升壓式單級功率因數(shù)校正電路，其特征是電容器C正極、開關(guān)管S1上端、S3上端和二極管D3、D6陰極相匯接，電容器C負(fù)極、開關(guān)管S2下端、S4下端和二極管D4、D5陽極相連；開關(guān)管S1下端通過變壓器T的初級繞組T1與開關(guān)管S2上端相串聯(lián)，開關(guān)管S3下端通過變壓器T的初級繞組T2與開關(guān)管S4上端相串聯(lián)，開關(guān)管S1下端與二極管D4陰極相接，開關(guān)管S3下端與二極管D5陰極相接；變壓器T的次級繞組接整流橋Q2，整流橋Q2的陰極接電感Lo，電感Lo接輸出濾波電容Co的陽極和負(fù)載R的一端，整流橋Q2的陽極接輸出濾波電容Co的陰極和負(fù)載R的另一端；所述變壓器T采用雙正激變壓器，即兩個對稱初級繞組T1、T2和一個次級繞組。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙管雙正激升壓式單級功率因數(shù)校正電路，其特征是該電路單相拓?fù)涞妮斎胝鳂騋1的陰極與電感La、Lb匯接，電感La另一端與二極管D1陽極相接，D1陰極、D3陽極、開關(guān)管S2上端相匯接，電感Lb另一端與二極管D2陽極相接，D2陰極、D6陽極、開關(guān)管S4上端相匯接，開關(guān)管S1下端通過變壓器T的初級繞組T1與開關(guān)管S2上端相串聯(lián)，開關(guān)管S3下端通過變壓器T的初級繞組T2與開關(guān)管S4上端相串聯(lián)，電容器C正極、開關(guān)管S1上端、S3上端和二極管D3、D6陰極相匯接，電容器C負(fù)極、開關(guān)管S2下端、S4下端和二極管D4、D5陽極相連，接于整流橋Q1陽極端，開關(guān)管S1下端與二極管D4陰極相接，開關(guān)管S3下端與二極管D5陰極相接，變壓器T的次級繞組接有整流濾波輸出電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙管雙正激升壓式單級功率因數(shù)校正電路，其特征是該電路三相拓?fù)涞妮斎肷龎弘姼蠰a、Lb、Lc分別串在輸入整流橋Q1的三相進(jìn)線中。輸入整流橋Q1的陰極分別與電容C1的陽極、開關(guān)管S1的上端、二極管D3的陰極、二極管D6的陰極、開關(guān)管S3的上端、電解電容C2的陽極匯接；整流橋Q1的陽極分別與二極管D1的陰極、D2的陰極、D7的陰極、D8的陰極連接；變壓器T的初級繞組T1的同名端與開關(guān)管S1的下端、二極管D4的陰極、二極管D2的陽極相連；初級繞組T1的異名端與開關(guān)管S2的上端、二極管D3的陽極連接；電容C1的陰極與二極管D7的陽極、開關(guān)管S2的下端、二極管D4的陽極連接；初級繞組T2的異名端與二極管D1的陽極、二極管D5的陰極、開關(guān)管S3的下端相接；初級繞組T2的同名端與二極管D6的陽極、開關(guān)管S4的上端相接；電容C2的陰極與開關(guān)管S4的下端、二極管D8的陽極、二極管D5的陽極相接；變壓器T的次級繞組接整流橋Q2；整流橋Q2的陰極接電感Lo；電感Lo接輸出濾波電容Co的陽極和負(fù)載R的一端；整流橋Q2的陽極接輸出濾波電容Co的陰極和負(fù)載R的另一端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的雙管雙正激升壓式單級功率因數(shù)校正電路，其特征是功率因數(shù)校正級和DC/DC變換級是通過共用變壓器T的兩個初級繞組上各一個開關(guān)管來實現(xiàn)單級的，T1和T2為高頻變壓器T匝數(shù)相同極性相反的初級繞組。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的雙管雙正激升壓式單級功率因數(shù)校正電路，其特征是功率因數(shù)校正級和DC/DC變換級是通過共用變壓器T的兩個初級繞組上各一個開關(guān)管來實現(xiàn)單級的，T1和T2為高頻變壓器T匝數(shù)相同極性相反的初級繞組。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙管雙正激升壓式單級功率因數(shù)校正電路，主要包括雙正激變壓器T，輸出整流橋Q2，雙正激變壓器T，開關(guān)管S1、S2、S3、S4，電解電容C，輸出濾波電感Lo，輸出濾波電容Co和多個續(xù)流二極管。電路中變壓器T的兩個初級繞組上各有一個開關(guān)管作為功率因數(shù)校正和DC－DC變換的公用管，以此實現(xiàn)單級。該電路以輸入電感電流的不連續(xù)工作模式實現(xiàn)自動功率因數(shù)校正的功能；本發(fā)明電路結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)，具有無橋臂直通危險、無需正激電路的復(fù)位繞組和變壓器工作于雙向磁化的優(yōu)點，提高了電路的效率和可靠性，由于開關(guān)S1和S3交替工作，在相同開關(guān)頻率下輸入電流紋波可減小一半。
文檔編號H02M3/24GK1866704SQ20061001282
公開日2006年11月22日 申請日期2006年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月9日
發(fā)明者鄔偉揚, 李彥, 翁征明, 耿葉 申請人:燕山大學(xué)