一種帶遲滯比較功能的整流器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種帶遲滯比較功能的整流器，包括主電路、檢測(cè)電路和控制電路，主電路與負(fù)載相連，控制電路包括依次串接的滯環(huán)比較單元、信號(hào)處理單元、處理器、功率管驅(qū)動(dòng)單元，檢測(cè)電路的輸入端與主電路相連，檢測(cè)電路的輸出端與滯環(huán)比較單元的輸入端相連，功率管驅(qū)動(dòng)單元的輸出端與主電路相連。檢測(cè)電路采集整流器三相輸入端的電流值、直流輸出側(cè)的電壓值以及直流側(cè)上下兩電容的電壓值并送入滯環(huán)比較單元，滯環(huán)比較單元輸出信號(hào)至處理器，得到功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)信號(hào)，功率管驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管通斷，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓、平衡中點(diǎn)電壓的目的，具有簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)、控制效果好的特點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】
一種帶遲滯比較功能的整流器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型涉及電力電子技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種帶遲滯比較功能的整流器。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前很多電力電子裝置在電能變換應(yīng)用方面給人們帶來(lái)了許多便利，但同時(shí)也帶 來(lái)了嚴(yán)重的諧波和無(wú)功污染，若能夠減小輸入電流諧波含量，則對(duì)改善整流器的性能、提高 系統(tǒng)的功率因數(shù)具有非常重要的意義。因此，研究高功率因數(shù)和低諧波的整流裝置已成為 電力電子領(lǐng)域一個(gè)熱門(mén)方向。VIENNA整流器具有功率因數(shù)高、輸入電流Thdi低、開(kāi)關(guān)器件 少、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)其深入研究具有很重要的意義。傳統(tǒng)VIENNA整流器存在中點(diǎn)波動(dòng)的 問(wèn)題，中點(diǎn)波形會(huì)帶來(lái)諧波，故研究一種平衡中點(diǎn)電壓的控制方法尤為迫切。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能平衡中點(diǎn)電壓的帶遲 滯比較功能的整流器。
[0004] 本實(shí)用新型解決上述問(wèn)題的技術(shù)方案是：一種帶遲滯比較功能的整流器，包括主 電路、檢測(cè)電路和控制電路，所述主電路與負(fù)載相連，所述控制電路包括依次串接的滯環(huán)比 較單元、信號(hào)處理單元、處理器、功率管驅(qū)動(dòng)單元，所述檢測(cè)電路的輸入端與主電路相連，檢 測(cè)電路的輸出端與滯環(huán)比較單元的輸入端相連，所述功率管驅(qū)動(dòng)單元的輸出端與主電路相 連。
[0005] 上述帶遲滯比較功能的整流器中，所述主電路包括依次串接的三相輸入單元、光 耦隔離單元、整流濾波單元、降壓?jiǎn)卧?，降壓?jiǎn)卧c負(fù)載相連。
[0006] 上述帶遲滯比較功能的整流器中，所述檢測(cè)電路包括三相電壓采樣單元、三相電 流采樣單元和直流輸出采樣單元，所述三相電壓采樣單元的輸入端與光親隔離單元的輸出 端相連，三相電壓采樣單元的輸出端與滯環(huán)比較單元的輸入端相連，三相電流采樣單元的 輸入端與光耦隔離單元的輸出端相連，三相電流采樣單元的輸出端與滯環(huán)比較單元的輸入 端相連，直流輸出采樣單元的輸入端與降壓?jiǎn)卧妮敵龆讼噙B，直流輸出采樣單元的輸出 端與滯環(huán)比較單元的輸入端相連。
[0007] 上述帶遲滯比較功能的整流器中，所述控制電路還包括過(guò)電壓檢測(cè)單元和過(guò)電流 檢測(cè)單元，所述過(guò)電壓檢測(cè)單元的輸入端與三相電壓采樣單元的輸出端相連，過(guò)電壓檢測(cè) 單元的輸出端與處理器相連，過(guò)電流檢測(cè)單元的輸入端與三相電流采樣單元的輸出端相 連，過(guò)電流檢測(cè)單元的輸出端與處理器相連。
[0008] 上述帶遲滯比較功能的整流器中，所述信號(hào)處理單元與處理器之間還設(shè)有信號(hào)鉗 位保護(hù)單元。
[0009] 本實(shí)用新型的有益效果在于:本實(shí)用新型的檢測(cè)電路采集整流器三相輸入端的電 流值、直流輸出側(cè)的電壓值以及直流側(cè)上下兩電容的電壓值，然后將采集到的輸出電壓值、 輸入側(cè)的電流值、直流側(cè)上下電容的電壓值送入滯環(huán)比較單元，最后滯環(huán)比較單元輸出信 號(hào)至處理器，得到功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)信號(hào)，功率管驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管通斷，達(dá)到穩(wěn)定輸出 電壓、平衡中點(diǎn)電壓的目的，具有簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)、控制效果好的特點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)框圖。
[0011] 圖2為圖1中主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
[0012] 圖3為圖1中三相電壓采樣單元的電路圖。
[0013]圖4為圖1中二相電流米樣單兀的電路圖。
[0014] 圖5為圖1中直流輸出采樣單元的電路圖。
[0015] 圖6為圖1中滯環(huán)比較單元的電路圖。
[0016] 圖7為本實(shí)用新型滯環(huán)控制下的不同工作狀態(tài)圖示意。
[0017] 圖8為本實(shí)用新型直流側(cè)輸出電壓、網(wǎng)側(cè)相電壓電流仿真波形圖。
[0018] 圖9為本實(shí)用新型直流輸出側(cè)兩電容兩端電壓的仿真圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0020] 如圖1所示，本實(shí)用新型包括主電路、檢測(cè)電路和控制電路。
[0021] 所述主電路包括依次串接的三相輸入單元、光耦隔離單元、整流濾波單元、降壓?jiǎn)?元，降壓?jiǎn)卧c負(fù)載相連。
[0022] 所述控制電路包括依次串接的滯環(huán)比較單元、信號(hào)處理單元、信號(hào)鉗位保護(hù)單元、 處理器、功率管驅(qū)動(dòng)單元，處理器采用DSP控制器，所述檢測(cè)電路的輸入端與主電路相連，檢 測(cè)電路的輸出端與滯環(huán)比較單元的輸入端相連，所述功率管驅(qū)動(dòng)單元的輸出端與降壓?jiǎn)卧?相連。所述控制電路還包括過(guò)電壓檢測(cè)單元和過(guò)電流檢測(cè)單元，所述過(guò)電壓檢測(cè)單元的輸 入端與三相電壓采樣單元的輸出端相連，過(guò)電壓檢測(cè)單元的輸出端與處理器相連，過(guò)電流 檢測(cè)單元的輸入端與三相電流采樣單元的輸出端相連，過(guò)電流檢測(cè)單元的輸出端與處理器 相連。
[0023]所述檢測(cè)電路包括三相電壓采樣單元、三相電流采樣單元和直流輸出采樣單元， 所述三相電壓采樣單元的輸入端與光耦隔離單元的輸出端相連，三相電壓采樣單元的輸出 端與滯環(huán)比較單元的輸入端相連，三相電流采樣單元的輸入端與光耦隔離單元的輸出端相 連，三相電流采樣單元的輸出端與滯環(huán)比較單元的輸入端相連，直流輸出采樣單元的輸入 端與降壓?jiǎn)卧妮敵龆讼噙B，直流輸出采樣單元的輸出端與滯環(huán)比較單元的輸入端相連。 [0024]圖2為主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，其中Ua、Ub、Uc為三相交流輸入電壓，Ls為輸入電感，Sa、 313、3〇為功率型器件1]1〇8€61:，01、04為4相橋臂的上下兩二極管，02、05為13相橋臂的上下兩二 極管，D3、D6為C相橋臂的上下兩二極管，C1、C2為輸出端上下兩電容，R1、R2為并聯(lián)在C1、C2 兩端起均壓作用的兩均壓電阻，Udc為直流側(cè)輸出電壓，Rout為負(fù)載電阻。
[0025]圖3為本實(shí)用新型三相電壓采樣單元的電路圖，其中三相輸入電壓U相通過(guò)電阻 R11與R12串聯(lián)接地，通過(guò)設(shè)置R11與R12的阻值使得R12分壓得到η倍(n〈l)U相電壓，作為第 一個(gè)LF353MX運(yùn)放的輸入信號(hào)，由于U相電壓中含有高頻諧波，故在其輸入之前加入電容C11 與電阻R13構(gòu)成RC濾波器，濾除掉從市電夾雜的干擾信號(hào)，LF353MX運(yùn)放通過(guò)一個(gè)+5V和一 個(gè)-5V供電，電容C12和C13同樣是濾波，第一個(gè)運(yùn)放LF353MX的作用就是電壓跟隨隔離，由于 DSP芯片能識(shí)別的電壓范圍為0-3，3V，故在輸入DSP芯片之前需要做處理，由于此時(shí)的R14的 左端信號(hào)為一個(gè)峰值小于3V的正弦信號(hào)，信號(hào)有負(fù)值，此時(shí)通過(guò)加入+3V電壓將其最低點(diǎn)拉 高到零值之上，此時(shí)得到一個(gè)在X軸上方的正弦信號(hào)波，第二個(gè)運(yùn)放LM353MX同樣是跟隨隔 離的作用，電阻R16與電容C14構(gòu)成RC濾波，得到最后信號(hào)供DSP芯片識(shí)別處理。
[0026] 圖4為本實(shí)用新型三相電流采樣單元的電路圖，其中在U相輸入線中串聯(lián)一個(gè)功率 電阻(分流器），功率電阻兩端分別標(biāo)號(hào)為U1和U2，+5V為HCPL-7840-300E芯片供電，電容C21 與C23為+5V供電電源濾波，使得芯片工作更加穩(wěn)定，電阻R21與電容C22串聯(lián)接地形成RC濾 波器，HCPL-7840-300E芯片起到的作用是一個(gè)光耦隔離和一個(gè)信號(hào)放大的作用，信號(hào)放大 倍數(shù)為8倍，電阻R24與電容C24構(gòu)成RC并聯(lián)濾波器，電阻R22、R23、R25為第一個(gè)運(yùn)放LF353MX 構(gòu)成差分放大器的放大倍數(shù)，放大倍數(shù)為R25/R23(R22)，電容C25、C26、C27都是濾波電容， 第二個(gè)運(yùn)放LF353MX的作用是電壓跟隨，同時(shí)也起到隔離的作用，由于DSP芯片能識(shí)別的電 壓范圍為0-3，3V，故在輸入DSP芯片之前需要做處理，由于此時(shí)的R27的左端信號(hào)為一個(gè)峰 值小于3V的正弦信號(hào)，信號(hào)有負(fù)值，此時(shí)通過(guò)加入+3V電壓將其最低點(diǎn)拉高到零值之上，此 時(shí)得到一個(gè)在X軸上方的正弦信號(hào)波，電阻R29與電容C28構(gòu)成RC濾波器，第三個(gè)運(yùn)放 LM353MX的作用是信號(hào)跟隨與隔離，電容C29與電容C210為其運(yùn)放的供電濾波電容，電阻 R21 〇與電容C211構(gòu)成RC濾波器，濾除輸出信號(hào)的高頻干擾信號(hào)。
[0027] 圖5為本實(shí)用新型直流輸出采樣單元的電路圖，其中電容C31并聯(lián)在輸出電壓Udc 與地之間，濾除輸出電壓中夾雜的干擾信號(hào)，電容C32與電阻R33構(gòu)成RC濾波器，電阻R31、 R32、R34構(gòu)成運(yùn)放LF353MX的差分信號(hào)的放大倍數(shù)，放大倍數(shù)為R4/R1 (R2)，將此大電壓通過(guò) 適當(dāng)?shù)姆糯蟊稊?shù)（放大倍數(shù)小于1)得到一個(gè)0-3.3V之間的信號(hào)，電容，34、C35為運(yùn)放 LF353MX的+5V供電電源的濾波電容，電阻R35與電容C36構(gòu)成RC濾波器，濾除最后輸出的信 號(hào)的高頻干擾。
[0028] 圖6為本實(shí)用新型滯環(huán)比較單元的電路圖，其中Aia為通過(guò)電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)、 中點(diǎn)電壓補(bǔ)償處理后得到最終信號(hào)，LM393為比較器，上面比較器的+端與下面的比較器的-端連接在一起，構(gòu)成滯環(huán)比較器的輸入端，電阻R41、R43,電阻R42、R44構(gòu)成了滯環(huán)比較器的 滯環(huán)上限大小和滯環(huán)下限大小，通過(guò)SR觸發(fā)器從Q端輸出，此信號(hào)構(gòu)成或非門(mén)MC14081BDR2G 的一個(gè)輸入，另一個(gè)輸入由通過(guò)鎖相環(huán)處理三相輸入電壓得到的跟隨三相電壓動(dòng)態(tài)的波形 信號(hào)，最后得到功率開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
[0029]本實(shí)用新型的工作原理如下：
[0030]步驟一:檢測(cè)電路采集整流器輸入側(cè)三相電流、輸出側(cè)直流電壓及輸出側(cè)上下兩 電容的電壓值；
[0031] 步驟二:利用輸出側(cè)直流電壓作為反饋與基準(zhǔn)電壓作比較得到的差值作為電壓外 環(huán)PI控制信號(hào)，再將此控制信號(hào)做處理輸入電流內(nèi)環(huán)，同時(shí)通過(guò)采集到的三相輸入電流也 作為電流內(nèi)環(huán)控制的輸入信號(hào)，此外，由于需要考慮中點(diǎn)電壓平衡，引入輸出側(cè)兩電容的電 壓值作差后再作比例放大處理、限幅處理后輸入電流內(nèi)環(huán)控制，電流內(nèi)環(huán)控制器輸出信號(hào) 即為功率開(kāi)關(guān)管Mosfet的開(kāi)關(guān)信號(hào)。達(dá)到的效果輸出電壓穩(wěn)定，中點(diǎn)電壓平衡。
[0032] 步驟二具體過(guò)程為:采用典型Π 型系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)電壓外環(huán)控制器，得到電壓外環(huán)傳 遞函數(shù)Gs，
[0033]
[0034] 上式中T為元器件的慣性時(shí)間常數(shù)，KdPI調(diào)節(jié)器的的比例參數(shù)，ΚΑΡΙ調(diào)節(jié)器的 積分參數(shù)，C為電壓輸出端電容的值，S為復(fù)參數(shù)。
[0035] 而中頻寬定義為：
[0036]
[0037]綜合考慮電壓外環(huán)的抗擾性能和跟隨性能，工程實(shí)踐中一般取值hv=5。
[0038] 由典型Π 型系統(tǒng)控制器參數(shù)整定關(guān)系可得：
[0039]
[0040] 慣性時(shí)間常數(shù)T取值為1.78X 10_8,電容C的取值為2mF。
[0041] 電流內(nèi)環(huán)控制采用一個(gè)非線性的滯環(huán)比較單元作為控制調(diào)節(jié)器，滯環(huán)控制的環(huán)寬 度h的選取需要綜合考慮電網(wǎng)側(cè)諧波和開(kāi)關(guān)的頻率，h的值越小，網(wǎng)側(cè)電流的諧波雖減小，但 開(kāi)關(guān)頻率高，由于受器件性能限制，開(kāi)關(guān)頻率不能太高，需要適當(dāng)選取，一般h的值選取如下 公式：
[0042] h>Udc*T/(18L)
[0043] 上式中：T為采樣周期;L為輸入電感。
[0044]考慮中點(diǎn)電壓平衡，引入額外參數(shù)icp = k*AUc，Uc為輸出兩串聯(lián)電容的差值，k為 補(bǔ)償系數(shù)，得到滯環(huán)比較的開(kāi)關(guān)邏輯表達(dá)式如下：
[0045]
[0046]
[0047]式中分別表示為a相、b相、c相的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，k表示為采樣到的輸 入電流，ξ表示為經(jīng)電壓外環(huán)整定后的參考電流，h表示為滯環(huán)寬度。
[0048] 圖7為滯環(huán)控制下的不同工作狀態(tài)，（l)Ua>0時(shí)，當(dāng)(/>')'> A時(shí)，上比較器輸 出端為〇,下比較器輸出端為1，即SR觸發(fā)器S = 0，R=1，得到Q=1，Q為輸入開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)信號(hào)， 艮PS=1，開(kāi)關(guān)管開(kāi)通；當(dāng)+')-& </*時(shí)，上比較器輸出端為1，下比較器輸出端為0,即SR觸 發(fā)器S=1，R = 0,得至UQ = 0，Q為輸入開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)信號(hào)，即S = 0,開(kāi)關(guān)管關(guān)斷；當(dāng)?shù)?值處于_h與h之間時(shí)，s上比較器輸出端為0,下比較器輸出端為0,即SR觸發(fā)器S = 0，R = 0,此 時(shí)為保持狀態(tài)，輸出保持上一時(shí)刻的值。
[0049] 該開(kāi)關(guān)邏輯從VIENNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上分析可以清晰的得到各個(gè)狀態(tài)的電流流向，以A 相為例進(jìn)行說(shuō)明，規(guī)定電流正方向?yàn)榱魅腴_(kāi)關(guān)管的方向，分析如下：
[0050] (l)Ua>0時(shí)，開(kāi)關(guān)管51導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)管&的反向并聯(lián)二極管導(dǎo)通，此時(shí)電感儲(chǔ)能，電感 電流增大，當(dāng)增大到滯環(huán)上限值(? A時(shí)，開(kāi)關(guān)管31關(guān)斷，電感通過(guò)橋臂上橋臂二極管 對(duì)心充電并對(duì)負(fù)載供電，此時(shí)電感電流減小，當(dāng)減小到滯環(huán)下限值々時(shí)，Si重新導(dǎo) 通。
[0051] (2)Ua<0時(shí)，開(kāi)關(guān)管&導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)管&的反向并聯(lián)二極管導(dǎo)通，此時(shí)電感儲(chǔ)能，電感 電流減小，當(dāng)減小到滯環(huán)下限值〇>以4時(shí)，開(kāi)關(guān)管&關(guān)斷，電感通過(guò)橋臂上橋臂二極管對(duì) C2充電并對(duì)負(fù)載供電，此時(shí)電感電流增大，當(dāng)增大到滯環(huán)上限值々時(shí)，&重新導(dǎo)通。
[0052] 圖8、圖9為直流側(cè)輸出電壓、網(wǎng)側(cè)相電壓電流仿真波形和直流輸出側(cè)兩電容的電 壓仿真波形圖，由仿真波形可見(jiàn)，經(jīng)滯環(huán)控制后，電流總諧波含量THD = 2.23%，網(wǎng)側(cè)功率因 數(shù)PF = 99.93%，輸入線電壓相電流波形跟隨基本一致。輸出側(cè)兩電容電壓近似相同，控制 效果較好。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種帶遲滯比較功能的整流器，其特征在于:包括主電路、檢測(cè)電路和控制電路，所 述主電路與負(fù)載相連，所述控制電路包括依次串接的滯環(huán)比較單元、信號(hào)處理單元、處理 器、功率管驅(qū)動(dòng)單元，所述檢測(cè)電路的輸入端與主電路相連，檢測(cè)電路的輸出端與滯環(huán)比較 單元的輸入端相連，所述功率管驅(qū)動(dòng)單元的輸出端與主電路相連。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶遲滯比較功能的整流器，其特征在于:所述主電路包括依次 串接的三相輸入單元、光親隔離單元、整流濾波單元、降壓?jiǎn)卧?，降壓?jiǎn)卧c負(fù)載相連。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的帶遲滯比較功能的整流器，其特征在于:所述檢測(cè)電路包括三 相電壓采樣單元、三相電流采樣單元和直流輸出采樣單元，所述三相電壓采樣單元的輸入 端與光耦隔離單元的輸出端相連，三相電壓采樣單元的輸出端與滯環(huán)比較單元的輸入端相 連，三相電流采樣單元的輸入端與光親隔離單元的輸出端相連，三相電流采樣單元的輸出 端與滯環(huán)比較單元的輸入端相連，直流輸出采樣單元的輸入端與降壓?jiǎn)卧妮敵龆讼噙B， 直流輸出采樣單元的輸出端與滯環(huán)比較單元的輸入端相連。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的帶遲滯比較功能的整流器，其特征在于:所述控制電路還包括 過(guò)電壓檢測(cè)單元和過(guò)電流檢測(cè)單元，所述過(guò)電壓檢測(cè)單元的輸入端與三相電壓采樣單元的 輸出端相連，過(guò)電壓檢測(cè)單元的輸出端與處理器相連，過(guò)電流檢測(cè)單元的輸入端與三相電 流采樣單元的輸出端相連，過(guò)電流檢測(cè)單元的輸出端與處理器相連。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的帶遲滯比較功能的整流器，其特征在于:所述信號(hào)處理單元與 處理器之間還設(shè)有信號(hào)鉗位保護(hù)單元。
【文檔編號(hào)】H02M1/42GK205622535SQ201620434345
【公開(kāi)日】2016年10月5日
【申請(qǐng)日】2016年5月12日
【發(fā)明人】唐勇奇, 卿騰, 趙懷陽(yáng), 林軒, 陳麗娟
【申請(qǐng)人】湖南工程學(xué)院