專利名稱：三開關雙電容的高功率因數三相ac-dc變換器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種三相AC-DC變換器，特別涉及一種三開關雙電容的高功率因數三 相AC-DC變換器。
背景技術：
低壓三相交流電源供電的變頻器在工業、農業和家庭得到了越來越廣泛的應用， 變頻器的前級電路都采用了不控三相整流器。現有的不控三相整流器-電解電容系統，對 于三相電網而言屬于非線性負載，工作時會向電網傳導大量的低次諧波電流，如此極不利 于電力環保，而且也難以符合IEC61000-3-2/12諧波電流限度標準。為此需要使用高功率 因數的三相AC-DC變換器，即可控整流器來代替現有的不控三相整流器。截至目前，出現了 大量的可控整流器方案，如PWM電壓源整流器、PWM電流源整流器和矩陣整流器等。這些整 流器雖然功率因數很高，但是控制原理復雜，實現困難，器件電力應力大，成本較高，電磁干 擾(即EMI)設計有一定困難。為此設計一種附加器件少、器件電力應力小和數字控制等技術特征的低成本三相 AC-DC變換器，實已成為本領域技術人員亟待解決的技術課題。

發明內容
本發明的目的在于提供一種電路簡單且成本低的三開關雙電容的高功率因數三 相AC-DC變換器。本發明的另一目的在于提供一種三開關雙電容的高功率因數三相AC-DC變換器， 以有效改善功率因數。為了達到上述目的及其他目的，本發明提供三開關雙電容的高功率因數三相 AC-DC變換器，包括一種三開關雙電容的高功率因數三相AC-DC變換器，其包括功率變換電路，所述功率變換電路包括具有三開關的受控開關電路、LC整流電路， 該LC整流電路與三相電源的三相相連接，用于濾除各相電流的高次諧波、與所述LC整流電 路相連接的不控三相整流器，用于將經過所述LC整流電路處理的所述三相電源進行整流 以向直流負載供電、電容組件，并聯在所述不控三相整流器的輸出端，以使所述不控三相整 流器輸出穩定的直流電壓，該電容組件包括串聯的第一電容和第二電容；功率檢測電路，連接在所述不控三相整流器的輸出端，用以檢測所述不控三相整 流器向所述直流負載提供的直流電壓與直流電流；過零檢測電路，與所述三相電源的三相連接，用于根據所述三相電源各相的電壓 的變化同步生成相應的三路脈沖信號，且每一脈沖信號的零點與對應的相電壓的零點同步。數字控制電路，與所述過零檢測電路及所述功率檢測電路相連接，用于根據所述 功率檢測電路輸出的直流電壓和直流電流計算所述直流負載當前的有功功率，再根據所述 有功功率、預設的所述LC整流電路各元件的參數、及所述過零檢測電路輸出的三路脈沖信號計算出待生成的三路數字序列需要持續的時間，并進而以所述三路脈沖信號各自的零點 為同步點生成相應的三路數字序列，且各數字序列是以同步點為中心分布的；驅動電路，與所述數字控制電路的輸出端相連接，用于根據所述數字控制電路輸 出的三路數字序列生成相應三路驅動脈沖；所述具有三開關的受控開關電路，其受控端與所述驅動電路的輸出端相連接，各 開關兩端分別與所述LC整流電路及所述電容組件的中線相連接，用于將LC整流電路中的 電感儲能轉移到電容組件，獲得高功率因數和穩定直流電壓。綜上所述，本發明根據不控三相整流器、LC濾波器、三開關局部優化斬波升壓工作 原理，設計制作的三開關雙電容的高功率因數三相AC-DC變換器，因而具有設計構思新穎、 通用性強等特征，同時具有結構簡單、附加成本低、實現容易等優點，還可以支持較寬范圍 功率輸出，尤其適用于較大功率變頻器的前級整流器。


圖1為本發明的三開關雙電容的高功率因數三相AC-DC變換器的電路結構示意 圖。
具體實施例方式以下將通過具體實施例來對本發明的三開關雙電容的高功率因數三相AC-DC變 換器進行詳細說明。請參閱圖1，本發明的三開關雙電容的高功率因數三相AC-DC變換器如圖1所示， 由功率變換電路1，過零檢測電路2，功率檢測電路3，控制電路4，驅動電路5以及配套的負 載電路6構成。功率變換電路1利用電感滯流和電容穩壓作用，濾除高次諧波電流，防止流入電 網。通過三只雙向可控開關的局部優化斬波作用和不控三相整流器的整流作用，將三只電 感儲能轉移到電解電容，獲得高功率因數和穩定直流電壓。過零檢測電路2通過電阻分壓 和光電耦合器獲得隔離的三相輸出相電壓/線電壓的過零點信號。功率檢測電路3通過檢 測直流電壓和直流電流，判斷負載功率大小，決定局部斬波規律。控制電路4通過檢測輸入 相電壓/線電壓的過零信息和負載功率，產生3路局部優化斬波的PWM信號。驅動電路5接 收PWM信號，轉換成隔離驅動脈沖。負載電路6屬于配套部分，泛指直流電壓供電的負載， 包括逆變器-電動機傳動系統。所述功率變換電路1包括具有三開關的受控開關電路13、LC整流電路11，與三相 電源的三相相連接，用于濾除各相電流的高次諧波、與所述LC整流電路相連接的不控三相 整流器12，用于將經過所述LC整流電路處理的所述三相電源進行整流以向直流負載供電、 電容組件，并聯在所述不控三相整流器的輸出端，以使所述不控三相整流器輸出穩定的直 流電壓，該電容組件包括串聯的第一電容和第二電容。過零檢測電路2由九只電阻Rl R9、三只光電耦合器OPl 0P3組成，其中六只 電阻分別串聯與三相電源與中線之間構成三個分壓電路，三只光電耦合器原邊分別接于三 只分壓電阻兩端，將原邊電壓過零信號傳輸到副邊，由另外三只電阻的射極跟隨輸出；功率檢測電路3由三只電阻RlO R12組成，其中兩只電阻串聯，另一只電阻串接在直流電壓的負極?？刂齐娐?由一只數字信號處理器DSPl和外圍電路構成，輸入電壓過零信號、直 流電壓與電流信號，輸出三路脈沖信號；負載電路6由利用直流電壓的負載構成，不作為對本專利申請的限定。功率變換電路1由3只濾波電容、3只升壓電感、3只雙向可控開關、1只不控三相 整流器和兩只電解電容構成，其中第一只、第二只與第三只電容的一端分別連接3相交流 電源，另一端連接在一起。第一只、第二只與第三只電感的一端也分別連接3相交流電源， 另一端分別與不控三相整流器的三個輸入端相連。第一只、第二只與第三只雙向可控開關 的一端也分別與不控三相整流器的三個輸入端相連，另一端連接在一起后與第一只和第二 只電解電容的串聯中點相連，三只雙向可控開關的三個門極分別與驅動電路5三只驅動器 的輸出端相連。第一只與第二只電解電容串聯后，第一只電解電容的一端與不控三相整流 器的直流正極相連，第二只電解電容的一端與不控三相整流器的直流負極相連。具體的，功率變換電路1包括三只濾波電容Cl C3、三只濾波電感Ll L3、三只 雙向可控開關Sl S3、一只不控三相整流器Bl和兩只電解電容El E2組成，其中三只濾 波電容與三相濾波電感構成三相LC濾波電路，三只雙向可控開關與一只不控三相整流器 構成斬波整流電路，兩只電解電容串聯后構成濾波儲能電路；功率變換電路1中，濾波電容Cl 一端、濾波電感Ll 一端與電源R相相連，濾波電 容C2 —端、濾波電感L2 —端與電源S相相連，濾波電容C3 —端、濾波電感L3 —端與電源 T相相連，濾波電容C1、C2與C3另一端相互連接，濾波電感Ll另一端與不控三相整流器的 第一個輸入端、三只雙向可控開關Sl的輸入端連接，濾波電感L2另一端與不控三相整流器 的第二個輸入端、三只雙向可控開關S2的輸入端連接，濾波電感L3另一端與不控三相整流 器的第三個輸入端、三只雙向可控開關S3的輸入端連接，三只雙向可控開關S1、S2與S3的 輸出端相互連接后與電解電容El的負極和電解電容E2的陽極相連，雙向可控開關Sl的門 極與驅動電路5中的隔離驅動器DRl的輸出端相連，雙向可控開關S2的門極與驅動電路5 中的隔離驅動器DR2的輸出端相連，雙向可控開關S3的門極與驅動電路5中的隔離驅動器 DR3的輸出端相連，電解電容El的陽極與不控三相整流器的直流正極、功率檢測電路3中電 阻RlO的一端相連，電解電容E2的負極與不控三相整流器的直流負極、功率檢測電路3中 電阻Rll的一端、電阻R12的一端相連。過零檢測電路2由9只電阻、3只光電耦合器構成，其中第一只與第二只電阻串聯， 第三只與第四只電阻串聯，第五只與第六只電阻串聯，第一只、第三只與第四只電阻的一端 分別與三相電源相連，其另一端均于電網中線相連。第一只光電耦合器原邊二極管陽極與 第一只、第二只電阻串聯中點相連，第二只光電耦合器原邊二極管陽極與第三只、第四只電 阻串聯中點相連，第三只光電耦合器原邊二極管陽極與第五只、第六只電阻串聯中點相連， 三只光電耦合器原邊二極管陰極均與電網中線相連，三只光電耦合器副邊三極管集電極均 與+5V工作電源相連，三只光電耦合器副邊三極管發射極分別與第七只電阻、第八只電阻 和第九只電阻的一端相連后，分別與控制電路4的三個外部捕捉端口相連，第七只電阻、第 八只電阻和第九只電阻的另一端均接地。具體的，在過零檢測電路2中，電阻Rl —端與電源R相相連，其另一端與電阻R2 的一端、光電耦合器OPl原邊二極管陽極相連，電阻R3—端與電源R相相連，其另一端與電阻R4的一端、光電耦合器0P2原邊二極管陽極相連，電阻R5 —端與電源R相相連，其另一 端與電阻R6的一端、光電耦合器0P3原邊二極管陽極相連，電阻R2、R4與R5的另一端接 地，光電耦合器0P1、0P2與0P3原邊二極管陰極接地。光電耦合器OPl副邊三極管的集電 極與+5V電源相連，其三極管的發射極與電阻R7 —端、控制電路4中捕捉端口 ZCl相連，光 電耦合器0P2副邊三極管的集電極與+5V電源相連，其三極管的發射極與電阻R8 —端、控 制電路4中捕捉端口 ZC2相連，光電耦合器0P3副邊三極管的集電極與+5V電源相連，其三 極管的發射極與電阻R9 —端、控制電路4中捕捉端口 ZC3相連，電阻R7、R8與R9的另一端 接地。功率檢測電路3由3只電阻構成，其中第十只、第十一只電阻串聯后中點與控制 電路4的第一個模數轉換端口相連，第十只電阻的一端與不控三相整流器的直流正極、第 一只電解電容的陽極相連，第十一只電阻的另一端與不控三相整流器的直流負極、第二只 電解電容的負極相連、第十二只電阻的一端串聯后與控制電阻4的第二個模數轉換端口相 連，第十二只電阻的另一端接地。具體的，在功率檢測電路3中，電阻RlO的一端與功率變換電路1中的不控三相整 流器直流正極、電解電容El的陽極相連，電阻Rll的一端與功率變換電路1中的不控三相 整流器直流負極、電解電容E2的陰極、電阻R12的一端相連后與控制電路4中的模數轉換 端口 ADC2相連，電阻RlO的另一端與電阻Rll的另一端相連后與控制電路4中的模數轉換 端口 ADCl相連?？刂齐娐?由1只DSP及其外圍電路構成，其中第一個、第二個與第三個捕捉端口 分別與過零檢測電路2中第七只、第八只和第九只電阻的一端相連，第一個模數轉換端口 與功率檢測電路3中第十只、第十一只電阻的串聯中點相連，第二個模數轉換端口與功率 檢測電路3中第十一只、第十二只電阻、第二只電解電容陰極、不控三相整流器的直流負極 構成的公共點相連。第一只、第二只與第三個脈沖輸出端口分別與驅動電路5中三只隔離 驅動器的原邊相連。具體的，在控制電路4中，數字信號處理器DSP與外圍電路的捕捉端口 ZCl與過零 檢測電路2中的電阻R7和光電耦合器OPl副邊三極管發射極的公共端相連，捕捉端口 ZC2 與過零檢測電路2中的電阻R8和光電耦合器0P2副邊三極管發射極的公共端相連，捕捉端 口 ZC3與過零檢測電路2中的電阻R9和光電耦合器0P3副邊三極管發射極的公共端相連。 模數轉換端口 ADCl與功率檢測電路3中的電阻RlO和電阻Rll的公共端相連，模數轉換端 口 ADC2與功率檢測電路3中的電阻R11、電阻R12和電解電容E2的陰極、不控三相整流器 直流負極的公共端相連。脈沖輸出端口 Pl與驅動電路5中的隔離驅動器DRl的輸入端相 連，脈沖輸出端口 P2與驅動電路5中的隔離驅動器DR2的輸入端相連，脈沖輸出端口 P3與 驅動電路5中的隔離驅動器DR3的輸入端相連。驅動電路5由3只隔離驅動器構成，第一只、第二只和第三只隔離驅動器的原邊分 別與控制電路4的三個脈沖輸出端口相連，三只隔離驅動器的副邊分別與功率變換電路1 中三只雙向功率開關的門極相連。具體的，在驅動電路5中，隔離驅動器DRl的輸入端與控制電路4中脈沖輸出端口 Pl相連，其輸出端與功率變換電路1中的雙向可控開關Sl的門極相連。隔離驅動器DR2的 輸入端與控制電路4中脈沖輸出端口 P2相連，其輸出端與功率變換電路1中的雙向可控開關S2的門極相連。隔離驅動器DR3的輸入端與控制電路4中脈沖輸出端口 P3相連，其輸 出端與功率變換電路1中的雙向可控開關S3的門極相連。負載電路6屬于配套部分，由直流電壓供電的負載構成，對本專利申請不構成限定。具體的，在負載電路6中，輸入端子與功率變換電路1中電解電容El的陽極相連， 在電氣上還與不控三相整流器直流正極、電阻RlO的公共端相連。輸出端子與功率變換電 路1中電阻R12接地端相連。本發明的工作原理為(1)過零檢測電路2中，電阻Rl與電阻R2分壓，獲得電源R相電壓波形，經過光電 耦合器OPl將R相電壓過零信息隔離輸出至副邊，R相電壓正半周輸出正脈沖，R相電壓負 正半周輸出負脈沖，脈沖信號由電阻R7輸出至控制電路4的捕捉端口 ZC1。電阻R3與電 阻R4分壓，獲得電源S相電壓波形，經過光電耦合器0P2將S相電壓過零信息隔離輸出至 副邊，S相電壓正半周輸出正脈沖，S相電壓負正半周輸出負脈沖，脈沖信號由電阻R8輸出 至控制電路4的捕捉端口 ZC2。電阻R5與電阻R6分壓，獲得電源T相電壓波形，經過光電 耦合器0P3將T相電壓過零信息隔離輸出至副邊，T相電壓正半周輸出正脈沖，T相電壓負 正半周輸出負脈沖，脈沖信號由電阻R9輸出至控制電路4的捕捉端口 ZC3。(2)功率檢測電路3中，電阻RlO與電阻Rll串聯分壓，由其公共端引出與直流電 壓瞬時值成正比的電壓信號，輸出至控制電路4中的模數轉換端口 ADC1，電阻R12為線性無 感功率電阻，其壓降反映了直流電流的大小，由電阻R12與電阻R11、電解電容E2、不控整流 器的輸出負極構成的公共點引出信號輸出至控制電路4中的模數轉換端口 ADC2。(3)控制電路4中，數字信號處理器DSP與外圍電路一方面通過捕捉端口 ZCl、ZC2 與ZC3來自過零檢測電路2發送的三路反映電源相電壓的脈沖信號，同時通過模數轉換端 口 ADC1、ADC2檢測直流電壓和電流信號，計算當前負載所需有功功率大小，在三個輸入相 電壓過零點前后，各發出一個優化脈沖信號，持續時間為η/6，脈沖寬度由輸入相電壓過零 點向兩端呈現逐漸減少的趨勢。脈沖寬度的變化規律不僅決定于負載瞬時功率大小，還取 決于電網電壓瞬時值大小和濾波電感的參數。對應R相輸入相電壓過零點的脈沖信號經過 端口 Pl輸出至驅動電路5中的隔離驅動器DR1，對應S相輸入相電壓過零點的脈沖信號經 過端口 Ρ2輸出至驅動電路5中的隔離驅動器DR2，對應T相輸入相電壓過零點的脈沖信號 經過端口 Ρ3輸出至驅動電路5中的隔離驅動器DR3。(4)驅動電路4中，隔離驅動器DRl將來自控制電路4中端口 Pl的脈沖信號進行 隔離和驅動后，輸出至功率變換電路1中的雙向可控開關Sl的門極G1，隔離驅動器DR2將 來自控制電路4中端口 Ρ2的脈沖信號進行隔離和驅動后，輸出至功率變換電路1中的雙向 可控開關S2的門極G2，隔離驅動器DR3將來自控制電路4中端口 Ρ3的脈沖信號進行隔離 和驅動后，輸出至功率變換電路1中的雙向可控開關S3的門極G3。(5)功率變換電路1中，三只雙向可控開關S1、S2與S3的門極G1、G2與G3接收到 驅動脈沖序列后，處于開關整流狀態，高電平時道通，低電平時關閉。這樣電源的每相電壓 將在過零前后η/6角度內通過各自線路上的濾波電感短路和開路，短路時電感電流上升， 開路時電感電流下降，將能兩傳輸至不控三相整流器后級電解電容。電源的每相電壓在過 零前后η/6角度外處于自然整流狀態。濾波電容吸收高頻紋波電流，防止進入電網。開關整流狀態與自然整流狀態相互配合即可獲得輸入正限度很高的三相相電流波形，而且與各 自的相電壓波形同步，從而改善了輸入功率因數。同時在直流電解電容上獲得一個紋波相 對較小的直流電壓，供后級負載電路使用。(6)負載電路6中，利用直流電壓。本發明的由功率變換電路、過零檢測電路、功率檢測電路、控制電路、驅動電路為 密不可分的組成部分，不能簡單地單獨分析，從而構成三開關雙電容高功率因數三相AC-DC 變換器。工作原理的實質是根據瞬時輸出功率要求和電網電壓的大小，在三相電壓過零點 附近η/6電角度內，三只雙向可控功率開關在局部優化驅動脈沖作用下進行開關作用，使 得三相線路上的三只濾波電感做儲能與放能作用，維持過零點前后電流波形的正限度，與 其它角度內自然整流有機配合，在三相三開關的共同作用下獲得三相正弦度較高和同步的 電流波形。上述器件中各電阻參數要求具有高精度，各濾波電容、濾波電感、電解電容、不控 三相整流器參數要求具有一定的精度；本發明一個實施例的參數為輸出三相交流輸入線 電壓為380V，期望輸出直流電壓，535V額定輸出功率5kW。三相整流器Bl為15A/1200V，濾 波電容5yF/600V，濾波電感7. 5mH/15A。數字信號處理器DSP型號為TMS320F2801，隔離驅 動器為HCPL316J，光電耦合器OPl 0P3為TLP421，雙向可控開關Sl S3由IGBT與單相 整流器并聯構成，IGBT參數為15A/1200V。電阻Rl R6均為插件電阻，電阻Rl、R3與R5 的取值范圍為IOOkQ，電阻R2、R4與R6的取值范圍為^Ω，電阻R7 R9均為貼片電阻， 電阻R7 R9為5kQ。上述實施例僅列示性說明本發明的原理及功效，而非用于限制本發明。任何熟悉 此項技術的人員均可在不違背本發明的精神及范圍下，對上述實施例進行修改。因此，本發 明的權利保護范圍，應如權利要求書所列。
權利要求
1.一種三開關雙電容的高功率因數三相AC-DC變換器，其特征在于包括功率變換電路(1)，所述功率變換電路包括具有三開關的受控開關電路(13)、LC整流 電路(11)，該LC整流電路與三相電源的三相相連接，用于濾除各相電流的高次諧波、與所 述LC整流電路相連接的不控三相整流器(12)，用于將經過所述LC整流電路處理的所述三 相電源進行整流以向直流負載供電、電容組件，并聯在所述不控三相整流器的輸出端，以使 所述不控三相整流器輸出穩定的直流電壓，該電容組件包括串聯的第一電容和第二電容；功率檢測電路(3)，連接在所述不控三相整流器的輸出端，用以檢測所述不控三相整流 器向所述直流負載提供的直流電壓與直流電流；過零檢測電路( ，與所述三相電源的三相連接，用于根據所述三相電源各相的電壓的 變化同步生成相應的三路脈沖信號，且每一脈沖信號的零點與對應的相電壓的零點同步；數字控制電路(4)，與所述過零檢測電路及所述功率檢測電路相連接，用于根據所述功 率檢測電路輸出的直流電壓和直流電流計算所述直流負載當前的有功功率，再根據所述有 功功率、預設的所述LC整流電路各元件的參數、及所述過零檢測電路輸出的三路脈沖信號 計算出待生成的三路數字序列需要持續的時間，并進而以所述三路脈沖信號各自的零點為 同步點生成相應的三路數字序列，且各數字序列是以同步點為中心分布的；驅動電路(5)，與所述數字控制電路的輸出端相連接，用于根據所述數字控制電路輸出 的三路數字序列生成相應三路驅動脈沖；所述具有三開關的受控開關電路(13)，其受控端與所述驅動電路的輸出端相連接，各 開關兩端分別與所述LC整流電路及所述電容組件的中線相連接，用于將LC整流電路中的 電感儲能轉移到電容組件，獲得高功率因數和穩定直流電壓。
2.如權利要求1所述的三開關雙電容的高功率因數三相AC-DC變換器，其特征在于 所述LC整流電路包括分別串聯在各相的三電感及兩兩并聯在相應兩相間的三電容。
3.如權利要求1所述的三開關雙電容的高功率因數三相AC-DC變換器，其特征在于 所述電容為電解電容。
4.如權利要求1所述的三開關雙電容的高功率因數三相AC-DC變換器，其特征在于 所述功率檢測電路包括連接在所述不控整流器兩輸出端且用于測量直流電壓的第一分壓 電路、及連接在所述不控整流器一輸出端和地之間且用于測量直流電流的直流電阻。
5.如權利要求1所述的三開關雙電容的高功率因數三相AC-DC變換器，其特征在于 所述數字控制電路包括數字信號處理器。
6.如權利要求1所述的三開關雙電容的高功率因數三相AC-DC變換器，其特征在于 所述驅動電路包括三個隔離驅動器。
7.如權利要求1所述的三開關雙電容的高功率因數三相AC-DC變換器，其特征在于 所述開關電路包括三個雙向可控硅開關。
8.如權利要求1所述的三開關雙電容的高功率因數三相AC-DC變換器，其特征在于 所述過零檢測電路包括三路由電阻和光電耦合器構成的檢測電路。
9.如權利要求1或8所述的三開關雙電容的高功率因數三相AC-DC變換器，其特征在 于所述過零檢測電路根據各相的相電壓或線電壓生成相應的三路脈沖信號。
10.如權利要求1所述的三開關雙電容的高功率因數三相AC-DC變換器，其特征在于 三路數字序列需要持續的時間都為η/6。
全文摘要
本發明涉及一種三開關雙電容的高功率因數三相AC-DC變換器，由功率變換電路，過零檢測電路，功率檢測電路，控制電路，驅動電路構成。過零檢測電路負責檢測電源電壓過零信號，功率檢測電路負責檢測直流電壓和直流電流信號，控制電路負責計算負載所需有功功率大小，并在每相過零前后π/6角度內產生三路優化脈沖信號，經過驅動電路的隔離驅動器驅動后，驅動功率變換電路中的三只雙向可控開關，迫使功率變換電路中的三只濾波電感進入開關整流狀態，并與自然整流狀態平滑過渡，獲得高正弦度的三相輸入電流波形和高的功率因數。本發明的直流側儲能環節采用雙電解電容分裂結構，具有結構簡單、附加成本低、實現容易、通用性強等優點。
文檔編號H02M7/12GK102055353SQ20091019805
公開日2011年5月11日 申請日期2009年10月30日 優先權日2009年10月30日
發明者張玉明, 楊喜軍, 艾永寶, 雷淮剛 申請人:上海儒競電子科技有限公司