三相软切换PFC整流器制造技术

一种低输入电流谐波三相升压整流器，包括用于接收与中性节点相关的三相输入电压的输入级及用于与至少一个负载耦合的输出级。该整流器进一步包括一个或多个切换变换级，每个切换变换级具有与中性节点耦合的多个开关，该多个开关以固定占空比操作，该固定占空比是基本上为50％的占空比。该整流器进一步包括用于基于至少一个负载或输入电压的状态中的至少一个改变多个开关的切换频率的一个或多个控制器，且包括一个或多个去耦级，每个去耦级包括用于将输出级与一个或多个切换变换级中的至少一个感应去耦合的一个或多个电感元件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及带功率因数校正(Power Factor Correction, PFC)的前端整流器，并且更具体地涉及三相PFC整流器。
技术介绍
现已充分确立:带有三个或更多开关的三相功率因数校正(PFC)整流器与以较少数量开关实现的整流器(其不能独立地对每个相电流进行有效成形)相比，显示出较好的功率因数(PF)及总谐波失真(Total Harmonic Distortion, THD)。然而，由于简易性及低成本，单个及两个开关的整流器对于在成本敏感应用中的部署仍然非常有吸引力。图1示出最常采用的现有技术中的三相单开关整流器。这个简单的三相升压(boost)整流器通过以不连续导电模式(Discontinuous Conduction mode, DCM)操作，即通过允许升压电感器在每个切换周期中对其能量进行完全放电，从而执行低谐波整流。众所周知，在DCM操作中，升压整流器的线路电流自然趋向于跟随各自的线路电压，其结果是改善了线路电流的THD和PF。由于未直接调节电感器电流，因此将开关专用于以低带宽恒频控制来调节输出电压。如在文献中报导的那样，图1中的电路能够获得分别为10-20%的THD及0.94-0.96范围的PF，这在一些应用中是足够的。通常，获得更好的THD的主要障碍在于与升压电感器的充电时间相比相对长的升压电感器放电时间。即，电感器的充电电流(在开关接通的时段期间)与它们各自的相电压成比例，并且因此不会导致电流失真。然而，每个电感器的放电电流(在开关断开的时段期间)与在输出电压和所有三相电压之间的差异成比例，这引入平均相电流的失真。为了使电流失真最小化，通过增加电感器的复位电压而使电感器的放电时间尽量短。对于给定的输入电压，电感器的复位电压仅能够通过增加输出电压而增加。由于升压操作需要输出电压大于峰值相电压的两倍，因而图1中的电路中的输出电压已经很高(对于380-V的三相线对线输入大约是750V)，所以通过增加输入电压来改善THD是不可行的。即，输出电压增加将需要具有更高电压额定值的元件，这些元件一般较贵并且由于其传导及切换损耗增加而造成效率较低。电路的THD还可通过各种谐波注入技术来改善。由于这些技术基于控制电路细调而非功率级的重新设计来改善THD，因此它们不会受到成本及效率障碍。然而，通过已报导的谐波注入技术来获得的改善相对有限。进一步的THD和PF性能改善可通过凭借两开关三相整流器的实施来获得。图2示出这类三相整流器的一个现有技术实施例。该电路的详细操作在D.Xu等人于1998年在IEEE APEC (Applied Power Electronics Conference)发表的文章“Quas1-Soft-SwitchingPartly Decoupled Three-Phase PFC with Approximate Unity Power Factor，，中予以描述。 通常，通过将中性电感器连接到开关的中点及分裂输出电容器，可在该电路中降低开关元件两端的电压应力。该连接使相电流部分地去耦合，即，使线路周期(lineperiod)的大多部分中的相电流仅取决于它们对应的相电压，即，使三相PFC整流器在线路周期的大多部分中时用作三个独立的单相PFC整流器。众所周知，在单相PFC升压整流器中，如果变换器总是以慢带宽输出控制而以DCM操作，则能够减小线路电流失真。因此，通过以DCM操作图2中的电路，可实现它的PFC。图3示出另一个现有技术的电路，该电路通过为没有中性点可用的应用、即在带有三线电力线的应用中创建虚拟中性点(neutral)而对图2中的电路进行改进。该虚拟中性点通过电容器C1X2X3与三个线路电压的Y形(“星形”)连接实现。由于在该连接中这三个电容器的公共节点的电势与电源的中性点的电势相等，因此平均电容器电压与相电压相等。图 3 中的电路在 Ying 等人的 “ Integrated Converter Having Three-Phase PowerFactor Correction”美国专利7,005,759中更加详细的描述。图4示出通过去除在开关的中点与分裂电容器之间的连接而获得进一步的THD改善的现有技术。在该连接被去除的情况下，电感器的复位电压翻倍，即，复位电压从输出电压的一半(Vo/2)增加到全输出电压(Vo)，这缩短了电感器电流的复位时间。减小的电流复位(放电)时间使得所述相去耦合的时间间隔相对于所述相未去耦合的时间更短，这进一步改善了 THD。图5示出了现有技术电路，该电路具有去除整流器二极管Dqi和Dq2而实现的图 4 中的电路。在由 K.Nishimura 等人于 2006 年在 IEEE PESC (Power ElectronicsSpecialists’ Conference)发表的文章“A Novel Prototype Discontinous InductorCurrent Mode Operated Three-Phase PFC Power Converter with Four ActiveSwitches”中给出了图5中电路的全面分析。尽管去掉整流器有助于改善效率，但却使得图5电路的交错变得不可能，而这可成为一种缺陷，原因在于交错常用于延长在DCM中或在CCM/DCM边界操作的变换器的功率范围。在图2-5 中所示的两开关三相整流器的主要问题之一是它们的EMI性能，并且特别是它们的共模噪声。即，在上述所有实施方案中，六-二极管桥式整流器的上轨(upperrail)及下轨(lower rail)每当对应的开关进行换相时经历快速的高电压变化。此外,在图4和图5示出的、不具有分裂电容器的实施方案中，负载也受到这些电压变化的影响，从而使共模噪声问题加剧。结果，这些电路一般需要多级EMI滤波器，这增加了它们的成本和尺寸。上述实施方案的另一个主要问题是，当在电容器两端连接负载时，这些实施方案未同时提供PFC及分裂电容器的电压平衡。对输出电容器进行分裂并且在分裂电容器两端连接负载经常用于当今的三相整流器中，以使得能够采用以较低额定元件来设计的下行变换器，该较低额定元件比高额定电压的元件更加经济且高效。为了使用分裂电容器方法，这些电路需要增补电压平衡电路，这进一步增加了成本并也可能影响电路尺寸。因此，需要具有改善的EMI性能的低输入电流谐波三相升压整流器。还需要同时提供PFC及分裂电容器电压平衡的低输入电流谐波三相升压整流器。
技术实现思路
简言之，根据本专利技术的一个实施例，低输入电流谐波三相升压整流器包括用于接收与中性节点相关的三相输入电压的输入级，以及用于与至少一个负载耦合的输出级。该输出级包括与中性节点耦合的多个输出电容器。该整流器进一步包括耦合在三相输入电压的对应相与中性节点之间的一个或多个电容器，并且包括一个或多个切换变换级，每个切换变换级均具有与中性节点耦合的多个开关，该多个开关以固定占空比操作，该固定占空比是基本上为50 %的占空比。该一个或多个变换级进一步包括与三相输入电压的对应相耦合的一个或多个升压电感器、耦合在该一个或多个升压电感器与变换级的多个开关之间的一个或多个输入桥式二极管、以及在变换级的多个开关两端耦合的一个或多个飞本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低输入电流谐波三相升压整流器，包括：输入级，用于接收与中性节点相关的三相输入电压；输出级，用于与至少一个负载耦合，所述输出级包括与所述中性节点耦合的多个输出电容器；耦合在所述三相输入电压的对应相与所述中性节点之间的一个或多个电容器；一个或多个切换变换级，每个切换变换级具有与所述中性节点耦合的多个开关，所述多个开关以固定占空比操作，所述固定占空比是基本上为50％的占空比，所述一个或多个变换级进一步包括与所述三相输入电压的对应相耦合的一个或多个升压电感器、耦合在所述一个或多个升压电感器与所述变换级的所述多个开关之间的一个或多个输入桥式二极管、以及耦合在所述变换级的所述多个开关两端的一个或多个飞跨电容器；一个或多个控制器，用于基于所述至少一个负载或输入电压的状态中的至少一个来改变所述多个开关的切换频率；以及一个或多个去耦级，每个去耦级包括用于将所述输出级与所述一个或多个切换变换级中的至少一个感应去耦合的一个或多个电感元件。

【技术特征摘要】
2012.01.31 US 13/362,6201.一种低输入电流谐波三相升压整流器，包括: 输入级，用于接收与中性节点相关的三相输入电压； 输出级，用于与至少一个负载耦合，所述输出级包括与所述中性节点耦合的多个输出电容器； 耦合在所述三相输入电压的对应相与所述中性节点之间的一个或多个电容器； 一个或多个切换变换级，每个切换变换级具有与所述中性节点耦合的多个开关，所述多个开关以固定占空比操作，所述固定占空比是基本上为50%的占空比，所述一个或多个变换级进一步包括与所述三相输入电压的对应相耦合的一个或多个升压电感器、耦合在所述一个或多个升压电感器与所述变换级的所述多个开关之间的一个或多个输入桥式二极管、以及耦合在所述变换级的所述多个开关两端的一个或多个飞跨电容器； 一个或多个控制器，用于基于所述至少一个负载或输入电压的状态中的至少一个来改变所述多个开关的切换频率；以及 一个或多个去耦级，每个去耦级包括用于将所述输出级与所述一个或多个切换变换级中的至少一个感应去耦合的一个或多个电感元件。2.根据权利要求1所述的低输入电流谐波升压整流器，其中，所述多个开关的一个或多个开关在所述一个或多个开关两端的电压基本为零时接通。3.根据权利要求1所述的低输入电流谐波升压整流器，其中，所述控制器用于基于由全负载及最小输入电压确定的最小频率或者由轻负载及最大输入电压确定的最大频率这二者中的至少一个而改变切换频率。4.根据权利要求1所述的低输入电流谐波升压整流器，其中，所述控制器用于在轻负载和无负载之间的范围内以突发 模式操作。5.根据权利要求1所述的低输入电流谐波升压整流器，其中，所述电感元件被磁化耦入口 ο6.根据权利要求1所述的低输入电流谐波升压整流器，其中，所述输出电容器中的每一个均用于耦合在至少一个负载两端。7.根据权利要求1所述的低输入电流谐波升压整流器，其中，所述输出电容器中的每一个的两端的电压基本相等。8.根据权利要求1所述的低输入电流谐波升压整流器，进一步包括耦合在所述中性节点与所述输出级的输出电容器之间的隔离电容器。9.根据权利要求1所述的低输入电流谐波升压整流器，其中，所述输出级的输出电容器与三相四线输入系统的输入中性线耦合。10.根据权利要求1所述的低输入电流谐波升压整流器，其中，在所述多个开关与所述一个或多个飞跨电容器之间耦合一个或多个隔离二极管。11.根据权利要求1所述的低输入电流谐波升压整流器，其中，在所述输入电压与所述电容器之间耦合一个或多个涌入电流控制电路。12.根据权利要求1所述的低输入电流谐波升压整流器，其中，所述输入级进一步包括输入电磁干扰EMI滤波器。13.根据权利要求1所述的低输入电流谐波升压整流器，其中，所述输入桥式二极管是同步整流器。14.根据权利要求1所述的低输入电流谐波升压整流器，其中，每个开关包括具有反并联二极管的金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET或绝缘栅双极晶体管IGBT。15.根据权利要求1所述的低输入电流谐波升压整流器，其中，所述一个或多个切换变换级包括多个切换变换级，每个切换变换级与所述一个或多个去耦级中对应的一个耦合，且其中，所述控制器进一步用于以交错或并联方式操作所述多个切换变换级的所述多个开关。16.根据权利要求1所述的低输入电流谐波升压整流器，其中，所述一个或多个切换变换级包括多个切换变换级，每个切换变换级通过一个或多个隔离电容器与所述一个或多个去耦级中对应的一个耦合，且其中，所述控制器进一步用于以交错或并联方式操作所述多个切换变换级的所述多个开关。17.根据权利要求1所述的低输入电流谐波升压整流器，其中，所述电感元件包括一个或多个感应加热线圈。18.根据权利要求17所述的低输入电流谐波升压整流器，其中，所述感应加热线圈与对应的线圈选择开关耦合。19.一种低输入电流谐波三相升压整流器，包括: 输入级，用于接收与中性节点相关的三相输入电压； 输出级，用于与至少一个负载耦合； 耦合在所述三相输入电压的对应相与所述中性节点之间的一个或多个电容器； 至少两个切换变换级，每个切换变换级具有与所述中性节点耦合的多个开关，所述多个开关以固定占空比操 作，所述固定占空比是基本上50%的占空比，所述切换变换级进一步包括与所述三相输入电压的对应相耦合的一个或多个升压电感器、耦合在所述一个或多个升压电感器与所述变换级的所述多个开关之间的一个或多个输入桥式二极管、以及耦合在变换级的所述多个开关两端的一个或多个飞跨电容器； 一个或多个控制器，用于基于所述至少一个负载或所述输入电压的状态中的至少一个改变所述对应的切换变换级的多个开关的切换频率；以及 一个或多个去耦级，每个去耦级包括用于将所述输出级与所述多个切换变换级隔离的一个或多个变压器，其中，所述变压器包括耦合在所述多个切换变换级之间的一个或多个一次绕组，且其中，所述控制器进一步用于以相移控制来操作所述多个切换变换级的所述多个开关。20.根据权利要求19所述的低输入电流谐波升压整流器，其中，所述变压器进一步包括通过一个或多个隔离电容器而耦合在多个切换变换级之间的一个或多个一次绕组。21.根据权利要求19所述的低输入电流谐波升压整流器，进一步包括在所述变压器的二次侧的整流器及中心抽头绕组。22.根据权利要求19所述的低输入电流谐波升压整流器，进一步包括在所述变压器的二次侧的全...

【专利技术属性】
技术研发人员：扬泰克·简，米兰·乔瓦诺维克，
申请(专利权)人：台达电子工业股份有限公司，
类型：发明
国别省市：