一种基于耦合电感的三相交错并联PFC电路及控制系统的制作方法

一种基于耦合电感的三相交错并联pfc电路及控制系统
技术领域
1.本实用新型涉及一种pfc变换电路，尤其涉及一种基于耦合电感的三相交错并联pfc电路，并涉及包括了该基于耦合电感的三相交错并联pfc电路的控制系统。


背景技术：

2.大功率ac
‑
dc电源采用vienna三相有源功率因数校正电路(简称pfc)已经是相对成熟的技术，但是随着功率需求的不断增加，现有传统的vienna三相pfc电路存在电感电流纹波大、体积大、半导体电流应力大和不易散热等问题。
3.现有传统的增加输出功率的解决方案有：采用器件并联的方式，虽然能够解决电流应力过大的问题，但是还是存在电感体积过大、发热过于集中不利散热以及并管的电流均衡无法完全保证等问题；采用独立电感并联的方式，但是也会带来电感数量增加、成本增加和体积增大等问题。


技术实现要素：

4.本实用新型所要解决的技术问题是需要提供一种既能减小电路纹波电流，又能够减小电感体积和数量的基于耦合电感的三相交错并联pfc电路，在此基础上，还进一步提供包括了该基于耦合电感的三相交错并联pfc电路的控制系统。
5.对此，本实用新型提供一种基于耦合电感的三相交错并联pfc电路，包括：三相市电输入端、三电平pfc变换电路以及母线电容电路，所述三电平pfc变换电路包括三组双路的pfc变换电路，所述三相市电输入端的每一相输入均连接至一组双路的pfc变换电路，每一组双路的pfc变换电路远离所述三相市电输入端的一端均连接至所述母线电容电路的中点；所述一组双路的pfc变换电路包括耦合电感、两路开关电路和两路二极管电路，所述耦合电感的一端连接至所述三相市电输入端，所述耦合电感的另一端分别与所述开关电路和二极管电路相连接，所述开关电路和二极管电路分别与所述母线电容电路相连接。
6.本实用新型的进一步改进在于，所述开关电路包括双向开关，所述二极管电路包括第一二极管和第二二极管，所述耦合电感远离所述三相市电输入端的一端分别与所述双向开关的一端、第一二极管的正极以及第二二极管的负极相连接，所述双向开关的另一端连接至所述母线电容电路的中点，所述第一二极管的负极以及第二二极管的正极分别连接至所述母线电容电路的两端。
7.本实用新型的进一步改进在于，所述耦合电感为通过两个电感线圈绕在一个公共磁芯上的电感。
8.本实用新型的进一步改进在于，所述耦合电感的两个电感线圈的绕线圈数相同，电感量相同。
9.本实用新型的进一步改进在于，所述两个电感线圈的一边异名端相连接，并与所述三相市电输入端的输入交流相线相连接。
10.本实用新型的进一步改进在于，所述耦合电感包括串联的两个或两个以上的耦合
电感。
11.本实用新型的进一步改进在于，所述耦合电感包括串联的第一耦合电感l1和第二耦合电感l2，所述第一耦合电感l1和第二耦合电感l2结构相同，其线圈圈数比均为n1：n2；所述第一耦合电感l1的线圈n1同名端连接至所述三相市电输入端，所述第一耦合电感l1的线圈n1异名端连接至所述第二耦合电感l2的线圈n2同名端，所述第二耦合电感l2的线圈n2异名端连接至第一路的开关电路和第一路的二极管电路；所述第一耦合电感l1的线圈n2异名端连接至所述三相市电输入端，所述第一耦合电感l1的线圈n2同名端连接至所述第二耦合电感l2的线圈n1异名端，所述第二耦合电感l2的线圈n1同名端连接至第二路的开关电路和第二路的二极管电路。
12.本实用新型的进一步改进在于，所述耦合电感包括串联的第一耦合电感l1和第二耦合电感l2，所述第一耦合电感l1和第二耦合电感l2结构相同，其线圈圈数比均为n1：n2；在第一耦合电感l1的线圈n1完成后继续在第二耦合电感l2的磁环上绕制线圈n2，在第二耦合电感l2的线圈n1完成后继续在第一耦合电感l1的磁环上绕制线圈n2。
13.本实用新型还提供一种基于耦合电感的三相交错并联pfc电路控制系统，包括了如上所述的基于耦合电感的三相交错并联pfc电路。
14.与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：采用耦合电感代替独立电感，并对电路的结构设计和时序控制进行了优化，耦合电感的每个绕组分别连接至交错并联的三电平pfc变换电路，既能够大大减小输入电流纹波和输出电流纹波，能够有效减小电感体积和数量，减小输入emc滤波器体积，减少emc干扰，还能够减少输出滤波电容数量，增加功率密度；在此基础上，还可以再进一步优化耦合电感以减小电感器件的高度和体积，提高功率密度，降低成本。
附图说明
15.图1是本实用新型一种实施例的电路原理图；
16.图2是本实用新型一种实施例的电感电流波形和输入总电流的关系仿真示意图；
17.图3是pfc变换电路工作状态等效电路及耦合电感电流波形示意图；
18.图4是本实用新型一种实施例的优化电路原理图；
19.图5是本实用新型一种实施例的再次优化电路原理图；
20.图6是本实用新型一种实施例优化后的耦合电感的俯视结构示意图；
21.图7是本实用新型一种实施例优化后的耦合电感的主视结构示意图；
22.图8是本实用新型一种实施例优化后的耦合电感的仰视结构示意图。
具体实施方式
23.下面结合附图，对本实用新型的较优的实施例作进一步的详细说明。
24.如图1所示，本例提供一种基于耦合电感的三相交错并联pfc电路，包括：三相市电输入端1、三电平pfc变换电路2以及母线电容电路3，所述三电平pfc变换电路2包括三组双路的pfc变换电路，所述三相市电输入端1的每一相输入均连接至一组双路的pfc变换电路，每一组双路的pfc变换电路远离所述三相市电输入端1的一端均连接至所述母线电容电路3的中点；所述一组双路的pfc变换电路包括耦合电感201、两路开关电路202和两路二极管电
路203，所述耦合电感201的一端连接至所述三相市电输入端1，所述耦合电感201的另一端分别与所述开关电路202和二极管电路203相连接，所述开关电路202和二极管电路203分别与所述母线电容电路3相连接；所述pfc变换电路也称pfc变换器；单相的耦合电感201可以是一个或多个。
25.本例所述三相市电输入端1包括va、vb和vc共三相输入，每一相输入均连接至结构相同的双路的pfc变换电路，共计三组pfc变换器，实现三电平pfc变换电路2；所述母线电容电路3指的是母线电容c01和母线电容c02所在的母线电路；本例既能够减小电路纹波电流，又能够减小电感体积和数量的电路；在此基础上，还能够减小功率器件的电流应力，提高功率密度；通过对电路的结构设计和时序控制进行了优化之后，本例能够克服现有三相功率因数校正电路的缺陷，有效减小电感体积和减少数量，提高功率密度，降低成本。
26.即本例每一组的双路的pfc变换电路结构相同，每一路的pfc变换电路包含一路开关电路202和一路二极管电路203，其中开关电路202优选采用一个双向开关，如开关管s1和开关管s2或开关管s3和开关管s4等，所述二极管电路203优选白用两个二极管，如二极管d1和二极管d2或二极管d3和二极管d4等，这是一组双路的pfc变换电路；其他两组pfc变换电路的结构相同，如图1所示。
27.即本例所述开关电路202包括双向开关(如开关管s1和开关管s2)，所述二极管电路203包括第一二极管(如二极管d1)和第二二极管(如二极管d2)，所述耦合电感201远离所述三相市电输入端1的一端分别与所述双向开关(如开关管s1和开关管s2)的一端、第一二极管(如二极管d1)的正极以及第二二极管(如二极管d2)的负极相连接，所述双向开关(如开关管s1和开关管s2)的另一端连接至所述母线电容电路3的中点，所述第一二极管(如二极管d1)的负极以及第二二极管(如二极管d2)的正极分别连接至所述母线电容电路3的两端；其他的每一路pfc变换电路采用相同的机构。
28.本例每一组pfc变换电路(一组pfc变换电路包括双路的pfc变换电路)包含一个耦合电感201，不同于一般的分立电感，所述耦合电感201为通过两个电感线圈绕在一个公共磁芯上的电感，通过调节该电感的线圈距离和磁芯结构，使得两个电感线圈达到不同的耦合系数m，可根据实际需要或电路进行调节，所述耦合系数m取值范围为0～1。
29.优选的，本例所述耦合电感201的两个电感线圈的绕线圈数相同，电感量相同；所述两个电感线圈的一边异名端相连接，并与所述三相市电输入端1的输入交流相线相连接。
30.本例接入至同一相输入的一组双路的pfc变换电路中，第二路的开关电路202的周期开始和结束时间与第一路的开关电路202的周期开始和结束时间相差半个周期。比如第一组双路的pfc变换电路，两路的开关电路202由电感电流控制其开通和关断，其中第二个/第二路的开关电路202的周期开始和结束时间超前或滞后第一个/第一路的开关电路202半个周期时间，即单相的pfc变换电路中分成两路交错180度控制的电路。本例所述开关电路202优选为双向开关。
31.本例相邻两组pfc变换电路的开关电路202之间的控制时序相差为三分之一周期或相位相差120
°
。
32.参照图1，六路pfc变换电路的双向开关202的具体控制时序为：假定双向开关202的控制周期为t，则t＝0时刻，控制第一路的双向开关(开关电路202)中的开关管s1和开关管s2开通，t＝1/2t时刻，控制第二路的双向开关(开关电路202)的开关管s3和开关管s4开
通；t＝1/3t时刻，控制第三路的双向开关(开关电路202)的开关管s5和开关管s6开通；t＝5/6t时刻，控制第四路的双向开关(开关电路202)的开关管s7和开关管s8开通；t＝2/3t时刻，控制第五路的双向开关(开关电路202)的开关管s9和开关管s10开通；t＝7/6t时刻，既下个周期1/6t时刻，控制第六路的双向开关(开关电路202)的开关管s11和开关管s12开通；各路双向开关的关闭时刻根据电路工作状态由硬件或软件控制。
33.本例所述的第一组双路的pfc变换电路中，两路的开关电路202由电感电流控制开通和关断，其中第二个/第二路开关电路202的周期开始和结束时间超前或滞后第一个开关电路202半个周期时间。两路pfc变换电路的电感电流波形和第一组输入总电流如图2所示，由此可见，本例交错并联后电流纹波抵消，总电流纹波大大小于单路电流纹波。
34.本例所述三电平pfc变换电路2可拆分为三相交错120
°
相位控制的耦合电感交错pfc电路，每一相耦合电感交错pfc电路在输入交流电正半周和负半周又可等效为单相耦合电感pfc电路，如图3所示。开关管s1和开关管s2导通,脉冲相位差为ts/2(ts为开关周期),导通脉冲宽度相等,耦合电感201自感相等(l1＝l2＝l)。pfc变换电路共有4种工作状态。半个开关周期、两个工作模态的等效电路,及一个开关周期耦合电感电流波形如图3所示。
35.当处于第一工作状态t0～t1时：t0时刻之前，开关管s2截止，电感l2经二极管d2放电；t0时刻，开关管s1导通，电流i1线性上升，由于电感的耦合作用，电流i2有可能上升。由分析可见，电流i2上升与否，取决于电感l1和电感l2的耦合系数m的大小及导通占空比d的大小。
36.当处于第二工作状态t1～t2时：开关管s1断开off，开关管s2断开off，开关管s1截止，电流i1通过二极管d1续流，电流i2仍通过二极管d2续流，电流i1和电流i2均线性下降。
37.t3时刻以后，耦合电感201交错并联pfc变换器进入下半个开关周期，这半个周期中的两个工作模态，与上半个开关周期类似，只是双通道的地位进行了交换。
38.设定占空比为d，可以算出电压增益为：耦合电感201交错并联pfc变换电路输出电压仅与导通占空比有关,而与耦合系数及负载等其它因素无关。因此在电路控制上可以采用以前可靠成熟的控制方案，即：上可以采用以前可靠成熟的控制方案，即：以上式子表明耦合电感交错并联pfc变换器各通道电流纹波，与耦合系数相关。可以根据实际电路需要调节耦合系数m，使所述基于耦合电感的三相交错并联pfc电路的控制系统和控制过程更加灵活，适应性更强。当然，以上的时序控制和工作状态描述是为了补充说明本例电路设计所能够带来的优势，本技术所要求保护的是其硬件结构设计，而非控制过程。
39.本例图1所示的耦合电感201的体积较传统电路已有所减小，但仍可以采用如图4的优化设计以达到体积更小、更薄以及更高的功率密度的目的，为此，本例所述耦合电感201包括串联的两个或两个以上的耦合电感。这样设计可以再进一步解决高度、体积和散热等问题，把一个耦合电感201分成串联的两个或两个以上耦合电感，以便进一步减小高度和体积，优化散热。串联的多个耦合电感201可以采用传统的环形磁环制作，通过调节线圈比例可以控制等效的耦合系数m，并能减小电感器件的高度和体积，分散热量，提高功率密度。
40.本例采用两个或两个以上耦合电感201，其耦合线圈的圈数可以不一样，即所述耦合电感201包括串联的第一耦合电感l1和第二耦合电感l2，所述第一耦合电感l1和第二耦合电感l2结构相同，事实上第一耦合电感l1～第六耦合电感l6都为同一款电感，其线圈圈数比均为n1：n2，这样的设计便于加工和生产制造；其接法为：第一耦合电感l1的线圈n1同名端接输入a相电压，第一耦合电感l1的线圈n1异名端接第二耦合电感l2的线圈n2同名端，第二耦合电感l2的线圈n2异名端接开关管s1和二极管d1、二极管d2；第一耦合电感l1的线圈n2异名端接输入a相电压，第一耦合电感l1的线圈n2同名端接到第二耦合电感l2的线圈n1异名端，第二耦合电感l2的线圈n1同名端接开关管s2和二极管d3、二极管d4。
41.即，本例所述第一耦合电感l1的线圈n1同名端连接至所述三相市电输入端1，所述第一耦合电感l1的线圈n1异名端连接至所述第二耦合电感l2的线圈n2同名端，所述第二耦合电感l2的线圈n2异名端连接至第一路的开关电路202和第一路的二极管电路203；所述第一耦合电感l1的线圈n2异名端连接至所述三相市电输入端1，所述第一耦合电感l1的线圈n2同名端连接至所述第二耦合电感l2的线圈n1异名端，所述第二耦合电感l2的线圈n1同名端连接至第二路的开关电路202和第二路的二极管电路203。
42.优选的，对于固定结构的磁芯，通过调节第一耦合电感l1与第二耦合电感l2各自的线圈圈数比n1：n2，可以等效调节耦合系数m，当n1＝n2时耦合系数m接近于1，当n1＝0或n2＝0时耦合系数m接近为0，通过调节线圈圈数比n1:n2进而使0<m<1。
43.另外两相对应的pfc变换电路接法与此类似。
44.因此，本例上述采用两个耦合电感的优选电路拓扑的优势还在于，一些常规电感，比如环形磁环绕制的电感，其磁芯是圆形且无法改变磁路，用于制作耦合电感的时候，其耦合系数无法调节，就无法通过调节耦合系数优化本电路参数性能。采用2个或以上耦合电感，可使用传统环形磁环绕制的电感制作，依靠调整耦合的圈数比例n1：n2调节等效的耦合系数。假设n1>n2，则n1：n2比例越大，其等效耦合系数越小。
45.在具体实施例中，例如对于环形电感，还可以将两个分开的耦合电感进一步结合，如图5所示，所述耦合电感201包括串联的第一耦合电感l1和第二耦合电感l2，所述第一耦合电感l1和第二耦合电感l2结构相同，其线圈圈数比均为n1：n2；在第一耦合电感l1的线圈n1完成后继续在第二耦合电感l2的磁环上绕制线圈n2，在第二耦合电感l2的线圈n1完成后继续在第一耦合电感l1的磁环上绕制线圈n2，进而可以减少4个出线脚，以进一步减小体积，方便pcb布局，具体结构图纸如图6至图8所示。
46.本例还提供一种基于耦合电感201的三相交错并联pfc电路控制系统，包括了如上所述的基于耦合电感201的三相交错并联pfc电路。
47.综上所述，本例采用耦合电感201代替独立电感，并对电路的结构设计和时序控制进行了优化，耦合电感201的每个绕组分别连接至交错并联的三电平pfc变换电路2，既能够大大减小输入电流纹波和输出电流纹波，能够有效减小电感体积和数量，减小输入emc滤波器体积，减少emc干扰，还能够减少输出滤波电容数量，增加功率密度；在此基础上，还可以再进一步优化耦合电感201以减小电感器件的高度和体积，分散热量并提高功率密度。
48.以上所述之具体实施方式为本实用新型的较佳实施方式，并非以此限定本实用新型的具体实施范围，本实用新型的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本实用新型之形状、结构所作的等效变化均在本实用新型的保护范围内。