IGBT三分立交错式PFC型电源装置及其控制方法与流程

igbt三分立交错式pfc型电源装置及其控制方法
技术领域
1.本发明涉及电源电路领域，特别是涉及一种 igbt三分立交错式pfc型电源装置及其控制方法。


背景技术：

2.直流电源装置主要用于给负载提供一组或多组恒定且能满足负载工作条件的直流输出。采用二极管整流的直流电源装置，输出的直流具有较大的工频纹波；直流电源装置也可以是采用电力电子器件的开关电源，其直流输出中往往含有高频纹波。
3.传统直流电源装置中，其整流方式只是将交流电源经过二极管整流后经滤波电容输出带有纹波的直流电，这种直流电的缺点是电流纹波大、噪声大、电网利用率低、功率因数低、体积大（滤波电容），且输出电源电压无法调整，在重负载的情况下尤为明显。


技术实现要素：

4.本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种 igbt三分立交错式pfc型电源装置及其控制方法。
5.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种 igbt三分立交错式pfc型电源装置，包括：中心处理器、三相全波整流模块及三个分立交错pfc升压电路，所述三相全波整流模块包括三个整流单元，三个所述整流单元的输入端分别一一对应与三相交流市电电连接，三个所述整流单元的输出端分别对应与三个所述分立交错pfc升压电路电连接，三个所述分立交错pfc升压电路分别与所述中心处理器电连接，三个所述分立交错pfc升压电路的输入端还分别与外部的直流电源电连接；在一个所述分立交错pfc升压电路中，所述分立交错pfc升压电路包括输入检测模块、交错式pfc-dc升压模块、输出检测模块及分立交错pfc-boost主控单元，所述输入检测模块的输入端分别与一所述整流单元及所述直流电源电连接，所述输入检测模块的输出端与所述交错式pfc-dc升压模块电连接，所述交错式pfc-dc升压模块的输出端与所述输出检测模块电连接，所述输出检测模块的输出端输出直流电压，所述分立交错pfc-boost主控单元分别与所述输入检测模块、交错式pfc-dc升压模块、输出检测模块、中心处理器电连接。
6.在其中一个实施例中，所述输入检测模块包括直流输入单元和波形检测单元，所述直流输入单元的输入端分别与一所述整流单元及所述直流电源电连接，所述直流输入单元的输出端与所述波形检测单元电连接，所述波形检测单元的输出端与所述交错式pfc-dc升压模块电连接，所述直流输入单元和所述波形检测单元还分别与所述分立交错pfc-boost主控单元电连接。
7.在其中一个实施例中，所述输出检测模块包括电压检测单元及电流检测传感器，所述电压检测单元的输入端与所述交错式pfc-dc升压模块的输出端电连接，所述电压检测单元的输出端与所述电流检测传感器电连接，所述电压检测单元和所述电流检测传感器还分别与所述分立交错pfc-boost主控单元电连接。
8.在其中一个实施例中，所述输出检测模块还包括输出通道单元，所述输出通道单元的输入端与所述电流检测传感器的输出端电连接，所述输出通道单元的输出端输出直流电压，所述输出通道单元还与所述分立交错pfc-boost主控单元电连接。
9.在其中一个实施例中，所述整流单元包括四个顺序连接的整流二极管。
10.在其中一个实施例中，所述直流输入单元包括二极管d10及开关k10，所述二极管d10的阳极用于与直流电源电连接，所述二极管d10的阴极与所述开关k10电连接，所述开关k10还与所述波形检测单元电连接。
11.在其中一个实施例中，所述波形检测单元包括电阻r20和电阻r32，所述电阻r20的一端与所述直流输入单元电连接，所述电阻r20的另一端分别与所述电阻r32和所述分立交错pfc-boost主控单元电连接，所述电阻r32的另一端接地。
12.在其中一个实施例中，所述电压检测单元包括电阻r29和电阻r36，所述电阻r29的一端与所述交错式pfc-dc升压模块的输出端电连接，所述电阻r29的另一端分别与所述电阻r36和所述分立交错pfc-boost主控单元电连接，所述电阻r36的另一端接地。
13.在其中一个实施例中，所述输出通道单元包括二极管d6和电容c14，所述二极管d6的阳极与所述电流检测传感器电连接，所述二极管d6的阴极与所述电容c14电连接，所述二极管d6的阴极还用于输出直流电压。
14.本发明还提供一种igbt三分立交错式pfc型电源装置的控制方法，包括如下步骤：当处于交流市电输入状态时：将三相交流市电拆分成三个单相线电压分别对应通过整流单元进行全波整流，并分别输入对应的输入检测模块中；各所述输入检测模块检测输入电源的电压波峰和电压波谷，并且将所述电压波峰和电压波谷输入至交错式pfc-dc升压模块中；各所述交错式pfc-dc升压模块对三相波形电压分别对应进行pwm脉宽调制后，通过输出检测模块的过压检测、过流检测和止逆后输出高压直流电源；当处于直流电源输入状态时：直流电源经过输入检测模块的分压后，输入至所述交错式pfc-dc升压模块，此时中心处理器控制所述交错式pfc-dc升压模块转换为boost模式；所述交错式pfc-dc升压模块将所述直流电源进行升压后输出至输出检测模块中；所述输出检测模块在将升压后的直流电压进行过压检测、过流检测和止逆后输出高压直流电源。
15.本发明相比于现有技术的优点及有益效果如下：1、本发明为一种 igbt三分立交错式pfc型电源装置，通过设置三个整流单元及三个分立交错pfc升压电路，可以将三相交流电源拆分成三个单相交流电源，并对三个单相交流电源单独进行pwm脉宽调制，再经过升压电感、滤波电容滤波后输出成低纹波大功率稳定的直流电压。
16.2、本发明的igbt三分立交错式pfc型电源装置，与传统的整流方式不同之处是它不需要庞大的电解电容滤波，减少了由于体积带来的问题，由pwm脉宽调制方式填补了由波谷电压不足带来的纹波，由于频率高所以输出滤波电容可以很小，且用无极性电容代替了有使用寿命的电解电容，从而可以使得滤波电容结构比传统的整流方式的电容结构体积小
约2/3。
17.3、本发明的igbt三分立交错式pfc型电源装置，采用三分立结构，如果出现缺相，则可以控制缺相的功率单元停止pwm单元，由pwm方式转换成传统整流方式，而另外其中一相功率单元则承担所有功率输出，并将功率输出降低到原功率的1/3，此时功率线功率因数不变，由缺相转变成降额使用。
18.4、本发明的igbt三分立交错式pfc型电源装置，可以不受电源限制，它能输入交流也能输入直流，在直流输入时，它将转换成boost升压模式以达到输入电压稳定的目地，当输入交流电压或输入电压不稳定时，则可以进行pwm脉宽调制，将输出电压稳定下来给后级输入稳定的直流电源。
附图说明
19.图1为本发明一实施方式的 igbt三分立交错式pfc型电源装置的模块图；图2为分立交错pfc升压电路的电路图；图3为交流市电输入波形图；图4为pfc芯片u3检测到的电压波形图；图5为输入时的合成电流波形图；图6为输入时的分解电流波形图；图7为pfc芯片u3检测多个周期的三解波调制波形图；图8为pfc芯片u3检测单个周期的三解波调制波形图；图9为pfc芯片u3发送给ab两组的igbt驱动波形图；图10为a组输出电压波形图；图11为直流电源输入波形图；图12为直流电源输入时交错式驱动波形；图13为本发明一实施方式的 igbt三分立交错式pfc型电源装置的电路图。
具体实施方式
20.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
21.这是一种新能源汽车直流快速充电桩的一级直流部份，但是它改变了传统的整流方式，传统的整流方式只是将交流电源经过二极管整流后经滤波电容输出带有纹波的直流电，这种直流电的缺点是电流纹波大，噪声大，电网利用率低，功率因数低，体积大（滤波电容），且输出电源电压无法调整，在重负载的情况下尤为明显。本发明提供一种igbt三分立交错式pfc型电源装置及控制方法用于解决上述提出的问题，本发明的igbt三分立交错式pfc型电源装置是直流快速充电桩的一级非隔离直流部份，它的作用是给隔离型充电机提供稳定的直流电源，因为直流快充充电机所需的电源是直流电而非交流电，它代替了传统的整流方式的vdc直流电源，转而变成了由pwm调制型的vdc电源改变了由于整流桥、功率因数等多方面因数达不到而产生的损耗，提高了效率输出，提高了稳定性能，在一定程度上能
给多台充电机同时供电，实现一机多桩的目地。
22.一实施方式中，请参阅图1，所述 igbt三分立交错式pfc型电源装置，包括中心处理器、三相全波整流模块及三个分立交错pfc升压电路，所述三相全波整流模块包括三个整流单元，三个所述整流单元的输入端分别一一对应与三相交流市电电连接，三个所述整流单元的输出端分别对应与三个所述分立交错pfc升压电路电连接，三个所述分立交错pfc升压电路分别与所述中心处理器电连接，三个所述分立交错pfc升压电路的输入端还分别与外部的直流电源电连接。
23.需要说明的是，所述中心处理器用于控制电源装置的整体工作；在本实施例中，所述中心处理器为mcu处理器或dsp处理器。所述三相全波整流模块包含三个整流单元，分别用于对各相的交流电进行全波整流；所述分立交错pfc升压电路用于对波形电压进行调制滤波后输出直流电源。
24.请参阅图1，在一个所述分立交错pfc升压电路中，所述分立交错pfc升压电路包括输入检测模块、交错式pfc-dc升压模块、输出检测模块及分立交错pfc-boost主控单元，所述输入检测模块的输入端分别与一所述整流单元及所述直流电源电连接，所述输入检测模块的输出端与所述交错式pfc-dc升压模块电连接，所述交错式pfc-dc升压模块的输出端与所述输出检测模块电连接，所述输出检测模块的输出端输出直流电压，所述分立交错pfc-boost主控单元分别与所述输入检测模块、交错式pfc-dc升压模块、输出检测模块、中心处理器电连接。需要说明的是，所述输入检测模块用于对电压进行波形检测，所述交错式pfc-dc升压模块用于对电压进行pwm调制；所述输出检测模块用于对输出电源进行过压、过流和滤波，实现稳压滤波后输出直流电源。
25.如此，通过设置三个整流单元及三个分立交错pfc升压电路，可以将三相交流电源拆分成三个单相交流电源，并对三个单相交流电源单独进行pwm脉宽调制，再经过升压电感、滤波电容滤波后输出成低纹波大功率稳定的直流电压。并且通过采用三分立结构，如果出现缺相，则可以控制缺相的功率单元停止pwm单元，由pwm方式转换成传统整流方式，而另外其中一相功率单元则承担所有功率输出，并将功率输出降低到原功率的1/3，此时功率线功率因数不变，由缺相转变成降额使用。
26.请参阅图1，所述输入检测模块包括直流输入单元和波形检测单元，所述直流输入单元的输入端分别与一所述整流单元及所述直流电源电连接，所述直流输入单元的输出端与所述波形检测单元电连接，所述波形检测单元的输出端与所述交错式pfc-dc升压模块电连接，所述直流输入单元和所述波形检测单元还分别与所述分立交错pfc-boost主控单元电连接。需要说明的是，所述直流输入单元用于接入直流电源，所述波形检测单元用于检测电压的波峰波谷之后送往交错式pfc-dc功率器件中，即输送至交错式pfc-dc升压模块中。
27.进一步地，请参阅图1，所述输出检测模块包括电压检测单元及电流检测传感器，所述电压检测单元的输入端与所述交错式pfc-dc升压模块的输出端电连接，所述电压检测单元的输出端与所述电流检测传感器电连接，所述电压检测单元和所述电流检测传感器还分别与所述分立交错pfc-boost主控单元电连接。需要说明的是，所述电压检测单元用于检测输出电压是否在合理的范围之内防止过压输出，保护因过压输出而损坏设备；所述电流检测传感器用于检测输出电流的大小是否在合理的范围之内防止过流过载而损坏设备。
28.请再次参阅图1，所述输出检测模块还包括输出通道单元，所述输出通道单元的输
入端与所述电流检测传感器的输出端电连接，所述输出通道单元的输出端输出直流电压，所述输出通道单元还与所述分立交错pfc-boost主控单元电连接。所述输出通道单元用于起到止逆和滤波的作用，防止输出的电源电压返回到设备造成不必要的能量浪费。
29.在本实施例中，请参阅图2，所述整流单元包括四个顺序连接的整流二极管。所述直流输入单元包括二极管d10及开关k10，所述二极管d10的阳极用于与直流电源电连接，所述二极管d10的阴极与所述开关k10电连接，所述开关k10还与所述波形检测单元电连接。所述波形检测单元包括电阻r20和电阻r32，所述电阻r20的一端与所述直流输入单元电连接，所述电阻r20的另一端分别与所述电阻r32和所述分立交错pfc-boost主控单元电连接，所述电阻r32的另一端接地。所述电压检测单元包括电阻r29和电阻r36，所述电阻r29的一端与所述交错式pfc-dc升压模块的输出端电连接，所述电阻r29的另一端分别与所述电阻r36和所述分立交错pfc-boost主控单元电连接，所述电阻r36的另一端接地。所述输出通道单元包括二极管d6和电容c14，所述二极管d6的阳极与所述电流检测传感器电连接，所述二极管d6的阴极与所述电容c14电连接，所述二极管d6的阴极还用于输出直流电压。
30.当市电电源经过整流单元时交流电源被整流成直流脉动电源，这时pfc芯片经过电阻r20、电阻r32检测到约为513v的馒头波形电压，此时pfc芯片开始进行占空比脉冲调节。请参阅图3和图4，图3为交流市电输入波形图；图4为pfc芯片u3检测到的电压波形图。请阅图5和图6，图5为输入时的合成电流波形图；图6为输入时的分解电流波形图。
31.可以理解，市电电源经过三套整流单元分别输入，将三相交流电拆分成三个线电压分别进行全波整流，此时三相线电压相位各差120度，形成三个单相全波整流后合成dc直流电源一并送入直流输入单元，由波形检测单元检测电压的波峰波谷之后送往交错式pfc-dc功率器件中。而另一方式中，dc直流输入经过止逆二极管和投入开关后，再经过波形检测后送往pfc-dc功率器件中，经过电压检测单元、电流检测传感器、输出通道止逆输出直流电源，而主控单主要检测输入电压波形、交错式功率管占空比、输出电压幅值、输出电流大小等。
32.在本实施例中，请参阅图2，所述交错式pfc-dc升压模块包括pfc芯片u3、共射型双igbt开关管（q3和q4）及并联式双升压电感（l3或l4），所述pfc芯片u3分别与所述共射型双igbt开关管电连接，所述电流检测传感器包括变压器t3和变压器t4，所述pfc芯片u3的gdb管脚与所述共射型双igbt开关管q3的控制极电连接，所述共射型双igbt开关管q3的输出极与所述变压器t3的初级电连接，所述变压器t3的初级还与所述并联式双升压电感l4电连接，所述变压器t3的次级经过二极管d7与所述pfc芯片u3的csb管脚电连接；所述pfc芯片u3的gda管脚与所述共射型双igbt开关管q4的控制极电连接，所述共射型双igbt开关管q4的输出极与所述变压器t4的初级电连接，所述变压器t4的初级还与所述并联式双升压电感l3电连接，所述变压器t4的次级经过二极管d14与所述pfc芯片u3的csa管脚电连接，所述共射型双igbt开关管q3和q4的发射极电连接。
33.具体地，这是共射型igbt双电感交错式pfc-boost电路，它以升压的方式提高了功率因数，与传统的方式不同之处是传统的pfc为单脉冲形式，最大占空比不超50%，一个igbt承担所有电流，而交错式的由两个共射igbt与两个电感组成，交替工作。其最大占空比能达到100%，由于是两igbt组成其电流只需要单个igbt的一半，效率能接近100%。纹波方面，交错式pfc则比单个的pfc小一半，这样可以大大降低其igbt承受电流的应力，同时减小了功
率电感的体积，减小了输出滤波电容，减少了纹波。pwm双组脉宽调制方式 ，输入电流与电压同相电流波形正弦化，使得功率因数接近1。在输入方式改变成直流后工作模式由pfc更改成boost模式，达到恒功率稳压的目地。电流传感器t3、t4将dc输出的电流实时反应给pfc芯片u3，pfc芯片u3根据电流反应过来的情况调整pwm占空比，如果后级发生短路主控单元将控制输入端断开输入。
34.在交流市电输入后，pfc芯片u3检测多个周期的三解波调制波形图，如图7所示。pfc芯片u3检测单个周期的三解波调制波形图，如图8所示。之后pfc芯片u3发送给ab两组的igbt驱动波形图，如图9所示。当pfc芯片u3检测电源电压正处于波谷时pwm占空比变大，储能电感存储的能量多，当电感能量释放时叠加了电源低谷的能量进行输入，达到能量平衡。当pfc芯片u3检测电源电压正处于波峰时pwm占空比变小，储能电感存储的能量少，释放的能量少与波峰的电压叠加后输出达到能量平衡，这样输出的电源纹波非常小。此时对应的输出电压波形图，如图10所示。上述是以a组工作为例，而b组、c组工作则与a组相同。
35.另外还需要说明的是，请参阅图11和图12，当直流电源经分压电阻输入pfc芯片u3检测后，pfc芯片u3改变工作方式转换成boost模式，将输入的直流电压升压到额定电压后输出。
36.本发明还提供一种igbt三分立交错式pfc型电源装置的控制方法，包括如下步骤：当处于交流市电输入状态时：将三相交流市电拆分成三个单相线电压分别对应通过整流单元进行全波整流，并分别输入对应的输入检测模块中；各所述输入检测模块检测输入电源的电压波峰和电压波谷，并且将所述电压波峰和电压波谷输入至交错式pfc-dc升压模块中；各所述交错式pfc-dc升压模块对三相波形电压分别对应进行pwm脉宽调制后，通过输出检测模块的过压检测、过流检测和止逆后输出高压直流电源；当处于直流电源输入状态时：直流电源经过输入检测模块的分压后，输入至所述交错式pfc-dc升压模块，此时中心处理器控制所述交错式pfc-dc升压模块转换为boost模式；所述交错式pfc-dc升压模块将所述直流电源进行升压后输出至输出检测模块中；所述输出检测模块在将升压后的直流电压进行过压检测、过流检测和止逆后输出高压直流电源。
37.请参阅图13，当交流电输入时，一级开关闭合由u3、u4、u5检测三相馒波分别进行调制，此时u3、u4、u5对电流进行同步正弦矩形脉冲调制，使得输入正弦的电压与电流无相位差，从而如同阻性负载所以其功率因数接近“1。当直流电输入时，一级开关断开、二级开关闭合此时u3、u4、u5转换成boost模式，将输入的电源进行升压之后送出。由于u3、u4、u5是协同工作，所以每组只承担功率是1/3。当缺相时u3、u4、u5检测到没有输入，此时它将关闭自己的能道，主控单元将信号发给dsp/mcu处理器，处理器自己进行调配将功率降低到原功率的1/3。
38.本发明的装置及方法采用共射型双igbt组合，大大提升效率，改变了传统单脉冲pfc电流断续不连续效率不高的情况。本发明采用无级性电容代替电解电容，使得寿命更长；并且采用双电感比传统单电感模式频率更高、体积更小本发明采用三分立模式，改变了
传统的集中模式，不会因为一组损坏而影响整体不能工作的情况。本发明增加了主控单元，可在交流的pfc模式下和直流的boost模式间无缝切换。本发明采用交错脉冲模式，igbt的电流应力只有原电流应力的一半，降低了生产成本。
39.以上所述实施方式仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。