一种单级隔离型三相PFC变换器[实用新型专利]

(12)实用新型专利

(10)授权公告号 CN 206595910 U(45)授权公告日 2017.10.27

(21)申请号 201621489246.0(22)申请日 2016.12.30

(73)专利权人 杭州禾迈电力电子技术有限公司

地址 310015 浙江省杭州市拱墅区康景路

18号11撞三楼(72)发明人 赵一　荣强　

(74)专利代理机构 杭州天正专利事务所有限公

司 33201

代理人 王兵　黄美娟(51)Int.Cl.

H02M 7/219(2006.01)H02M 3/335(2006.01)H02M 1/42(2007.01)

(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利

(54)实用新型名称

一种单级隔离型三相PFC变换器

(57)摘要

单级隔离型三相PFC变换器，包括输入端电路和输出端电路；输入端电路由A相输入电路、B相输入电路、C相输入电路、上母线电容(C1)及下母线电容(C2)；输出端电路包括A相输出电路、B相输出电路、C相输出电路、输出电容(Co)。本实用新型仅用单级电路就实现了交流到直流转换的电气隔离，配合控制实现交流端单位功率因数的输入与恒压恒流恒功率的输出。电路相比传统两级结构，电路器件少、结构简单、高效可靠，并可大幅降低系统的体积和成本，控制系统简单，动态特性好，适用于高压直流UPS服务器电源和电动汽车直流充电的AC-DC隔离转换场合。CN 206595910 U权利要求书2页 说明书5页 附图1页

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1.一种单级隔离型三相PFC变换器，其特征在于：包括输入端电路和输出端电路；所述的输入端电路由A相输入电路、B相输入电路、C相输入电路、上母线电容(C1)及下母线电容(C2)构成；

所述的A相输入电路中，A相输入电感(La)的第一端与A相输电源相连，A相输入电感(La)的第二端与A相输入电容(Ca)第一端及A相变压器第一电感(La1)第一端相连，A相变压器第一电感(La1)第二端与A相第一开关管(Sa1)的源极、A相第四开关管(Sa4)的漏极及A相第三开关管(Sa3)的源极相连，A相第三开关管(Sa3)的漏极与A相第二开关管(Sa2)的漏极相连，A相第二开关管(Sa2)的源极与A相输入电容(Ca1)的第二端、上母线电容(C1)的第二端及下母线电容(C2)的第一端相连，A相第一开关管(Sa1)的漏极与上母线电容(C1)的第一端相连，A相第四开关管(Sa4)的源极与下母线电容(C2)的第二端相连；

所述的B相输入电路中，B相输入电感(Lb)的第一端与B相输电源相连，B相输入电感(Lb)的第二端与B相输入电容(Cb)第一端及B相变压器第一电感(Lb1)第一端相连，B相变压器第一电感(Lb1)第二端与B相第一开关管(Sb1)的源极、B相第四开关管(Sb4)的漏极及B相第三开关管(Sb3)的源极相连，B相第三开关管(Sb3)的漏极与B相第二开关管(Sb2)的漏极相连，B相第二开关管(Sb2)的源极与A相输入电容(Cb1)的第二端、上母线电容(C1)的第二端及下母线电容(C2)的第一端相连，B相第一开关管(Sb1)的漏极与上母线电容(C1)的第一端相连，B相第四开关管(Sb4)的源极与下母线电容(C2)的第二端相连；

所述的C相输入电路中，C相输入电感(Lc)的第一端与C相输电源相连，C相输入电感(Lc)的第二端与C相输入电容(Cc)第一端及C相变压器第一电感(Lc1)第一端相连，C相变压器第一电感(Lc1)第二端与C相第一开关管(Sc1)的源极、C相第四开关管(Sc4)的漏极及C相第三开关管(Sc3)的源极相连，C相第三开关管(Sc3)的漏极与C相第二开关管(Sc2)的漏极相连，C相第二开关管(Sc2)的源极与A相输入电容(Cc1)的第二端、上母线电容(C1)的第二端及下母线电容(C2)的第一端相连，C相第一开关管(Sc1)的漏极与上母线电容(C1)的第 一端相连，C相第四开关管(Sc4)的源极与下母线电容(C2)的第二端相连；

所述的输出端电路包括A相输出电路、B相输出电路、C相输出电路、输出电容(Co)；所述的A相输出电路中，A相变压器第二电感(La2)的第一端与A相第一二极管(Da1)的阳极及A相第二二极管(Da2)的阴相连，A相变压器第二电感(La2)的第二端与A相第二电容(Ca2)的第二端及A相第三电容(Ca3)的第一端相连，A相第一二极管(Da1)的阴极与A相第二电容(Ca2)的第一端及输出电容(Co)的第一端相连，A相第二二极管(Da2)的阳极与A相第三电容(Ca3)的第二端及输出电容(Co)的第二端相连；

所述的B相输出电路中，B相变压器第二电感(Lb2)的第一端与B相第一二极管(Db1)的阳极及B相第二二极管(Db2)的阴相连，B相变压器第二电感(Lb2)的第二端与B相第二电容(Cb2)的第二端及A相第三电容(Cb3)的第一端相连，B相第一二极管(Db1)的阴极与B相第二电容(Cb2)的第一端及输出电容(Co)的第一端相连，B相第二二极管(Db2)的阳极与B相第三电容(Cb3)的第二端及输出电容(Co)的第二端相连；

所述的C相输出电路中，C相变压器第二电感(Lc2)的第一端与C相第一二极管(Dc1)的阳极及C相第二二极管(Dc2)的阴相连，C相变压器第二电感(Lc2)的第二端与C相第二电容(Cc2)的第二端及A相第三电容(Cc3)的第一端相连，C相第一二极管(Dc1)的阴极与C相第二

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电容(Cc2)的第一端及输出电容(Co)的第一端相连，C相第二二极管(Dc2)的阳极与C相第三电容(Cc3)的第二端及输出电容(Co)的第二端相连；

在A相输入电路的电压处于正半周时，A相第一开关管(Sa1)与A相第二开关管(Sa2)及A相第三开关管(Sa3)配合工作，回收A相输入电路的变压器漏感能量，并使A相第二开关管(Sa2)工作于零电压开通的软开关状态；

在A相电压处于负半周时，A相第四开关管(Sa4)与A相第二开关管(Sa2)及A相第三开关管(Sa3)配合工作，回收A相输入电路的变压器漏感能量，并使A相第三开关管(Sa3)工作于零电压开通的软开关状态；

在B相输入电路的电压处于正半周时，B相第一开关管(Sb1)与B 相第二开关管(Sb2)及B相第三开关管(Sb3)配合工作，回收B相输入电路的变压器漏感能量，并使B相第二开关管(Sb2)工作于零电压开通的软开关状态；

在B相电压处于负半周时，B相第四开关管(Sb4)与B相第二开关管(Sb2)及B相第三开关管(Sb3)配合工作，回收B相输入电路的变压器漏感能量，并使B相第三开关管(Sb3)工作于零电压开通的软开关状态；

在C相输入电路的电压处于正半周时，C相第一开关管(Sc1)与C相第二开关管(Sc2)及C相第三开关管(Sc3)配合工作，回收C相输入电路的变压器漏感能量，并使C相第二开关管(Sc2)工作于零电压开通的软开关状态；

在C相电压处于负半周时，C相第四开关管(Sc4)与C相第二开关管(Sc2)及C相第三开关管(Sc3)配合工作，回收C相输入电路的变压器漏感能量，并使C相第三开关管(Sc3)工作于零电压开通的软开关状态；

ABC三相电路同时配合电网电压采样实现变换器的单位功率因数输入；

上母线电容(C1)的电压和下母线电容(C2)的电压与输出电容(Co)的电压相关，动态调节以降低开关管的损耗。

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一种单级隔离型三相PFC变换器

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技术领域

[0001]本实用新型涉及一种单级隔离型三相PFC变换器。

背景技术

[0002]传统的UPS系统中，电网输入通过AC-DC整流器与蓄电池相连，之后通过逆变器与静态开关输出。这样的系统存在可靠性低、维护和扩容困难、风险大以及转换效率低等缺点。高压直流电源方案逐渐成为了系统的主流，这现隔离型交流-直流变换。近年来，电动汽车直流充电模块电源系统发展迅速，该系统同样用到隔离型交流-直流变换器，因此隔离型交流输入直流输出的整流器成为工业界研究的热点。目前绝大部分整流器由两级系统构成，前级为PFC电路，实现单位功率因素电能输入并调节母线电压，后级为DC-DC电路实现电气隔离并调节控制输出电压与电流。[0003]两级电路结构复杂成本高。一方面元器件数量多增加了系统的成本并降低了系统的可靠性，另一方面存在两套控制算法来控制电路级联工作，控制复杂且难以满足系统的动态性能。

发明内容

[0004]本实用新型要克服现有技术的上诉缺点，提供一种单级隔离型三相PFC变换器及其控制方法，结构简单控制方便，保证了电气隔离的同时实现了输出的恒压恒流控制和单位功率因数输入。

[0005]本实用新型所述的单级隔离型三相PFC变换器，包括输入端电路和输出端电路。[0006]所述的输入端电路由A相输入电路、B相输入电路、C相输入电路、上母线电容C1及下母线电容C2构成。

[0007]所述的A相输入电路中，A相输入电感La的第一端与A相输电源相连，A相输入电感La的第二端与A相输入电容Ca第一端及A相变压器第一电感La1第一端相连，A相变压器第一电感La1第二端与A相第一开关管Sa1的源极、A相第四开关管Sa4的漏极及A相第三开关管Sa3 的源极相连，A相第三开关管Sa3的漏极与A相第二开关管Sa2的漏极相连，A相第二开关管Sa2的源极与A相输入电容Ca1的第二端、上母线电容C1的第二端及下母线电容C2的第一端相连，A相第一开关管Sa1的漏极与上母线电容C1的第一端相连，A相第四开关管Sa4的源极与下母线电容C2的第二端相连。[0008]所述的B相输入电路中，B相输入电感Lb的第一端与B相输电源相连，B相输入电感Lb的第二端与B相输入电容Cb第一端及B相变压器第一电感Lb1第一端相连，B相变压器第一电感Lb1第二端与B相第一开关管Sb1的源极、B相第四开关管Sb4的漏极及B相第三开关管Sb3的源极相连，B相第三开关管Sb3的漏极与B相第二开关管Sb2的漏极相连，B相第二开关管Sb2的源极与A相输入电容Cb1的第二端、上母线电容C1的第二端及下母线电容C2的第一端相连，B相第一开关管Sb1的漏极与上母线电容C1的第一端相连，B相第四开关管Sb4的源极与下母线电容C2的第二端相连。

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所述的C相输入电路中，C相输入电感Lc的第一端与C相输电源相连，C相输入电感

Lc的第二端与C相输入电容Cc第一端及C相变压器第一电感Lc1第一端相连，C相变压器第一电感Lc1第二端与C相第一开关管Sc1的源极、C相第四开关管Sc4的漏极及C相第三开关管Sc3的源极相连，C相第三开关管Sc3的漏极与C相第二开关管Sc2的漏极相连，C相第二开关管Sc2的源极与A相输入电容Cc1的第二端、上母线电容C1的第二端及下母线电容C2的第一端相连，C相第一开关管Sc1的漏极与上母线电容C1的第一端相连，C相第四开关管Sc4的源极与下母线电容C2的第二端相连。

[0010]所述的输出端电路由A相输出电路、B相输出电路、C相输出电路、输出电容Co及下构成。

[0011]所述的A相输出电路中，A相变压器第二电感La2的第一端与A相第一二极管Da1的阳极及A相第二二极管Da2的阴相连，A相变压器第二电感La2的第二端与A相第二电容Ca2的第二端及A相第三电容Ca3的第一端相连，A相第一二极管Da1的阴极与A相第二电容Ca2的第一端及输出电容Co的第一端相连，A相第二二极管Da2的阳极与A相第三电容Ca3的第二端及输出电容Co的第二端相连。

[0012]所述的B相输出电路中，B相变压器第二电感Lb2的第一端与B相第一二极管Db1的阳极及B相第二二极管Db2的阴相连，B相变压器第二电感Lb2的第二端与B相第二电容Cb2的第二端及A相第三电容Cb3 的第一端相连，B相第一二极管Db1的阴极与B相第二电容Cb2的第一端及输出电容Co的第一端相连，B相第二二极管Db2的阳极与B相第三电容Cb3的第二端及输出电容Co的第二端相连。[0013]所述的C相输出电路中，C相变压器第二电感Lc2的第一端与C相第一二极管Dc1的阳极及C相第二二极管Dc2的阴相连，C相变压器第二电感Lc2的第二端与C相第二电容Cc2的第二端及A相第三电容Cc3的第一端相连，C相第一二极管Dc1的阴极与C相第二电容Cc2的第一端及输出电容Co的第一端相连，C相第二二极管Dc2的阳极与C相第三电容Cc3的第二端及输出电容Co的第二端相连。

[0014]在A相电压处于正半周时，A相第一开关管Sa1与A相第二开关管Sa2及A相第三开关管Sa3配合工作，回收A相变压器漏感能量，并使A相第二开关管Sa2工作于零电压开通的软开关状态。

[0015]在A相电压处于负半周时，A相第四开关管Sa4与A相第二开关管Sa2及A相第三开关管Sa3配合工作，回收A相变压器漏感能量，并使A相第三开关管Sa3工作于零电压开通的软开关状态。

[0016]在B相输入电路的电压处于正半周时，B相第一开关管Sb1与B相第二开关管Sb2及B相第三开关管Sb3配合工作，回收B相输入电路的变压器漏感能量，并使B相第二开关管Sb2工作于零电压开通的软开关状态；[0017]在B相电压处于负半周时，B相第四开关管Sb4与B相第二开关管Sb2及B相第三开关管Sb3配合工作，回收B相输入电路的变压器漏感能量，并使B相第三开关管Sb3工作于零电压开通的软开关状态；

[0018]在C相输入电路的电压处于正半周时，C相第一开关管Sc1与C相第二开关管Sc2及C相第三开关管Sc3配合工作，回收C相输入电路的变压器漏感能量，并使C相第二开关管Sc2工作于零电压开通的软开关状态；

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在C相电压处于负半周时，C相第四开关管Sc4与C相第二开关管Sc2及C相第三开关

管Sc3配合工作，回收C相输入电路的变压器漏感能量，并使C相第三开关管Sc3工作于零电压开通的软开关状态；

[0020]ABC三相电路同时配合电网电压采样实现变换器的单位功率因数输入；[0021]上母线电容C1的电压和下母线电容C2的电压与输出电容Co的电压相关，动态调节以降低开关管的损耗。

[0022]本实用新型的优点是：仅通过单级电路，即可实现电气隔离、单位功 率因数输入、恒压或恒流或恒功率输出，一方面减少了系统器件，降低了系统成本并提高了系统的可靠性，另一方面通过简化电路实现了单级控制，进一步提高了系统的可靠性同时又提高了系统的动态响应速度。变压器即工作于正激工作状态又工作于反激工作状态，提高了磁性元件的利用率。母线电容电压与输出电容电压相关，动态调节可以降低电路的开关损耗。通过控制开关管的开关时序使第二开关管与第三开关管工作于零电压开通的软开关状态，降低了开关损耗。

附图说明

[0023]图1是本实用新型单级隔离型三相PFC变换器的输入端电路图；[0024]图2是本实用新型的输出端电路图。

具体实施方式

[0025]参见图1、2，本实用新型的单级隔离型三相PFC变换器，包括：

[0026]所述的单级隔离型三相PFC变换器分为输入端电路和输出端电路两部分。[0027]所述的输入端电路由A相输入电路、B相输入电路、C相输入电路、上母线电容C1及下母线电容C2构成。

[0028]所述的A相输入电路中，A相输入电感La的第一端与A相输电源相连，A相输入电感La的第二端与A相输入电容Ca第一端及A相变压器第一电感La1第一端相连，A相变压器第一电感La1第二端与A相第一开关管Sa1的源极、A相第四开关管Sa4的漏极及A相第三开关管Sa3的源极相连，A相第三开关管Sa3的漏极与A相第二开关管Sa2的漏极相连，A相第二开关管Sa2的源极与A相输入电容Ca1的第二端、上母线电容C1的第二端及下母线电容C2的第一端相连，A相第一开关管Sa1的漏极与上母线电容C1的第一端相连，A相第四开关管Sa4的源极与下母线电容C2的第二端相连。[0029]所述的B相输入电路中，B相输入电感Lb的第一端与B相输电源相连，B相输入电感Lb的第二端与B相输入电容Cb第一端及B相变压器第一电感Lb1第一端相连，B相变压器第一电感Lb1第二端与B相第一开关管Sb1的源极、B相第四开关管Sb4的漏极及B相第三开关管Sb3的源极相连，B相第三开关管Sb3的漏极与B相第二开关管Sb2的漏极相连，B相第二开关管Sb2的源极与A相输入电容Cb1的第二端、上母线电 容C1的第二端及下母线电容C2的第一端相连，B相第一开关管Sb1的漏极与上母线电容C1的第一端相连，B相第四开关管Sb4的源极与下母线电容C2的第二端相连。[0030]所述的C相输入电路中，C相输入电感Lc的第一端与C相输电源相连，C相输入电感Lc的第二端与C相输入电容Cc第一端及C相变压器第一电感Lc1第一端相连，C相变压器第一

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电感Lc1第二端与C相第一开关管Sc1的源极、C相第四开关管Sc4的漏极及C相第三开关管Sc3的源极相连，C相第三开关管Sc3的漏极与C相第二开关管Sc2的漏极相连，C相第二开关管Sc2的源极与A相输入电容Cc1的第二端、上母线电容C1的第二端及下母线电容C2的第一端相连，C相第一开关管Sc1的漏极与上母线电容C1的第一端相连，C相第四开关管Sc4的源极与下母线电容C2的第二端相连。

[0031]所述的输出端电路由A相输出电路、B相输出电路、C相输出电路、输出电容Co及下构成。

[0032]所述的A相输出电路1中，A相变压器第二电感La2的第一端与A相第一二极管Da1的阳极及A相第二二极管Da2的阴相连，A相变压器第二电感La2的第二端与A相第二电容Ca2的第二端及A相第三电容Ca3的第一端相连，A相第一二极管Da1的阴极与A相第二电容Ca2的第一端及输出电容Co的第一端相连，A相第二二极管Da2的阳极与A相第三电容Ca3的第二端及输出电容Co的第二端相连。

[0033]所述的B相输出电路2中，B相变压器第二电感Lb2的第一端与B相第一二极管Db1的阳极及B相第二二极管Db2的阴相连，B相变压器第二电感Lb2的第二端与B相第二电容Cb2的第二端及A相第三电容Cb3的第一端相连，B相第一二极管Db1的阴极与B相第二电容Cb2的第一端及输出电容Co的第一端相连，B相第二二极管Db2的阳极与B相第三电容Cb3的第二端及输出电容Co的第二端相连。

[0034]所述的C相输出电路3中，C相变压器第二电感Lc2的第一端与C相第一二极管Dc1的阳极及C相第二二极管Dc2的阴相连，C相变压器第二电感Lc2的第二端与C相第二电容Cc2的第二端及A相第三电容Cc3的第一端相连，C相第一二极管Dc1的阴极与C相第二电容Cc2的第一端及输出电容Co的第一端相连，C相第二二极管Dc2的阳极与C相第三电容Cc3的第二端及输出电容Co的第二端相连。

[0035]在A相输入电路的电压处于正半周时，A相第一开关管Sa1与A相第 二开关管Sa2及A相第三开关管Sa3配合工作，回收A相变压器漏感能量，并使A相第二开关管Sa2工作于零电压开通的软开关状态。

[0036]在A相电压处于负半周时，A相第四开关管Sa4与A相第二开关管Sa2及A相第三开关管Sa3配合工作，回收A相变压器漏感能量，并使A相第三开关管Sa3工作于零电压开通的软开关状态。

[0037]在B相输入电路的电压处于正半周时，B相第一开关管Sb1与B相第二开关管Sb2及B相第三开关管Sb3配合工作，回收B相输入电路的变压器漏感能量，并使B相第二开关管Sb2工作于零电压开通的软开关状态；[0038]在B相电压处于负半周时，B相第四开关管Sb4与B相第二开关管Sb2及B相第三开关管Sb3配合工作，回收B相输入电路的变压器漏感能量，并使B相第三开关管Sb3工作于零电压开通的软开关状态；

[0039]在C相输入电路的电压处于正半周时，C相第一开关管Sc1与C相第二开关管Sc2及C相第三开关管Sc3配合工作，回收C相输入电路的变压器漏感能量，并使C相第二开关管Sc2工作于零电压开通的软开关状态；[0040]在C相电压处于负半周时，C相第四开关管Sc4与C相第二开关管Sc2及C相第三开关管Sc3配合工作，回收C相输入电路的变压器漏感能量，并使C相第三开关管Sc3工作于零电

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压开通的软开关状态；

[0041]ABC三相电路同时配合电网电压采样实现变换器的单位功率因数输入；[0042]上母线电容C1的电压和下母线电容C2的电压与输出电容Co的电压相关，动态调节以降低开关管的损耗。[0043]下面，以A相电路在A相输入电压的正半周期为例阐述电路的工作情况。在此工作状态下，A相第三开关管Sa3保持一直开通状态，A相第四开关管Sa4保持关断状态。[0044]工作状态1：电路处于A相第一开关管Sa1关断，第二开关管Sa2导通的稳定工作状态。此时一方面向A相变压器的励磁电感充电，另一方面电能通过A相变压器的第二电感La2、和A相第二二级管Da2向A相第三电容Ca3充电，同时能量向输出端传递。向A相第三电容充电过程可能结束也可能一直持续，与电路参数及开关周期相关。如果充电过程结束可使二极管电流自然过零，无反向恢复。[0045]工作状态2：在某一时刻关断A相第二开关管Sa2，A相变压器的漏感能量通过A相第一开关管Sa1向上母线电容C1传递，之后A相变压器 的励磁电感能量向输出电路转移，通过A相变压器的第二电感La2、A相第一二极管Da1向A相第二电容Ca2转移，与此同时能量向输出端传递。此过程持续至励磁电流下降到零，使电路的二极管电流自然过零，无反向恢复。[0046]工作状态3：在某一时刻，A相第二开关管Sa2开通前，先使A相第一开关管Sa1导通，能量从上母线电容C1向输出端电路转移，当漏感电流足够大时关闭A相第一开关管Sa1，则漏感能量使A相第二开关管Sa2的体二极管导通，之后开通A相第二开关管Sa2，使其处于零电压开通的软开关状态。

[0047]之后电路回到工作状态1。[0048]在A相输入电压为负压时，A相第一开关管Sa1保持关断，A相第二开关管Sa2保持开通。A相第三开关管Sa3与第四开关管Sa4配合开通关断，使能量向输出端电路传递，之前A相输入电压为正时类似。

[0049]ABC三相电路可以分成三相单独控制，也可以采用三相统一控制方式，通过调节占空比实现单位功能因数输入和稳定输出功能。

[0050]本说明书实施例所述的内容仅仅是对实用新型构思的实现形式的列举，本实用新型的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本实用新型的保护范围也及于本领域技术人员根据本实用新型构思所能够想到的等同技术手段。

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