一种三相功率因数校正级联稳压电源的制作方法

1.本发明属于电源技术领域，具体为一种三相功率因数校正级联稳压电源。


背景技术：

2.随着电力电子技术的日益成熟，应用于工业生产、日常生活以及军事探测等的电力电子装置越来越多，电力电子装置使用电网供电时均需要在电网侧进行整流，传统的不控整流方案在设备的输入端电流呈现周期性的脉动，输入电流畸变严重、功率因数降低，大量谐波干扰进入电网。为解决此类问题，有源功率因数校正电路迅速发展通过spwm调制控制输入电流实现高功率因数和低thd。
3.当今电动汽车、5g通信基站、多电飞机以及船舶电气化等平台中的大功率电力电子迅猛发展，大功率三相功率因数校正电路成了新的研究热点。
4.传统的三相六开关或者三相三开关(vienna)等存在中点电压不平衡、控制解耦运算复杂、参数设计复杂等问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种三相功率因数校正级联稳压电源。
6.实现本发明目的的技术方案是：一种三相功率因数校正级联稳压电源，包括：电源滤波器、浪涌保护器、第一单相功率因数校正级联稳压电源、第二单相功率因数校正级联稳压电源、第三单相功率因数校正级联稳压电源和均流控制电路；通过所述电源滤波器、浪涌保护器完成对输入三相电的滤波保护，所述三相电分成三路单相电分别送给第一单相功率因数校正级联稳压电源、第二单相功率因数校正级联稳压电源、第三单相功率因数校正级联稳压电源，所述第一单相功率因数校正级联稳压电源、第二单相功率因数校正级联稳压电源、第三单相功率因数校正级联稳压电源完成单相功率因数校正和隔离比例变换后并联作为三相功率因数校正级联稳压电源的输出，所述均流控制电路将第一单相功率因数校正级联稳压电源的工作电流与第一单相功率因数校正级联稳压电源、第二单相功率因数校正级联稳压电源、第三单相功率因数校正级联稳压电源的平均工作电流进行作差，将差值分别反馈到第一单相功率因数校正级联稳压电源、第二单相功率因数校正级联稳压电源、第三单相功率因数校正级联稳压电源，完成对开关变换控制脉冲占空比进行调节，实现第一单相功率因数校正级联稳压电源、第二单相功率因数校正级联稳压电源、第三单相功率因数校正级联稳压电源的均流控制。
7.优选地，所述第一单相功率因数校正级联稳压电源包括：单相功率因数校正电路、隔离比例变换电路和反馈补偿电路，所述单相功率因数校正电路与隔离比例变换电路串联连接，单相电经单相功率因数校正电路进行校正后输出高压直流电至隔离比例变换电路，隔离比例变换电路对高压直流电进行隔离比例变换后输出低压直流电，所述反馈补偿电路用于对低压直流电进行采样，所述反馈补偿电路的输出端与单相功率因数校正电路连接。
8.优选地，所述隔离比例变换电路处于开环正弦谐振比例变换工作模式，即隔离比
例变换电路的变压器波形为正弦波，隔离比例变换电路为开环变换器、输入输出电压成固定比例。
9.优选地，所述单相功率因数校正电路为升压功率因数校正拓扑的稳压输出，所述单相功率因数校正电路内部反馈稳压具有两种模式：自适应快速响应模式和高精度响应模式；
10.所述自适应快速响应模式和高精度响应模式通过在线智能判断自动切换，当所述单相功率因数校正电路输出侧电流采样电路中电流随时间的瞬态变化率超过设定阈值，关断所述单相功率因数校正级联稳压电源内的反馈补偿电路自动切换进入自适应快速响应模式。其余状态下默认工作模式为高精度响应模式。
11.优选地，自适应快速响应模式下，单相功率因数校正电路根据单相功率因数校正电路的输出电流对输出电压进行线性补偿，输出电流越大，输出电压补偿越高，输出电流越小，输出电压补偿越低，按照隔离比例变换电路的初级等效内阻进行电压调节，单相功率因数校正电路通过对其输出电流的采用自适应调整输出电压，以补偿负载电流变换时隔离比例变换电路等效内阻带来的电压波动，在所述自适应快速响应模式时反馈稳压电路根据所述单相功率因数校正电路的电压电流采样环路完成自适应快速闭环反馈。
12.优选地，高精度响应模式下，反馈补偿电路根据负载端的输出电压取样完成环路反馈补偿送给单相功率因数校正电路，当输出电压取样值比反馈补偿电路设定电压输出低时，反馈补偿电路输出电平变高，单相功率因数校正电路的开关变换控制脉冲占空比变大，单相功率因数校正电路的输出电压变高，隔离比例变换电路的输出随之变高，完成所述单相功率因数校正级联稳压电源输出电压的闭环负反馈。
13.优选地，所述隔离比例变换电路等效为一个具有固定串联内阻的隔离比例受控源，其等效串联内阻为rout，设变换比例为k，则初级电流为次级的k倍，初级电流为k
×
iout，次级电压为初级的k倍，次级电压为k
×
vin，所述隔离比例变换电路输出电压为
14.vout＝k
×
vin-iout
×
rout。
15.本发明与现有技术相比，其显著优点为：
16.1、可靠性高：本发明通过三个独立的单相功率因数校正电路组合实现三相功率因数校正，简化了功率因数校正的控制算法，避免了中点电压不平衡、控制解耦运算复杂、参数设计复杂等问题。
17.2、功率密度高：本发明通过三个独立的单相功率因数校正电路组合实现三相功率因数校正，简化了功率因数校正的控制算法，大幅降低了功率因数校正闭环控制所需的计算资源，可以大幅提升功率因数校正电路的开关频率，以实现高功率密度的功率因数校正；后级级联的隔离比例变换电路为开环比例正弦变换器，开环变换器不存在闭环反馈振荡等问题，易于提升开关频率，实现高功率密度的隔离变换，同时通过级联稳压的组合实现了闭环反馈，在不影响闭环反馈精度的前提下提升了功率密度。
18.3、瞬态响应能力强：三相功率因数校正级联稳压电源具有自适应快速响应模式和高精度响应模式两种工作模式，在负载电流变换速率高时自动切换为自适应响应模式以实现强的瞬态响应能力。
附图说明
19.图1是本发明三相功率因数校正级联稳压电源的组成示意图。
20.图2是本发明单相功率因数校正级联稳压电源的电路示意图。
21.图3是本发明单相功率因数校正级联稳压电源中隔离比例变换的等效电路图。
22.图4是本发明三相功率因数校正级联稳压电源在自适应快速响应模式下对隔离比例变换输出电压的补偿曲线。
具体实施方式
23.下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
24.如图1所示的一种三相功率因数校正级联稳压电源，包括：电源滤波器1、浪涌保护器2、第一单相功率因数校正级联稳压电源3、第二单相功率因数校正级联稳压电源4、第三单相功率因数校正级联稳压电源5和均流控制电路6；通过所述电源滤波器1、浪涌保护器2完成对输入三相电的滤波保护，所述三相电分成三路单相电送给第一单相功率因数校正级联稳压电源3、第二单相功率因数校正级联稳压电源4、第三单相功率因数校正级联稳压电源5，所述第一单相功率因数校正级联稳压电源3、第二单相功率因数校正级联稳压电源4、第三单相功率因数校正级联稳压电源5完成单相功率因数校正和隔离比例变换后并联作为三相功率因数校正级联稳压电源的输出，通过所述均流控制电路6实现三相之间的均流和相平衡。所述均流控制电路6将单相功率因数校正级联稳压电源3的工作电流与单相功率因数校正级联稳压电源3、单相功率因数校正级联稳压电源4、单相功率因数校正级联稳压电源5三路的平均工作电流进行作差，将差值反馈到单相功率因数校正电路，完成对其开关变换控制脉冲占空比进行调节，实现单相功率因数校正级联稳压电源3的均流控制。同理，实现对所述单相功率因数校正级联稳压电源4和单相功率因数校正级联稳压电源5的均流控制。
25.如图2所示，本发明所述的第一单相功率因数校正级联稳压电源3、第二单相功率因数校正级联稳压电源4、第三单相功率因数校正级联稳压电源5，其内部包括：单相功率因数校正电路301、隔离比例变换电路302和反馈补偿电路303。
26.所述隔离比例变换电路302处于开环正弦谐振比例变换工作模式，隔离比例变换电路302开关频率与串联谐振频率相匹配，工作波形为正弦波，隔离比例变换电路302为开环变换器、输入输出电压成固定比例。
27.所述单相功率因数校正电路301为升压功率因数校正拓扑的稳压输出，其内部反馈稳压具有两种模式：自适应快速响应模式和高精度响应模式。
28.所述自适应快速响应模式和高精度响应模式通过在线智能判断自动切换，当所述单相功率因数校正电路输出侧电流采样电路中电流随时间的瞬态变化率超过设定阈值，说明负载处于快速切换的脉冲工作模式，需要提升负载响应能力，关断所述单相功率因数校正级联稳压电源内的反馈补偿电路303自动切换进入自适应快速响应模式。其余状态下默认工作模式为高精度响应模式。
29.所述自适应快速响应模式下，单相功率因数校正电路301不随反馈补偿电路303进行电压调节，根据单相功率因数校正电路301的输出电流对输出电压进行线性补偿，输出电流越大，输出电压补偿越高，输出电流越小，输出电压补偿越低，按照隔离比例变换电路302
的初级等效内阻进行电压调节，单相功率因数校正电路301通过对其输出电流的采用自适应调整输出电压，以补偿负载电流变换时隔离比例变换电路302等效内阻带来的电压波动，响应速度快，环路稳定高，但是电压补偿精度不如高精度响应模式下的精确电压反馈准确。在所述自适应快速响应模式时反馈稳压电路根据所述单相功率因数校正电路301的电压电流采样环路完成自适应快速闭环反馈。
30.在所述高精度响应模式时隔离比例变换电路302输出电压采样后经过反馈补偿电路303送给单相功率因数校正电路301完成稳压调节，实现对输出电压的精确反馈调节。所述高精度响应模式下，反馈补偿电路303根据负载端的输出电压取样完成环路反馈补偿送给单相功率因数校正电路301，当输出电压取样值比反馈补偿电路303设定电压输出低时，反馈补偿电路303输出电平变高，单相功率因数校正电路301的开关变换控制脉冲占空比变大，单相功率因数校正电路301的输出电压变高，隔离比例变换电路302的输出随之变高，完成所述单相功率因数校正级联稳压电源输出电压的闭环负反馈。
31.如图3所示，本发明的隔离比例变换电路302可以等效为一个具有固定串联内阻的隔离比例受控源，其等效串联内阻为rout，设变换比例为k，则初级电流为次级的k倍，初级电流为k
×
iout，次级电压为初级的k倍，次级电压为k
×
vin。
32.隔离比例变换电路302输出电压为
33.vout＝k
×
vin-iout
×
rout
34.如图4所示，为自适应快速响应模式时的输出电压线性补偿示意，红线为未补偿时输出电源开环电压跌落幅度随负载电流的波形，蓝线为自适应电压补偿的计算设计值，绿线为自适应补偿后的预期电压。在所述自适应快速响应模式时，所述单相功率因数校正电路的稳压根据功率因数校正电路的输入电压反馈环和输入电流反馈环进行闭环反馈，并根据单相功率因数校正电路的输出侧电流对输出电压进行线性补偿，补偿电压幅度按照隔离比例变换电路等效串联内阻随负载电流引起的输出电压线性跌落进行调节。
35.本发明将三相电分成三路单相电送给三个独立的单相功率因数校正级联稳压电源，所述三个单相功率因数校正级联稳压电源完成单相功率因数校正电路和隔离比例变换电路后并联作为三相功率因数校正级联稳压电源的输出，所述单相功率因数校正级联稳压电源的隔离比例变换电路处于开环工作模式。通过三个独立的单相功率因数校正电路组合实现三相功率因数校正，简化了功率因数校正的控制算法，避免了中点电压不平衡、控制解耦运算复杂、参数设计复杂等问题，大幅降低了功率因数校正闭环控制所需的计算资源，可以大幅提升功率因数校正电路的开关频率，以实现高功率密度的功率因数校正；后级级联的隔离比例变换电路为开环比例正弦变换器，开环变换器不存在闭环反馈振荡等问题，易于提升开关频率，实现高功率密度的隔离变换，同时通过级联稳压的组合实现了闭环反馈，在不影响闭环反馈精度的前提下提升了功率密度。所述单相功率因数校正级联稳压电源的单相功率因数校正电路为升压功率因数校正拓扑的稳压输出，其内部反馈稳压具有两种模式：自适应快速响应模式时反馈稳压电路根据所述单相功率因数校正电路的电压电流采样环路完成自适应快速闭环反馈；高精度响应模式时反馈稳压电路根据所述隔离比例变换电路输出电压采样反馈，实现对输出电压的精确反馈调节。三相功率因数校正级联稳压电源具有自适应快速响应模式和高精度响应模式两种工作模式，在负载电流变换速率高时自动切换为自适应响应模式以实现强的瞬态响应能力。本发明的三相功率因数校正级联稳压电
源具有可靠性高、功率密度高、瞬态响应能力强等特点。
36.综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种三相功率因数校正级联稳压电源，其特征在于，包括：电源滤波器(1)、浪涌保护器(2)、第一单相功率因数校正级联稳压电源(3)、第二单相功率因数校正级联稳压电源(4)、第三单相功率因数校正级联稳压电源(5)和均流控制电路(6)；通过所述电源滤波器(1)、浪涌保护器(2)完成对输入三相电的滤波保护，所述三相电分成三路单相电分别送给第一单相功率因数校正级联稳压电源(3)、第二单相功率因数校正级联稳压电源(4)、第三单相功率因数校正级联稳压电源(5)，所述第一单相功率因数校正级联稳压电源(3)、第二单相功率因数校正级联稳压电源(4)、第三单相功率因数校正级联稳压电源(5)完成单相功率因数校正和隔离比例变换后并联作为三相功率因数校正级联稳压电源的输出，所述均流控制电路(6)将第一单相功率因数校正级联稳压电源(3)的工作电流与第一单相功率因数校正级联稳压电源(3)、第二单相功率因数校正级联稳压电源(4)、第三单相功率因数校正级联稳压电源(5)的平均工作电流进行作差，将差值分别反馈到第一单相功率因数校正级联稳压电源(3)、第二单相功率因数校正级联稳压电源(4)、第三单相功率因数校正级联稳压电源(5)，完成对开关变换控制脉冲占空比进行调节，实现第一单相功率因数校正级联稳压电源(3)、第二单相功率因数校正级联稳压电源(4)、第三单相功率因数校正级联稳压电源(5)的均流控制。2.根据权利要求1所述的三相功率因数校正级联稳压电源，其特征在于，所述第一单相功率因数校正级联稳压电源(3)包括：单相功率因数校正电路(301)、隔离比例变换电路(302)和反馈补偿电路(303)，所述单相功率因数校正电路(301)与隔离比例变换电路(302)串联连接，单相电经单相功率因数校正电路(301)进行校正后输出高压直流电至隔离比例变换电路，隔离比例变换电路对高压直流电进行隔离比例变换后输出低压直流电，所述反馈补偿电路(303)用于对低压直流电进行采样，所述反馈补偿电路(303)的输出端与单相功率因数校正电路(301)连接。3.根据权利要求2所述的三相功率因数校正级联稳压电源，其特征在于，所述隔离比例变换电路(302)处于开环正弦谐振比例变换工作模式且开关频率与串联谐振频率相匹配，即隔离比例变换电路(302)的变压器波形为正弦波，隔离比例变换电路(302)为开环变换器、输入输出电压成固定比例。4.根据权利要求2所述的三相功率因数校正级联稳压电源，其特征在于，所述单相功率因数校正电路(301)为升压功率因数校正拓扑的稳压输出，所述单相功率因数校正电路(301)内部反馈稳压具有两种模式：自适应快速响应模式和高精度响应模式；所述自适应快速响应模式和高精度响应模式通过在线智能判断自动切换，当所述单相功率因数校正电路输出侧电流采样电路中电流随时间的瞬态变化率超过设定阈值，关断所述单相功率因数校正级联稳压电源内的反馈补偿电路(303)自动切换进入自适应快速响应模式。其余状态下默认工作模式为高精度响应模式。5.根据权利要求4所述的三相功率因数校正级联稳压电源，其特征在于，自适应快速响应模式下，单相功率因数校正电路(301)根据单相功率因数校正电路(301)的输出电流对输出电压进行线性补偿，输出电流越大，输出电压补偿越高，输出电流越小，输出电压补偿越低，按照隔离比例变换电路(302)的初级等效内阻进行电压调节，单相功率因数校正电路(301)通过对其输出电流的采用自适应调整输出电压，以补偿负载电流变换时隔离比例变换电路(302)等效内阻带来的电压波动，在所述自适应快速响应模式时反馈稳压电路根据
所述单相功率因数校正电路(301)的电压电流采样环路完成自适应快速闭环反馈。6.根据权利要求4所述的三相功率因数校正级联稳压电源，其特征在于，高精度响应模式下，，反馈补偿电路(303)根据负载端的输出电压取样完成环路反馈补偿送给单相功率因数校正电路(301)，当输出电压取样值比反馈补偿电路(303)设定电压输出低时，反馈补偿电路(303)输出电平变高，单相功率因数校正电路(301)的开关变换控制脉冲占空比变大，单相功率因数校正电路(301)的输出电压变高，隔离比例变换电路(302)的输出随之变高，完成所述单相功率因数校正级联稳压电源输出电压的闭环负反馈。7.根据权利要求4所述的三相功率因数校正级联稳压电源，其特征在于，所述隔离比例变换电路(302)等效为一个具有固定串联内阻的隔离比例受控源，其等效串联内阻为rout，设变换比例为k，则初级电流为次级的k倍，初级电流为k
×
iout，次级电压为初级的k倍，次级电压为k
×
vin，所述隔离比例变换电路(302)输出电压为：vout＝k
×
vin-iout
×
rout。

技术总结
本发明公开了一种三相功率因数校正级联稳压电源，包括电源滤波器、浪涌保护器、三个独立的单相功率因数校正级联稳压电源和均流控制电路；通过所述电源滤波器、浪涌保护器完成对输入三相电的滤波保护，所述三相电分成三路单相电送给三个独立的单相功率因数校正级联稳压电源，所述三个单相功率因数校正级联稳压电源完成单相功率因数校正电路和隔离比例变换电路后并联作为三相功率因数校正级联稳压电源的输出，通过所述均流控制电路实现三相之间的均流和相平衡。所述单相功率因数校正级联稳压电源的隔离比例变换电路处于开环工作模式。本发明的三相功率因数校正级联稳压电源具有可靠性高、功率密度高、瞬态响应能力强等特点。点。点。


技术研发人员：高彧博 陈捷 李伟林 齐扬 周中正
受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司第七二三研究所
技术研发日：2023.05.17
技术公布日：2023/10/11