一种低成本三相功率因数矫正直流电源及其控制方法

技术领域

本发明涉及功率因数矫正技术领域，尤其涉及一种低成本三相功率因数矫正直流电源及其控制方法。

背景技术

随着电力电子技术的飞速发展，已广泛应用到电力、冶金、化工、家电等领域。电力电子装置中多数通过整流器与电力接口。经典和最广泛的应用是由二极管组成的非线性电路，在电网中会产生大量电流谐波和无功污染了电网。电力电子装置已成为电网中最主要的谐波源和导致电网功率因数偏低的主要因数。功率因数是用来衡量用电设备用电效率的参数，低功率因数代表低电力效能。为了提高用电设备功率因数的技术就称为功率因数校正。

目前三相功率因数矫正仪直流电源的功率因数矫正侧的拓扑主要采用维也纳整流、瑞士整流或有源全桥整流的拓扑；此类功率因数矫正仪的主要特点是功率因数高（功率因数可达到0.99以上）、但是所用功率开关器件数量多、所用的功率电感大、所用的单片机更快、整机成本高；

而在一些对成本敏感且功率因数要求不那么高的场合（比如功率因数可达到0.93以上即可），需要一种低成本的三相功率因数矫正直流电源；来消除整流性负载对电网的谐波污染，提高功率因数。对于低成本的控制器，为了更小的体积和更低的成本，通常选用的功率电感的电感量和滤波电容都比较小，这导致所需开关频率就要提高，高开关频率的实时控制对控制芯片的处理能力也有较高的要求；对于低成本的控制器，通常又选用的控制芯片性能也较低；而电源控制为实时控制系统，对面对开关频率大于100kHz的实时控制，若单片机性能低，任务重，则会导致软件任务不能正常运行，导致功能和性能异常；此时需对软件控制方法进行优化，使得算法执行时间更短，以减轻单片机的软件处理负载率。

发明内容

本发明的目的是提供一种低成本三相功率因数矫正直流电源及其控制方法，以解决如何降低三相功率因数矫正直流电源成本的技术问题。

本发明是采用以下技术方案实现的：一种低成本三相功率因数矫正直流电源，包括共模电感L3、整流电路、第一级滤波电路和第二级滤波电路，所述共模电感L3一端输入三相交流电，另一端与整流电路相连接，所述整流电路、第一级滤波电路和第二级滤波电路依次连接，所述第二级滤波电路输出直流电。

进一步的，还包括降压电路，所述降压电路设置于第一级滤波电路和第二级滤波电路之间。

进一步的，所述整流电路包括三组相互并联的整流二极管，整流二极管的输入端与共模电感L3的输出端相连接，整流二极管的输出端与第一级滤波电路的输入端相连接。

进一步的，所述第一级滤波电路包括相互并联的第一级滤波电感L1和第一级滤波电容C1，第一级滤波电路的输入端与整流电路的输出端相连接，第一级滤波电路的输出端与降压电路相连接。

进一步的，所述降压电路包括相互并联的降压电路开关管Q1和降压电路二极管D7，降压电路的输入端与第一级滤波电路的输出端相连接，降压电路的输出端与第二级滤波电路的输入端相连接。

进一步的，所述第二级滤波电路包括相互并联的第二级滤波电感L2和第二级滤波电容C2，第二级滤波电路的输入端与降压电路的输出端相连接，第二级滤波电路的输出端输出直流电。

一种低成本三相功率因数矫正直流电源的控制方法，将实时任务进行二次分离，将电流环控制、PWM更新、谐振抑制处理放置到100kHz中断里执行，以提高动态响应和抑制谐振；将电压外环控制、实时故障保护、运行逻辑放到20kHz中断里执行；其他非实时任务放到主循环进行轮转执行。

进一步的，所述电流环控制采用峰值电流模式。

进一步的，所述谐振抑制处理包括：一方面，在100kHz中断里，采样第一级滤波电感L1的电流，对第一级滤波电感L1的电流进行谐波提取，再乘以一个设定系数叠加到给定电流上；另一方面，在20kHz中断里，采样第一级滤波电感L1两端的电压，两端的电压相减后再乘以一个设定数据叠加到给定电流上，从而实时对谐波就行反向控制。

进一步的，对100kHz里的模拟量采样采用直接读取寄存器的方式进行，以减少100kHz中断里执行时间。

本发明的有益效果在于：本发明可减小实时中断里算法执行时间，降低软件中断负载率，让单片机能处理更多的任务；本发明可以选型性能更低的单片机，以降低整机成本；本发明在低成本硬件拓扑的基础上提高了功率因数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为三相功率因数矫正直流电源拓扑图；

图2为本发明控制方法架构框图；

图3为本发明控制方法框图；

图4为本发明控制方法流程图。

实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例

参见图1，一种低成本三相功率因数矫正直流电源，包括共模电感L3、整流电路、第一级滤波电路和第二级滤波电路，所述共模电感L3一端输入三相交流电，另一端与整流电路相连接，所述整流电路、第一级滤波电路和第二级滤波电路依次连接，所述第二级滤波电路输出直流电，还包括降压电路，所述降压电路设置于第一级滤波电路和第二级滤波电路之间。

在本实施例当中，所述整流电路包括三组相互并联的整流二极管，整流二极管的输入端与共模电感L3的输出端相连接，整流二极管的输出端与第一级滤波电路的输入端相连接。具体的，每组整流二极管包括两个整流二极管，其中，第一组包括整流二极管D1和整流二极管D4，第二组包括整流二极管D2和整流二极管D5，第三组包括整流二极管D3和整流二极管D6。共模电感L3的第2输出端与整流二极管D1和整流二极管D4相连接，共模电感L3的第4输出端与整流二极管D2和整流二极管D5相连接，共模电感L3的第6输出端与整流二极管D3和整流二极管D6相连接。

在本实施例当中，所述第一级滤波电路包括相互并联的第一级滤波电感L1和第一级滤波电容C1，第一级滤波电路的输入端与整流电路的输出端相连接，第一级滤波电路的输出端与降压电路相连接。进一步的，所述降压电路包括相互并联的降压电路开关管Q1和降压电路二极管D7，降压电路的输入端与第一级滤波电路的输出端相连接，降压电路的输出端与第二级滤波电路的输入端相连接。更进一步的，所述第二级滤波电路包括相互并联的第二级滤波电感L2和第二级滤波电容C2，第二级滤波电路的输入端与降压电路的输出端相连接，第二级滤波电路的输出端输出直流电。

本发明实时控制的系统，在软件上主要存在以下3点占用单片机软件资源：1.开关频率为100kHz，电流环实时控制中断周期为10us；2.电源采用电压环加电流环双闭环控制，运算量大，占用单片机资源大；3.输入电源含有大量谐波，第一级LC滤波电路会产生特定谐振，需加入谐振抑制算法，已改善输入侧电流波形。选用60M低主频单片机为例：对于电源的实时控制，常用的控制算法为电压环加电流环双闭环控制，在10us的中断中是难以执行完成的；若降控制周期降低为20kHz，此时控制算法能在50us执行完成，但是牺牲了电源的动态响应性能以及不能很好的进行谐振抑制，从而在谐振严重时引发电源故障停机。

对此，本发明还提供了一种低成本三相功率因数矫正直流电源的控制方法，使得控制算法执行时间更短，软件负载率更低，电源控制性能更优。（参见图2、3、4）

该控制方法主要包括以下4个方面：第一，将实时任务进行二次分离，将电流环控制、PWM更新、谐振抑制算法处理放置到100kHz中断里执行，以提高动态响应和抑制谐振；将电压外环控制、实时故障保护、运行逻辑等放到20kHz中断里执行；其他非实时任务放到主循环进行轮转执行。

第二，为了更一步减小100kHz中断里算法执行的时间，将电流环控制采用峰值电流模式，即有单片机内部比较器直接操作PWM，此方法与平均电流模式的电流环控制相比，减少了算法执行的时间，并且提高了系统带宽。

第三，对于谐振抑制措施，一方面，在100kHz中断里，采样L1的电流，对L1的电流进行特定谐波进行提取，再乘以一个系数叠加到给定电流上；另一方面，在20kHz中断里，采样L1两端的电压，两端的电压相减后再乘以一个数据叠加到给定电流上，从而实时对谐波就行反向控制。此外，为进一步减少100kHz中断里算法执行时间，对100kHz里的模拟量采样采用直接读取寄存器的方式，即谐振抑制算法所用到的电流值采用单片机寄存器值直接参与运算；所有进入100kHz中断的电流给定处理都转换为与寄存器对应的值；进一步的真实值计算放到20kHz中断里执行。

第四，对于瞬时过流保护，采用硬件比较器进行直接保护，无需软件开销；对于其他快速保护放置到20kHz中断里执行；以减轻100kHz中断负载率。

本发明可减小实时中断里算法执行时间，降低软件中断负载率，让单片机能处理更多的任务；本发明可以选型性能更低的单片机，以降低整机成本；本发明在低成本硬件拓扑的基础上提高了功率因数。

需要说明的是，对于前述的实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某一些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本申请所必须的。

上述实施例中，描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。