一种三相有源APFC限流启动和限流输出的控制方法

技术领域

本发明涉及有源APFC领域，具体涉及一种电路及其系统控制。

背景技术

三相有源APFC技术能够有效提高电网侧输入功率因数并降低电网输入电流的谐波畸变率，在工程中得到广泛的应用。但是Boost型三相有源APFC拓扑具有开机冲击电流大和输出不能短路的特征，若不做处理会损坏功率开关管并造成输入电网短路。工程设计上针对开机冲击电流大的问题，一般采用在输入端或输出端引入防浪涌电阻限制开机冲击电流，并在正常工作时旁路防浪涌电阻，此方案的缺陷在于大功率场合要求重载或者满载开机的情况下，防浪涌电阻的损耗功率非常大，容易烧毁使电路损坏；此外，Boost型三相有源APFC拓扑一般采用在输入端和输出端接入保险丝防止短路造成的故障扩大化，但该设计并不能在输出短路时有效保护APFC电路不受损伤。因此，本发明提出一种三相有源APFC限流启动和限流输出的控制方法，使得Boost型三相APFC拓扑能够实现全负载范围内的限流开机功能，降低功率开关管的电流应力，并且本发明方案还使得三相Boost型有源APFC拓扑具备限流输出和短路保护功能。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求提出一种三相有源APFC限流启动和限流输出的控制方法，该方法能够有效限制三相Boost型有源APFC拓扑的开机冲击电流，并且实现三相Boost型有源APFC拓扑的限流输出功能，使该拓扑具备短路保护功能。

本发明方案提出一种三相有源APFC限流启动和限流输出的控制方法，包括主电路和控制电路两部分。主电路部分由第一输出电感、第一输出电容、第一输出检流电阻、第一N沟道MOSFET、第一二极管组成；控制电路部分由LM5022及其外围电路组成。

第一输出电感第一端连接至第一输出电容负端，第一输出电感第二端连接至第一N沟道MOSFET的漏极，第一N沟道MOSFET的源极连接至第一检流电阻第一端，第一检流电阻第二端连接至三相桥式变换器负端，第一高压二极管的阳极连接至第一输出电感的第二端，第一二极管的阴极连接至第一输出电容的正端。

LM5022及其外围电路包含第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻和第九电阻，第二电容、第三电容，第二N沟道MOSFET。第二电阻第一端连接至LM5022的1脚，第二电阻第二端连接至第三电阻第一端，第三电阻第二端连接至控制地，第四电阻的第一端连接至LM5022的第2脚，第四电阻的第二端连接至控制地，第五电阻的第一端连接至LM5022的第9脚，第五电阻的第二端连接至控制地，第六电阻的第一端连接至MCU控制端，第六电阻的第二端连接至第二N沟道MOSFET的栅极，第二N沟道MOSFET的漏极连接至第二电阻的第二端同时连接至LM5022的第7脚，第二N沟道MOSFET的源极连接至控制地，第七电阻的第一端连接至LM5022第1脚，第七电阻第二端连接至第八电阻第一端同时连接至LM5022第3脚，第八电阻第二端连接至控制地，第九电阻第一端连接至LM5022第5脚，第九电阻第二端连接至第一N沟道MOSFET的栅极，第二电容的第一端连接至LM5022的第10脚，第二电容的第二端连接至控制地，第三电容的第一端连接至LM5022的第4脚同时连接至供电端，第三电容的第二端连接至控制地。

本发明提出了一种三相有源APFC限流启动和限流输出的控制方法，其硬件电路如上所述。

本发明提出了一种三相有源APFC限流启动和限流输出的控制方法，其控制策略在于将第一检流电阻上的电压信号送入LM5022的第8脚（CS脚）。LM5022是峰值电流模式控制芯片，其CS脚内部有0.5V限幅电平，很容易根据实际情况设定需要的峰值电流值。如上所述，第一输出电感、第一N沟道MOSFET、第一检流电阻组成串联回路，三相有源APFC上电启动时，送入CS脚的电平信号小于0.5V，LM5022的第5脚输出第一个开关周期内的高电平驱动第一N沟道MOSFET导通，流经检流电阻的电流增加，送入CS脚的电平信号随之增加，当CS脚电平达到0.5V即主回路电流达到设定的电流阈值时，LM5022的第5脚输出低电平，关断第一N沟道MOSFET，第一滤波电感通过第一二极管续流，此时流经检流电阻的电压信号为0即LM5022的CS脚电平为0。在第二个开关周期，LM5022重复上一周期的工作过程，在周期起始时输出高电平驱动第一N沟道MOSFET，当达到限流点时关断第一N沟道MOSFET。输出电压随着LM5022发出驱动脉冲逐渐建立，最大输出电流为电路设计的限流点电流。当输出电压达到设定值时，在第一N沟道MOSFET的栅极施加稳定的驱动电平，使得第一N沟道MOSFET保持常闭，并且通过控制第二N沟道MOSFET关闭LM5022，此时进入正常工作模式。

本发明提出了一种三相有源APFC限流启动和限流输出的控制方法，其限流启动控制策略如上所述。当输出过载时，采用本发明提出的控制方案，能够有效的控制输出电流，使得三相有源APFC工作在限流状态。若过载状态未消除且负载进一步增加，输出电压逐渐下降，当触发到欠压保护时关断第一N沟道MOSFET，保护上述电路。根据上述分析，采用本发明提出的控制方案，很容易实现三相Boost型有源APFC拓扑的短路保护功能。

本发明提出了一种三相有源APFC限流启动和限流输出的控制方法，根据其限流工作原理可知：正常工作时第一N沟道MOSFET保持常闭，超过额定负载时，第一N沟道MOSFET工作在PWM开关状态，短路时，第一N沟道MOSFET关闭。

本发明提出了一种三相有源APFC限流启动和限流输出的控制方法，当第一N沟道MOSFET工作在PWM开关状态时，为保证有源APFC电压环工作的稳定性，有源APFC的闭环电压取样应在电容正端和第一检流电阻的第二端之间。

附图说明

图1为本发明提供的电路原理图；

图2为限流工作状态示意图；

图3为本发明电路在不同条件下的工作状态；

图4为采用本发明方案下的APFC电压闭环示意图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明，所举实例只用于解释本发明而非用于限定本发明的范围。

本发明提出一种三相有源APFC限流启动和限流输出的控制方法，请参考图1所示的电路原理图。其控制策略为：通过采样检流电阻R1上的电压信号，将三相有源APFC的输出电流信号送入LM5022的CS端，LM5022内部采用峰值电流控制模式，当CS端输入电平小于0.5V时，LM5022输出驱动为高电平，当CS端 输入电平大于等于0.5V时，LM5022输出驱动为低电平。根据电路的具体要求，容易设置使得当CS等于0.5V时主电路输出电流达到最高阈值。在三相有源APFC带重载启动或者后级负载超过额定负载时，由于输出端引入电感L1，即使在短路发生时，输出电流也无法突变，根据本发明方案提出的控制方法，受LM5022第5脚输出端驱动的Q1工作在PWM状态，限制主电路的输出电流不再增加，其工作状态示意图请参考图2。

上述控制策略可以有效限制三相有源APFC的输出电流，保护电路不受电流冲击而损坏。根据输出电容C1上的电压值，三相有源APFC存在四个工作状态，请参考图3：

（1）限流启动状态：上电瞬间，输出电容建立电压时产生很大的冲击电流，图1所示电路工作在PWM开关状态，通过开通关断Q1，限制三相有源APFC的输出电流；

（2）正常工作状态：限流启动完成后，控制Q1处于常闭状态，三相有源APFC正常输出功率；

（3）限流输出状态：后级输出功率超过额定功率时，图1所示电路工作在PWM开关状态，通过开工关断Q1，控制三相有源APFC的输出电流不超过设定的最大阈值，此时电容C1上电压降有所减小，当后级负载进一步增大时，电容C1上的电压降进一步减小；

（4）短路保护状态：后级负载增大到一定程度或者负载短路时，电容C1上的电压降减小至设定的欠压点，三相有源APFC控制系统认为发生短路，图1中LM5022关断输出， Q1处于常断状态，保护三相有源APFC主拓扑器件不受负载短路影响。

本发明提出的一种三相有源APFC限流启动和限流输出的控制方法，如上所述，当三相有源APFC工作在限流输出状态时，输出电容C1上的电压降随着负载的增大而减小，为了保证三相有源APFC的工作稳定性，输出电压闭环取样点应在电容正端和第一检流电阻的第二端之间，请参考图4。

以上应用的个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不是用于限制本发明。凡是根据本发明所提出的控制思想对Boost型变换器进行限流启动和限流输出的设计，都应视作本发明的保护范围。