(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911017597.X
(22)申请日 2019.10.24
(71)申请人 深圳市永联科技股份有限公司
地址 518055 广东省深圳市松白公路百旺
信工业园区二区第七栋
(72)发明人 高翔 张凯旋 付加友 李晨光
朱建国
(74)专利代理机构 北京卓恒知识产权代理事务
所(特殊普通合伙) 11394
代理人 唐曙晖
(51)Int.Cl.
H02M 1/42(2007.01)
H02M 1/32(2007.01)
H02M 7/219(2006.01)
H02M 3/156(2006.01)
(54)发明名称
和控制方法
(57)摘要
本发明提供了基于三相维也纳PFC拓扑的单
相电输入电路和控制方法，通过调节三相维也纳
双向开关中低频器件的反向恢复问题，降低了三
相维也纳PFC拓扑双向开关中低频器件的反向恢
复损耗，减少了三相维也纳PFC拓扑的发热，为三
相维也纳PFC拓扑在单相电或直流输入时的可靠
运行提供了解决方案。权利要求书3页 说明书7页 附图3页CN 110620499 A 2019.12.27
C N 110620499
A
1.基于三相维也纳PFC拓扑的单相电输入电路，其特征在于：包括输入单元、三相维也纳PFC单元和控制单元； 输入单元用于接入电网的交流电源；
三相维也纳PFC单元包括第一电感(L1)、第二电感(L2)、第三电感(L3)、第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第五二极管(D5)、第六二极管(D6)、第七二极管(D7)、第八二极管(D8)、第九二极管(D9)、第十二极管(D10)、第十一二极管(D11)、第十二二极管(D12)、第十三二极管(D13)、第十四二极管(D14)、第十五二极管(D15)、第十六二极管(D16)、第十七二极管(D17)、第十八二极管(D18)、第一母线电容(C1)和第二母线电容(C2)，所述第一电感(L1)、第二电感(L2)、第三电感(L3)的前端分别接至输入单元的三相交流电源输出端A相、B相、C相形成第一输入支路、第二输入支路、第三输入支路，第一电感(L1)的后端与第一二极管(D1)的阳极、第二二极管(D2)的阴极相连， 第二电感(L2)的后端与第七二极管(D7)的阳极、第八二极管(D8)的阴极相连，
第三电感(L3)的后端与第十三二极管(D13)的阳极、第十四二极管(D14)的阴极相连，第一二极管(D1)的阴极、第三二极管(D3)的阴极与第五二极管(D5)的阳极相连，
第七二极管(D7)的阴极、第九二极管(D9)的阴极与第十一二极管(D11)的阳极相连，第十三二极管(D13)的阴极、第十五二极管(D15)的阴极与第十七二极管(D17)的阳极相连，
第五二极管(D5)的阴极与第十一二极管(D11)的阴极、第十七二极管(D17)的阴极相连形成共阴极结构，并连接到第一母线电容(C1)的正端，
第二二极管(D2)的阳极、第四二极管(D4)的阳极与第六二极管(D6)的阴极相连，
第八二极管(D8)的阳极、第十二极管(D10)的阳极与第十二二极管(D12)的阴极相连，第十四二极管(D14)的阳极、第十六二极管(D16)的阳极与第十八二极管(D18)的阴极相连，
第六二极管(D6)的阳极与第十二二极管(D12)的阳极、第十八二极管(D18)的阳极相连形成共阳极结构，并连接到第二母线电容(C2)的负端，
第三二极管(D3)的阳极、第四二极管(D4)的阴极、第九二极管(D9)的阳极、第十二极管(D10)的阴极、第十五二极管(D15)的阳极、第十六二极管(D16)的阴极、第一母线电容(C1)的负端、第二母线电容(C2)的正端连接于交流电源的中点O点，
第一开关管(S1)的源极和漏极分别与第五二极管(D5)的阳极和第六二极管(D6)的阴极连接，
第二开关管(S2)的源极和漏极分别与第十一二极管(D11)的阳极和第十二二极管(D12)的阴极连接，
第三开关管(S3)的源极和漏极分别与第十七二极管(D17)的阳极和第十八二极管(D18)的阴极连接；
控制单元的三个信号输出端分别与第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)的栅极连接，用于分别向第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)的栅极加载PWM脉冲信号。
2.根据权利要求1所述的基于三相维也纳PFC拓扑的单相电输入电路，其特征在于：还
包括温度传感器单元，温度传感器单元包括至少三个分别紧贴在第一输入支路、第二输入支路、第三输入支路的电路上的温度传感器，三个温度传感器的信号输出端分别连接到控制单元的三个信号输入端，用于探测第一输入支路、第二输入支路、第三输入支路的电路温度，并将数据上传到控制单元。
3.根据权利要求1所述的基于三相维也纳PFC拓扑的单相电输入电路，其特征在于：第一二极管(D1)的阳极与第二二极管(D2)的阴极的连接点与第一电感(L1)的后端之间还串联有第一电阻(R1)，第七二极管(D7)的阳极与第八二极管(D8)的阴极的连接点与第二电感(L2)的后端之间还串联有第二电阻(R2)，第十三二极管(D13)的阳极与第十四二极管(D14)的阴极的连接点与第三电感(L3)的后端之间还串联有第三电阻(R3)，用于对输入电流限流。
4.根据权利要求1所述的基于三相维也纳PFC拓扑的单相电输入电路，其特征在于：输入单元在A相和B相之间向三相维也纳PFC单元输出单相电电压Vac，C相悬空时，设三相维也纳PFC单元的等效电路中，第一母线电容(C1)的负端与第二母线电容(C2)的正端的连接点为O1点，第三电感(L3)的前端为O2点；三相维也纳PFC单元的第一开关管(S1)的第一等效结电容(Cs1)并联于第一开关管(S1)的源极和漏极之间，第二开关管(S2)的第二等效结电容(Cs2)并联于第二开关管(S2)的源极和漏极之间，第三开关管(S3)的第三等效结电容(Cs3)并联于第三开关管(S3)的源极和漏极之间；第一电感(L1)的前端与第二
电感(L2)的前端之间并联第一等效电容(X1)，第一电感(L1)的前端与第三电感(L3)的前端之间并联第二等效电容(X2)，第二电感(L2)的前端与第三电感(L3)的前端之间并联第三等效电容(X3)。
5.根据权利要求1所述的基于三相维也纳PFC拓扑的单相电输入控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：输入单元在A相和B相之间向三相维也纳PFC单元输出单相电电压Vac，C相悬空，三相维也纳PFC单元等效为输入单相电的等效电路；
步骤S2：控制单元向第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)的栅极发送PWM脉冲信号，控制第一开关管(S1)和第二开关管(S2)以一定的占空比开关，控制第三开关管(S3)以大于0％的占空比导通，用于满足电路的温度控制要求。
6.根据权利要求5所述的基于三相维也纳PFC拓扑的单相电输入控制方法，其特征在于：所述的步骤S1中，三相维也纳PFC单元等效为输入单相电的等效电路，具体步骤为：步骤S11：设第一母线电容(C1)的负端与第二母线电容(C2)的正端的连接点为O1点，第三电感(L3)的前端为O2点；
步骤S12：
第一电感(L1)的前端与第二电感(L2)的前端之间并联第一等效电容(X1)，第一电感(L1)的前端与第三电
感(L3)的前端之间并联第二等效电容(X2)，第二电感(L2)的前端与第三电感(L3)的前端之间并联第三等效电容(X3)，
第一输入支路中，第一电感(L1)的后端与第五二极管(D5)的阳极相连，
第二输入支路中，第二电感(L2)的后端与第十二二极管(D12)的阴极相连，
第三输入支路中，第三电感(L3)的后端与第十三二极管(D13)的阳极、第十四二极管(D14)的阴极相连，第十三二极管(D13)的阴极、第十五二极管(D15)的阴极与第十七二极管(D17)的阳极相连，第十四二极管(D14)的阳极、第十六二极管(D16)的阳极与第十八二极管
(D18)的阴极相连，
第五二极管(D5)的阴极、第十七二极管(D17)的阴极与第一母线电容(C1)的正端相连，第十二二极管(D12)的阳极、第十八二极管(D18)的阳极与第二母线电容(C2)的负端相连，
第十五二极管(D15)的阳极与第十六二极管(D16)的阴极连接于O1点，
第一开关管(S1)的源极和漏极以及第一等效结电容(Cs1)并联于第五二极管(D5)的阳极和O1点之间，
第二开关管(S2)的源极和漏极以及第二等效结电容(Cs2)并联于第十二二极管(D12)的阴极和O1点之间，
第三开关管(S3)的源极和漏极以及第三等效结电容(Cs3)并联于第十七二极管(D17)的阳极和第十八二极管(D18)的阴极之间，
控制单元的三个信号输出端分别与第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)的栅极连接。
7.根据权利要求5所述的基于三相维也纳PFC拓扑的单相电输入控制方法，其特征在于：所述的步骤S2中，控制单元控制第三开关管(S3)以大于0％的占空比导通用于满足电路的温度控制要求，具体步骤为：
步骤S21：控制单元接收温度传感器单元发送的信号并解析为第三输入支路电路的温度T3；
步骤S22：设动作温度为T0，控制单元判断T3≤T0则控制第三开关管(S3)断开；若T3＞T0则控制第三开关管(S3)导通。
8.根据权利要求7所述的基于三相维也纳PFC拓扑的单相电输入控制方法，其特征在于：所述的步骤S22中，T0取值为环境温度25℃或电路最高温度80℃。
基于三相维也纳PFC拓扑的单相电输入电路和控制方法
技术领域
[0001]本发明属于电源控制技术领域，具体涉及基于三相维也纳PFC拓扑的单相电输入电路和控制方法。
背景技术
[0002]随着汽车行业在新能源领域的快速发展，人们对AC\DC电源转换设备在各个充电场景可靠运行的需求越来越高，需要采用PFC(Power Factor Correction)即功率因数校正措施用于提高电源转换设备的转换效率和降低传导损耗；现阶段多采用维也纳(VIENNA)整流器即三相三电平三开关PFC整流器。维也纳整流器的优点是：需要的功率管器件少且电压应力仅为直流母线电压的一半，无桥臂输出电压直通问题，不需设置驱动死区时间，控制电路简单。
[0003]在一些应用环境下，AC\DC电源转换设备除了满足三相电输入时正常工作的要求以外，还要满足单相电或直流输入充电的需求。参见图2，维也纳PFC拓扑的双向开关由整流桥堆或非快恢复二极管与开关管组成，其中整流桥堆或非快恢复二极管属于低频器件，开关管属于高频器件。在三相电输入时，每个桥堆的其中两个二极管与电感直接相连工作于工频状态，另外两个二极管与母线中点连接，随着开关管的动作工作于高频状态。由于工作于高频状态的两个二极管都是零电压关断，关断时电流可以自然过零，因此三相电输入时，桥堆的所有二极管都不存在因高频关断电流的反向恢复引发的热
应力问题。
[0004]参见图3，对维也纳PFC拓扑进行单相电或直流输入时，电路等效为在串联第一电感的第一输入支路和串联第二电感的第二输入支路之间输入单相电的等效电路模型，串联第三电感的第三输入支路悬空。为使输入电压正常工作，第一输入支路和第二输入支路各自整流桥堆中的第一开关管和第二开关管以一定的占空比开关，第三输入支路整流桥堆中的第三开关管通常保持关断状态。
[0005]但在实际应用中发现，第三开关管的开关状态对第三输入支路整流桥堆的热应力有非常明显的影响：如果第三开关管一直保持关断状态，则第三开关管的等效结电容随着第一开关管和第二开关管的开关动作，在电路中形成了两条谐振回路：当第一电感的前端电压大于第二电感的前端电压时，一条谐振回路为从第一电感依次到第一开关管、第十五二极管、第三开关管的等效结电容、第十四二极管、第三电感、第二等效电容，回到第一电感；另一条谐振回路为从第三电感依次到第十三二极管、第三开关管的等效结电容、第十六二极管、第二开关管、第二电感、第三等效电容，回到第三电感。当第一电感的前端电压小于第二电感的前端电压时，一条谐振回路为从第二电感依次到第二开关管、第十五二极管、第三开关管的等效结电容、第十四二极管、第三电感、第三等效电容，回到第二电感；另一条谐振回路为从第三电感依次到第十三二极管、第三开关管的等效结电容、第十六二极管、第一开关管、第一电感、第二等效电容，回到第三电感。
[0006]参见图4，由于第三开关管的等效结电容是pF级，第三电感是uF级的，因此产生的谐振频率在几百kHz；第三开关管两端的电位剧烈变化，与第三开关管的等效结电容并联的
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