本发明涉及三相交直流变换领域，特别涉及一种降压式非隔离三相PFC变换器及其控制方法。降压式非隔离三相PFC变换器包括正向开关单元、半控整流单元和储能续流单元，其中，正向开关单元包括3个正向功率开关管，分别设置在接入的三相三线电源的三根相线上；所述半控整流单元包括上桥臂和下桥臂，上桥臂由三只二极管组成，下桥臂由三只负向功率开关管与三只二极管分别串联组成。本发明的降压式非隔离三相PFC变换器，克服了传统的升压型PFC电路的缺陷，使得后级的直流变换器不受功率器件的性能所局限，可以降低开关损耗，还节省了很多功率器件，并且，电路结构简单，控制方法精简新颖，效率高，适合于高效率及高功率密度需求场合，具有明显的优势。
1.一种降压式非隔离三相PFC变换器控制方法，降压式非隔离三相PFC变换器包括正向开关单元(1)、半控整流单元(2)和储能续流单元(3)，其中，所述正向开关单元(1)包括第一正向功率开关管(S1)、第二正向功率开关管(S2)以及第三正向功率开关管(S3)，三个所述正向功率开关管分别设置在接入的三相三线电源的三根相线上；所述半控整流单元(2)包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂由三只二极管(D1、D3、D5)组成，所述下桥臂由三只负向功率开关管与三只二极管(D2、D4、D6)分别串联组成，其中，所述三只负向功率开关管分别为第一负向功率开关管(S4)、第二负向功率开关管(S5)以及第三负向功率开关管(S6)，所述半控整流单元通过正极端和负极端与所述储能续流单元(3)连接，另外，所述储能续流单元(3)包括续流二极管(D7)、第一滤波电感(L1)、第二滤波电感(L2)和滤波电容(C1)，所述半控整流单元(2)的正极端通过正极母线与第一滤波电感(L1)一端串联，所述半控整流单元(2)的负极端通过负极母线与第二滤波电感(L2)一端串联，所述滤波电容(C1)两端分别与所述第一滤波电感(L1)的另一端和所述第二滤波电感(L2)的另一端连接，其特征在于，降压式非隔离三相PFC变换器控制方法包括如下步骤：步骤一、根据三相电源电压相互关系将一个基波周期分为六个扇区；
步骤二、对当前输入的三相电源电压信号进行幅值检测，判断三相电源电压在当前时刻所处的扇区和相位；
步骤三、在每个扇区内，根据三相电源电压大小分别定义为高电压相、中电压相和低电压相：其中，当所述中电压相电压幅值为正时，执行步骤四；当所述中电压相电压幅值为负时，执行步骤五；
步骤四、一直导通该相电压所对应的正向功率开关管，同时对所述高电压相所对应的正向功率开关管和所述低电压相所对应的负向功率开关管进行PWM控制，在扇区内一直关闭其余三个功率开关管；
步骤五、一直导通该相电压所对应的负向功率开关管，同时对所述高电压相所对应的正向功率开关管和所述低电压相所对应的负向功率开关管进行PWM控制，在扇区内一直关闭其余三个功率开关管。
2.根据权利要求1所述的降压式非隔离三相PFC变换器控制方法，其特征在于，在步骤一之前还包括：
检测输入输出和环境条件，判断输入输出和环境条件是否满足工作条件，不满足条件继续等待，如若满足条件，开始工作。
3.根据权利要求1所述的降压式非隔离三相PFC变换器控制方法，其特征在于，三个所述负向功率开关管(S4、S5、S6)的源极分别与所述半控整流单元(2)下桥臂的三个二极管(D2、D4、D6)的阳极相连，所述半控整流单元(2)上桥臂的三个二极管(D1、D3、D5)的阴极相连，作为所述半控整流单元(2)的输出正极；
另外，三个所述负向功率开关管(S4、S5、S6)的漏极相连，作为所述半控整流单元(2)的输出负极，所述半控整流单元(2)通过正极端和负极端与所述储能续流单元(3)连接。
4.根据权利要求3所述的降压式非隔离三相PFC变换器控制方法，其特征在于，所述正向开关单元(1)的第一正向功率开关管(S1)的源极同时连接到所述半控整流单元(2)的A相上桥臂的二极管(D1)的阳极，以及所述半控整流单元(2)的A相下桥臂的二极管(D2)的阴极；
所述正向开关单元(1)的第二正向功率开关管(S2)的源极同时连接到所述半控整流单元(2)的B相上桥臂的二极管(D3)的阳极，和所述半控整流单元(2)的B相下桥臂的二极管(D4)的阴极；
所述正向开关单元(1)的第三正向功率开关管(S3)的源极同时连接到所述半控整流单元(2)的C相上桥臂的二极管(D5)的阳极，和所述半控整流单元(2)的C相下桥臂的二极管(D6)的阴极。
5.根据权利要求4所述的降压式非隔离三相PFC变换器控制方法，其特征在于，所述正向功率开关管和负向功率开关管为MOS管或IGBT管。
一种降压式非隔离三相PFC变换器及其控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及三相交直流变换领域，特别涉及一种降压式非隔离三相PFC变换器及其控制方法。
背景技术
[0002] 由于近年来单体设备用电负荷的容量越来越大，大多是采用三相供电，比如电动汽车充电站等，假如没有功率因数校正装置就会对电网的电能质量破坏很大，甚至严重时
会导致电网的瘫痪。
[0003] 长期以来，对于三相交流输入的功率因素校正(PFC)电路，通常以升压型为主，由于采用升压拓扑，当输入三相电压为380VAC时，输出一般较高，可以达到720V左右，甚至在
800V，而常规的性能较好的功率管在650V以下，近年来有出现电压稍高的1200V左右的SiC
等新型开关器件，但成本高昂。因此，后端的直流变换器局限于功率器件的有限性，要兼顾效率及其他因素，处理起来较为麻烦。
[0004] 为此，迫切需要寻求既能满足电能质量并且电压低的PFC电路，即是降压式PFC，因此大家除在继续使用较为典型的升压式PFC电路外，也开始探索降压式的PFC变换器。
发明内容
[0005] 本发明的目的是提供了一种降压式非隔离三相PFC变换器及其控制方法，以解决现有升压型PFC电路存在的至少一个问题。
[0006] 本发明的技术方案是：
[0007] 一种降压式非隔离三相PFC变换器，包括正向开关单元、半控整流单元和储能续流单元，其中，
[0008] 所述正向开关单元包括第一正向功率开关管S1、第二正向功率开关管S2以及第三正向功率开关管S3，三个所述正向功率开关管分别设置在接入的三相三线电源的三根相线
上；
[0009] 所述半控整流单元包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂由三只二极管D1、D3、D5组成，所述下桥臂由三只负向功率开关管与三只二极管D2、D4、D6分别串联组成，其中，所述三只负向功率开关管分别为第一负向功率开关管S4、第二负向功率开关管S5以及第三负向功
率开关管S6，所述半控整流单元通过正极端和负极端与所述储能续流单元连接。
[0010] 可选的，所述储能续流单元包括续流二极管D7、第一滤波电感L1、第二滤波电感L2和滤波电容C1，所述半控整流单元的正极端通过正极母线与第一滤波电感L1一端串联，所述半控整流单元的负极端通过负极母线与第二滤波电感L2一端串联，所述滤波电容C1两端
分别与所述第一滤波电感L1的另一端和所述第二滤波电感L2的另一端连接。
[0011] 可选的，所述正向功率开关管和负向功率开关管为MOS管或IGBT管。
[0012] 可选的，三个所述负向功率开关管S4、S5、S6的源极分别与所述半控整流单元下桥臂的三个二极管D2、D4、D6的阳极相连，所述半控整流单元上桥臂的三个二极管D1、D3、D5的阴极相连，作为所述半控整流单元的输出正极；另外，三个所述负向功率开关管S4、S5、S6的漏极相连，作为所述半控整流单元的输出负极，所述半控整流单元通过正极端和负极端与所述储能续流单元连接。
[0013] 可选的，所述正向开关单元的第一正向功率开关管S1)的源极同时连接到所述半控整流单元的A相上桥臂的二极管D1的阳极，以及所述半控整流单元的A相下桥臂的二极管
D2的阴极；
[0014] 所述正向开关单元的第二正向功率开关管S2的源极同时连接到所述半控整流单元的B相上桥臂的二极管D3的阳极，和所述半控整流单元的B相下桥臂的二极管D4的阴极；
[0015] 所述正向开关单元的第三正向功率开关管S3的源极同时连接到所述半控整流单元的C相上桥臂的二极管D5的阳极，和所述半控整流单元的C相下桥臂的二极管D6的阴极。
[0016] 本发明还提供了一种降压式非隔离三相PFC变换器控制方法，包括如下步骤：
[0017] 步骤一、根据三相电源电压相互关系将一个基波周期分为六个扇区；
[0018] 步骤二、对当前输入的三相电源电压信号进行幅值检测，判断三相电源电压在当前时刻所处的扇区和相位；
[0019] 步骤三、在每个扇区内，根据三相电源电压大小分别定义为高电压相、中电压相和低电压相：其中，当所述中电压相电压幅值为正时，执行步骤四；当所述中电压相电压幅值为负时，执行步骤五；
[0020] 步骤四、一直导通该相电压所对应的正向功率开关管，同时对所述高电压相所对应的正向功率开关管和所述低电压相所对应的负向功率开关管进行PWM控制，在扇区内一
直关闭其余三个功率开关管；
[0021] 步骤五、一直导通该相电压所对应的负向功率开关管，同时对所述高电压相所对应的正向功率开关管和所述低电压相所对应的负向功率开关管进行PWM控制，在扇区内一
直关闭其余三个功率开关管。
[0022] 可选的，在步骤一之前还包括：
[0023] 检测输入输出和环境条件，判断输入输出和环境条件是否满足工作条件，不满足条件继续等待，如若满足条件，开始工作
[0024] 发明效果：
[0025] 本发明的降压式非隔离三相PFC变换器及其控制方法从结构、功能以及控制上的优点如下：
[0026] 从结构上，本发明克服了传统的升压型PFC电路的缺陷，使得后级的直流变换器不受功率器件的性能所局限，本发明提出的降压式非隔离PFC变换器，也改变了传统降压式的实现形式，相比六开关Buck型PFC电路可以降低开关损耗，相比Swiss整流器除可以降低开
关损耗外，还节省了很多功率器件，因此整个三相PFC电路结构简单，控制方法精简新颖，效率高，适合于高效率及高功率密度需求场合，具有明显的优势。
[0027] 从功能上，本发明的拓扑结构，结合控制方法能有效保证的各相电路的导通或电感电流工作于连续状态，因此具有较好的PF值以及THD，同时因为，设置的对称电感(第一滤波电感L1和第二滤波电感L2)，结合滤波电容，有利于提高非隔离型三相PFC变换器的EMI性能或获得较好的PF值以及THD。
[0028] 从控制上，由于结构上的简化，功率元器件的减少，进而降低了控制的难度；从PFC功能的开关动作来看，通过对任一功率开关施加PWM控制和恒高电平相结合的驱动信号，减少了功率开关的开关动作次数，降低了开关损耗。
附图说明
[0029] 图1为本发明降压式非隔离三相PFC变换器电路示意图；
[0030] 图2为本发明降压式非隔离三相PFC变换器中电压六相区划分图。
具体实施方式
[0031] 为使本发明实施的目的、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更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。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。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下
面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
[0032] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护
范围的限制。
[0033] 下面结合附图1至图2对本发明降压式非隔离三相PFC变换器及其控制方法做进一步详细说明。
[0034] 本发明提供了一种降压式非隔离三相PFC变换器，包括正向开关单元1、半控整流单元2和储能续流单元3。
[0035] 其中，正向开关单元1包括第一正向功率开关管S1、第二正向功率开关管S2以及第三正向功率开关管S3，三个正向功率开关管分别设置在接入的三相三线电源的三根相线
上。本实施例中，优选正向功率开关管为MOS管或IGBT管。
[0036] 进一步，半控整流单元2包括上桥臂和下桥臂，上桥臂由三只二极管D1、D3、D5组成，下桥臂由三只负向功率开关管与三只二极管D2、D4、D6分别串联组成，其中，三只负向功率开关管分别为第一负向功率开关管S4、第二负向功率开关管S5以及第三负向功率开关管
S6，半控整流单元2通过正极端和负极端与储能续流单元3连接。优选负向功率开关管为MOS管或IGBT管。
[0037] 进一步，优选储能续流单元包括续流二极管D7、第一滤波电感L1、第二滤波电感L2和滤波电容C1，半控整流单元2的正极端通过正极母线与第一滤波电感L1一端串联，半控整流单元2的负极端通过负极母线与第二滤波电感L2一端串联，滤波电容C1两端分别与第一滤波电感L1的另一端和第二滤波电感L2的另一端连接。
[0038] 具体地，三个负向功率开关管S4、S5、S6的源极分别与半控整流单元2下桥臂的三个二极管D2、D4、D6的阳极相连，半控整流单元2上桥臂的三个二极管D1、D3、D5的阴极相连，作为半控整流单元2的输出正极；另外，三个负向功率开关管S4、S5、S6的漏极相连，作为半控整流单元2的输出负极，半控整流单元2通过正极端和负极端与储能续流单元3连接。
[0039] 进一步，正向开关单元的第一正向功率开关管S1的源极同时连接到半控整流单元的A相上桥臂的二极管D1的阳极，以及半控整流单元的A相下桥臂的二极管D2的阴极。
[0040] 正向开关单元的第二正向功率开关管S2的源极同时连接到半控整流单元的B相上桥臂的二极管D3的阳极，和半控整流单元的B相下桥臂的二极管D4的阴极。
[0041] 正向开关单元的第三正向功率开关管S3的源极同时连接到半控整流单元的C相上桥臂的二极管D5的阳极，和半控整流单元的C相下桥臂的二极管D6的阴极。
[0042] 本发明还提供了一种降压式非隔离三相PFC变换器控制方法，包括如下步骤：
[0043] 步骤一、根据三相电源电压相互关系将一个基波周期分为六个扇区。
[0044] 另外，在步骤一开始之前，还可以包括检测输入输出和环境条件，判断输入输出和环境条件是否满足工作条件，不满足条件继续等待，如若满足条件，开始工作。
[0045] 步骤二、对当前输入的三相电源电压信号进行幅值检测，判断三相电源电压在当前时刻所处的扇区和相位。
[0046] 具体地，对输入的三相电源电压信号进行锁相环检测，再根据三相电源电压相互关系和三相电源电压和0电压关系，判断三相电源的当前时刻所处的相位和区间段，分为六个扇区，如图2所示。
[0047] 步骤三、在每个扇区内(三相电源电压大小关系具有一致性)，根据三相电源电压大小分别定义为高电压相、中电压相和低电压相：其中，当中电压相电压幅值为正时，执行步骤四；当中电压相电压幅值为负时，执行步骤五。
[0048] 步骤四、一直导通该相电压所对应的正向功率开关管，同时对高电压相所对应的正向功率开关管和低电压相所对应的负向功率开关管进行PWM控制，在扇区内一直关闭其
余三个功率开关管。
[0049] 步骤五、一直导通该相电压所对应的负向功率开关管，同时对高电压相所对应的正向功率开关管和低电压相所对应的负向功率开关管进行PWM控制，在扇区内一直关闭其
余三个功率开关管。
[0050] 综上所述，本发明的降压式非隔离三相PFC变换器从结构、功能以及控制上的优点如下：
[0051] 从结构上，本发明克服了传统的升压型PFC电路的缺陷，使得后级的直流变换器不受功率器件的性能所局限，本发明提出的降压式非隔离PFC变换器，也改变了传统降压式的实现形式，相比六开关Buck型PFC电路可以降低开关损耗，相比Swiss整流器除可以降低开
关损耗外，还节省了很多功率器件，因此整个三相PFC电路结构简单，控制方法精简新颖，效率高，适合于高效率及高功率密度需求场合，具有明显的优势。
[0052] 从功能上，本发明的拓扑结构，结合控制方法能有效保证的各相电路的导通或电感电流工作于连续状态，因此具有较好的PF值以及THD，同时因为，设置的对称电感(第一滤波电感L1和第二滤波电感L2)，结合滤波电容，有利于提高非隔离型三相PFC变换器的EMI性能或获得较好的PF值以及THD。
[0053] 从控制上，由于结构上的简化，功率元器件的减少，进而降低了控制的难度；从PFC功能的开关动作来看，通过对任一功率开关施加PWM控制和恒高电平相结合的驱动信号，减少了功率开关的开关动作次数，降低了开关损耗。
[0054] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为
准。
