[发明专利]两极、三相升压变换器及减小其总谐波失真的方法

说明书

本发明一般针对功率变换，更具体说，是针对带有主级和辅助级的三相升压变换器，以及针对在该升压变换器的输入端减少总谐波失真(THD)的方法。

相位控制和非控制的二极管桥式整流器，产生低输入功率因数和高输入电流总谐波失真(THD)，这在今天的功率变换器/整流器工业已是众所周知的问题。这种低功率因数和高THD通常导致输入AC电压失真、分布系统损耗、中性线谐波电流和激发系统谐振。为战胜这些问题，设计者曾尝试开发改进的三相整流器或变换器，这些器件形成具有低谐波含量和高位移功率因数的几乎正弦形的线电流。

在工业上，通常使用改进三个主功率因数和谐波电流的办法。对中等功率至高功率的应用，AC/DC整流器(实用接口)常常采用六有源开关升压整流器。对这六个开关使用适当的调制技术，在控制整流器的输出电压的同时，能够以数值等于1的功率因数，保持近似正弦形的输入线电流。但是，这种办法受到一些限制，例如，由于需要复杂的脉宽调制(PWM)来控制六个有源功率开关和相应的驱动电路，系统成本高。

改进功率因数和谐波电流的另一种办法，包括使用三个单相功率因数校正(PFC)的隔离AC/DC整流器。这样一种结构比前述办法更具吸引力，因为有源开关的数目减少了。但是，三个单相PFC隔离AC/DC整流器，要求有三个隔离高频的DC/DC变换器，从而，它仍然是一种昂贵且复杂的PFC办法。

已经有人提出一种单开关、不连续导电模(DCM)的六二极管桥整流器的三相升压PFC变换器，由于它的简单和廉价，立刻引起了兴趣。这个方案表明，既不用大的、低频的无源元件，也不用多个有源的功率开关和复杂的控制，三相、低谐波的整流是可能的。但是，因为这样一种电路结构和控制方案，来源于单相的对应技术，所以它也像它的单相对应技术一样，遇到相同的问题，即，高的开关峰电流应力，需要颇大的电磁干扰(EMI)滤波器，和用于降低THD的十分高的DC总线电压。

虽然简单地用恒定占空比控制，能够获得一个正弦峰电流，但因为非正比的电感器放电间隔，平均输入线电流不是正弦的，导致相对高的输入电流的THD。要降低输入电流的THD，通过增加DC总线电压(即增加电压传递比)，可以缓解非正比的放电间隔问题，然而却又增加开关的电压应力和成本。实际上，设计者已经用实验表明，尽管问题不少，但由于单开关三相DCM升压变换器的成本低、电路简单和控制要求简单，使它对低成本、低功率、中等性能的三相AC/DC应用，例如在电信上的应用，是合适的。

今天，为电信系统和类似系统生产电源的工业，对成本变得非常敏感，低的生产成本是致胜的关键。此外，电信上的应用对三相系统THD的要求各不相同。典型的例子是，国际市场对THD的要求常常为20％左右。而对国内市场，三相整流系统的THD要求常常在40％以下。因为单开关三相升压变换器以连续导电模(CCM)方式工作，功率开关应力、DC总线电压电平、EMI滤波器尺寸和整流器成本都降低了。因此，一种商业的三相整流器，可以占有价格低的份额。不幸的是，这样一种功率转换办法的缺点在于它相对高的THD(32％)和相对低的功率因数(0.92-0.95)。

因此，在该技术中需要的是一种划算的三相功率转换电路结构，它能成功地增加功率因数并降低输入电流的THD。

针对上述现有技术的缺点，对用主整流器以及用联接在三相升压变换器输入与输出之间的一个主升压开关作主级的三相升压变换器，本发明提出一个辅助级，一种方法，并给出使用该辅助级和方法的一种三相升压变换器。

在一个实施例中，辅助级包括：(1)一个与主整流器联接的辅助整流器；(2)在主整流器和辅助整流器之间插入的第一、第二和第三辅助升压电感器；和(3)一个辅助升压开关，插在辅助整流器和输出之间，它导通时，在第一、第二、和第三辅助升压电感器上感应出相应的相电流，从而在三相升压变换器的输入端，减小输入电流的总谐波失真(THD)。

本发明在三相升压变换器中，引进使用辅助级这个一般的概念，通过把输入电流整形为基本上的正弦波，在变换器的输入端减少输入电流的THD。除给出满意的功率因数修正外，该三相升压变换器还展现出低THD特性。辅助级的作用还有另外的优点，诸如降低三相升压变换器有源开关上的电流应力。还有，在主整流器和辅助整流器之间插入的辅助级的第一、第二和第三辅助升压电感器，基本上在主整流器内减少反向恢复电流，并且基本上在辅助升压开关内减少开关的接通损耗。