高功率密度三相PFC电源模块
专利汇可以提供高功率密度三相PFC电源模块专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种高功率 密度 三相PFC电源模 块 。它包括主功率 电路 、输入 电压 采样 电路、 输出电压 采样电路、输出 电流 采样电路、输出过压保护电路、输出过流保护电路、 信号 传递电路、数字控制电路、驱动电路、隔离通信电路和辅助电源电路。本发明在现有的三相PFC电源产品 基础 上，进一步提高了产品功率密度和可靠性，解决了 三相电流 平衡度差、输出电压高、THD大、PF值低、可靠性差、对 电网 的适应性差、输出电压稳定范围较窄等技术问题，并实现了多只模块并联输出的功能，具有广阔的应用前景。，下面是高功率密度三相PFC电源模块专利的具体信息内容。
1.高功率密度三相PFC电源模块，其特征在于，包括：主功率电路、输入电压采样电路、输出电压采样电路、输出电流采样电路、信号传递电路、数字控制电路、驱动电路和隔离通信电路；所述隔离通信电路、驱动电路、信号传递电路和输入电压采样电路分别与数字控制电路连接；所述输入电压采样电路、驱动电路、输出电流采样电路、输出电压采样电路分别与主功率电路连接；所述输出电流采样电路、输出电压采样电路分别与信号传递电路连接；
所述主功率电路包括输入端口、输入滤波器、BUCK降压电路、中间滤波器、BOOST升压电路、输出滤波器和输出端口，输入端口的一端与外部三相供电系统连接，输入端口的另一端分别与输入滤波器的输入端、输入电压采样电路的输入端连接，输入滤波器的输出端与BUCK降压电路的输入端连接，BUCK降压电路的输出端经过所述中间滤波器后连接所述BOOST升压电路的输入端，BOOST升压电路的输出端与输出滤波器的输入端连接，输出滤波器的输出端与输出端口连接；所述BUCK降压电路为三相六开关双电感整流电路，包括第一至第六开关管（Q100-Q105）、第一至第六二极管（D100-D105）、第一电感（L103）、第二电感（L104），所述第一至第六开开关管构成三相桥式电路，各相桥臂的中点分别为所BUCK降压电路的A、B、C三相各相输入端，所述第一至第六二极管（D100-D105）分别与所述第一至第六开关管（Q100-Q105）串联，所述第一至第六二极管的导通方向分别与所述第一至第六开关管处于导通状态时的导通方向相同，所述三相桥式电路正输出端电连接到所述第一电感（L103）第一端连接，所述第一电感（L103）第二端作为所述BUCK降压电路的正输出端（M），所述三相桥式电路负输出端与所述第二电感（L104）第一端连接，所述第二电感（L104）第二端为所述BUCK降压电路的负输出端；
所述BOOST升压电路为双管双电感交错开关整流电路，包括第七开关管（Q106）、第八开关管（Q107）、第三电感（L105）、第四电感（L106）、第七二极管（D106）、第八二极管（D107）、第九二极管（D108）、第十二极管（D109），所述BOOST升压电路的正输入端（M）电连接所述第三电感（L105）第一端、所述第七二极管（D106）正端、所述第四电感（L106）第一端、所述第八二极管（D107）正端，所述第三电感（L105）第二端连接所述第九二极管（D108）正端和所述第七开关管（Q106）导通电流流入端，所述第九二极管（D108）负端连接所述第七二极管（D106）负端、第八二极管（D107）负端和第十二极管（D109）负端，并作为所述BOOST升压电路的正输出端（BOOST_BR），所述第四电感（L106）第二端连接所述第十二极管（D109）正端和所述第八开关管（Q107）导通电流流入端，所述BOOST升压电路的负输入端（GND_0）连接所述第七开关管（Q106）导通电流流出端、第八开关管（Q107）导通电流流出端，并作为所述BOOST升压电路负输出端。
2.根据权利要求1所述的高功率密度三相PFC电源模块，其特征在于：所述输入电压采样电路包括三路相同的交流电压采样电路，所述输入电压采样电路的输入端分别连接所述输入端口的A相（LINE_A）、B相（LINE_B）、C相（LINE_B），所述输入电压采样电路的输出端与所述数字控制电路的三相电压信号输入端（V_A、V_B、V_C）连接；
所述输出电压采样电路包括BUCK输出电压采样电路和BOOST输出电压采样电路；
所述BUCK输出电压采样电路的输入端与所述BUCK降压电路的正输出端（M）连接，所述BUCK输出电压采样电路的输出端（V_BUCK）与信号传递电路的BUCK电压信号输入端连接；
所述BOOST输出电压采样电路的输入端与BOOST升压电路的正输出端（BOOST_BR）连接，BOOST输出电压采样电路的输出端（V_BOOST）与信号传递电路的BOOST电压信号输入端连接；
所述输出电流采样电路包括BUCK输出电流采样电路和BOOST输出电流采样电路；
所述主功率电路还包括第一电阻（R109），所述第一电阻（R109）与所述第二电感（L104）串联于其所在的支路上，所述BUCK输出电流采样电路采集所述第一电阻（R109）上流过的电流, 所述BUCK输出电流采样电路的输出端（I_BUCK）与信号传递电路的BUCK电流信号输入端连接；
所述主功率电路还包括第二电阻（R112）、第三电阻（R113），所述第二电阻（R112）与所述第三电感（L105）串联于其所在的支路上，所述第三电阻（R113）与所述第四电感（L106）串联于其所在的支路上，所述BOOST输出电流采样电路采集所述第二电阻（R112）、第三电阻（R113）上流过的电流，所述 BOOST输出电流采样电路的输出端（I_BOOST）与信号传递电路的BOOST电流信号输入端连接。
3.根据权利要求2所述的高功率密度三相PFC电源模块，其特征在于：所述信号传递电路包括模拟信号传递电路，所述模拟信号传递电路包括所述BUCK电压信号输入端、所述BUCK电流信号输入端、所述BOOST电压信号输入端、所述BOOST电流信号输入端，所述模拟信号传递电路的输出端与信号隔离器的输入端连接，信号隔离器的输出端与数字控制电路的A/D信号输入端（A/D_IN）连接；
所述的数字控制电路包括微电脑电路，所述微电脑电路包括三相电压信号输入端（V_A、V_B、V_C）、A/D信号输入端（A/D_IN）、时钟信号输出端（CLOCK）、片选信号输出端（AD_CS1、AD_CS2、AD_CS3）和PWM驱动信号输出端；所述时钟信号输出端（CLOCK）、片选信号输出端（AD_CS1、AD_CS2、AD_CS3）分别与所述信号传递电路的逻辑控制端连接，控制所述模拟信号传递电路的输出端输出BUCK电压信号、BUCK电流信号、BOOST电压信号或BOOST电流信号；所述PWM驱动信号输出端与所述驱动电路的PWM信号输入端连接；
所述驱动电路包括BUCK上管驱动电路、BUCK下管驱动电路和BOOST驱动电路，各个驱动电路均接收来自所述PWM驱动信号输出端输出的PWM信号，经隔离、放大后传送到所述主功率电路中各个开关管的控制端。
4.根据权利要求3所述的高功率密度三相PFC电源模块，其特征在于：所述BUCK上管驱动电路接收所述主功率电路中BUCK电路上部开关管的PWM信号；
对每一个上部开关管，所述BUCK上管驱动电路均包括PWM信号输入端（PWM1_H、PWM2_H、PWM3_H）、第一逻辑门电路（U901）、第一隔离电路（U900）、第二隔离电路（U902）、第二逻辑门电路（U903、U906、U909）、第三逻辑门电路（U904、U907、U910）、电压调整及功率放大电路（U905、U908、U911）、PWM驱动信号输出端（DRV_AH、DRV_BH、DRV_CH）；
所述第一逻辑门电路为非门电路，所述第二逻辑门电路为同或门电路，所述第三逻辑门电路为异或门电路；
所述PWM信号输入端分别连接所述第一隔离电路输入端和所述第一逻辑门电路输入端，所述第一隔离电路输出端分别连接所述第二逻辑门电路第一输入端和所述第三逻辑门电路第一输入端，所述第一逻辑门电路输出端分别连接所述第二逻辑门电路第二输入端和所述第三逻辑门电路第二输入端，所述第二逻辑门电路输出端连接所述第三逻辑门电路使能信号输入端；所述第三逻辑门电路输出端连接所述电压调整及功率放大电路输入端，所述电压调整及功率放大电路输出端连接所述PWM驱动信号输出端。
5.根据权利要求3所述的高功率密度三相PFC电源模块，其特征在于：所述的数字控制电路还包括温度传感电路，所述温度传感电路连接到所述微电脑电路。
6.根据权利要求3所述的高功率密度三相PFC电源模块，其特征在于：高功率密度三相PFC电源模块还包括输出过压保护电路，所述输出过压保护电路输入端连接所述BOOST升压电路的正输出端（BOOST_BR），所述输出过压保护电路输出端（BOOST_OV-PRO）连接到所述BOOST驱动电路，当所述输出过压保护电路输出过压信号时，将关闭所述BOOST驱动电路的输出信号。
7.根据权利要求3所述的高功率密度三相PFC电源模块，其特征在于：高功率密度三相PFC电源模块还包括输出过流保护电路；所述输出过流保护电路包括BUCK输出过流保护电路和BOOST输出过流保护电路；
所述主功率电路还包括第四电阻（R107）、第五电阻（R108），所述第四电阻（R107）与所述第一电感（L103）串联于其所在的支路上，所述第五电阻（R108）与所述第二电感（L104）串联于其所在的支路上；所述BUCK输出过流保护电路分别采集所述主功率电路中所述第四电阻（R107）、第五电阻（R108）上流过的电流，得到的BUCK过流保护信号经所述信号传递电路中的过流保护信号传递电路处理并传送到所述微电脑电路的BUCK过流保护信号输入端；所述微电脑电路在接收到所述BUCK过流保护信号时，将停止对所述BUCK降压电路中各个开关输出PWM信号；
所述BOOST输出过流保护电路分别采集所述主功率电路中所述第二电阻（R112）、第三电阻（R113）上流过的电流，得到的BOOST过流保护信号经所述信号传递电路中的过流保护信号传递电路处理并传送到所述微电脑电路的BOOST过流保护信号输入端；所述微电脑电路在接收到所述BOOST过流保护信号时，将停止对所述BOOST升压电路中各个开关输出PWM信号。
8.根据权利要求1所述的高功率密度三相PFC电源模块，其特征在于：高功率密度三相PFC电源模块还包括隔离通信电路，所述隔离通信电路与所述数字控制电路连接，所述隔离通信电路包括状态输出电路和指令接收电路；所述指令接收电路的输入端和所述状态输出电路的输出端通过隔离芯片与外部通信。
9.根据权利要求1所述的高功率密度三相PFC电源模块，其特征在于：高功率密度三相PFC电源模块还包括辅助电源电路；所述辅助电源电路包括三相整流电路、单端反激变换器和线性稳压电路，所述三相整流电路的输入端与所述主功率电路的输入端口连接，所述三相整流电路的输出端与所述单端反激变换器的输入端连接，所述单端反激变换器的输出端与所述线性稳压电路的输入端连接，所述线性稳压电路的输出端与各单元电路的供电端连接，为各单元电路提供电源。
高功率密度三相PFC电源模块
技术领域
背景技术
发明内容
具体实施方式
端，第三路送入如图19所示的辅助电源电路的输入端。三相交流电源经输入滤波器滤出干扰信号后，送入由Q100 Q105、D100 D105、L103 L104、R107 R109等组成的六开关双电感~ ~ ~ ~
BUCK降压电路的输入端，Q100 Q105是高频开关管，在如图17所示的驱动电路的作用下有序~
开启和关闭为BUCK电感L103、L104充电和放电，从而产生一个较低的直流电压即BUCK输出电压，为了减小高频开关管的开关损耗和导通损耗，Q100 Q105的上下管会存在同时导通的~
状态，为了防止输出能量的回灌，电路中插入了D100 D105高频二极管，基于二极管的单向~
导通特性，既提高了产品转换效率又避免了开关管的直通过流损坏。R107是BUCK正极直流母线电流采样电阻，R108、R109是BUCK负极直流母线电流采样电阻，R107采集的电流信号CT3和R18采集的电流信号CT1用于BUCK电路的过流保护，R109采集的电流信号CT2用于PFC主控制量，调节CT2的瞬时量使三相交流输入电流与三相交流输入电压相位一致，且正弦度良好，可提高PF值和减小THD。BUCK电感L103、L104在现有产品中一般都只用一个，本发明采用两个相同参数的环形电感分别连接在BUCK电路的正负直流母线中，这样每只电感的电感量可以只是现有产品中所需电感量的一半，电感尺寸特别是电感厚度可以做得很小，有利于减小电源模块厚度。
C116共同组成的双管交错BOOST升压电路。
C202 C203共同组成B相交流电压采样电路，R210 R214、D202、U200-C、C204 C205共同组成C~ ~ ~
相交流电压采样电路。A相交流电压经过电阻R200 R202的分压和二极管D200的箝位后再经~
运算放大器U200-A的阻抗变换产生正比于A相交流输入的电压采样信号，B相交流电压经过电阻R205 R209的分压和二极管D201的箝位后再经运算放大器U200-B的阻抗变换产生正比~
于B相交流输入的电压采样信号，C相交流电压经过电阻R210 R214的分压和二极管D202的~
箝位后再经运算放大器U200-C的阻抗变换产生正比于C相交流输入的电压采样信号。A、B、C三个相电压采样信号传送到如图16所示的数字控制电路，用以检测三相交流输入电压的频率、相位、幅度等数据，为PFC控制、输入过欠压保护提供依据。电容C200 C205用于三相交~
流输入电压采样信号中高频干扰信号的滤波，有利于提高产品的PFC控制精度。
再经运算放大器U300的阻抗变换，产生正比于BUCK输出的电压采样信号，BUCK输出电压经电阻R304、R305分压后再经运算放大器U301的阻抗变换，产生正比于BOOST输出的电压采样信号，两个电压采样信号分别传送给如图15的信号传递电路和如图13的输出过压保护电路，经信号传递电路的A/D模数变换和输出过压保护电路的识别控制后隔离输出给数字控制电路，为调节输出电压和输出过压保护提供依据。电容C300 C307用于两路输出电压采样~
信号的高频干扰信号的滤波，有利于提高产品的输出电压控制精度和过流保护精度。
极母线电流信号CT2经电阻R400传送至运算放大器U400的反相输入端，经U400倒相放大后产生BUCK输出电流采样信号，如图9所示的主功率电路中BOOST的电感电流信号CT4、CT5经电阻R408、R409传送至运算放大器U401的反相输入端，经U401倒相放大后产生BOOST输出电流采样信号，电阻R406、R415分别决定两放大器的电流信号放大倍数，电容C401 C408用于~
两路输出电流采样信号的高频干扰信号的滤波，有利于提高产品的PFC值和输出电流控制精度。BUCK输出电流采样信号和BOOST输出电流采样信号同时输出给信号传递电路和输出过流保护电路，经信号传递电路的A/D模数变换和输出过流保护电路的识别比较后隔离输出控制信号给数字控制电路，为PFC控制和输出过流保护提供依据。
BOOST输出电压经电阻R500和R501分压后与R502和R503所设定的过流参考点经电压比较器U500差分比较后产生输出过压信号，电容C500 C501用于输出过压信号的高频干扰信号的~
滤波，有利于提高产品的工作稳定性。输出过压信号传送给BOOST驱动电路的隔离电路控制信号输入端,在输出电压超出设定值时及时关闭BOOST驱动电路的输出信号，以实现输出过压保护功能。
R603 R604、C604 C605、U601共同组成BUCK直流正极母线过流保护电路；R600 R602、C600~ ~ ~ ~
C603、U600共同组成BUCK直流负极母线过流保护电路；R605 R607、C606 C608、U602共同组~ ~
成BOOST第一过流保护电路；R607 R608、C608 C610、U603共同组成BOOST第二过流保护电~ ~
路。如图9所示功率主电路中R108采集的电流信号CT1和R109采集的电流信号CT2经过电阻R600 R602传送到电压比较电路U600的输入端，经差分比较后产生BUCK直流负极母线过流~
保护信号；如图9所示功率主电路中R107采集的电流信号CT3经过电阻R604传送到电压比较器电路U601的输入端，经零点比较后产生BUCK直流正极母线过流保护信号；如图9所示功率主电路中R112、R113分别采集的BOOST电感电流CT4、CT5经过电阻R606、R609分别传送至电压比较器U602、U603的输入端，经零点比较后产生两个BOOST输出过流保护信号。BUCK输出过流保护信号和BOOST输出过流保护信号经过识别比较后如图15所示的信号传递电路隔离输出控制信号给数字控制电路，在BUCK输出过载/短路或BOOST输出过载/短路是及时关闭数字控制电路的PWM驱动信号，以实现输出过流保护功能，提高产品工作可靠性。
U700、U701、U702、U706是模数转换电路，U703是2/4译码器电路，U704是三态逻辑门电路，U705、U707是数字信号隔离电路，U708是非门电路，上述的BUCK输出电压信号V_BUCK、BOOST输出电压信号V_BOOST、BUCK输出电流信号I_BUCK、BOOST输出电流信号I_BOOST等模拟量经U700、U701、U702、U706在如图16所示的数字控制电路供给的片选信号CS1、CS2、CS3和时钟信号CLOCK的控制下转换为数字量后，再经U705、U707隔离并合成一路A/D信号传送给数字控制电路，为PFC控制和开机缓启动控制提供依据。U709是三态逻辑门电路、U710A、U710B、U713是非门电路，U711、U712是数字信号隔离电路、U714是混合逻辑门电路，所述的BUCK过流保护信号BUCK_OC1、BUCK_OC2和BOOST过流保护信号BOOST_OC1、BOOST_OC2在U709、U710A、U710B、U713的逻辑控制下经U711、U712隔离后分别传送至数字控制电路和驱动电路，以实现输出过流保护功能，提高产品工作可靠性。
D907共同组成BOOST驱动电路。驱动电路主要实现驱动信号的电压隔离和功率放大功能，为了进一步提高PF值和减小THD，在BUCK上管驱动电路中还插入了逻辑纠错电路。U900、U902是数字信号隔离电路实现信号电压隔离功能；U901是非门组成的信号倒相电路，U903、U906、U909是三态逻辑门组成的同或门电路，U904、U907、U910是三态逻辑门组成的异或门电路，所述门电路共同实现信号纠错功能，即数字控制电路供给的驱动信号在隔离和传输过程中如果无相位偏移或失真，才将正常的驱动信号传送给后级功率驱动电路，否则将关断驱动信号传送回路；U905、U908、U911是驱动电路实现BUCK上管驱动信号功率放大功能。
U912、U914、U916、U918是数字信号隔离电路实现BUCK下管和BOOST双管交错驱动信号的电压隔离功能、U913、U915、U917、U919驱动电路实现BUCK下管和BOOST双管交错驱动信号功率放大功能，其工作原理不在赘述。驱动电路将数字控制电路输出端多路PWM驱动信号经过隔离电路和逻辑纠错电路处理后输出给PWM功率驱动电路，经功率放大后的PWM驱动信号分别输出给主功率电路的BUCK降压电路上下开关管和BOOST升压电路的开关管，以实现主功率电路开关管的有序开启和关闭，有效降低整机功耗，提高转换效率。
组成指令接收电路。U1000、U1001是数字信号隔离电路实现信号电压隔离功能，U1002是施密特触发缓冲电路实现通信信号整形功能，CON1000是信号隔离输入输出端口。隔离通信电路将接收到的外部使能、同步、保护解锁等控制指令隔离传送给数字控制电路，同时还将数字控制电路输出端电压、电流、温度等多种工作状态以及主频同步信号隔离输出给外部通信端口，以实现远程监测和控制功能。
同组成线性稳压电路。二极管D1100 D1105将三相交流输入电源整流并经电容C1100滤波为~
高压直流电源，同时为辅助变压器T1100初级绕组和启动MOS管Q1100供电，二极管D1106决定PWM控制芯片U1100的启动电源电压，三极管Q1101负责在辅助电源正常工作后关闭启动MOS管Q1100的启动电源，以减小启动电路的功耗。PWM控制芯片U1100正常启动后驱动反激开关管Q1102及辅助变压器T1101，二极管D1107 D1115整流输出VCC、VCC_H、VCC_A、VCC_B、~
VCC_C、VCC_M、VCC_O、VCC_ISO等多组直流低压电源为电源模块各级驱动电路提供电能，线性稳压器U1101 U1107、电容C1118 C1131将上述多组直流低压电源稳压为VDD、VDD_H、VDD_~ ~
A、VDD_B、VDD_C、VDD_M、VDD_O等多组低纹波直流低压电源为各级控制电路提供电能，以提高整机电路的工作稳定性。
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