双升压式能馈型PWM整流电路
技术领域
本发明涉及一种双升压式能馈型PWM整流电路。
背景技术
电力电子产品的广泛应用,对电网造成了严重的谐波。尤其是传统二极管不控整流电路和晶闸管相控型整流电路,功率因数低,输入电流中含有大量的低次谐波,对电网的污染尤为严重。PWM整流技术可以实现网侧电流跟踪电网电压,具有功率因数高、体积小、效率高等诸多优点,在电机驱动、不间断电源(UPS)、高压直流输配电、可再生能源发电等场合得到了广泛的应用,成为电力电子研究的重点和热点之一。传统的PWM整流电路仅工作在AC/DC整流状态,能量只能单向流动,而在轨道交通、大型机床等场合,驱动电机在制动时工作在发电状态,会导致整流电路的直流母线电压飚升。传统的做法是在直流母线上增加能耗电阻,将电机制动产生的能量以热能的形式消耗掉,造成了能源的浪费。近年来,随着人们对环保节能和绿色能源意识的不断增强,能量可以双向流动的PWM整流电路得到了越来越多的关注,尤其是在太阳能、风能等可再生能源发电场合,能馈型PWM整流电路更是不可缺少的组成部分。
传统的能馈型PWM整流电路以桥式拓扑为主,由于开关管直接串联,存在着桥臂直通的隐患,影响了***的可靠性。另外,传统桥式整流电路,在功率开关管关断的时候,电感电流从开关管的体二极管流通。对MOS型器件而言,提高MOSFET性能的措施往往会导致体二极管性能变差,很难兼顾两者的优化。研究表明,随着开关频率的提高,开关器件体二极管的反向恢复问题趋于严重,反向恢复损耗在变换器总损耗中所占比例大幅增长。而在一些应用场合如航空航天、UPS等对电源可靠性提出了更高的要求,希望能有一种新的高效率、高可靠性的整流电路来替代传统的桥式整流电路。
发明内容
本发明的目的是提供一种新颖的双升压式能馈型PWM整流器,旨在保留传统桥式能馈型PWM整流器能量双向流动的特点,又能克服传统桥式PWM整流电路存在的桥臂直通隐患和开关管体二极管参与工作的缺点。
本发明双升压式能馈型PWM整流电路,包含输入电源vin、两个升压型桥臂电路单元1、3及输出滤波电容C1、C2、负载电路4,整个整流电路共有两只功率开关管S1、S2、两只功率二极管D1、D2、两个升压电感L1、L2和两个输出滤波电容C1、C2,它们的电路连接关系如下:输入电源vin的参考正端与第一升压型桥臂电路单元1中的升压电感L1和第二升压型桥臂电路单元3中的升压电感L2的一端连接;第一升压型桥臂电路单元1的功率开关管S1的漏极和第二升压型桥臂电路单元3的功率二极管D2的阴极以及第一输出滤波电容C1的正极性端相连;第一升压型桥臂电路单元1的功率二极管D1的阳极和第二升压型桥臂电路单元3的功率开关管S2的源极以及第二输出滤波电容C2的负极性端相连;输入电源vin的地分别与第一输出滤波电容C1负极和第二输出滤波电容C2的正极相连;上述第一升压型桥臂电路单元1中的升压电感L1的另一端与该单元的功率开关管S1的源极和该单元功率二极管D1的阴极相连;第二升压型桥臂电路单元3的升压电感L2的另一端与该单元的功率开关管S2的漏极和该单元功率二极管D2的阳极相连;第一输出滤波电容C1的负极和第二输出滤波电容C2的正极与输入电源vin参考地相连。
在输入电流的正半周,第二升压型桥臂电路单元3工作,第一升压型桥臂电路单元1不工作;而在输入电流的负半周,刚好相反,第一升压型桥臂电路单元1工作,第二升压型桥臂电路单元3不工作。
本发明的双升压式能馈型PWM整流电路中,两个升压型桥臂电路单元根据输入电流的正负情况轮流工作,在每个开关周期内仅有一只功率管高频斩波,且工作过程中无开关管的体二极管参与工作,开关、导通损耗小。本整流电路采用滞环电流控制,具有内在限流、高精度和快速动态响应的优点。本整流器电路结构简单,输出直流母线电压大于输入电源峰值电压最大值的两倍,适合于高压中、大功率应用场合。
附图说明
附图1是本发明的双升压式能馈型PWM整流电路结构示意图。
附图2(a)、图2(b)、图2(c)、图2(d)分别表示本发明双升压式能馈型PWM整流电路工作在整流模式或能馈型模式下不同开关模态的示意图。
附图3是本发明双升压式能馈型PWM整流电路采用的控制框图。
附图4是本发明双升压式能馈型PWM整流电路工作在整流模式下输入电压、输入电流、电感电流以及驱动的波形示意图。
附图5是本发明双升压式能馈型PWM整流电路工作在能馈模式下输入电压、输入电流、电感电流以及驱动的波形示意图。
附图1中的标号名称为:1-第一升压型桥臂电路单元;2-输入电源;3-第二升压型桥臂电路单元;4-输出滤波电容及负载电路。
图1-附图5中的符号及其元件名称为:S1、S2——功率开关管,D1、D2——功率二极管,L1、L2——输入升压电感,C1、C2——输出滤波电容,VC1、VC2是滤波电容C1、C2两端的电压,iL1、iL2——输入升压电感L1、L2电流波形,ve-电压环调节器输出电压,iref——电流基准,Q、Q——D触发器输出逻辑,Drv1、Drv2——开关管S1、S2驱动信号,RL——负载阻抗,vin——整流其输入电压,Vo——整流器输出直流母线电压。
具体实施方式
下面结合附图说明本发明实施例的电路结构及工作原理。
附图1是双升压式能馈型PWM整流电路的结构示意图,其电路组成是,输入电源vin的参考正端与第一升压型桥臂电路单元1中的升压电感L1的一端相连,升压电感L1的另一端与功率开关管S1的源极和功率二极管D1的阴极相连,功率开关管S1的漏极与输出滤波电容C1正极和输出负载的正端连接,功率二极管D1的阳极与输出滤波电容C2的负极和输出负载的负端连接,输出滤波电容C1的负极和输出滤波电容C2的正极与输入电源vin的参考地连在一起,从而构成了在输入电流负半周的工作电路;输入电源vin的参考正端与第二升压型桥臂电路单元3升压电感L2的一端相连,升压电感L2的另一端与功率开关管S2的漏极和功率二极管D2的阳极连接,功率开关管S2的源极与输出滤波电容C2的负极和输出负载的负极性端相连,功率二极管D2的阴极与输出滤波电容C1的正极和输出负载的正极性端相连,输出滤波电容C1的负极和输出滤波电容C2的正极与输入电源vin的参考地相连,这样构成了整流器在输入电流负半周的工作电路。
附图3是本发明双升压式能馈型PWM整流电路所采用的控制电路框图,采用滞环电流控制技术,与传统半桥能馈型PWM整流控制电路相比,仅增加了一个过零比较器和几个逻辑门电路,控制简单。即基准电压Vref和输出电压采样值经误差放大器得到的误差电压信号Ve与输入电压的采样值相乘,作为电流环的基准iref,基准电流再与电感L1与电感L2的采样电流值的和(即输入电流)送入滞环比较器,经滞环比较器产生高频脉冲信号,再经过逻辑电路,最终输出功率开关管S1、S2的驱动信号。
附图4和附图5分别给出两个仿真实例。
附图4给出了本发明电路工作在整流模式下,即带能耗型负载时的一些主要波形。仿真参数如下:输入电压220V/50Hz,输出电压750V,输出功率1kW。由输入电压波形vin和输入电流波形iin可以看出,输入电流能够很好的跟踪电网电压,整流器工作在单位功率因数下。另外,由两个电感电流的波形iL1和iL2以及开关管的驱动波形Drv1和Drv2可以看出,两个升压型桥臂单元在电网电压的正负半周轮流工作。
附图5给出了本发明电路工作在能馈模式时(如负载为工作在制动发电时的直流电机)的一些主要波形。电网电压为220V/50Hz,直流母线电压为750V。由网侧电流波形iin和电压波形vin可以看出,整流器工作单位功率因数有源逆变下,电流波形和电压波形刚好相差180度。另外,由两个电感电流波形iL1和iL2以及开关管的驱动波形Drv1和Drv2可以看出,两个升压型桥臂单元在电网电压的正负半周轮流工作。
以上两个仿真实例均达到了预期的效果,验证了本发明提出的主电路和控制电路是正确的、可行的。
工作原理及工作过程
下面以附图1为主,结合附图3来叙述本发明的双升压式能馈型PWM整流电路的具体工作原理和工作模态,对应的电路关键波形见附图4、附图5。
根据输入电压和电流的相位,双升压式能馈型PWM整流电路可以工作在两种不同的模式,当输入电压和输入电流同相位时,电路工作于整流模式,当输入电压和输入电流相位相差180°时,电路工作于有源逆变能馈模式。
A)整流模式
当输入电流大于0,处于正半周时,第二升压型桥臂电路单元3和输入电源vin以及输出滤波电容和负载电路4工作,第一升压型桥臂电路单元1不工作;而当输入电流小于0,处于负半周时,第一升压型桥臂电路单元1和输入电源vin以及输出滤波电容和负载电路4工作,第二升压型桥臂电路单元3不工作。此模式下电路有四个工作模态:
1.工作模态I
如附图2(a)所示,输入电压vin>0,输入电流等于电感L2的电流,iL2>0,电感L1的电流iL1=0,功率开关管S2开通,D2截止,电流iL2线性上升。
2.工作模态II
如附图2(b)所示,输入电压vin>0,输入电流等于电感L2的电流,iL2>0,电感L1的电流iL1=0,功率开关管S2关闭,D2导通,电流iL2线性下降。
3.工作模态III
如附图2(c)所示,输入电压Vin<0,输入电流等于电感L1的电流,iL1<0,电感L2的电流iL2=0,功率开关管S1开通,D1截止,电流iL1线性上升。
4.工作模态IV
如附图2(d)所示,输入电压vin<0,输入电流等于电感L1的电流,iL1<0,电感L2的电流iL2=0,功率开关管S1关闭,D1导通,电流iL1线性下降。
B)能馈模式
当输入电流大于0,处于正半周时,第二升压型桥臂电路单元3和输入电源vin以及输出滤波电容和负载电路4工作,第一升压型桥臂电路单元1不工作;而当输出电流小于0,处于负半周时,第一升压型桥臂电路单元1和输入电源vin以及输出滤波电容和负载电路4工作,第二升压型桥臂电路单元3不工作。此模式下电路也有四个工作模态:
1.工作模态I
如附图2(a)所示,输入电压vin<0,输入电流等于电感L2的电流,iL2>0,电感L1的电流iL1=0,功率开关管S2开通,D2截止,电流iL2线性上升。
2.工作模态II
如附图2(b)所示,输入电压vin<0,输入电流等于电感L2的电流,iL2>0,电感L1的电流iL1=0,功率开关管S2关闭,D2导通,电流iL2线性下降。
3.工作模态III
如附图2(c)所示,输出电压vin>0,输入电流等于电感L1的电流,iL1<0,电感L2的电流iL2=0,功率开关管S1开通,D1截止,电流iL1线性上升。
4.工作模态IV
如附图2(d)所示,输出电压vin>0,输入电流等于电感L1的电流,iL1<0,电感L2的电流iL2=0,功率开关管S1关闭,D1导通,电流iL1线性下降。
由以上描述可知,本发明的双升压式能馈型PWM整流电路具有如下优点:
1.能量可以双向流动;
2.无桥臂直通、无开关管体二极管反向恢复问题点;
3.PWM调制电路单元采用滞环电流控制方案,逆变器动态性能佳;
4.整个电路结构和控制方案均较为简单,易于实现。