CN108649818A - 三相降压型整流器及其控制方法 - Google Patents

三相降压型整流器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三相降压型整流器，包括输入滤波器、三相可控整流桥和不控整流桥；三相可控整流桥的每一相均包括上桥臂和下桥臂，上桥臂设有上桥臂开关模块，下桥臂设有下桥臂开关模块，三相可控整流桥与不控整流桥共直流母线连接，三相电源通过输入滤波器连接三相可控整流桥的交流输入侧，三相电源的中性点或者输入滤波器的中性点连接不控整流桥的交流输入侧。本发明还公开了控制三相降压型整流器的方法。本发明显著降低了可控开关器件的电压应力。

Description

三相降压型整流器及其控制方法
技术领域
本发明涉及功率变换器领域，特别是涉及一种三相降压型整流器及其控制方法。
背景技术
三相PWM整流器主要包括基于电压源型变换器(VSC)的升压型整流器和基于电流源型变换器(CSC)的降压型整流器。其中，升压型整流器要求直流母线电压必须高于输入交流线电压峰值，而降压型整流器允许直流母线电压低于输入线电压峰值。因此，对于需要直流电压较低的应用场合，如电动汽车充电***、电机驱动控制***、超导储能***等，降压型整流器具有较大的优势。
目前研究最多的传统三相降压型整流器如图1所示，它主要包括6个逆阻型开关单元构成三相可控整流桥、输入侧LC滤波器、直流母线侧续流二极管。三相输入电源通过LC滤波器接到可控整流桥的输入端。续流二极管为直流母线电流提供流通路径，同时产生零的输出瞬时电压。其中，逆阻型开关单元一般由一个可控开关器件和一个二极管顺次串联而成。
该三相降压型整流器存在如下缺点：各逆阻型开关单元中可控开关器件承受的最大电压为输入线电压的幅值。以三相输入电压满足uA>0>uB>uC为例对此进行说明。根据三相降压型整流器的控制原理，在此种状态下，A相上桥臂的开关SAP在一个开关周期内保持导通，B相下桥臂开关SBN、C相下桥臂开关SCN、续流二极管DF交替导通。当DF导通时，SBN和SCN均关断。此时SBN和SCN承受的电压应力分别为uA-uB和uA-uC，即分别承受绝对值最大的两个线电压。对于三相380V/50Hz输入电源，线电压的最大值为380×1.414≈537V。
这一缺点带来如下问题：(1)电压应力越高，需要的器件容量越大，这增加了可控开关器件的成本和选型难度；(2)电压应力越高，功率器件的开关损耗越大，这不利于提高***的转换效率；(3)受限于当前功率器件的工艺水平，较高的电压应力限制了器件的开关频率，这不利于提高***的功率密度；(4)较高的电压应力也降低了整流器的运行可靠性。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种能够降低电压应力的三相降压型整流器及其控制方法。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的三相降压型整流器，包括输入滤波器、三相可控整流桥和不控整流桥；三相可控整流桥的每一相均包括上桥臂和下桥臂，上桥臂设有上桥臂开关模块，下桥臂设有下桥臂开关模块，三相可控整流桥与不控整流桥共直流母线连接，三相电源通过输入滤波器连接三相可控整流桥的交流输入侧，三相电源的中性点或者输入滤波器的中性点连接不控整流桥的交流输入侧。
进一步，所述三相可控整流桥中，上桥臂开关模块和下桥臂开关模块均包括逆阻型开关单元，并且每相的上桥臂的逆阻型开关单元和下桥臂的逆阻型开关单元顺次连接，连接处作为对应相的交流输入侧。
进一步，所述逆阻型开关单元包括串联的可控开关器件和二极管。
进一步，所述不控整流桥包括两个顺次连接的二极管，连接处作为不控整流桥的交流输入侧。
进一步，所述输入滤波器包括三相滤波电感和三相滤波电容，三相滤波电感包括第一相滤波电感LA、第二相滤波电感LB和第三相滤波电感LC，三相滤波电容包括第一相滤波电容CA、第二相滤波电容CB和第三相滤波电容CC；第一相电源通过第一相滤波电感LA连接三相可控整流桥的第一相的交流输入侧，第二相电源通过第二相滤波电感LB连接三相可控整流桥的第二相的交流输入侧，第三相电源通过第三相滤波电感LC连接三相可控整流桥的第三相的交流输入侧，第一相滤波电容CA的一端连接三相可控整流桥的第一相的交流输入侧，第二相滤波电容CB的一端连接三相可控整流桥的第二相的交流输入侧，第三相滤波电容CC的一端连接三相可控整流桥的第三相的交流输入侧，第一相滤波电容CA的另一端、第二相滤波电容CB的另一端和第三相滤波电容CC的另一端均作为输入滤波器的中性点。
进一步，所述输入滤波器的中性点与三相电源的中性点连接。
控制本发明所述的三相降压型整流器的方法，包括以下过程：
1)将三相输入电压uA、uB、uC按照绝对值的大小分为umax、umid、umin；
2)对于输入电压绝对值最大的相，其上桥臂开关模块和下桥臂开关模块的控制过程如下：当umax≥0时，上桥臂开关模块导通，下桥臂开关模块关断，导通的上桥臂开关模块的占空比为dmax；当umax＜0时，上桥臂开关模块关断，下桥臂开关模块导通，导通的下桥臂开关模块的占空比为dmax；
3)对于输入电压绝对值次大的相，其上桥臂开关模块和下桥臂开关模块的控制过程如下：当umid≥0时，上桥臂开关模块导通，下桥臂开关模块关断，导通的上桥臂开关模块的占空比为dmid；当umid＜0时，上桥臂开关模块关断，下桥臂开关模块导通，导通的下桥臂开关模块的占空比为dmid；
4)对于输入电压绝对值最小的相，其上桥臂开关模块和下桥臂开关模块的控制过程如下：当umin≥0时，上桥臂开关模块导通，下桥臂开关模块关断，导通的上桥臂开关模块的占空比为dmin；当umin＜0时，上桥臂开关模块关断，下桥臂开关模块导通，导通的下桥臂开关模块的占空比为dmin；
5)在一个开关周期除去2)、3)和4)以外的其余时间，所有的开关模块全关断，不控整流桥中所有的二极管被强迫导通，导通时间为1-dmax。
上述dmax、dmid和dmin如式(1)所示：
式(1)中，为直流母线电压的期望值。
有益效果：本发明公开了三相降压型整流器及其控制方法，可控开关器件承受的最大电压应力为输入相电压峰值，对于三相380V/50Hz输入，最大电压应力仅为311V。这是传统技术中最大电压应力的即本发明显著降低了可控开关器件的电压应力。由此带来如下有益效果：
(1)显著降低了器件的成本和选型难度；
(2)降低了器件的开关损耗，进而提高了整流器的转换效率；
(3)可以采用更高开关频率，从而提高了整流器的功率密度；
(4)提高了整流器的运行可靠性。
附图说明
图1为传统三相降压型整流器的电路图；
图2为本发明具体实施方式中三相降压型整流器的电路图；
图3为本发明具体实施方式中当输入电压满足uA>0>uB>uC时降压型整流器的开关序列；
图4为本发明具体实施方式中三相下桥臂的开关只有SBN导通时的电流流通路径；
图5为本发明具体实施方式中三相下桥臂的开关只有SCN导通时的电流流通路径；
图6为本发明具体实施方式中三相下桥臂的开关均不导通的电流流通路径。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本具体实施方式中所有“第一相”均是指“A相”，所有“第二相”均是指“B相”，所有“第三相”均是指“C相”。
本具体实施方式公开了一种三相降压型整流器，在传统技术的基础上进行了改进，即将直流母线的单个续流二极管替换为两个二极管构成的桥臂。具体地，如图2所示，本具体实施方式提供的三相降压型整流器包括输入滤波器1、三相可控整流桥3和不控整流桥4；三相可控整流桥3的每一相均包括上桥臂和下桥臂，上桥臂设有上桥臂开关模块，下桥臂设有下桥臂开关模块，三相可控整流桥3与不控整流桥4共直流母线连接，三相电源通过输入滤波器1连接三相可控整流桥3的交流输入侧，三相电源的中性点或者输入滤波器的中性点连接不控整流桥4的交流输入侧。输入滤波器1的中性点与三相电源的中性点连接。
三相可控整流桥3中，上桥臂开关模块和下桥臂开关模块均包括逆阻型开关单元2，并且每相的上桥臂的逆阻型开关单元和下桥臂的逆阻型开关单元顺次连接，连接处作为对应相的交流输入侧。逆阻型开关单元2包括串联的可控开关器件和二极管，分别为：对应于第一相上桥臂的可控开关器件SAP和二极管DAP，对应于第一相下桥臂的可控开关器件SAN和二极管DAN，对应于第二相上桥臂的可控开关器件SBP和二极管DBP，对应于第二相下桥臂的可控开关器件SBN和二极管DBN，对应于第三相上桥臂的可控开关器件SCP和二极管DCP，对应于第二相下桥臂的可控开关器件SCN和二极管DCN。
不控整流桥4包括两个顺次连接的二极管，连接处作为不控整流桥4的交流输入侧。
输入滤波器1包括三相滤波电感和三相滤波电容，三相滤波电感包括第一相滤波电感LA、第二相滤波电感LB和第三相滤波电感LC，三相滤波电容包括第一相滤波电容CA、第二相滤波电容CB和第三相滤波电容CC；第一相电源通过第一相滤波电感LA连接三相可控整流桥3的第一相的交流输入侧，第二相电源通过第二相滤波电感LB连接三相可控整流桥3的第二相的交流输入侧，第三相电源通过第三相滤波电感LC连接三相可控整流桥3的第三相的交流输入侧，第一相滤波电容CA的一端连接三相可控整流桥3的第一相的交流输入侧，第二相滤波电容CB的一端连接三相可控整流桥3的第二相的交流输入侧，第三相滤波电容CC的一端连接三相可控整流桥3的第三相的交流输入侧，第一相滤波电容CA的另一端、第二相滤波电容CB的另一端和第三相滤波电容CC的另一端均作为输入滤波器1的中性点。
本具体实施方式还公开了控制三相降压型整流器的方法，包括以下过程：
1)将三相输入电压uA、uB、uC按照绝对值的大小分为umax、umid、umin；
2)对于输入电压绝对值最大的相，其上桥臂开关模块和下桥臂开关模块的控制过程如下：当umax≥0时，上桥臂开关模块导通，下桥臂开关模块关断，导通的上桥臂开关模块的占空比为dmax；当umax＜0时，上桥臂开关模块关断，下桥臂开关模块导通，导通的下桥臂开关模块的占空比为dmax；
3)对于输入电压绝对值次大的相，其上桥臂开关模块和下桥臂开关模块的控制过程如下：当umid≥0时，上桥臂开关模块导通，下桥臂开关模块关断，导通的上桥臂开关模块的占空比为dmid；当umid＜0时，上桥臂开关模块关断，下桥臂开关模块导通，导通的下桥臂开关模块的占空比为dmid；
4)对于输入电压绝对值最小的相，其上桥臂开关模块和下桥臂开关模块的控制过程如下：当umin≥0时，上桥臂开关模块导通，下桥臂开关模块关断，导通的上桥臂开关模块的占空比为dmin；当umin＜0时，上桥臂开关模块关断，下桥臂开关模块导通，导通的下桥臂开关模块的占空比为dmin；
5)在一个开关周期除去2)、3)和4)以外的其余时间，所有的开关模块全关断，不控整流桥4中所有的二极管被强迫导通，导通时间为1-dmax。
上述dmax、dmid和dmin如式(1)所示：
式(1)中，为直流母线电压的期望值。
下面以三相输入电压uA>0>uB>uC为例，对以上方法进行介绍。
图3表示了该降压型整流器的运行原理示意图，图中以三相输入电压uA>0>uB>uC为例。在该情况下，在一个开关周期Ts内，B相下桥臂开关SBN、C相下桥臂开关SCN按顺序导通。其中SBN导通的占空比为dB，SCN导通的占空比为dC。dB和dC的表达式为：
式中，为直流母线电压的期望值。对于上桥臂开关，当SBN或SCN导通时，A相上桥臂开关SAP也导通，其余时间关断；其余上桥臂开关保持关断。在一个开关周期的剩余时间，SBN和SCN均关断，为了保证直流母线电流的流通路径，二极管DOP和DON被强迫导通。
图4、图5和图6中带箭头的虚线分别给出了三种状态下的直流母线电流流通路径。由于A相电压最大，在图4和图5中，B相上桥臂开关SBP和C相上桥臂开关SCP均不承受电压应力，相应的电压应力分别由二极管DBP和DCP承受。对于下桥臂开关，由于uA>0>uB>uC，开关SAN、SBN不承受电压应力，相应的电压应力分别由二极管DAN和DBN承受。对于开关SCN，当其导通时，其承受的电压应力为0；当其关断而SBN导通时，其承受的电压应力为uB-uC。容易推算出uB-uC≤-uC≤uA。
在图6中，由于可控整流桥的开关全部关断，为保证直流母线电流流通路径，二极管DOP和DON被强迫导通。忽略二极管的压降，则可认为此时直流母线P端和N端电位与中性点电位O的相同。则在此状态下，由于uA>0>uB>uC，开关SBP、SCP、SAN不承受电压应力，开关SAP、SBN和SCN承受的电压应力分别为uA、-uB、-uC。
综上所述，当uA>0>uB>uC时，在一个开关周期内，任意一个可控开关承受的电压应力不超过相电压的绝对值。根据电路的对称性，当uA、uB、uC满足其它电压大小关系时，这一结论依然成立。因此，本发明的整流器装置中，可控开关器件的最大电压应力为输入相电压的幅值。对于三相380V/50Hz输入，最大电压应力仅为311V，是传统技术中537V的0.58倍。

Claims (7)

1.三相降压型整流器，其特征在于：包括输入滤波器(1)、三相可控整流桥(3)和不控整流桥(4)；三相可控整流桥(3)的每一相均包括上桥臂和下桥臂，上桥臂设有上桥臂开关模块，下桥臂设有下桥臂开关模块，三相可控整流桥(3)与不控整流桥(4)共直流母线连接，三相电源通过输入滤波器(1)连接三相可控整流桥(3)的交流输入侧，三相电源的中性点或者输入滤波器的中性点连接不控整流桥(4)的交流输入侧。
2.根据权利要求1所述的三相降压型整流器，其特征在于：所述三相可控整流桥(3)中，上桥臂开关模块和下桥臂开关模块均包括逆阻型开关单元(2)，并且每相的上桥臂的逆阻型开关单元和下桥臂的逆阻型开关单元顺次连接，连接处作为对应相的交流输入侧。
3.根据权利要求2所述的三相降压型整流器，其特征在于：所述逆阻型开关单元(2)包括串联的可控开关器件和二极管。
4.根据权利要求1所述的三相降压型整流器，其特征在于：所述不控整流桥(4)包括两个顺次连接的二极管，连接处作为不控整流桥(4)的交流输入侧。
5.根据权利要求1所述的三相降压型整流器，其特征在于：所述输入滤波器(1)包括三相滤波电感和三相滤波电容，三相滤波电感包括第一相滤波电感LA、第二相滤波电感LB和第三相滤波电感LC，三相滤波电容包括第一相滤波电容CA、第二相滤波电容CB和第三相滤波电容CC；第一相电源通过第一相滤波电感LA连接三相可控整流桥(3)的第一相的交流输入侧，第二相电源通过第二相滤波电感LB连接三相可控整流桥(3)的第二相的交流输入侧，第三相电源通过第三相滤波电感LC连接三相可控整流桥(3)的第三相的交流输入侧，第一相滤波电容CA的一端连接三相可控整流桥(3)的第一相的交流输入侧，第二相滤波电容CB的一端连接三相可控整流桥(3)的第二相的交流输入侧，第三相滤波电容CC的一端连接三相可控整流桥(3)的第三相的交流输入侧，第一相滤波电容CA的另一端、第二相滤波电容CB的另一端和第三相滤波电容CC的另一端均作为输入滤波器(1)的中性点。
6.根据权利要求1所述的三相降压型整流器，其特征在于：所述输入滤波器(1)的中性点与三相电源的中性点连接。
7.控制根据权利要求4所述的三相降压型整流器的方法，其特征在于：包括以下过程：
1)将三相输入电压uA、uB、uC按照绝对值的大小分为umax、umid、umin；
2)对于输入电压绝对值最大的相，其上桥臂开关模块和下桥臂开关模块的控制过程如下：当umax≥0时，上桥臂开关模块导通，下桥臂开关模块关断，导通的上桥臂开关模块的占空比为dmax；当umax＜0时，上桥臂开关模块关断，下桥臂开关模块导通，导通的下桥臂开关模块的占空比为dmax；
3)对于输入电压绝对值次大的相，其上桥臂开关模块和下桥臂开关模块的控制过程如下：当umid≥0时，上桥臂开关模块导通，下桥臂开关模块关断，导通的上桥臂开关模块的占空比为dmid；当umid＜0时，上桥臂开关模块关断，下桥臂开关模块导通，导通的下桥臂开关模块的占空比为dmid；
4)对于输入电压绝对值最小的相，其上桥臂开关模块和下桥臂开关模块的控制过程如下：当umin≥0时，上桥臂开关模块导通，下桥臂开关模块关断，导通的上桥臂开关模块的占空比为dmin；当umin＜0时，上桥臂开关模块关断，下桥臂开关模块导通，导通的下桥臂开关模块的占空比为dmin；
5)在一个开关周期除去2)、3)和4)以外的其余时间，所有的开关模块全关断，不控整流桥(4)中所有的二极管被强迫导通，导通时间为1-dmax。
上述dmax、dmid和dmin如式(1)所示：
式(1)中，为直流母线电压的期望值。
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