CN109286329A - 一种用于三相电的整流电路装置及实现方法 - Google Patents

一种用于三相电的整流电路装置及实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于三相电的整流电路装置及实现方法，所述装置包括：第一耦合电感，用于通过第一电感连接三相电中的第一相，得到第一交流电源；第一整流拓扑电路，连接所述第一耦合电感，用于对所述第一交流电源进行整流处理，得到第一路直流输出；第二耦合电感，用于通过第二电感连接三相电中的第二相，得到第二交流电源；第二整流拓扑电路，连接所述第二耦合电感，用于对所述第二交流电源进行整流处理，得到第二路直流输出；第三耦合电感，用于通过第三电感连接三相电中的第三相，得到第三交流电源；第三整流拓扑电路，连接所述第三耦合电感，用于对所述第三交流电源进行整流处理，得到第三路直流输出，成本低、损耗小、效率高。

Description

一种用于三相电的整流电路装置及实现方法
技术领域
本发明涉及功率转换和用于功率因数校正的交流-直流(AC-DC)升压变换器技术领域，特别涉及一种用于三相电的整流电路装置及实现方法。
背景技术
随着经济的快速发展，电力***已经成为当今世界不可缺少的重要组成部分，并且电力电子技术在过去几十年中得到快速的发展，越来越多的电力电子设备在电网中投入使用。大部分电力电子装置需要通过对输入交流电的整流环节获得直流电压用于后级变换，其中一部分电力电子装置因采用不可控或相控整流电路，对电力***输入大量的谐波及无功污染。
在当今社会环境保护对人类越来越重要，因此解决电力电子装置的谐波污染问题，需要开关电源在整流过程中能够很好的完成功率因数校正的功能。传统通用的三相电的整流电路使用的是如图1所示的Vienna整流电路拓扑，此拓扑升压用的功率二极管需要采用1200V高压功率二极管，成本较高，因此需要一种易于实现的，满足低成本、高效率、高功率密度要求的三相电的整流电路装置。
发明内容
本发明实施例提供的一种用于三相电的整流电路装置及实现方法，解决现有三相电整流电路成本高的问题。
根据本发明实施例提供的一种用于三相电的整流电路装置，包括：
第一耦合电感，用于通过第一电感连接三相电中的第一相，得到第一交流电源；
第一整流拓扑电路，连接所述第一耦合电感，用于对所述第一交流电源进行整流处理，得到第一路直流输出；
第二耦合电感，用于通过第二电感连接三相电中的第二相，得到第二交流电源；
第二整流拓扑电路，连接所述第二耦合电感，用于对所述第二交流电源进行整流处理，得到第二路直流输出；
第三耦合电感，用于通过第三电感连接三相电中的第三相，得到第三交流电源；
第三整流拓扑电路，连接所述第三耦合电感，用于对所述第三交流电源进行整流处理，得到第三路直流输出。
优选地，所述第一整流拓扑电路、所述第二整流拓扑电路、所述第三整流拓扑电路中的每个电路包括：
第一双向开关，其一端连接相应耦合电感的第一绕组；
第一功率器件组，其连接所述第一双向开关的一端；
第二双向开关，其一端连接所述相应耦合电感的第二绕组，其另一端连接所述第一双向开关的另一端；
第二功率器件组，其连接所述第二双向开关的一端；
直流输出电容，其连接所述第一功率器件组和所述第二功率器件组。
优选地，所述第一功率器件组和所述第二功率器件组均包括同向串联的两个功率器件；
其中，所述第一功率器件组的两个功率器件的连接点连接所述第一双向开关的一端，两端连接所述直流输出电容；
其中，所述第二功率器件组的两个功率器件的连接点连接所述第二双向开关的一端，两端连接所述直流输出电容。
优选地，所述第一整流拓扑电路、所述第二整流拓扑电路、所述第三整流拓扑电路中的每个电路还包括：
第三功率器件组，其连接所述第一双向开关的另一端和所述第二双向开关的另一端。
优选地，所述第三功率器件组包括同向串联的两个功率器件，其中，所述第三功率器件组的两个功率器件的连接点连接所述第一双向开关的另一端和所述第二双向开关的另一端，两端连接所述直流输出电容。
优选地，所述第一整流拓扑电路、所述第二整流拓扑电路、所述第三整流拓扑电路的第三功率器件组以Y型连接的方式相互连接。
优选地，所述第一双向开关和所述第二双向开关的驱动信号相位相差预设角度。
优选地，所述预设角度大于或等于90度，且小于或等于270度。
优选地，所述功率器件是二极管或场效应管或绝缘栅双极型晶体管或氮化钾开关管。
根据本发明实施例提供的一种用于三相电的整流电路装置的实现方法，包括：
利用通过第一电感连接三相电中第一相的第一耦合电感，得到第一交流电源；
利用连接所述第一耦合电感的第一整流拓扑电路，对所述第一交流电源进行整流处理，得到第一路直流输出；
利用通过第二电感连接三相电中第二相的第二耦合电感，得到第二交流电源；
利用连接所述第二耦合电感的第二整流拓扑电路，对所述第二交流电源进行整流处理，得到第二路直流输出；
利用通过第三电感连接三相电中第三相的第三耦合电感，得到第三交流电源；
利用连接所述第三耦合电感的第三整流拓扑电路，对所述第三交流电源进行整流处理，得到第三路直流输出。
本发明实施例提供的技术方案具有如下有益效果：
本发明实施例不需要采用1200V高压功率二极管，功率器件组的电压值是其他同类型整流装置的一半，降低了损耗，提高了装置的效率，大大降低了整流装置的成本，提升了电路的可靠性。
附图说明
图1是现有技术提供的传统Vienna整流电路拓扑图；
图2是本发明实施例提供的用于三相电的整流电路装置框图；
图3是本发明实施例提供的用于三相电的整流电路装置的实现方法流程图；
图4是本发明实施例提供的功率器件为二极管时的三相电整流电路装置电路结构图；
图5a-图5c是本发明实施例提供的多对功率器件组的示意图；
图6a-图6d是本发明实施例提供的双向开关的基本形式示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明，应当理解，以下所说明的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
图2是本发明实施例提供的用于三相电的整流电路装置框图，如图2所示，包括：
第一耦合电感，用于通过第一电感连接三相电中的第一相，得到第一交流电源；
第一整流拓扑电路，连接所述第一耦合电感，用于对所述第一交流电源进行整流处理，得到第一路直流输出；
第二耦合电感，用于通过第二电感连接三相电中的第二相，得到第二交流电源；
第二整流拓扑电路，连接所述第二耦合电感，用于对所述第二交流电源进行整流处理，得到第二路直流输出；
第三耦合电感，用于通过第三电感连接三相电中的第三相，得到第三交流电源；
第三整流拓扑电路，连接所述第三耦合电感，用于对所述第三交流电源进行整流处理，得到第三路直流输出。
进一步地，所述第一整流拓扑电路、所述第二整流拓扑电路、所述第三整流拓扑电路中的每个电路包括：
第一双向开关，其一端连接相应耦合电感的第一绕组；
第一功率器件组，其连接所述第一双向开关的一端；
第二双向开关，其一端连接所述相应耦合电感的第二绕组，其另一端连接所述第一双向开关的另一端；
第二功率器件组，其连接所述第二双向开关的一端；
直流输出电容，其连接所述第一功率器件组和所述第二功率器件组。
进一步地，所述第一整流拓扑电路、所述第二整流拓扑电路、所述第三整流拓扑电路中的每个电路还包括：
第三功率器件组，其连接所述第一双向开关的另一端和所述第二双向开关的另一端。
其中，所述第一功率器件组包括同向串联的两个功率器件，所述第一功率器件组的两个功率器件的连接点连接所述第一双向开关的一端，两端连接所述直流输出电容。
其中，所述第二功率器件组均包括同向串联的两个功率器件，所述第二功率器件组的两个功率器件的连接点连接所述第二双向开关的一端，两端连接所述直流输出电容。
其中，所述第三功率器件组包括同向串联的两个功率器件，所述第三功率器件组的两个功率器件的连接点连接所述第一双向开关的另一端和所述第二双向开关的另一端，两端连接所述直流输出电容。
其中，所述第一整流拓扑电路、所述第二整流拓扑电路、所述第三整流拓扑电路的第三功率器件组以Y型连接的方式相互连接，具体地说，每个整流拓扑电路的第三功率器件组中两个功率器件的连接点互连。
其中，所述第一双向开关和所述第二双向开关的驱动信号相位相差预设角度，该预设角度大于或等于90度，且小于或等于270度，例如180度。
其中，所述功率器件可以采用二极管、场效应管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、氮化钾开关管等。
本发明实施例的装置实现三相整流及功率因数校正，损耗较小、效率较高，成本较低。
图3是本发明实施例提供的用于三相电的整流电路装置的实现方法流程图，该方法应用于一种用于三相电的整流电路装置。
所述装置包括三个耦合电感、三路整流拓扑。每一个耦合电感将三相电中的每一相与每一个整流拓扑的输入端相连；每个整流拓扑中的回流用的功率器件以Y型连接的方式连接在一起。本发明共有三路直流输出。
所述装置包括多对功率器件组(包括但不限于二极管、MOSFET、IGBT、氮化钾开关管等器件)和多个可控双向开关。每一个耦合电感的两个输入端相连，相连后与三相整流装置的一相输入端相连；每一个耦合电感的一个输出端连接到两个同向串联在一起的功率组件及可控双向开关，通过串联在一起的功率器件组成的功率器件组连接到直流输出电容，通过可控双向开关连接到另外两个同向串联在一起的作为回流用途的功率器件组，并且与其他两相的回流用途的功率器件组相连。
所述每个耦合电感对应的两路可控双向开关的驱动信号相位相差预设角度；所述预设角度大于等于90度，且小于等于270度。
如图3所示，所述方法包括：
步骤1：利用通过第一/第二/第三电感连接三相电中第一/第二/第三相的第一/第二/第三耦合电感，得到第一/第二/第三交流电源。
步骤2：利用连接所述第一/第二/第三耦合电感的第一/第二/第三整流拓扑电路，对所述第一/第二/第三交流电源进行整流处理，得到第一/第二/第三路直流输出。
为了给出低成本，高效率，高可靠性的三相整流方案，下面将通过实施例并且结合图4至图6来阐述本发明实施例的具体工作机理，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。在不冲突的情形下，本申请中的实施例及实施例中的特性可以相互的组合。
图4是本发明实施例提供的功率器件为二极管时的三相电整流电路装置电路结构图，如图4所示。
三个两相耦合电感的耦合方式为负耦合，且每个耦合电感对应的两路可控双向开关的驱动信号相位相差预设角度；所述预设角度大于等于90度，且小于等于270度。
该三相整流装置输入端接三相电压源，然后连接一个三相电磁兼容(EMC)电路。输入电能经过三相电对应的三个升压电感La、Lb、Lc和耦合电感Ta、Tb、Tc连接到功率器件组(功率二极管)及双向开关(功率开关管)。在图4中，每一个耦合电感包括两个绕组，每个绕组通过每对二极管或所述其他功率器件组(例如Da1、Da2为一对二极管)连接到每一相的直流输出电容(例如A相的直流输出电容为Ca)；并且每个绕组还通过双向开关(例如Ka1，Ka2)连接到回流用的功率器件组(例如Da5，Da6)并连接到每一相的直流输出电容(例如A相的直流输出电容为Ca)；三路回流用功率器件组(例如A相Da5，Da6；B相Db5，Db6；C相Dc5，Dc6)以Y型连接的方式连接到一起(如图4中的O点)。
在控制方式方面，本转换器可以使用电流连续导通模式(Continuous ConductionMode of Operation，CCM)进行控制，可以实施空间矢量调制(Space Vector Modulation)，还可以采取基于载波的控制，但是本发明不规定必须使用某种控制方式，控制方法不构成对本发明的限制。
图5a-图5c是本发明实施例提供的多对功率器件组的示意图，本发明实施例中的功率器件可以采用图5a所示的二极管；可以采用图5b所示的MOSFET，图5b中MOSFET的源极连接二极管的正极，漏级连接所述二极管的负极；可以采用图5c所示的IGBT，图5c中的IGBT的源极连接二极管的正极，漏级连接所述二极管的负极；也可以采用其他形式的功率器件。
图6a-图6d是本发明实施例提供的双向开关的基本形式示意图，本发明实施例的双向开关形式可以采用图6a-图6d几种形式，也可以采用其他形式的双向开关。其中，图6a采用的双向开关包括源极对接的两个MOSFET，其每个MOSFET的源极连接二极管的正极，漏级连接所述二极管的负极；图6b采用的双向开关包括源极对接的两个IGBT，其每个IGBT的源极连接二极管的正极，漏级连接所述二极管的负极；图6c采用的双向开关包括1个MOSFET和4个二极管；图6d采用的双向开关包括1个IGBT和4个二极管。
综上所述，本发明的实施例具有以下技术效果：
1.多电平变换器通过增加拓扑电路工作时的电平数来降低可控双向开关上的电压值及通过的电流，来达到使用更小耐压等级及低成本的功率器件的目的，本发明实施例属于三电平变换器。
2.本发明实施例中，每相采用两路整流电路的优点是通过增加拓扑中功率开关器件的数目来降低功率开关器件上的电压及通过的电流。功率开关器件上电压、电流的减少，可以有效的减小所需要的冷却物，并且提高整流装置的功率密度。
3.本发明实施例中，共有三路直流输出，所有功率器件组的电压值为每一路直流输出电压，相比其他类似发明大大降低了功率器件组的电压值，可以降低三相整流装置的成本，并且大大加宽了可选的器件规格型号。
4.本发明实施例中，耦合电感的使用，可以使无功元器件以两倍的频率切换工作。由于工作频率的增加，有助于减小无功元器件体积、尺寸和重量，所以与现有技术比较，整流装置的体积大大减小的同时，EMC性能得到了更好的改善。
5.本发明的实施例中公开的电路能够满足低成本、小尺寸和高效率的要求，为应用于更高效率、更小体积的三相整流电路装置提供了一种新的电路结构。
在本说明书中使用了电力电子技术领域内广泛采用的缩略语及概念，但并不因装置被提供具体名称、标签或缩略语而受限于这些对应的装置。本发明适用于可能与这些缩略语及概念相关联的各种***。
尽管上文对本发明进行了详细说明，但是本发明不限于此，本技术领域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原理所作的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于三相电的整流电路装置，包括：
第一耦合电感，用于通过第一电感连接三相电中的第一相，得到第一交流电源；
第一整流拓扑电路，连接所述第一耦合电感，用于对所述第一交流电源进行整流处理，得到第一路直流输出；
第二耦合电感，用于通过第二电感连接三相电中的第二相，得到第二交流电源；
第二整流拓扑电路，连接所述第二耦合电感，用于对所述第二交流电源进行整流处理，得到第二路直流输出；
第三耦合电感，用于通过第三电感连接三相电中的第三相，得到第三交流电源；
第三整流拓扑电路，连接所述第三耦合电感，用于对所述第三交流电源进行整流处理，得到第三路直流输出。
2.根据权利要求1所述的装置，所述第一整流拓扑电路、所述第二整流拓扑电路、所述第三整流拓扑电路中的每个电路包括：
第一双向开关，其一端连接相应耦合电感的第一绕组；
第一功率器件组，其连接所述第一双向开关的一端；
第二双向开关，其一端连接所述相应耦合电感的第二绕组，其另一端连接所述第一双向开关的另一端；
第二功率器件组，其连接所述第二双向开关的一端；
直流输出电容，其连接所述第一功率器件组和所述第二功率器件组。
3.根据权利要求2所述的装置，所述第一功率器件组和所述第二功率器件组均包括同向串联的两个功率器件；
其中，所述第一功率器件组的两个功率器件的连接点连接所述第一双向开关的一端，两端连接所述直流输出电容；
其中，所述第二功率器件组的两个功率器件的连接点连接所述第二双向开关的一端，两端连接所述直流输出电容。
4.根据权利要求2所述的装置，所述第一整流拓扑电路、所述第二整流拓扑电路、所述第三整流拓扑电路中的每个电路还包括：
第三功率器件组，其连接所述第一双向开关的另一端和所述第二双向开关的另一端。
5.根据权利要求4所述的装置，所述第三功率器件组包括同向串联的两个功率器件，其中，所述第三功率器件组的两个功率器件的连接点连接所述第一双向开关的另一端和所述第二双向开关的另一端，两端连接所述直流输出电容。
6.根据权利要求5所述的装置，所述第一整流拓扑电路、所述第二整流拓扑电路、所述第三整流拓扑电路的第三功率器件组以Y型连接的方式相互连接。
7.根据权利要求2-6任意一项所述的装置，所述第一双向开关和所述第二双向开关的驱动信号相位相差预设角度。
8.根据权利要求7所述的装置，所述预设角度大于或等于90度，且小于或等于270度。
9.根据权利要求2-6所述的装置，所述功率器件是二极管或场效应管或绝缘栅双极型晶体管或氮化钾开关管。
10.一种用于三相电的整流电路装置的实现方法，包括：
利用通过第一电感连接三相电中第一相的第一耦合电感，得到第一交流电源；
利用连接所述第一耦合电感的第一整流拓扑电路，对所述第一交流电源进行整流处理，得到第一路直流输出；
利用通过第二电感连接三相电中第二相的第二耦合电感，得到第二交流电源；
利用连接所述第二耦合电感的第二整流拓扑电路，对所述第二交流电源进行整流处理，得到第二路直流输出；
利用通过第三电感连接三相电中第三相的第三耦合电感，得到第三交流电源；
利用连接所述第三耦合电感的第三整流拓扑电路，对所述第三交流电源进行整流处理，得到第三路直流输出。
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