CN112865566B - 一种三开关管单相三电平整流器 - Google Patents

一种三开关管单相三电平整流器 Download PDF

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Abstract

一种三开关管单相三电平整流器，包括3个全控型功率开关管S1、S2、S3，交流电源Ug、电感L1、L2；交流电源Ug一侧与并联电感L1、L2相连，电感L1开关管S1漏极以及D1阳极连接，形成节点a；电感L2与二极管D2阴极以及S2源极，形成节点b；交流电源Ug另一侧与二极管D5阳极以及D6阴极相连，形成节点N；二极管D1、D3阴极、开关管S2漏极以及电容C1正极连接于节点p；二极管D2、D4阳极、开关管S1源极与电容C2负极连接于节点m；二极管D7阳极，D8阴极与***电容C1、C2相连于节点n。本发明的新型单相整流器使用开关管数量少且具有三电平结构，具有控制相对简单和开关管电压应力较低等优点。

Description

一种三开关管单相三电平整流器
技术领域
本发明涉及电力变换、单相有源三电平整流器拓扑，具体是一种基于伪图腾柱式的三开关管单相三电平整流器。
背景技术
传统的两电平整流器已经在工厂应用了数十年，但是它们已被新兴的多电平变换器所取代。在传统两电平整流器中的功率半导体器件通常要承受和整流整个直流母线电压，因此会产生明显的开关损耗。为了改善这种特性并允许使用更高的开关频率，可以采用多电平整流器来构建整流器拓扑。多电平转换器由于有低开关频率，低谐波失真和高功率密度等优点，近年来已广泛应用于各个行业。相同条件下，采用三电平的结构进行设计功率因数校正电路相对于两电平功率因数电路因其电平数加大，可以减小开关管电压应力，降低电磁干扰等优势。
发明内容
本发明提供一种三开关管单相三电平整流器。该整流器在仅使用三个开关管下实现图腾柱式结构和多电平结合，使谐波含量小，开关管电压应力低。具备实现较大的功率并且控制相对简单等优点。
本发明采取的技术方案为：
一种三开关管单相三电平整流器，该整流器包括：
开关管S1、S2、S3，二极管D1～D8，电感L1、L2，电容C1、C2；
开关管S1漏极分别与二极管D1阳极、电感L1一端连接，其连接节点形成节点a；
二极管D2阴极分别与开关管S2源极、电感L2一端连接，其连接节点形成节点b；
电感L1另一端、电感L2另一端均连接交流电源Ug一端；
交流电源Ug另一端分别与二极管D5阳极、二极管D6阴极相连，其连接节点形成节点N；
二极管D1阴极分别与开关管S2漏极、二极管D3阴极、电容C1一端连接，其连接节点形成节点p；
开关管S1源极分别与二极管D2阳极、二极管D4阳极、电容C2另一端连接，其连接节点形成节点m；
电容C1另一端分别与二极管D7阳极、二极管D8阴极、电容C2一端连接，其连接节点形成节点n；
开关管S3漏极分别与二极管D5阴极、二极管D3阳极、二极管D7阴极连接；开关管S3源极分别与二极管D4阴极、二极管D6阳极、二极管D8阳极连接；
负载RL两端分别连接节点p、节点m。
所述二极管D1、D2，开关管S1、S2，电感L1、L2组成伪图腾柱结构。
所述电容C1、C2为串联直流母线***电容。
所述开关管S1、S2、S3为全控型功率器件晶体管IGBT、或者电力场效应管MOSFET；开关管S1、S2、S3均反向并联了二极管。
本发明一种基于伪图腾柱式的三开关管单相三电平整流器，有益效果如下：
1)本发明整流器融合二极管和全控型器件，具备伪图腾柱结构，本发明中应用到双向开关管结构单元，双向开关由二极管D5、D6、D7、D8，开关管S3组成，其主要作用在于实现±0.5Udc电压流通路径。本发明拓扑具有升压、整流、三电平功率因数校正的特点。
2)本发明整流器拓扑具有伪图腾柱单元结构，基于伪图腾柱单元模块可用作三电平模块化的功率单元结构。
3)本发明整流器在单位功率因数校正拓扑结构中，融入了伪图腾柱三电平结构，在整流器拓扑结构中引入了升压过程，用全控器件和不控器件的融合技术，使其在结构上具有模块化。另外,拓扑结构两个电感对应两个桥臂，在一个桥臂发生故障情况下,依然可以实现对后级的功率输出,一定程度降低故障损失,提高单相三电平功率因数校正电路工作可靠性。也减小了开关过程中产生的噪声提高了开关器件的可靠性，延长了功率开关管的使用寿命；
4)本发明整流器提出二极管和全控器件相融合的伪图腾柱三电平结构,该结构具有可靠性高、共模干扰小、工作效率高且控制***设计简单等优点,这样在一定程度上减小开关损耗、能实现较大功率等级。
5)本发明整流器拓扑采用较少的开关管和二极管实现多电平,仅采用三个开关管和八个二极管实现伪图腾柱多电平,较传统的多电平降低成本和电路体积。
6)本发明整流器所提变换器在一个交流输入周期内存在六个工作模态,该拓扑结构六个模态中最多有一个开关管处于导通状态,由于本拓扑结构采用伪图腾柱结构，可实现较高功率等级，且故障状态下任可实现功率输出,在一定程度上提升拓扑的可靠性。
7)本发明提出的一种伪图腾柱式的三开关管单相三电平整流器拓扑，具有能同时实现较大功率和小共模干扰的优势。同时，由于减少了整流器使用开关管数量，使控制相对简单。本发明拓扑直流侧***电容能实现电压的自平衡，不需要额外的增加自平衡电路，进一步简化了电路拓扑结构。
附图说明
图1为本发明主拓扑结构图。
图2为本发明工作模式图一；
图3为本发明工作模式图二；
图4为本发明工作模式图三；
图5为本发明工作模式图四；
图6为本发明工作模式图五；
图7为本发明工作模式图六。
图8为本发明的脉冲分配图。
图9(a)为本发明稳态交流输入电压Ug、交流输入电流ig波形图；
图9(b)为本发明稳态输出电压UaN波形图；
图9(c)为本发明稳态输出电压UbN波形图；
图9(d)为本发明稳态输出电压Udc波形图。
图10为本发明开关管开关脉冲电压Ug1、Ug2、Ug3波形图。
图11(a)为本发明电感L1电流iL1波形图；
图11(b)为本发明电感L2电流iL2波形图。
图12为本发明直流***电容C1、C2的电压UC1、UC2波形图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于伪图腾柱式的三开关管单相三电平整流器，该整流器包括：开关管S1、S2、S3，二极管D1～D8，电感L1、L2，电容C1、C2；
电感L2与二极管D2阴极以及S2源极相连，其连接节点形成节点b；
交流电源Ug另一侧与二极管D5阳极以及D6阴极相连，其连接节点形成节点N；
开关管S2漏极以及电容C1正极相连，其连接节点形成节点p；
二极管D2、D4阳极、开关管S1源极与电容C2负极连接于点m；
二极管D7阳极，D8阴极与***电容C1负极、C2正极相连，其连接节点形成节点n；
开关管S3漏极与二极管D5、D7阴极相连，S3源极与二极管D6、D8阳极相连构成双向开关；
负载RL接在节点p和节点m之间；
所述整流器的左侧二极管D1、D2，开关管S1、S2，电感L1、L2组成伪图腾柱结构。
所述电容C1、C2为串联直流母线***电容。***电容采用两个容值大小相同的电容串联构成，由于串联电容大小相等，直流侧电容分压可得出两个串联电容电压各为直流电压Udc一半，形成母线电压一半的中点，其作用是实现±0.5Udc电平变化。
所述开关管S1、S2、S3为全控型功率器件，包含但不限于绝缘栅型双极晶体管IGBT、电力场效应管MOSFET等。
开关管S1、S2、S3均反向并联了二极管。
当开关管S1、S2换成二极管、和二极管D1、D2换成开关管后，与本发明类似，也能实现伪图腾柱式的三开关管单相三电平整流器。
电路具体参数如下：整流器输入侧电压有效值为220V，频率为50Hz,开关频率为20kHz，直流侧输出电压Udc＝400V，电感L1＝L2＝3mH，直流侧电容C1＝C2＝4700μF。
一种基于伪图腾柱式的三开关管单相三电平整流器，包括以下工作模式：
(1)工作模式一：如图2所示，电路工作在电网电压正半周期，该工作模式下开关管S1导通，二极管D4、D6导通，其余半导体器件均关断；电容C1、C2与负载RL形成回路，并对负载RL供电。交流电源Ug对电感L1充电，电感L1储能，其电流iL1线性增加，电路此时相当于升压电路。该工作模式下电压UaN＝0V，开关管S3漏极-源极电压Uds＝Udc/2。
(2)工作模式二：如图3所示，电路工作在电网电压正半周期，该工作模式下开关管S3导通、S2体二极管导通，二极管D1、D6、D7导通，其余半导体器件均关断；电感L1、L2放电对电容C1充电，电容C2对负载RL供电。当电网电压Ug>Udc/2时，电感L1充电，其电流iL1增大；当电网电压Ug<Udc/2时，电感L1放电，其电流iL1减小。该工作模式下电压UaN＝Udc/2，开关管S1漏极-源极电压Uds＝Udc。
(3)工作模式三：如图4所示，电路工作在电网电压正半周期，该工作模式下开关管S2体二极管导通，二极管D1、D4、D6导通，其余半导体器件均关断；电感L1、L2放电，其电流iL1、iL2减小，对电容C1、C2充电，同时向负载RL供电。该工作模式下电压UaN＝Udc，开关管S1漏极-源极电压Uds＝Udc。
(4)工作模式四：如图5所示，电路工作在电网电压负半周期，该工作模式下开关管S2导通，二极管D3、D5导通，其余半导体器件均关断；电容C1、C2与负载RL形成回路，并对负载RL供电。交流电源Ug对电感L2充电，电感L2储能，其电流iL2线性增加。该工作模式下电压UbN＝0V。
(5)工作模式五：如图6所示，电路工作在电网电压负半周期，该工作模式下开关管S3导通、S1体二极管导通，二极管D2、D5、D8导通，其余半导体器件均关断；电感L1、L2放电对电容C2充电，电容C1对负载RL供电。当电网电压幅值︱Ug︱>Udc/2时，电感L2充电，其电流iL2增大；当电网电压幅值︱Ug︱<Udc/2时，电感L2放电，其电流iL2减小。该工作模式下电压UbN＝-Udc/2，开关管S2漏极-源极电压Uds＝Udc。
(6)工作模式六：如图7所示，电路工作在电网电压负半周期，该工作模式下该模态下，开关管S1体二极管导通，二极管D2、D3、D5导通，其余半导体器件均关断；电感L1、L2放电，其电流iL1、iL2减小，对电容C1、C2充电，同时向负载RL供电。此时，该工作模式下电压UbN＝-Udc，开关管S2漏极-源极电压Uds＝Udc。
根据上文分析，不同开关管状态组合得出6种模态，每种模态对应一个电平，如表1所示。表中“1”代表导通，“0”代表关断。
表1六种模态开关状态组合
Figure BDA0002921512610000051
图8为开关管脉冲信号，表示本发明的调制策略，纵轴为标幺化量，单位为1。其具体实施如下：vc1、vc2、vc3、vc4为四个高频载波信号，频率为20kHz,vref为参考电压。通过载波信号与参考电压比较，得出相应地开关状态。具体策略如下：
(1)当0.5<vref<1时，vref与vc1比较，若vref>vc1，电路工作在工作模式3，开关管S1、S2、S3均不导通，反之，若vref<vC1，电路工作在工作模式2，开关管S3导通S1、S2不导通；
(2)当0<vref<0.5时，vref与vc2比较，若vref>vc2，电路工作在工作模式2，开关管S3导通S1、S2不导通，反之，若vref<vc2，电路工作在工作模式1，开关管S1导通S2、S3不导通；
(3)当-0.5<vref<0时，vref与vc2比较，若vref>vc3，电路工作在工作模式4，开关管S2导通S1、S3不导通，反之，若vref<vc3，电路工作在工作模式5，开关管S3导通S1、S2不导通；
(4)当-1<vref<-0.5时，vref与vc4比较，若vref>vc4，电路工作在工作模式5，开关管S3导通，S1、S2不导通，反之，若vref<vc3，电路工作在工作模式6，开关管S1、S2、S3均不导通。
图9(a)、图9(b)、图9(c)、图9(d)、图10、图11为本发明在负载80Ω时的实验波形。
图9(a)、图9(b)、图9(c)、图9(d)表示本发明稳态时相关波形图。
图9(a)表示本发明稳态交流输入电压Ug波形保持正弦规律变化；交流输入电流ig波形跟随交流输入电压Ug波形，且波形稳定后趋近于正弦波。
图9(b)、图9(c)为本发明稳态输出电压图，表示该拓扑在稳态时实现了三电平波形。
图9(d)表示本发明稳态输出电压Udc波形稳定后保持直流母线电压稳定，即实现了稳定的直流电压输出。
图10为本发明开关管开关脉冲电压Ug1、Ug2、Ug3波形图,纵轴为单位标幺化量，单位为1；表示出输入电压Ug对应的开关脉冲分配信号。
图11(a)、11(b)分别为本发明两电感L1、L2电流iL1、iL2波形图。表示出iL1、iL2波形能够实现稳定，且ig＝iL1+iL2，即iL1、iL2合流后的ig能实现正弦波形。
图11(a)为本发明电感L1电流iL1波形图，表示出电路工作在正半周期时电感L1流过电流，但由于电路工作于0.5Udc和Udc时，开关管S2体二极管导通，故iL1会出现小于0部分。
图11(b)分别为本发明两电感L2电流iL2波形图，同上所述，由于电路工作于-0.5Udc和-Udc时，开关管S1体二极管导通，故iL2会出现小于0部分。
图12为本发明直流***电容C1、C2电压UC1、UC2波形图，表示本发明直流侧***电容电压能够达到自平衡，不需要额外的电压自平衡电路。
综上对仿真结果的分析可知，本发明拓扑基本能实现单位功率因数，且具有较好的稳定性。

Claims (3)

1.一种三开关管单相三电平整流器，其特征在于该整流器包括：
开关管S1、S2、S3，二极管D1～D8，电感L1、L2，电容C1、C2；
开关管S1漏极分别与二极管D1阳极、电感L1一端连接，其连接节点形成节点a；
二极管D2阴极分别与开关管S2源极、电感L2一端连接，其连接节点形成节点b；
电感L1另一端、电感L2另一端均连接交流电源Ug一端；
交流电源Ug另一端分别与二极管D5阳极、二极管D6阴极相连，其连接节点形成节点N；二极管D1阴极分别与开关管S2漏极、二极管D3阴极、电容C1一端连接，其连接节点形成节点p；
开关管S1源极分别与二极管D2阳极、二极管D4阳极、电容C2另一端连接，其连接节点形成节点m；
电容C1另一端分别与二极管D7阳极、二极管D8阴极、电容C2一端连接，其连接节点形成节点n；
开关管S3漏极分别与二极管D5阴极、二极管D3阳极、二极管D7阴极连接；开关管S3源极分别与二极管D4阴极、二极管D6阳极、二极管D8阳极连接；
负载RL两端分别连接节点p、节点m。
2.根据权利要求1所述一种三开关管单相三电平整流器，其特征在于：所述开关管S1、S2、S3为全控型功率器件晶体管IGBT、或者电力场效应管MOSFET；开关管S1、S2、S3均反向并联了二极管。
3.根据权利要求1或2所述一种三开关管单相三电平整流器，其特征在于：包括以下6种工作模式：
(1)工作模式一：电路工作在电网电压正半周期，该工作模式下，开关管S1导通，二极管D4、D6导通，电容C1、C2与负载RL形成回路，并对负载RL供电；交流电源Ug对电感L1充电，电感L1储能，其电流iL1线性增加，电路此时相当于升压电路；该工作模式下电压UaN＝0V，UaN为节点a与节点N之间的电压，开关管S3漏极-源极电压Uds3＝Udc/2，Udc为负载RL两端的电压；
(2)工作模式二：电路工作在电网电压正半周期，该工作模式下开关管S3导通、S2体二极管导通，二极管D1、D6、D7导通，电感L1、L2放电对电容C1充电，电容C2对负载RL供电；当电网电压Ug>Udc/2时，电感L1充电，其电流iL1增大；当电网电压Ug<Udc/2时，电感L1放电，其电流iL1减小；该工作模式下电压UaN＝Udc/2，开关管S1漏极-源极电压Uds1＝Udc；
(3)工作模式三：电路工作在电网电压正半周期，该工作模式下开关管S2体二极管导通，二极管D1、D4、D6导通，电感L1、L2放电，其电流iL1、iL2减小，对电容C1、C2充电，同时向负载RL供电；该工作模式下电压UaN＝Udc，开关管S1漏极-源极电压Uds1＝Udc；
(4)工作模式四：电路工作在电网电压负半周期，该工作模式下开关管S2导通，二极管D3、D5导通，电容C1、C2与负载RL形成回路，并对负载RL供电；交流电源Ug对电感L2充电，电感L2储能，其电流iL2线性增加；该工作模式下电压UbN＝0V，UbN为节点b与节点N之间的电压；
(5)工作模式五：电路工作在电网电压负半周期，该工作模式下开关管S3导通、S1体二极管导通，二极管D2、D5、D8导通，电感L1、L2放电对电容C2充电，电容C1对负载RL供电；当电网电压幅值︱Ug︱>Udc/2时，电感L2充电，其电流iL2增大；当电网电压幅值︱Ug︱<Udc/2时，电感L2放电，其电流iL2减小；该工作模式下电压UbN＝-Udc/2，开关管S2漏极-源极电压Uds2＝Udc；
(6)工作模式六：电路工作在电网电压负半周期，该工作模式下，开关管S1体二极管导通，二极管D2、D3、D5导通，电感L1、L2放电，其电流iL1、iL2减小，对电容C1、C2充电，同时向负载RL供电；此时，该工作模式下电压UbN＝-Udc，开关管S2漏极-源极电压Uds2＝Udc。
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Assignee: Hubei Zhikan Technology Co.,Ltd.

Assignor: CHINA THREE GORGES University

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Denomination of invention: A Three Switch Single Phase Three Level Rectifier

Granted publication date: 20220520

License type: Common License

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