CN112865569A - 一种混合t型桥的单相三电平整流器 - Google Patents

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Abstract

一种混合T型桥的单相三电平整流器，包括两组T型桥，两个***电容C1、C2。其中，两组T型桥的三个桥臂都分别由两个二极管和一组双向功率管构成，第一个T型桥包含二极管D1、D2、D5、D6、D7、D8，功率开关管S1，二极管D5、D6、D7、D8和功率开关管S1组成一组双向功率管。第二个T型桥包含二极管D3、D4，功率开关管S2、S3，功率开关管S2、S3组成一组双向功率管。本发明一种混合T型桥的单相三电平整流器，既减少了电网中的谐波含量，又大大提高了设备的功率因数。

Description

一种混合T型桥的单相三电平整流器
技术领域
本发明涉及一种三电平整流器，具体是一种混合T型桥的单相三电平整流器。
背景技术
随着电力电子技术的快速发展，使得电能变换领域急需寻求新的电能变换器拓扑结构，以此来提高电压等级和功率因数，同时降低电能损耗和硬件成本。传统的两电平整流器是在不控整流电路和滤波电容之间引入一个升压斩波电路。在电网电压小于负载电压时，这种整流器会引起电网电流出现较大的波动，给电网注入了大量的谐波。同时在整流过程中，电网电流无法跟随电压变化，大大的降低了该方式下设备的功率因数。同时因为电力电子器件自身的耐压等级和这种整流器分配到每个电力电子器件上的母线电压值很大的原因，这种传统的两电平整流器不适用于高压、大容量功率应用场合。
发明内容
本发明提供一种混合T型桥的单相三电平整流器，相较于传统的两电平整流器，通过由二极管D5、D6、D7、D8和功率开关管S1构成的双向功率管***到端点a和端点b之间，为电感L1充电构成回路，实现直流侧升压；使得该电路能够适用于高压、大容量的应用场合，同时这种电感电流连续工作的模式，使得电网电流能够跟随电网电压，既减少了电网中的谐波含量，又大大提高了设备的功率因数。
本发明采取的技术方案为：
一种混合T型桥的单相三电平整流器，该整流器包括：
两个T型桥、电容C1、C2；两个T型桥的三个桥臂都分别由两个二极管和一组双向功率管构成；
第一个T型桥包含二极管D1、D2、D5、D6、D7、D8，开关管S1，二极管D5、D6、D7、D8和开关管S1组成一组双向功率管；
第二个T型桥包含二极管D3、D4，开关管S2、S3，开关管S2、S3组成一组双向功率管；连接关系如下：
电感L1另一端分别连接二极管D1阳极、二极管D5阳极、二极管D6阴极、二极管D2阴极，其连接节点构成端点a；
交流电源AC一端分别连接二极管D4阴极、二极管D7阳极、二极管D8阴极、二极管D3阳极、开关管S2的源极，其连接节点构成端点b；
二极管D1阴极分别连接二极管D3阴极、电容C1一端，其连接节点构成端点p；
二极管D2阳极分别连接二极管D4阳极、电容C2另一端，其连接节点构成端点m；
电容C2一端分别连接电容C1另一端、开关管S3的源极，其连接节点构成端点n；
开关管S1漏极分别连接二极管D5阴极、二极管D7阴极；
开关管S1源极分别连接二极管D6阳极、二极管D8阳极；
开关管S2漏极连接开关管S3漏极；
交流电源AC另一端连接电感L1一端；
负载RL两端分别连接电容C1一端、电容C2另一端。
由二极管D5、D6、D7、D8和开关管S1构成的双向功率管，***到端点a和端点b之间，为电感L1充电构成回路，实现直流侧升压。
由开关管S2、S3组成的一组双向功率管，***到端点b和端点n之间，为两个电容C1、C2充电构成回路，实现中点电位平衡。
所述开关管S1、S2为绝缘栅型双极晶体管IGBT、或者集成门极换流晶闸管IGCT、或者电力场效应晶体管MOSFET。
本发明一种混合T型桥的单相三电平整流器，技术效果如下：
1)该混合T型桥的单相三电平整流器可以实现电感电流连续模式，起到功率因数校正的功能，这对减轻电源的电磁干扰起到一定的作用；
2)该混合T型桥的单相三电平整流器，采用功率开关管的不同组合方式实现三电平，即使双向管在故障状态下，电路仍可实现对直流侧的功率输出；
3)该混合T型桥的单相三电平整流器具有功率开关管电压应力低、电力电子器件损耗小、谐波含量少等优点。
附图说明
图1为本发明一种混合T型桥的单相三电平整流器主拓扑结构图。
图2为本发明一种混合T型桥的单相三电平整流器工作模态一示意图。
图3为本发明一种混合T型桥的单相三电平整流器工作模态二示意图。
图4为本发明一种混合T型桥的单相三电平整流器工作模态三示意图。
图5为本发明一种混合T型桥的单相三电平整流器工作模态四示意图。
图6为本发明一种混合T型桥的单相三电平整流器工作模态五示意图。
图7为本发明一种混合T型桥的单相三电平整流器工作模态六示意图。
图8为本发明一种混合T型桥的单相三电平整流器交流电源电压US和交流电源电流iS波形图。
图9为本发明一种混合T型桥的单相三电平整流器的端点a和端点b之间电压Uab波形图。
图10为本发明一种混合T型桥的单相三电平整流器直流侧电压Udc波形图。
图11为本发明一种混合T型桥的单相三电平整流器直流侧两***电容C1、C2上的电压Uc1、Uc2波形图。
具体实施方式
如图1所示，一种混合T型桥的单相三电平整流器，包括两组T型桥，两个***电容C1、C2。其中，两组T型桥的三个桥臂都分别由两个二极管和一组双向功率管构成。第一个T型桥包含二极管D1、D2、D5、D6、D7、D8，功率开关管S1，二极管D5、D6、D7、D8和功率开关管S1组成一组双向功率管。第二个T型桥包含二极管D3、D4，功率开关管S2、S3，功率开关管S2、S3组成一组双向功率管。二极管D1、D5的阳极，二极管D2、D6的阴极和电感L1相连，连接点视为端点a；二极管D3、D7的阳极，二极管D4、D8的阴极、功率开关管S2的源极和交流电源AC的一端相连，连接点视为端点b；二极管D1、D3的阴极和***电容C1的正极相连，连接点视为端点p；功率开关管S3的源极，***电容C1的负极和***电容C2的正极相连，连接点视为端点n；二极管D2、D4的阳极和***电容C2的负极相连，连接点视为端点m；二极管D5、D7的阴极和功率开关管S1的漏极相连，二极管D6、D8的阳极和功率开关管S1的源极相连，功率开关管S2的漏极和功率开关管S3的漏极相连，交流电源AC的另一端与电感L1相连，负载RL连接于端点p、m之间。
US为交流电源电压，iS为交流电源电流，Uab为端点a和端点b之间电压，Udc为直流侧电压，Uc1和Uc2分别为直流侧***电容C1、C2上的电压，***电容C1、C2既稳定了直流侧电压，同时又储存电能并向负载RL提供能量。
线路具体参数如下：交流电源电压的有效值为220V，频率为50Hz，直流侧输出电压Udc＝400V，电感L1＝2mH，***电容C1＝C2＝4700μF，开关频率fs＝20kHz，负载RL＝50Ω。
一种混合T型桥的单相三电平整流器，根据载波层叠脉宽调制策略(Pulse-WidthModulation，PWM)，将整个工频工作周期分为六种工作模态：
工作模态一：如图2所示，工作在交流电源AC的正半周期，二极管D1、D4导通，功率开关管S1、S2、S3断开。电流从交流电源AC出发，经过电感L1、二极管D1、***电容C1、C2、二极管D4，最后回到交流电源AC。在这种工作模态下，端点a和端点b之间电压Uab等于直流侧电压Udc，***电容C1、C2充电，交流电源AC和电感L1一起给负载RL供电，电感电流线性下降；
工作模态二：如图3所示，工作在交流电源AC的正半周期，二极管D1导通，功率开关管S2导通，功率开关管S1、S3断开。电流从交流电源AC出发，经过电感L1、二极管D1、***电容C1、功率开关管S3的体二极管、功率开关管S2，最后回到交流电源AC。在这种工作模态下，端点a和端点b之间电压Uab等于直流侧电压Udc的一半，***电容C1充电，***电容C2放电，如果交流电源电压Us高于Udc/2时，在此状态下，电感L1电流线性上升，如果交流电源电压Us小于Udc/2时，在此状态下，电感L1电流线性下降；
工作模态三：如图4所示，工作在交流电源AC的正半周期，二极管D5、D8导通，功率开关管S1导通，功率开关管S2、S3断开。电流从交流电源AC出发，经过电感L1、二极管D5、功率开关管S1、二极管D8，最后回到交流电源AC。在这种工作模态下，端点a和端点b之间电压Uab等于零，***电容C1、C2放电给负载RL充能，交流电源AC给电感L1充电；
工作模态四：如图5所示，工作在交流电源AC的负半周期，二极管D6、D7导通，功率开关管S1导通，功率开关管S2、S3断开，电流从交流电源AC出发，经过二极管D7、功率开关管S1、二极管D6、电感L1，最后回到交流电源AC。在这种工作模态下，端点a和端点b之间电压Uab等于零，***电容C1、C2放电给负载RL充能，交流电源AC给电感L1充电。
工作模态五：如图6所示，工作在交流电源AC的负半周期，功率开关管S3导通，功率开关管S1、S2断开，电流从交流电源AC出发，经过功率开关管的S2体二极管、功率开关管的S3、***电容C2、二极管D2、电感L1，最后回到交流电源AC。在这种工作模态下，端点a和端点b之间电压Uab等于负的直流侧电压Udc的一半，***电容C1放电，***电容C2充电，如果交流电源电压Us的绝对值高于Udc/2时，在此状态下，电感L1电流线性上升；如果交流电源电压Us的绝对值小于Udc/2时，在此状态下，电感L1电流线性下降；
工作模态六：如图7所示，工作在交流电源AC的负半周期，二极管D2、D3导通，功率开关管S1、S2、S3断开，电流从交流电源AC出发，经过二极管D3、***电容C1、C2、二极管D2、电感L1，最后回到交流电源AC。在这种工作模态下，端点a和端点b之间电压Uab等于负的直流侧电压Udc，***电容C1、C2充电，交流电源AC和电感L1一起给负载RL供电，电感电流线性下降。
图8为本发明一种混合T型桥的单相三电平整流器交流电源电压US和交流电源电流iS波形图，网侧电压与电流同频同相位，也即实现了单位功率因数，证明了拓扑的可行性。
图9为本发明一种混合T型桥的单相三电平整流器端点a和端点b之间电压Uab波形图，符合三电平电路工作特点，与理论分析一致。
图10为本发明一种混合T型桥的单相三电平整流器直流侧电压Udc波形图，直流侧电压稳定在400V左右，证明了拓扑的可行性。
图11为本发明一种混合T型桥的单相三电平整流器直流侧两***电容C1、C2上的电压Uc1、Uc2波形图，两***电容电压波形动态平衡，证明该拓扑有效的实现了中点电位平衡。

Claims (5)

1.一种混合T型桥的单相三电平整流器，其特征在于该整流器包括：
两个T型桥、电容C1、C2；
第一个T型桥包含二极管D1、D2、D5、D6、D7、D8，开关管S1，二极管D5、D6、D7、D8和开关管S1组成一组双向功率管；
第二个T型桥包含二极管D3、D4，开关管S2、S3，开关管S2、S3组成一组双向功率管；
连接关系如下：
电感L1另一端分别连接二极管D1阳极、二极管D5阳极、二极管D6阴极、二极管D2阴极，其连接节点构成端点a；
交流电源AC一端分别连接二极管D4阴极、二极管D7阳极、二极管D8阴极、二极管D3阳极、开关管S2的源极，其连接节点构成端点b；
二极管D1阴极分别连接二极管D3阴极、电容C1一端，其连接节点构成端点p；
二极管D2阳极分别连接二极管D4阳极、电容C2另一端，其连接节点构成端点m；
电容C2一端分别连接电容C1另一端、开关管S3的源极，其连接节点构成端点n；
开关管S1漏极分别连接二极管D5阴极、二极管D7阴极；
开关管S1源极分别连接二极管D6阳极、二极管D8阳极；
开关管S2漏极连接开关管S3漏极；
交流电源AC另一端连接电感L1一端；
负载RL两端分别连接电容C1一端、电容C2另一端。
2.根据权利要球1所述一种混合T型桥的单相三电平整流器，其特征在于：由二极管D5、D6、D7、D8和开关管S1构成的双向功率管，***到端点a和端点b之间，为电感L1充电构成回路，实现直流侧升压。
3.根据权利要球1所述一种混合T型桥的单相三电平整流器，其特征在于：由开关管S2、S3组成的一组双向功率管，***到端点b和端点n之间，为两个电容C1、C2充电构成回路，实现中点电位平衡。
4.根据权利要球1所述一种混合T型桥的单相三电平整流器，其特征在于：所述开关管S1、S2为绝缘栅型双极晶体管IGBT、或者集成门极换流晶闸管IGCT、或者电力场效应晶体管MOSFET。
5.根据权利要球1-4所述任意一种混合T型桥的单相三电平整流器，其特征在于：
根据载波层叠脉宽调制策略，将整个工频工作周期分为六种工作模态：
工作模态一：工作在交流电源AC的正半周期，二极管D1、D4导通，功率开关管S1、S2、S3断开；电流从交流电源AC出发，经过电感L1、二极管D1、***电容C1、C2、二极管D4，最后回到交流电源AC；在这种工作模态下，端点a和端点b之间电压Uab等于直流侧电压Udc，***电容C1、C2充电，交流电源AC和电感L1一起给负载RL供电，电感电流线性下降；
工作模态二：工作在交流电源AC的正半周期，二极管D1导通，功率开关管S2导通，功率开关管S1、S3断开；电流从交流电源AC出发，经过电感L1、二极管D1、***电容C1、功率开关管S3的体二极管、功率开关管S2，最后回到交流电源AC；在这种工作模态下，端点a和端点b之间电压Uab等于直流侧电压Udc的一半，***电容C1充电，***电容C2放电，如果交流电源电压Us高于Udc/2时，在此状态下，电感L1电流线性上升，如果交流电源电压Us小于Udc/2时，在此状态下，电感L1电流线性下降；
工作模态三：工作在交流电源AC的正半周期，二极管D5、D8导通，功率开关管S1导通，功率开关管S2、S3断开；电流从交流电源AC出发，经过电感L1、二极管D5、功率开关管S1、二极管D8，最后回到交流电源AC；在这种工作模态下，端点a和端点b之间电压Uab等于零，***电容C1、C2放电给负载RL充能，交流电源AC给电感L1充电；
工作模态四：工作在交流电源AC的负半周期，二极管D6、D7导通，功率开关管S1导通，功率开关管S2、S3断开，电流从交流电源AC出发，经过二极管D7、功率开关管S1、二极管D6、电感L1，最后回到交流电源AC；在这种工作模态下，端点a和端点b之间电压Uab等于零，***电容C1、C2放电给负载RL充能，交流电源AC给电感L1充电；
工作模态五：工作在交流电源AC的负半周期，功率开关管S3导通，功率开关管S1、S2断开，电流从交流电源AC出发，经过功率开关管的S2体二极管、功率开关管的S3、***电容C2、二极管D2、电感L1，最后回到交流电源AC；在这种工作模态下，端点a和端点b之间电压Uab等于负的直流侧电压Udc的一半，***电容C1放电，***电容C2充电，如果交流电源电压Us的绝对值高于Udc/2时，在此状态下，电感L1电流线性上升；如果交流电源电压Us的绝对值小于Udc/2时，在此状态下，电感L1电流线性下降；
工作模态六：工作在交流电源AC的负半周期，二极管D2、D3导通，功率开关管S1、S2、S3断开，电流从交流电源AC出发，经过二极管D3、***电容C1、C2、二极管D2、电感L1，最后回到交流电源AC；在这种工作模态下，端点a和端点b之间电压Uab等于负的直流侧电压Udc，***电容C1、C2充电，交流电源AC和电感L1一起给负载RL供电，电感电流线性下降。
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