CN203883694U - 一种高性能三电平中点钳位pwm脉冲整流电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高性能三电平中点钳位PWM脉冲整流电路，包括网侧电源、网侧限流电感、网侧漏电阻、第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管、第五功率开关管、第六功率开关管、第七功率开关管、第八功率开关管、第一钳位二极管、第二钳位二极管、第三钳位二极管、第四钳位二极管、第一电容、第二电容和负载。本实用新型基于三电平中点钳位的高性能PWM脉冲整流电路采用多个功率开关管组合，回路中每个开关所承受的电压较低，输出电压和电流中的谐波含量较少，有助于延长整流器的使用寿命；可使整流器在工作在功率因数近似于1，动态响应快，特别适用于大功率电路中。

Description

一种高性能三电平中点钳位PWM脉冲整流电路

技术领域

本实用新型涉及一种整流器主电路，尤其涉及一种高性能三电平中点钳位PWM脉冲整流电路。

背景技术

脉冲整流器是由晶闸管构成的传统的相控桥式电路不仅可以实现交流电到直流电的转换，而且通过适当的控制可以实现由直流电到交流电的转换。伴随着电力电子科技的进步和技术的革新，功率半导体开关器件的性能也有了大幅度的提高，最初的不可控型(电力二极管)及半控型(普通晶闸管)已经很难满足现在的工业技术需求，所以全控型功率开关(双极型晶体管、门极关断晶闸管等)开始广泛运用。而且常规的整流电路因为采用的是二极管不可控整流电路和普通晶闸管整流电路，所以会对电网中注入大量的谐波，会造成严重的电网污染，而且解决这个问题最根本的方法就是实现网侧电流的正弦化且运行于单位功率因数，为了解决这个问题脉冲整流应运而生。

脉冲整流器是一种以脉宽调制(PWM)方式工作的整流器，又称为四象限变流器，脉冲整流器与传统的相控交流器具有实现能量双向流动，调节电网功率因数、谐波含量低、减少对电网的“污染”，体积小、重量轻及动态响应快等优点。对于直流电机的调速方式，改变直流电动机的电枢电压是最经济合理的调速方法，在交直***中，通常采用传统的相控方式来改变晶闸管整流输出的直流电压，脉冲整流器网侧呈现出受控电流源特性，因而这一特性使脉冲整流器及其控制技术获得进一步的发展和拓宽，并取得了更为广泛和更为重要的应用，如静止无功补偿、有源电力滤波、统一潮流控制、新型UPS、超导储能等。

目前我国生产的大功率交流传动牵引变流器均采用PWM整流器，其拓扑结构大部分为两电平，经过几十年的发展传统的两电平脉冲整流器已经相当成熟，但是在大功率的应用中有很多的问题难以解决，如需要昂贵且笨重的变压器、较高的开关损耗及功率开关难以达到规定的耐压要求等，且为了适应高电压的要求，需采用器件串联，因而需要复杂的动态均压电路，均压电路使***复杂化、损耗增加、效率下降，同时两电平脉冲整流器交流侧电压总在两电平上切换，当开关频率不高时，将导致谐波含量相对较大。

实用新型内容

本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种高性能三电平中点钳位PWM脉冲整流电路。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：

一种高性能三电平中点钳位PWM脉冲整流电路，包括网侧电源、网侧限流电感、网侧漏电阻、第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管、第五功率开关管、第六功率开关管、第七功率开关管、第八功率开关管、第一钳位二极管、第二钳位二极管、第三钳位二极管、第四钳位二极管、第一电容、第二电容和负载，所述网侧电源的正极与所述网侧限流电感的第一端连接，所述网侧限流电感的第二端与所述网侧漏电阻的第一端连接，所述网侧漏电阻的第二端分别与所述第二功率开关管的正极端和所述第三功率开关管的负极端连接，所述第二功率开关管的负极端分别与所述第一功率开关管的正极端和所述第一钳位二极管的负极连接，所述第一功率开关管的负极端分别与所述第五功率开关管的负极端、所述第一电容的第一端和所述负载的第一端连接，所述第五功率开关管的正极端分别与所述第六功率开关管的负极端和所述第三钳位二极管的负极连接，所述第三功率开关管的正极端分别与所述第四功率开关管的负极端和所述第二钳位二极管的正极连接，所述第一钳位二极管的正极分别与所述第二钳位二极管的负极、所述第三钳位二极管的正极和所述第四钳位二极管的负极连接，所述第四功率开关管的正极端分别与所述第八功率开关管的正极端、所述第二电容的第一端和所述负载的第二端连接，所述第八功率开关管的负极端分别与所述第七功率开关管的正极端和所述第四钳位二极管的正极连接，所述第七功率开关管的负极端分别与所述第六功率开关管的正极端和所述网侧电源的负极连接，所述第一电容的第二端与所述第二电容的第二端连接。

脉冲整流器电路每个桥臂上使用的绝缘栅双极型晶体管的个数是两电平的两倍，因此它的每个回路中每个开关管所承受的电压只有两电平的一半，从而增加了功率开关管的使用寿命，而且三电平脉冲整流器能产生五种电平的线电压，在相同开关频率及控制方式下，其输出电压和电流中的谐波含量远小于传统的两电平脉冲整流器。

具体地，所述第一功率开关管至所述第八功率开关管均由绝缘栅双极型晶体管和二极管组成，所述绝缘栅双极型晶体管的第一源极与所述二极管的负极连接组成所述功率开关管的负极端，所述绝缘栅双极型晶体管的第二源极与所述二极管的正极连接组成所述功率开关管的正极端。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型高性能三电平中点钳位PWM脉冲整流电路采用多个功率开关管组合，回路中每个开关所承受的电压较低，输出电压和电流中的谐波含量较少，有助于延长整流器的使用寿命；可使整流器在工作在功率因数近似于1，动态响应快，特别适用于大功率电路中。

附图说明

图1是本实用新型一种高性能三电平中点钳位PWM脉冲整流电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

如图1所示，本实用新型高性能三电平中点钳位PWM脉冲整流电路，包括网侧电源u_N、网侧限流电感L_N、网侧漏电阻R_N、第一功率开关管T_a1、第二功率开关管T_a2、第三功率开关管T_a3、第四功率开关管T_a4、第五功率开关管T_b1、第六功率开关管T_b2、第七功率开关管T_b3、第八功率开关管T_b4、第一钳位二极管D_a1、第二钳位二极管D_a2、第三钳位二极管D_b1、第四钳位二极管D_b2、第一电容C₁、第二电容C₂和负载，网侧电源u_N的正极与网侧限流电感L_N的第一端连接，网侧限流电感L_N的第二端与网侧漏电阻R_N的第一端连接，网侧漏电阻R_N的第二端分别与第二功率开关管T_a2的正极端和第三功率开关管T_a3的负极端连接，第二功率开关管T_a2的负极端分别与第一功率开关管T_a1的正极端和第一钳位二极管D_a1的负极连接，第一功率开关管T_a1的负极端分别与第四功率开关管T_b1的负极端、第一电容C₁的第一端和负载的第一端连接，第四功率开关管T_b1的正极端分别与第六功率开关管T_b2的负极端和第三钳位二极管D_b1的负极连接，第三功率开关管T_a3的正极端分别与第四功率开关管T_a4的负极端和第二钳位二极管D_a2的正极连接，第一钳位二极管D_a1的正极分别与第二钳位二极管D_a2的负极、第三钳位二极管D_b1的正极和第四钳位二极管D_b2的负极连接，第四功率开关管T_a4的正极端分别与第八功率开关管T_b4的正极端、第二电容C₂的第一端和负载的第二端连接，第八功率开关管T_b4的负极端分别与第七功率开关管T_b3的正极端和第四钳位二极管D_b2的正极连接，第七功率开关管T_b3的负极端分别与第六功率开关管T_b2的正极端和网侧电源u_N的负极连接，第一电容C₁的第二端与第二电容C₂的第二端连接；第一功率开关管T_a1至第八功率开关管T_b4均由绝缘栅双极型晶体管和二极管组成，绝缘栅双极型晶体管的第一源极与二极管的负极连接组成功率开关管的负极端，绝缘栅双极型晶体管的第二源极与二极管的正极连接组成功率开关管的正极端。

本实用新型一种高性能三电平中点钳位PWM脉冲整流电路的工作原理如下：

网侧限流电感L_N的电感值为5mH，网侧漏电阻R_N的阻值为50Ω，第一电容C₁的电容值为3300uF，第二电容C₂的电容值为3000uF，绝缘栅双极型晶体管的型号为G30P120N，钳位二极管的型号为IN5391。

该电路采用8个绝缘栅双极型晶体管和二极管反并联构成两组8个功率开关管，并且这两组功率开关管带4个钳位二极管来防止第一电容C₁或第二电容C₂因开关操作而发生直通。同时本实用新型具有以下优点：

1、每一个功率开关管上承受的电压峰值只有二电平整流器的1/2，比较适用于高电压、大容量(功率)的应用场合；

2、由于三电平整流器每个桥臂有3个开关状态，每个开关状态对应不同的输出电压，使得三电平整流器在开关频率不是很高的情况下也能够保证较好的正弦波形输入电流；

3、三电平整流器输入侧电流波形即使在开关频率较低时也能保证一定的正弦度，在同样的开关频率及控制方式下，它的网侧电流谐波总畸变率(THD)亦远小于二电平整流器。

本实用新型高性能三电平中点钳位PWM脉冲整流电路具有九种工作模式，如下所示：

工作模式1：T_a1、T_a2、T_b1和T_b2导通，T_a3、T_a4、T_b3和T_b4关断，则牵引绕组向L_N充电，L_N存储能量，正向网侧电流幅值增大，C₁和C₂通过负载电流放电。

工作模式2：T_a1、T_a2、T_b2和T_b3导通，T_a3、T_a4、T_b1和T_b4关断，则正向网侧电流增大(或减小)，正向网侧电流对C₁进行充电，而C₂通过负载电流放电。

工作模式3：T_a1、T_a2、T_b3和T_b4导通，T_a3、T_a4、T_b1和T_b2关断，则正向网测电流幅值减小，正向网侧对C₁和C₂充电。

工作模式：T_a2、T_a3、T_b1和T_b2导通，T_a1、T_a4、T_b3和T_b4关断，则反向网侧电流增大(或减小)，反向网侧电流对C₁进行充电，而C₂通过负载电流放电。

工作模式5：T_a2、T_a3、T_b2和T_b3导通，T_a1、T_a4、T_b1和T_b4关断，则正向网侧电流幅值增大，C₁和C₂通过负载电流放电。

工作模式6：T_a2、T_a3、T_b3和T_b4导通，T_a1、T_a4、T_b1和T_b2关断，则正向网侧电流幅值增大(或减小)，正向网侧电流对C₂进行充电，而C₁通过负载电流放电。

工作模式7：T_a3、T_a4、T_b1和T_b2导通，T_a1、T_a2、T_b3和T_b4关断，则反向网侧电流幅值减小，反向网侧电流对C₁和C₂进行充电。

工作模式8：T_a3、T_a4、T_b2和T_b3导通，T_a1、T_a2、T_b1和T_b4关断，则反向网侧电流幅值增大(或减小)，反向网侧电流对C₂进行充电，而C₁通过负载电流放电。

工作模式9：T_a3、T_a4、T_b3和T_b4导通，T_a1、T_a2、T_b1和T_b2关断，则正向网侧电流幅值增大，C₁和C₂通过负载电流放电。

Claims (2)

1.一种高性能三电平中点钳位PWM脉冲整流电路，其特征在于：包括网侧电源、网侧限流电感、网侧漏电阻、第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管、第五功率开关管、第六功率开关管、第七功率开关管、第八功率开关管、第一钳位二极管、第二钳位二极管、第三钳位二极管、第四钳位二极管、第一电容、第二电容和负载，所述网侧电源的正极与所述网侧限流电感的第一端连接，所述网侧限流电感的第二端与所述网侧漏电阻的第一端连接，所述网侧漏电阻的第二端分别与所述第二功率开关管的正极端和所述第三功率开关管的负极端连接，所述第二功率开关管的负极端分别与所述第一功率开关管的正极端和所述第一钳位二极管的负极连接，所述第一功率开关管的负极端分别与所述第五功率开关管的负极端、所述第一电容的第一端和所述负载的第一端连接，所述第五功率开关管的正极端分别与所述第六功率开关管的负极端和所述第三钳位二极管的负极连接，所述第三功率开关管的正极端分别与所述第四功率开关管的负极端和所述第二钳位二极管的正极连接，所述第一钳位二极管的正极分别与所述第二钳位二极管的负极、所述第三钳位二极管的正极和所述第四钳位二极管的负极连接，所述第四功率开关管的正极端分别与所述第八功率开关管的正极端、所述第二电容的第一端和所述负载的第二端连接，所述第八功率开关管的负极端分别与所述第七功率开关管的正极端和所述第四钳位二极管的正极连接，所述第七功率开关管的负极端分别与所述第六功率开关管的正极端和所述网侧电源的负极连接，所述第一电容的第二端与所述第二电容的第二端连接。

2.根据权利要求1所述的高性能三电平中点钳位PWM脉冲整流电路，其特征在于：所述第一功率开关管至所述第八功率开关管均由绝缘栅双极型晶体管和二极管组成，所述绝缘栅双极型晶体管的第一源极与所述二极管的负极连接组成所述功率开关管的负极端，所述绝缘栅双极型晶体管的第二源极与所述二极管的正极连接组成所述功率开关管的正极端。