CN101183836A

CN101183836A - 双升压式能馈型pwm整流电路

Info

Publication number: CN101183836A
Application number: CNA2007101355858A
Authority: CN
Inventors: 陈杰; 龚春英; 陈新; 张喻
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2007-11-16
Filing date: 2007-11-16
Publication date: 2008-05-21
Anticipated expiration: 2027-11-16
Also published as: CN100517936C

Abstract

本发明涉及双升压式能馈型PWM整流电路，可工作在AC/DC整流或DC/AC有源逆变能馈模式。由输入电源、两个升压型桥臂电路单元、输出滤波电容和负载电路组成。第一升压型桥臂电路单元由功率开关管、功率二极管和升压电感构成；第二升压型桥臂电路单元由功率开关管、续流二极管和升压电感构成；输出滤波电容和负载电路由两个电容和负载构成。两个升压型桥臂电路单元轮流工作半个电网周期，控制电路根据对输入电流的正、负半周判断，即可选择对应升压型桥臂电路单元工作。该电路能量可以双向流动，无桥臂直通问题，工作可靠性高；每开关周期仅一只功率管高频斩波，损耗小。本整流电路在UPS、航空航天等场合有很好的应用前景。

Description

双升压式能馈型PWM整流电路

技术领域

本发明涉及一种双升压式能馈型PWM整流电路。

背景技术

电力电子产品的广泛应用，对电网造成了严重的谐波。尤其是传统二极管不控整流电路和晶闸管相控型整流电路，功率因数低，输入电流中含有大量的低次谐波，对电网的污染尤为严重。PWM整流技术可以实现网侧电流跟踪电网电压，具有功率因数高、体积小、效率高等诸多优点，在电机驱动、不间断电源(UPS)、高压直流输配电、可再生能源发电等场合得到了广泛的应用，成为电力电子研究的重点和热点之一。传统的PWM整流电路仅工作在AC/DC整流状态，能量只能单向流动，而在轨道交通、大型机床等场合，驱动电机在制动时工作在发电状态，会导致整流电路的直流母线电压飚升。传统的做法是在直流母线上增加能耗电阻，将电机制动产生的能量以热能的形式消耗掉，造成了能源的浪费。近年来，随着人们对环保节能和绿色能源意识的不断增强，能量可以双向流动的PWM整流电路得到了越来越多的关注，尤其是在太阳能、风能等可再生能源发电场合，能馈型PWM整流电路更是不可缺少的组成部分。

传统的能馈型PWM整流电路以桥式拓扑为主，由于开关管直接串联，存在着桥臂直通的隐患，影响了系统的可靠性。另外，传统桥式整流电路，在功率开关管关断的时候，电感电流从开关管的体二极管流通。对MOS型器件而言，提高MOSFET性能的措施往往会导致体二极管性能变差，很难兼顾两者的优化。研究表明，随着开关频率的提高，开关器件体二极管的反向恢复问题趋于严重，反向恢复损耗在变换器总损耗中所占比例大幅增长。而在一些应用场合如航空航天、UPS等对电源可靠性提出了更高的要求，希望能有一种新的高效率、高可靠性的整流电路来替代传统的桥式整流电路。

发明内容

本发明的目的是提供一种新颖的双升压式能馈型PWM整流器，旨在保留传统桥式能馈型PWM整流器能量双向流动的特点，又能克服传统桥式PWM整流电路存在的桥臂直通隐患和开关管体二极管参与工作的缺点。

本发明双升压式能馈型PWM整流电路，包含输入电源v_in、两个升压型桥臂电路单元1、3及输出滤波电容、负载电路4，共有两只功率开关管S₁、S₂，两只功率二极管D₁、D₂、两个升压电感L₁、L₂和两两个输出滤波电容C₁、C₂，它们的电路连接关系如下：输入电源v_in的参考正端与第一升压型桥臂电路单元1中的升压电感L₁和第二升压型桥臂电路单元3中的升压电感L₂的一端连接；第一升压型桥臂电路单元1的功率开关管S₁的漏极和第二升压型桥臂电路单元3的续流二极管D₂的阴极以及输出滤波电容C₁和负载电路单元4的正极性端相连；第一升压型桥臂电路单元1的续流二极管D₁的阳极和第二升压型桥臂电路单元3的功率开关管S₂的源极以及输出滤波电容C₂和负载电路单元4的负极性端相连；输出滤波电容和负载电路4的两个串联电容C₁、C₂的中点与输入电源的地相连；上述第一升压型桥臂电路单元1的升压电感L₁的另一端(即不与输入电源相连的一端)与该单元的功率开关管S₁的源极和功率二极管D₁的阴极相连；第二升压型桥臂电路单元3的升压电感L₂的另一端与该单元的功率开关管S₂的漏极和功率二极管D₂的阳极相连。

在输入电流的正半周，第二升压型桥臂电路单元3工作，第一升压型桥臂电路单元1不工作；而在输入电流的负半周，刚好相反，第一升压型桥臂电路单元1工作，第二升压型桥臂电路单元3不工作。

本发明的双升压式能馈型PWM整流电路中，两个升压型桥臂电路单元根据输入电流的正负情况轮流工作，在每个开关周期内仅有一只功率管高频斩波，且工作过程中无开关管的体二极管参与工作，开关、导通损耗小。本整流电路采用滞环电流控制，具有内在限流、高精度和快速动态响应的优点。本整流器电路结构简单，输出直流母线电压大于输入电源峰值电压最大值的两倍，适合于高压中、大功率应用场合。

附图说明

附图1是本发明的双升压式能馈型PWM整流电路结构示意图。

附图2(a)、图2(b)、图2(c)、图2(d)分别表示本发明双升压式能馈型PWM整流电路工作在整流模式或能馈型模式下不同开关模态的示意图。

附图3是本发明双升压式能馈型PWM整流电路采用的控制框图。

附图4是本发明双升压式能馈型PWM整流电路工作在整流模式下输入电压、输入电流、电感电流以及驱动的波形示意图。

附图5是本发明双升压式能馈型PWM整流电路工作在能馈模式下输入电压、输入电流、电感电流以及驱动的波形示意图。

附图1中的标号名称为：1—第一升压型桥臂电路单元；2—输入电源；3—第二升压型桥臂电路单元；4—输出滤波电容及负载电路。

图1—附图5中的符号及其元件名称为：S₁、S₂——功率开关管，D₁、D₂——功率二极管，L₁、L₂——输入升压电感，C₁、C₂——输出滤波电容，V_C1、V_C2是滤波电容C₁、C₂两端的电压，i_L1、i_L2——输入升压电感L₁、L₂电流波形，v_e—电压环调节器输出电压，i_ref——电流基准，Q、——D触发器输出逻辑，Drv₁、Drv₂——开关管S₁、S₂驱动信号，R_L——负载阻抗，v_in——整流其输入电压，V_o——整流器输出直流母线电压。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明实施例的电路结构及工作原理。

附图1是双升压式能馈型PWM整流电路的结构示意图，其电路组成是，输入电源v_in的参考正端与第一升压型桥臂电路单元1中的升压电感L₁的一端相连，升压电感L₁，的另一端与功率开关管S₁的源极和功率二极管D₁的阴极相连，功率开关管S₁的漏极与输出滤波电容C₁正极和输出负载的正端连接，功率二极管D₁的阳极与输出滤波电容C₂的负极和输出负载的负端连接，输出滤波电容C₁的负极和输出滤波电容C₂的正极与输入电源v_in的参考地连在一起，从而构成了在输入电流负半周的工作电路；输入电源v_in的参考正端与第二升压型桥臂电路单元3升压电感L₂的一端相连，升压电感L₂的另一端与功率开关管S₂的漏极和功率二极管D₂的阳极连接，功率开关管S₂的源极与输出滤波电容C₂的负极和输出负载的负极性端相连，功率二极管D₂的阴极与输出滤波电容C₁的正极和输出负载的正极性端相连，输出滤波电容C₁的负极和输出滤波电容C₂的正极与输入电源v_in的参考地相连，这样构成了整流器在输入电流负半周的工作电路。

附图3是本发明双升压式能馈型PWM整流电路所采用的控制电路框图，采用滞环电流控制技术，与传统半桥能馈型PWM整流控制电路相比，仅增加了一个过零比较器和几个逻辑门电路，控制简单。即基准电压V_ref和输出电压采样值经误差放大器得到的误差电压信号V_e与输入电压的采样值相乘，作为电流环的基准i_ref，基准电流再与电感L₁与电感L₂的采样电流值的和(即输入电流)送入滞环比较器，经滞环比较器产生高频脉冲信号，再经过逻辑电路，最终输出功率开关管S₁、S₂的驱动信号。

附图4和附图5分别给出两个仿真实例。

附图4给出了本发明电路工作在整流模式下，即带能耗型负载时的一些主要波形。仿真参数如下：输入电压220V/50Hz，输出电压750V，输出功率1kW。由输入电压波形v_in和输入电流波形i_in可以看出，输入电流能够很好的跟踪电网电压，整流器工作在单位功率因数下。另外，由两个电感电流的波形i_L1和i_L2以及开关管的驱动波形Drv₁和Drv₂可以看出，两个升压型桥臂单元在电网电压的正负半周轮流工作。

附图5给出了本发明电路工作在能馈模式时(如负载为工作在制动发电时的直流电机)的一些主要波形。电网电压为220V/50Hz，直流母线电压为750V。由网侧电流波形i_in和电压波形v_in可以看出，整流器工作单位功率因数有源逆变下，电流波形和电压波形刚好相差180度。另外，由两个电感电流波形i_L1和i_L2以及开关管的驱动波形Drv₁和Drv₂可以看出，两个升压型桥臂单元在电网电压的正负半周轮流工作。

以上两个仿真实例均达到了预期的效果，验证了本发明提出的主电路和控制电路是正确的、可行的。

工作原理及工作过程

下面以附图1为主，结合附图3来叙述本发明的双升压式能馈型PWM整流电路的具体工作原理和工作模态，对应的电路关键波形见附图4、附图5。

根据输入电压和电流的相位，双升压式能馈型PWM整流电路可以工作在两种不同的模式，当输入电压和输入电流同相位时，电路工作于整流模式，当输入电压和输入电流相位相差180°时，电路工作于有源逆变能馈模式。

A)整流模式

当输入电流大于0，处于正半周时，第二升压型桥臂电路单元3和输入电源v_in以及输出滤波电容和负载电路4工作，第一升压型桥臂电路单元1不工作；而当输入电流小于0，处于负半周时，第一升压型桥臂电路单元1和输入电源v_in以及输出滤波电容和负载电路4工作，第二升压型桥臂电路单元3不工作。此模式下电路有四个工作模态：

1.工作模态I

如附图2(a)所示，输入电压v_in＞0，输入电流等于电感L₂的电流，i_L2＞0，电感L₁的电流i_L1＝0，功率开关管S₂开通，D₂截止，电流i_L2线性上升。

2.工作模态II

如附图2(b)所示，输入电压v_in＞0，输入电流等于电感L₂的电流，i_L2＞0，电感L₁的电流i_L1＝0，功率开关管S₂关闭，D₂导通，电流i_L2线性下降。

3.工作模态III

如附图2(c)所示，输入电压v_in＜0，输入电流等于电感L₁的电流，i_L1＜0，电感L₂的电流i_L2＝0，功率开关管S₁开通，D₁截止，电流i_L1线性上升。

4.工作模态IV

如附图2(d)所示，输入电压v_in＜0，输入电流等于电感L₁的电流，i_L1＜0，电感L₂的电流i_L2＝0，功率开关管S₁关闭，D₁导通，电流i_L1线性下降。

B)能馈模式

当输入电流大于0，处于正半周时，第二升压型桥臂电路单元3和输入电源v_in以及输出滤波电容和负载电路4工作，第一升压型桥臂电路单元1不工作；而当输出电流小于0，处于负半周时，第一升压型桥臂电路单元1和输入电源v_in以及输出滤波电容和负载电路4工作，第二升压型桥臂电路单元3不工作。此模式下电路也有四个工作模态：

1.工作模态I

如附图2(a)所示，输入电压v_in＜0，输入电流等于电感L₂的电流，i_L2＞0，电感L₁的电流i_L1＝0，功率开关管S₂开通，D₂截止，电流i_L2线性上升。

2.工作模态II

如附图2(b)所示，输入电压v_in＜0，输入电流等于电感L₂的电流，i_L2＞0，电感L₁的电流i_L1＝0，功率开关管S₂关闭，D₂导通，电流i_L2线性下降。

3.工作模态III

如附图2(c)所示，输出电压v_in＞0，输入电流等于电感L₁的电流，i_L1＜0，电感L₂的电流i_L2＝0，功率开关管S₁开通，D₁截止，电流i_L1线性上升。

4.工作模态IV

如附图2(d)所示，输出电压v_in＞0，输入电流等于电感L₁的电流，i_L1＜0，电感L₂的电流i_L2＝0，功率开关管S₁关闭，D₁导通，电流i_L1线性下降。

由以上描述可知，本发明的双升压式能馈型PWM整流电路具有如下优点：

1.能量可以双向流动；

2.无桥臂直通、无开关管体二极管反向恢复问题点；

3.PWM调制电路单元采用滞环电流控制方案，逆变器动态性能佳；

4.整个电路结构和控制方案均较为简单，易于实现。

Claims

一种双升压式能馈型PWM整流电路，其特征在于：包含输入电源v_in、两个升压型桥臂电路单元及输出滤波电容、负载电路，共有两只功率开关管S₁、S₂，两只功率二极管D₁、D₂、两个升压电感L₁、L₂和两个输出滤波电容C₁、C₂，它们的电路连接关系如下：输入电源v_in的参考正端与第一升压型桥臂电路单元(1)中的升压电感L₁和第二升压型桥臂电路单元(3)中的升压电感L₂的一端连接；第一升压型桥臂电路单元(1)的功率开关管S₁的漏极和第二升压型桥臂电路单元(3)的续流二极管D₂的阴极以及输出滤波电容C₁和负载电路(4)的正极性端相连；第一升压型桥臂电路单元(1)的续流二极管D₁的阳极和第二升压型桥臂电路单元(3)的功率开关管S₂的源极以及输出滤波电容C₂和负载电路单元(4)的负极性端相连；输出滤波电容和负载电路4的两个串联电容C₁、C₂的中点与输入电源的地相连；上述第一升压型桥臂电路单元(1)中的升压电感L₁的另一端与该单元的功率开关管S₁的源极和功率二极管D₁的阴极相连；第二升压型桥臂电路单元(3)的升压电感L₂的另一端与该单元的功率开关管S₂的漏极和功率二极管D₂的阳极相连；输出滤波电容C₁的负极和输出滤波电容C₂的正极与输入电源v_in参考地相连。