CN101895214A - 一种三相同步整流电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种三相同步整流电路，应用于四象限变频器，具有直流端及交流端，其包括至少3个双管封装的绝缘栅双极型晶体管及与每一个绝缘栅双极型晶体管反并联连接的二极管。至少3个双管封装的绝缘栅双极型晶体管并联连接，构成三相桥式电路。三相同步整流电路与电网之间还连接有控制器，用于根据电网输入的三相交流电压的相位，控制每一个绝缘栅双极型晶体管的导通。当四象限变频器中的输入电压大于直流母线电压时，三相同步整流电路处于整流状态；当四象限变频器中的直流母线电压大于输入电压时，三相同步整流电路处于能量回馈状态。本发明通过相位控制整流电路，成本低，开关损耗小，抗干扰能力。另外，还提供一种同步整流电路的控制方法。

Description

一种三相同步整流电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及电子电力领域，尤其涉及一种应用于四象限变频器中的三相同步整流电路及这种同步整流电路的控制方法。

背景技术

随着国家的节能减排政策越来越明朗，越来越深入，作为大耗电的设备，电机采用变频器调速的比例也越来越高。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，其最主要的特点是具有高效率的驱动性能及良好的控制特性。简单地说，变频器首先把交流电源的电能转换为直流电，再把直流电变化为频率可变的交流电来驱动负载，如：通过改变电机输入电压的频率来改变电机转速。但是，传统的通用变频器，例如图1，其整流电路11是利用二极管的单向导电性，将交流电变换为直流电，实现整流。但由于二极管是不可控元件，因此，二极管整流是不可控整流，只能实现电能从电网向电机侧流动的单向传输，对很多周期性工作的位能性负载(如电梯、抽油机等)，或在电机减速过程中产生的惯性能量，常采用能耗制动的方式来消耗电机的再生能量，而不能使这部分能量得到有效利用。

而另外一种更高端的产品PWM整流/回馈变频器，例如：中国发明专利申请公开说明书中公开号“CN1949645”名称为“能量回馈功率单元”公开的一种能量回馈功率单元，用于功率单元串联型高压变频器、实现四象限运行能力，其控制电路包括：由三相电容器和三相电抗器组成的滤波电路、由IGBT构成的三相同步整流桥、由电容组成的直流滤波电路、由IGBT构成的单元逆变桥，以及分别对三相同步整流桥和单元逆变桥的工作状态进行控制的同步整流控制电路和单元逆变控制电路。虽能实现完美的能量回馈功能，但存在系统成本高、干扰大等不足，目前只应用于要求高性能，对成本没有太多要求的高端行业，但在要求低成本的通用变频器行业还缺乏竞争力。

发明内容

有鉴于此，须提供一种成本低，损耗小，电磁干扰小，能实现能量回馈的三相同步整流电路。

另外，还需提供一种成本低，控制简单，适用范围广的同步整流电路的控制方法。

一种三相同步整流电路，应用于四象限变频器，具有直流端及交流端，所述三相同步整流电路包括至少3个双管封装的绝缘栅双极型晶体管以及与每一个绝缘栅双极型晶体管反并联连接的二极管；所述至少3个双管封装的绝缘栅双极型晶体管并联连接，构成三相桥式电路；所述三相同步整流电路与电网之间还连接有控制器，用于根据电网输入的三相交流电压的相位，控制每一个绝缘栅双极型晶体管的导通；当四象限变频器中的输入电压大于直流母线电压时，所述三相同步整流电路处于整流状态；当四象限变频器中的直流母线电压大于输入电压时，所述三相同步整流电路处于能量回馈状态。

上述的三相同步整流电路，其中：所述三相同步整流电路的直流端还串联有直流电抗器，用于限制三相同步整流电路中流过绝缘栅双极型晶体管的电流突变。

上述的三相同步整流电路，其中：所述三相同步整流电路的交流端还串联有交流电抗器，用于限制三相同步整流电路中流过绝缘栅双极型晶体管的电流突变，并防止换相时直通和电网浪涌电压对绝缘栅双极型晶体管的影响。

上述的三相同步整流电路，其中：所述三相桥式电路由3个双管封装的绝缘栅双极型晶体管构成，一个双管对应一相；每一相均包括第一绝缘栅双极型晶体管以及第二绝缘栅双极型晶体管；所述第一绝缘栅双极型晶体管的集电极与直流母线的正极相连，作为三相同步整流电路的直流端；所述第二绝缘栅双极型晶体管的发射极与直流母线的负极相连；所述第一绝缘栅双极型晶体管的发射极与第二绝缘栅双极型晶体管的集电极相连接，公共点作为三相同步整流电路的交流端。

上述的三相同步整流电路，其中：所述第一绝缘栅双极型晶体管并联连接有第一二极管，所述第一二极管的阳极与所述第一绝缘栅双极型晶体管的发射极相连，其阴极与所述第一绝缘栅双极型晶体管的集电极相连；所述第二绝缘栅双极型晶体管并联连接有第二二极管，所述第二二极管的阳极与所述第二绝缘栅双极型晶体管的发射极相连，其阴极与所述第二绝缘栅双极型晶体管的集电极、第一二极管的阳极相连。

上述的三相同步整流电路，其中：每一个绝缘栅双极型晶体管的开通相位角为120°或小于120°。

上述的三相同步整流电路，其中：所述控制器包括三相电压检测电路，相位角计算及相序辨别模块，设定模块，计算模块，以及传送控制模块。三相电压检测电路用于降压，并把电网输入的三相交流电压转换为二路线电压。相位角计算及相序辨别模块用于计算二路线电压的相位并还原电网三相交流电压的初始相位。设定模块用于设定开通相位角。计算模块用于根据所还原的初始相位以及所述设定模块的设定，计算每一个绝缘栅双极型晶体管的驱动相位角。传送控制模块用于根据所述计算模块的计算结果，传送控制信号给每一个绝缘栅双极型晶体管。

一种同步整流电路的控制方法，包括以下步骤：接收电网三相交流电压信号；降压并转换电网三相交流电压信号为二路线电压信号；计算二路线电压信号的相位并还原电网三相交流电压信号的初始相位；藉由一个预设的开通相位角计算每一个绝缘栅双极型晶体管的驱动相位角；根据计算结果，输出控制信号给每一个绝缘栅双极型晶体管。

上述的同步整流电路的控制方法，其中：所述预设的开通相位角小于120°。

本发明的三相同步整流电路，根据电网输入的三相交流电压的相位，控制每一个绝缘栅双极型晶体管的导通，成本低，开关损耗小，抗干扰能力强，且能实现能量的回馈。而应用在三相同步整流电路的这种同步整流电路的控制方法，通过相位控制三相同步整流电路，成本低，控制简单，适用范围广，与传统PWM控制方式相比，开关损耗小，且电磁干扰小。

附图说明

为了易于说明，本发明由下述的较佳实施例及附图作以详细描述。

图1为一种传统的通用变频器的电路图；

图2a为本发明第一实施方式的三相同步整流电路的电路图；

图2b为图2a的等效电路原理图；

图2c为本发明控制器的模块图；

图3为本发明三相交流电压波形图、绝缘栅双极型晶体管的导通相位角示意图；

图4为本发明第二实施方式的三相同步整流电路的电路图；

图5为本发明第三实施方式的三相同步整流电路的电路图；

图6为本发明第四实施方式的三相同步整流电路的电路图；

图7为本发明同步整流电路的控制方法流程图。

具体实施方式

图2a所示为本发明第一实施方式的三相同步整流电路21的电路图，同时参阅图2b，为图2a的等效电路原理图。该三相同步整流电路21应用于四象限变频器，其具有直流端及交流端。三相同步整流电路21包括3个双管封装的绝缘栅双极型晶体管以及与每一个绝缘栅双极型晶体管反并联连接的二极管(参阅图2b)。三相同步整流电路21与电网(图中未示出)之间还连接有控制器(参阅图2c)，用于根据电网输入的三相交流电压的相位，控制每一个绝缘栅双极型晶体管的导通。当四象限变频器中的输入电压大于直流母线电压时，三相同步整流电路21处于整流状态，二极管向母线提供能量。当四象限变频器中的直流母线电压大于输入电压时，三相同步整流电路21处于能量回馈状态，绝缘栅双极型晶体管向交流端回馈能量。

本发明实施方式中，3个双管封装的绝缘栅双极型晶体管并联连接，构成三相桥式电路。详细说，6个绝缘栅双极型晶体管IGBT_2n(n＝1，2，3，…，6)构成三相桥式电路，一个双管对应一相。每一相均包括第一绝缘栅双极型晶体管IGBT₂₁、IGBT₂₃、IGBT₂₅以及第二绝缘栅双极型晶体管IGBT₂₂、IGBT₂₄、IGBT₂₆。第一绝缘栅双极型晶体管IGBT₂₁、IGBT₂₃、IGBT₂₅的集电极与直流母线的正极相连，作为三相同步整流电路21的直流端。第二绝缘栅双极型晶体管IGBT₂₂、IGBT₂₄、IGBT₂₆的发射极与直流母线的负极相连。第一绝缘栅双极型晶体管IGBT₂₁、IGBT₂₃、IGBT₂₅的发射极与第二绝缘栅双极型晶体管IGBT₂₂、IGBT₂₄、IGBT₂₆的集电极相连接，公共点作为三相同步整流电路21的交流端。

又，第一绝缘栅双极型晶体管IGBT₂₁、IGBT₂₃、IGBT₂₅并联连接有第一二极管D21、D23、D25。第一二极管D21、D23、D25的阳极与第一绝缘栅双极型晶体管IGBT₂₁、IGBT₂₃、IGBT₂₅的发射极相连，其阴极与第一绝缘栅双极型晶体管IGBT₂₁、IGBT₂₃、IGBT₂₅的集电极相连。第二绝缘栅双极型晶体管IGBT₂₂、IGBT₂₄、IGBT₂₆并联连接有第二二极管D22、D24、D26。第二二极管D22、D24、D26的阳极与第二绝缘栅双极型晶体管IGBT₂₂、IGBT₂₄、IGBT₂₆的发射极相连，其阴极与第二绝缘栅双极型晶体管IGBT₂₂、IGBT₂₄、IGBT₂₆的集电极、第一二极管D21、D23、D25的阳极相连。即，第一二极管D21、D23、D25与第一绝缘栅双极型晶体管IGBT₂₁、IGBT₂₃、IGBT₂₅反并联。第二二极管D22、D24、D26与第二绝缘栅双极型晶体管IIGBT₂₂、IGBT₂₄、IGBT₂₆反并联。

本发明其它实施方式中，三相同步整流电路可以包括3个以上双管封装的绝缘栅双极型晶体管，这里不再赘述。

图2c为本发明控制器22的模块图。控制器22包括三相电压检测电路221，相位角计算及相序辨别模块222，设定模块223，计算模块224以及传送控制模块225。其中，三相电压检测电路221为外围电路。相位角计算及相序辨别模块222，设定模块223，计算模块224以及传送控制模块225由软件控制。

三相电压检测电路221用于降压，并把电网输入的三相交流电压Ur、Us、Ut转换为二路线电压Urs、Ust。即，把输入的较高的电网电压，三相交流电压Ur、Us、Ut，转换为可接受的低压信号，同时，把三相交流电压转换为二路线电压Urs、Ust。

相位角计算及相序辨别模块222用于计算二路线电压的相位Urs、Ust并还原电网三相交流电压Ur、Us、Ut的初始相位θr、θs、θt。设定模块223用于设定开通相位角β。本发明实施方式中，开通相位角β是变量，用户可以根据需要设定，例如，为了避免绝缘栅双极型晶体管的直通，可以设定导通相位角β小于120°。计算模块224用于根据所还原的初始相位以及设定模块223的设定，计算每一个绝缘栅双极型晶体管的驱动相位角。计算式为：

θ1＝θr0+90-β/2～θr0+90+β/2；

θ2＝θt0+270-β/2～θt0+270+β/2；

θ3＝θs0+90-β/2～θs0+90+β/2；

θ4＝θr0+270-β/2～θr0+270+β/2；

θ5＝θt0+90-β/2～θrt+90+β/2；

θ6＝θs0+270-β/2～θs0+270+β/2。

传送控制模块225用于根据计算模块224的计算结果，传送控制信号Sθ₁、Sθ₂、Sθ₃、Sθ₄、Sθ₅、Sθ₆给每一个绝缘栅双极型晶体管，控制绝缘栅双极型晶体管的顺序导通。

参阅图3，假设输入的三相交流电压R、S、T按正弦波规律变化，且幅值相等，相位互差120度，则绝缘栅双极型晶体管IGBT₂₁的开通相位为R相电压相位角的30度～150度，绝缘栅双极型晶体管IGBT₂₆的开通相位为T相电压相位角的-150度～-30度(或描述为210度～330度)，绝缘栅双极型晶体管IGBT₂₃的开通相位为S相电压相位角的30度～150度，绝缘栅双极型晶体管IGBT₂₂的开通相位为R相电压相位角的-150度～-30度(或描述为210度～330度)，绝缘栅双极型晶体管IGBT₂₅的开通相位为T相电压相位角的30度～150度，绝缘栅双极型晶体管IGBT₂₄的开通相位为S相电压相位角的-150度～-30度(或描述为210度～330度)。因此，每个绝缘栅双极型晶体管开通120度，互差60度。绝缘栅双极型晶体管按IGBT₂₁→IGBT₂₆→IGBT₂₃→IGBT₂₂→IGBT₂₅→IGBT₂₄的顺序，循环开关。

本发明其它实施方式中，绝缘栅双极型晶体管的开关顺序并不限于此，还可以根据输入的三相交流电压R、S、T的其它规律的变化，进行循环开关，这里不再赘述。

本发明实施方式中，由于输入三相交流电压R、S、T在幅值或正弦度上存在差异，为了避免绝缘栅双极型晶体管在开关过程造成直通，如IGBT₂₁与IGBT₂₂直通、IGBT₂₁与IGBT₂₃直通、IGBT₂₁与IGBT₂₅直通、IGBT₂₆和IGBT₂₂直通等，通常设定绝缘栅双极型晶体管的开通相位角小于120度，如110度、100度等。以开通相位角100度为例，则IGBT₂₁的开通相位为R相电压相位角的40度～140度，IGBT₂₆的开通相位为T相电压相位角的-140度～-40度(或描述为220度～320度)，IGBT₂₃的开通相位为S相电压相位角的40度～140度，IGBT₂₂的开通相位为R相电压相位角的-140度～-40度(或描述为220度～320度)，IGBT₂₅的开通相位为T相电压相位角的40度～140度，IGBT₂₄的开通相位为S相电压相位角的-140度～-40度(或描述为220度～320度)。

本发明的三相同步整流电路工作原理如下：当输入三相交流电压大于直流母线电压时，与绝缘栅双极型晶体管反并联的二极管导通，使电流从二极管流过，而不会流过与其反并联的绝缘栅双极型晶体管，即，绝缘栅双极型晶体管的门极虽然有控制信号，但没有电流流过，因此，三相同步整流电路只有二极管在起作用，输入的交流电压通过二极管向母线提供能量，表现为整流状态。而当直流母线电压大于输入三相交流电压时，二极管截止，此时绝缘栅双极型晶体管的门极上的控制信号控制每个绝缘栅双极型晶体管顺序导通，母线电压通过绝缘栅双极型晶体管向交流端回馈能量，表现为能量回馈状态。本发明中所指的同步是指不管整流电路是处于整流状态还是处于能量回馈状态，电路中的绝缘栅双极型晶体管总是根据输入交流电压的某一相位角进行开通和关断，即绝缘栅双极型晶体管的开通和关断只与相位角有关，表现为与输入电压相位的同步。

因此，本发明的三相同步整流电路，根据电网输入的三相交流电压的相位，控制每一个绝缘栅双极型晶体管的导通，成本低，开关损耗小，抗干扰能力强，且能实现能量的回馈。

图4所示为本发明第二实施方式的三相同步整流电路的电路图。该三相同步整流电路41与图2a所示的三相同步整流电路21基本相同，区别在于，三相同步整流电路41的直流端，即直流母线的正极还串联有直流电抗器L4，用于限制三相同步整流电路41中流过绝缘栅双极型晶体管的电流突变，避免绝缘栅双极型晶体管回馈失败。

图5所示为本发明第三实施方式的三相同步整流电路的电路图。该三相同步整流电路51与图2a所示的三相同步整流电路21基本相同，区别在于，三相同步整流电路51的交流端还串联有交流电抗器L5，用于限制三相同步整流电路51中流过绝缘栅双极型晶体管的电流突变，并防止换相时直通和电网浪涌电压对绝缘栅双极型晶体管的影响。本发明实施方式中，交流电抗器L5由3个单一的电感所组成，通过电感间的互感原理，减缓电流的变化，确保三相同步整流电路51的正常和可靠的工作。

图6所示为本发明第四实施方式的三相同步整流电路的电路图。该三相同步整流电路61与图2a所示的三相同步整流电路21基本相同，区别在于，三相同步整流电路61的直流端以及交流端分别串联有直流电抗器L6、交流电抗器L6’，用于确保三相同步整流电路61的正常和可靠的工作。

图7所示为本发明同步整流电路的控制方法流程图。在步骤S101，接收电网三相交流电压信号。

在步骤S102，降压并转换电网三相交流电压信号为二路线电压信号。即，把输入的较高的电网电压，三相交流电压Ur、Us、Ut，转换为二路线电压Urs、Ust。该二路线电压Urs、Ust为低压信号。

在步骤S103，计算二路线电压信号的相位并还原电网三相交流电压信号的初始相位。

在步骤S104，藉由一个预设的开通相位角计算每一个绝缘栅双极型晶体管的驱动相位角。本发明实施方式中，为了避免绝缘栅双极型晶体管的直通，预设的开通相位角设定为小于120°。

在步骤S105，根据计算结果，输出控制信号给每一个绝缘栅双极型晶体管，控制绝缘栅双极型晶体管的顺序循环导通。

因此，本发明的同步整流电路的控制方法，通过相位控制三相同步整流电路，成本低，控制简单，适用范围广，与传统PWM控制方式相比，开关损耗小，且电磁干扰小。

以上所述之具体实施方式为本发明的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式。凡依照本发明之形状、结构所作的等效变化均包含本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种三相同步整流电路，应用于四象限变频器，具有直流端及交流端，其特征在于，所述三相同步整流电路包括至少3个双管封装的绝缘栅双极型晶体管以及与每一个绝缘栅双极型晶体管反并联连接的二极管；所述至少3个双管封装的绝缘栅双极型晶体管并联连接，构成三相桥式电路；所述三相同步整流电路与电网之间还连接有控制器，用于根据电网输入的三相交流电压的相位，控制每一个绝缘栅双极型晶体管的导通；当四象限变频器中的输入电压大于直流母线电压时，所述三相同步整流电路处于整流状态；当四象限变频器中的直流母线电压大于输入电压时，所述三相同步整流电路处于能量回馈状态。

2.根据权利要求1所述的三相同步整流电路，其特征在于，所述三相同步整流电路的直流端还串联有直流电抗器，用于限制三相同步整流电路中流过绝缘栅双极型晶体管的电流突变。

3.根据权利要求1或2所述的三相同步整流电路，其特征在于，所述三相同步整流电路的交流端还串联有交流电抗器，用于限制三相同步整流电路中流过绝缘栅双极型晶体管的电流突变，并防止换相时直通和电网浪涌电压对绝缘栅双极型晶体管的影响。

4.根据权利要求1所述的三相同步整流电路，其特征在于，所述三相桥式电路由3个双管封装的绝缘栅双极型晶体管构成，一个双管对应一相；每一相均包括第一绝缘栅双极型晶体管以及第二绝缘栅双极型晶体管；所述第一绝缘栅双极型晶体管的集电极与直流母线的正极相连，作为三相同步整流电路的直流端；所述第二绝缘栅双极型晶体管的发射极与直流母线的负极相连；所述第一绝缘栅双极型晶体管的发射极与第二绝缘栅双极型晶体管的集电极相连接，公共点作为三相同步整流电路的交流端。

5.根据权利要求4所述的三相同步整流电路，其特征在于，所述第一绝缘栅双极型晶体管并联连接有第一二极管，所述第一二极管的阳极与所述第一绝缘栅双极型晶体管的发射极相连，其阴极与所述第一绝缘栅双极型晶体管的集电极相连；所述第二绝缘栅双极型晶体管并联连接有第二二极管，所述第二二极管的阳极与所述第二绝缘栅双极型晶体管的发射极相连，其阴极与所述第二绝缘栅双极型晶体管的集电极、第一二极管的阳极相连。

6.根据权利要求1所述的三相同步整流电路，其特征在于，每一个绝缘栅双极型晶体管的开通相位角为120°或小于120°。

7.根据权利要求1所述的三相同步整流电路，其特征在于，所述控制器包括：

三相电压检测电路，用于降压，并把电网输入的三相交流电压转换为二路线电压；

相位角计算及相序辨别模块，用于计算二路线电压的相位并还原电网三相交流电压的初始相位；

设定模块，用于设定开通相位角；

计算模块，用于根据所还原的初始相位以及所述设定模块的设定，计算每一个绝缘栅双极型晶体管的驱动相位角；以及

传送控制模块，用于根据所述计算模块的计算结果，传送控制信号给每一个绝缘栅双极型晶体管。

8.一种同步整流电路的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

接收电网三相交流电压信号；

降压并转换电网三相交流电压信号为二路线电压信号；

计算二路线电压信号的相位并还原电网三相交流电压信号的初始相位；

藉由一个预设的开通相位角计算每一个绝缘栅双极型晶体管的驱动相位角；以及

根据计算结果，输出控制信号给每一个绝缘栅双极型晶体管。

9.根据权利要求8所述的同步整流电路的控制方法，其特征在于，所述预设的开通相位角小于120°。

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