CN102082520A - 一种五电平整流变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种五电平整流变换器，包括滤波电路、第一中点箝位桥臂、第二中点箝位桥臂、第一电容和第二电容，交流电源通过滤波电路滤波后连接到第一中点箝位桥臂的中点和第二中点箝位桥臂的中点，第一中点箝位桥臂的上端、第二中点箝位桥臂的上端、第一电容的第一端连接正电位母线，第一中点箝位桥臂的下端、第二中点箝位桥臂的下端、第二电容的第一端连接负电位母线，第一电容的第二端和第二电容的第二端连接直流母线中点。本发明的五电平整流变换器，可减小电路的总谐波失真，同时能在保持电感纹波大小不变的条件下，减小电感所需的尺寸；在保持电感纹波频率不变的条件下，使开关管的开关频率减半，降低开关管的开关损耗。

Description

一种五电平整流变换器

技术领域

本发明涉及变换器，特别是涉及一种五电平整流变换器。

背景技术

在信号的整流中经常会使用带中点嵌位的三电平整流变换器拓扑结构。如图1所示，为三电平整流器的电路结构图。从图中可看出，三电平整流变换器包括由电感L1组成的滤波电路、一个中点箝位桥臂LS1、第一电容C1和第二电容C2。其中，中点箝位桥臂LS1包括两个二极管D1、D2以及依次相连的上一开关管M1、上二开关管M2、下一开关管M3和下二开关管M4，上一开关管M1的漏极连接正电位母线、下二开关管M4的源极连接负电位母线。第一电容C1的一端连接正电位母线，另一端连接直流母线中点。第二电容C2的一端连接负电位母线，另一端连接直流母线中点。交流电源Vi一端通过第一电感L1后连接上二开关管M2和下一开关管M3的相连端，交流电源Vi另一端连接直流母线中点，交流信号经过整流后输出直流信号，正电位母线与负电位母线即为整流器的直流输出端，为负载Load提供直流电。

与传统的两电平拓扑相比，三电平拓扑中开关管（M1、M2、M3、M4）的电压应力是两电平拓扑的一半，开关管的开关损耗较小。三电平拓扑技术是在两电平拓扑技术的基础上经过改进得到，然而，如何进一步减小电路的总谐波失真或者降低开关管的开关频率以减少开关损耗或者减小电感尺寸，是本领域技术人员需要继续解决的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种五电平整流变换器，在三电平整流变换器拓扑技术的基础上进一步改进得到，能够进一步减小电路总谐波失真、减少开关损耗以及减小电感尺寸。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决： 

一种五电平整流变换器，包括滤波电路、第一中点箝位桥臂、第二中点箝位桥臂、第一电容和第二电容，交流电源通过所述滤波电路滤波后连接到所述第一中点箝位桥臂的中点和所述第二中点箝位桥臂的中点，所述第一中点箝位桥臂的上端、所述第二中点箝位桥臂的上端、所述第一电容的第一端连接正电位母线，所述第一中点箝位桥臂的下端、所述第二中点箝位桥臂的下端、所述第二电容的第一端连接负电位母线，所述第一电容的第二端和所述第二电容的第二端连接直流母线中点。

优选的技术方案中，

所述第一中点箝位桥臂和所述第二中点箝位桥臂均包括两个二极管以及依次相连的上一开关管、上二开关管、下一开关管和下二开关管，所述一个二极管的阳极与直流母线中点相连、所述一个二极管的阴极与所述上一开关管和所述上二开关管的相连端相连，所述另一个二极管的阳极与所述下一开关管和所述下二开关管的相连端相连、所述另一个二极管的阴极与直流母线中点相连。

所述第一中点箝位桥臂包括第一二极管、第二二极管以及依次相连的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，所述第一开关管的漏极连接正电位母线、所述第四开关管的源极连接负电位母线，所述第一开关管的源极和所述第二开关管的漏极相连，相连端连接所述第一二极管的阴极；所述第二开关管的源极与所述第三开关管的漏极相连；所述第三开关管的源极和所述第四开关管的漏极相连，相连端连接所述第二二极管的阳极；所述第一二极管的阳极和所述第二二极管的阴极连接直流母线中点。

所述第二中点箝位桥臂包括第三二极管、第四二极管以及依次相连的第五开关管、第六开关管、第七开关管和第八开关管，所述第五开关管的漏极连接正电位母线、所述第八开关管的源极连接负电位母线，所述第五开关管的源极和所述第六开关管的漏极相连，相连端连接所述第三二极管的阴极；所述第七开关管的源极与所述第八开关管的漏极相连；所述第七开关管的源极和所述第八开关管的漏极相连，相连端连接所述第四二极管的阳极；所述第三二极管的阳极和所述第四二极管的阴极连接直流母线中点。

所述滤波电路包括第一滤波电路，所述第一滤波电路包括第一电感，所述第一电感的一端连接所述交流电源，另一端连接所述第一中点箝位桥臂的中点。

所述滤波电路包括第二滤波电路和第三滤波电路，所述第二滤波电路包括第二电感，所述第三滤波电路包括第三电感，所述第二电感的一端连接所述交流电源的一端，所述第二电感的另一端连接所述第一中点箝位桥臂的中点，所述第三电感的一端连接所述交流电源的另一端，所述第三电感的另一端连接所述第二中点箝位桥臂的中点。

所述第二滤波电路还包括第三电容，所述第三滤波电路还包括第四电容，所述第三电容的一端与所述第二电感的一端相连，所述第四电容的一端与所述第三电感的一端相连，所述第三电容和所述第四电容的另一端均与直流母线中点相连。

所述第二滤波电路还包括第五二极管，所述第三滤波电路还包括第六二极管，所述第五二极管的阴极与所述第二电感的一端相连，所述第六二极管的阴极与所述第三电感的一端相连，所述第五二极管和所述第六二极管的阳极均与直流母线中点相连。

本发明与现有技术对比的有益效果是：

本发明的五电平整流变换器，电路组成上可看作是在三电平整流变换电路的基础上增加一个中点箝位桥臂，根据对电路的理论分析可以得到，本发明的五电平整流电路相对于三电平整流电路而言，电感电流和电压的过零点多，而在过零处没有电流纹波，因此过零点多，输入电流的总谐波失真THDi就越小，即可降低电路的总谐波失真THD，提高功率因数。同时，在电感量相同的情况下，本发明的五电平整流电路的电感纹波比三电平整流电路的电感纹波的一半还要小，因此在电感电流的纹波大小相同的条件下，本发明的电路中只需较小电感量的电感即可满足要求，即本发明的电路中可减小电感尺寸。另外，本发明的五电平整流电路相对于三电平整流电路而言，电感电流的纹波频率是开关管的开关频率的2倍，因此在电感电流的纹波频率相同的条件下，本发明的电路中开关管的开关频率是三电平整流电路拓扑中开关管的开关管的开关频率的一半，即本发明的电路能降低开关管的开关损耗。

附图说明

图1是现有技术中带中点嵌位的三电平整流变换器的电路结构图；

图2是本发明具体实施方式中的五电平整流变换器的电路结构图；

图3是本发明具体实施方式中的五电平整流变换器在四种情形下的电流流向示意图；

图4是本发明具体实施方式中的五电平整流变换器与三电平整流变换器的输入电压相位和电感电流的纹波大小根据理论分析的关系图；

图5是本发明具体实施方式中的五电平整流变换器与三电平整流变换器的开关频率和电感电流的纹波频率根据理论分析的关系图；

图6是本发明具体实施方式中的五电平整流变换器中滤波电路做出改进后的五电平整流变换器的结构图；

图7是本发明具体实施方式中的五电平整流变换器中滤波电路做出进一步改进后的五电平整流变换器的结构图；

图8是本发明具体实施方式中的五电平整流变换器中滤波电路做出更进一步改进后的五电平整流变换器的结构图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明做进一步详细说明。

如图2所示，为五电平整流变换器的电路结构图。五电平整流变换器包括滤波电路、第一中点箝位桥臂LS1、第二中点箝位桥臂LS2，第一电容C1和第二电容C2。

第一中点箝位桥臂LS1包括第一二极管D1、第二二极管D2以及依次相连的第一开关管M1（也即上一开关管）、第二开关管M2（也即上二开关管）、第三开关管M3（也即下一开关管）和第四开关管M4（也即下二开关管）。第一开关管M1的漏极连接正电位母线、第四开关管M4的源极连接负电位母线，第一开关管M1的源极和第二开关管M2的漏极相连，相连端连接第一二极管D1的阴极；第二开关管M2的源极与第三开关管M3的漏极相连；第三开关管M3的源极和第四开关管M4的漏极相连，相连端连接第二二极管D2的阳极；第一二极管D1的阳极和第二二极管D2的阴极连接直流母线中点O。其中，第二开关管M2和第三开关管M3的相连端即为第一中点箝位桥臂LS1的中点，第一开关管M1的漏极即为第一中点箝位桥臂LS1的上端，第四开关管M4的的源极即为第一中点箝位桥臂LS1的下端。

第二中点箝位桥臂LS2包括第三二极管D3、第四二极管D4以及依次相连的第五开关管M5（也即上一开关管）、第六开关管M6（也即上二开关管）、第七开关管M7（也即下一开关管）和第八开关管M8（也即下二开关管）。第五开关管M5的漏极连接正电位母线、第八开关管M8的源极连接负电位母线。第五开关管M5的源极和第六开关管M6的漏极相连，相连端连接第三二极管D3的阴极；第七开关管M7的源极与第八开关管M8的漏极相连；第七开关管M7的源极和第八开关管M8的漏极相连，相连端连接第四二极管D4的阳极；第三二极管D3的阳极和第四二极管D4的阴极连接直流母线中点O。其中，第六开关管M6和第七开关管M7的相连端即为第二中点箝位桥臂LS2的中点，第五开关管M5的漏极即为第二中点箝位桥臂LS2的上端，第八开关管M8的源极即为第二中点箝位桥臂LS2的下端。

上述中点箝位桥臂中，各开关管（M1-M8）为场效应管。但不限定为场效应管，也可以是其它类型的开关管，如绝缘栅双极型晶体管IGBT、门极可关断晶闸管GTO，垂直结型场效应晶体管VJFET，结型场效应晶体管JFET等。

交流电源Vi通过滤波电路滤波后连接到第一中点箝位桥臂LS1的中点A和第二中点箝位桥臂LS2的中点B，第一中点箝位桥臂LS1的上端、第二中点箝位桥臂LS2的上端、第一电容C1的第一端连接正电位母线E，第一中点箝位桥臂LS1的下端、第二中点箝位桥臂LS2的下端、第二电容C2的第一端连接负电位母线F，第一电容C1的第二端和第二电容C2的第二端连接直流母线中点O点。滤波电路为第一滤波电路，第一滤波电路包括第一电感L1，第一电感L1的一端连接交流电源Vi，另一端连接第一中点箝位桥臂LS1的中点A。第一中点箝位桥臂LS1的中点A引出端口C、第二中点箝位桥臂LS2的中点B引出端口D、正电位母线引出端口E、负电位母线引出端口F，经过滤波后的交流信号从端口C和端口D输入整流变换器中。端口E和端口F，为整流变换器的直流输出端。

如下说明五电平整流变换器的工作原理。五电平整流变换器工作时，通过开关管的调制，在端口C和端口D之间产生5种电平，通过控制在直流输出端口E、F之间输出的一个恒定电压值。交流输入端口5种电平分别为：假设五电平整流变换器输出的直流母线电压幅值为Vo，在正半周时交流输入端口C和端口D之间的电压幅值为+Vo、+0.5Vo、-0.5Vo和0四种电平，在负半周时交流输入端口C和端口D之间的电压幅值为+0.5Vo、-Vo、-0.5Vo和0四种电平，即总共+Vo、+0.5Vo、0、-0.5Vo和-Vo五种电平。

如下仅以正半周为例，说明交流输入端口C和端口D处形成+Vo、+0.5Vo、-0.5Vo和0四种电平的原理。而负半周的情形，即是与正半周的电流流向（从端口C到端口D）相反，从端口D到端口C。

如图3a所示，第一开关管M1、第二开关管M2、第七开关管M7和第八开关管M8导通。电流沿图中实线所示器件的流向为从端口C→第二开关管M2→第一开关管M1→第一电容C1→第二电容C2→第八开关管M8→第七开关管M7→端口D。此时，交流输入端口C和端口D之间的电压为+Vo。

如图3b所示，为第一开关管M1、第二开关管M2、第六开关管M6、第三二极管D3导通。电流沿图中实线所示器件的流向为从端口C→第二开关管M2→第一开关管M1→第一电容C1→第三二极管D3→第六开关管M6→端口D。此时，交流输入端口C和端口D之间的电压为+0.5Vo。

如图3c所示，第三开关管M3、第四开关管M4、第六开关管M6、第三二极管D3导通。电流沿图中实线所示器件的流向为从端口C→第三开关管M3→第四开关管M4→第二电容C2→第三二极管D3→第六开关管M6→端口D。此时，交流输入端口C和端口D之间的电压为-0.5Vo。

如图3d所示，第三开关管M3、第二二极管D2、第六开关管M6、第三二极管D3导通。电流沿图中实线所示器件的流向为从端口C→第三开关管M3→第二二极管D2→第三二极管D3→第六开关管M6→端口D。此时，交流输入端口C和端口D之间的电压为0。

对图2所示电路进行理论分析，设定电路参数如下：输入电压Vi为220伏的交流电压，直流母线电压为400伏，各开关管的开关频率为24千赫兹，第一电容C1=第二电容C2=295微法，第一电感L1=130微亨，输出功率为3000瓦。根据输入电压和输出电压的比值可以得出占空比的最大值为0.933。

当输入电压处于不同的相位时，理论推导得到五电平整流变换器与三电平整流变换器中第一电感L1的电流的纹波大小与输入电压相位的关系如图4所示。图中，θ表示输入电压信号的相位，I_3(θ)表示三电平整流变换器中的第一电感L1的电流的纹波大小，I_5(θ)表示五电平整流变换器中的第一电感L1的电流的纹波大小。从图4中可得到，输入电压信号的相位在0-π的弧度（也即0-180°的角度）内变换时，五电平整流变换器的第一电感L1的电流的纹波有四个为零的点，而三电平整流变换器的第一电感L1的电流的纹波有两个为零的点，由此可以得到五电平整流变换器相对于三电平整流变换器可减小电路的总谐波失真。同时，在同一电感量条件下（第一电感L1=130微亨），图中五电平整流变换器的电感电流的纹波比三电平整流变换器的电感电流的纹波的一半还要小，因此在电感电流的纹波大小相同的条件下，五电平整流变换器中只需较小电感量的电感即可满足要求，即五电平整流变换器可大大减小电感尺寸。

另外，若设定电感电流纹波取值相同，调节开关管的占空比，得到三电平整流变换器和五电平整流变换器中第一电感L1在上述相同的电感电流纹波取值情形下对应的电感量的取值如图5所示。图中，D表示开关管的占空比，I_3L(D)表示三电平整流变换器中的第一电感L1的电感量，I_5L(D)表示五电平整流变换器中的第一电感L1的电感量。从图5中可得到，一个开关周期内，占空比从0到1变换，三电平整流变换器中电感的电感量（如实线所示）仅经历一次从小到大，从大到小的过程，而五电平整流变换器中电感的电感量（如虚线所示）经历两次从小到大，从大到小的过程。由此可得，随着占空比的变化，五电平整流变换器中，电感纹波的频率是开关频率的2倍；而三电平整流变换器中，电感纹波的频率与开关频率相同。因此设定电感纹波频率相同（设均为Fh），则五电平整流变换器的开关频率为1/2Fh，三电平整流变换器的开关频率为Fh，即本具体实施方式中五电平整流变换器的开关频率为三电平整流变换器的开关频率的一半，即五电平整流变换器的开关频率低，可减小开关管的开关损耗。

综上所述，根据上述两幅理论分析图可知，在相同的开关频率下，保持相同的电感时即可得出本具体实施方式中五电平整流变换器较之三电平整流变换器，电感电流的纹波小，电感电流的过零点多，总谐波失真THD要小；在相同的电感下，若保持相同的电感电流纹波频率，可以使五电平整流器的开关频率减半，为三电平整流器开关频率的一半，开关管的开关损耗相应减小。

优选地，五电平整流变换器中的滤波电路有多种改进方案。

如图6所示，滤波电路包括第二滤波电路和第三滤波电路，第二滤波电路包括第二电感L2，第三滤波电路包括第三电感L3，交流信号发生源Vi一端通过第二电感L2后连接第一中点箝位桥臂LS1的中点，交流信号发生源Vi的另一端通过第三电感L3后连接第二中点箝位桥臂LS2的中点。图中，其余器件的标记的含义同图3中的标记的含义。

如图7所示，在图6的基础上，第二滤波电路还包括第三电容C3，第三滤波电路还包括第四电容C4，第三电容C3的一端与第二电感L2的一端相连，第四电容C4的一端与第三电感L3的一端相连，第三电容C3和第四电容C4的另一端均与直流母线中点相连。图中，其余器件的标记的含义同图3中的标记的含义。另外，由于第三电容C3与第二电感L2连接组成滤波电路，因此第三电容C3连接在第二电感L2的两端中任一端均可，图中所示为第三电容C3连接到第二电感L2与电源Vi相连的一端，第三电容C3连接到第二电感L2的另一端也可。同理，第四电容C4连接到第三电感L3的另一端也可。

如图8所示，在图6的基础上，第二滤波电路还包括第五二极管D5，第三滤波电路还包括第六二极管D6。第五二极管D5的阴极与第二电感L2的一端相连，第六二极管D6的阴极与第三电感L3的一端相连，第五二极管D5和第六二极管D6的阳极均与直流母线中点相连。图中，其余器件的标记的含义同图3中的标记的含义。另外，由于第五二极管D5与第二电感L2连接组成滤波电路，因此第五二极管D5的阴极连接在第二电感L2的两端中任一端均可，图中所示为第五二极管D5的阴极连接到第二电感L2与电源Vi相连的一端，第五二极管D5的阴极连接到第二电感L2的另一端也可。同理，第六二极管D6的阴极连接到第三电感L3的另一端也可。

 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种五电平整流变换器，其特征在于：包括滤波电路、第一中点箝位桥臂、第二中点箝位桥臂、第一电容和第二电容，交流电源通过所述滤波电路滤波后连接到所述第一中点箝位桥臂的中点和所述第二中点箝位桥臂的中点，所述第一中点箝位桥臂的上端、所述第二中点箝位桥臂的上端、所述第一电容的第一端连接正电位母线，所述第一中点箝位桥臂的下端、所述第二中点箝位桥臂的下端、所述第二电容的第一端连接负电位母线，所述第一电容的第二端和所述第二电容的第二端连接直流母线中点。

2.根据权利要求1所述的五电平整流变换器，其特征在于：所述第一中点箝位桥臂和所述第二中点箝位桥臂均包括两个二极管以及依次相连的上一开关管、上二开关管、下一开关管和下二开关管，所述一个二极管的阳极与直流母线中点相连、所述一个二极管的阴极与所述上一开关管和所述上二开关管的相连端相连，所述另一个二极管的阳极与所述下一开关管和所述下二开关管的相连端相连、所述另一个二极管的阴极与直流母线中点相连。

3.根据权利要求2所述的五电平整流变换器，其特征在于：所述第一中点箝位桥臂包括第一二极管（D1）、第二二极管（D2）以及依次相连的第一开关管（M1）、第二开关管（M2）、第三开关管（M3）和第四开关管（M4），所述第一开关管（M1）的漏极连接正电位母线、所述第四开关管（M4）的源极连接负电位母线，所述第一开关管（M1）的源极和所述第二开关管（M2）的漏极相连，相连端连接所述第一二极管（D1）的阴极；所述第二开关管（M2）的源极与所述第三开关管（M3）的漏极相连；所述第三开关管（M3）的源极和所述第四开关管（M4）的漏极相连，相连端连接所述第二二极管（D2）的阳极；所述第一二极管（D1）的阳极和所述第二二极管（D2）的阴极连接直流母线中点。

4.根据权利要求2所述的五电平整流变换器，其特征在于：所述第二中点箝位桥臂包括第三二极管（D3）、第四二极管（D4）以及依次相连的第五开关管（M5）、第六开关管（M6）、第七开关管（M7）和第八开关管（M8），所述第五开关管（M5）的漏极连接正电位母线、所述第八开关管（M8）的源极连接负电位母线，所述第五开关管（M5）的源极和所述第六开关管（M6）的漏极相连，相连端连接所述第三二极管（D3）的阴极；所述第七开关管（M7）的源极与所述第八开关管（M8）的漏极相连；所述第七开关管（M7）的源极和所述第八开关管（M8）的漏极相连，相连端连接所述第四二极管（D4）的阳极；所述第三二极管（D3）的阳极和所述第四二极管（D4）的阴极连接直流母线中点。

5.根据权利要求1所述的五电平整流变换器，其特征在于：所述滤波电路包括第一滤波电路，所述第一滤波电路包括第一电感（L1），所述第一电感（L1）的一端连接所述交流电源，另一端连接所述第一中点箝位桥臂的中点。

6.根据权利要求1所述的五电平整流变换器，其特征在于：所述滤波电路包括第二滤波电路和第三滤波电路，所述第二滤波电路包括第二电感（L2），所述第三滤波电路包括第三电感（L3），所述第二电感（L2）的一端连接所述交流电源的一端，所述第二电感（L2）的另一端连接所述第一中点箝位桥臂的中点，所述第三电感（L3）的一端连接所述交流电源的另一端，所述第三电感（L3）的另一端连接所述第二中点箝位桥臂的中点。

7.根据权利要求6所述的五电平整流变换器，其特征在于：所述第二滤波电路还包括第三电容（C3），所述第三滤波电路还包括第四电容（C4），所述第三电容（C3）的一端与所述第二电感（L2）的一端相连，所述第四电容（C4）的一端与所述第三电感（L3）的一端相连，所述第三电容（C3）和所述第四电容（C4）的另一端均与直流母线中点相连。

8.根据权利要求6所述的五电平整流变换器，其特征在于：所述第二滤波电路还包括第五二极管（D5），所述第三滤波电路还包括第六二极管（D6），所述第五二极管（D5）的阴极与所述第二电感（L2）的一端相连，所述第六二极管（D6）的阴极与所述第三电感（L3）的一端相连，所述第五二极管（D5）和所述第六二极管（D6）的阳极均与直流母线中点相连。

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