CN102594176A - 附加续流通路的软开关三相pwm整流器 - Google Patents

附加续流通路的软开关三相pwm整流器 Download PDF

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CN102594176A CN2011100239945A CN201110023994A CN102594176A CN 102594176 A CN102594176 A CN 102594176A CN 2011100239945 A CN2011100239945 A CN 2011100239945A CN 201110023994 A CN201110023994 A CN 201110023994A CN 102594176 A CN102594176 A CN 102594176A
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马智远
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Abstract

本发明公开的附加续流通路的软开关三相PWM整流器，包括由六个分别有反并联二极管和并联电容的全控主开关构成的三相桥臂，接在各相桥臂中点与交流电网之间的输入滤波电感和接于三相桥臂输出端的输出电容，在三相桥臂两端接入或不接入具有反并联二极管和并联电容的全控开关，在三相桥臂的直流母线和输出电容之间接入有反并联二极管和并联电容的辅助开关，辅助开关两端跨接由谐振电感与箝位电容串联的谐振支路。本发明结构简单，能抑制二极管的反向恢复，减少电磁干扰。整流器所有开关器件实现零电压开通，开关损耗小，电路效率高，有利于提高工作频率，进而提高功率密度。该整流器能够实现对输出电容电压控制，实现输入电流的功率因数校正功能。

Description

附加续流通路的软开关三相PWM整流器
技术领域
本发明涉及整流器，尤其是附加续流通路的软开关三相PWM整流器。
背景技术
目前的三相PWM整流器如图1所示，它包括由六个有反并联二极管的全控主开关S1～S6构成的三相桥臂，分别接在各相桥臂中点与交流电网之间的输出滤波电感La～Lc和接于三相桥臂输出端的输出电容Co。这种三相整流器能够实现输入电流功率因数校正，但电路工作在硬开关状态，存在着二极管的反向恢复问题，器件开关损耗大，限制了工作频率的提高，降低了电路效率并且存在较大的电磁干扰。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以抑制二极管的反向恢复电流，减小开关损耗，提高电路效率，减少电磁干扰并实现开关管零电压开通的附加续流通路的软开关三相PWM整流器。
为达上述目的，本发明有以下两种技术解决方案。
方案1：
本发明的附加续流通路的软开关三相PWM整流器，包括由六个有反并联二极管的全控主开关S1、S2、S3、S4、S5和S6构成的三相桥臂，分别接在各相桥臂中点与交流电网之间的输出滤波电感La、Lb和Lc和接于三相桥臂输出端的输出电容Co，其特征是在三相桥臂上并联一个具有反并联二极管的全控开关S8，全控开关S8并联电容C8，三相桥臂的六个主开关S1、S2、S3、S4、S5和S6分别并联电容C1、C2、C3、C4、C5和C6，在三相桥臂的直流母线和输出电容Co之间接入具有反并联二极管的辅助开关S7，辅助开关并联电容C7，辅助开关两端跨接由谐振电感Lr与箝位电容Cc相串联的谐振支路。
方案2：
本发明的附加续流通路的软开关三相PWM整流器，包括由六个有反并联二极管的全控主开关S1、S2、S3、S4、S5和S6构成的三相桥臂，分别接在各相桥臂中点与交流电网之间的输出滤波电感La、Lb和Lc和接于三相桥臂输出端的输出电容Co，其特征是三相桥臂的六个主开关S1、S2、S3、S4、S5和S6分别并联电容C1、C2、C3、C4、C5和C6，在三相桥臂的直流母线和输出电容Co之间接入具有反并联二极管的辅助开关S7，辅助开关并联电容C7，辅助开关两端跨接由谐振电感Lr与箝位电容Cc相串联的谐振支路。
本发明的附加续流通路的软开关三相PWM整流器结构简单，整流器中全控开关的反并联二极管的反向恢复得到抑制，减少了电磁干扰。电路中所有功率开关器件均可实现零电压开通，从而减小开关损耗，提高电路效率，有利于提高工作频率，进而提高功率密度。该变换器的电路能够实现对输出电容电压控制，实现输入电流的功率因数校正功能。可用于各种电源中前级整流装置。
附图说明
图1是现有的三相PWM整流器；
图2是本发明方案1的第一种具体电路图；
图3是本发明方案1的第二种具体电路图；
图4是本发明方案1的第三种具体电路图；
图5是本发明方案1的第四种具体电路图；
图6是本发明方案2的第一种具体电路图；
图7是本发明方案2的第二种具体电路图；
图8是本发明方案2的第三种具体电路图；
图9是本发明方案2的第四种具体电路图；
图10是一个工频周期内12个工作扇区的电网电压和电流划分示意图；
图11是一个工频周期内12个工作扇区的电网电压空间矢量图；
图12是本发明方案1在扇区2中开关的脉冲控制时序图；
图13是本发明方案1电路工作时的主要电压和电流波形；
图14是直流BUS电流、辅助开关管电流及谐振电感电流概念图；
图15是本发明方案2在扇区2中开关的脉冲控制时序图；
图16是本发明方案2电路工作时的主要电压和电流波形。
具体实施方式
图2所示是附加续流通路的软开关三相PWM整流器方案1的电路图，包括由六个有反并联二极管的全控主开关S1、S2、S3、S4、S5和S6构成的三相桥臂，分别接在各相桥臂中点与交流电网之间的输出滤波电感La、Lb和Lc和接于三相桥臂输出端的输出电容Co，在三相桥臂两端并联一个具有反并联二极管的全控开关S8，全控开关S8并联电容C8，三相桥臂的六个主开关S1、S2、S3、S4、S5和S6分别并联电容C1、C2、C3、C4、C5和C6，在三相桥臂的直流母线和输出电容Co之间接入具有反并联二极管的辅助开关S7，辅助开关并联电容C7，辅助开关两端跨接由谐振电感Lr与箝位电容Cc相串联的谐振支路。
图2所示具体实例中，续流用全控开关S8集电极与三相桥臂正母线相联，发射极与三相桥臂负母线相联，辅助开关S7集电极与整流器输出电容Co正端相联，发射极与三相桥臂正母线相联，谐振电感Lr与箝位电容Cc串联电路的谐振电感Lr端与三相桥臂正母线相联，箝位电容Cc正端与整流器输出电容Co正端相联。
图3所示实例中，续流用全控开关S8集电极与三相桥臂正母线相联，发射极与三相桥臂负母线相联，辅助开关S7集电极与整流器输出电容Co正端相联，发射极与三相桥臂正母线相联，谐振电感Lr与箝位电容Cc串联电路的谐振电感Lr端与整流器输出电容Co正端相联，箝位电容Cc负端与三相桥臂正母线相联。
图4所示实例中，续流用全控开关S8集电极与三相桥臂正母线相联，发射极与三相桥臂负母线相联，辅助开关S7集电极与三相桥臂负母线相联，发射极与整流器输出电容Co负端相联，谐振电感Lr与箝位电容Cc串联电路的谐振电感Lr端与三相桥臂负母线相联，箝位电容Cc负端与整流器输出电容Co负端相联。
图5所示实例中，续流用全控开关S8集电极与三相桥臂正母线相联，发射极与三相桥臂负母线相联，辅助开关S7集电极与三相桥臂负母线相联，发射极与整流器输出电容Co负端相联，谐振电感Lr与箝位电容Cc串联电路的箝位电容Cc正端与三相桥臂负母线相联，谐振电感Lr端与整流器输出电容Co负端相联。
图6所示是附加续流通路的软开关三相PWM整流器方案2的电路图，包括由六个有反并联二极管的全控主开关S1、S2、S3、S4、S5和S6构成的三相桥臂，分别接在各相桥臂中点与交流电网之间的输出滤波电感La、Lb和Lc和接于三相桥臂输出端的输出电容Co，其特征是三相桥臂的六个主开关S1、S2、S3、S4、S5和S6分别并联电容C1、C2、C3、C4、C5和C6，在三相桥臂的直流母线和输出电容Co之间接入具有反并联二极管的辅助开关S7，辅助开关并联电容C7，辅助开关两端跨接由谐振电感Lr与箝位电容Cc相串联的谐振支路。
图6所示具体实例中，辅助开关S7集电极与整流器输出电容Co正端相联，发射极与三相桥臂正母线相联，谐振电感Lr与箝位电容Cc串联电路的谐振电感Lr端与三相桥臂正母线相联，箝位电容Cc正端与整流器输出电容Co正端相联。
图7所示实例中，辅助开关S7集电极与整流器输出电容Co正端相联，发射极与三相桥臂正母线相联，谐振电感Lr与箝位电容Cc串联电路的谐振电感Lr端与整流器输出电容Co正端相联，箝位电容Cc负端与三相桥臂正母线相联。
图8所示实例中，辅助开关S7集电极与三相桥臂负母线相联，发射极与整流器输出电容Co负端相联，谐振电感Lr与箝位电容Cc串联电路的谐振电感Lr端与三相桥臂负母线相联，箝位电容Cc负端与整流器输出电容Co负端相联。
图9所示实例中，辅助开关S7集电极与三相桥臂负母线相联，发射极与整流器输出电容Co负端相联，谐振电感Lr与箝位电容Cc串联电路的箝位电容Cc正端与三相桥臂负母线相联，谐振电感Lr端与整流器输出电容Co负端相联。
附加续流通路的软开关三相PWM整流器采用空间矢量控制。在一个电网电压工频周期内，整流器的控制可以分为12个扇区，由于电网电压和电流同相位，扇区划分如图10所示。图10中A相电网电压u sa余弦波在0°到30°为扇区2，A相电网电压u sa余弦波在30°到60°为扇区3，依此类推，A相电网电压u sa余弦波在300°到330°为扇区12。图11所示为电压空间矢量图，图中                                                
Figure 233834DEST_PATH_IMAGE001
到
Figure 939622DEST_PATH_IMAGE002
表示整流器开关矢量，开关矢量
Figure 337105DEST_PATH_IMAGE001
表示整流器主开关S2、S4、S6导通、整流器主开关S1、S3、S5截止，开关矢量
Figure 128344DEST_PATH_IMAGE003
表示整流器主开关S1、S2、S6导通、整流器主开关S3、S4、S5截止，依此类推，开关矢量
Figure 269475DEST_PATH_IMAGE004
表示整流器主开关S1、S3、S5导通、整流器主开关S2、S4、S6截止。整流器开关矢量
Figure 829770DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 601416DEST_PATH_IMAGE002
表示零矢量，整流器开关矢量
Figure 614372DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 559194DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 976925DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 981790DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 482041DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 964975DEST_PATH_IMAGE009
表示非零矢量。整流器在不同扇区内主开关矢量切换顺序如表1所示。
表 1
附加续流通路的软开关三相PWM整流器采用特殊的空间矢量调制策略，每一个电网电压工频周期分为12个空间矢量扇区，在每个子扇区中确保一相输入电网电流绝对值保持最大。流过电流绝对值最大相的桥臂开关不换流，如果输入滤波电感电流绝对值最大相电流方向为正，则零矢量为
Figure 613311DEST_PATH_IMAGE002
，如果电流绝对值最大相电流方向为负，则零矢量为
Figure 600859DEST_PATH_IMAGE011
。空间矢量的切换顺序确保在整流器输入电网电流绝对值较小两相的开关换流中存在二极管反向恢复的两次换流在时间上对齐，则辅助电路只需要创造一次母线电压谐振到零的机会，就能够实现两个开关的零电压开通。整流器中的六个主开关S1～S6和辅助开关S7由固定开关频率的空间矢量PWM控制器所控制，辅助开关S7开关频率与全控主开关S1～S6的开关频率相同，辅助开关S7只在整流器主开关S1～S6从非零矢量切换到零矢量的短暂时段内关断。为了使谐振电感具有足够能量以保证主开关零电压开通顺利实现，在辅助开关S7关断的短暂时间段内，对于方案1需要开通续流用全控开关S8，对于方案2需要使三相桥臂同时直通，或者三相桥臂中的任意一个或两个桥臂直通，等效替代续流通路S8，为谐振电感Lr提供续流回路，以使谐振电感电流足够大。
对于附加续流通路的软开关三相PWM整流器，在电网电流一个工频周期的12个扇区中，整流器控制是类似的，这里就以图2所示的附加续流通路的软开关三相PWM整流器在扇区2中的一个开关周期为例进行分析，整流器在扇区2中开关的脉冲控制时序如图12所示。在一个开关周期内，整流器共有10个工作状态。工作时的主要电压和电流波形如图13所示。
阶段 1 (t0-t1): 
主开关S1，S6，S2和辅助开关S7处于导通状态。由谐振电感Lr，箝位电容Cc和辅助开关S7组成的谐振回路中，谐振电感Lr的电流在线性增加。至t1时刻，辅助开关S7关断结束。
阶段2 (t1-t2): 
t1时刻，辅助开关S7关断，谐振电感Lr给主开关S3，S5，S4，续流用全控开关S8的并联电容C3，C5，C4，C8放电，给辅助开关S7的并联电容C7充电，S7零电压关断。到t2时刻，三个主开关S3，S5，S4，续流用全控开关S8的并联电容C3，C5，C4，C8电压谐振到零，主开关S3，S5，S4，续流用全控开关S8的反并联二极管开始导通，谐振过程结束。
阶段3 (t2-t3): 
t2时刻，主开关S3，S5，S4，续流用全控开关S8的反并联二极管开始导通，谐振电感Lr端电压被箝位为VCc-Vo，谐振电感Lr电流线性减小。至t3时刻，主开关S3，S5，S4，续流用全控开关S8的反并二极管电流随之线性减小到零，此阶段结束。
阶段4 (t3- t4):
t3时刻，驱动主开关S3，S5实现零电压开通。主开关S3、S5与主开关S6、S2的反并联二极管换流，主开关S6和S2的反并二极管经历反向恢复过程，由于谐振电感Lr的存在，主开关S6和S2的反并二极管反向恢复电流被抑制。谐振电感Lr端电压被箝位为VCc-Vo，谐振电感Lr电流线性减小。至t4时刻，主开关S6、S2的反并二极管的电流减小到零，换流过程结束。
阶段5 (t4-t5):
t4时刻，主开关S6、S2的反并二极管的电流到零关断，驱动续流用全控开关S8开通，谐振电感Lr端电压被箝位为Vo-VCc，此阶段中附加续流通路S8给谐振电感Lr提供续流回路，使Lr具有足够能量以满足软开关条件。至t5时刻，驱动续流用全控开关S8关断，电感续流储能阶段结束。
阶段6 (t5-t6):
t5时刻，驱动续流用全控开关S8关断，谐振电感Lr开始和主开关S4， S6， S2，续流用全控开关S8的并联电容C4，C6，C2，C8，辅助开关S7的并联电容C7谐振，主开关S4，S6，S2，续流用全控开关S8两端电容C4，C6，C2，C8电压开始增加，辅助开关S7两端并联电容C7电压减小，到t6时刻，S7两端并联电容C7电压减小到零，S7反并二极管导通，S7实现零电压开通，谐振过程结束。
阶段7 (t6-t7):
到t6时刻，电路进入开关矢量111状态，主开关S1，S3，S5和辅助开关S7导通。由谐振电感Lr，箝位电容Cc和辅助开关S7组成的闭合回路中，谐振电感Lr的电流在线性增加。到t7时刻，主开关S5关断，进入下一阶段。
阶段8 (t7-t8):
到t7时刻，主开关S5关断，滤波电感Lc中的电流给主开关S5的并联电容C5充电，给主开关S2的并联电容C2放电，由于S5的并联电容的存在，S5实现零电压关断。到t8时刻，主开关S2和反并二极管导通，电路进入下一阶段。
阶段9 (t8-t9):
到t8时刻，电路进入开关矢量110状态，主开关S1，S3，S2和辅助开关S7导通。由谐振电感Lr，箝位电容Cc和辅助开关S7组成的闭合回路中，谐振电感Lr的电流在线性增加。到t9时刻，主开关S3关断，此阶段结束。
阶段10 (t9-t10):
到t9时刻，主开关S3关断，滤波电感Lb中的电流给主开关S3的并联电容C3充电，给主开关S6的并联电容C6放电，由于S3的并联电容的存在，S3实现零电压关断。到t10时刻，主开关S6的反并二极管导通，与阶段1重合。电路重复下一个开关周期。
对于附加续流通路的软开关三相PWM整流器，在电网电流一个工频周期的12个扇区中，整流器控制是类似的，以图2所示的附加续流通路的软开关三相PWM整流器在扇区2中的一个开关周期为例进行分析，谐振电感电流概念曲线如图14所示。整流器输出功率一定时，主开关母线侧电流ibus平均值是确定的，在谐振槽路中辅助开关管电流iS7平均值等于主开关母线侧电流ibus平均值，谐振电感电流的平均值为零。由于谐振阶段6的t6时刻，谐振电感电流iLr(t6)是确定的，则谐振阶段1的t1时刻，谐振电感电流iLr(t1)也可以计算得到，iLr(t1)+ iLr(t5)=0。如果没有附加续流通路S8在阶段5中给谐振电感Lr提供续流回路使得谐振电感电流iLr(t6)继续减小，则谐振电感电流iLr(t1)太小到无法满足整流器软开关条件，为了使谐振电感电流iLr(t1)满足软开关条件，在主开关桥臂两端并联续流通路S8给谐振电感Lr提供续流回路(阶段5，时间t5- t4)，通过减小谐振电感电流iLr(t6)可以增大谐振电感电流iLr(t1)，从而满足整流器软开关条件。
对于图2所示的附加续流通路的软开关三相PWM整流器，在阶段5中，附加续流通路S8给谐振电感Lr提供续流回路。为进一步简化电路，在阶段5中，使得三相桥臂同时直通，或者三相桥臂中的任意一个或两个桥臂直通，即可等效替代续流通路S8，为谐振电感Lr提供续流回路。这样，可以得到图6~9所示的方案2电路拓扑。
图6所示的电路与图2所示电路的工作原理是类似的，在扇区2中开关的脉冲控制时序如图15所示。在一个开关工作周期内，整流器共有10个工作状态，工作时的主要电压和电流波形如图16所示。
阶段 1 (t0-t1): 
主开关S1，S6，S2和辅助开关S7处于导通状态。由谐振电感Lr，箝位电容Cc和辅助开关S7组成的谐振回路中，谐振电感Lr的电流在线性增加。至t1时刻，辅助开关S7关断结束。
阶段2 (t1-t2): 
t1时刻，辅助开关S7关断，谐振电感Lr给主开关S3，S5，S4的并联电容C3，C5，C4放电，给辅助开关S7的并联电容C7充电，S7零电压关断。到t2时刻，三个主开关S3，S5，S4的并联电容C3，C5，C4电压谐振到零，主开关S3，S5，S4的反并联二极管开始导通，谐振过程结束。
阶段3 (t2-t3):
t2时刻，主开关S3，S5，S4的反并联二极管开始导通，谐振电感Lr端电压被箝位为VCc-Vo，谐振电感Lr电流线性减小。至t3时刻，主开关S3，S5，S4的反并二极管电流随之线性减小到零，此阶段结束。
阶段4 (t3- t4):
t3时刻，驱动主开关S3，S5实现零电压开通。主开关S3、S5与主开关S6、S2的反并联二极管换流，主开关S6和S2的反并二极管经历反向恢复过程，由于谐振电感Lr的存在，主开关S6和S2的反并二极管反向恢复电流被抑制。谐振电感Lr端电压被箝位为VCc-Vo，谐振电感Lr电流线性减小。至t4时刻，主开关S6、S2的反并二极管的电流减小到零，换流过程结束。
阶段5 (t4-t5):
t4时刻，主开关S6、S2的反并二极管的电流到零关断，驱动主开关S4、S6和S2中的任意一个或全部开通，谐振电感Lr端电压被箝位为Vo-VCc，此阶段中主开关桥臂直通给谐振电感Lr提供续流回路，使Lr具有足够能量以满足软开关条件。至t5时刻，驱动主开关S4、S6和S2关断，电感续流储能阶段结束。
阶段6 (t5-t6):
t5时刻，驱动主开关S4、S6和S2关断，谐振电感Lr开始和主开关S4，S6，S2的并联电容C4，C6，C2，辅助开关S7的并联电容C7谐振，主开关S4，S6，S2两端电容C4，C6，C2电压开始增加，辅助开关S7两端并联电容C7电压减小，到t6时刻，S7两端并联电容C7电压减小到零，S7反并二极管导通，S7实现零电压开通，谐振过程结束。
阶段7 (t6-t7): 
到t6时刻，电路进入开关矢量111状态，主开关S1，S3，S5和辅助开关S7导通。由谐振电感Lr，箝位电容Cc和辅助开关S7组成的闭合回路中，谐振电感Lr的电流在线性增加。到t7时刻，主开关S5关断，进入下一阶段。
阶段8 (t7-t8): 
到t7时刻，主开关S5关断，滤波电感Lc中的电流给主开关S5的并联电容C5充电，给主开关S2的并联电容C2放电，由于S5的并联电容的存在，S5实现零电压关断。到t8时刻，主开关S2和反并二极管导通，电路进入下一阶段。
阶段9 (t8-t9):  
到t8时刻，电路进入开关矢量110状态，主开关S1，S3，S2和辅助开关S7导通。由谐振电感Lr，箝位电容Cc和辅助开关S7组成的闭合回路中，谐振电感Lr的电流在线性增加。到t9时刻，主开关S3关断，此阶段结束。
阶段10 (t9-t10):  
到t9时刻，主开关S3关断，滤波电感Lb中的电流给主开关S3的并联电容C3充电，给主开关S6的并联电容C6放电，由于S3的并联电容的存在，S3实现零电压关断。到t10时刻，主开关S6的反并二极管导通，与阶段1重合。电路重复下一个开关周期。

Claims (2)

1.附加续流通路的软开关三相PWM整流器，包括由六个有反并联二极管的全控主开关S1、S2、S3、S4、S5和S6构成的三相桥臂，分别接在各相桥臂中点与交流电网之间的输出滤波电感La、Lb和Lc和接于三相桥臂输出端的输出电容Co，其特征是在三相桥臂上并联一个具有反并联二极管的全控开关S8，全控开关S8并联电容C8，三相桥臂的六个主开关S1、S2、S3、S4、S5和S6分别并联电容C1、C2、C3、C4、C5和C6，在三相桥臂的直流母线和输出电容Co之间接入具有反并联二极管的辅助开关S7，辅助开关并联电容C7，辅助开关两端跨接由谐振电感Lr与箝位电容Cc相串联的谐振支路。
2.附加续流通路的软开关三相PWM整流器，包括由六个有反并联二极管的全控主开关S1、S2、S3、S4、S5和S6构成的三相桥臂，分别接在各相桥臂中点与交流电网之间的输出滤波电感La、Lb和Lc和接于三相桥臂输出端的输出电容Co，其特征是三相桥臂的六个主开关S1、S2、S3、S4、S5和S6分别并联电容C1、C2、C3、C4、C5和C6，在三相桥臂的直流母线和输出电容Co之间接入具有反并联二极管的辅助开关S7，辅助开关并联电容C7，辅助开关两端跨接由谐振电感Lr与箝位电容Cc相串联的谐振支路。
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