CN102624277B - 带高频整流桥的无死区三相ac/dc变流器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带高频整流桥的无死区三相变流器，属于三相交直流变换领域。具体涉及一种无死区三相变流器拓扑结构，目的是应用于中高功率场合。在与传统三相桥式变流器采用相同的空间矢量控制算法的情况下减小交流侧的电流谐波含量，降低滤波器的规格，并能够实现能量的双向流动与自然切换，不造成额外的开关损耗。该变流器包括直流侧支撑电容、三相上桥臂功率管、三相下桥臂功率管、三相上桥臂续流二极管、三相下桥臂续流二极管、三相高频整流桥、三相第一防直通滤波电感、三相第二防直通滤波电感。本发明解决了传统三相电压源型桥式变流器的桥臂功率管直通问题和双降压型变流器需屏蔽冗余开关信号以减小额外开关损耗以及过零点畸变的问题。

Description

带高频整流桥的无死区三相AC/DC变流器

技术领域

本发明涉及三相交直流变换领域，尤其涉及一种无死区三相变流器拓扑结构。

背景技术

近年来，随着工业技术的发展和能源危机的日益严峻，风力发电、电动汽车等节能、环保的技术领域取得了长足的发展。三相变流器能够实现交直流的电能变换，广泛应用于中高功率场合，受到了广泛的关注。

传统的三相桥式AC/DC变流器结构简单，能够实现能量的双向流动，变流器效率较高，采用空间矢量控制策略能够对交流侧电流进行精确控制，实现变流器的可靠运行。但是桥式拓扑每相上下桥臂功率管直接相连，存在桥臂直通问题，需要给上下桥臂互补的驱动信号加入死区，从而引入大量低次谐波，对滤波器的滤波性能要求更高，这样不仅会导致较高的进网电流失真度，也会增加滤波器的体积与成本。

针对桥式拓扑上下桥臂功率管的直通问题，南京航空航天大学的刘军、严仰光教授等在2002年提出了采用滞环电流控制的单相双降压逆变器拓扑，采用外接快恢复二极管进行续流，上桥臂功率管的输出端与下桥臂功率管的输入端分别与连接滤波电感，避免了上下桥臂功率管的直通问题。2012年孙鹏伟(Pengwei Sun)等人将双降压拓扑应用于三相AC/DC变流器，采用谐波注入法等效SVPWM控制策略，实现了三相双降压变流器的逆变运行。但是，三相双降压拓扑由于存在电感和功率管构成的回路，若采用传统桥式变流器SVPWM控制策略，其冗余开关信号会导致额外的开关损耗，因此双降压拓扑每相都应采取与该相电压对应的半周期控制，屏蔽冗余开关信号，从而增加控制的复杂程度，同时，由于控制中积分环节的存在，SVPWM计算出的等效调制波相对相电压有一定的滞后，存在电流过零点畸变问题，影响波形质量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种高效率高可靠性三相AC/DC变流器拓扑电路，以克服现有技术谐波含量高，存在过零点畸变等缺点。

本发明提出一种三相变流器拓扑电路，包括直流侧支撑电容、A相上桥臂功率管、A相下桥臂功率管、A相上桥臂续流二极管、A相下桥臂续流二极管、A相高频整流桥、A相第一防直通滤波电感、A相第二防直通滤波电感、B相上桥臂功率管、B相下桥臂功率管、B相上桥臂续流二极管、B相下桥臂续流二极管、B相高频整流桥、B相第一防直通滤波电感、B相第二防直通滤波电感、C相上桥臂功率管、C相下桥臂功率管、C相上桥臂续流二极管、C相下桥臂续流二极管、C相高频整流桥、C相第一防直通滤波电感、C相第二防直通滤波电感，其中直流侧支撑电容的正极P分别与A相上桥臂功率管的上端、B相上桥臂功率管的上端、C相上桥臂功率管的上端、A相上桥臂续流二极管的阴极、B相上桥臂续流二极管的阴极和C相上桥臂续流二极管的阴极连接，直流侧支撑电容的负极N分别与A相下桥臂功率管的下端、B相下桥臂功率管的下端、C相下桥臂功率管的下端、A相下桥臂续流二极管的阳极、B相下桥臂续流二极管的阳极和C相下桥臂续流二极管的阳极连接，A相上桥臂功率管的下端分别与A相上桥臂续流二极管的阳极和A相高频整流桥的第一输入端连接，A相下桥臂功率管的上端分别与A相下桥臂续流二极管的阴极和A相高频整流桥的第二输入端连接，A相高频整流桥的第一输出端与A相第一防直通滤波电感的输入端连接，A相高频整流桥的第二输出端与A相第二防直通滤波电感的输入端连接，A相第一防直通滤波电感的输出端与A相第二防直通滤波电感的输出端连接，B相上桥臂功率管的下端分别与B相上桥臂续流二极管的阳极和B相高频整流桥的第一输入端连接，B相下桥臂功率管的上端分别与B相下桥臂续流二极管的阴极和B相高频整流桥的第二输入端连接，B相高频整流桥的第一输出端与B相第一防直通滤波电感的输入端连接，B相高频整流桥的第二输出端与B相第二防直通滤波电感的输入端连接，B相第一防直通滤波电感的输出端与B相第二防直通滤波电感的输出端连接，C相上桥臂功率管的下端分别与C相上桥臂续流二极管的阳极和C相高频整流桥的第一输入端连接，C相下桥臂功率管的上端分别与C相下桥臂续流二极管的阴极和C相高频整流桥的第二输入端连接，C相高频整流桥的第一输出端与C相第一防直通滤波电感的输入端连接，C相高频整流桥的第二输出端与C相第二防直通滤波电感的输入端连接，C相第一防直通滤波电感的输出端与C相第二防直通滤波电感的输出端连接。

其中，所述的三相变流器控制策略可以完全采用传统三相桥式AC/DC变流器的空间矢量调制策略。

其中，所述的三相变流器能够实现能量的双向流动，即其既可以作为整流器运行，也可以作为逆变器运行，也可以作为静止无功补偿器运行。

其中，所述的三相变流器交流侧可以与三相电网相连，也可以与交流负载相连。

其中，所述的三相上桥臂功率管和三相下桥臂功率管既可以是金属氧化层半导体-场效晶体管(MOSFET)，也可以是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。

其中，所述的三相上桥臂续流二极管和三相下桥臂续流二极管既可以是功率管内部体二极管或集成二极管，也可以是外接快恢复二极管。

其中，组成所述三相高频整流桥的二极管为快恢复二极管。

本发明所述的一种三相变流器拓扑电路，每相功率管串联电感避免了桥臂直通问题，通过高频整流桥进行续流，不与功率管构成续流回路。该拓扑无需在上下桥臂互补驱动信号加入死区，并避免了二极管续流时冗余开关信号造成的功率损耗，能够实现变流器整流和逆变的自然切换，解决了传统三相电压源型变流器桥臂直通问题和双降压型变流器需屏蔽冗余开关信号以减小额外开关损耗以及过零点畸变的问题。

附图说明

图1是本发明所述的带高频整流桥的无死区三相变流器拓扑电路示意图；

图2是本发明关键波形示意图；

图3是本发明处于开关模态1时的工作原理图；

图4是本发明处于开关模态2时的工作原理图；

图5是本发明处于开关模态3时的工作原理图；

图6是本发明处于开关模态4时的工作原理图；

图7是本发明所述三相变流器能量双向流动SVPWM控制框图。

具体实施方式

如图1所示，一种带高频整流桥的无死区三相变流器，包括直流侧支撑电容C_in、A相上桥臂功率管S₁、A相下桥臂功率管S₂、A相上桥臂续流二极管D₁、A相下桥臂续流二极管D₂、A相高频整流桥B_ra、A相第一防直通滤波电感L_a1、A相第二防直通滤波电感L_a2、B相上桥臂功率管S₃、B相下桥臂功率管S₄、B相上桥臂续流二极管D₃、B相下桥臂续流二极管D₄、B相高频整流桥B_rb、B相第一防直通滤波电感L_b1、B相第二防直通滤波电感L_b2、C相上桥臂功率管S₅、C相下桥臂功率管S₆、C相上桥臂续流二极管D₅、C相下桥臂续流二极管D₆、C相高频整流桥B_rc、C相第一防直通滤波电感L_cl、C相第二防直通滤波电感L_c2，其中直流侧支撑电容C_in的正极P分别与A相上桥臂功率管S₁的上端、B相上桥臂功率管S₃的上端、C相上桥臂功率管S₅的上端、A相上桥臂续流二极管D₁的阴极、B相上桥臂续流二极管D₃的阴极和C相上桥臂续流二极管D₅的阴极连接，直流侧支撑电容C_in的负极N分别与A相下桥臂功率管S₂的下端、B相下桥臂功率管S₄的下端、C相下桥臂功率管S₆的下端、A相下桥臂续流二极管D₂的阳极、B相下桥臂续流二极管D₄的阳极和C相下桥臂续流二极管D₆的阳极连接，A相上桥臂功率管S₁的下端分别与A相上桥臂续流二极管D₁的阳极和A相高频整流桥B_ra的第一输入端连接，A相下桥臂功率管S₂的上端分别与A相下桥臂续流二极管D₂的阴极和A相高频整流桥B_ra的第二输入端连接，A相高频整流桥B_ra的第一输出端与A相第一防直通滤波电感L_a1的输入端连接，A相高频整流桥B_ra的第二输出端与A相第二防直通滤波电感L_a2的输入端连接，A相第一防直通滤波电感L_a1的输出端与A相第二防直通滤波电感L_a2的输出端连接，B相上桥臂功率管S₃的下端分别与B相上桥臂续流二极管D₃的阳极和B相高频整流桥B_rb的第一输入端连接，B相下桥臂功率管S₄的上端分别与B相下桥臂续流二极管D₄的阴极和B相高频整流桥B_rb的第二输入端连接，B相高频整流桥B_rb的第一输出端与B相第一防直通滤波电感L_b1的输入端连接，B相高频整流桥B_rb的第二输出端与B相第二防直通滤波电感L_b2的输入端连接，B相第一防直通滤波电感L_b1的输出端与B相第二防直通滤波电感L_b2的输出端连接，C相上桥臂功率管S₅的下端分别与C相上桥臂续流二极管D₅的阳极和C相高频整流桥B_rc的第一输入端连接，C相下桥臂功率管S₆的上端分别与C相下桥臂续流二极管D₆的阴极和C相高频整流桥B_rc的第二输入端连接，C相高频整流桥B_rc的第一输出端与C相第一防直通滤波电感L_c1的输入端连接，C相高频整流桥B_rc的第二输出端与C相第二防直通滤波电感L_c2的输入端连接，C相第一防直通滤波电感L_c1的输出端与C相第二防直通滤波电感L_c2的输出端连接。

图2为本发明带高频整流桥的无死区三相AC/DC变流器关键波形示意图。

电压电流参考方向如图1所示，i_a为A相交流侧电流，i_a1为流过A相第一防直通滤波电感L_a1的电流，i_a2为流过A相第二防直通滤波电感L_b2的电流，i_b为B相交流侧电流，i_b1为流过B相第一防直通滤波电感L_b1的电流，i_b2为流过B相第二防直通滤波电感L_b2的电流，i_c为C相交流侧电流，i_c1为流过C相第一防直通滤波电感L_c1的电流，i_c2为流过C相第二防直通滤波电感L_c2的电流。

则一个交流侧工频周期内可划分为四种工作模态，

变流器各相工作模态相同，以A相为例，有

i_a＝i_a1-i_a2    (1)

忽略高频纹波，令

i_a＝I_acosωt    (2)

如图3所示，开关模态1：

i_a方向为正，大小减小，此时流过电感L_a1的电流i_a1也为正方向，其值减小，根据

$u_{a1}=L_{a1}\frac{{\mathrm{di}}_{a1}}{\mathrm{dt}}---\left(3\right)$

电感的感应电势与电流的变化率有关，L_a1感应的电压与参考电压方向相反，即u_a1＜0。当S₁导通时，忽略导通压降，E点电位V_E等于P点电位V_P，由于u_a1＜0，故A点电位V_A高于V_E，即V_A＞V_P，此时二极管D_aq2导通，加在L_a2上的电压与参考方向相同，且u_a2等于-u_a1，此时流过L_a2的电流i_a2为电压u_a2对时间的积分，即

$i_{a2}=\frac{1}{L_{a1}}\∫u_{a2}\mathrm{dt}---\left(4\right)$

i_a2与参考方向相同，其值增大。当S₁关断时，由于i_a1不能突变，二极管D₂续流，此时V_O＝V_N，则V_A＞V_N。对于中高功率三相变流器系统，直流侧电压较高，电感L_a1感值为毫亨级别，根据式(3)，其感应电势低于直流侧电压，故V_A＜V_P。由于L_a1和L_a2的电压始终满足

u_a2＝-u_a1    (5)

由式(4)(5)可得

$i_{a2}=-\frac{1}{L_{a1}}{\∫u}_{a1}\mathrm{dt}=-i_{a1}+\mathrm{const}---\left(6\right)$

其中const为常数，由式(1)得

2i_a1-const＝I_acosωt    (7)

由此得i_a1和i_a2的表达式

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{a1}=\frac{I_a\cos \mathrm{\ωt}+\mathrm{const}}{2}\\ i_{a2}=\frac{-I_a\cos \mathrm{\ωt}+\mathrm{const}}{2}\end{array}\right.---\left(8\right)$

由于初始时刻电感电流从零开始上升，故i_a1和i_a2始终大于等于0，且i_a1和i_a2最小值为0，根据式(8)

const＝|I_acosωt|_max＝I_a    (9)

从而得到

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{a1}=\frac{I_a}{2}\cos \mathrm{\ωt}+\frac{I_a}{2}\\ i_{a2}=-\frac{I_a}{2}\cos \mathrm{\ωt}+\frac{I_a}{2}\end{array}\right.---\left(10\right)$

流过L_a1和L_a2的电流与i_a同相位，幅值为其1/2，且带有I_a/2直流偏置。在SVPWM控制方法下，S₁和S₂互补导通，对于双BUCK拓扑，S₂导通时，i_a2流过S₂，会造成较大的开关损耗，对于本发明所述三相变流器，S₂导通时，i_a2流过D₂，不会导致额外的开关损耗。

如图4所示，开关模态2：

该模态下i_a方向为负，大小增大，流过电感L_a2的电流i_a2方向为正，其值也增大，感应电势u_a2与参考方向相同，当S₂导通时，V_A＞V_F＝V_N，由于电感电流i_a1不能突变，其通过二极管D_aq3续流，故V_K＝V_N，V_A＞V_K，即L_a1两端电压u_a1与参考电压方向相反，其值等于u_a2，故i_a1减小。

当S₂关断时，二极管D₁续流，V_E＝V_P，由于D_aq1和D_aq2导通，则V_L＝V_K，由于感应电势u_a2＞0，即V_A＞V_L，则u_a1＜0，i_a1继续减小。可以看出，在模态II下，当S₁和S₂互补导通时，u_a1和u_a2也满足式(5)，从而可以推出该模态下i_a1和i_a2也满足式(10)。

如图5所示，开关模态3：

该模态下i_a方向为负，大小减小，流过电感L_a2的电流i_a2方向为正，其值也减小，感应电势u_a2与参考方向相反。

当S₂导通时，V_A＜V_L＝V_N，二极管D_aq3导通，故V_K＝V_N，V_A＜V_K，L_a1两端电压u_a1与参考电压方向相同，故i_a1增大。

当S₂关断时，二极管D₁续流，由于u_a2＜0，则u_a1＞0，i_a1继续增大。此时u_a1、u_a2和i_a1、i_a2分别满足式(5)和式(10)。

如图6所示，开关模态4：

该模态下i_a方向为正，大小增大，流过电感L_a1的电流i_a1方向为正，其值也增大，感应电势u_a1与参考方向相同。当S₁导通时，V_A＜V_K＝V_P，由于电感电流i_a2不能突变，其通过二极管D_aq2续流，故V_P＝V_L，V_A＜V_L，即L_a2两端电压u_a2与参考电压方向相反，其值等于u_a1，故i_a2减小。

当S₁关断时，二极管D₂续流，V_N＝V_F，由于此时D_aq3、D_aq4导通，则V_K＝V_L，由于感应电势u_a1＞0，即V_A＜V_K，则V_A＜V_L，u_a2＜0，i_a2继续减小，u_a1、u_a2和i_a1、i_a2分别满足式(5)和式(10)。

如图7所示，采用SVPWM控制算法，直流侧电压误差信号经PI调节后作为有功电流的给定，采样三相电网电流镜坐标变换后转化为旋转直角坐标系进行PI调节，经SVPWM运算后得到各功率管的驱动信号，有功电流给定的正负即为能量双向流动切换的依据。

Claims (7)

1.一种带高频整流桥的无死区三相变流器，其特征在于包括直流侧支撑电容(C_in)、A相上桥臂功率管(S₁)、A相下桥臂功率管(S₂)、A相上桥臂续流二极管(D₁)、A相下桥臂续流二极管(D₂)、A相高频整流桥(B_ra)、A相第一防直通滤波电感(L_a1)、A相第二防直通滤波电感(L_a2)、B相上桥臂功率管(S₃)、B相下桥臂功率管(S₄)、B相上桥臂续流二极管(D₃)、B相下桥臂续流二极管(D₄)、B相高频整流桥(B_rb)、B相第一防直通滤波电感(L_b1)、B相第二防直通滤波电感(L_b2)、C相上桥臂功率管(S₅)、C相下桥臂功率管(S₆)、C相上桥臂续流二极管(D₅)、C相下桥臂续流二极管(D₆)、C相高频整流桥(B_rc)、C相第一防直通滤波电感(L_c1)、C相第二防直通滤波电感(L_c2)，其中直流侧支撑电容(C_in)的正极P分别与A相上桥臂功率管(S₁)的上端、B相上桥臂功率管(S₃)的上端、C相上桥臂功率管(S₅)的上端、A相上桥臂续流二极管(D₁)的阴极、B相上桥臂续流二极管(D₃)的阴极和C相上桥臂续流二极管(D₅)的阴极连接，直流侧支撑电容(C_in)的负极N分别与A相下桥臂功率管(S₂)的下端、B相下桥臂功率管(S₄)的下端、C相下桥臂功率管(S₆)的下端、A相下桥臂续流二极管(D₂)的阳极、B相下桥臂续流二极管(D₄)的阳极和C相下桥臂续流二极管(D₆)的阳极连接，A相上桥臂功率管(S₁)的下端分别与A相上桥臂续流二极管(D₁)的阳极和A相高频整流桥(B_ra)的第一输入端连接，A相下桥臂功率管(S₂)的上端分别与A相下桥臂续流二极管(D₂)的阴极和A相高频整流桥(B_ra)的第二输入端连接，A相高频整流桥(B_ra)的第一输出端与A相第一防直通滤波电感(L_a1)的输入端连接，A相高频整流桥(B_ra)的第二输出端与A相第二防直通滤波电感(L_a2)的输入端连接，A相第一防直通滤波电感(L_a1)的输出端与A相第二防直通滤波电感(L_a2)的输出端连接，B相上桥臂功率管(S₃)的下端分别与B相上桥臂续流二极管(D₃)的阳极和B相高频整流桥(B_rb)的第一输入端连接，B相下桥臂功率管(S₄)的上端分别与B相下桥臂续流二极管(D₄)的阴极和B相高频整流桥(B_rb)的第二输入端连接，B相高频整流桥(B_rb)的第一输出端与B相第一防直通滤波电感(L_b1)的输入端连接，B相高频整流桥(B_rb)的第二输出端与B相第二防直通滤波电感(L_b2)的输入端连接，B相第一防直通滤波电感(L_b1)的输出端与B相第二防直通滤波电感(L_b2)的输出端连接，C相上桥臂功率管(S₅)的下端分别与C相上桥臂续流二极管(D₅)的阳极和C相高频整流桥(B_rc)的第一输入端连接，C相下桥臂功率管(S₆)的上端分别与C相下桥臂续流二极管(D₆)的阴极和C相高频整流桥(B_rc)的第二输入端连接，C相高频整流桥(B_rc)的第一输出端与C相第一防直通滤波电感(L_c1)的输入端连接，C相高频整流桥(B_rc)的第二输出端与C相第二防直通滤波电感(L_c2)的输入端连接，C相第一防直通滤波电感(L_c1)的输出端与C相第二防直通滤波电感(L_c2)的输出端连接。

2.如权利要求1所述的带高频整流桥的无死区三相变流器，其特征在于，所述的三相变流器控制策略可以完全采用传统三相桥式AC/DC变流器的空间矢量调制策略。

3.如权利要求1所述的带高频整流桥的无死区三相变流器，其特征在于，所述的三相变流器能够实现能量的双向流动，即其既可以作为整流器运行，也可以作为逆变器运行，也可以作为静止无功补偿器运行。

4.如权利要求1或3所述的带高频整流桥的无死区三相变流器，其特征在于，所述的三相变流器交流侧可以与三相电网相连，也可以与交流负载相连。

5.如权利要求1所述的带高频整流桥的无死区三相变流器，其特征在于，所述的三相上桥臂功率管和三相下桥臂功率管既可以是金属氧化层半导体-场效晶体管(MOSFET)，也可以是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。

6.如权利要求1所述的带高频整流桥的无死区三相变流器，其特征在于，所述的三相上桥臂续流二极管和三相下桥臂续流二极管既可以是功率管内部体二极管或集成二极管，也可以是外接快恢复二极管。

7.如权利要求1所述的带高频整流桥的无死区三相变流器，其特征在于，组成所述三相高频整流桥的二极管为快恢复二极管。

Images