CN102931858B - 三相整流电路及其控制方法与控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三相整流电路及其控制方法与控制装置。其中三相整流电路用于将三相交流电转换为向储能元件充电的直流电源，包括三对整流桥臂，每对整流桥臂包括上整流桥臂和下整流桥臂，上整流桥臂的第一端与储能元件的正极电连接，下整流桥臂的第二端与储能元件的负极电连接，三相交流电中的一相与上整流桥臂的第二端以及下整流桥臂的第一端电连接，其中，上整流桥臂和下整流桥臂分别包括互相反向并联的第一全控型开关管和第二全控型开关管。本发明使用全控型开关管替换了续流二极管，以可控的电流向储能元件进行充电，保证了整流电路的安全性，提高了整流电路中各器件的使用寿命。

Description

三相整流电路及其控制方法与控制装置

技术领域

本发明涉及电力电子领域，具体而言，涉及一种三相整流电路及其控制方法与控制装置。

背景技术

整流电路的作用是将交流电变为直流电，应用十分广泛。按照不同的角度可将整流电路分成多种类型，按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种，按电路结构可分为桥式电路和零式电路，按交流输入相数分为单相电路和多相电路。

三相桥式整流电路目前在整流电路中的应用比较广泛，这种电路形式将三相交流电转换为直流电源，直流电源完成向直流负载进行供电或者向直流储能元件进行充电的功能。图1是现有技术中向储能元件三相桥式整流电路的示意图，该三相桥式整流电路包括三对桥臂，按照与之连接的交流电源相序可以分为A相桥臂，B相桥臂，C相桥臂，每相桥臂包括上桥臂开关管和下桥臂开关管，在图中T1、T4分别为A相桥臂的上桥臂开关管；T3、T6分别为B相桥臂的上桥臂开关管；T5、T2分别为C相桥臂的上桥臂开关管，每个开关管反向并联了一个续流二极管，如图中的D1、D4、D3、D6、D5、D2。下面以线电压Uab为例说明该三相桥式整流电路的工作原理。

若Uab>0，当T4导通时，Uab通过T4、D6向La和Lb储能，当T4关断时，La、Lb中储存的能量通过D1、D6向直流侧储能单元充电。若Uab<0，当T6导通时，Uab通过T6、D4向La和Lb储能，当T6关断时，La、Lb中储存的能量通过D1、D4向直流侧储能单元充电。

但是，使用图1中的向储能元件三相桥式整流电路，在通过续流二极管向直流侧储能单元充电的过程中，若储能单元电压远低于输入电压，且使用的续流二极管是不可控器件，则会使得充电电流过大且不可控。过大且不可控的充电电流有可能损坏电力电子器件和储能单元。

现有技术中的三相桥式整流电路因充电电流不可控导致损坏电力电子器件和储能单元的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明旨在提供一种三相整流电路及其控制方法与控制装置，以解决现有技术中三相桥式整流电路因充电电流过大且不可控导致损坏电力电子器件和储能单元的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种三相整流电路。该三相整流电路用于将三相交流电转换为向储能元件充电的直流电源，包括三对整流桥臂，每对整流桥臂包括上整流桥臂和下整流桥臂，上整流桥臂的第一端与储能元件的正极电连接，下整流桥臂的第二端与储能元件的负极电连接，三相交流电中的一相与上整流桥臂的第二端以及下整流桥臂的第一端电连接，其中，上整流桥臂和下整流桥臂分别包括互相反向并联的第一全控型开关管和第二全控型开关管。

进一步地，三相交流电中的一相通过电感器与上整流桥臂的第二端以及下整流桥臂的第一端电连接。

进一步地，储能元件为锂电池或者超级电容。

进一步地，第一全控型开关管和第二全控型开关管均为全控型开关管为IGBT，第一全控型开关管的栅极与第二全控型开关管的源极电连接，第一全控型开关管的源极与第二全控型开关管的栅极电连接。

进一步地，IGBT为N沟道IGBT。

进一步地，IGBT也可以为P沟道IGBT。

根据本发明的另一方面，还提供了一种三相整流电路的控制方法。该三相整流电路的控制方法中的三相整流电路以上介绍的任意一种三相整流电路。该三相整流电路的控制方法包括：检测储能元件两端的电压；根据储能元件两端的电压控制各桥臂中的第一全控型开关管和/或第二全控型开关管。

进一步地，根据储能元件两端的电压控制各桥臂中的第一全控型开关管和/或第二全控型开关管导通或关断包括：比较储能元件两端的电压与预设电压值的大小；当储能元件两端的电压大于预设电压值时，控制各桥臂中的第一全控型开关管和第二全控型开关管导通或关断；当储能元件两端的电压小于预设电压值时，控制各桥臂中第二全控型开关管导通或关断，同时控制各桥臂中第一全控型开关管处于关断状态。

进一步地，根据储能元件两端的电压控制各桥臂中的第一全控型开关管和/或第二全控型开关管包括：根据储能元件两端的电压向各桥臂中的第一全控型开关管和/或第二全控型开关管发送对应的PWM驱动信号。

根据本发明的另一方面，还提供了一种三相整流电路的控制装置。该三相整流电路的控制装置中的三相整流电路以上介绍的任意一种三相整流电路。该三相整流电路的控制装置包括：电压检测模块，用于检测储能元件两端的电压；开关管驱动模块，用于根据储能元件两端的电压控制各桥臂中的第一全控型开关管和/或第二全控型开关管导通或关断。

应用本发明的技术方案，三相整流电路使用原来依靠电路特点自动导通的续流二极管替换为全控型开关管，从而可以根据电路实际的工作情况，控制相应地控制开关管导通或者关闭，以可控的电流向储能元件进行充电，保证了整流电路的安全性，提高了整流电路中各器件的使用寿命。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是现有技术中向储能元件三相桥式整流电路的示意图；

图2是根据本发明实施例的三相整流电路的示意图；

图3是根据本发明实施例的三相整流电路的控制装置的示意图；

图4是根据本发明实施例的三相整流电路的控制方法的示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明实施例提供了一种三相整流电路，该三相整流电路用于将三相交流电转换为向储能元件充电的直流电源，图2是根据本发明实施例的三相整流电路的示意图，如图2所示，该三相整流电路，包括三对整流桥臂，每对整流桥臂包括上整流桥臂和下整流桥臂，上整流桥臂的第一端与储能元件的正极电连接，下整流桥臂的第二端与储能元件的负极电连接，三相交流电中的一相与上整流桥臂的第二端以及下整流桥臂的第一端电连接，上整流桥臂和下整流桥臂分别包括互相反向并联的第一全控型开关管和第二全控型开关管。

在图2中，Va、Vb、Vc分别为A相、B相、C相交流电源，T1、T4分别为A相桥臂的上桥臂和下桥臂的第一全控型开关管；T3、T6分别为B相桥臂的上桥臂和下桥臂的第一全控型开关管；T5、T2分别为C相桥臂的上桥臂和下桥臂的第一全控型开关管。在T1两端反并联有A相上桥臂的第二全控型开关管V1，在T4两端反并联有A相下桥臂的第二全控型开关管V4，在T3两端反并联有B相上桥臂的第二全控型开关管V3，在T6两端反并联有B相下桥臂的第二全控型开关管V6，在T5两端反并联有C相上桥臂的第二全控型开关管V5，在T2两端反并联有C相下桥臂的第二全控型开关管V2。

本发明实施例的三相整流电路使用原来依靠电路特点自动导通的续流二极管替换为全控型开关管，从而可以根据电路实际的工作情况，控制相应地控制开关管导通或者关闭，以可控的电流向储能元件进行充电，保证了整流电路的安全性，提高了整流电路中各开关器件及储能元件的使用寿命。

优选地，三相交流电中的一相可以通过电感器与上整流桥臂的第二端以及下整流桥臂的第一端电连接。也就是在图1中Va通过La连接到A相上桥臂和A相下桥臂之间，Vb通过Lb连接到B相上桥臂和B相下桥臂之间，Vc通过Lc连接到C相上桥臂和C相下桥臂之间。电感器可以作为交流电源的电流储能元件，以防止交流电流的波动，并可以起到滤波的作用。

上述储能元件可以为锂电池或者超级电容等大容量的直流储能元件，这类直流储能元件，最佳的充电方式是以稳定的电流进行充电，而现有技术中续流二极管导致电流不可控，会影响储能元件的性能。

上述，第一全控型开关管和第二全控型开关管可以选用门极可关断晶闸管（Gate-Turn-offThyristor，GTO）、电力晶体管（Giant Transistor，GTR）、电力场效应管（Field Effect Transistor，FET）、绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor，IGBT）。应用时将以上全控型开关管的受控端反向并联。由于IGBT因其开关速度快，驱动电路简单的优点目前应用更为广泛，因此本实施例的三相整流电路的全控型开关管优选使用IGBT，具体的连接方式为第一全控型开关管的栅极与第二全控型开关管的源极电连接，第一全控型开关管的源极与第二全控型开关管的栅极电连接。电路中的IGBT可以统一使用N沟道IGBT或者P沟道IGBT。

本发明实施例还提供了上述三相整流电路的控制装置，该控制装置用于对上述实施例的三相整流电路进行控制，使用如脉宽调制（PWM）算法等驱动算法向IGBT的门极或其它全控开关管的控制端发送相应的控制信号。

图3是根据本发明实施例的三相整流电路的控制装置的示意图，如图3所示，该三相整流电路的控制装置包括：电压检测模块31，用于检测储能元件两端的电压；开关管驱动模块33，用于根据储能元件两端的电压控制各桥臂中的第一全控型开关管和/或第二全控型开关管导通或关断。

其中，开关管驱动模块33具体的控制方式可以包括比较储能元件两端的电压与预设电压值的大小；当储能元件两端的电压大于预设电压值时，控制各桥臂中的第一全控型开关管和第二全控型开关管导通或关断；当能元件两端的电压小于预设电压值时，控制各桥臂中第二全控型开关管导通或关断，同时控制各桥臂中第一全控型开关管处于关断状态。也就是当储能元件的电压较小，交流侧电压与直流侧电压的压差较大时，保持第一全控型开关管关断，通过第二全控型开关管控制充电电流。当储能元件随着充电过程，电压逐渐上升，交流侧电压与直流侧电压的压差缩小，控制可以同时控制第一全控型开关管和第二全控型开关管以加快充电过程。

优选地，开关管驱动模块33的驱动算法可以使用PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）方式，即根据储能元件两端的电压向各桥臂中的第一全控型开关管和/或第二全控型开关管发送对应的PWM驱动信号。

本发明实施例还提供了一种三相整流电路的控制方法，该三相整流电路的控制方法可以通过本发明上述实施例所提供的任一种三相整流电路的控制装置来执行，并且，该三相整流电路的控制方法可以应用于包括以上实施例的三相整流电路，图4是根据本发明实施例的三相整流电路的控制方法的示意图，如图4所示，该三相整流电路的控制方法包括：

步骤S41，检测储能元件两端的电压；

步骤S43，根据储能元件两端的电压控制各桥臂中的第一全控型开关管和/或第二全控型开关管。

其中步骤S43具体可以包括：比较储能元件两端的电压与预设电压值的大小；当能元件两端的电压大于预设电压值时，控制各桥臂中的第一全控型开关管和第二全控型开关管导通或关断；当能元件两端的电压小于预设电压值时，控制各桥臂中第二全控型开关管导通或关断，同时控制各桥臂中第一全控型开关管处于关断状态。也就是当储能元件的电压较小，交流侧电压与直流侧电压的压差较大时，保持第一全控型开关管关断，通过第二全控型开关管控制充电电流。当储能元件随着充电过程，电压逐渐上升，交流侧电压与直流侧电压的压差缩小，控制可以同时控制第一全控型开关管和第二全控型开关管以加快充电过程。

步骤S43的算法可以使用根据PWM方式，即根据储能元件两端的电压向各桥臂中的第一全控型开关管和/或第二全控型开关管发送对应的PWM驱动信号。

以下以Uab线电压为例，对使用以上控制方法的三相整流电路进行说明：

根据交流侧输入电压进行预先设置一个预设电压值，具体的可以设置为交流侧输入电压的一定比例，如50%等。当储能单元电压小于预设电压值时，第一全控型开关管T1至T6保持关断状态，通过控制第二全控型开关管V1至V6的通断向储能单元充电，由于V1至V6均为可控电力电子器件，因此，不论储能单元电压有多低，均能通过控制器件的通断以可控的电流给储能单元充电。以Uab为例说明电路工作过程，若Uab>0，控制V1、V6导通，Uab通过V1、V6向储能单元充电；若Uab<0，控制V3、V4导通，Uab通过V3、V4向储能单元充电。

当储能单元电压大于上述预设电压值时，通过控制T1至T6和V1至V6的通断向储能单元充电。以Uab为例说明电路工作过程，若Uab>0，当T4导通时，控制V6导通，Uab通过T4、V6向La、Lb储能；当T4关断时，控制V1、V6导通，La、Lb中储存的能量通过V1、V6向直流侧储能单元充电。

若Uab<0，当T6导通时，控制V4导通，Uab通过T6、V4向La、Lb储能；当T6关断时，控制V3、V4导通，La、Lb中储存的能量通过V3、V4向直流侧储能单元充电。

通过以上的工作原理，可以达到无论储能单元电压有多低，均能通过控制反向IGBT的通断以可控的电流给储能单元充电，提高了整流电路的安全性和可靠性，提高了元器件的使用寿命。

应用本发明的技术方案，三相整流电路使用原来依靠电路特点自动导通的续流二极管替换为全控型开关管，从而可以根据电路实际的工作情况，控制相应地控制开关管导通或者关闭，以可控的电流向储能元件进行充电，保证了整流电路的安全性，提高了整流电路中各器件的使用寿命。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三相整流电路，用于将三相交流电转换为向储能元件充电的直流电源，包括三对整流桥臂，其特征在于，

每对所述整流桥臂包括上整流桥臂和下整流桥臂，所述上整流桥臂的第一端与所述储能元件的正极电连接，所述下整流桥臂的第二端与所述储能元件的负极电连接，所述三相交流电中的一相与所述上整流桥臂的第二端以及所述下整流桥臂的第一端电连接，其中，

所述上整流桥臂和所述下整流桥臂分别包括互相反向并联的第一全控型开关管和第二全控型开关管；

其中，在检测所述储能元件两端的电压之后，根据所述储能元件两端的电压控制各桥臂中的第一全控型开关管和/或第二全控型开关管，

其中，根据所述储能元件两端的电压控制各桥臂中的所述第一全控型开关管和/或所述第二全控型开关管包括：比较所述储能元件两端的电压与预设电压值的大小；当所述储能元件两端的电压大于所述预设电压值时，控制各桥臂中的所述第一全控型开关管和所述第二全控型开关管导通或关断；当所述储能元件两端的电压小于所述预设电压值时，控制各桥臂中所述第二全控型开关管导通或关断，同时控制各桥臂中所述第一全控型开关管处于关断状态。

2.根据权利要求1所述的三相整流电路，其特征在于，所述三相交流电中的一相通过电感器与所述上整流桥臂的第二端以及所述下整流桥臂的第一端电连接。

3.根据权利要求1所述的三相整流电路，其特征在于，所述储能元件为锂电池或者超级电容。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的三相整流电路，其特征在于，所述第一全控型开关管和所述第二全控型开关管均为全控型开关管为IGBT，所述第一全控型开关管的发射极与所述第二全控型开关管的集电极电连接，所述第一全控型开关管的集电极与所述第二全控型开关管的发射极电连接。

5.根据权利要求4所述的三相整流电路，其特征在于，所述IGBT为N沟道IGBT。

6.根据权利要求4所述的三相整流电路，其特征在于，所述IGBT为P沟道IGBT。

7.一种三相整流电路的控制方法，该三相整流电路为权利要求1至6中任一项所述的三相整流电路，其特征在于，包括：

检测储能元件两端的电压；

根据所述储能元件两端的电压控制各桥臂中的第一全控型开关管和/或第二全控型开关管。

8.根据权利要求7所述的三相整流电路的控制方法，其特征在于，根据所述储能元件两端的电压控制各桥臂中的第一全控型开关管和/或第二全控型开关管导通或关断包括：

比较所述储能元件两端的电压与预设电压值的大小；

当所述储能元件两端的电压大于所述预设电压值时，控制各桥臂中的第一全控型开关管和第二全控型开关管导通或关断；

当所述储能元件两端的电压小于所述预设电压值时，控制各桥臂中第二全控型开关管导通或关断，同时控制各桥臂中第一全控型开关管处于关断状态。

9.根据权利要求7所述的三相整流电路的控制方法，其特征在于，根据所述储能元件两端的电压控制各桥臂中的第一全控型开关管和/或第二全控型开关管包括：

根据所述储能元件两端的电压向各桥臂中的第一全控型开关管和/或第二全控型开关管发送对应的PWM驱动信号。

10.一种三相整流电路的控制装置，该三相整流电路为权利要求1至6中任一项所述的三相整流电路，其特征在于，包括：

电压检测模块，用于检测储能元件两端的电压；

开关管驱动模块，用于根据所述储能元件两端的电压控制各桥臂中的第一全控型开关管和/或第二全控型开关管导通或关断。