CN106026717B - 用于高频高压直流电源的三相整流器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于高频高压直流电源的三相整流器及其控制方法，其特征在于该三相整流器的电路构成是：第一电感L1的一端连接三相整流器第一输入口d，第二电感L2的一端连接三相整流器第二输入口e，第三电感L3的一端连接三相整流器第三输入口f；开关管Q1的源极、开关管Q2的漏极与第一电感L1的另一端相连接，开关管Q3的源极、开关管Q4的漏极与第二电感L2的另一端相连接；开关管Q5的源极、开关管Q6的漏极与第三电感L3的另一端相连接；开关管Q1、开关管Q3、开关管Q5、开关管Q7及开关管Q9的漏极均相连，开关管Q2、开关管Q4、开关管Q6及开关管Q8的源极均相连；放电电阻RS的一端与开关管Q8的源极连接，另一端与开关管Q9的源极连接。
Description
技术领域
本发明涉及用于高频高压直流电源的三相整流器及其控制方法。
背景技术
高压直流电源有着广泛的应用领域，如医学用X光机、工业用静电除尘器、军事用雷达发生机、农业用静电植绒等等，这些都需要采用大功率、高频化的高压直流电源。
高频高压直流电源主要由三相电源、三相整流器、高频升压电路组成，三相电源、三相整流器、高频升压电路均与控制器连接，连接方式如图2所示。高频高压直流电源的工作过程存在以下问题：(1)三相整流器和升压电路中高频器件的使用对电网造成了严重的谐波污染。(2)在电源启动过程中，对三相整流器的滤波电容充电会使输出电压在很短的时间内由0直接上升到几kV甚至几十kV，对电源中开关器件以及变压器的电压应力提出了很大的考验。(3)在电源启动完成后，电源进入正常带载工作状态，这时需要对电源的输出电压进行调节，确保电压在正常工作范围内。(4)在电源的输出电压上升到一定值以后，会击穿空气，使空气变为导体，现有的技术资料表明击穿1mm距离的空气大约需要3kV，而高频高压直流电源输出在几十kV到几百kV，在出现空气击穿后，输出电流发生突变导致电源进入保护，此时三相整流器滤波电容中仍具有较高电能，如果不能及时对电容进行放电处理，将会对电源系统及生命安全造成威胁。
目前广泛使用的三相整流器为桥式不控整流器，这种整流器由六个二极管组成，具有功率因数低，输出不可控的缺点，直接应用于上述的高频高压直流电源中不能克服上述的问题。
专利US 20090129124 A1(2009年5月21日)公开了一种高频高压直流电源的拓扑结构及其控制方法，该电源依然采用传统的三相桥式不控整流器，同样不能实现单位功率因数校正和滤波电容电压调节，同时也没有解决滤波电容的放电问题。
论文“Electrostatic Precipitator Control Systems”(IEEE IndustryApplications Magazine,2010,16(4):28-33.)将三相桥式不控整流器上桥臂的三个二极管用可控硅代替，实现了功率因数校正，但并不能实现对滤波电容电压的调节，论文中通过对后级逆变器开关管的控制来达到调节输出电压的目的，但这种调节方式明显不够灵活。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是：提供一种用于高频高压直流电源的三相整流器及其控制方法。该整流器针对高频高压直流电源的启动、带载调压和保护进行设计，不仅能实现功率因数校正与电压调节，而且能够在系统保护时及时对直流侧滤波电容进行放电处理。该控制方法针对本发明中的整流器进行控制，简单可靠，具有良好的动态性能和快速响应的优点。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：
一种用于高频高压直流电源的三相整流器，其特征在于该三相整流器的电路构成是：第一电感L1的一端连接三相整流器第一输入口d，第二电感L2的一端连接三相整流器第二输入口e，第三电感L3的一端连接三相整流器第三输入口f；开关管Q1的源极、开关管Q2的漏极与第一电感L1的另一端相连接，开关管Q3的源极、开关管Q4的漏极与第二电感L2的另一端相连接；开关管Q5的源极、开关管Q6的漏极与第三电感L3的另一端相连接；开关管Q1、开关管Q3、开关管Q5、开关管Q7及开关管Q9的漏极均相连，开关管Q2、开关管Q4、开关管Q6及开关管Q8的源极均相连；放电电阻RS的一端与开关管Q8的源极连接，另一端与开关管Q9的源极连接；开关管Q7的源极与滤波电容C1的一端和三相整流器的输出正极连接，开关管Q8的漏极与滤波电容C1的另一端和三相整流器的输出负极连接，开关管Q1～Q9栅极和源极之间的驱动信号均与高频高压直流电源的DSP控制器的控制信号连接。
上述的用于高频高压直流电源的三相整流器的控制方法，该控制方法用于高频高压直流电源的启动、带载调压及保护过程中，包括：
1)三相整流器在高频高压直流电源启动过程中的控制：
关断开关管Q1～Q6和开关管Q9，通过控制开关管Q7和开关管Q8的导通时间来控制滤波电容C1的充电时间，从而达到对滤波电容C1电压大小的控制，在高频高压直流电源启动过程中，需要对滤波电容C1进行充电，开关管Q7和开关管Q8保证了对滤波电容C1充电电流的单向性；
2)三相整流器在高频高压直流电源带载调压过程中的控制：
高频高压直流电源启动完成后，需同时进行带负载调压和功率因数校正，开关管Q7和开关管Q8一直处于开通状态，开关管Q9一直处于关断状态，DSP控制器控制开关管Q1～Q6的导通时序来对高频高压直流电源的功率因数进行校正，与此同时，在DSP控制器中增大或减小滤波电容C1的电压基准值来调节三相整流器输出电压的大小，从而调节了高频高压直流电源的输出电压；
3)三相整流器在高频高压直流电源保护过程中的控制：
当高频高压直流电源输出电流发生突变时，升压电路将被锁死从而进入保护状态，关断开关管Q1～Q6，开通开关管Q7～Q9，这时滤波电容C1与放电电阻RS组成回路，滤波电容C1对放电电阻RS放电，能够实现对高频高压直流电源的保护。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)在高压电源启动过程中，需要对三相整流器的滤波电容充电，滤波电容上的电压经过升压电路以后会输出一个很高的电压，现有高频高压直流电源的输出电压大概在3s的启动时间内便会由0直接上升到几十kV，对电源系统中开关器件以及变压器的电压应力提出了很大的考验，同时由于启动过程电压不能够进行控制，在出现意外情况时，电源不能进行快速的保护响应。本发明关断开关管Q1～Q6及Q9，通过控制开关管Q7和Q8的导通时间来控制滤波电容充电时间以达到对滤波电容C1电压大小的调控，在出现意外情况时，开通开关管Q9，电容能够通过放电电阻快速放电，实现了高频高压直流电源的安全可控软启动。图3对比了高频高压直流电源中传统三相桥式不控整流器和本发明三相整流器在启动过程中滤波电容电压的波形图，可以明显的看出，软启过程中滤波电容上的电压得到了控制。
(2)在高压电源系统启动完成后，需要对电源系统进行带负载调节输出压，现有的三相整流器在进行功率因数校正的同时，不能够对输出电压进行调节，只能通过升压电路来调节输出电压，但这种方法调压范围很窄。本发明开通开关管Q7和Q8，关断开关管Q9，改变DSP控制器4中滤波电容电压的基准值就可以控制开关管Q1～Q6的导通时序，实现功率因数校正的同时也对高频高压直流电源的输出电压进行了调节。图4为整流器输入三相电压和输入三相电流，能够明显的看出a、b、c对应相的电压和电流具有相同的相位，实现了单位功率因数校正。由图5中滤波电容电压的波形可以看出，滤波电容电压能够从一个稳定的值调节到另外一个稳定值的状态，既可以升压，也可以进行降压。
(3)在高频高压直流电源的输出电压上升到一定值以后，会击穿空气，使空气变为导体，现有的技术资料表明击穿1mm距离的空气大约需要3kV,而高频高压直流电源输出在几十kV到几百kV，在出现空气击穿后，输出电流发生突变导致高频高压直流电源进行保护，本发明关断开关管Q1～Q6，开通开关管Q7～Q9，实现了高频高压直流电源保护后对滤波电容的放电，改善了高频高压直流电源自身的安全性能。图6所示为发生突变时的输出电流以及此时滤波电容上电压的波形示意图，由此可以明显的看出，在输出电流发生突变以后，开关管Q7～Q9能够快速动作以保证滤波电容电压迅速降为0。
(4)综合上述特点，本发明三相整流器同时具有功率因数校正和输出电压实时可调的特点；对比现有的三相整流器，在高频高压直流电源的启动和保护过程中，具有对滤波电容电压完全自主控制的优点；在带负载调压的过程中，具有同时实现功率因数校正和输出电压调节的优点。
附图说明
图1是本发明用于高频高压直流电源的三相整流器的电路结构图。
图2是高频高压直流电源的结构框图。
图3是传统和本发明三相整流器在高频高压直流电源启动过程中滤波电容电压波形示意图。
图4是本发明三相整流器在高频高压直流电源带载过程中实现功率因数校正的相关波形示意图。
图5是本发明三相整流器在高频高压直流电源带载过程中滤波电容电压波形示意图。
图6是本发明三相整流器在高频高压直流电源出现空气击穿时的相关波形示意图。
图7a是本发明三相整流器在高频高压直流电源启动过程中直流侧电流流动示意图。
图7b是本发明三相整流器在高频高压直流电源带载过程中直流侧电流流动示意图。
图7c是本发明三相整流器在高频高压直流电源保护过程中直流侧电流流动示意图。
图中，1三相电源，2三相整流器，3升压电路，4DSP控制器。
具体实施方式
本发明用于高频高压直流电源的三相整流器(简称三相整流器，参见图1)的电路构成是：第一电感L1的一端连接三相整流器第一输入口d，第二电感L2的一端连接三相整流器第二输入口e，第三电感L3的一端连接三相整流器第三输入口f；开关管Q1的源极、开关管Q2的漏极与第一电感L1的另一端相连接，开关管Q3的源极、开关管Q4的漏极与第二电感L2的另一端相连接；开关管Q5的源极、开关管Q6的漏极与第三电感L3的另一端相连接；开关管Q1、开关管Q3、开关管Q5、开关管Q7及开关管Q9的漏极均相连，开关管Q2、开关管Q4、开关管Q6及开关管Q8的源极均相连；放电电阻RS的一端与开关管Q8的源极连接，另一端与开关管Q9的源极连接；开关管Q7的源极与滤波电容C1的一端和三相整流器的输出正极连接，开关管Q8的漏极与滤波电容C1的另一端和三相整流器的输出负极连接，开关管Q1～Q9栅极和源极之间的驱动信号均与高频高压直流电源的DSP控制器4的控制信号连接。
图2中为本发明所适用的高频高压直流电源的结构框图，高频高压直流电源由三相整流器2、三相电源1、升压电路3和DSP控制器4构成，三相电源1与DSP控制器4连接，三相整流器2和升压电路3均与DSP控制器4双向连接，且三相整流器2的输入端与三相电源1连接，三相整流器2的输出端与升压电路3连接。即图1中三相整流器第一输入口d、第二输入口e和第三输入口f分别与三相电源1的a相、b相和c相对应连接，三相整流器2的输出正极和输出负极均与升压电路3连接。
本发明用于高频高压直流电源的三相整流器的控制方法，该控制方法用于高频高压直流电源启动、带载调压及保护过程中，包括：
1)三相整流器在高频高压直流电源启动过程中的控制：
关断开关管Q1～Q6和开关管Q9，通过控制开关管Q7和开关管Q8的导通时间来控制滤波电容C1的充电时间，从而达到对滤波电容C1电压大小的控制，在高频高压直流电源启动过程中，需要对滤波电容C1进行充电，开关管Q7和开关管Q8保证了对滤波电容C1充电电流的单向性。如图7a所示，在三相整流器直流侧，电流经开关管Q7流向滤波电容C1和开关管Q8；
2)三相整流器在高频高压直流电源带载调压过程中的控制：
高频高压直流电源启动完成后，需同时进行带负载调压和功率因数校正，开关管Q7和开关管Q8一直处于开通状态，开关管Q9一直处于关断状态，DSP控制器4控制开关管Q1～Q6的导通时序来对高频高压直流电源的功率因数进行校正，与此同时，在DSP控制器4中增大或减小滤波电容C1的电压基准值来调节三相整流器输出电压的大小，从而调节了高频高压直流电源的输出电压。图4为三相整流器的输入三相电压和输入三相电流，能够明显的看出a、b、c对应相的电压和电流具有相同的相位，实现了单位功率因数校正；图7b为本发明三相整流器在高频高压直流电源带载过程中直流侧电流流动示意图，由此可以看出在此过程中，开关管Q9和电阻Rs并没有对电流的流动方向产生影响，能量一部分储存在滤波电容中，一部分流入后级升压电路。
3)三相整流器在高频高压直流电源保护过程中的控制：
当高频高压直流电源输出电流发生突变时，升压电路3将被锁死从而进入保护状态，关断开关管Q1～Q6，开通开关管Q7～Q9，这时滤波电容C1与放电电阻RS组成回路，滤波电容C1对放电电阻RS放电；如图7c所示，在此过程中，电流只是在滤波电容C1与放电电阻RS所形成的回路中流动，并没有流入到前级三相电源1和后级升压电路3中，能够实现对高频高压直流电源的保护；DSP控制器4对高频高压直流电源进行初始化，高频高压直流电源重新运行。
本发明三相整流器及其控制方法仅限用于高频高压直流电源系统，能够同时实现以下三方面功能：1.高压电源的可控软启动；2.在实现电源功率因数校正的同时，能够使电源进行带载调压；3.在高压电源系统出现保护时，通过控制使滤波电容与放电电阻组成回路对电容进行放电。
图3对比了高频高压直流电源中传统三相桥式不控整流器(由六个二极管组成)和本发明三相整流器在启动过程中滤波电容电压的波形图，从图中可以明显的看出，传统三相桥式不控整流器中的滤波电容的电压瞬间直接上升到一个最高值，而本发明启动过程中通过控制开关管Q7和开关管Q8的导通时间，滤波电容C1上的电压可以由一个稳定值上升为一个更高的稳定值，能够实现可控软启动。这种可控软启动延长了高频高压直流电源的启动时间，解决了高频高压直流电源启动过程中出现的瞬时高电压冲击问题，做到了在启动过程中对滤波电容电压大小的控制。
图4为三相整流器输入三相电压和输入三相电流，通过控制开关管Q1～Q6的导通时序，能够明显的看出a、b、c对应相的电压和电流具有相同的相位，实现了单位功率因数校正，避免了高频高压直流电源运行过程中的谐波污染问题。
图5为在高频高压直流电源带负载调压过程中，三相整流器输出滤波电容上电压波形示意图，在DSP控制器4中增大或减小滤波电容C1的电压基准值，来调节三相整流器输出电压的大小，由本图可以明显的看出，滤波电容电压能够从一个稳定的值调节到另外一个稳定值的状态，既可以升压，也可以进行降压调节，解决了高频高压直流电源带负载的调压问题。
图6所示为三相整流器在高频高压直流电源出现空气击穿时，高频高压直流电源发生突变时的输出电流以及此时三相整流器输出滤波电容电压的波形示意图，由此图可以明显的看出，在输出电流发生突变以后，滤波电容上的电压能够迅速的降为0，解决了背景技术中所提到了电源保护过程中的电容带电问题。
本发明未述及之处适用于现有技术，所涉及的元器件均可商购获得。
Claims (1)
1.一种用于高频高压直流电源的三相整流器，其特征在于该三相整流器的电路构成是：第一电感L1的一端连接三相整流器第一输入口d，第二电感L2的一端连接三相整流器第二输入口e，第三电感L3的一端连接三相整流器第三输入口f；开关管Q1的源极、开关管Q2的漏极与第一电感L1的另一端相连接，开关管Q3的源极、开关管Q4的漏极与第二电感L2的另一端相连接；开关管Q5的源极、开关管Q6的漏极与第三电感L3的另一端相连接；开关管Q1、开关管Q3、开关管Q5、开关管Q7及开关管Q9的漏极均相连，开关管Q2、开关管Q4、开关管Q6及开关管Q8的源极均相连；放电电阻RS的一端与开关管Q8的源极连接，另一端与开关管Q9的源极连接；开关管Q7的源极与滤波电容C1的一端和三相整流器的输出正极连接，开关管Q8的漏极与滤波电容C1的另一端和三相整流器的输出负极连接，开关管Q1～Q9栅极和源极之间的驱动信号均与高频高压直流电源的DSP控制器的控制信号连接；
上述三相整流器的控制方法包括高频高压直流电源的启动、带载调压及保护过程：
1)三相整流器在高频高压直流电源启动过程中的控制：
关断开关管Q1～Q6和开关管Q9，通过控制开关管Q7和开关管Q8的导通时间来控制滤波电容C1的充电时间，从而以达到对滤波电容C1电压大小的控制，在高频高压直流电源启动过程中，需要对滤波电容C1进行充电，开关管Q7和开关管Q8保证了对滤波电容C1充电电流的单向性；
2)三相整流器在高频高压直流电源带载调压过程中的控制：
高频高压直流电源启动完成后，需同时进行带负载调压和功率因数校正，开关管Q7和开关管Q8一直处于开通状态，开关管Q9一直处于关断状态，DSP控制器控制开关管Q1～Q6的导通时序来对高频高压直流电源的功率因数进行校正，与此同时，在DSP控制器中增大或减小滤波电容C1的电压基准值来调节三相整流器输出电压的大小，从而调节了高频高压直流电源的输出电压；
3)三相整流器在高频高压直流电源保护过程中的控制：
当高频高压直流电源输出电流发生突变时，升压电路将被锁死从而进入保护状态，关断开关管Q1～Q6，开通开关管Q7～Q9，这时滤波电容C1与放电电阻RS组成回路，滤波电容C1对放电电阻RS放电，能够实现对高频高压直流电源的保护。
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