CN107332449A - 一种三相电路装置及其实现整流的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三相电路装置及其实现整流的方法，涉及功率转换技术。本发明公开的装置，至少包括三组升压电感、三组耦合电感、多个功率器件组和多个可控双向开关组，三相电压源输入电能经过三相电对应的升压电感、耦合电感、功率器件组和可控双向开关组连接至直流母线电容的中点，其中：每组耦合电感至少包括四个绕组，第一、第二绕组连接至升压电感和功率器件之间，第三、第四绕组分别连接在第一、第二绕组与可控双向开关之间。本发明还公开了一种三相电路装置实现整流的方法。采用本申请技术方案进行整流时，损耗较小、效率较高。

Description

一种三相电路装置及其实现整流的方法
技术领域
本发明涉及功率转换技术，特别涉及一种三相电路装置及其实现整流的方法。
背景技术
伴随着半导体技术的快速发展，电力电子技术已经广泛应用于计算机、邮电通讯、电力系统和航空航天等领域。如今，笨重型、低效的电源装置已经被轻小、高效电源所取代。而其中绝大多数直流电源都是通过对交流电的整流来获取的，整流变换器的性能将直接影响到公共电网的质量。目前，一部分电力电子装置所使用的直流电源是通过可控整流或相控整流得到的，这些设备在运行中向电网注入大量的谐波和无功功率，造成了严重的电网污染。为了解决电力电子装置的谐波污染问题，需要开关电源在整流过程中能够很好的完成功率因数校正的功能，并且小型化高效化绿色环保是现在电力电子科技发展的趋势，因此亟待需要一种易于实现，满足损耗小、功率密度高要求的三相整流装置。
发明内容
本发明公开了一种三相电路装置及其实现整流的方法，可以解决现有整流装置带来的电网污染的问题。
本发明公开了一种三相电路装置，至少包括三组升压电感、三组耦合电感、多个功率器件组和多个可控双向开关组，三相电压源输入电能经过三相电对应的升压电感、耦合电感、功率器件组和可控双向开关组连接至直流母线电容的中点，其中：
每组耦合电感至少包括四个绕组，第一、第二绕组连接至升压电感和功率器件之间，第三、第四绕组分别连接在第一、第二绕组与可控双向开关之间。
可选地，上述装置中，所述功率器件组和可控开关的数量至少是升压电感数量的两倍，其中，每个功率器件组包括多对功率器件，每对功率器件同相串联在一起；
每个可控双向开关组至少包括两个可控双向开关；
其中，每组耦合电感中的第一、第二绕组分别连接在对应功率器件组的一对功率器件之间的连接点上；
第三绕组连接在第一绕组与可控双向开关组中的一个可控双向开关之间；
第四绕组连接在第二绕组与可控双向开关组中的另一个可控双向开关之间。
可选地，上述装置中，所述功率器件至少包括如下一种：
二极管、金氧半场效晶体管MOSFET、绝缘栅双极型晶体管IGBT、氮化钾开关管。
可选地，上述装置中，所述每组耦合电感对应的可控双向开关组的两路可控双向开关的驱动信号相位相差预设角度。
可选地，上述装置中，所述预设角度大于等于90度，且小于等于270度。
本发明还公开了一种三相电路装置实现整流的方法，包括：
三相电路装置将三相电压源输入电能分别经过三电对应的升压电感、耦合电感、功率器件组和可控双向开关组连接至直流母线电容的中点，输出整流电压；
其中，每组耦合电感至少包括四个绕组，输入电能经过连接在升压电感和对应功率器件组之间的两个绕组实现均流和储能，再通过剩余的两个绕组以抑制功率器件组的反向恢复电流流过可控双向开关组。
可选地，上述方法中，所述功率器件组和可控开关的数量至少是升压电感数量的两倍，其中，每个功率器件组包括多对功率器件，每对功率器件同相串联在一起；
每个可控双向开关组至少包括两个可控双向开关；
其中，每组耦合电感中的第一、第二绕组分别连接在对应功率器件组的一对功率器件之间的连接点上；
第三绕组连接在第一绕组与可控双向开关组中的一个可控双向开关之间；
第四绕组连接在第二绕组与可控双向开关组中的另一个可控双向开关之间。
可选地，上述方法中，，所述功率器件至少包括如下一种：
二极管、金氧半场效晶体管MOSFET、绝缘栅双极型晶体管IGBT、氮化钾开关管。
可选地，上述方法中，所述每组耦合电感对应的可控双向开关组的两路可控双向开关的驱动信号相位相差预设角度。
可选地，上述方法中，所述预设角度大于等于90度，且小于等于270度。
采用本申请技术方案进行整流时，损耗较小、效率较高。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种三相整流装置示意图；
图2(a)为本申请技术方案中多对功率器件组的一种其他替代方式示意图；
图2(b)为本申请技术方案中多对功率器件组的另一种其他替代方式示意图；
图2(c)为本申请技术方案中多对功率器件组的又一种其他替代方式示意图；
图3(a)为本申请实施例中双向开关的第一种基本形式示意图；
图3(b)为本申请实施例中双向开关的第二种基本形式示意图；
图3(c)为本申请实施例中双向开关的第三种基本形式示意图；
图3(d)为本申请实施例中双向开关的第四种基本形式示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文将结合具体实施方式对本发明技术方案作进一步详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
实施例1
为了能够满足高效率和高功率密度的要求，本实施例为应用于更高效率、更小体积的三相整流装置提供了一种新的电路结构。
本实施例提供的三相电路装置，至少包括三组升压电感、三组耦合电感、多个功率器件组和多个可控双向开关组，三相电压源输入电能经过三相电对应的升压电感、耦合电感、功率器件组和可控双向开关组连接至直流母线电容的中点，其中：
每组耦合电感至少包括四个绕组，第一、第二绕组连接至升压电感和功率器件之间，第三、第四绕组分别连接在第一、第二绕组与可控双向开关之间。
下面结合附图说明上述装置的具体实现。
如图1所示即为上述装置的一种优选实施方式。该三相电路装置的输入端接一个三相电压源，然后连接一个三相EMC电路，电容C3、C4、C5以Y型配置在EMC电路与升压电感La、Lb、Lc之间并连接至该装置的中点NCO。输入电能经过三相电对应的三个升压电感La、Lb、Lc和耦合电感L12、L34、L56连接到功率器件(功率二极管和功率开关管)。在图示中，每一个耦合电感包括四个绕组，两个绕组通过每对二极管或所述其他功率器件组(例如D11、D12为一对二极管)连接到直流母线电容；另外两个绕组通过一组双向开关(例如K1、K2)连接至直流母线电容C1、C2的中点。
由图1可以看出，原来的两个绕组是连接在输入升压电感和升压二极管之间，起到的作用是均流和储能；新增加的两个绕组是连接在原来的两个绕组和可控双向开关之间，与升压电感并没有连接，起到的作用是抑制升压二极管的反向恢复电流流过双向可控开关，有利于提升效率。
功率器件至少包括如下一种：
二极管、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金氧半场效晶体管)、IGBT((Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)、氮化钾开关管。例如，多对功率器件组可采用图2(a)、图2(b)和图2(c)所示的三种替代方式。
而图1中双向开关可采用如图3(a)、图3(b)、图3(c)和图3(d)所示的基本形式。
另外，根据电路工作原理分析得出，当每个可控双向开关组的两路可控双向开关的驱动信号相位相差的预设角度小于90度或大于270度时，均对控制方法不利，故优选实施例中，此预设角度的设置范围为大于等于90度且小于等于270度。
在电路的控制方式方面，本装置可以使用电流连续导通模式(CCM)进行控制，也可以通过空间矢量方法(Space Vector Modulation)进行控制，但是本发明不规定必须使用某种控制方式，控制方法不构成对本发明的限制。
实施例2
本实施例提供一种三相整流装置实现整流的方法，该方法主要包括：
三相电路装置将三相电压源输入电能分别经过三电对应的升压电感、耦合电感、功率器件组和可控双向开关组连接至直流母线电容的中点，输出整流电压；
其中，每组耦合电感至少包括四个绕组，输入电能经过连接在升压电感和对应功率器件组之间的两个绕组实现均流和储能，再通过剩余的两个绕组以抑制功率器件组的反向恢复电流流过可控双向开关组。
其中，功率器件组和可控开关的数量至少是升压电感数量的两倍，每个功率器件组包括多对功率器件，每对功率器件同相串联在一起；
每个可控双向开关组至少包括两个可控双向开关；
其中，每组耦合电感中的第一、第二绕组分别连接在对应功率器件组的一对功率器件之间的连接点上；
第三绕组连接在第一绕组与可控双向开关组中的一个可控双向开关之间；
第四绕组连接在第二绕组与可控双向开关组中的另一个可控双向开关之间。
可选地，上述方法涉及的功率器件可以采用如下任一种实施：
二极管、金氧半场效晶体管MOSFET、绝缘栅双极型晶体管IGBT、氮化钾开关管。
还要说明的是，每组耦合电感对应的可控双向开关组的两路可控双向开关的驱动信号相位相差预设角度。本实施例中，优选将预设角度设置为大于等于90度，且小于等于270度。
由于上述方法可实现上述实施例1的三相整流装置来实现，故上述方法的其他详细操作可参见上述实施例1的相应内容，在此不再赘述。
从上述实施例可以看出，本发明实施例中两路整流电路配置的优点是通过增加拓扑中开关器件的数目来降低半导体上的电压及电流应力。开关器件上电压、电流的减少，可使得器件的散热更好，故可以有效的减小散热器件的体积。
另外，本发明实施例中耦合电感的使用可以有效的增加无功元器件的工作频率。因为工作频率的增加，无功元器件体积和重量可以设计的更小，所以和现有技术比较，变换器的EMC(Electro Magnetic Compatibility，电磁兼容)性能得到了改善。
本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本申请不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。
以上所述，仅为本发明的较佳实例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三相电路装置，至少包括三组升压电感、三组耦合电感、多个功率器件组和多个可控双向开关组，三相电压源输入电能经过三相电对应的升压电感、耦合电感、功率器件组和可控双向开关组连接至直流母线电容的中点，其特征在于，其中：
每组耦合电感至少包括四个绕组，第一、第二绕组连接至升压电感和功率器件之间，第三、第四绕组分别连接在第一、第二绕组与可控双向开关之间。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述功率器件组和可控开关的数量至少是升压电感数量的两倍，其中，每个功率器件组包括多对功率器件，每对功率器件同相串联在一起；
每个可控双向开关组至少包括两个可控双向开关；
其中，每组耦合电感中的第一、第二绕组分别连接在对应功率器件组的一对功率器件之间的连接点上；
第三绕组连接在第一绕组与可控双向开关组中的一个可控双向开关之间；
第四绕组连接在第二绕组与可控双向开关组中的另一个可控双向开关之间。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述功率器件至少包括如下一种：
二极管、金氧半场效晶体管MOSFET、绝缘栅双极型晶体管IGBT、氮化钾开关管。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，
所述每组耦合电感对应的可控双向开关组的两路可控双向开关的驱动信号相位相差预设角度。
5.如权利要4所述的装置，其特征在于，
所述预设角度大于等于90度，且小于等于270度。
6.一种三相电路装置实现整流的方法，其特征在于，
三相电路装置将三相电压源输入电能分别经过三电对应的升压电感、耦合电感、功率器件组和可控双向开关组连接至直流母线电容的中点，输出整流电压；
其中，每组耦合电感至少包括四个绕组，输入电能经过连接在升压电感和对应功率器件组之间的两个绕组实现均流和储能，再通过剩余的两个绕组以抑制功率器件组的反向恢复电流流过可控双向开关组。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述功率器件组和可控开关的数量至少是升压电感数量的两倍，其中，每个功率器件组包括多对功率器件，每对功率器件同相串联在一起；
每个可控双向开关组至少包括两个可控双向开关；
其中，每组耦合电感中的第一、第二绕组分别连接在对应功率器件组的一对功率器件之间的连接点上；
第三绕组连接在第一绕组与可控双向开关组中的一个可控双向开关之间；
第四绕组连接在第二绕组与可控双向开关组中的另一个可控双向开关之间。
8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述功率器件至少包括如下一种：
二极管、金氧半场效晶体管MOSFET、绝缘栅双极型晶体管IGBT、氮化钾开关管。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，
所述每组耦合电感对应的可控双向开关组的两路可控双向开关的驱动信号相位相差预设角度。
10.如权利要9所述的方法，其特征在于，
所述预设角度大于等于90度，且小于等于270度。
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