CN107342698A - 一种带平衡桥臂的三相四线零电压开关整流器电路及其调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种带平衡桥臂的三相四线零电压开关整流器电路及其调制方法，包括整流器电路的直流侧负载，直流侧串联电容，交流侧滤波电感，平衡桥臂电感，四组由两个带反并二极管的全控型主开关构成的桥臂，在直流侧母线电容和四组桥臂的母线之间接入包含反并联二极管的辅助开关，箝位电容以及谐振电感组成的谐振支路，主开关和辅助开关两端并联电容。本发明将辅助开关与主开关的脉冲信号进行同步，能够在每个开关周期内实现所有开关的零电压开通，有效抑制主开关反并联二极管的反向恢复电流，开关损耗小，电路效率高，有利于提高开关频率，提升系统功率密度。

Description

一种带平衡桥臂的三相四线零电压开关整流器电路及其调制 方法

技术领域

本发明涉及整流器技术领域，尤其涉及一种带平衡桥臂的三相四线零电压开关整流器电路及其调制方法。

背景技术

传统的带平衡桥臂的两电平三相四线PWM整流器包括六个含反并联二极管的全控主开关(S₁～S₆)组成的三相桥臂，接在各相桥臂输出中点与电网之间的三个输入滤波电感(L_a，L_b，L_c)，接在三相桥臂输出侧直流母线正负端之间的两个直流母线电容(C₁，C₂)，接在正负母线之间的含反并联二极管的全控主开关(S₈，S₉)组成的第平衡桥臂以及跨接在平衡桥臂中点与母线电容中点的平衡电感L_bal，接在正负母线电容中点及电网中性点的中线。电路工作在硬开关状态，存在二极管反向恢复现象，换流器件开关损耗大，限制了工作频率的提高，导致需采用较大的滤波器，降低了电路效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种减小开关损耗，提高电路效率的带平衡桥臂的三相四线零电压开关整流器电路及其调制方法。

本发明内容的一个方面，提供一种带平衡桥臂的三相四线零电压开关整流器电路，如图1所示，包括直流侧串联负载R₁和R₂，直流侧串联电容组C₁和C₂，以及四组桥臂；每组桥臂由两个串联的包含反并二极管的全控型开关构成，其中：第一桥臂的上、下开关及其反并二极管分别为S₁、S₄和D₁、D₄，第二桥臂的上、下开关及其反并二极管分别为S₃、S₆和D₃、D₆，第三桥臂的上、下开关及其反并二极管分别为S₅、S₂和D₅、D₂，第四桥臂的上、下开关及其反并二极管分别为S₈、S₉和D₈、D₉，所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂的中点分别通过输入滤波电感L_a、L_b、L_c各自与a相、b相、c相交流电网连接，第四桥臂的中点通过平衡电感L_bal与上述直流侧串联电容组C₁和C₂的中点相连，上述四组桥臂上开关的集电极以及下开关的发射极分别并联形成桥臂正母线和负母线，正母线与直流侧电容组之间接入由包含并联二极管D₇的辅助开关S₇与箝位电容C_c构成的串联支路，在该串联支路的两端跨接谐振电感L_r，电网的零线与直流侧串联电容组C₁和C₂的中点及直流侧串联负载R₁和R₂的中点连接，各开关S₁～S₉的集电极与发射极两端分别并联一个谐振电容C_r1～C_r9。

本发明内容的另一个方面，提供一种带平衡桥臂的三相四线零电压开关整流器电路的调制方法，如图2所示，包括三相主开关比较值计算模块、平衡桥臂开关比较值计算模块、辅助开关比较值计算模块、下降锯齿波产生模块、第一PWM产生模块、第二PWM产生模块、第三PWM产生模块、第四PWM产生模块、第一比较器、第一延时模块；以上模块对三相桥臂主开关S₁～S₆、平衡桥臂开关S₈、S₉以及辅助开关S₇进行零电压开关调制。

三相主开关比较值模块用于产生三相主桥臂的调制波信号m_a、m_b和m_c，平衡桥臂开关比较值计算模块用于产生平衡桥臂的调制波信号m_bal，辅助开关比较值计算模块用于产生辅助管的占空比信号D_aux，其中D_aux与箝位电容C_c两端电压U_cc以及直流侧串联电容组两端的电压U_o满足以下关系：

D_aux＝U_o/(U_o+U_cc)

下降锯齿波产生模块用于产生下降锯齿波信号V_saw，其周期为T_s，第一PWM产生模块的输入分别为a相电流i_a、调制波信号m_a以及下降锯齿波信号V_saw，输出为开关管S₁和S₄的驱动信号V_g1和V_g4，第二PWM产生模块的输入分别为b相电流i_b、调制波信号m_b以及下降锯齿波信号V_saw，输出为开关管S₃和S₆的驱动信号V_g3和V_g6，第三PWM产生模块的输入分别为c相电流i_c、调制波信号m_c以及下降锯齿波信号V_saw，输出为开关管S₅和S₂的驱动信号V_g5和V_g2，第四PWM产生模块的输入分别为平衡桥臂电感电流i_bal、调制波信号m_bal以及下降锯齿波信号V_saw，输出为开关管S₈和S₉的驱动信号V_g8和V_g9，第一比较器的正端接辅助开关比较值计算模块的输出D_aux，负端接下降锯齿波产生模块的输出信号V_saw，第一比较器的输出作为第一延时模块的输入，第一延时模块的输出为辅助开关管S₇的驱动信号V_g7。

上述的第一PWM产生模块、第二PWM产生模块、第三PWM产生模块和第四PWM产生模块为同一类型的模块，具有相同的结构，如图3所示；该类型模块均包括：比较器Ⅰ、比较器Ⅱ、电流方向检测模块、第一选择器、第一反相器、第一上升沿延时模块和第二上升沿延时模块；且包含三个输入信号：电流信号i、调制比信号m和下降锯齿波信号V_saw，两个输出信号：V_up，V_down；比较器Ⅰ的正端输入为调制比信号m，负端输入为下降锯齿波信号V_saw，比较器Ⅱ的正端输入为下降锯齿波信号V_saw，负端输入为调制比信号m，比较器Ⅰ和比较器Ⅱ的输出分别作为第一选择器的输入，电流方向检测模块的输入信号为电流信号i，电流方向检测模块的输出作为第一选择器的选择控制信号，当电流信号i方向为正时，第一选择器选择接通比较器I，当电流信号i方向为负时，第一选择器选择接通比较器Ⅱ，第一选择器的输出同时作为第一上升沿延时模块和第一反相器的输入，第一反相器的输出作为第二上升沿延时模块的输入信号，第一上升沿延时模块和第二上升沿延时模块的输出分别作为整个PWM产生模块的输出信号V_up和V_down，V_up作为相应桥臂的上开关管的驱动信号，V_down作为相应桥臂的下开关管的驱动信号。

上述的第一延时模块功能为：对输入信号延时T_d1时间后输出，第一上升沿延时模块与第二上升沿延时模块具有相同的功能，它们的功能为：对上升沿信号延时T_d2时间后输出，上述延时时间T_d1与T_d2满足：T_d2-T_d1＞T_r，其中T_r为第一谐振时间，其表达式为：

其中，L_r为谐振电感的感值，C_r为等效谐振电容，满足：C_r＝5C，其中谐振电容C_r1～C_r9每个电容相等，容值为C。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

采用本发明的带平衡桥臂的三相四线零电压开关整流器电路及其调制方法，能实现工频周期内全范围零电压开关，该变换器中箝位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实现软开关，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。

附图说明

图1为带平衡桥臂的三相四线零电压开关整流器电路。

图2为带平衡桥臂的三相四线零电压开关整流器电路的调制方式实现方法框图。

图3为带平衡桥臂的三相四线零电压开关整流器电路的调制方式实现方法框图中PWM产生模块的具体实现方法框图。

图4为一个工频周期内根据三相输入电流波形划分的六个工作区间示意图。

图5为本发明在区间I中的脉冲控制时序图。

图6～19为本发明在区间I中一个开关周期的各阶段的工作等效电路。

图20为本发明在区间I中一个开关周期的主要工作电压和电流波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

参照图1，带平衡桥臂的三相四线零电压开关整流器电路包括直流侧串联负载R₁和R₂，直流侧串联电容组C₁和C₂，以及四组桥臂；每组桥臂由两个串联的包含反并二极管的全控型开关构成，其中：第一桥臂的上、下开关及其反并二极管分别为S₁、S₄和D₁、D₄，第二桥臂的上、下开关及其反并二极管分别为S₃、S₆和D₃、D₆，第三桥臂的上、下开关及其反并二极管分别为S₅、S₂和D₅、D₂，第四桥臂的上、下开关及其反并二极管分别为S₈、S₉和D₈、D₉，所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂的中点分别通过输入滤波电感L_a、L_b、L_c各自与a相、b相、c相交流电网连接，第四桥臂的中点通过平衡电感L_bal与上述直流侧串联电容组C₁和C₂的中点相连，上述四组桥臂上开关的集电极以及下开关的发射极分别并联形成桥臂正母线和负母线，正母线与直流侧电容组之间接入由包含并联二极管D₇的辅助开关S₇与箝位电容C_c构成的串联支路，在该串联支路的两端跨接谐振电感L_r，电网的零线与直流侧串联电容组C₁和C₂的中点及直流侧串联负载R₁和R₂的中点连接，各开关S₁～S₉的集电极与发射极两端分别并联一个谐振电容C_r1～C_r9。

参照图2，带平衡桥臂的三相四线零电压开关整流器电路的调制方法，包括三相主开关比较值计算模块1、平衡桥臂开关比较值计算模块2、辅助开关比较值计算模块3、下降锯齿波产生模块4、第一PWM产生模块5、第二PWM产生模块6、第三PWM产生模块7、第四PWM产生模块8、第一比较器9、第一延时模块10；以上模块对三相桥臂主开关S₁～S₆、平衡桥臂开关S₈、S₉以及辅助开关S₇进行零电压开关调制。

三相主开关比较值模块1用于产生三相主桥臂的调制波信号m_a、m_b和m_c，平衡桥臂开关比较值计算模块2用于产生平衡桥臂的调制波信号m_bal，辅助开关比较值计算模块用于产生辅助管的占空比信号D_aux，其中D_aux与箝位电容C_c两端电压U_cc以及直流侧串联电容组两端的电压U_o满足以下关系：

D_aux＝U_o/(U_o+U_cc)

下降锯齿波产生模块用于产生下降锯齿波信号V_saw，其周期为T_s，第一PWM产生模块的输入分别为a相电流i_a、调制波信号m_a以及下降锯齿波信号V_saw，输出为开关管S₁和S₄的驱动信号V_g1和V_g4，第二PWM产生模块的输入分别为b相电流i_b、调制波信号m_b以及下降锯齿波信号V_saw，输出为开关管S₃和S₆的驱动信号V_g3和V_g6，第三PWM产生模块的输入分别为c相电流i_c、调制波信号m_c以及下降锯齿波信号V_saw，输出为开关管S₅和S₂的驱动信号V_g5和V_g2，第四PWM产生模块的输入分别为平衡桥臂电感电流i_bal、调制波信号m_bal以及下降锯齿波信号V_saw，输出为开关管S₈和S₉的驱动信号V_g8和V_g9，第一比较器9的正端接辅助开关比较值计算模块3的输出D_aux，负端接下降锯齿波产生模块4的输出信号V_saw，第一比较器9的输出作为第一延时模块10的输入，第一延时模块10的输出为辅助开关管S₇的驱动信号V_g7。

参照图3，上述的第一PWM产生模块5、第二PWM产生模块6、第三PWM产生模块7和第四PWM产生模块8为同一类型的模块，具有相同的结构，如图3所示；该类型模块均包括：比较器Ⅰ、比较器Ⅱ、电流方向检测模块、第一选择器、第一反相器、第一上升沿延时模块和第二上升沿延时模块；且包含三个输入信号：电流信号i、调制比信号m和下降锯齿波信号V_saw，两个输出信号：V_up，V_down，比较器Ⅰ11的正端输入为调制比信号m，负端输入为下降锯齿波信号V_saw，比较器Ⅱ12的正端输入为下降锯齿波信号V_saw，负端输入为调制比信号m，比较器Ⅰ11和比较器Ⅱ12的输出分别作为第一选择器14的输入，电流方向检测模块13的输入信号为电流信号i，电流方向检测模块13的输出作为第一选择器14的选择控制信号，当电流信号i方向为正时，第一选择器14选择接通比较器I，当电流信号i方向为负时，第一选择器14选择接通比较器Ⅱ，第一选择器14的输出同时作为第一上升沿延时模块16和第一反相器15的输入，第一反相器15的输出作为第二上升沿延时模块17的输入信号，第一上升沿延时模块16和第二上升沿延时模块17的输出分别作为整个PWM产生模块的输出信号V_up和V_down，V_up作为相应桥臂的上开关管的驱动信号，V_down作为相应桥臂的下开关管的驱动信号。

上述的第一延时模块10功能为：对输入信号延时T_d1时间后输出，第一上升沿延时模块16与第二上升沿延时模块17具有相同的功能，它们的功能为：对上升沿信号延时T_d2时间后输出，上述延时时间T_d1与T_d2满足：T_d2-T_d1＞T_r，其中T_r为第一谐振时间，其表达式为：

其中，L_r为谐振电感的感值，C_r为等效谐振电容，满足：C_r＝5C，其中谐振电容C_r1～C_r9每个电容相等，容值为C。

对于带平衡桥臂的三相四线零电压开关整流器电路，可以根据三相输入电流的相位情况，将工作区域划分成六个区域，如图4所示。同时对于平衡桥臂，平衡电感电流也存在大于零和小于零两种情况。下面以三相输入电流处在区域I，同时平衡桥臂电流小于零的情况为例，对电路工作在一个开关周期内的工作过程进行分析，在该开关周期内，开关管的脉冲控制时序如图5所示，在一个开关周期内，变流器共有14个工作状态。图6～19是该区域内一个开关周期的工作等效电路，工作时的主要电压和电流波形如图20所示，电路的电压电流参考方向如图1所示。电路工作在其它区间内的工作过程与此类似。

具体阶段分析如下：

阶段一(t0～t1)：

如图6所示，a相上管二极管D₁，b相下管二极管D₆，c相下管二极管D₂以及平衡桥臂下管二极管D₉导通，由谐振电感L_r、箝位电容C_c、辅助开关S₇组成的辅助电路中，箝位电容C_c两端电压为U_cc，谐振电感电流线性上升；

阶段二(t1～t2)：

如图7所示，在t1时刻辅助开关S₇关断，谐振电感L_r给主开关S₄、S₃、S₅、S₈的并联电容C_r4、C_r3、C_r5、C_r8放电，给辅助开关S₇的并联电容C_r7充电，谐振电感L_r的电流i_Lr谐振下降，在t2时刻，主开关S₄、S₃、S₅、S₈的并联电容C_r4、C_r3、C_r5、C_r8电压谐振至零，该阶段结束；

阶段三(t2～t3)：

如图8所示，在t2时刻以后D₄、D₃、D₅、D₈会导通，可在t2时刻开通S₄、S₃、S₅和S₈，可实现S₄、S₃、S₅和S₈的零电压开通，在t3时刻，D₄、D₃、D₅、D₈关断，该阶段结束。

阶段四(t3～t4)：

如图9所示，在D₄、D₃、D₅、D₈关断后，电路进入换流阶段，输入电流i_a由二极管D₁向开关管S₄换流，输入电流i_b由二极管D₆向开关管S₃换流，输入电流i_c由二极管D₂向开关管S₅换流，平衡电感电流i_bal由二极管D₉向开关管S₈换流，在t4时刻，以上四个桥臂换流均结束，该阶段结束。

阶段五(t4～t5)：

如图10所示，在t4时刻以后i_Lr继续下降而小于-i_a+i_bal，从而使C_r1、C_r6、C_r2、C_r9开始充电，C_r7开始放电，电路进入第二次谐振，在t5时刻C_r7上的电压谐振到零，该阶段结束。

阶段六(t5～t6)：

如图11所示，t5时刻以后，D₇会导通，将C_r7上的电压箝位为零，为辅助管S₇的零电压开通提供条件，可在t5时刻给S₇发送开通信号，使其实现零电压开通，当S₄在t6时刻关断时，该阶段结束。

阶段七(t6～t7)：

如图12所示，S₄在t6时刻关断后，a相开始换流，C_r4开始充电，C_r1开始放电，在t7时刻，C_r4上的电压上升到U_cc+U_o，C_r1上的电压下降到零，该阶段结束，其中U_o为直流侧串联电容组两端的电压。

阶段八(t7～t8)：

如图13所示，在a相完成换流，D₁续流导通后，S₁开通，在此阶段S₃，S₅，S₇和S₈保持开通状态，谐振电感电流线性上升，在t8时刻S₅关断，该阶段结束。

阶段九(t8～t9)：

如图14所示，S₅在t8时刻关断后，c相开始换流，C_r5开始充电，C_r2开始放电，在t9时刻，C_r5上的电压上升到U_cc+U_o，C_r2上的电压下降到零，该阶段结束。

阶段十(t9～t10)：

如图15所示，在c相完成换流，D₂续流导通后，S₂开通，在此阶段，S₃，S₇和S₈保持开通状态，谐振电感电流线性上升，在t10时刻S₃关断，该阶段结束。

阶段十一(t10～t11)：

如图16所示，S₃在t10关断后，b相开始换流，C_r3开始充电，C_r6开始放电，在t11时刻，C_r3上的电压上升到U_cc+U_o，C_r6上的电压下降到零，该阶段结束。

阶段十二(t11～t12)：

如图17所示，在b相完成换流，D₆续流导通后，S₆开通，在此阶段，S₇和S₈保持开通状态，谐振电流线性上升，在t12时刻S₈关断，该阶段结束。

阶段十三(t12～t13)：

如图18所示，S₈在t12时刻关断后，平衡桥臂开始换流，C_r8开始充电，C_r9开始放电，在t13时刻，C_r8上的电压上升到U_cc+U_o，C_r9上的电压下降到零，该阶段结束。

阶段十四(t13～t0’)：

如图19所示，在平衡桥臂完成换流，D₉续流导通后，S₉开通，在此阶段S₇一直保持开通，谐振电感电流i_Lr线性上升，该阶段与阶段一相同。

Claims (4)

1.一种带平衡桥臂的三相四线零电压开关整流器电路，其特征在于：所述带平衡桥臂的三相四线零电压开关整流器电路包括直流侧串联负载R₁和R₂，直流侧串联电容组C₁和C₂，以及四组桥臂；每组桥臂由两个串联的包含反并二极管的全控型开关构成，其中：第一桥臂的上、下开关及其反并二极管分别为S₁、S₄和D₁、D₄，第二桥臂的上、下开关及其反并二极管分别为S₃、S₆和D₃、D₆，第三桥臂的上、下开关及其反并二极管分别为S₅、S₂和D₅、D₂，第四桥臂的上、下开关及其反并二极管分别为S₈、S₉和D₈、D₉，所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂的中点分别通过输入滤波电感L_a、L_b、L_c各自与a相、b相、c相交流电网连接，第四桥臂的中点通过平衡电感L_bal与上述直流侧串联电容组C₁和C₂的中点相连，上述四组桥臂上开关的集电极以及下开关的发射极分别并联形成桥臂正母线和负母线，正母线与直流侧电容组之间接入由包含并联二极管D₇的辅助开关S₇与箝位电容C_c构成的串联支路，在该串联支路的两端跨接谐振电感L_r，电网的零线与直流侧串联电容组C₁和C₂的中点及直流侧串联负载R₁和R₂的中点连接，各开关S₁～S₉的集电极与发射极两端分别并联一个谐振电容C_r1～C_r9。

2.一种带平衡桥臂的三相四线零电压开关整流器电路的调制方法，其特征在于，包括三相主开关比较值计算模块1、平衡桥臂开关比较值计算模块(2)、辅助开关比较值计算模块(3)、下降锯齿波产生模块(4)、第一PWM产生模块(5)、第二PWM产生模块(6)、第三PWM产生模块(7)、第四PWM产生模块(8)、第一比较器(9)、第一延时模块(10)；以上模块对三相桥臂主开关S₁～S₆、平衡桥臂开关S₈、S₉以及辅助开关S₇进行零电压开关调制；

三相主开关比较值模块(1)用于产生三相主桥臂的调制波信号m_a、m_b和m_c，平衡桥臂开关比较值计算模块(2)用于产生平衡桥臂的调制波信号m_bal，辅助开关比较值计算模块用于产生辅助管的占空比信号D_aux，下降锯齿波产生模块用于产生下降锯齿波信号V_saw，其周期为T_s，第一PWM产生模块的输入分别为a相电流i_a、调制波信号m_a以及下降锯齿波信号V_saw，输出为开关管S₁和S₄的驱动信号V_g1和V_g4，第二PWM产生模块的输入分别为b相电流i_b、调制波信号m_b以及下降锯齿波信号V_saw，输出为开关管S₃和S₆的驱动信号V_g3和V_g6，第三PWM产生模块的输入分别为c相电流i_c、调制波信号m_c以及下降锯齿波信号V_saw，输出为开关管S₅和S₂的驱动信号V_g5和V_g2，第四PWM产生模块的输入分别为平衡桥臂电感电流i_bal、调制波信号m_bal以及下降锯齿波信号V_saw，输出为开关管S₈和S₉的驱动信号V_g8和V_g9，第一比较器(9)的正端接辅助开关比较值计算模块(3)的输出D_aux，负端接下降锯齿波产生模块(4)的输出信号V_saw，第一比较器(9)的输出作为第一延时模块(10)的输入，第一延时模块(10)的输出为辅助开关管S₇的驱动信号V_g7。

3.根据权利要求2所述的带平衡桥臂的三相四线零电压开关整流器电路的调制方法，其特征在于，所述的第一PWM产生模块(5)、第二PWM产生模块(6)、第三PWM产生模块(7)和第四PWM产生模块(8)为同一类型的模块，具有相同的结构；该类型模块均包括：比较器Ⅰ、比较器Ⅱ、电流方向检测模块、第一选择器、第一反相器、第一上升沿延时模块和第二上升沿延时模块；且包含三个输入信号：电流信号i、调制比信号m和下降锯齿波信号V_saw，两个输出信号：V_up，V_down，比较器Ⅰ(11)的正端输入为调制比信号m，负端输入为下降锯齿波信号V_saw，比较器Ⅱ(12)的正端输入为下降锯齿波信号V_saw，负端输入为调制比信号m，比较器Ⅰ(11)和比较器Ⅱ(12)的输出分别作为第一选择器(14)的输入，电流方向检测模块(13)的输入信号为电流信号i，电流方向检测模块(13)的输出作为第一选择器(14)的选择控制信号，当电流信号i方向为正时，第一选择器(14)选择接通比较器I，当电流信号i方向为负时，第一选择器(14)选择接通比较器Ⅱ，第一选择器(14)的输出同时作为第一上升沿延时模块(16)和第一反相器(15)的输入，第一反相器(15)的输出作为第二上升沿延时模块(17)的输入信号，第一上升沿延时模块(16)和第二上升沿延时模块(17)的输出分别作为整个PWM产生模块的输出信号V_up和V_down，V_up作为相应桥臂的上开关管的驱动信号，V_down作为相应桥臂的下开关管的驱动信号。

4.根据权利要求3所述的带平衡桥臂的三相四线零电压开关整流器电路的调制方法，其特征在于，所述的第一延时模块(10)功能为：对输入信号延时T_d1时间后输出，第一上升沿延时模块(16)与第二上升沿延时模块(17)具有相同的功能，它们的功能为：对上升沿信号延时T_d2时间后输出，上述延时时间T_d1与T_d2满足：T_d2-T_d1>T_r，其中T_r为第一谐振时间，其表达式为：

<mrow> <msub> <mi>T</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>&amp;pi;</mi> <msqrt> <mrow> <msub> <mi>L</mi> <mi>r</mi> </msub> <msub> <mi>C</mi> <mi>r</mi> </msub> </mrow> </msqrt> <mo>/</mo> <mn>2</mn> </mrow>

其中，L_r为谐振电感的感值，C_r为等效谐振电容，满足：C_r＝5C，其中谐振电容C_r1～C_r9每个电容相等，容值为C。