CN107482930A - 一种双电感双电压直流输出电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双电感双电压直流输出电路，包括第一IGBT模块S1和第二IGBT模块S2、第一功率二极管D1至第四功率二极管D4，第一功率电感L1和第二功率电感L2，第一电解电容E1和第二电解电容E2；第一功率二极管D1、第一IGBT模块S1、第三功率二极管D3串联成不控整流桥电路的第一桥臂；第二功率二极管D2、第二IGBT模块S2和第四功率二极管D4串联成不控整流桥电路的第一桥臂；第一电解电容E1的负极和连接第二电解电容E2的正极；第一功率电感L1位于第一电解电容E1的负极和所述不控整流桥电路的第一桥臂之间，第二功率电感L2位于第二电解电容E1的负极和所述不控整流桥电路的第二桥臂之间；电源火线连接所述不控整流桥电路的第一桥臂，电源零线连接所述不控整流桥电路的第二桥臂。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子领域的一种双电感双电压直流输出电路。
背景技术
单相交流电源供电的电力电子变换装置可以用于开关电源、大功率变频器、功率因数校正器(PFC)等应用领域。为了减少对交流电网的谐波污染，目前国外已推出了一些限制电流谐波的标准，如IEC 1000-3-2Class D标准，要求交流输入电源必须采取措施降低电流谐波含量，提高功率因数。
被动无功补偿装置体积大，主动无功补偿不仅体积小，能量转换效率也很高。升压型功率因数矫正器通过控制开关器件的通断，使得流过功率电感的电流正弦，并与网侧电压同相，能够实现单位功率因数，因此得到了大范围的推广应用。传统的升压型功率因数矫正器只能产生单一的大于网侧电压峰值的单一直流电压，但是在某些应用场合可能需要多路电平输出，对电压等级也会有多种要求。比如《双电压整流器》、《“汽改柴”双电压制电路分析》等文章明确指出双电压供电的必要性。此外，在三电平逆变器中，传统的升压型功率因数矫正器所提供的电压等级可能达不到要求。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种双电感双电压直流输出电路，其可以实现交流直流变换；能够生成多路直流电压，可实现升压和降压的控制，控制简单。
实现上述目的的一种技术方案是：一种双电感双电压直流输出电路，包括第一IGBT模块S1和第二IGBT模块S2、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3和第四功率二极管D4，第一功率电感L1和第二功率电感L2，第一电解电容E1和第二电解电容E2，第一分压电阻R1、第二分压电阻R2和第三分压电阻R3，以及滤波电容C1；
第一IGBT模块S1的集电极连接第一功率二极管D1的正极，第一IGBT模块S1的发射极连接第三功率二极管D3的负极，构成不控整流桥电路的第一桥臂；
第二IGBT模块S2的集电极连接第二功率二极管D2的正极，第二IGBT模块S2的发射极连接第四功率二极管D4的负极，构成不控整流桥电路的第二桥臂；
第一电解电容E1的负极和连接第二电解电容E2的正极；
第一功率二极管D1的负极连接第二二极管D2的负极、第一电解电容E1的正极以及第一分压电阻R1的第一端部，形成输出正极；
第三功率二极管D3的正极，连接第四二极管D4的正极、第二电解电容E2的负极以及第三分压电阻R3的第一端部，形成输出负极；
第二分压电阻R2的一端连接第一分压电阻R1的第二端部，第二分压电阻R2的另一端连接第三分压电阻R3的第二端部，第三分压电阻R3的第二端部为直流侧采样端；
第一功率电感L1位于第一电解电容E1的负极和所述不控整流桥电路的第一桥臂之间，第二功率电感L2位于第一电解电容E2的负极和所述不控整流桥电路的第二桥臂之间；
电源火线连接所述不控整流桥电路的第一桥臂，电源零线连接所述不控整流桥电路的第二桥臂；
所述电源零线和所述电源火线之间设有双闸开关，形成输入电压和输入电流采样端。
进一步的，第一功率电感L1位于第一电解电容E1的负极与第一IGBT模块S1的发射极之间，第二功率电感L2位于第一电解电容E1的负极与第二IGBT模块S2的发射极之间；
所述电源火线连接第一IGBT模块S1的集电极，所述电源零线连接第二IGBT模块S2的集电极。
进一步的，第一功率电感L1位于第一电解电容E1的负极与第一IGBT模块S1的集电极之间，第二功率电感L2位于第一电解电容E1的负极与第二IGBT模块S2的集电极之间；
所述电源火线连接第一IGBT模块S1的发射极，所述电源零线连接第二IGBT模块S2的发射极。
进一步的，所述电源火线和所述电源零线之间设有滤波电容。
进一步的，所述双电感双电压直流输出电路还配有驱动电路；所述驱动电路包括：
在所述输入电压和输入电流采样端采集输入电压有效值U2 iRMS的有效值计算模块；
连接所述有效值计算模块，用以计算输入电压有效值平方倒数1/U2 iRMS的有效值平方倒数计算模块；
在所述直流侧采样端采集输出电压u0，并将输出电压u0和输出电压基准值ur进行比较，得到电压误差ev的第二乘法器；
对电压误差ev进行比例积分调节得到电压基准值uvc的电压环准PI调节模块；
根据输入电压有效值平方倒数1/U2 iRMS和电压基准值uvc得到基准电流ir的第一乘法器；
在输入电压和输入电流采样端对输入电流iL进行采样，并将输入电流iL和基准电流ir进行比较，得到电流误差ei的第三乘法器；
对电流误差ei进行比例积分调节，得到电源电压ucc的电流环准PI调节模块；
对电源电压ucc进行离散得到驱动电压ucd的信号离散模块；
通过对驱动电压ucd进行斩波，得到用以驱动第一IGBT模块S1的PWM1脉冲信号的脉冲形成模块；
连接所述脉冲形成模块，用以形成与所述PWM1脉冲信号互补的，用以驱动第二IGBT模块S2的PWM2脉冲信号的脉冲求补模块。
采用了本发明的一种双电感双电压直流输出电路，包括第一IGBT模块S1和第二IGBT模块S2、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3和第四功率二极管D4，第一功率电感L1和第二功率电感L2，第一电解电容E1和第二电解电容E2，第一分压电阻R1、第二分压电阻R2和第三分压电阻R3，以及滤波电容C1；第一IGBT模块S1的集电极连接第一功率二极管D1的正极，第一IGBT模块S1的发射极连接第三功率二极管D3的负极，构成不控整流桥电路的第一桥臂；第二IGBT模块S2的集电极连接第二功率二极管D2的正极，第二IGBT模块S2的发射极连接第四功率二极管D4的负极，构成不控整流桥电路的第二桥臂；第一电解电容E1的负极和连接第二电解电容E2的正极；第一功率二极管D1的负极连接第二二极管D2的负极、第一电解电容E1的正极以及第一分压电阻R1的第一端部，形成输出正极；第三功率二极管D3的正极，连接第四二极管D4的正极、第二电解电容E2的负极以及第三分压电阻R3的第一端部，形成输出负极；第二分压电阻R2的一端连接第一分压电阻R1的第二端部，第二分压电阻R2的另一端连接第三分压电阻R3的第二端部，第三分压电阻R3的第二端部为直流侧采样端；第一功率电感L1位于第一电解电容E1的负极和所述不控整流桥电路的第一桥臂之间，第二功率电感L2位于第一电解电容E2的负极和所述不控整流桥电路的第二桥臂之间；电源火线连接所述不控整流桥电路的第一桥臂，电源零线连接所述不控整流桥电路的第二桥臂；所述电源零线和所述电源火线之间设有双闸开关，形成输入电压和输入电流采样端。其技术效果是：实现了交流直流变换；能够生成多路直流电压，可实现升压和降压的控制，控制简单。
附图说明
图1为本发明一种双电感双电压直流输出电路的实施例1的电路原理图。
图2为本发明的一种双电感双电压直流输出电路的驱动电路示意图。
图3为本发明一种双电感双电压直流输出电路的控制信号图。
图4为本发明一种双电感双电压直流输出电路的输入电压和输入电流仿真波形图。
图5为本发明一种双电感双电压直流输出电路的三路输出电压仿真波形图。
图6为本发明一种双电感双电压直流输出电路的实施例2的电路原理图。
具体实施方式
请参阅图1，本发明的发明人为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例，并结合附图进行详细地说明：
实施例1
如图1所示，本发明的一种双电感双电压直流输出电路，包括：第一IGBT模块S1和第二IGBT模块S2、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3和第四功率二极管D4，第一功率电感L1和第二功率电感L2，第一电解电容E1和第二电解电容E2，第一分压电阻R1、第二分压电阻R2和第三分压电阻R3，以及滤波电容C1。
滤波电容C1的第一端部连接电源火线，滤波电容C1的第二端部连接电源零线，为滤波电路。电源零线和电源火线之间设有双闸开关，形成输入电压和输入电流采样端，在该点可采集输入电压ui和输入电流iL。
第一功率二极管D1的负极连接第二二极管D2的负极、第一电解电容E1的正极以及第一分压电阻R1的第一端部，形成输出正极。
第三功率二极管D3的正极，连接第四二极管D4的正极、第二电解电容E2的负极以及第三分压电阻R3的第一端部，形成输出负极。
第一IGBT模块S1的集电极连接第一功率二极管D1的正极。第一IGBT模块S1的发射极连接第三功率二极管D3的负极。第二IGBT模块S2的集电极连接第二功率二极管D2的正极，第二IGBT模块S2的发射极连接第四功率二极管D4的负极，构成了不控整流桥电路。第一IGBT模块S1位于该不控整流桥电路的第一桥臂上，第二IGBT模块S2位于该不控整流桥电路的第二桥臂上，
电源火线连接第一IGBT模块S1的集电极，电源零线连接第二IGBT模块S2的集电极，
第一电解电容E1的负极连接第二电解电容E2的正极，构成了电容桥电路。第一电解电容E1的负极与第一IGBT模块S1的发射极之间设有第一功率电感L1，第一电解电容E1的负极与第二IGBT模块S2的发射极之间设有第二功率电感L2。第二分压电阻R2的一端连接第一分压电阻R1的第二端部，第二分压电阻R2的另一端连接第三分压电阻R3的第二端部。第三分压电阻R3的第二端部为直流侧采样端，在该点可采集输出电压uo。
输入电压ui和输入电流iL采样后用于内环功率因数矫正，第一分压电阻R1、第二分压电阻R2和第三分压电阻R3分压后采集的输出电压uo用于外环电压控制。
如图2所示，本发明的双电感双电压直流输出电路还包括驱动电路，驱动电路包括有效值计算模块1、有效值平方倒数计算模块2、准PI调节模块、信号离散模块4、脉冲形成模块5和脉冲求补模块6。其中准PI调节模块分为电压环准PI调节模块31和电流环准PI调节模块32。
有效值计算模块1在输入电压和输入电流采样端采样输入电压ui的绝对值并进而得到输入电压有效值UiRMS，有效值平方倒数计算模块2计算得到输入电压有效值平方倒数1/U2 iRMS，有效值平方倒数计算模块2将电压有效值平方倒数1/U2 iRMS输出给第一乘法器71。
第二乘法器72在直流侧采样端采样输出电压u0，并将输出电压u0与输出电压基准值ur进行比较，得到两者的差值，即电压误差ev，电压误差ev输入电压环准PI调节模块31，电压环准PI调节模块31对电压误差ev进行比例积分调节，电压环准PI调节模块31将对电压误差ev比例积分调节后得到的电压基准值uvc输出给第一乘法器71。
第一乘法器71根据输入电压有效值平方倒数1/U2 iRMS和电压基准值uvc，得到基准电流ir，输出给第三乘法器73，第三乘法器73在输入电压和输入电流采样端对输入电流iL进行采样，并与基准电流ir比较后，得到电流误差ei，电流误差ei输入电流环准PI调节模块32，电流环准PI调节模块32对电流误差ei进行比例积分调节，得到电源电压ucc，电源电压ucc输入信号离散模块4进行离散得到驱动电压ucd，驱动电压ucd被送入脉冲形成模块5，脉冲形成模块5通过其内部生成的内三角波对驱动电压ucd进行斩波，形成PWM1脉冲信号，用以驱动第一IGBT模块S1，PWM1脉冲信号同时输出给脉冲求补模块6，脉冲求补模块6输出与PWM1脉冲信号互补的脉冲，即PWM2脉冲信号，用以驱动第二IGBT模块S2，如图3所示。
本实例在第一功率电感L1和第二功率电感L2电流连续时包括四个工作模态。
输入电压ui为正且第一IGBT模块S1关断时，存在两个电流回路：电源火线-第一功率二极管D1–第一电解电容E1-第二功率电感L2-第二IGBT模块S2的续流二极管-电源零线组成的电流回路；以及由第一功率电感L1-第二电解电容E2-第三功率二极管D3组成的电流回路。第一个电流回路给第一电解电容E1充电，第二个电流回路给第二电解电容E2充电。
输入电压ui为正且第一IGBT模块S1开通时，电流回路为电源火线-第一IGBT模块S1-第一功率电感L1-第二功率电感L2-第二IGBT模块S2的续流二极管-电源零线，交流电压给第二功率电感L2和第一功率电感L1蓄能。
输入电压为负且第二IGBT模块S2关断时,电路中存在两个电流回路：电源零线-第二功率二极管D2-第一电解电容E1-第一功率电感L1-第一IGBT模块S1的续流二极管-电源火线的电流回路，以及第二功率电感L2-第二电解电容E2-第四功率二极管D4的电流回路。第一个电流回路给第一电解电容E1充电，第二个电流回路给第二电解电容E2充电。
输入电压为负且第二IGBT模块S2导通时,电流回路为电源零线-第二IGBT模块S2–第二功率电感L2-第一功率电感L1-第一IGBT模块S1的续流二极管-电源火线，交流电压给第一功率电感L1和第二功率电感L2蓄能。
为验证该拓扑及其驱动电路的可行性，本发明提供了其在Simulink中的仿真结果。图4是网侧输入电压与输入电流的波形图。可以看出，该算法使得输入电压和输入电流完全同相，实现了单位功率因数。图5是输出电压的波形。该电路直流电压输出，包括第一电解电容E1上的电压UE1、第二电解电容E2上的电压UE2以及第一电解电容E1和第二电解电容E2的电压之和UE1+UE2。
本发明的一种双电感双电压直流输出电路的技术效果主要体现在功率因数始终为1；实现了交流直流变换；能够生成多路直流电压，可实现升压和降压的控制，控制简单。
其优点还在于：可作为双路直流电压输出的升压型变换器，相比单相PWM整流器，采用两个功率电感，输出两路直流电压，可以用作三电平逆变器的直流电压源。
本实施例单相交流电源为220V，滤波电容C1为交流电容22.0μF/600V，第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3和第四功率二极管D4为HER607，第一功率电感L1和第二功率电感L2为非晶体材料，采用平面结构，感值为0.5μH，第一IGBT模块S1和第二IGBT模块S2为RJH60F7ADPK，额定电流及额定电压分别为50A/600V，第一电解电容E1和第二电解电容E2为电解电容680μF/450V，第一分压电阻R1为100kΩ/2W，第二分压电阻R2为100kΩ/2W,第三分压电阻R3为1kΩ/0.25W。
实施例2
相比与实施例1，实施例2的不同在于：第一电解电容E1的负极与第一IGBT模块S1的集电极之间设有第一功率电感L1，第一电解电容E1的负极与第二IGBT模块S2的集电极之间设有第二功率电感L2。
电源火线连接第一IGBT模块S1的发射极，电源零线连接第二IGBT模块S2的发射极。
输入电压ui为正且第二IGBT模块S2关断时，存在两个电流回路：电源火线-第一IGBT模块S1的续流二极管–第一功率电感L1-第二电解电容E2-第四功率二极管D4-电源零线组成的电流回路；以及由第二功率电感L2-第二功率二极管D2-第一电解电容E1组成的电流回路。第一个电流回路给第二电解电容E2充电，第二个电流回路给第一电解电容E1充电。
输入电压ui为正且第二IGBT模块S2导通时，电流回路为电源火线-第一IGBT模块S1的续流二极管-第一功率电感L1-第二功率电感L2-第二IGBT模块S2-电源零线，交流电压给第二功率电感L2和第一功率电感L1蓄能。
输入电压为负且第一IGBT模块S1关断时,电路中存在两个电流回路：电源零线-第二IGBT模块S2的续流二极管-第二功率电感L2-第二电解电容E2-第三功率二极管D3-电源火线的电流回路，以及第一功率电感L1-第一功率二极管D1-第一电解电容E1-的电流回路。第一个电流回路给第一电解电容E2充电，第二个电流回路给第二电解电容E1充电。
输入电压为负且第一IGBT模块S1导通时,电流回路为电源零线-第二IGBT模块S2的续流二极管–第二功率电感L2-第一功率电感L1-第一IGBT模块S1-电源火线，交流电压给第一功率电感L1和第二功率电感L2蓄能。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。
Claims (5)
1.一种双电感双电压直流输出电路，其特征在于：包括第一IGBT模块S1和第二IGBT模块S2、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3和第四功率二极管D4，第一功率电感L1和第二功率电感L2，第一电解电容E1和第二电解电容E2，第一分压电阻R1、第二分压电阻R2和第三分压电阻R3，以及滤波电容C1；
第一IGBT模块S1的集电极连接第一功率二极管D1的正极，第一IGBT模块S1的发射极连接第三功率二极管D3的负极，构成不控整流桥电路的第一桥臂；
第二IGBT模块S2的集电极连接第二功率二极管D2的正极，第二IGBT模块S2的发射极连接第四功率二极管D4的负极，构成不控整流桥电路的第二桥臂；
第一电解电容E1的负极和连接第二电解电容E2的正极；
第一功率二极管D1的负极连接第二二极管D2的负极、第一电解电容E1的正极以及第一分压电阻R1的第一端部，形成输出正极；
第三功率二极管D3的正极，连接第四二极管D4的正极、第二电解电容E2的负极以及第三分压电阻R3的第一端部，形成输出负极；
第二分压电阻R2的一端连接第一分压电阻R1的第二端部，第二分压电阻R2的另一端连接第三分压电阻R3的第二端部，第三分压电阻R3的第二端部为直流侧采样端；
第一功率电感L1位于第一电解电容E1的负极和所述不控整流桥电路的第一桥臂之间，第二功率电感L2位于第一电解电容E2的负极和所述不控整流桥电路的第二桥臂之间；
电源火线连接所述不控整流桥电路的第一桥臂，电源零线连接所述不控整流桥电路的第二桥臂；
所述电源零线和所述电源火线之间设有双闸开关，形成输入电压和输入电流采样端。
2.根据权利要求1所述的一种双电感双电压直流输出电路，其特征在于：第一功率电感L1位于第一电解电容E1的负极与第一IGBT模块S1的发射极之间，第二功率电感L2位于第一电解电容E1的负极与第二IGBT模块S2的发射极之间；
所述电源火线连接第一IGBT模块S1的集电极，所述电源零线连接第二IGBT模块S2的集电极。
3.根据权利要求1所述的一种双电感双电压直流输出电路，其特征在于：第一功率电感L1位于第一电解电容E1的负极与第一IGBT模块S1的集电极之间，第二功率电感L2位于第一电解电容E1的负极与第二IGBT模块S2的集电极之间；
所述电源火线连接第一IGBT模块S1的发射极，所述电源零线连接第二IGBT模块S2的发射极。
4.根据权利要求1所述的一种双电感双电压直流输出电路，其特征在于：所述电源火线和所述电源零线之间设有滤波电容。
5.根据权利要求1所述的一种双电感双电压直流输出电路，其特征在于：所述双电感双电压直流输出电路还配有驱动电路；所述驱动电路包括：
在所述输入电压和输入电流采样端采集输入电压有效值U2 iRMS的有效值计算模块；
连接所述有效值计算模块，用以计算输入电压有效值平方倒数1/U2 iRMS的有效值平方倒数计算模块；
在所述直流侧采样端采集输出电压u0，并将输出电压u0和输出电压基准值ur进行比较，得到电压误差ev的第二乘法器；
对电压误差ev进行比例积分调节得到电压基准值uvc的电压环准PI调节模块；
根据输入电压有效值平方倒数1/U2 iRMS和电压基准值uvc得到基准电流ir的第一乘法器；
在输入电压和输入电流采样端对输入电流iL进行采样，并将输入电流iL和基准电流ir进行比较，得到电流误差ei的第三乘法器；
对电流误差ei进行比例积分调节，得到电源电压ucc的电流环准PI调节模块；
对电源电压ucc进行离散得到驱动电压ucd的信号离散模块；
通过对驱动电压ucd进行斩波，得到用以驱动第一IGBT模块S1的PWM1脉冲信号的脉冲形成模块；
连接所述脉冲形成模块，用以形成与所述PWM1脉冲信号互补的，用以驱动第二IGBT模块S2的PWM2脉冲信号的脉冲求补模块。
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| CN113258797A (zh) * | 2021-04-21 | 2021-08-13 | 三峡大学 | 一种异构开关管桥臂的背靠背式三电平整流器 |
| CN113271023A (zh) * | 2021-04-21 | 2021-08-17 | 三峡大学 | 一种异构混合桥臂的背靠背式三电平整流器 |
| CN113258797B (zh) * | 2021-04-21 | 2022-06-14 | 三峡大学 | 一种异构开关管桥臂的背靠背式三电平整流器 |
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| CN107482930B (zh) | 2019-05-17 |
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