CN107493023A - 一种单级非隔离Zeta三相无电解电容可升降压整流电路 - Google Patents

一种单级非隔离Zeta三相无电解电容可升降压整流电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单级非隔离Zeta三相无电解电容可升降压整流器，所述整流器包括六个开关管、七个二极管、五个电感和五个电容。本发明的有益效果是：电路具有升降压能力，适用范围广；电路无电解电容，可靠性高，寿命长；电路为单级结构，结构简单，效率高；当电路工作于第一电感电流双向流动模式时能显著降低第一电感和第二电感的电感值，提高系统的功率密度。

Description

一种单级非隔离Zeta三相无电解电容可升降压整流电路
技术领域
本发明涉及三相整流电路，尤其涉及一种单级非隔离Zeta三相无电解电容可升降压整流电路。
背景技术
随着传统化石燃料的日渐枯竭，人们对新能源的需求日渐增长，如风能，海洋能，地热能，这些新能源具备安全和清洁的特性和巨大的开发潜力，作为交流到直流的核心的功率变换模块，PWM整流器广泛应用于新能源发电中，但是这些新能源发电具有显著的不确定性，以风能为例，随着地势高低，昼夜起伏，风速都会不断地发生变化，根据文献记录的某风电场日风速统计记录，日最低风速为2m/s，最高风速为8m/s，波动很大。由于传统三相整流器只具有单一的升压能力或降压能力，当其应用于风力发电场合时对设计带来困难，所以对于新能源场合研究具备升降压能力的整流器具有很重要的意义。
传统的三相全控整流电路可分为电压型PWM整流电路和电流型PWM整流电路，电压型PWM整流电路本质为升压型PWM整流电路，输出电压值在任意时刻只能大于输入电压，且输出侧需要大容量的电解电容来平波，这严重限制了整流装置的寿命。而对于电流型PWM整流器，其本质为降压型PWM整流器，输出电压值任意时刻只能小于输入电压值，虽然避免了使用电解电容，但直流侧仍需要较大的电感来储存能量，影响系统效率。传统三相升降压整流器通常采用两级结构，前级为不控整流桥，后级级联可升降压DC-DC电路，而且DC-DC电路前需要大容量的电解电容来稳压，虽然可以实现宽范围电压调节但电路结构复杂且效率较低寿命较短。
发明内容
针对目前技术存在的问题，本发明提供一种单级非隔离型Zeta三相无电解电容可升降压整流电路。电路采用单级结构，效率更高；其输出电压脉动小，用小容量非电解电容即可代替稳压用的大容量电解电容，电路整体可靠性更高、寿命更长。电路本质为Zeta电路，具备升降压能力，应用范围更广。
为了达到上述的发明目的，本发明采用了如下技术方案：
一种单级非隔离Zeta三相无电解电容可升降压整流电路，包括六个开关管、七个二极管、五个电感和五个电容；第一、第二和第三滤波电感La、Lb、Lc的左端分别与三相交流电源的A相Ua、B相Ub和C相Uc的“+”级相连，三相交流电源的A相Ua、B相Ub和C相Uc的“-”级连接至一点；第一滤波电感La的右端与第一滤波电容Ca的上端相连，第二滤波电感Lb的右端与第二滤波电容Cb的上端相连，第三滤波电感Lc的右端与第三滤波电容Cc的上端相连，第一、第二和第三滤波电容Ca、Cb、Cc的下端共同连接至一点；第一开关管S1的发射极与第三开关管S3的发射极、第五开关管S1的发射极以及第一电感L1的上端相连，第一开关管S1的集电极与第一二极管VD1的阴极相连；第三开关管S3的发射极与第一开关管S1的发射极、第五开关管S5的发射极以及第一电感L1的上端相连，第三开关管S3的集电极与第三二极管VD3的阴极相连；第五开关管S5的发射极与第一开关管S1的发射极、第三开关管S3的发射极以及第一电感L1的上端相连，第五开关管S5的集电极与第五二极管VD5的阴极相连；第四开关管S4的发射极与第一二极管VD1的阳极、第一滤波电感La的右端以及第一滤波电容Ca的上端相连，第四开关管S4的集电极与第四二极管VD4的阴极相连；第六开关管S6的发射极与第三二极管VD3的阳极、第二滤波电感Lb的右端以及第二滤波电容Cb的上端相连，第六开关管S6的集电极与第六二极管VD6的阴极相连；第二开关管S2的发射极与第五二极管VD5的阳极、第三滤波电感Lc的右端以及第三滤波电容Cc的上端相连，第二开关管S2的集电极与第二二极管VD2的阴极相连；第四、第六和第二二极管VD4、VD6、VD2的阳极共同连接至第一电感L1的下端；第一电容C1的左端连接至第一电感L1的上端，第一电容C1的右端连接至第七二极管VD7的上端和第二电感L2的左端；第七二极管VD7的下端连接至第一电感L1的下端、第二电容C2的下端以及负载R的下端；第二电感L2的右端连接至第二电容C2的上端以及负载R的上端。
本发明在工作时，一个工频周期可以划分为6个扇区，各个扇区工作模式对称，以下的工作模态分析均选取一个扇区来说明。
本发明由三相整流桥和Zeta电路演变而来，采用传统电流型调制，当工作于第一电感L1电流单向流动模式时，三相电路三个桥臂任一时刻有两个不同桥臂的上部开关管或下部开关管导通或者全部关断，当其中有两个开关管开通时第七二极管VD7关断，当开关管全关断时第七二极管VD7开通，当6个桥臂中有两个开关管开通时，三相电源通过这两个开关管为第一电感L1充电，三相电源和第一电容C1为第二电感L2及负载放电，当开关管全关断时第七二极管VD7开通，此时第一电感L1通过第七二极管VD7为第一电容C1放电，第二电感L2通过第七二极管VD7为负载放电。第一电感L1电流双向流动模式相比第一电感L1电流单向流动模式多了一个第七二极管VD7和开关管全关断的状态，电路工作方式与Zeta电路工作方式类似，所以通过调节调制比改变平均占空比即可实现升降压。
本发明第一、第二和第三滤波电容Ca，Cb，Cc主要用来滤除高频谐波，所以用小容量非电解电容即可实现该功能，中间的第一电容C1主要作用是在每个开关周期传递能量，且对第一电容C1两端电压纹波没有太大要求，所以用容值很小的电容即可，输出端第二电容C2的作用是配合第二电感L2组成二阶滤波器滤除输出电压谐波，而输出端低频电压谐波主要为300Hz纹波，采用小电容值非电解电容即可。
由于采用了上述技术方案本发明的有益效果如下：
(1)本发明具有升降压能力，使用范围更广；
(2)本发明电路中的电容均为非电解电容，系统可靠性高，使用寿命长；
(3)本发明电路为单级结构，电路结构简单，效率高；
(4)当本发明电路采用第一电感L1电流双向流动模式时能显著降低第一电感L1和第二电感L2的电感值，提高了系统的功率密度。
附图说明
图1为本发明三相电流型整流电路拓扑结构示意图；
图2为本发明的工作模式一；
图3为本发明的工作模式二；
图4为本发明的工作模式三；
图5为本发明的工作模式四；
图6为本发明中第一电感L1电流双向流动模式的三相输入电流波形；
图7为本发明中第一电感L1电流双向流动模式当调制比为0.8时的直流输出电压和a相相电压波形；
图8为本发明中第一电感L1电流双向流动模式当调制比为0.4时的直流输出电压和a相相电压波形；
图9为本发明中第一电感L1电流双向流动模式工作达到稳态时a相相电压波形和经幅值放大后的a相相电流波形；
图10为本发明中第一电感L1电流双向流动模式的电感L1电流波形；
图11为本发明中第一电感L1电流双向流动模式的电感L2电流波形；
图12为本发明中第一电感L1电流双向流动模式的电容C1电压波形；
图13为本发明中第一电感L1电流单向流动模式的电感L1电流波形；
图14为本发明中第一电感L1电流单向流动模式电感L2电流波形；
图15为本发明中第一电感L1电流单向流动模式的电容C1电压波形；
图16为本发明中第一电感L1电流单向流动模式的三相输入电流波形；
图17为本发明中第一电感L1电流单向流动模式当调制比为0.57时的直流输出电压和a相相电压波形；
图18为本发明中第一电感L1电流单向流动模式当调制比为0.41时的直流输出电压和a相相电压波形；
图19为本发明中第一电感L1电流单向流动模式的a相相电压波形和经幅值放大后的a相相电流波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进一步具体说明。
如附图1所示，本发明的一种单级非隔离Zeta三相无电解电容可升降压整流电路，包括六个开关管、七个二极管、五个电感和五个电容；第一、第二和第三滤波电感La、Lb、Lc的左端分别与三相交流电源的A相Ua、B相Ub和C相Uc的“+”级相连，三相交流电源的A相Ua、B相Ub和C相Uc的“-”级连接至一点；第一滤波电感La的右端与第一滤波电容Ca的上端相连，第二滤波电感Lb的右端与第二滤波电容Cb的上端相连，第三滤波电感Lc的右端与第三滤波电容Cc的上端相连，第一、第二和第三滤波电容Ca、Cb、Cc的下端共同连接至一点；第一开关管S1的发射极与第三开关管S3的发射极、第五开关管S1的发射极以及第一电感L1的上端相连，第一开关管S1的集电极与第一二极管VD1的阴极相连；第三开关管S3的发射极与第一开关管S1的发射极、第五开关管S5的发射极以及第一电感L1的上端相连，第三开关管S3的集电极与第三二极管VD3的阴极相连；第五开关管S5的发射极与第一开关管S1的发射极、第三开关管S3的发射极以及第一电感L1的上端相连，第五开关管S5的集电极与第五二极管VD5的阴极相连；第四开关管S4的发射极与第一二极管VD1的阳极、第一滤波电感La的右端以及第一滤波电容Ca的上端相连，第四开关管S4的集电极与第四二极管VD4的阴极相连；第六开关管S6的发射极与第三二极管VD3的阳极、第二滤波电感Lb的右端以及第二滤波电容Cb的上端相连，第六开关管S6的集电极与第六二极管VD6的阴极相连；第二开关管S2的发射极与第五二极管VD5的阳极、第三滤波电感Lc的右端以及第三滤波电容Cc的上端相连，第二开关管S2的集电极与第二二极管VD2的阴极相连；第四、第六和第二二极管VD4、VD6、VD2的阳极共同连接至第一电感L1的下端；第一电容C1的左端连接至第一电感L1的上端，第一电容C1的右端连接至第七二极管VD7的上端和第二电感L2的左端；第七二极管VD7的下端连接至第一电感L1的下端、第二电容C2的下端以及负载R的下端；第二电感L2的右端连接至第二电容C2的上端以及负载R的上端。
本发明可工作于第一电感L1电流单向流动模式和第一电感L1电流双向流动模式，第一电感L1电流双向流动模式共有4种工作状态，如图2、3、4、5所示，相对于第一电感L1电流单向流动模式，双向流动模式能显著降低第一电感L1和第二电感L2的电感值，提高整流电路的功率密度。第一电感L1电流单向流动模式共有3种工作模态，如图2、3、4所示。
工作模态1：如图2所示，第一开关管S1和第六开关管S6开通，此时第七二极管VD7关断，三相电源通过第一开关管S1和第六开关管S6为第一电感L1充电、三相电源和第一电容C1为第二电感L2、第二电容C2和负载R供电。
工作模态2：如图3所示，第一开关管S1和第二开关管S2开通，此时第七二极管VD7关断，三相电源通过第一开关管S1和第二开关管S2为第一电感L1充电。三相电源和第一电容C1为第二电感L2、第二电容C2和负载R供电。
工作模态3：如图4所示，三相桥开光管全关断，此时第七二极管VD7开通，第一电感L1通过第七二极管VD7为第一电容C1充电，第二电感L2通过第七二极管VD7为第二电容C2和负载R供电。
工作模态4：如图5所示，三相桥开关管全关断，此时第七二极管VD7也关断，此时流过第一电感L1和第二电感L2的电流相同，第二电容C2为负载R供电。
本发明采用传统电流型整流器调制方法调制，图6为本发明中第一电感L1电流双向流动模式三相输入电流波形。图7为本发明中第一电感L1电流双向流动模式当调制比为0.8时的直流输出电压和a相电压波形。图8为本发明中第一电感L1电流双向流动模式当调制比为0.4时的直流输出电压和a相电压波形。图9为本发明中第一电感L1电流双向流动模式工作达到稳态时a相相电压波形和经幅值放大后的a相相电流波形。图10为本发明中第一电感L1电流双向流动模式的第一电感L1电流波形。图11为本发明中第一电感L1电流双向流动模式的第二电感L2电流波形。图12为本发明中第一电感L1电流双向流动模式的第一电容C1电压波形。图13为本发明中第一电感L1电流单向流动模式的第一电感L1电流波形。图14为本发明中第一电感L1电流单向流动模式的第一电感L2电流波形。图15为本发明中第一电感L1电流单向流动模式的第一电容C1电压波形。图16为本发明中第一电感L1电流单向流动模式的三相输入电流波形。图17为本发明中第一电感L1电流单向流动模式当调制比为0.57时的直流输出电压和a相相电压波形。图18为本发明中第一电感L1电流单向流动模式当调制比为0.41时的直流输出电压和a相相电压波形。图19为本发明中第一电感L1电流单向流动模式的a相相电压波形和经幅值放大后的a相相电流波形。

Claims (5)

1.一种单级非隔离Zeta三相无电解电容可升降压整流电路，其特征在于：所述整流器包括六个开关管、七个二极管、五个电感和五个电容；第一、第二和第三滤波电感La、Lb、Lc的左端分别与三相交流电源的A相(Ua)、B相(Ub)和C相(Uc)的“+”级相连，三相交流电源的A相(Ua)、B相(Ub)和C相(Uc)的“-”级连接至一点；第一滤波电感(La)的右端与第一滤波电容(Ca)的上端相连，第二滤波电感(Lb)的右端与第二滤波电容(Cb)的上端相连，第三滤波电感(Lc)的右端与第三滤波电容(Cc)的上端相连，第一、第二和第三滤波电容(Ca、Cb、Cc)的下端共同连接至一点；第一开关管(S1)的发射极与第三开关管(S3)的发射极、第五开关管(S1)的发射极以及第一电感(L1)的上端相连，第一开关管(S1)的集电极与第一二极管(VD1)的阴极相连；第三开关管(S3)的发射极与第一开关管(S1)的发射极、第五开关管(S5)的发射极以及第一电感(L1)的上端相连，第三开关管(S3)的集电极与第三二极管(VD3)的阴极相连；第五开关管(S5)的发射极与第一开关管(S1)的发射极、第三开关管(S3)的发射极以及第一电感(L1)的上端相连，第五开关管(S5)的集电极与第五二极管(VD5)的阴极相连；第四开关管(S4)的发射极与第一二极管(VD1)的阳极、第一滤波电感(La)的右端以及第一滤波电容(Ca)的上端相连，第四开关管(S4)的集电极与第四二极管(VD4)的阴极相连；第六开关管(S6)的发射极与第三二极管(VD3)的阳极、第二滤波电感(Lb的)右端以及第二滤波电容(Cb)的上端相连，第六开关管(S6)的集电极与第六二极管(VD6)的阴极相连；第二开关管(S2)的发射极与第五二极管(VD5)的阳极、第三滤波电感(Lc)的右端以及第三滤波电容(Cc的)上端相连，第二开关管(S2)的集电极与第二二极管(VD2)的阴极相连；第四、第六和第二二极管(VD4、VD6、VD2)的阳极共同连接至第一电感(L1)的下端；第一电容(C1)的左端连接至第一电感(L1)的上端，第一电容(C1)的右端连接至第七二极管(VD7)的上端和第二电感(L2的)左端；第七二极管(VD7)的下端连接至第一电感(L1)的下端、第二电容(C2)的下端以及负载(R)的下端；第二电感(L2)的右端连接至第二电容(C2)的上端以及负载(R)的上端。
2.根据权利要求1所述的一种单级非隔离Zeta三相无电解电容可升降压整流电路，其特征在于：所述整流电路无需电解电容，可靠性高，使用寿命长。
3.根据权利要求1所述的一种单级非隔离Zeta三相无电解电容可升降压整流电路，其特征在于：所述整流电路为单级结构，电路结构简单，整流效率高。
4.根据权利要求1所述的一种单级非隔离Zeta三相无电解电容可升降压整流电路，其特征在于：所述整流电路具有升降压功能，应用范围广。
5.根据权利要求1所述的一种单级非隔离Zeta三相无电解电容可升降压整流电路，其特征在于：当电路工作于第一电感(L1)电流双向流动模式时能显著降低第一电感(L1)和第二电感(L2)的电感值。
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