CN107612391A - 一种交错并联的三相pwm整流系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种交错并联的三相PWM整流系统，包括N个PWM整流变换器，N≥2，A相输入端连接第一变压器的原边绕组，B相输入端连接第二变压器的原边绕组，C相输入端连接第三变压器的原边绕组，这三个变压器均具有N个副边绕组，第一变压器的第n个副边绕组、第二变压器的第n个副边绕组和第三变压器的第n个副边绕组均对应连接第n个PWM整流变换器的交流侧，n＝1，2，……，N，所有的PWM整流变换器的直流侧并联连接，以形成系统输出端。通过将各PWM整流变换器并联设置，能够降低内部开关管的电流应力。并且，通过交错并联技术，能够降低总的输入电流波动，降低电流谐波，降低总的输出电压高频波动，降低干扰。

Description

一种交错并联的三相PWM整流系统

技术领域

本发明涉及一种交错并联的三相PWM整流系统。

背景技术

在大力提倡绿色能源的今天，对电源模块的功率因数提出了更高的要求。目前单相功率因数校正技术应用已经非常成熟，小功率的单相PFC电源已经能够量产。现在电网系统对接入电网设备三相交流输入的电流谐波含量的要求越来越高，自带功率因数校正的大功率电源模块将是今后电源模块的发展趋势。一般意义上电源模块扩容的方式有两种：一是增加元器件容量，即选用更高电压电流应力的功率管，增大电感、电容的容量和体积；二是并管扩容，即在原本功率器件上并联或串联多个同一型号的功率器件，达到降低应力增大电流的目的。但是这两种方法都会带来输入电流纹波增大，滤波器设计困难，散热器设计困难，电源功率密度降低等缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种交错并联的三相PWM整流系统，用以解决传统的直流系统电流波动较大的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括一种交错并联的三相PWM整流系统，包括三相输入端和N个PWM整流变换器，N≥2，所述三相输入端中的A相输入端连接第一变压器的原边绕组，B相输入端连接第二变压器的原边绕组，C相输入端连接第三变压器的原边绕组，所述第一变压器、第二变压器和第三变压器均具有N个副边绕组，所述第一变压器的第n个副边绕组、第二变压器的第n个副边绕组和第三变压器的第n个副边绕组均连接相应的输出线路，这三条输出线路构成一组三相输出线路，所述三相输出线路对应连接第n个PWM整流变换器的交流侧，n＝1，2，……，N，所述N个PWM整流变换器的直流侧并联连接，以形成所述三相PWM整流系统的输出端。

本发明提供的三相PWM整流系统中设置有多个PWM整流变换器，通过将这些PWM整流变换器并联设置，能够降低内部开关管的电流应力。通过交错并联技术，使得各个PWM整流变换器的输入电流波动互补，从而达到降低总的输入电流波动的目的。随着输入电流波动的减小，滤波器噪声的幅值也随之降低，从而使得滤波器体积变小成为可能，电流谐波也相应的减小；并且，通过交错并联技术，各PWM整流变换器的输出电压高频波动互补，从而降低总的输出电压高频波动，减少输出电容容量，降低干扰；通过交错并联技术，使总输入电流波动减小，从而减少电磁干扰，减小滤波器体积。而且，通过多个PWM整流变换器的并联设置，使得在使用同样功率器件的情况下，达到扩容的目的，提高系统功率密度。另外，该整流系统实现了轻载时输入电流连续，减少干扰。还有就是，可以用N个分散的发热器件代替一个集中的发热器件，方便散热结构的设计。

所述第n个PWM整流变换器包括三条开关桥臂，各开关桥臂均由两个串联设置的开关器件构成，所述三相输出线路对应连接各开关桥臂。

所述三相输出线路中的各输出线路与对应的开关桥臂之间的连接线路上均设置有电流采样互感器。

各PWM整流变换器的直流侧设置有滤波电容。

所述开关器件由开关管和二极管构成，所述开关管和二极管反向并联设置。

所述开关管为MOS管或者IGBT。

三相输入端中的各相输入端与对应的变压器的原边绕组之间的连接线路上均设置有EMI。

各PWM整流变换器的导通周期均为360°/N，并且，第n个PWM整流变换器的导通周期与第n+1个PWM整流变换器导通周期相位错开360°/N；所述相位错开360°/N是指相位超前或者滞后360°/N。

附图说明

图1是交错并联的三相PWM整流系统拓扑图；

图2是PWM整流变换器的电路示意图；

图3是开关桥臂的第一种结构示意图；

图4是开关桥臂的第二种结构示意图；

图5是交错并联的三相PWM整流系统的一种实施方式的电路示意图；

图6是各PWM整流变换器的导通周期时间关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示，本实施例提供一种交错并联的三相PWM整流系统包括三相输入端、第一变压器、第二变压器、第三变压器和N个PWM整流变换器，N≥2，N的具体数值根据实际要求进行设定，其中，三相输入端分为A相输入端、B相输入端和C相输入端，第一变压器为变压器T1，第二变压器为变压器T2，第三变压器为变压器T3，各PWM整流变换器为常见的三相六开关的拓扑结构，如图2所示。

如图1所示，A相输入端连接变压器T1的原边绕组，B相输入端连接变压器T2的原边绕组，C相输入端连接变压器T3的原边绕组，也就是说，变压器T1、T2和T3分别接入三相交流电中的其中一相。另外，为了对输入交流电进行处理，三相输入端与相应的变压器之间的连接线路上还可以设置EMI。变压器T1、T2和T3均具有与PWM整流变换器相同个数的副边绕组，即这三个变压器均具有N个副边绕组。对于任意一个PWM整流变换器，比如第n个PWM整流变换器，n＝1，2，……，N，变压器T1的第n个副边绕组、变压器T2的第n个副边绕组和变压器T3的第n个副边绕组均连接相应的输出线路，即变压器T1的第n个副边绕组连接一条输出线路，变压器T2的第n个副边绕组连接一条输出线路，变压器T3的第n个副边绕组连接一条输出线路，这三条输出线路划分为一组，构成一组三相输出线路，这个三相输出线路对应连接第n个PWM整流变换器的交流侧。结合图1，以下给出具体的连接说明：变压器T1的第1个副边绕组连接第1个PWM整流变换器的交流侧中的A相端，变压器T2的第1个副边绕组连接第1个PWM整流变换器的交流侧中的B相端，变压器T3的第1个副边绕组连接第1个PWM整流变换器的交流侧中的C相端；变压器T1的第2个副边绕组连接第2个PWM整流变换器的交流侧中的A相端，变压器T2的第2个副边绕组连接第2个PWM整流变换器的交流侧中的B相端，变压器T3的第2个副边绕组连接第2个PWM整流变换器的交流侧中的C相端；变压器T1的第3个副边绕组连接第3个PWM整流变换器的交流侧中的A相端，变压器T2的第3个副边绕组连接第3个PWM整流变换器的交流侧中的B相端，变压器T3的第3个副边绕组连接第3个PWM整流变换器的交流侧中的C相端；……；变压器T1的最后一个(即第N个)副边绕组连接最后一个PWM整流变换器的交流侧中的A相端，变压器T2的最后一个副边绕组连接最后一个PWM整流变换器的交流侧中的B相端，变压器T3的最后一个副边绕组连接最后一个PWM整流变换器的交流侧中的C相端。

对于任意一个PWM整流变换器，如图2所示，包括三条开关桥臂，第一开关桥臂由开关器件S₁和S₂串联构成，第二开关桥臂由开关器件S₃和S₄串联构成，第三开关桥臂由开关器件S₅和S₆串联构成。变压器T1、T2和T3的其中一个副边绕组对应连接相应的开关桥臂，其中：变压器T1的对应副边绕组连接第一开关桥臂中开关器件S₁和S₂的连接点，变压器T2的对应副边绕组连接第二开关桥臂中开关器件S₃和S₄的连接点，变压器T3的对应副边绕组连接第三开关桥臂中开关器件S₅和S₆的连接点。对于任意一个开关器件，开关器件由开关管和反向并联设置的二极管构成，二极管可以是寄生二极管或者复合二极管，其中，开关管为MOS管或者IGBT，如图3和4所示。为了采集各PWM整流变换器交流侧各相的电流信息，在形成的三相输出线路中的各输出线路与对应的开关桥臂之间的连接线路上均设置有电流采样互感器，如图2所示，变压器T1的对应副边绕组与开关器件S₁和S₂的连接点之间的连接线路上串设电流采样互感器Ua，变压器T2的对应副边绕组与开关器件S₃和S₄的连接点之间的连接线路上串设电流采样互感器Ub，变压器T3的对应副边绕组与开关器件S₅和S₆的连接点之间的连接线路上串设电流采样互感器Uc。并且，PWM整流变换器的直流侧还设置有滤波电容C。图2中的电阻Load代表负载。

以图1而言，第一个PWM整流变换器中的第一开关桥臂由开关器件S_{1_1}和S_{1_2}串联构成，第二开关桥臂由开关器件S_{1_3}和S_{1_4}串联构成，第三开关桥臂由开关器件S_{1_5}和S_{1_6}串联构成，对应的电流采样互感器为U_{1_1}、U_{1_2}和U_{1_3}，PWM整流变换器的直流侧设置有滤波电容C₁；第二个PWM整流变换器中的第一开关桥臂由开关器件S_{2_1}和S_{2_2}串联构成，第二开关桥臂由开关器件S_{2_3}和S_{2_4}串联构成，第三开关桥臂由开关器件S_{2_5}和S_{2_6}串联构成，对应的电流采样互感器为U_{2_1}、U_{2_2}和U_{2_3}，PWM整流变换器的直流侧设置有滤波电容C₂；……；第N个PWM整流变换器中的第一开关桥臂由开关器件S_{N_1}和S_{N_2}串联构成，第二开关桥臂由开关器件S_{N_3}和S_{N_4}串联构成，第三开关桥臂由开关器件S_{N_5}和S_{N_6}串联构成，对应的电流采样互感器为U_{N_1}、U_{N_2}和U_{N_3}，PWM整流变换器的直流侧设置有滤波电容C_N。

通过设置电流采样互感器，可以根据采集到的采样电流大小来控制对应开关器件的导通或者关断。当然，还可以与常规控制方式一样，由相应的控制策略直接控制导通或者关断。

如图1所示，这N个PWM整流变换器的直流侧并联连接，即将各PWM整流变换器直流侧的正极相连接，以构成一个正极端，将各PWM整流变换器直流侧的负极相连接，以构成一个负极端，形成的正极端和负极端就是该三相PWM整流系统的输出端。

图5为交错并联的三相PWM整流系统的一种具体实施方式的电路示意图。

三相PWM整流系统在运行时，对于任意一个PWM整流变换器，该PWM整流变换器中的6个开关管的周期开始和结束时间相同，即导通周期相同，即：第一PWM整流变换器中的6个开关管的周期开始和结束时间相同，第二PWM整流变换器中的6个开关管的周期开始和结束时间相同，……，第N个PWM整流变换器中的6个开关管的周期开始和结束时间相同。而且，各PWM整流变换器的导通周期相等，均为360°/N。并且，第n个PWM整流变换器中的6个开关管的导通周期与第n+1个PWM整流变换器中的6个开关管的导通周期相位错开360°/N角度，即相邻两个PWM整流变换器中的开关管的驱动信号相位错开360°/N角度，具体为：第n个PWM整流变换器的A相驱动信号与第n+1个PWM整流变换器的A相驱动信号同频率同幅值，占空比各自独立，且相位错开360°/N；第n个PWM整流变换器的B相驱动信号与第n+1个PWM整流变换器的B相驱动信号同频率同幅值，占空比各自独立，且相位错开360°/N；第n个PWM整流变换器的C相驱动信号与第n+1个PWM整流变换器的C相驱动信号同频率同幅值，占空比各自独立，且相位错开360°/N。其中，相位错开360°/N是指相位超前或者滞后360°/N角度，即时间相差1/N个周期时间。

由此可见，将360°分为N份，每份时间大小为360°/N，这N份时间与N个PWM整流变换器的导通周期一一对应。如果第n个PWM整流变换器的驱动信号超前第n+1个PWM整流变换器的驱动信号360°/N角度，那么，对于任意一个360°而言，第一个PWM整流变换器的运行时间最早，第N个PWM整流变换器的运行时间最晚，其他的PWM整流变换器按照时间先后顺序依次排列，如图6所示，第一个PWM整流变换器的运行周期是第一个360°/N，第二个PWM整流变换器的运行周期是第二个360°/N，第三个PWM整流变换器的运行周期是第三个360°/N，……，第N个PWM整流变换器的运行周期是第N个360°/N。下一个360°也是按照上述时间顺序进行控制。如果第n个PWM整流变换器的驱动信号滞后第n+1个PWM整流变换器的驱动信号360°/N角度，那么，对于任意一个360°而言，就与上述过程截然相反，第N个PWM整流变换器的运行时间最早，第一个PWM整流变换器的运行时间最晚，其他的PWM整流变换器按照时间先后顺序依次排列，即第N个PWM整流变换器的运行周期是第一个360°/N，第N-1个PWM整流变换器的运行周期是第二个360°/N，第N-2个PWM整流变换器的运行周期是第三个360°/N，……，第2个PWM整流变换器的运行周期是第N-1个360°/N，第1个PWM整流变换器的运行周期是第N个360°/N。下一个360°也是按照上述时间顺序进行控制。

因此，各PWM整流变换器实现交错导通运行。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于交错并联的三相PWM整流系统拓扑结构，并不在于具体的控制策略，即不在于开关管之间的导通时间关系。

Claims (8)

1.一种交错并联的三相PWM整流系统，其特征在于，包括三相输入端和N个PWM整流变换器，N≥2，所述三相输入端中的A相输入端连接第一变压器的原边绕组，B相输入端连接第二变压器的原边绕组，C相输入端连接第三变压器的原边绕组，所述第一变压器、第二变压器和第三变压器均具有N个副边绕组，所述第一变压器的第n个副边绕组、第二变压器的第n个副边绕组和第三变压器的第n个副边绕组均连接相应的输出线路，这三条输出线路构成一组三相输出线路，所述三相输出线路对应连接第n个PWM整流变换器的交流侧，n＝1，2，……，N，所述N个PWM整流变换器的直流侧并联连接，以形成所述三相PWM整流系统的输出端。

2.根据权利要求1所述的交错并联的三相PWM整流系统，其特征在于，所述第n个PWM整流变换器包括三条开关桥臂，各开关桥臂均由两个串联设置的开关器件构成，所述三相输出线路对应连接各开关桥臂。

3.根据权利要求2所述的交错并联的三相PWM整流系统，其特征在于，所述三相输出线路中的各输出线路与对应的开关桥臂之间的连接线路上均设置有电流采样互感器。

4.根据权利要求1所述的交错并联的三相PWM整流系统，其特征在于，各PWM整流变换器的直流侧设置有滤波电容。

5.根据权利要求1所述的交错并联的三相PWM整流系统，其特征在于，所述开关器件由开关管和二极管构成，所述开关管和二极管反向并联设置。

6.根据权利要求5所述的交错并联的三相PWM整流系统，其特征在于，所述开关管为MOS管或者IGBT。

7.根据权利要求1所述的交错并联的三相PWM整流系统，其特征在于，三相输入端中的各相输入端与对应的变压器的原边绕组之间的连接线路上均设置有EMI。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的交错并联的三相PWM整流系统，其特征在于，各PWM整流变换器的导通周期均为360°/N，并且，第n个PWM整流变换器的导通周期与第n+1个PWM整流变换器导通周期相位错开360°/N；所述相位错开360°/N是指相位超前或者滞后360°/N。