CN109713929A - 一种基于零电压软开关的三相三开关两电平整流器 - Google Patents
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Abstract
一种基于零电压软开关的三相三开关两电平整流器，包括三相两电平整流电路、谐振电路、滤波电容C，所述三相两电平整流电路包括并联的第一整流桥臂、第二整流桥臂、第三整流桥臂。本发明与传统三相两电平整流器相比省去三个全控功率器件和相应的开关驱动电路，在不需要双向功率流动的情况下，高功率因数单向整流器具有功率开关数量减少、短路自然保护、有源开关能量处理小等优点；在输出电压较低的情况下该两电平整流器具有较大优势；另外与传统三电平有源整流器相比不需控制直流母线的中点电压，杜绝了中点电位不平衡的现象，减少了传感器和控制器的数量。
Description
技术领域
本发明属于整流器控制领域，具体涉及一种基于软开关的三相三开关两电平整流器。
背景技术
随着能源互联网概念的提出，大规模的分布式发电，如光伏发电、风力发电系统的接入，大量的整流逆变设备投入使用。三相有源整流器是具有网侧高功率因数，能量可双向流动的电力变换设备，应用于众多场合，但目前所使用的PWM整流器普遍为硬开关整流器，硬开关具有结构简单的特点，但采用硬开关会出现开关噪声及开关损耗，其在分布式发电系统中的大量使用，将造成大量的能量损耗，与此同时，伴随着大量的热量产生，对开关管具有严重威胁，因此需要额外的降温设备对其进行降温，此举不但成本升高更使设备效率降低。为了减少降低开关损耗，能量损失，寻求一种低温升高效率的有源整流器的技术改进方法势在必行。降低开关损耗主要从两方面着手：一是低开关频率整流器，二是采用软开关技术。低开关频率PWM整流器或逆变器适用于中大功率场合。当三相有源整流器或逆变器的功率不高时，可能无法采用上述低开关频率的控制方案。因此软开关有源整流器势必成为研究的重点。
零电压软开关技术是解决开关损耗的一种理想方式。软开关通过采用在开关上并联电容的方式与电路中的电感发生谐振，利用电容充电产生电流可以降低电压的工作原理，使软开关在闭合之前，其两端基本没有电压，则软开关在闭合动作时就不会产生开关损耗，完成零电压开关的功能。
发明内容
本发明的技术问题是如何利用软开关技术解决传统硬开关三相有源整流器在开关功率器件动作时造成的开关电能损耗及开关噪声问题，同时对传统三相有源整流器的成本进行降低。
本发明的目的是针对上述技术问题，提供一种基于零电压软开关的三相三开关两电平整流器，在传统三相两电平有源整流回路中增加谐振回路及并联电容，同时对传统有源三相整流电路进行创新，发明基于软开关的新型三相三开关两电平整流电路。
本发明的技术方案是一种基于零电压软开关的三相三开关两电平整流器，包括三相两电平整流电路、谐振电路、滤波电容C，所述三相两电平整流电路包括并联的第一整流桥臂、第二整流桥臂、第三整流桥臂，第一整流桥臂包括二极管DA1～DA6、功率开关管S1、电容C1，二极管DA1、二极管DA3、二极管DA4、二极管DA2依次串联，二极管DA5、二极管DA6串联，二极管DA5阴极与二极管DA3阴极连接，二极管DA6阳极与二极管DA4阳极连接，功率开关管S1漏极分别与二极管DA2阴极、电容C1一端连接，功率开关管S1源极分别与二极管DA1阳极、电容C1一端连接，二极管DA5、二极管DA6连接处引出导线，作为端口E；第二整流桥臂包括二极管DB1～DB6、功率开关管S2、电容C2，第二整流桥臂与第一整流桥臂结构相同，二极管DB5、二极管DB6连接处与端口E连接；第三整流桥臂包括二极管DC1～DC6、功率开关管S3、电容C3；第三整流桥臂与第一整流桥臂结构相同，二极管DC5、二极管DC6连接处与端口E连接；谐振电路一端与三相两电平整流电路输出端连接，谐振电路另一端与滤波电容C一端连接，滤波电容C另一端与三相两电平整流电路连接。功率开关管S1与电容C1形成缓冲回路，功率开关管S2与电容C2形成缓冲回路，功率开关管S3与电容C3形成缓冲回路。
所述谐振电路包括谐振电感Lr、功率开关管S4、钳位电容Cc、并联电容C4、并联二极管D，功率开关管S4的源极分别与谐振电感Lr一端、并联二极管D的阳极、并联电容C4一端连接，功率开关管S4的漏极分别与并联二极管D的阴极、并联电容C4另一端、钳位电容Cc一端连接，钳位电容Cc另一端与谐振电感Lr另一端连接。
根据6扇区空间矢量调制模式，将整个工频工作周期分为6个扇区，以扇区II为例，所述的基于软开关的三相两电平整流器的使用方法如下：
(1)阶段一(t0-t1)：该阶段对应的工作矢量是(110)，功率开关管S3、S4导通，输入电感La、Lb、Lc向负载输送能量；
(2)阶段二(t1-t2)：t1时刻，功率开关管S4关断，谐振电感Lr与电容C1、C2，功率开关管S4的并联电容C4进行谐振，谐振电感Lr给电容C1、C2进行放电，给并联电容C4进行充电，导致母线电压不断下降，由于并联电容C4两端的电压不能突变，其两端电压仍为零，因此功率开关管S4是在零电压条件下关断；到t2时刻，电容C1、C2两端的电压降为零，谐振停止，此时开通功率开关管S1、S2，则功率开关管S1、S2均为零电压开通；
(3)阶段三(t2-t3)：该阶段对应的工作矢量为(000)，功率开关管S1、S2、S3均导通，谐振电感Lr与电容C1、C2、C3以及并联电容C4谐振，Lr对电容C1、C2、C3进行充电，对并联电容C4进行放电，到t3时刻，C4两端电压降低到零，谐振停止，此时功率开关管S4导通，因此功率开关管S4是在零电压条件下导通；
(4)阶段四(t3-t4)：从t3时刻起，功率开关管S1、S2、S3、S4导通，此时电路可以分为三个独立的部分：第一部分为由三相电源、三相滤波电感、整流桥臂组成的回路，能量在
电网内部流动，不对直流侧进行供能，第二部分为直流环节的谐振电路，谐振电感Lr和功率开关管S4以及钳位电容Cc组成闭合回路，第三部分为直流侧部分，滤波电容C对负载进行供能；
(5)阶段五(t4-t5)：t5时刻起，功率开关管S2关断，该阶段对应的工作矢量为(010)，功率开关管S2两端并联的电容C2的缓冲作用，使功率开关管S2关断过程更加柔和，降低其关断损耗。
本发明的有益效果：
1)三相三开关两电平整流器与传统三相两电平整流器相比省去三个全控功率器件和相应的开关驱动电路，在不需要双向功率流动的情况下，高功率因数单向整流器具有功率开关数量减少、短路自然保护、有源开关能量处理小等优点；在输出电压较低的情况下该两电平整流器具有较大优势；另外与传统三电平有源整流器相比不需控制直流母线的中点电压，杜绝了中点电位不平衡的现象，减少了传感器和控制器的数量；
2)本发明将简化空间矢量调制应用于三相三开关两电平星型接法的三相单向两电平整流器，以便减少开关换向次数，减少变换器损耗；
3)本发明采用软开关技术，利用谐振原理实现了功率开关管零电压开通，在使开关损耗减小到接近于零的同时也减小了开关过程中产生的噪声提高了开关器件的可靠性，延长了功率开关管的使用寿命；
4)缓冲电路是在开关管关断时防止在开关管上产生过电压和减少开关损耗，同时还可以防止二次击穿的破坏。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明基于零电压软开关的三相三开关两电平整流器主拓扑结构图。
图2为本发明工作状态阶段一示意图。
图3为本发明工作状态阶段二示意图。
图4为本发明工作状态阶段三示意图。
图5为本发明工作状态阶段四示意图。
图6为本发明工作状态阶段五示意图。
图7为本发明输入侧电压波形图。
图8为本发明工作状态阶段第二扇区开关波形图。
图9为本发明工作状态阶段电压空间矢量分布图。
图10为本发明工作状态阶段输入侧电流电压波形图。
图11为本发明工作状态阶段功率开关管S1换流过程电压电流波形图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于零电压软开关的三相三开关两电平整流器，包括三相两电平整流电路、谐振电路、滤波电容C，所述三相两电平整流电路包括并联的第一整流桥臂、第二整流桥臂、第三整流桥臂，第一整流桥臂包括二极管DA1～DA6、功率开关管S1、电容C1，二极管DA1、二极管DA3、二极管DA4、二极管DA2依次串联，二极管DA5、二极管DA6串联，二极管DA5阴极与二极管DA3阴极连接，二极管DA6阳极与二极管DA4阳极连接，功率开关管S1漏极分别与二极管DA2阴极、电容C1一端连接，功率开关管S1源极分别与二极管DA1阳极、电容C1一端连接，二极管DA5、二极管DA6连接处引出导线，作为端口E；第二整流桥臂包括二极管DB1～DB6、功率开关管S2、电容C2，第二整流桥臂与第一整流桥臂结构相同，二极管DB5、二极管DB6连接处与端口E连接；第三整流桥臂包括二极管DC1～DC6、功率开关管S3、电容C3；第三整流桥臂与第一整流桥臂结构相同，二极管DC5、二极管DC6连接处与端口E连接；谐振电路一端与三相两电平整流电路输出端连接，谐振电路另一端与滤波电容C一端连接，滤波电容C另一端与三相两电平整流电路连接。功率开关管S1与电容C1形成缓冲回路，功率开关管S2与电容C2形成缓冲回路，功率开关管S3与电容C3形成缓冲回路。
ua、ub、uc为电网A、B、C三相的相电压，ia、ib、ic为A、B、C三相的线电流，电感La、Lb、Lc为电网侧的滤波电感以滤除谐波，滤波电容C为直流侧电容稳定直流侧电压，同时储存电能并向负载提供能量。
线路具体参数如下：整流器输入侧三相电网电压有效值为220V，频率50Hz，直流侧输出电压700V，电感La＝Lb＝Lc＝2.4mH，滤波电容C＝2200μF，谐振电路中谐振电感Lr＝100μH，电容C1＝C2＝C3＝2nF，钳位电容Cc＝40μF，开关管S4采用FGA25N120ANTD。
谐振电路包括谐振电感Lr、功率开关管S4、钳位电容Cc、并联电容C4、并联二极管D，功率开关管S4的源极分别与谐振电感Lr一端、并联二极管D的阳极、并联电容C4一端连接，功率开关管S4的漏极分别与并联二极管D的阴极、并联电容C4另一端、钳位电容Cc一端连接，钳位电容Cc另一端与谐振电感Lr另一端连接。
如图9所示，根据6扇区空间矢量调制模式，将整个工频工作周期分为6个扇区。如图2-图6所示，以扇区II为例，基于零电压软开关的三相两电平整流器的实现方式如下：
(1)阶段一(t0-t1)：该阶段对应的工作矢量是(110)，功率开关管S3、S4导通，输入电感La、Lb、Lc向负载输送能量，此时UAB＝+U0,UBC＝0,UCA＝-U0；
(2)阶段二(t1-t2)：t1时刻，功率开关管S4关断，谐振电感Lr与电容C1、C2、功率开关管S4的并联电容C4进行谐振，谐振电感Lr给电容C1、C2进行放电，给并联电容C4进行充电，导致母线电压不断下降，由于并联电容C4两端的电压不能突变，其两端电压仍为零，因此功率开关管S4是在零电压条件下关断；到t2时刻，电容C1、C2两端的电压降为零，谐振停止，此时开通功率开关管S1、S2，则功率开关管S1、S2均为零电压开通；
(3)阶段三(t2-t3)：该阶段对应的工作矢量为(000)，功率开关管S1、S2、S3均导通，谐振电感Lr与电容C1、C2、C3以及并联电容C4谐振，Lr对电容C1、C2、C3进行充电，对并联电容C4进行放电，到t3时刻，C4两端电压降低到零，谐振停止，此时功率开关管S4导通，因此功率开关管S4是在零电压条件下导通；
(4)阶段四(t3-t4)：从t3时刻起，功率开关管S1、S2、S3、S4导通，此时电路可以分为三个独立的部分：第一部分为由三相电源、三相滤波电感、整流桥臂组成的回路，能量在电网内部流动，不对直流侧进行供能，第二部分为直流环节的谐振电路，谐振电感Lr和功率开关管S4以及钳位电容Cc组成闭合回路，第三部分为直流侧部分，滤波电容C对负载进行供能；
(5)阶段五(t4-t5)：t5时刻起，功率开关管S2关断，该阶段对应的工作矢量为(010)，功率开关管S2两端并联的电容C2的缓冲作用，使功率开关管S2关断过程更加柔和，降低其关断损耗，此时UAB＝+U0，UBC＝-U0，UCA＝0。
三相三开关两电平整流器数学模型如下：
其中uAN＝uAn+unN，uBN＝uBn+unN,uCN＝uCn+unN，uAn、uBn、uCn分别为输入点A、B、C到下桥臂节点n之间的电压，unN为下桥臂节点n与电源中性点N之间的电压。
图8所示为该整流器扇区II中功率开关管S1、S2、S3、S4配合时序图，从图中可以看出该整流器首先由110切换到000，在切换之前需要功率开关管S4动作将功率开关管两端S1、S2、的电压谐振到零，从而使功率开关管S1、S2实现零电压导通，此后，开关状态由000切换到010，依靠开关管两端并联电容的缓冲作用降低开关管的关断损耗，因此在一个开关周期内，功率开关管S4只需要动作一次。
图10所示为基于零电压软开关的三相三开关两电平整流器输入侧接入电网的电压电流波形图，从图中可以看出电流总体正弦化程度较好，且电压电流实现同相位，实现了单位功率因数。
图11所示为基于零电压软开关的三相三开关两电平整流器功率开关管S1换流过程中电压电流波形图，图中粗线所示为电压波形图，细线为电流波形图。从图中可以看出功率开关管S1两端的电压在开通之前为零，其流过的电流在关断之前为零，软开关得以实现。
Claims (3)
1.一种基于零电压软开关的三相三开关两电平整流器，其特征在于，包括三相两电平整流电路、谐振电路、滤波电容C，所述三相两电平整流电路包括并联的第一整流桥臂、第二整流桥臂、第三整流桥臂，
第一整流桥臂包括二极管DA1~DA6、功率开关管S1、电容C1，二极管DA1、二极管DA3、二极管DA4、二极管DA2依次串联，二极管DA5、二极管DA6串联，二极管DA5阴极与二极管DA3阴极连接，二极管DA6阳极与二极管DA4阳极连接，功率开关管S1漏极分别与二极管DA2阴极、电容C1一端连接，功率开关管S1源极分别与二极管DA1阳极、电容C1一端连接，二极管DA5、二极管DA6连接处引出导线，作为端口E；
第二整流桥臂包括二极管DB1~DB6、功率开关管S2、电容C2，第二整流桥臂与第一整流桥臂结构相同，二极管DB5、二极管DB6连接处与端口E连接；
第三整流桥臂包括二极管DC1~DC6、功率开关管S3、电容C3；第三整流桥臂与第一整流桥臂结构相同，二极管DC5、二极管DC6连接处与端口E连接；
谐振电路一端与三相两电平整流电路输出端连接，谐振电路另一端与滤波电容C一端连接，滤波电容C另一端与三相两电平整流电路连接；
功率开关管S1与电容C1形成缓冲回路，功率开关管S2与电容C2形成缓冲回路，功率开关管S3与电容C3形成缓冲回路。
2.根据权利要求1所述的基于零电压软开关的三相三开关两电平整流器，其特征在于，所述谐振电路包括谐振电感Lr、功率开关管S4、钳位电容Cc、并联电容C4、并联二极管D，功率开关管S4的源极分别与谐振电感Lr一端、并联二极管D的阳极、并联电容C4一端连接，功率开关管S4的漏极分别与并联二极管D的阴极、并联电容C4另一端、钳位电容Cc一端连接，钳位电容Cc另一端与谐振电感Lr另一端连接。
3.根据权利要求2所述的基于零电压软开关的三相三开关两电平整流器，其特征在于，根据6扇区空间矢量调制模式，将整个工频工作周期分为 6 个扇区，以扇区II 为例，所述的基于软开关的三相两电平整流器的使用方法如下：
（1）阶段一（t0-t1）：该阶段对应的工作矢量是（110），功率开关管S3、S4导通，输入电感La、Lb、Lc向负载输送能量；
（2）阶段二（t1-t2）： t1时刻，功率开关管S4关断，谐振电感 Lr与电容C1、C2，功率开关管S4的并联电容C4进行谐振，谐振电感Lr给电容C1、C2进行放电，给并联电容C4进行充电，导致母线电压不断下降，由于并联电容 C4两端的电压不能突变，其两端电压仍为零，因此功率开关管 S4是在零电压条件下关断；到 t2 时刻，电容C1、C2两端的电压降为零，谐振停止，此时开通功率开关管 S1、S2，则功率开关管 S1、S2均为零电压开通；
（3）阶段三（t2-t3）：该阶段对应的工作矢量为（000），功率开关管S1、S2、S3均导通，谐振电感 Lr与 电容C1、C2、C3以及并联电容C4谐振，Lr对电容C1、C2、C3进行充电，对并联电容C4进行放电，到t3时刻，C4两端电压降低到零，谐振停止，此时功率开关管 S4导通，因此功率开关管S4是在零电压条件下导通；
（4）阶段四（t3-t4）：从t3时刻起，功率开关管S1、S2、S3、S4导通，此时电路可以分为三个独立的部分：第一部分为由三相电源、三相滤波电感、整流桥臂组成的回路，能量在电网内部流动，不对直流侧进行供能，第二部分为直流环节的谐振电路，谐振电感 Lr和功率开关管S4以及钳位电容Cc组成闭合回路，第三部分为直流侧部分，滤波电容C对负载进行供能；
（5）阶段五（t4-t5）：t5时刻起，功率开关管S2关断，该阶段对应的工作矢量为（010），功率开关管S2两端并联的电容C2的缓冲作用，使功率开关管S2关断过程更加柔和，降低其关断损耗。
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