CN110518817A - 一种基于交错并联的改进型三相混合整流器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于交错并联的改进型三相混合整流器，包括整流桥Q、输入滤波电路E、谐波注入电路B、DC‑DC Buck斩波器、交错并联电路P、负载R0，与传统的三相整流器相比，提高了输入电流谐波率，具有很高的电压增益和良好的电压调整率，并通过增加交错并联组成双通道，使得整流器具有更低的开关应力、更大的输出功率和更小的电流纹波，进一步提升整流器的效率和功率密度，应用前景非常广泛。

Description

一种基于交错并联的改进型三相混合整流器
技术领域
本发明涉及电力电子领域，具体涉及一种基于交错并联的改进型三相混合整流器。
背景技术
近些年来，功率半导体器件及控制技术得到快速的发展，并在电力电子领域得到泛应用，随着技术的不断革新，各种电力电子设备应运而生。整流器是一种利用电力电子开关将交流电能转换成直流电的装置，可以把交流电能转化成人们需要利用的直流电能，随着整流技术的发展，在一些关键技术领域已经有了很大的进步，但是传统的整流电路有很多的缺点。
随着电力电子装置的不断发展，对电网中的谐波治理也提出了更高的要求。对于传统单相的二极管不可控整流电路而言，交流侧电流含有大量谐波，导致电路的功率因数不高，效率也比较低，由于这些存在的缺点，已不能满足高电能质量的需求。
功率因数校正(PFC)技术是一种有效的谐波抑制手段。传统的三相PFC整流器一般采用升压型电路，但其输出电压高，对功率开关器件的电压应力要求高，不利于后级电路。降压型PFC整流器装置体积小，功率密度越来越大，有更快的动态响应，可靠性也得到很大的提升，同时电流畸变率小，功率因数高，具有浪涌电流保护，目前随着对功耗要求提高，该类电路越来越受到关注。
随着整流技术的发展迅猛，传统的整流器拓扑已不能满足要求。因此，功率因数校正级尚且不完善，总谐波畸变率高，输出效果不理想，对于新型整流器的研究，逐渐成为了趋势，新型整流器必须保证单位功率因数运行的同时，有很高的电压增益和良好的电压调整率，有更低的开关应力、更大的输出功率和更小的电流纹波。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种基于交错并联的改进型三相混合整流器，此电路可以保证单位功率因数运行的同时，有更低的开关应力、更大的输出功率和更小的电流纹波。本发明的实施例采用如下技术方案，具体如下：
本发明提供了一种基于交错并联的改进型三相混合整流器，包括整流桥Q，输入滤波电路E，由6个二极管和6个IGBT组成的谐波注入电路B，由第一开关管(T1)、第二开关管(T2)、第一电感(L1)、第二电感(L2)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)和电容(C)组成的上下串接的DC-DC Buck斩波器，由第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)、第三开关管(Q3)、第四开关管(Q4)、第五开关管(Q5)、第六开关管(Q6)、第七开关管(Q7)、第八开关管(Q8)、第一电感(Lm1)、第二电感(Lm2)和电容(Co)组成的交错并联电路P，负载R0。
根据所述的一种基于交错并联的改进型三相混合整流器，其特征在于包括：整流桥Q，由6个二极管和6个IGBT组成的谐波注入电路B，其中连接方式为第一IGBT(Sx1)的发射极与第二IGBT(Sx2)的集电极连接，第一二极管(Dx1)的阳极与第二二极管(Dx2)的阳极连接，第一IGBT(Sx1)的集电极与第一二极管(Dx1)的阴极连接，第二IGBT(Sx2)的集电极与第二二极管(Dx2)的阴极连接；第三IGBT(Sy1)的发射极与第四IGBT(Sy2)的集电极连接，第三二极管(Dy1)的阳极与第四二极管(Dy2)的阳极连接，第三IGBT(Sy1)的集电极与第三二极管(Dy1)的阴极连接，第四IGBT(Sy2)的集电极与第四二极管(Dy2)的阴极连接；第五IGBT(Sz1)的发射极与第六IGBT(Sz2)的集电极连接，第五二极管(Dz1)的阳极与第六二极管(Dz2)的阳极连接，第五IGBT(Sz1)的集电极与第五二极管(Dz1)的阴极连接，第六IGBT(Sz2)的集电极与第六二极管(Dz2)的阴极连接；第七二极管(D1)的阳极与第八二极管(D2)的阴极连接；第七二极管(D1)的阳极与第二二极管(Dx2)的阴极、第四二极管(Dy2)的阴极、第六二极管(Dz2)的阴极连接。
根据所述的一种基于交错并联的改进型三相混合整流器，其特征在于所述的DC-DC Buck电路由第一开关管(T1)、第二开关管(T2)、第一电感(L1)、第二电感(L2)、第七二极管(D1)、第八二极管(D2)和电容(C)组成；第一开关管(T1)的集电极与整流桥(Q)的共阴极连接；第二开关管(T2)的发射极与整流桥(Q)的共阳极连接；第一电感(L1)的一端与第一开关管(T1)的发射极、第七二极管(D1)的阴极连接；第一电感(L1)的另一端与第一电容(C)连接；第一电容(C)的另一端与第二电感(L2)的一端连接；第二电感(L2)的另一端与第八二极管(D2)的阳极、第二开关管(T2)的集电极连接。
根据所述的一种基于交错并联的改进型三相混合整流器，其特征在于所述的交错并联电路由第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)、第三开关管(Q3)、第四开关管(Q4)、第五开关管(Q5)、第六开关管(Q6)、第七开关管(Q7)、第八开关管(Q8)、第一电感(Lm1)、第二电感(Lm2)和电容(Co)构成；第一电感(L1)的一端分别与第一电容(C)的一端、电容(Co)的一端、第一开关管(Q1)、第三开关管(Q3)、第五开关管(Q5)、第七开关管(Q7)的漏级连接；第二电感(L2)的一端分别与第一电容(C)的另一端、电容(Co)的另一端与第二开关管(Q2)、第四开关管(Q4)、第六开关管(Q6)、第八开关管(Q8)的源级连接；第一电感(Lm1)的一端与第一开关管(Q1)的源级、第二开关管(Q2)的漏级连接、第一电感(Lm1)的另一端与第三开关管(Q3)的源级、第四开关管(Q4)的漏级连接；第二电感(Lm2)的一端与第五开关管(Q5)的源级、第六开关管(Q6)的漏级连接，第二电感(Lm2)的另一端与第七开关管(Q7)的源级、第八开关管(Q8)的漏级连接。
优选的，所述一种基于交错并联的改进型三相混合整流器，其特征在于所述整流桥Q和所述DC-DC Buck斩波器可通过控制第一开关管(T1)、第二开关管(T2)，实现整流功能，采用高频PWM调制技术，由于器件的开通和关断状态可以控制，这种电路的优点是可以得到与输入电压同相位的输入电流，也就是输入功率因数为1，输入电流的谐波含量可以接近为零。
优选的，所述一种基于交错并联的改进型三相混合整流器，其特征在于所述交错并联电路可通过控制第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)、第三开关管(Q3)、第四开关管(Q4)、第五开关管(Q5)、第六开关管(Q6)、第七开关管(Q7)、第八开关管(Q8)实现输出电压的升降，输出电压范围广，具有很高的电压调整率和负载调整率，并且通过将电流相位错位叠加，可有效降低输出电流纹波。
本发明有以下有益效果：采用该技术方案后，能实现单位功率因数运行，全电压范围可调，并通过增加交错并联组成双通道，使得整流器具有更低的开关应力、更大的输出功率和更小的电流纹波，进一步提升整流器的效率和功率密度，可靠性大大提高，具有重大的理论和现实意义。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
图1为一种基于交错并联的改进型三相混合整流器的结构图。
图2为改进型三相混合整流器第一、第二开关管对应开关状态为(ON,ON)的等效电路图。
图3为改进型三相混合整流器第一、第二开关管对应开关状态为(ON,OFF)的等效电路图。
图4为改进型三相混合整流器第一、第二开关管对应开关状态为(OFF,ON)的等效电路图。
图5为改进型三相混合整流器第一、第二开关管对应开关状态为(OFF,OFF)的等效电路图。
图6改进型三相混合整流器的交错并联电路升压过程第一阶段。
图7改进型三相混合整流器的交错并联电路升压过程第二阶段。
图8改进型三相混合整流器的交错并联电路升压过程第三阶段。
图9改进型三相混合整流器的交错并联电路升压过程第四阶段。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当注意，在此所述的实施例仅为本发明的部分实施例，而非本发明的全部实现方式，所述实施例只有示例性。
本发明提供了一种基于交错并联的改进型三相混合整流器，如图1所示，包括整流桥Q，输入滤波电路E，由6个二极管和6个IGBT组成的谐波注入电路B，由第一开关管(T1)、第二开关管(T2)、第一电感(L1)、第二电感(L2)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)和电容(C)组成的上下串接的DC-DC Buck斩波器，由第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)、第三开关管(Q3)、第四开关管(Q4)、第五开关管(Q5)、第六开关管(Q6)、第七开关管(Q7)、第八开关管(Q8)、第一电感(Lm1)、第二电感(Lm2)和电容(Co)组成的交错并联电路P，负载R0。
根据所述的一种基于交错并联的改进型三相混合整流器，其特征在于包括：整流桥Q，由6个二极管和6个IGBT组成的谐波注入电路B，其中连接方式为第一IGBT(Sx1)的发射极与第二IGBT(Sx2)的集电极连接，第一二极管(Dx1)的阳极与第二二极管(Dx2)的阳极连接，第一IGBT(Sx1)的集电极与第一二极管(Dx1)的阴极连接，第二IGBT(Sx2)的集电极与第二二极管(Dx2)的阴极连接；第三IGBT(Sy1)的发射极与第四IGBT(Sy2)的集电极连接，第三二极管(Dy1)的阳极与第四二极管(Dy2)的阳极连接，第三IGBT(Sy1)的集电极与第三二极管(Dy1)的阴极连接，第四IGBT(Sy2)的集电极与第四二极管(Dy2)的阴极连接；第五IGBT(Sz1)的发射极与第六IGBT(Sz2)的集电极连接，第五二极管(Dz1)的阳极与第六二极管(Dz2)的阳极连接，第五IGBT(Sz1)的集电极与第五二极管(Dz1)的阴极连接，第六IGBT(Sz2)的集电极与第六二极管(Dz2)的阴极连接；第七二极管(D1)的阳极与第八二极管(D2)的阴极连接；第七二极管(D1)的阳极与第二二极管(Dx2)的阴极、第四二极管(Dy2)的阴极、第六二极管(Dz2)的阴极连接。
根据所述的一种基于交错并联的改进型三相混合整流器，其特征在于所述的DC-DC Buck电路由第一开关管(T1)、第二开关管(T2)、第一电感(L1)、第二电感(L2)、第七二极管(D1)、第八二极管(D2)和电容(C)组成；第一开关管(T1)的集电极与整流桥(Q)的共阴极连接；第二开关管(T2)的发射极与整流桥(Q)的共阳极连接；第一电感(L1)的一端与第一开关管(T1)的发射极、第七二极管(D1)的阴极连接；第一电感(L1)的另一端与第一电容(C)连接；第一电容(C)的另一端与第二电感(L2)的一端连接；第二电感(L2)的另一端与第八二极管(D2)的阳极、第二开关管(T2)的集电极连接。
根据所述的一种基于交错并联的改进型三相混合整流器，其特征在于所述的交错并联电路由第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)、第三开关管(Q3)、第四开关管(Q4)、第五开关管(Q5)、第六开关管(Q6)、第七开关管(Q7)、第八开关管(Q8)、第一电感(Lm1)、第二电感(Lm2)和电容(Co)构成；第一电感(L1)的一端分别与第一电容(C)的一端、电容(Co)的一端、第一开关管(Q1)、第三开关管(Q3)、第五开关管(Q5)、第七开关管(Q7)的漏级连接；第二电感(L2)的一端分别与第一电容(C)的另一端、电容(Co)的另一端与第二开关管(Q2)、第四开关管(Q4)、第六开关管(Q6)、第八开关管(Q8)的源级连接；第一电感(Lm1)的一端与第一开关管(Q1)的源级、第二开关管(Q2)的漏级连接、第一电感(Lm1)的另一端与第三开关管(Q3)的源级、第四开关管(Q4)的漏级连接；第二电感(Lm2)的一端与第五开关管(Q5)的源级、第六开关管(Q6)的漏级连接，第二电感(Lm2)的另一端与第七开关管(Q7)的源级、第八开关管(Q8)的漏级连接。
根据所述的一种基于交错并联的改进型三相混合整流器，其特征在于谐波注入电路每一路开关管开通都将对应四种工作模式，通过PWM调制可以实现输入电流的跟踪输入电压，实现功率因数的矫正，其中以第三IGBT(Sy1)和第四IGBT(Sy2)开通为例：
第一工作状态
直流母线电感电流IDC将会流经交流三相中的两相或经续流二极管保持续流状态，当第一开关管(T1)和第二开关管(T2)的开关状态为(ON,ON)，如图2所示，则有：
IA＝IDC，IB＝0，IC＝-IDC
对应整流器网侧电流的空间矢量为：
第二工作状态
当第一开关管(T1)和第二开关管(T2)的开关状态为(ON,OFF)，如图3所示，则有：
IA＝IDC，IB＝-IDC，IC＝0
对应整流器网侧电流的空间矢量为：
第三工作状态
当第一开关管(T1)和第二开关管(T2)的开关状态为(OFF,ON)，如图4所示，则有：
IA＝0，IB＝IDC，IC＝-IDC
对应整流器网侧电流的空间矢量为：
第四工作状态
当第一开关管(T1)和第二开关管(T2)的开关状态为(OFF,OFF)，如图5所示，则有：
IA＝0，IB＝0，IC＝0
对应整流器网侧电流的空间矢量为：
根据所述的一种基于交错并联的改进型三相混合整流器，其特征在于所述交错并联电路可实现升降压，输出电压范围广，其中以升压过程为例，共分为四个阶段：
第一阶段
t0～t1输入电流流过两个回路，如图6所示:一路是经过第一开关管(Q1)、第一电感(Lm1)、第四开关管(Q4)；另一路是经过第五开关管(Q5)、第二电感(L2)、第八开关管(Q8)；电容(Co)对负荷负载R0供电。
第二阶段
t1～t2输入电流流过两个回路，如图7所示:一路是经过第一开关管(Q1)、第一电感(Lm1)、第四开关管(Q4)；另一路是经过第五开关管(Q5)、第二电感(L2)、第七开关管(Q7)，该电流对电容(Co)充电，对负荷负载R0供电。
第三阶段
t2～t3输入电流流过两个回路，如图8所示:一路是经过第一开关管(Q1)、第一电感(Lm1)、第四开关管(Q4)；另一路是经过第五开关管(Q5)、第二电感(L2)、第八开关管(Q8)；电容(Co)对负荷负载R0供电。
第四阶段
t3～t4输入电流流过两个回路，如图9所示:一路是经过第一开关管(Q1)、第一电感(Lm1)、第三开关管(Q3)，该电流对电容(Co)充电，对负荷负载R0供电；另一路是经过第五开关管(Q5)、第二电感(L2)、第八开关管(Q8)。
以上对本发明的实施例进行了描述，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是所述技术方案的限制，所以本发明并不局限于上述的具体实施方式，所有本领域普通技术人员在不脱离本发明宗旨和构思的前提下，及其它对本发明技术方案的简单替换和各种变化，都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.根据权利要求1所述的一种基于交错并联的改进型三相混合整流器，其特征在于：包括整流桥Q，输入滤波电路E，由6个二极管和6个IGBT组成的谐波注入电路B，由第一开关管（T1）、第二开关管（T2）、第一电感（L1）、第二电感（L2）、第一二极管（D1）、第二二极管（D2）和电容（C）组成的上下串接的DC-DC Buck斩波器，由第一开关管（Q1）、第二开关管（Q2）、第三开关管（Q3）、第四开关管（Q4）、第五开关管（Q5）、第六开关管（Q6）、第七开关管（Q7）、第八开关管（Q8）、第一电感(Lm1) 、第二电感(Lm2)和电容（Co）组成的交错并联电路P，负载R0。
2.根据权利要求1所述的一种基于交错并联的改进型三相混合整流器，其特征在于包括：整流桥Q，由6个二极管和6个IGBT组成的谐波注入电路B，其中连接方式为第一IGBT（Sx1）的发射极与第二IGBT（Sx2）的集电极连接，第一二极管（Dx1）的阳极与第二二极管（Dx2）的阳极连接，第一IGBT（Sx1）的集电极与第一二极管（Dx1）的阴极连接，第二IGBT（Sx2）的集电极与第二二极管（Dx2）的阴极连接；第三IGBT（Sy1）的发射极与第四IGBT（Sy2）的集电极连接，第三二极管（Dy1）的阳极与第四二极管（Dy2）的阳极连接，第三IGBT（Sy1）的集电极与第三二极管（Dy1）的阴极连接，第四IGBT（Sy2）的集电极与第四二极管（Dy2）的阴极连接；第五IGBT（Sz1）的发射极与第六IGBT（Sz2）的集电极连接，第五二极管（Dz1）的阳极与第六二极管（Dz2）的阳极连接，第五IGBT（Sz1）的集电极与第五二极管（Dz1）的阴极连接，第六IGBT（Sz2）的集电极与第六二极管（Dz2）的阴极连接；第七二极管（D1）的阳极与第八二极管（D2）的阴极连接；第七二极管（D1）的阳极与第二二极管（Dx2）的阴极、第四二极管（Dy2）的阴极、第六二极管（Dz2）的阴极连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于交错并联的改进型三相混合整流器，其特征在于所述的DC-DC Buck电路由第一开关管（T1）、第二开关管（T2）、第一电感（L1）、第二电感（L2）、第七二极管（D1）、第八二极管（D2）和电容（C）组成；第一开关管（T1）的集电极与整流桥（Q）的共阴极连接；第二开关管（T2）的发射极与整流桥（Q）的共阳极连接；第一电感（L1）的一端与第一开关管（T1）的发射极、第七二极管（D1）的阴极连接；第一电感（L1）的另一端与第一电容（C）连接；第一电容（C）的另一端与第二电感（L2）的一端连接；第二电感（L2）的另一端与第八二极管（D2）的阳极、第二开关管（T2）的集电极连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于交错并联的改进型三相混合整流器，其特征在于所述的交错并联电路由第一开关管（Q1）、第二开关管（Q2）、第三开关管（Q3）、第四开关管（Q4）、第五开关管（Q5）、第六开关管（Q6）、第七开关管（Q7）、第八开关管（Q8）、第一电感(Lm1) 、第二电感(Lm2)和电容（Co）构成；第一电感（L1）的一端分别与第一电容（C）的一端、电容（Co）的一端、第一开关管（Q1）、第三开关管（Q3）、第五开关管（Q5）、第七开关管（Q7）的漏级连接；第二电感（L2）的一端分别与第一电容（C）的另一端、电容（Co）的另一端与第二开关管（Q2）、第四开关管（Q4）、第六开关管（Q6）、第八开关管（Q8）的源级连接；第一电感(Lm1)的一端与第一开关管（Q1）的源级、第二开关管（Q2）的漏级连接、第一电感(Lm1)的另一端与第三开关管（Q3）的源级、第四开关管（Q4）的漏级连接；第二电感(Lm2)的一端与第五开关管（Q5）的源级、第六开关管（Q6）的漏级连接，第二电感(Lm2)的另一端与第七开关管（Q7）的源级、第八开关管（Q8）的漏级连接。
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