CN110661413B - 基于对称四端口的单相三电平功率因数校正整流器 - Google Patents

Abstract

基于非对称四端口的单相三电平功率因数校正整流器，包括交流电源AC，电感L，开关管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄，二极管D₁、D₂、D₇、D₈、D₉、D₁₀，电容C_dc1、C_dc2；交流电源AC一侧分别连接二极管D₁阳极、二极管D₂阴极，其连接节点构成端点b；交流电源AC另一侧连接电感L一端，电感L另一端分别连接开关管Q₃源极、开关管Q₄漏极，其连接节点构成端点a；开关管Q₃漏极分别连接二极管D₁阴极、二极管D₈阳极，其连接节点构成端点c；开关管Q₄源极分别连接二极管D₂阳极、二极管D₇阴极，其连接节点构成端点d；二极管D₈阴极连接电容C_dc1一端，其连接节点构成端点p；电容C_dc1另一端连接电容C_dc2一端，其连接节点构成端点n；电容C_dc2另一端连接二极管D₇阳极，其连接节点构成端点m。该整流器拓扑结构能够采用多载波调制方式，控制不同电路模态。

Description

基于对称四端口的单相三电平功率因数校正整流器

技术领域

本发明涉及单相电能变换技术领域，具体是一种基于对称四端口的单相三电平功率因数校正整流器。

背景技术

如今的工业应用中对直流的电的需求量较大，在电能的变换上通常采用的是将交流电压变换造成为直流电进行直流-直流变换，在整流的过程中，通常由于电流的波形不能够完全的更随电压的波形而导致整流过程中的功率因数较低，功率因数整流器被提出多年时间，目的在于克服交流侧的电压电流功率因数问题。

在工业应用中整流无处不在，在不同的电压等级之下都会应用到整流过程，大到目前发展的高压直流输电过程中，这需要将交流电整流后进行直流传输，整流过程中就需要应用到功率因数校正以尽可能多的输送有功功率，减小电网中无功功率占用输送容量，小到在工业控制回路中，所采用的供电电路中也应用到功率因数校正过程，为了满足不同的应用场合下的电压等级，这就需要有足够多的拓扑结构供工程师参考和应用，以降低成本。

发明内容

本发明旨在提供一种基于对称四端口的单相三电平功率因数校正整流器，同时具备Boost升压、整流、三电平功率因数矫正及对称四端口网络结构特点，同时，该整流器拓扑结构能够采用多载波调制方式，控制不同电路模态。

本发明采取的技术方案为：

基于非对称四端口的单相三电平功率因数校正整流器，包括：

包括交流电源AC，电感L，开关管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄，二极管D₁、D₂、D₇、D₈、D₉、D₁₀，电容C_dc1、C_dc2；

交流电源AC一侧分别连接二极管D₁阳极、二极管D₂阴极，其连接节点构成端点b；

交流电源AC另一侧连接电感L一端，电感L另一端分别连接开关管Q₃源极、开关管Q₄漏极，其连接节点构成端点a；

开关管Q₃漏极分别连接二极管D₁阴极、二极管D₈阳极，其连接节点构成端点c；

开关管Q₄源极分别连接二极管D₂阳极、二极管D₇阴极，其连接节点构成端点d；

二极管D₈阴极连接电容C_dc1一端，其连接节点构成端点p；

电容C_dc1另一端连接电容C_dc2一端，其连接节点构成端点n；

电容C_dc2另一端连接二极管D₇阳极，其连接节点构成端点m；

开关管Q₁的源极连接二极管D₁₀阳极，开关管Q₁的漏极连接端点c；

开关管Q₂的漏极连接二极管D₉阴极，开关管Q₂的源极连接端点d；

二极管D₁₀阴极连接二极管D₉阳极，其连接节点连接端点n；

开关管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄分别反并联二极管D₅、D₆、D₃、D₄。

所述端点a、端点c、端点d、端点n构成对称四端口。

所述开关管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄为IGBT或者功率MOSFET。

所述电容C_dc1、C_dc2为分裂电容。

基于非对称四端口的单相三电平功率因数校正整流器，包括以下开关模式：

开关模式一，此时为交流电源AC的正半周，开关管Q₄导通，电流经过电感L，开关管Q₄，最后经过二极管D₂流回，此过程中，电感L储能，负载R_L由电容C_dc1、C_dc2供电；

开关模式二，此时为交流电源AC的正半周，开关管Q₁导通，电流经过电感L，二极管D₃、D₇、D₁₀以及电容C_dc2，此过程中，交流电源AC和电感L同时给电容C_dc2充电，负载R_L供电由电容C_dc1提供，开关模式一到开关模式二的转换过程是一个Boost升压过程；

开关模式三，此时为交流电源AC的正半周，电流经过电感L，二极管D₂、D₃、D₇、D₈,以及电容C_dc1、C_dc2，此过程中，交流电源AC和电感L同时给负载R_L和电容C_dc1、C_dc2供电，电容C_dc1、C_dc2充电；

开关模式四，此时为交流电源AC的负半周，开关管Q₃导通，电流经过D₁，开关管Q₃，最后经过电感L流回交流电源AC，此过程中，电感L储能，负载R_L由电容C_dc1、C_dc2供电；

开关模式五，此时为交流电源AC的负半周，开关管Q₂导通，电流经过二极管D₁、D₄、D₈、D₉，及电容C_dc1，最后流过电感L回到交流电源AC，此过程中，交流电源AC和电感L同时给电容C_dc1充电，负载R_L供电由交流电源AC提供，开关模式四到开关模式五的转换过程是一个Boost升压过程；

开关模式六，此时为交流电源AC的负半周，电流经过二极管D₁、D₄、D₇、D₈，以及电容C_dc1、C_dc2，经过电感L回到交流电源AC，此过程中，交流电源AC和电感L同时给负载R_L和电容C_dc1、C_dc2供电，电容C_dc1、C_dc2充电。

基于对称四端口的单相三电平功率因数校正整流器，该整流器的本质安全型在于，使用二极管D₇、D₈进行如下电路保护：

其一，体现在电路拓扑中二极管D₇和二极管D₈两个二极管保证功率的单向流通，保证电容C_dc1、C_dc2的电流只会向负载流动，而不会使其倒灌回流；

其二，在主控开关管短路或断开时，它可以很好地起到保护；

其三，模态切换过程中作为Boost电压钳位二极管；

其四，在开关模式一、开关模式四时，电感L储能过程中，电压低于电容C_dc1、C_dc2电压时起到电压钳位作用。

基于对称四端开关网络的本质安全型单相三电平功率因数校正电路控制系统，包括锁相环单元，三角波脉冲发生单元，比较单元，模态选择单元；

所述锁相环单元，用于测量输入侧两端的电压相位信息，作为模态切换依据，另一方面作为正弦调制波；

所述三角波脉冲发生单元，用于产生相应的四路载波信号；

所述比较单元，用于产生三种电平，为后级的控制中开关模式选择提供依据；

所述模态选择单元，通过比较单元产生的不同电平信号对应不同开关模态，每种开关模态对应一组四开关的0/1开关量，在每组开关模态切换过程中完成状态变换，以使其完成三电平功率因数矫正。

本发明一种基于对称四端口的单相三电平功率因数校正整流器，技术效果如下：

1：所提出的拓扑结构创新点：在无桥整流器的基础上采用四端口网络结构来完成三电平功率因数矫正，利用开关管与二极管串联的方式做到功率单相流通及功率路径的选择，其对称的功率路径分别用于正负半个周期内

的引入，且其串联结构中分别连接于直流母线正负输出端，利用二极管D₇和二极管D₈实现直流母线功率单方向流通，另外所有在主控开关管断开和短路情况下，该发明电路依旧可以实现整流功能，为直流负载提高短时间供电需求，从而实现本质安全性的要求。

2：此发明拓扑同时具备升压功能、整流、三电平功率因数矫正及对称四端口网络结构的特点，同时该拓扑结构采用多载波调制方式控制不同电路模态。该发明拓扑四端口主要由a、c、d、n四个端点构成对称四端口网络结构。

3：a、电路的工作过程中，在交流电的正负半个周期内电路工作完全对称，四个开关管在六种工作模态中只出现在四种模态里，且每种模态中的开关管都仅有一个在工作，每个交流周期内的四个开关管都只存在一个模态工作；b、将实现三电平的回路直接接入直流母线的正负两端而实现三电平，与其他拓扑相比较，这样的方式可以使分裂电容充电速度更快电压更稳；c、拓扑结构上下对称分布，存在有四端口结构在内，拓扑结构可以向模块化多电平方向改进产生新的直流-直流变换器拓扑。

4：本发明将三电平功率因数矫正，整流器，Boost升压，四端口及本质安全性结构有机的融合在一起，较传统的结构相比所用的器件数减少，损耗降低，电路的转换效率提高。

附图说明

图1为本发明新型单相三电平功率因数矫正整流器的电路拓扑结构。

图2为本发明新型单相三电平功率因数矫正整流器开关模式一流向图。

图3为本发明新型单相三电平功率因数矫正整流器开关模式二流向图。

图4为本发明新型单相三电平功率因数矫正整流器开关模式三流向图。

图5为本发明新型单相三电平功率因数矫正整流器开关模式四流向图。

图6为本发明新型单相三电平功率因数矫正整流器开关模式五流向图。

图7为本发明新型单相三电平功率因数矫正整流器开关模式六流向图。

图8为本发明新型拓扑结构的脉冲调制方式图。

图9为本发明新型拓扑V_ab电压波形图。

图10为本发明新型拓扑输入电压电流波形图。

图11为本发明新型拓扑输出直流侧电压电流波形图。

图12为本发明新型拓扑负载减半V_ab电压波形图。

图13为本发明新型拓扑负载减半输入电压电流波形图。

图14为本发明新型拓扑负载减半输出直流侧电压电流波形图。

具体实施方式

如图1所示，基于非对称四端口的单相三电平功率因数校正整流器，包括：

包括交流电源AC，电感L，开关管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄，二极管D₁、D₂、D₇、D₈、D₉、D₁₀，电容C_dc1、C_dc2；

交流电源AC一侧分别连接二极管D₁阳极、二极管D₂阴极，其连接节点构成端点b；

交流电源AC另一侧连接电感L一端，电感L另一端分别连接开关管Q₃源极、开关管Q₄漏极，其连接节点构成端点a；

开关管Q₃漏极分别连接二极管D₁阴极、二极管D₈阳极，其连接节点构成端点c；

开关管Q₄源极分别连接二极管D₂阳极、二极管D₇阴极，其连接节点构成端点d；

二极管D₈阴极连接电容C_dc1正极，其连接节点构成端点p；

电容C_dc1负极连接电容C_dc2正极，其连接节点构成端点n；

电容C_dc2负极连接二极管D₇阳极，其连接节点构成端点m；

开关管Q₁的源极连接二极管D₁₀阳极，开关管Q₁的漏极连接端点c；

开关管Q₂的漏极连接二极管D₉阴极，开关管Q₂的源极连接端点d；

二极管D₁₀阴极连接二极管D₉阳极，其连接节点连接端点n；

开关管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄分别反并联二极管D₅、D₆、D₃、D₄。

负载R_L连接于端点p、端点m两点之间。

所述端点a、端点c、端点d、端点n构成对称四端口。

所述开关管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄为IGBT或者功率MOSFET。

所述电容C_dc1、C_dc2为分裂电容。

如图1所示，电流i_l为电感输出电流，i_dc为负载电流输出值，V_dc为负载两端的输出电压值。与其他拓扑结构的不同点在于：其三电平的引入端放在整流后的直流母线，同时这种拓扑结构采用开关管集成体二极管作为导通回路，一定程度上节约设计成本，且该拓扑采用对称四端口结构形式，便于将此拓扑进行进一步推演。

对于对称四端开关网络的本质安全型单相三电平功率因数校正新拓扑，在市电正负半周，它有六种开关模式：

开关模式一，如图2所示，此时为交流电源AC的正半周，开关管Q₄导通，电流经过电感L，开关管Q₄，最后经过二极管D₂流回，此过程中，电感L储能，负载R_L由电容C_dc1、C_dc2供电；

开关模式二，如图3所示，此时为交流电源AC的正半周，开关管Q₁导通，电流经过电感L，二极管D₃、D₇、D₁₀以及电容C_dc2，此过程中，交流电源AC和电感L同时给电容C_dc2充电，负载R_L供电由电容C_dc1提供，开关模式一到开关模式二的转换过程是一个Boost升压过程；

开关模式三，如图4所示，此时为交流电源AC的正半周，电流经过电感L，二极管D₂、D₃、D₇、D₈,以及电容C_dc1、C_dc2，此过程中，交流电源AC和电感L同时给负载R_L和电容C_dc1、C_dc2供电，电容C_dc1、C_dc2充电；

开关模式四，如图5所示，此时为交流电源AC的负半周，开关管Q₃导通，电流经过D₁，开关管Q₃，最后经过电感L流回交流电源AC，此过程中，电感L储能，负载R_L由电容C_dc1、C_dc2供电；

开关模式五，如图6所示，此时为交流电源AC的负半周，开关管Q₂导通，电流经过二极管D₁、D₄、D₈、D₉，及电容C_dc1，最后流过电感L回到交流电源AC，此过程中，交流电源AC和电感L同时给电容C_dc1充电，负载R_L供电由交流电源AC提供，开关模式四到开关模式五的转换过程是一个Boost升压过程；

开关模式六，如图7所示，此时为交流电源AC的负半周，电流经过二极管D₁、D₄、D₇、D₈，以及电容C_dc1、C_dc2，经过电感L回到交流电源AC，此过程中，交流电源AC和电感L同时给负载R_L和电容C_dc1、C_dc2供电，电容C_dc1、C_dc2充电。

图8表示所采用的多载波调制方式产生不同开关模态类型图。

实验参数：交流电源峰值200V，输出直流电压v_dc为220V，电阻负载为80Ω，滤波电感为2.5mH，分裂电容C_dc1＝C_dc2＝1000μF，开关频率为10KHz。

图9～图11为本发明在中负载为80欧姆时的仿真波形图。

图9展示的为交流电源与电感串联支路中的电压波形图，图9中可以明显看到V_ab电压实现三电平过程。

图10为交流电源两侧的电压电流波形图，可以看出其电压正负交替，电压电流接近同相位。

图11为拓扑整流输出电压电流波形，波形图中电压电流变化基本一致。

图12～图14为本发明在0.15s时负载由80欧姆减小到40欧姆时波形图。

图12为整流输入电压V_ab减载波形图，可以看出其波形图并未发生改变。

图13为交流电源两侧减载变化过程波形，减载只是电流波形发生较大变化。

图14为直流电源两侧减载变化过程波形，减载使得电流值出现翻倍，而电流电压波形波动范围变大，其原因在于后级直流滤波效果不好，以及采用开环控制方式。

图12～图14可以得出本发明的稳定性好，具有很强的鲁棒性，在实际应用中采用闭环控制可使其广泛应用于三电平功率因数矫正电路中。

基于对称四端口的单相三电平功率因数校正整流器，该整流器的本质安全型在于，使用二极管D₇、D₈进行如下电路保护：

其一，体现在电路拓扑中二极管D₇和二极管D₈两个二极管保证功率的单向流通，保证电容C_dc1、C_dc2的电流只会向负载流动，而不会使其倒灌回流；

其二，在主控开关管短路或断开时，它可以很好地起到保护；

其三，模态切换过程中作为Boost电压钳位二极管；

其四，在开关模式一、开关模式四时，电感L储能过程中，电压低于电容C_dc1、C_dc2电压时起到电压钳位作用。

基于对称四端开关网络的本质安全型单相三电平功率因数校正电路控制系统，包括锁相环单元，三角波脉冲发生单元，比较单元，模态选择单元；

所述锁相环单元，用于测量输入侧两端的电压相位信息，作为模态切换依据，另一方面作为正弦调制波；

锁相环单元主要通过ADMC401芯片对交流电压信号的电压过零点进行检测，当电压出现由正到负或由负到正时触发脉冲信号，确定其该时刻为一个相位点，锁相环实现主要是通过对电压信号进行采样，对采样电压信号做模拟数字转换后通过软件实现锁相。

所述三角波脉冲发生单元，用于产生相应的四路载波信号；

三角波脉冲发生主要是通过DSP28335中的脉冲信号发生单元来实现三角波脉冲发生，产生所需要的三角脉冲信号，DSP28335中脉冲信号发生单元主要是用于与正弦波载波进行比对产生相应的开关量，以此控制电路工作在不同开关状态下。

所述比较单元，用于产生三种电平，为后级的控制中开关模式选择提供依据；

比较单元主要是采用运算放大器的正向端和反向端输入不同的信号进行误差信号的放大，采用放大器LM339作为正弦波和载波信号的放大，完成对电路模态的选择。

所述模态选择功能，通过比较单元产生的不同电平信号对应不同开关模态，每种开关模态对应一组四开关的0/1开关量，在每组开关模态切换过程中完成状态变换，以使其完成三电平功率因数矫正。

模态选择功能:模态选择主要是通过对采样的锁相环信息进行初始相位确定，通过相位信息控制软件程序对不同输入输出口进行脉冲宽度信号输出，输出对应开关管开关信号来控制不同管子的导通与关断，以此完成拓扑结构的功能。

控制方法采用多路载波与正弦波比对的方式产生对应开关状态和不同电平，这种模式的控制采用固定开关频率的方式。

Claims (6)

1.基于非对称四端口的单相三电平功率因数校正整流器，其特征在于包括：

包括交流电源AC，电感L，开关管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄，二极管D₁、D₂、D₇、D₈、D₉、D₁₀，电容C_dc1、C_dc2；

交流电源AC一侧分别连接二极管D₁阳极、二极管D₂阴极，其连接节点构成端点b；

交流电源AC另一侧连接电感L一端，电感L另一端分别连接开关管Q₃源极、开关管Q₄漏极，其连接节点构成端点a；

开关管Q₃漏极分别连接二极管D₁阴极、二极管D₈阳极，其连接节点构成端点c；

开关管Q₄源极分别连接二极管D₂阳极、二极管D₇阴极，其连接节点构成端点d；

二极管D₈阴极连接电容C_dc1一端，其连接节点构成端点p；

电容C_dc1另一端连接电容C_dc2一端，其连接节点构成端点n；

电容C_dc2另一端连接二极管D₇阳极，其连接节点构成端点m；

开关管Q₁的源极连接二极管D₁₀阳极，开关管Q₁的漏极连接端点c；

开关管Q₂的漏极连接二极管D₉阴极，开关管Q₂的源极连接端点d；

二极管D₁₀阴极连接二极管D₉阳极，其连接节点连接端点n；

开关管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄分别反并联二极管D₅、D₆、D₃、D₄；

所述端点a、端点c、端点d、端点n构成对称四端口。

2.根据权利要求1所述基于非对称四端口的单相三电平功率因数校正整流器，其特征在于：所述开关管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄为IGBT或者功率MOSFET。

3.根据权利要求1所述基于非对称四端口的单相三电平功率因数校正整流器，其特征在于：所述电容C_dc1、C_dc2为分裂电容。

4.根据权利要求1所述基于非对称四端口的单相三电平功率因数校正整流器，其特征在于：包括以下开关模式：

开关模式一，此时为交流电源AC的正半周，开关管Q₄导通，电流经过电感L，开关管Q₄，最后经过二极管D₂流回，此过程中，电感L储能，负载R_L由电容C_dc1、C_dc2供电；

开关模式二，此时为交流电源AC的正半周，开关管Q₁导通，电流经过电感L，二极管D₃、D₇、D₁₀以及电容C_dc2，此过程中，交流电源AC和电感L同时给电容C_dc2充电，负载R_L供电由电容C_dc1提供，开关模式一到开关模式二的转换过程是一个Boost升压过程；

开关模式三，此时为交流电源AC的正半周，电流经过电感L，二极管D₂、D₃、D₇、D₈,以及电容C_dc1、C_dc2，此过程中，交流电源AC和电感L同时给负载R_L和电容C_dc1、C_dc2供电，电容C_dc1、C_dc2充电；

开关模式四，此时为交流电源AC的负半周，开关管Q₃导通，电流经过D₁，开关管Q₃，最后经过电感L流回交流电源AC，此过程中，电感L储能，负载R_L由电容C_dc1、C_dc2供电；

开关模式五，此时为交流电源AC的负半周，开关管Q₂导通，电流经过二极管D₁、D₄、D₈、D₉，及电容C_dc1，最后流过电感L回到交流电源AC，此过程中，交流电源AC和电感L同时给电容C_dc1充电，负载R_L供电由交流电源AC提供，开关模式四到开关模式五的转换过程是一个Boost升压过程；

开关模式六，此时为交流电源AC的负半周，电流经过二极管D₁、D₄、D₇、D₈，以及电容C_dc1、C_dc2，经过电感L回到交流电源AC，此过程中，交流电源AC和电感L同时给负载R_L和电容C_dc1、C_dc2供电，电容C_dc1、C_dc2充电。

5.根据权利要求4所述基于非对称四端口的单相三电平功率因数校正整流器，其特征在于：该整流器的本质安全型在于，使用二极管D₇、D₈进行如下电路保护：

其一，体现在电路拓扑中二极管D₇和二极管D₈两个二极管保证功率的单向流通，保证电容C_dc1、C_dc2的电流只会向负载流动，而不会使其倒灌回流；

其二，在主控开关管短路或断开时，它可以很好地起到保护；

其三，模态切换过程中作为Boost电压钳位二极管；

其四，在开关模式一、开关模式四时，电感L储能过程中，电压低于电容C_dc1、C_dc2电压时起到电压钳位作用。

6.如权利要求1-5所述任意一种整流器的控制系统，其特征在于：包括锁相环单元，三角波脉冲发生单元，比较单元，模态选择单元；

所述锁相环单元，用于测量输入侧两端的电压相位信息，作为模态切换依据，另一方面作为正弦调制波；

所述三角波脉冲发生单元，用于产生相应的四路载波信号；

所述比较单元，用于产生三种电平，作为后级控制中开关模式选择提供依据；

所述模态选择单元，通过比较单元产生的不同电平信号对应不同开关模态，每种开关模态对应一组四开关的0/1开关量，在每组开关模态切换过程中完成状态变换，以使其完成三电平功率因数矫正。

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