CN111130376B - 三相脉宽调制整流电路及其预充电方法 - Google Patents

三相脉宽调制整流电路及其预充电方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种三相脉宽调制整流电路及其预充电方法，所述三相脉宽调制整流电路包括：三相脉宽调制整流器，其包括输入端、正极输出端子和负极输出端子；连接在所述三相脉宽调制整流器的输入端和三相交流电之间的第一、第二和第三开关；在所述正极输出端子和负极输出端子之间串联连接的第一电容和第二电容，所述第一电容和第二电容相连接形成的节点连接至中性点；连接在所述三相交流电中的第一相交流电与所述正极输出端子之间的第一单向充电支路，其用于对所述第一电容进行预充电；以及连接在所述第一相交流电与所述负极输出端子之间的第二单向充电支路，其用于对所述第二电容进行预充电。本发明的预充电方法避免了产生输入尖峰电流。

Description

三相脉宽调制整流电路及其预充电方法
技术领域
本发明涉及脉宽调制整流电路，具体涉及一种三相脉宽调制整流电路及其预充电方法。
背景技术
三相脉宽调制整流电路具有网侧电流谐波低、功率因数高、能量双向流动等优点，目前已经得到了广泛的应用和研究。
图1是现有技术中的一种三相脉宽调制整流电路。如图1所示，三相脉宽调制整流电路1包括三相脉宽调制整流器11；与三相脉宽调制整流器11的输入端连接的第一开关S11、第二开关S12和第三开关S13；连接在三相脉宽调制整流器11的输出端的电容C11；以及预充电电路12，其中预充电电路12的输出端连接至电容C11的两端，用于在三相脉宽调制整流电路启动(即第一开关S11、第二开关S12和第三开关S13闭合)之前给电容C11进行充电。电容C11预充电结束后，再控制第一开关S11、第二开关S12和第三开关S13闭合，以避免或减小第一开关S11、第二开关S12和第三开关S13中的输入尖峰电流或浪涌电流。
但是，三相脉宽调制整流电路1存在以下一个或多个缺陷：预充电电路12的电路结构复杂，电子元器件数量较多、成本较高。对预充电电路12的控制方法较复杂。预充电电路12不能使得电容C11两端的电压高于三相交流电的峰值电压，此时串联的第一开关S11和电感L11的两端、串联的第二开关S12和电感L12的两端、串联的第三开关S13和电感L13的两端具有较大的电压，如果控制第一开关S11、第二开关S12和第三开关S13闭合，第一开关S11、第二开关S12和第三开关S13中将产生输入尖峰电流或浪涌电流。尤其是某一相交流电的电压过大时，与该相交流电串联的开关和电感中将产生非常大的输入尖峰电流或浪涌电流，从而造成该开关的损坏。
发明内容
针对现有技术存在的上述技术问题，本发明提供了一种三相脉宽调制整流电路，包括：
三相脉宽调制整流器，其包括输入端、正极输出端子和负极输出端子；
连接在所述三相脉宽调制整流器的输入端和三相交流电之间的第一开关、第二开关和第三开关；
在所述正极输出端子和所述负极输出端子之间串联连接的第一电容和第二电容，所述第一电容和第二电容相连接形成的节点连接至中性点；
连接在所述三相交流电中的第一相交流电与所述正极输出端子之间的第一单向充电支路，其用于对所述第一电容进行预充电；以及
连接在所述第一相交流电与所述负极输出端子之间的第二单向充电支路，其用于对所述第二电容进行预充电。
优选的，所述第一单向充电支路包括串联的第一二极管、第一充电开关和第一电阻。
优选的，所述第二单向充电支路包括串联的第二二极管、第二充电开关和第二电阻。
优选的，所述三相脉宽调制整流器包括在所述正极输出端子和所述负极输出端子之间并联的第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，连接在所述第一开关和所述第一桥臂的中间节点之间的第一电感，连接在所述第二开关和所述第二桥臂的中间节点之间的第二电感，连接在所述第三开关和所述第三桥臂的中间节点之间的第三电感。
优选的，所述三相脉宽调制整流电路包括控制装置，其用于控制所述第一单向充电支路和第二单向充电支路导通；当所述第一电容两端的电压和/或所述第二电容两端的电压达到第一阈值电压时，控制所述第一单向充电支路和第二单向充电支路停止充电，其中所述第一阈值电压小于所述第一相交流电的峰值电压；控制所述第一开关闭合；控制所述三相脉宽调制整流器工作以将所述第一相交流电转换为直流电以对所述第一电容和第二电容进行充电；当所述第一电容两端的电压和/或所述第二电容两端的电压达到第二阈值电压时，停止对所述第一电容和第二电容进行充电，其中所述第二阈值电压大于所述三相交流电中任一相的峰值电压；以及控制所述第二开关和第三开关闭合。
优选的，所述第一单向充电支路包括串联的第一二极管、第一充电开关和第一电阻，所述第二单向充电支路包括串联的第二二极管、第二充电开关和第二电阻，所述控制装置用于控制所述第一充电开关和第二充电开关闭合以分别对所述第一电容和第二电容充电；以及当所述第一电容两端的电压和/或所述第二电容两端的电压达到第一阈值电压时，控制所述第一充电开关和第二充电开关断开。
优选的，所述三相脉宽调制整流器包括在所述正极输出端子和所述负极输出端子之间并联的第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，连接在所述第一开关和所述第一桥臂的中间节点之间的第一电感，连接在所述第二开关和所述第二桥臂的中间节点之间的第二电感，连接在所述第三开关和所述第三桥臂的中间节点之间的第三电感；所述控制装置用于给所述第一桥臂提供脉宽调制信号使其以脉宽调制方式工作，且将所述第一相交流电转换为直流电。
本发明提供了一种用于如上所述的三相脉宽调制整流电路的预充电方法，依次包括下列步骤：
步骤1)，控制所述第一单向充电支路和第二单向充电支路导通；
步骤2)，当所述第一电容两端的电压和/或所述第二电容两端的电压达到第一阈值电压时，控制所述第一单向充电支路和第二单向充电支路停止充电，其中所述第一阈值电压小于所述第一相交流电的峰值电压；
步骤3)，控制所述第一开关闭合；
步骤4)，控制所述三相脉宽调制整流器工作以将所述第一相交流电转换为直流电以对所述第一电容和第二电容进行充电；
步骤5)，当所述第一电容两端的电压和/或所述第二电容两端的电压达到第二阈值电压时，停止对所述第一电容和第二电容进行充电，其中所述第二阈值电压大于所述三相交流电中任一相的峰值电压；
步骤6)，控制所述第二开关和第三开关闭合。
优选的，所述三相脉宽调制整流电路的第一单向充电支路包括串联的第一二极管、第一充电开关和第一电阻，且第二单向充电支路包括串联的第二二极管、第二充电开关和第二电阻，其中，所述步骤1)包括控制所述第一充电开关和第二充电开关闭合以分别对所述第一电容和第二电容充电；所述步骤2)包括控制所述第一充电开关和第二充电开关断开。
优选的，所述三相脉宽调制整流器包括在所述正极输出端子和所述负极输出端子之间并联的第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，连接在所述第一开关和所述第一桥臂的中间节点之间的第一电感，连接在所述第二开关和所述第二桥臂的中间节点之间的第二电感，连接在所述第三开关和所述第三桥臂的中间节点之间的第三电感；其中，所述步骤4)包括给所述第一桥臂提供脉宽调制信号使其以脉宽调制方式工作，且将所述第一相交流电转换为直流电。
本发明的三相脉宽调制整流电路中的预充电电路的电路结构简单、电子元器件数量少、成本低。预充电的控制方法简单，且避免了在启动过程中产生输入尖峰电流。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1是现有技术中的一种三相脉宽调制整流电路。
图2是根据本发明较佳实施例的三相脉宽调制整流电路的电路图。
图3是图2所示的三相脉宽调制整流电路中的第一开关闭合时的等效电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。
图2是根据本发明较佳实施例的三相脉宽调制整流电路的电路图。如图2所示，三相脉宽调制整流电路2包括：三相脉宽调制整流器21，其包括三个交流输入端子、正极输出端子211和负极输出端子212；第一开关S21、第二开关S22和第三开关S33，其一端分别连接至三相脉宽调制整流器21的三个交流输入端子，其另一端分别与第一相交流电V1、第二相交流电V2和第三相交流电V3连接；在正极输出端子211和负极输出端子212之间串联的电容C21和电容C22，电容C21和电容C22相连接形成的节点连接至中性点N；连接在第一相交流电V1(即第一开关S21的另一端)和正极输出端子211之间的第一单向充电支路221；以及连接在第一相交流电V1(即第一开关S21的另一端)和负极输出端子212之间的第二单向充电支路222。
本领域的技术人员可知，为了清楚地示出本发明的电路连接关系，图2并未示出其中的控制装置和用于检测电压的检测装置等电路模块。
三相脉宽调制整流器21包括在正极输出端子211和负极输出端子212之间并联的第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，连接在第一开关S21和第一桥臂的中间节点之间的电感L21，连接在第二开关S22和第二桥臂的中间节点之间的电感L22，以及连接在第三开关S23和第三桥臂的中间节点之间的电感L23。三相脉宽调制整流器21在控制装置提供的脉宽调制信号下被控制为将三相交流电转换成直流电，同时使得输入电流与输入电压保持同相位。
第一单向充电支路221包括串联的第一二极管D221、第一充电开关K221和第一电阻R221，用于使得电流从第一相交流电V1流向至正极输出端子211，以对电容C21进行充电。
第二单向充电支路222包括串联的第二二极管D222、第二充电开关K222和第二电阻R222，用于使得电流从负极输出端子212流向至第一相交流电V1，以对电容C22进行充电。
本实施例的三相脉宽调制整流电路2中的第一单向充电支路221和第二单向充电支路222的电路结构简单、电子元器件数量少且成本低。另外，第一单向充电支路221和第二单向充电支路222充分利用了第一相交流电V1提供的交流电，并未额外地引入供电电源。
以下将详细介绍三相脉宽调制整流电路2的预充电方法，依次包括下列步骤。
步骤1)，控制第一充电开关K221和第二充电开关K222闭合，此时第一相交流电V1在正半周内通过单向导通的第一单向充电支路221对电容C21进行充电，且在负半周内通过单向导通的第二单向充电支路222对电容C22进行充电。
步骤2)，检测电容C21和C22两端的电压，当电容C21两端的电压和/或电容C22两端的电压达到第一阈值电压时，控制第一充电开关K221和第二充电开关K222断开。其中第一阈值电压小于或略小于第一相交流电V1的峰值电压。
步骤3)，控制第一开关S21闭合。
图3是图2所示的三相脉宽调制整流电路2中的第一开关S21闭合时的等效电路图。如图3所示，第一桥臂的中间节点(即绝缘栅双极型晶体管T211和T212相连接形成的节点)通过电感L21连接至第一相交流电V1的一端，电容C21和C22相连接形成的中间节点(即中性点N)连接至第一相交流电V1的另一端，由此电感L21、绝缘栅双极型晶体管T211、T212以及电容C21、C22构成了单相半桥脉宽调制整流电路21’。
步骤4)，给绝缘栅双极型晶体管T211、T212提供相应的脉宽调制信号使其以脉宽调制方式工作，从而将第一相交流电V1的交流电转换为直流电。在此步骤中，利用现有的控制方法控制单相半桥脉宽调制整流电路21’工作以进一步对电容C21和电容C22进行充电。
步骤5)，检测电容C21和C22两端的电压，当电容C21两端的电压和/或电容C22两端的电压上升至第二阈值电压时，控制单相半桥脉宽调制整流电路21’停止工作。其中第二阈值电压大于三相交流电中每一相交流电的峰值电压。
步骤6)，控制第二开关S22和第三开关S23闭合。从而实现了三相脉宽调制整流电路2的启动。
下面结合具体的电压值说明上述预充电方法的优点。
假如第一相交流电V1、第二相交流电V2和第三相交流电V3的电压有效值为220伏特(对应的峰值电压为311伏特)。在步骤2)中使得电容C21和电容C22两端的电压都为290伏特。在步骤3)中控制第一开关S21闭合时，此时第一开关S21、电感L21和与绝缘栅双极型晶体管T211反向并联的二极管D211共同承受的最大电压为21(即311-290)伏特，因此控制第一开关S21闭合时仅存在较小的导通电流，并不会产生输入尖峰电流或浪涌电流。在步骤5)中使得电容C21和电容C22两端的电压都为360伏特。在步骤6)中控制第二开关S22和第三开关S23闭合时，串联的第二开关S22和电感L22以及串联的第三开关S23和电感L23中都没有电流流通。因此完全不存在输入尖峰电流或浪涌电流，避免第二开关S22和第三开关S23的损坏。
假如三相交流电不平衡，其中第一相交流电V1的电压有效值为200伏特(对应的峰值电压为283伏特)，第二相交流电V2和第三相交流电V3的电压有效值为230伏特(对应的峰值电压为325伏特)。在步骤2)中使得电容C21和电容C22两端的电压都为260伏特。在步骤3)中控制第一开关S21闭合时，此时第一开关S21、电感L21和二极管D211共同承受的最大电压为23(即283-260)伏特，因此控制第一开关S21闭合时并不会产生输入尖峰电流或浪涌电流。在步骤5)中使得电容C21和电容C22两端的电压都为360伏特。在步骤6)中控制第二开关S22和第三开关S23闭合时，串联的第二开关S22和电感L22以及串联的第三开关S23和电感L23中都没有电流流通。因此完全不存在输入尖峰电流或浪涌电流，避免第二开关S22和第三开关S23的损坏。
上述实施例的预充电方法采用了两阶段充电方法，其中在第一阶段，利用电路结构简单的两个单向充电支路分别对电容C21和电容C22充电使其达到第一阈值电压。之后控制第一开关S21闭合时，第一开关S21中的导通电流非常小，并不会产生高的输入尖峰电流或输入浪涌电流，因此避免了第一开关S21等电子元器件损坏。在第二阶段，利用单相半桥脉宽调制整流电路21’进一步对电容C21和电容C22进行充电使其电压高于三相交流电中任一相交流电的峰值电压，一方面可以利用现有的控制方法来控制单相半桥脉宽调制整流电路21’，另一方面解决了第一阶段无法使得电容C21和电容C22两端的电压达到或超过三相交流电中任一相交流电的峰值电压的问题，再一方面控制第二开关S22和第三开关S23闭合时完全不存在输入浪涌电流。
即便三相交流电的电压不平衡，本发明的两阶段预充电方法避免了三相脉宽调制整流电路2的三个交流输入端子中产生输入尖峰电流或输入浪涌电流。
在本发明的其他实施例中，第一单向充电支路221和第二单向充电支路222中串联的二极管和开关可以替换为晶闸管等可控的单向导通器件。
本领域的技术人员可知，上述实施例中对电容C21和电容C22进行充电的电压值仅仅是列举说明，并不意欲对本发明进行具体的限制。在本发明的其他实施例中，可以根据三相交流电的峰值电压以及第一开关S21、电感L21和二极管D211能够承受的电压值和电流值来确定。
虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

Claims (10)

1.一种三相脉宽调制整流电路，其特征在于，包括：
三相脉宽调制整流器，其包括输入端、正极输出端子和负极输出端子；
连接在所述三相脉宽调制整流器的输入端和三相交流电之间的第一开关、第二开关和第三开关；
在所述正极输出端子和所述负极输出端子之间串联连接的第一电容和第二电容，所述第一电容和第二电容相连接形成的节点连接至中性点；
连接在所述三相交流电中的第一相交流电与所述正极输出端子之间的第一单向充电支路；以及
连接在所述第一相交流电与所述负极输出端子之间的第二单向充电支路；以及
控制装置，其用于首先控制所述第一单向充电支路和所述第二单向充电支路分别对所述第一电容和第二电容进行预充电，然后控制所述三相脉宽调制整流器、第一开关、第二开关、第三开关、第一电容和第二电容的一部分连接形成的单相半桥脉宽调制整流电路以进一步对所述第一电容和第二电容进行充电，使所述第一电容两端的电压和/或所述第二电容两端的电压大于所述三相交流电中任一相的峰值电压。
2.根据权利要求1所述的三相脉宽调制整流电路，其特征在于，所述第一单向充电支路包括串联的第一二极管、第一充电开关和第一电阻。
3.根据权利要求2所述的三相脉宽调制整流电路，其特征在于，所述第二单向充电支路包括串联的第二二极管、第二充电开关和第二电阻。
4.根据权利要求1所述的三相脉宽调制整流电路，其特征在于，所述三相脉宽调制整流器包括在所述正极输出端子和所述负极输出端子之间并联的第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，连接在所述第一开关和所述第一桥臂的中间节点之间的第一电感，连接在所述第二开关和所述第二桥臂的中间节点之间的第二电感，连接在所述第三开关和所述第三桥臂的中间节点之间的第三电感。
5.根据权利要求1所述的三相脉宽调制整流电路，其特征在于，所述控制装置用于
控制所述第一单向充电支路和第二单向充电支路导通；
当所述第一电容两端的电压和/或所述第二电容两端的电压达到第一阈值电压时，控制所述第一单向充电支路和第二单向充电支路停止充电，其中所述第一阈值电压小于所述第一相交流电的峰值电压；
控制所述第一开关闭合；
控制所述三相脉宽调制整流器工作以将所述第一相交流电转换为直流电以对所述第一电容和第二电容进行充电；
当所述第一电容两端的电压和/或所述第二电容两端的电压达到第二阈值电压时，停止对所述第一电容和第二电容进行充电，其中所述第二阈值电压大于所述三相交流电中任一相的峰值电压；以及
控制所述第二开关和第三开关闭合。
6.根据权利要求5所述的三相脉宽调制整流电路，其特征在于，所述第一单向充电支路包括串联的第一二极管、第一充电开关和第一电阻，所述第二单向充电支路包括串联的第二二极管、第二充电开关和第二电阻，所述控制装置用于
控制所述第一充电开关和第二充电开关闭合以分别对所述第一电容和第二电容充电；以及
当所述第一电容两端的电压和/或所述第二电容两端的电压达到第一阈值电压时，控制所述第一充电开关和第二充电开关断开。
7.根据权利要求5所述的三相脉宽调制整流电路，其特征在于，所述三相脉宽调制整流器包括在所述正极输出端子和所述负极输出端子之间并联的第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，连接在所述第一开关和所述第一桥臂的中间节点之间的第一电感，连接在所述第二开关和所述第二桥臂的中间节点之间的第二电感，连接在所述第三开关和所述第三桥臂的中间节点之间的第三电感；所述控制装置用于给所述第一桥臂提供脉宽调制信号使其以脉宽调制方式工作，且将所述第一相交流电转换为直流电。
8.一种用于如权利要求1所述的三相脉宽调制整流电路的预充电方法，依次包括下列步骤：
步骤1)，控制所述第一单向充电支路和第二单向充电支路导通；
步骤2)，当所述第一电容两端的电压和/或所述第二电容两端的电压达到第一阈值电压时，控制所述第一单向充电支路和第二单向充电支路停止充电，其中所述第一阈值电压小于所述第一相交流电的峰值电压；
步骤3)，控制所述第一开关闭合；
步骤4)，控制所述三相脉宽调制整流器工作以将所述第一相交流电转换为直流电以对所述第一电容和第二电容进行充电；
步骤5)，当所述第一电容两端的电压和/或所述第二电容两端的电压达到第二阈值电压时，停止对所述第一电容和第二电容进行充电，其中所述第二阈值电压大于所述三相交流电中任一相的峰值电压；
步骤6)，控制所述第二开关和第三开关闭合。
9.根据权利要求8所述的预充电方法，所述三相脉宽调制整流电路的第一单向充电支路包括串联的第一二极管、第一充电开关和第一电阻，且第二单向充电支路包括串联的第二二极管、第二充电开关和第二电阻，其中，
所述步骤1)包括控制所述第一充电开关和第二充电开关闭合以分别对所述第一电容和第二电容充电；
所述步骤2)包括控制所述第一充电开关和第二充电开关断开。
10.根据权利要求8所述的预充电方法，所述三相脉宽调制整流器包括在所述正极输出端子和所述负极输出端子之间并联的第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，连接在所述第一开关和所述第一桥臂的中间节点之间的第一电感，连接在所述第二开关和所述第二桥臂的中间节点之间的第二电感，连接在所述第三开关和所述第三桥臂的中间节点之间的第三电感；其中，所述步骤4)包括给所述第一桥臂提供脉宽调制信号使其以脉宽调制方式工作，且将所述第一相交流电转换为直流电。
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