CN111327222B - 一种变流电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变流电路，它包括三相电压源电路单元、三相整流电路单元、逆变电路单元。与传统的三相三线型PFC/APF/SVG等相比，本发明的变流电路可以只采用一个电感，也可根据具体需求将该电感设计为两个电感在回路中串联的等效形式，且具有更少的开关动作，从而降低系统成本，开关周期内仅三个开关管动作，开关损耗小；变流电路可采用简单的PWM载波调制，控制方法简单，系统效率较高。

Description

一种变流电路
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种低开关损耗的变流电路，适用于三相应用场合。
背景技术
逆变电路的应用非常广泛。在已有的各种电源中，蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源与公共电网交换能量或向交流负载供电时，就需要逆变电路；另外，有源电力滤波器、交流电动机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置使用非常广泛，其电路的核心部分都是逆变电路。
传统桥式逆变电路具有成本低、结构简单的优点，但是上下桥臂之间必须存在死区的问题，且传统桥式逆变电路控制器设计复杂，系统调试难度大。开关耐压为总输入电压，使得开关耐压等级较高，这些问题限制了逆变电路开关频率，导致开关损耗较高。同时输出电压谐波含量丰富，从而导致其输出滤波电感的体积和损耗都较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种变流电路，该电路结构简单，能够有效降低功率器件的开关损耗和导通损耗，有利于提高电路效率。
本发明提供的一种变流电路，包括电压源电路单元、整流电路单元、逆变电路单元，其中电压源电路单元由三个电压源Ua、Ub、Uc组成，Ua、Ub、Uc电源的一端连在一起；整流电路单元由第一开关模块第二开关模块、第三开关模块组成，每个开关模块均有1、2、3端口，第一开关模块的1端口与Ua的另一端相连，第二开关模块的1端口与Ub的另一端口相连，第三开关模块的1端口与Uc的另一端相连；第一开关模块、第二开关模块、第三开关模块的2端口连接在一起后，与电感L1的一端连在一起；第一开关模块第二开关模块、第三开关模块的3端口连接在一起后，与电感L2的一端连在一起；逆变电路单元由第四开关模块构成，第四开关模块有1、2端口，其中1端口与电感L1的另一端相连，2端口和电感L2的另一端相连。
优选的，开关模块可以由多个功率开关管与二极管通过不同的组合形式构成。
优选的，所述其内部的逆变电路单元或第一开关模块(201)第二开关模块(202)、第三开关模块(203)由多个含反并二极管的功率开关通过不同的方式连接而成。其典型的连接方法如图1中所示。
优选的，电路中开关模块所用开关由含反并二极管的功率开关管构成，这些功率开关管连接方式如图1中所示，俗称按对管的连接办法。
优选的，功率开关管是MOSFET、IGBT或二极管的组合。
优选的，在实施电感电流控制的前提下，通过第一开关模块(201)第二开关模块(202)、第三开关模块(203)实现电流在三个电压源之间的合理分配。
优选的，通过控制三相整流电路单元，实现三相电流中绝对值最大一项对应的开关模块低频切换，另外两相对应的开关模块高频切换，有利于减小开关损耗。
本发明的有益效果为：与传统的三相三线型PFC/APF/SVG等相比，只采用一个电感(按照电路理论的相关常识，这里直接认为L1、L2两个串联的电感等效为一个电感)，且具有更少的开关动作，从而降低系统成本，开关周期内仅三个开关管动作，开关损耗小；变流电路可采用简单的PWM载波调制，控制方法简单，系统效率较高。
附图说明
图1是本发明实施例1的一种变流电路结构示意图。
图2(1)和图2(2)是本发明实施例1的电感电流波形控制框图。
图3(1)～图3(8)是本发明的三相整流电路单元典型的几种开关模块。
图4(1)～图4(6)是本发明的逆变电路单元典型的几种开关模块。
图5(1)～图5(9)是本发明的几种典型实施电路图。
图6是本发明实施例1的三相电流波形示意图及区间定义图。
图7是本发明实施例1的区间1电流回路示意图。
图8是本发明实施例1的区间1电流回路示意图。
图9是本发明实施例1的区间1电流回路示意图。
图10是本发明实施例1的区间1电流回路示意图。
图11是本发明衍生拓扑图5(1)的在区间1的电流回路示意图。
图12是本发明的一种变流电路结构示意图。
具体实施方式
为了更具体的描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
参照以下附图，将描述非限制性和非排他性的实施例，其中相同的附图标记表示相同的部件，除非特别说明。
实施例1：
如图1所示，本实施例提出了一种变流电路，包括电压源电路单元1、整流电路单元2、逆变电路单元3。其中电压源电路1由Ua、Ub、Uc三相互相对称的三个电压源组成，Ua、Ub、Uc电源的一端连在一起，另一端分别与整流电路2的1端口相连；整流电路单元2由第一开关模块201、第二开关模块202、第三开关模块203组成，每个开关模块均有1、2、3端口，第一开关模块201的1端口与Ua的另一端相连，第二开关模块202的1端口与Ub的另一端口相连，第三开关模块203的1端口与Uc的另一端相连；第一开关模块201、第二开关模块202、第三开关模块203的2端口连接在一起后，与电感L1的一端连在一起，第一开关模块201第二开关模块202、第三开关模块203的3端口连接在一起后，与电感L2的一端连在一起；逆变电路单元3由S13、S14、S15、S16及电容C1组成，S13的集电极、S14的集电极与电容C1的正极相连，S13的发射极、S15的集电极与电感L1的另一端相连，S14的发射极、S16的集电极与电感L2的另一端相连，S15的发射极、S16的发射极与电容C1的负极相连。
如图1所示，本实施例的整流电路单元2中的开关模块为：2端口与开关S1的集电极相连，开关S1的发射极与开关S2的集电极相连，开关S2的发射极、开关S3的集电极与1端口相连，开关S3的发射极与开关S4的集电极极相连，开关S4的发射极与3端口相连。
如图1所示，本实施例中整流电路单元2或逆变电路单元3中的开关由带反并二极管的功率开关管组合而成。该功率开关管可以为MOS管、IGBT管，本领域的技术人员应该理解到，本发明不局限于上述两种半导体功率开关管，还可以是其他可执行开关操作的功率元件。
本领域普通技术人员无需过多思考，通过引入二极管代替部分MOS或者IGBT等，或者适当改变这些开关管的连接办法手段，即可得出其他各种可能的开关模块，其中几种典型的三相整流电路单元中的开关模块参考图3(1)～图3(8)。
通过开关模块的组合得到的几种典型的整流模块如图4(1)～图4(6)所示，但实际中的组合将不限于这几种，在本申请文件中无法穷尽，只要其符合本发明的实质内容，由相关领域人员容易变形得到，都在本发明的权利范围之内。本领域普通技术人员无需过多思考，即可得出由各种可能的开关模块组合成的多种完整拓扑，其中几种典型的由各种可能的开关模块组合成的完整拓扑如图5(1)～图5(9)所示，但实际中的组合不限于这几种。
一种变流电路的一种控制思想为：在电感电流被控制稳定的前提下，通过第一开关模块201第二开关模块202、第三开关模块203实现电感电流在三个电压源之间的合理分配。
如图1所示，由于实际输入的电压信号可能存在跳变或者极性突变，本实施例示出一种变流电路也包括输入滤波器，所述输入滤波器设置在所述整流电路单元前端，整流桥输出电流经滤波器滤波后进入电网；在本实施例以外的其他变通实施例中，也可以加入滤波器，其符合本发明的实质。
由于输入为三相三线制，因此三相电流满足式(1)，如图6所示电流正方向，则有：
ia+ib+ic＝0 (1)
需要指出的是，即便是对有缘滤波器这类电流存在畸变的系统，只要其三相电流满足上述式(1)，本发明的电路和控制办法依然适用。为不失一般性，本文针对正弦电流进行分析如图6所示，A代表A相电流，B代表B相电流，C代表C相电流；为了方便描述，设三相电压相差120°，每360°一个循环；考虑到表述直观方便，以电流绝对值最大相的变化点，划分出区间1-6。
不失一般性地，设系统工作于区间1，如图6所示，该区间B相电流的绝对值大于另两相电流的绝对值，且B相电流为负，A、C相电流为正。根据电感电流方向不同，该电路可工作于两种状态。
若电感电流如图7中iL所示，则在此区间S9导通，形成从S9经S10的反并二极管通路，电感电流始终从B相流出，S10也可导通成为同步整流。S1与S5由PWM波控制，形成S1经S2的反并二极管通路，和S5经S6的反并二极管通路，S1和S5的占空比大小分别由控制器得到，从而实现这两个通道电流的按照预设比例分配。本区间内，开关管S3、S4、S7、S8、S11、S12为关断状态；S2、S6、S10的驱动信号可以为关断，电流流过这些管子的反并二极管；也可以为在S1、S5、S9导通时，为高电平便于实现同步整流。S13的驱动信号取决于其采用的单极性或双调制方式，本领域的工程人员可以根据发明精神进行选择。本实施例中，区间1内的电流回路示意图如图7、8所示。图7为电流流经A、B两相的回路，图8为电流流经C、B两相的回路。
若电感电流如图9中iL所示，则在此区间S4导通，形成从S4经S3的反并二极管通路，电感电流始终从B相流出，S3也可导通成为同步整流。S8与S12由PWM波控制，形成S8经S7的反并二极管通路，和S12经S11的反并二极管通路，S8和S12的占空比大小分别由控制器得到，从而实现这两个通道电流的按照预设比例分配。本区间内，开关管S1、S2、S5、S6、S9、S10为关断状态；S3、S3、S11的驱动信号可以为关断，电流流过这些管子的反并二极管；也可以为在S4、S8、S12导通时，为高电平便于实现同步整流。S13的驱动信号取决于其采用的单极性或双调制方式，本领域的工程人员可以根据发明精神进行选择。此时，区间1内的电流回路示意图如图9、10所示。图9为电流流经A、B两相的回路，图10为电流流经C、B两相的回路。
同样的，本发明的一些其余变形电路也可以完成相同功能，例如，对图5(1)，其工作回路如图11中所示，与上文叙述的工作原理类似，这里不再赘述。
电感电流波形通过逆变电路单元控制。本实施例中，电感电流的波形控制框图如图2(1)和图2(2)所示。其中图2(1)为控制器，包含常见的PID或者谐振，重复等控制策略等；图2(2)是对控制器的给定说明，本发明中，可以根据具体的系统设计需要取电流给定为图2(2)中的上包络线、或者下包络线，也可以取为上下包络线的混合，其要义在于，电感电流给定的绝对值要和三相对称电流给定绝对值中的最大值相同。
本发明的要义在于，逆变电路单元通过电感与整流电路单元(201、202、203)的配合，其中逆变电路不管是如图4(1)～图4(6)中的半桥、全桥、三电平或未写入本发明中的其余逆变电路，只要是如图1中那样与整流电路单元、电感L1的配合，都应落入本发明所要求的保护范围之内。
由图3(1)～图3(8)中任意开关模块构成的整流单元与电网相连，并通过电感与逆变单元(如图12中所示的结构)，构成的电路拓扑，都在本发明的保护范围以内。
本领域技术人员将认识到。对以上描述做出众多变通是可能的，所以实施例仅是用来描述一个或多个特定实施方式。
以上所述仅仅是对本发明的优选示范实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (2)

1.一种变流电路，其特征在于：包括电压源电路单元（1）、整流电路单元（2）、逆变电路单元（3），其中电压源电路单元（1）由三个电压源Ua、Ub、Uc组成，Ua、Ub、Uc电源的一端连在一起；整流电路单元（2）由第一开关模块（201）第二开关模块（202）、第三开关模块（203）组成，每个开关模块均有1、2、3端口，第一开关模块（201）的1端口与Ua的另一端相连，第二开关模块（202）的1端口与Ub的另一端口相连，第三开关模块（203）的1端口与Uc的另一端相连；第一开关模块（201）、第二开关模块（202）、第三开关模块（203）的2端口连接在一起后，与电感L1的一端连在一起；第一开关模块（201）第二开关模块（202）、第三开关模块（203）的3端口连接在一起后，与电感L2的一端连在一起；逆变电路单元（3）由第四开关模块（301）构成，第四开关模块（301）有1、2端口，其中1端口与电感L1的另一端相连，2端口和电感L2的另一端相连；
所述第四开关模块（301）由开关管S13、S14、S15、S16和电容C1构成，S13的发射极与S15的集电极连接，S14的发射极与S16的集电极连接，S13的集电极、S14的集电极与电容一端连接，S15的发射极、S16的发射极与电容另一端连接，S13的发射极为第四开关模块（301）的1端口，S14的发射极为第四开关模块（301）的2端口；
所述第一开关模块（201）由开关管S17、二极管D1、开关管S20和二极管D4串联构成，S17的发射极和D1的阳极相连，D1的阴极和S20的集电极相连，S20的发射极和D4的阳极相连，S17的集电极为第一开关模块（201）的2端口，D1的阴极为第一开关模块（201）的1端口，D4的阴极为第一开关模块（201）的3端口；所述第二开关模块（202）由开关管S18、二极管D2、开关管S21和二极管D5串联构成，S18的发射极和D2的阳极相连，D2的阴极和S21的集电极相连，S21的发射极和D5的阳极相连，S18的集电极为第二开关模块（202）的2端口，D2的阴极为第二开关模块（202）的1端口，D5的阴极为第二开关模块（202）的3端口；所述第三开关模块（203）由开关管S19、二极管D3、开关管S22、二极管D6串联构成，S19的发射极和D3的阳极相连，D3的阴极和S22的集电极相连，S22的发射极和D6的阳极相连，S19的集电极为第三开关模块（203）的2端口，D3的阴极为第三开关模块（203）的1端口，D6的阴极为第三开关模块（203）的3端口；
变流电路采用PWM载波调制；
或者所述第一开关模块（201）由开关管S1、开关管S2、开关管S7和开关管S8串联构成，S1的发射极和S2的发射极相连，S2的集电极和S7的集电极相连，S7的发射极和S8的发射极相连，S1的集电极为第一开关模块（201）的2端口，S2的集电极为第一开关模块（201）的1端口，S8的集电极为第一开关模块（201）的3端口；所述第二开关模块（202）由开关管S3、开关管S4、开关管S9和开关管S10串联构成，S3的发射极和S4的发射极相连，S4的集电极和S9的集电极相连，S9的发射极和S10的发射极相连，S3的集电极为第二开关模块（202）的2端口，S4的集电极为第二开关模块（202）的1端口，S10的集电极为第二开关模块（202）的3端口；所述第三开关模块（203）由开关管S5、开关管S6、开关管S11和开关管S12串联构成，S5的发射极和S6的发射极相连，S6的集电极和S11的集电极相连，S11的发射极和S12的发射极相连，S5的集电极为第三开关模块（203）的2端口，S6的集电极为第三开关模块（203）的1端口，S12的集电极为第三开关模块（203）的3端口；
或者所述第一开关模块（201）由开关管S23、二极管D7、开关管S26和二极管D10串联构成，S23的集电极和D7的阴极相连，D7的阳极和S26的发射极相连，S26的集电极和D10的阴极相连，S23的发射极为第一开关模块（201）的2端口，D7的阳极为第一开关模块（201）的1端口，D10的阳极为第一开关模块（201）的3端口；所述第二开关模块（202）由开关管S24、二极管D8、开关管S27和二极管D11串联构成，S24的集电极和D8的阴极相连，D8的阳极和S27的发射极相连，S27的集电极和D11的阴极相连，S24的发射极为第二开关模块（202）的2端口，D8的阳极为第二开关模块（202）的1端口，D11的阳极为第二开关模块（202）的3端口；所述第三开关模块（203）由开关管S25、二极管D9、开关管S28和二极管D12串联构成，S25的集电极和D9的阴极相连，D9的阳极和S28的发射极相连，S28的集电极和D12的阴极相连，S25的发射极为第三开关模块（203）的2端口，D9的阳极为第三开关模块（203）的1端口，D12的阳极为第三开关模块（203）的3端口。
2.如权利要求1所述的变流电路，其特征在于：还包括输入滤波器，所述输入滤波器设置在所述整流电路单元（2）前端，电压源电路单元（1）的电源经输入滤波器滤波后接入所述整流电路单元（2）。
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