CN111416534A - 一种电流路径重构式的单相五电平整流器 - Google Patents

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Abstract

一种电流路径重构式的单相五电平整流器，包括交流电源VS，电感L，开关管S1、S2、S3，二极管D1‑D8，电容C1、C2、负载RL。本发明拓扑结构中存在插入式二极管不控整流桥整流单元，在一定程度上可增减所需要的开关数量，将开关管应用到功率因数校正中，一方面电路结构更加简单，另一方面可降低电路控制的难度。该整流器可在单相中小功率整流器领域得到较为广泛的应用。

Description

一种电流路径重构式的单相五电平整流器
技术领域
本发明涉及多电平电能变换技术领域，具体是一种电流路径重构式的单相五电平整流器。
背景技术
随着电力电子在电力系统及日常生活中的广泛应用，这就需要我们在不同的应用场合具有适合于应用的电力电子装置，整流器作为一种常用的变换器类型，据统计在工业应用中，整流器在实际的应用中占到70％以上，这就需要我们对应不同的应用提出可靠性较高，功率密度较大，成本较低的电路结构。传统不控整流变换器结构整流输出电流谐波含量较高，输入侧滤波电感体积较大。为满足工业生产标准，必须在整流后进行功率因数校正，一方面降低输入滤波电感体积；另一方面也可提升电能利用率。但传统的功率因数校正整流变换器仅在不控整流后加入升压电路实现功率因数校正，此种方式虽然可以实现功率因数校正，但开关管电压应力较大，并不适合较为广泛的应用。
发明内容
针对现有五电平拓扑结构中所需要的开关管数量较多，电路结构可靠性较差，开关管电压电流应力较大等问题。本发明提供一种电流路径重构式的单相五电平整流器，变换器结构具有可靠性较高、开关管数量较少，输入电压Uab电平数较多，输入谐波含量较小，输入侧滤波电感体积较小等特点。另外，本发明拓扑结构中存在插入式二极管不控整流桥整流单元，在一定程度上可增减所需要的开关数量，将开关管应用到功率因数校正中，一方面电路结构更加简单，另一方面可降低电路控制的难度。该整流器可在单相中小功率整流器领域得到较为广泛的应用。
本发明采取的技术方案为：
一种电流路径重构式的单相五电平整流器，包括：
电感L，开关管S1、S2、S3，二极管D1-D8，电容C1、C2；
交流电源Vs一侧分别连接二极管D1阳极，二极管D2阴极，该连接节点构成端点b；
交流电源Vs另一侧连接电感L一端，电感L另一端连接端点a；
二极管D4阴极、二极管D3阳极均连接端点a；
开关管S1漏极、二极管D1阴极、二极管D7阴极、二极管D5阳极，连接构成端点c；
开关管S1源极、二极管D2阳极、二极管D8阳极、二极管D6阴极，连接构成端点d；
开关管S3源极，开关管S2漏极连接端点n；
二极管D5阴极连接电容C1正极，其连接节点构成端点p；
电容C1负极连接电容C2正极，其连接节点构成端点n；
电容C2负极连接二极管D6阳极，其连接节点构成端点m；
开关管S2漏极分别连接二极管D4阳极、二极管D8阴极；
开关管S3源极分别连接二极管D7阳极、二极管D3阴极；
负载RL连接于端点p、端点m两点之间。
该整流器中，二极管不控整流桥D1、D2、D3、D4插入到多向功率选择开关管S2、S3上，为电感L充电构成回路，开关管S1所连接的端点c、端点d两点重构电流路径，为电感L充电构成回路，实现直流侧升压。
将二极管不控整流桥D1、D2、D3、D4插入到五电平分裂开关-电容网络结构中，即可实现功率对后级可靠供电，又可减小功率流通路径，进而降低损耗提高效率。
所述开关管S1、S2、S3为绝缘栅型双极晶体管IGBT、或者集成门极换流晶闸管IGCT、或者电力场效应晶体管MOSFET。
所述电容C1、C2为串联直流母线分裂电容，电容值大小相同。由电容串联分压可知每个电容承受Udc/2直流母线电压，采用电容串联主要目的在于：其一，为实现直流侧电压的稳定，其二，为实现直流母线分裂电压，即为引入多电平提供n点Udc/2。
本发明一种电流路径重构式的单相五电平整流器，技术效果如下：
1：该整流器结构创新点：
本发明所提的变换器结构应用和融合了二极管整流，多电平电能变换，功率因数校正等功能，利用全控器件与二极管融合应用实现功率多方向选择，以此实现多电平，降低开关管电压电流应力，通过应用D5、D6实现功率的单方向流通，保证电容电流不出现倒灌回流，同时，引入开关电容网络实现多电平，即C1、D7、S3和C2、D8、S2构成上-下开关电容组合。
2：本发明一种电流路径重构式的单相五电平整流器，该新型拓扑结构应用到传统二极管不控整流桥整流变换器结构，当开关管处于不控或损坏状态下时，仍可实现对后级的可靠供电。
3：本发明一种电流路径重构式的单相五电平整流器，该新型拓扑由于引用到开关-电容网络结构实现多电平，在一定程度上可降低输入电感体积，同时可实现较高功率因数和较低的开关管电压电流应力。
4：本发明一种电流路径重构式的单相五电平整流器，此变换器电路所需要的开关管数量较少，滤波电感体积较小，但可靠性较高，在开关管处于不控状态下仍然可实现对后级的不控整流输出，保证可靠的供电，这一点在工业应用中尤为重要，为此，本发明所应用的变换器可在工业中得到较为广泛的应用。
附图说明
图1为本发明的电路拓扑结构图。
图2为本发明的开关模式一流向图。
图3为本发明的开关模式二流向图。
图4为本发明的开关模式三流向图。
图5为本发明的开关模式四流向图。
图6为本发明的开关模式五流向图。
图7为本发明的开关模式六流向图。
图8为本发明整流器拓扑结构稳态电压电流波形图。
图9为本发明的整流器拓扑负载减小50％时电压电流波形图。
图10为本发明的整流器拓扑不控整流与可控整流切换过程电压电流波形图。
具体实施方式
如图1所示，一种电流路径重构式的单相五电平整流器，包括交流电源VS，电感L，开关管S1、S2、S3，二极管D1-D8，电容C1、C2；
交流电源Vs一侧分别连接二极管D1阳极，二极管D2阴极，该连接节点构成端点b；
交流电源Vs另一侧连接电感L一端，电感L另一端连接端点a；
二极管D4阴极、二极管D3阳极均连接端点a；
开关管S1漏极、二极管D1阴极、二极管D7阴极、二极管D5阳极，连接构成端点c；
开关管S1源极、二极管D2阳极、二极管D8阳极、二极管D6阴极，连接构成端点d；
开关管S3源极，开关管S2漏极连接端点n；
二极管D5阴极连接电容C1正极，其连接节点构成端点p；
电容C1负极连接电容C2正极，其连接节点构成端点n；
电容C2负极连接二极管D6阳极，其连接节点构成端点m；
开关管S2漏极分别连接二极管D4阳极、二极管D8阴极；
开关管S3源极分别连接二极管D7阳极、二极管D3阴极；
负载RL连接于端点p、端点m两点之间。
如图1所示，电流is为电感输出电流，idc为负载电流输出值，vdc为负载RL两端的输出电压值。包括以下开关模式：
开关模式一：如图2所示，此时为交流电源Vs的正半周，开关管S1导通，开关管S2和S3关断，电流经过电感L，并对电感L进行储能，最后，经过二极管D2、D3、D7及开关管S1流回交流电源Vs负极，负载RL由电容C1、C2串联供电；
Ldis/dt＝us (1)
开关模式二：如图3所示，此时为交流电源Vs的正半周，开关管S1和S2关断，开关管S3导通，电流经过电感L，二极管D2、D3、D6以及电容C2，在此过程中，交流电源Vs和电感L同时对电容C2充电，负载RL由电容C1供电；
当电网电压大于0.5udc时，电感L电流上升，
Ldis/dt＝us-udc/2 (2)
当电网电压小于0.5udc时，电感L电流下降，
-Ldis/dt＝us-udc/2 (3)
开关模式三：如图4所示，此时为交流电源Vs的正半周，开关管S1、S2和S3关断，电流经过电感L，二极管D2、D3、D5、D6、D7以及电容C1、C2，此过程中，交流电源Vs和电感L同时给负载RL和电容C1、C2供电，电容C1、C2充电；
-Ldis/dt＝us-udc (4)
开关模式四：如图5所示，此时为交流电源Vs的负半周，开关管S1导通，开关管S2和S3关断，电流经过二极管D1、D4、D8及电感L回到交流电源Vs，此过程中，交流电源Vs对电感L储能；
Ldis/dt＝-us (5)
开关模式五：如图6所示，此时为交流电源Vs的负半周，开关管S1关断，开关管S2导通，开关管S3关断，电流经过二极管D1、D4、D5及开关管S2，最后，经过电感L回到交流电源Vs，此过程中，交流电源Vs同时对电容C1充电及对负载RL供电；
当电网电压绝对值大于0.5udc时，电感L电流上升，
Ldis/dt＝-us-udc/2 (6)
当电网电压绝对值小于0.5udc时，电感L电流下降，
-Ldis/dt＝-us-udc/2 (7)
开关模式六：如图7所示，此时为交流电源Vs的负半周，开关管S1、S2和S3关断，电流经过二极管D1、D4、D5、D6、D8以及电容C1、C2，经过电感L回到交流电源Vs，此过程中，交流电源Vs和电感L同时给负载RL和电容C1、C2供电，电容C1、C2充电，电容电压上升。
-Ldis/dt＝-us-udc (8)
实验参数：
交流电源峰值220V，输出直流电压vdc为400V，负载功率500W，滤波电感为2.5mH，分裂电容C1＝C2＝1000μF，开关频率为10kHz。
图8～图10为本发明在电路不同工作状态下的实验波形图：
图8为本发明稳态时拓扑结构关键点处电压电流波形图，由图8可知，稳态时直流侧输出电压Udc可实现稳定，交流输入电压UN、IN可实现同相位，即证明该变换器结构可以实现功率赢输校正，由图8可知Uab输出电压可实现五电平变化，即证明该变换器可以实现多电平电能变换。
图9为当拓扑结构出现负载跳变过程中关键点电压电流波形，由图9可得，负载跳变过程中，直流侧输出电压Udc可实现较好的稳定，交流输入电流也可实现电压电流同相位，即完成功率因数校正，电压Uab依然可较好保持五电平变化，证明在电路暂态过程时，拓扑结构具有较好的稳定性。
图10为本发明在不控与可控整流变化过程中实验波形图，当可控到不控过程中，控制信号Vp由高变低，电路由可控到不控，由图10可得，不控过程中交流输入电流IN存在较大的畸变，即未实现功率因数校正，处于二极管整流，且Uab电压存在较大的畸变，未实现多电平变化，当由不控到可控时，交流输入电流IN可实现较高功率因数，且Uab可实现多电平变换，此实验波形模拟证明，本发明结构在开关管故障状态下任可实现可靠供电，但功率因数较低。
本发明一种电流路径重构式的单相五电平整流器，所提的变换器结构应用和融合二极管桥式整流，五电平电能变换，功率因数校正等功能。利用全控器件与二极管融合应用实现功率多方向选择，以此实现五电平，降低开关管电压电流应力；其中C1、D7、S3和C2、D8、S2构成上-下开关电容组合，由于引用开关-电容网络结构实现多电平；为电感L充电重构电流路径，对电感储能以实现直流侧升压。一方面，一定程度上可降低输入电感体积，另一方面，可实现较高功率因数和较低的开关管电压电流应力，同时，通过应用二极管D5、D6实现功率的单方向流通，保证电容电流不出现倒灌回流到整流侧。最后，由于电路结构应用到传统不控二极管不控整流桥整流变换器结构，当开关管处于不控或损坏状态下时仍可实现对后级的可靠供电。

Claims (5)

1.一种电流路径重构式的单相五电平整流器，其特征在于包括：
电感L，开关管S1、S2、S3，二极管D1-D8，电容C1、C2；
交流电源Vs一侧分别连接二极管D1阳极，二极管D2阴极，该连接节点构成端点b；
交流电源Vs另一侧连接电感L一端，电感L另一端连接端点a；
二极管D4阴极、二极管D3阳极均连接端点a；
开关管S1漏极、二极管D1阴极、二极管D7阴极、二极管D5阳极，连接构成端点c；
开关管S1源极、二极管D2阳极、二极管D8阳极、二极管D6阴极，连接构成端点d；
开关管S3源极，开关管S2漏极连接端点n；
二极管D5阴极连接电容C1正极，其连接节点构成端点p；
电容C1负极连接电容C2正极，其连接节点构成端点n；
电容C2负极连接二极管D6阳极，其连接节点构成端点m；
开关管S2漏极分别连接二极管D4阳极、二极管D8阴极；
开关管S3源极分别连接二极管D7阳极、二极管D3阴极；
负载RL连接于端点p、端点m两点之间。
2.根据权利要求1所述一种电流路径重构式的单相五电平整流器，其特征在于：
该整流器中，二极管不控整流桥D1、D2、D3、D4插入到多向功率选择开关管S2、S3上，为电感L充电构成回路，开关管S1所连接的端点c、端点d两点重构电流路径，为电感L充电构成回路，实现直流侧升压。
3.根据权利要求1所述一种电流路径重构式的单相五电平整流器，其特征在于：
所述开关管S1、S2、S3为绝缘栅型双极晶体管IGBT、或者集成门极换流晶闸管IGCT、或者电力场效应晶体管MOSFET。
4.根据权利要求1所述一种电流路径重构式的单相五电平整流器，其特征在于：
所述电容C1、C2为串联直流母线分裂电容，电容值大小相同。
5.如权利要求1-4所述任意一种整流器，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Vs的正半周，开关管S1导通，开关管S2和S3关断，为电感L充电重构回路，电流经过电感L，并对电感L进行储能，最后，经过二极管D2、D3、D7及开关管S1流回交流电源Vs负极，负载RL由电容C1、C2串联供电；
开关模式二：此时为交流电源Vs的正半周，开关管S1和S2关断，开关管S3导通，电流经过电感L，二极管D2、D3、D6以及电容C2，在此过程中，交流电源Vs和电感L同时对电容C2充电，负载RL由电容C1供电；
开关模式三：此时为交流电源Vs的正半周，开关管S1、S2和S3关断，电流经过电感L，二极管D2、D3、D5、D6、D7以及电容C1、C2，此过程中，交流电源Vs和电感L同时给负载RL和电容C1、C2供电，电容C1、C2充电；
开关模式四：此时为交流电源Vs的负半周，开关管S1导通，开关管S2和S3关断，电流经过二极管D1、D4、D8及电感L回到交流电源Vs，此过程中，交流电源Vs对电感L储能；
开关模式五：此时为交流电源Vs的负半周，开关管S1关断，开关管S2导通，开关管S3关断，电流经过二极管D1、D4、D5及开关管S2，最后，经过电感L回到交流电源Vs，此过程中，交流电源Vs同时对电容C1充电及对负载RL供电；
开关模式六：此时为交流电源Vs的负半周，开关管S1、S2和S3关断，电流经过二极管D1、D4、D5、D6、D8以及电容C1、C2，经过电感L回到交流电源Vs，此过程中，交流电源Vs和电感L同时给负载RL和电容C1、C2供电，电容C1、C2充电，电容电压上升。
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