CN111416535B - 一种三模态混合单相五电平整流器 - Google Patents

一种三模态混合单相五电平整流器 Download PDF

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Abstract

一种三模态混合单相五电平整流器，包括：交流电源Vs，电感L，开关管S1、S2、S3，二极管D1‑D10，电容C1、C2，负载RL。本发明一种三模态混合单相五电平整流器，该电路拓扑需要较少的开关管数量，一定程度上降低拓扑结构的控制难度和电路的设计成本，并减少开关损耗，提高五电平整流器工作效率；同时二极管无源整流桥的无源整流模态可以提高单相五电平整流器的可靠性能，可保证五电平整流器可靠对外输出，即使在开关管处于损坏或故障状态时也可保证输出。

Description

一种三模态混合单相五电平整流器
技术领域
本发明涉及多电平电能变换技术领域，具体是一种三模态混合单相五电平整流器
背景技术
为降低整流器输入电流的谐波含量以及开关管电压电流应力，研究者们通过采用多电平的方式既可以降低整流器谐波含量，又可实现降低开关管电压电流应力。但多电平变换器电路结构最初应用在逆变器电路中，却较少将多电平应用在整流器中。直到近十年以来，由于整流器在工业场合的应用越来越广泛，为丰富整流器拓扑结构，同时满足不同应用场合的需求，较多的研究员将多电平从逆变器应用到整流器电路结构中，多电平整流器电路结构大多是应用在交流三相四线制整流电路中，较少将其应用在单相整流中。其主要原因在于单相整流功率等级较低，多电平整流并没有较好的发展空间；但在某些供电可靠性要求较高的场合，单相多电平整流变换器却可实现其用武之地。一方面为使得单相整流器工作可靠，另一方面为实现功率因数校正。
发明内容
针对现有多电平电路结构较为的复杂、损耗高和可靠性较低的问题。发明提供一种三模态混合单相五电平整流器，一定程度上降低开关管拓扑结构的控制难度；同时，由于结构中存在二极管无源整流模态，可保证电路变换器可靠对外输出；即使在开关管处于损坏或故障状态时也可保证输出。该整流器可以应用在中小功率等级下的单相整流场合。
本发明采取的技术方案为：
一种三模态混合单相五电平整流器，包括：
电感L，开关管S1、S2、S3，二极管D1-D10，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D3阴极、二极管D1阴极、二极管D5阳极，连接构成连接点c；
开关管S1源极、二极管D2阳极、二极管D4阳极、二极管D6阴极，连接构成接点d；
开关管S3源极、开关管S2漏极，均连接端点a；
二极管D5阴极连接电容C1正端，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S3漏极分别连接二极管D7阳极、二极管D8阴极，所述二极管D7阴极连接端点p；
开关管S2源极分别连接二极管D9阳极、二极管D10阴极，所述二极管D10阳极连接端点m；
负载RL连接于端点p、端点m之间。
所述电容C1、C2为串联直流母线分裂电容,用于构造端点n电压为Udc/2。
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。
一种三模态混合单相五电平整流器，包括有源充电运行模态、有源整流模态和无源整流模态，三种模态单相五电平整流器工作时混合交替工作。
本发明一种三模态混合单相五电平整流器，技术效果如下：
1：该整流器结构创新点：
本发明所发明的三模态混合单相五电平整流器，具有有源充电运行模态、有源整流模态和无源整流模态，三种模态单相五电平整流器工作时混合交替工作可以降低开关损耗，提高五电平整流器工作效率，同时无源状态可以提高整流器的可靠性能。该电路前级双向开关由D1、D2、D3、D4及S1组成，后级双向开关由D8、D9及S2、S3组成，此外，为保证整流变换器可靠工作，应用二极管D5、D6做到功率的单方向流通，保证电容电流不会因整流输出电压低于串联电容电压而出现回流。
2：本发明一种三模态混合单相五电平整流器，该新型拓扑为二极管无源整流桥功率因数校正整流变换器，当开关管处于不工作状态时，二极管无源整流桥结构可实现低功率因数对外输出供电。
3：本发明一种三模态混合单相五电平整流器，该新型拓扑结构中多次应用到开关管集成体二极管作为导通回路，在实际应用中，一方面可以降低电路的设计成本，另一方面，降低开关损耗，提高五电平整流器工作效率，同时二极管无源整流桥可以提高整流器的可靠性能。
4：本发明一种三模态混合单相五电平整流器可以应用于不同功率等级下的单相整流电路中，该电路具有有源充电运行模态、有源整流模态和无源整流模态，三种模态单相五电平整流器工作时混合交替工作可以降低开关损耗，提高五电平整流器工作效率，同时无源状态可以提高整流器的可靠性能。
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为本发明的直流母线电压跳变波形图。
图9为本发明的负载增减50％波形图。
图10为本发明的直流侧电容C1、C2电压波形图。
图11为本发明的稳态交流输入电压电流波形图。
具体施实方式
如图1所示，一种三模态混合单相五电平整流器，包括：交流电源VS，电感L，开关管S1、S2、S3，二极管D1-D10，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D3阴极、二极管D1阴极、二极管D5阳极，连接构成连接点c；
开关管S1源极、二极管D2阳极、二极管D4阳极、二极管D6阴极，连接构成接点d；
开关管S3源极、开关管S2漏极，均连接端点a；
二极管D5阴极连接电容C1正端，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S3漏极分别连接二极管D7阳极、二极管D8阴极，所述二极管D7阴极连接端点p；
开关管S2源极分别连接二极管D9阳极、二极管D10阴极，所述二极管D10阳极连接端点m；
负载RL连接于端点p、端点m之间。
本发明所提到的拓扑结构，应用二极管D5、D6，主要为防止功率由直流侧电容流向前级整流，另一方面也作为整流器电压钳位二极管。
所述电容C1、C2为串联直流母线分裂电容,用于构造端点n电压为Udc/2。
主要是为实现电压Uab呈现0，+/-(Udc/2)，+/-Udc变化，进而降低开关管电压电流应力。
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。
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，拓扑多次利用到开关管反并联体二极管作为导通回路，一定程度上节约设计成本。
一种三模态混合单相五电平整流器包括：有源充电运行模态、有源整流模态和无源整流模态，三种模态单相五电平整流器工作时混合交替工作。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，三模态混合单相五电平整流器在为电感L正向有源充电运行模态，开关管S1导通，开关管S2关断，开关管S3关断，电流经过电感L，并对电感进行储能，最后经过二极管D2、D3流回，负载RL由电容C1、C2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关断，开关管S2导通，开关管S3关断，三模态混合单相五电平整流器工作在有源整流模态，电流经过电感L，二极管D2、D6、D9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电供；
当电网电压大于0.5udc时电感电流上升，
Ldis/dt＝us-udc/2 (2)
当电网电压小于0.5udc时电感电流下降，
-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关断，开关管S2关断，开关管S3关断，三模态混合单相五电平整流器工作在无源整流模态，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关断，开关管S3关断，三模态混合单相五电平整流器工作在为电感L反向有源充电运行模态，电流经过二极管D1、D4，开关管S1，最后经过电感L回到交流电源Vs，此过程中，电感L储能，负载RL由电容C1、C2供电；
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关断，混合开关管S3导通，三模态混合单相五电平整流器工作在有源整流模态，电流经过二极管D1、D5、D8以及分裂电容C1，最后，流过电感L回到交流电源Vs，此过程中，交流电源Vs和电感L同时给电容C1充电；
当电网电压绝对值大于0.5udc时电感电流上升，
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关断，开关管S2关断，开关管S3关断，三模态混合单相五电平整流器工作在无源整流模态，电流经过二极管D1、D4、D5、D6、D10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。
-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，负载功率为500W，滤波电感为2mH，分裂电容C1＝C2＝1000μF，开关频率为10kHz。
图8～图11为本发明的实验波形图：
图8为直流侧母线参考电压由400V上升至500V过程中电压电流波形图，由图8可得，当参考电压Vp跳变之后，直流侧输出电压Udc出现一个较小斜坡后稳定输出在500V，交流输入电流出现一个周波得我波动后稳定正弦输出，电压Uab在电压跳变后出现较多的毛刺，其主要在于此时电路工作在超稳定状态之下，此组实验波形其一证明本发明拓扑结构可以实现多电平电能变换，其二，证明当拓扑结构超过稳定状态一定范围时仍可保持较好的稳定性。
图9为电路结构在负载增减50％过程中电压电流波形图，由图9可得，负载跳变过程中，直流侧电压Udc具有较好的稳定性，输入电压UN、IN跳变过程中可保持较好的正弦化，仅电流幅值发生变换，整流输入电压Uab始终保持五电平变化，图9证明，本发明提出的变换器结构具有较好的工作稳定性。
图10为直流侧输出串联电容UC1、UC2电压波形，由图10可得，此变换器结构直流侧电容电压虽存在较小波动，但可实现Udc/2电压的引入，为实现五电平变换提供可靠的中点电压。
图11为稳态过程中交流侧输入电压电流波形图，由图11可得，本发明所提变换器结构可实现功率因数校正。

Claims (5)

1.一种三模态混合单相五电平整流器，其特征在于包括：
电感L，开关管S1、S2、S3，二极管D1-D10，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，连接节点构成端点b；
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D3阴极、二极管D1阴极、二极管D5阳极，连接构成连接点c；
开关管S1源极、二极管D2阳极、二极管D4阳极、二极管D6阴极，连接构成接点d；
开关管S3源极、开关管S2漏极，均连接端点a；
二极管D5阴极连接电容C1正端，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S3漏极分别连接二极管D7阳极、二极管D8阴极，所述二极管D7阴极连接端点p；
开关管S2源极分别连接二极管D9阳极、二极管D10阴极，所述二极管D10阳极连接端点m；
负载RL连接于端点p、端点m之间。
2.根据权利要求1所述一种三模态混合单相五电平整流器，其特征在于：
所述电容C1、C2为串联直流母线分裂电容,用于构造端点n电压为Udc/2。
3.根据权利要求1所述一种三模态混合单相五电平整流器，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.如权利要求1-3任意一项所述整流器，其特征在于：包括有源充电运行模态、有源整流模态和无源整流模态，三种模态单相五电平整流器工作时混合交替工作。
5.根据权利要求4所述一种三模态混合单相五电平整流器，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，三模态混合单相五电平整流器工作在为电感L正向有源充电运行模态，开关管S1导通，开关管S2关断，开关管S3关断，电流经过电感L，电感L进行储能，最后经过二极管D2、D3流回，负载RL由电容C1、C2供电；
开关模式二：此时为交流电源Vs的正半周，开关管S1关断，开关管S2导通，开关管S3关断，三模态混合单相五电平整流器工作在有源整流模态，电流经过电感L，二极管D2、D6、D9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电供；
开关模式三：此时为交流电源Vs的正半周，开关管S1关断，开关管S2关断，开关管S3关断，三模态混合单相五电平整流器工作在无源整流模态，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关断，开关管S3关断，三模态混合单相五电平整流器工作在为电感L反向有源充电运行模态，电流经过二极管D1、D4，开关管S1，最后经过电感L回到交流电源Vs，此过程中，电感L储能，负载RL由电容C1、C2供电；
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关断，混合开关管S3导通，三模态混合单相五电平整流器工作在有源整流模态，电流经过二极管D1、D5、D8以及分裂电容C1，最后，流过电感L回到交流电源Vs，此过程中，交流电源Vs和电感L同时给电容C1充电；
开关模式六：此时为交流电源Vs的负半周，开关管S1关断，开关管S2关断，开关管S3关断，三模态混合单相五电平整流器工作在无源整流模态，电流经过二极管D1、D4、D5、D6、D10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。
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