CN111416536A - 基于双向管插入式的单相双升压无桥五电平整流器 - Google Patents

基于双向管插入式的单相双升压无桥五电平整流器 Download PDF

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Abstract

基于双向管插入式的单相双升压无桥五电平整流器，包括：交流电源Ug、双耦合磁绕组N1、双耦合磁绕组N2、电容C1、电容C2、开关管Q1～Q4、二极管D1～D8、负载R。本发明电路将无桥设计思路拓展到五电平Boost型整流器中，采用开关管的不同组合方式实现五电平；当双向管处于故障状态下，电路仍可实现对直流侧的功率输出。本发明电路具有以下优点：1)谐波含量少，抗电磁干扰性强；2)开关管电压应力大大降低，电路工作可靠性提高；3)既可实现功率因数校正，又可保证负载供电可靠。

Description

基于双向管插入式的单相双升压无桥五电平整流器
技术领域
本发明涉及电力电子电能变换技术领域，具体涉及一种基于双向管插入式的单相双升压无桥五电平整流器。
背景技术
随着现代电力电子技术的工业化发展，整流技术已较为成熟，而电力电子装置的广泛应用，尤其是一些非线性电力电子设备产生的谐波污染使得电能的传输、转换及利用的效率降低，严重时可导致设备发生故障甚至损坏。
目前所采用的功率因数校正(PFC)技术，通常在交流输入侧加入桥式整流电路，以实现交流-直流变换，减小谐波危害。在传统的三电平整流器中，随着功率等级的提高，对功率变换器的研究朝着高频化，高功率密度发展，在长时间工作下的高频电路，产生的高频电流会使电感发热，加大损耗，因此需要使用散热器等途径进行散热。与此同时，也带来了电磁干扰(EMI)的问题，其中，共模干扰的传输路径比较复杂，电磁兼容问题不易实现。为了提高系统的抗干扰能力、供电可靠性及工作效率，一些无桥Boost PFC拓扑结构被相继提出，并逐渐成为当下研究的一个热点。
发明内容
为克服传统三电平整流技术中存在的谐波含量高、抗干扰能力差及工作可靠性不高等问题，本发明在无桥Boost PFC拓扑结构基础上，提出一种基于双向管插入式的单相双升压无桥五电平整流器，将无桥设计思路拓展到五电平Boost型整流器中，采用开关管的不同组合方式实现五电平；当双向管处于故障状态下，电路仍可实现对直流侧的功率输出。
本发明采取的技术方案为：
基于双向管插入式的单相双升压无桥五电平整流器，包括：
双耦合磁绕组N1、双耦合磁绕组N2、电容C1、电容C2、开关管Q1～Q4、二极管D1～D8；
交流电源Ug的一端、二极管D1的阴极、双耦合磁绕组N1的一端，共同连接于结点c；
交流电源Ug的另一端、二极管D2的阴极、双耦合磁绕组N2的一端，共同连接于结点d；
双耦合磁绕组N1的另一端、二极管D3的阳极、开关管Q1的集电极，共同连接于结点a；
双耦合磁绕组N2的另一端、二极管D4的阳极，共同连接于结点b；
二极管D3的阴极、二极管D5的阴极，共同连接于结点e；
二极管D4的阴极、二极管D5的阳极、开关管Q2的集电极、开关管Q3的发射极、开关管Q4的集电极，共同连接于结点f；
二极管D1的阳极、二极管D2的阳极、二极管D8的阴极、开关管Q1的发射极、开关管Q2的发射极，共同连接于结点g；
开关管Q3的集电极与二极管D6的阴极相连；
开关管Q4的发射极与二极管D7的阳极相连；
电容C1的正极、负载R的一端，共同连接于结点m，所述结点m与结点e相连；
电容C1的负极、电容C2的正极、二极管D6的阳极、二极管D7的阴极，共同连接于结点o；
电容C2的负极、二极管D8的阳极、负载R的另一端，共同连接于结点n。
所述双耦合磁绕组N1包括绕组N11、绕组N12，绕组N11、N21采用共芯同向绕制，其电感L1；
双耦合磁绕组N2包括绕组N21、绕组N22；绕组N12、N22采用共芯反向绕制，其电感L2；
双耦合磁绕组N1、N2材质相同，磁芯匹配，构成两个等值电感。
该整流器电路中，结点f、o共同构成双向管插入式结构。
该整流器电路中，二极管D1、D2为低频二极管，二极管D3～D8为快恢复二极管，二极管D4、D8用于电压钳位，保证功率单向流通。
该整流器电路中，开关管Q1～Q4均为无体二极管的N沟道绝缘栅双极晶体管(N-IGBT)。该整流器电路中，电容C1、C2均为容值相等的电解电容。
该整流器电路中，双耦合磁绕组N1、二极管D3、开关管Q1构成第一升压整流单元；
本发明一种基于双向管插入式的单相双升压无桥五电平整流器，技术效果如下：
(1)、本发明在实现功率因数校正功能的同时，又可为负载提供稳定的直流输出，此外，由于拓扑结构采用五电平，使谐波含量明显降低，功率开关的耐压值仅为输出直流电压的1/2。
(2)、本发明整流器电路中开关管Q1、Q2的发射极与功率地相连，易于实现开关脉冲分配，并且低频二极管D1、D2使输出端与输入端建立联系，为回路电流一直提供低阻抗电流通路，电路的电磁干扰较小。
(3)、本发明整流器电路中结点f、o之间连接的双向管作为实现五电平的关键结构，当双向管出现故障或损坏时，电路可立即转换到三电平整流电路进行工作，保证对后级电路的功率输出，供电安全可靠。
(4)、本发明整流器基于无桥Boost PFC拓扑结构，将无桥设计思路拓展到五电平Boost型整流器中，电路前端采用材质相同，磁芯匹配的两个等值电感L1、L2进行耦合绕制，其中，电感L1的绕组N11与N21采用共芯同向绕制；电感L2的绕组N12与N22采用共芯反向绕制。使电感的体积缩小，磁芯的利用率提高，对于整体电路而言，有着较好的热管理性能；后端采用双向管插入式结构以及两个等值电解电容，用于实现五电平电路，其中，为保证功率的单向流通而采用二极管D4、D8进行电压钳位。
(5)、本发明整流器电路具有以下优点：①、谐波含量少，抗电磁干扰性强；②、开关管电压应力大大降低，电路工作可靠性提高；③、既可实现功率因数校正，又可保证负载供电可靠。
附图说明
图1为本发明一种基于双向管插入式的单相双升压无桥五电平整流器；
图2是本发明电路在电源电压正半周工作模式一电路图；
图3是本发明电路在电源电压正半周工作模式二电路图；
图4是本发明电路在电源电压正半周工作模式三电路图；
图5是本发明电路在电源电压负半周工作模式四电路图；
图6是本发明电路在电源电压负半周工作模式五电路图；
图7是本发明电路在电源电压负半周工作模式六电路图；
图8是本发明电路中开关管Q1～Q4的工作模式图；
图9(1)是本发明电路中交流侧输入电压Ug和电流ig波形图；
图9(2)是本发明电路中电压Uab波形图；
图9(3)是本发明电路中直流侧输出电压Ud波形图；
图10(1)是本发明电路中当双向管结构处于工作与不工作跳变状态下的交流侧输入电压Ug和电流ig波形图；
图10(2)是本发明电路中当双向管结构处于工作与不工作跳变状态下的电压Uab波形图；
图10(3)本发明电路中当双向管结构处于工作与不工作跳变状态下的直流侧输出电压Ud波形图。
具体实施方式
以下为本发明电路结合附图做具体说明：
本发明电路具体实验参数如下：交流电源输入电压为220V，电源频率50Hz，电感L1与L2感值均为1.5mH，电容C1、C2容值均为2200uF，负载R阻值为45Ω，直流侧输出电压400V，其中开关频率10KHz。
图1是本发明一种基于双向管插入式的单相双升压无桥五电平整流器拓扑结构图：包括交流电源Ug、双耦合磁绕组N1(包括绕组N11与N12)与N2(包括绕组N21与N22)、电容C1与C2、开关管Q1～Q4、二极管D1～D8与负载R。
基于双向管插入式的单相双升压无桥五电平整流器中：
交流电源Ug的一端、二极管D1的阴极、双耦合磁绕组N1的一端，共同连接于结点c；
交流电源Ug的另一端、二极管D2的阴极、双耦合磁绕组N2的一端，共同连接于结点d；
双耦合磁绕组N1的另一端、二极管D3的阳极、开关管Q1的集电极，共同连接于结点a；
双耦合磁绕组N2的另一端、二极管D4的阳极，共同连接于结点b；
二极管D3的阴极、二极管D5的阴极，共同连接于结点e；
二极管D4的阴极、二极管D5的阳极、开关管Q2的集电极、开关管Q3的发射极、开关管Q4的集电极，共同连接于结点f；
二极管D1的阳极、二极管D2的阳极、二极管D8的阴极、开关管Q1的发射极、开关管Q2的发射极，共同连接于结点g；
开关管Q3的集电极与二极管D6的阴极相连；
开关管Q4的发射极与二极管D7的阳极相连；
电容C1的正极、负载R的一端，共同连接于结点m，所述结点m与结点e相连；
电容C1的负极、电容C2的正极、二极管D6的阳极、二极管D7的阴极，共同连接于结点o；
电容C2的负极、二极管D8的阳极、负载R的另一端，共同连接于结点n。
基于双向管插入式的单相双升压无桥五电平整流器：开关管Q1～Q4为N-IGBT，通过使用不同的开关管组合有以下六种工作模式：
图2是工作模式一：电源电压Ug工作在正半周，开关管Q1导通，电流通过绕组N1、开关管Q1、二极管D2返回电源。此时绕组N1储能，同时电容C1与C2向负载R放电，放电电流为id，电压Uab＝0。
图3是工作模式二：电源电压Ug工作在正半周，开关管Q2、Q3导通，电流通过绕组N1、二极管D3、电容C1、二极管D6、开关管Q3、开关管Q2、二极管D2返回电源。此时电容C1充电，充电电流为i1-id，电容C2放电，电压Uab＝+Ud/2。
图4是工作模式三：电源电压Ug工作在正半周，开关管Q1、Q2、Q3、Q4均关断，电流通过绕组N1、二极管D3、电容C1、电容C2、二极管D8、二极管D2返回电源。由于直流电压Ud>|Ug|，所以绕组N1电流线性减小，电容C1、C2充电，充电电流为i1-id，电压Uab＝+Ud。
图5是工作模式四：电源电压Ug工作在负半周，开关管Q2导通，电流通过绕组N2、二极管D4、开关管Q2、二极管D1返回电源。此时绕组N2储能，同时电容C1与C2向负载R放电，放电电流为id，电压Uab＝0。
图6是工作模式五：电源电压Ug工作在负半周，电流通过绕组N2、二极管D4、开关管Q4、二极管D7、电容C2、二极管D8、二极管D1返回电源。此时电容C2充电，充电电流为io-id，电容C1放电提供负载电流id，电压Uab＝-Ud/2。
图7是工作模式六：电源电压Ug工作在负半周，开关管Q1、Q2、Q3、Q4均关断，电流通过绕组N2、二极管D4、二极管D5、电容C1、电容C2、二极管D8、二极管D1返回电源。由于直流电压Ud>|Ug|，所以绕组N2电流线性减小，电容C1、C2充电，充电电流为i1-id，电压Uab＝-Ud。
图8是本发明电路中开关管Q1～Q4的工作模式图：如图8所示，在一个周期内，电路共有六种工作模式，当Ug>0时，有0、+Ud/2、+Ud三种状态；当Ug<0时，有0、-Ud/2、-Ud三种状态，在各个工作模式下，开关管Q1～Q4相互配合工作而实现五电平，在不同工作模式下，系统各参数也随之变化，其中0与1表示开关管的通断状态。
图9(1)是本发明电路中交流侧输入电压Ug和电流ig波形图：通过控制电路进行功率因数校正，其输入电流与输入电压保持同相位。
图9(2)是本发明电路中电压Uab波形图：在正常工作时，电压Uab有五个电平状态(0、±Ud/2、±Ud)，五电平电路的实现，使谐波含量降低，开关管耐压值减少一半，对于功率等级的进一步提高有着重要意义。
图9(3)是本发明电路直流输出电压Ud波形图：本发明属于交流-直流变换，目的是获取稳定的直流输出电压给负载供电，从其波形可看出，直流输出电压较为稳定。
图10(1)是本发明电路当双向管结构处于工作与不工作跳变状态下的交流侧输入电压Ug和电流ig波形图：电路正常工作时，在0.2s时双向管结构突然发生故障，在0.3s时恢复工作，由图10(1)中所示波形可以看出，输入侧电流波形依然跟随电压波形，具有较高的功率因数。
图10(2)是本发明电路中当双向管结构处于工作与不工作跳变状态下的交流侧输入电压Ug和电流ig波形图：本电路通过对四个开关管进行脉冲分配，将电平数抬升到五电平，由于本电路结构特殊，当双向管不工作或发生故障损坏时，该电路可立即转换为三电平整流器对直流侧功率输出，如图10(2)所示，双向管在0.2s时发生故障，电路由五电平状态发生跳变转换为三电平状态进行工作，在0.3s时双向管恢复工作，该电路立即恢复为五电平状态，调节速度快，工作稳定。
图10(3)是本发明当双向管结构处于工作与不工作跳变状态下直流侧输出电压Ud波形图：电路在工作工程中，当双向管在0.2s时不工作或发生损坏，该电路从五电平状态转换为三电平状态，从图10(3)中可以看出直流侧电压保持稳定，仍可对后级电路进行稳定的功率输出，供电安全可靠，具有较好的工业实用价值。

Claims (8)

1.基于双向管插入式的单相双升压无桥五电平整流器，其特征在于包括：
双耦合磁绕组N1、双耦合磁绕组N2、电容C1、电容C2、开关管Q1～Q4、二极管D1～D8；
交流电源Ug的一端、二极管D1的阴极、双耦合磁绕组N1的一端，共同连接于结点c；
交流电源Ug的另一端、二极管D2的阴极、双耦合磁绕组N2的一端，共同连接于结点d；
双耦合磁绕组N1的另一端、二极管D3的阳极、开关管Q1的集电极，共同连接于结点a；
双耦合磁绕组N2的另一端、二极管D4的阳极，共同连接于结点b；
二极管D3的阴极、二极管D5的阴极，共同连接于结点e；
二极管D4的阴极、二极管D5的阳极、开关管Q2的集电极、开关管Q3的发射极、开关管Q4的集电极，共同连接于结点f；
二极管D1的阳极、二极管D2的阳极、二极管D8的阴极、开关管Q1的发射极、开关管Q2的发射极，共同连接于结点g；
开关管Q3的集电极与二极管D6的阴极相连；
开关管Q4的发射极与二极管D7的阳极相连；
电容C1的正极、负载R的一端，共同连接于结点m，所述结点m与结点e相连；
电容C1的负极、电容C2的正极、二极管D6的阳极、二极管D7的阴极，共同连接于结点o；
电容C2的负极、二极管D8的阳极、负载R的另一端，共同连接于结点n。
2.根据权利要求1所述基于双向管插入式的单相双升压无桥五电平整流器，其特征在于：所述双耦合磁绕组N1包括绕组N11、绕组N12，绕组N11、N21采用共芯同向绕制，其电感L1；
双耦合磁绕组N2包括绕组N21、绕组N22；绕组N12、N22采用共芯反向绕制，其电感L2；
双耦合磁绕组N1、N2材质相同，磁芯匹配，构成两个等值电感。
3.根据权利要求1所述基于双向管插入式的单相双升压无桥五电平整流器，其特征在于：该整流器电路中，结点f、o共同构成双向管插入式结构。
4.根据权利要求1所述基于双向管插入式的单相双升压无桥五电平整流器，其特征在于：该整流器电路中，二极管D1、D2为低频二极管，二极管D3～D8为快恢复二极管，二极管D4、D8用于电压钳位，保证功率单向流通。
5.根据权利要求1所述基于双向管插入式的单相双升压无桥五电平整流器，其特征在于：该整流器电路中，开关管Q1～Q4均为无体二极管的N沟道绝缘栅双极晶体管N-IGBT。
6.根据权利要求1所述基于双向管插入式的单相双升压无桥五电平整流器，其特征在于：该整流器电路中，电容C1、C2均为容值相等的电解电容。
7.根据权利要求1所述基于双向管插入式的单相双升压无桥五电平整流器，其特征在于：
该整流器电路中，双耦合磁绕组N1、二极管D3、开关管Q1构成第一升压整流单元；
双耦合磁绕组N2、二极管D5、开关管Q2构成第二升压整流单元。
8.如权利要求1～7所述任意一项整流器，其特征在于：通过使用不同的开关管组合，有以下六种工作模式：
工作模式一：电源电压Ug工作在正半周，开关管Q1导通，电流通过绕组N1、开关管Q1、二极管D2返回电源；此时绕组N1储能，同时电容C1与C2向负载R放电，放电电流为id，电压Uab＝0；
工作模式二：电源电压Ug工作在正半周，开关管Q2、Q3导通，电流通过绕组N1、二极管D3、电容C1、二极管D6、开关管Q3、开关管Q2、二极管D2返回电源；此时电容C1充电，充电电流为i1-id，电容C2放电，电压Uab＝+Ud/2；
工作模式三：电源电压Ug工作在正半周，开关管Q1、Q2、Q3、Q4均关断，电流通过绕组N1、二极管D3、电容C1、电容C2、二极管D8、二极管D2返回电源；此时直流电压Ud>|Ug|，所以绕组N1电流线性减小，电容C1、C2充电，充电电流为i1-id，电压Uab＝+Ud；
工作模式四：电源电压Ug工作在负半周，开关管Q2导通，电流通过绕组N2、二极管D4、开关管Q2、二极管D1返回电源；此时绕组N2储能，同时电容C1与C2向负载R放电，放电电流为id，电压Uab＝0；
工作模式五：电源电压Ug工作在负半周，电流通过绕组N2、二极管D4、开关管Q4、二极管D7、电容C2、二极管D8、二极管D1返回电源；此时电容C2充电，充电电流为io-id，电容C1放电提供负载电流id，电压Uab＝-Ud/2；
工作模式六：电源电压Ug工作在负半周，开关管Q1、Q2、Q3、Q4均关断，电流通过绕组N2、二极管D4、二极管D5、电容C1、电容C2、二极管D8、二极管D1返回电源；此时直流电压Ud>|Ug|，所以绕组N2电流线性减小，电容C1、C2充电，充电电流为i1-id，电压Uab＝-Ud。
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