CN111756257A - 基于三开关管的双升压三电平整流器 - Google Patents

Abstract

基于三开关管的双升压三电平整流器，该整流器包括交流电源u _g、双耦合磁绕组N ₁、双耦合磁绕组N ₂、电容C ₁、电容C ₂、开关管Q₁~Q₃、二极管D₁~D₁₀。本发明一种基于三开关管的双升压三电平整流器，通过采用双向管结构以及开关管的不同组合实现了三电平，谐波含量低，且具有稳定的电平转换功能；当双向管结构处于故障状态下，电路仍可实现对直流侧的功率输出。

Description

基于三开关管的双升压三电平整流器

技术领域

本发明涉及电力电子电能变换技术领域，具体涉及一种基于三开关管的双升压三电平整流器。

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。如传统两电平整流技术中，存在的谐波含量高、电感体积大及较高的电压/电流应力带来的可靠安全性等问题。

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，在开关电源、充电桩及轨道交通等领域被广泛应用。在中大功率应用场合下，为降低损耗，提高功率传输容量，软开关技术以及大量新型拓扑结构被相继提出，其中，无桥PFC电路具有广阔的应用前景，而多电平变流技术的发展为实现其高可靠性、高频性、低输入高输出等高效率应用场合提供了一种全新思路，成为国内外学者的研究的一个热点。

发明内容

本发明提供一种基于三开关管的双升压三电平整流器，通过采用双向管结构以及开关管的不同组合实现了三电平，有利于降低谐波，并具有稳定的电平转换功能；当双向管结构处于故障状态下，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：

基于三开关管的双升压三电平整流器，该整流器包括：

交流电源u_g、双耦合磁绕组N₁、双耦合磁绕组N₂、电容C₁、电容C₂、开关管Q₁～Q₃、二极管D₁～D₁₀；

交流电源u_g一端、二极管D₁的阴极、双耦合磁绕组N₁一端连接在一起，构成节点c；

交流电源u_g另一端、二极管D₂的阴极、双耦合磁绕组N₂一端连接在一起，构成节点d；

双耦合磁绕组N₁另一端、二极管D₃的阳极、开关管Q₁的漏极连接在一起，构成节点a；

双耦合磁绕组N₂另一端、二极管D₄的阳极、开关管Q₂的漏极、二极管D₅的阳极、二极管D₆的阴极连接在一起，构成节点b；

二极管D₃的阴极、二极管D₄的阴极、二极管D₇的阳极连接在一起，构成节点e；

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的源极、开关管 Q₂的源极连接在一起，构成节点f；

二极管D₅的阴极、二极管D₉的阴极均与开关管Q₃的漏极相连；二极管D₆的阳极、二极管D₁₀的阳极均与开关管Q₃的源极相连；

二极管D₇的阴极、电容C₁的正极、负载R一端连接在一起，构成节点m；

二极管D₉的阳极、二极管D₁₀的阴极、电容C₁的负极、电容C₂的正极连接在一起，构成节点o；

二极管D₈的阳极、电容C₂的负极、负载R的另一端连接在一起，构成节点n。

所述双耦合磁绕组N₁包括绕组N₁₁和N₁₂，双耦合磁绕组N₂包括绕组N₂₁和N₂₂，其中绕组N₁₁、N₂₁采用共芯同向绕制，绕组N₁₂、N₂₂采用共芯反向绕制。

所述节点b、节点o之间连接的单元构成双向管插入式结构。

所述电容C₁、C₂为容值相等的电解电容。

所述开关管Q₁～Q₃均为带有反并联体二极管的MOSFET或IGBT或IGCT。

该整流器具有两个升压整流单元，第一个升压整流单元由双耦合磁绕组N₁、二极管 D₃、开关管Q₁组成；第二个升压整流单元由双耦合磁绕组N₂、二极管D₄、开关管Q₂组成。

在一个工频周期内，网侧输入电流i_g的返回路径均有两条，即双耦合磁绕组N₁与双耦合磁绕组N₂中均有电流流过。

本发明一种基于三开关管的双升压三电平整流器，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，本发明为三电平整流电路，相比于传统两电平整流器具有谐波含量小，开关器件电压应力低的优势。

(2)电路中开关管Q₁、Q₂的源极与功率地相连，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，具有抑制共模干扰的能力。

(3)电路中节点f、节点o之间连接的双向管，作为实现三电平的关键结构，具有稳定的电平转换功能，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)该整流器具有以下优点：①谐波含量低，抗干扰能力强；②开关管电压应力降低，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为本发明单相双升压无桥五电平整流器实施例1电路原理图。

图2为本发明单相双升压无桥五电平整流器实施例2电路原理图。

图3是本发明实施例1工作模式一电流流通路径图；

图4是本发明实施例1工作模式二电流流通路径图；

图5是本发明实施例1工作模式三电流流通路径图；

图6是本发明实施例1工作模式四电流流通路径图；

图7是本发明实施例1工作模式五电流流通路径图；

图8是本发明实施例1工作模式六电流流通路径图；

图3～图8中，

表示电流流通路径。

图9是本发明实施例1开关管Q₁～Q₃六种工作模式图。

图10(a)是本发明实施例1交流侧输入电压u_g和电流i_g波形图；

图10(b)是本发明实施例1电压u_ab波形图；

图10(c)是本发明实施例1电压u_ab实现了五个电平状态波形图；

图10(d)是本发明实施例1直流侧输出电压u_d波形图。

图11(a)是本发明实施例1电平转换时电压u_g和电流i_g波形图；

图11(b)是本发明实施例1电平转换时电压u_ab波形图；

图11(c)是本发明实施例1电平转换时输出电压u_d波形图。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，基于三开关管的双升压三电平整流器，该整流器包括：

该整流器包括交流电源u_g、双耦合磁绕组N₁、双耦合磁绕组N₂、电容C₁、电容C₂、开关管Q₁～Q₃、二极管D₁～D₁₀；

交流电源u_g一端、二极管D₁的阴极、双耦合磁绕组N₁一端连接在一起，构成节点c；

交流电源u_g另一端、二极管D₂的阴极、双耦合磁绕组N₂一端连接在一起，构成节点d；

双耦合磁绕组N₁另一端、二极管D₃的阳极、开关管Q₁的漏极连接在一起，构成节点a；

双耦合磁绕组N₂另一端、二极管D₄的阳极、开关管Q₂的漏极、二极管D₅的阳极、二极管D₆的阴极连接在一起，构成节点b；

二极管D₃的阴极、二极管D₄的阴极、二极管D₇的阳极连接在一起，构成节点e；

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的源极、开关管 Q₂的源极连接在一起，构成节点f；

二极管D₅的阴极、二极管D₉的阴极均与开关管Q₃的漏极相连；二极管D₆的阳极、二极管D₁₀的阳极均与开关管Q₃的源极相连；

二极管D₇的阴极、电容C₁的正极、负载R一端连接在一起，构成节点m；

二极管D₉的阳极、二极管D₁₀的阴极、电容C₁的负极、电容C₂的正极连接在一起，构成节点o；

二极管D₈的阳极、电容C₂的负极、负载R的另一端连接在一起，构成节点n。

所述节点b、节点o之间连接的单元构成双向管插入式结构。

所述电容C₁、C₂为容值相等的电解电容。

所述开关管Q₁～Q₃均为带有反并联体二极管的MOSFET或IGBT或IGCT。

该整流器具有两个升压整流单元，第一个升压整流单元由双耦合磁绕组N₁、二极管 D₃、开关管Q₁组成；第二个升压整流单元由双耦合磁绕组N₂、二极管D₄、开关管Q₂组成。

本发明基于三开关管的双升压三电平整流器，基于无桥Boost PFC拓扑结构，将无桥设计思路拓展到多电平整流器中，电路前端采用匝数比、激磁电感值以及磁芯相同的双耦合磁绕组N₁、双耦合磁绕组N₂。所述双耦合磁绕组N₁包括绕组N₁₁和N₁₂，双耦合磁绕组N₂包括绕组N₂₁和N₂₂，其中绕组N₁₁、N₂₁采用共芯同向绕制，绕组N₁₂、N₂₂采用共芯反向绕制，相比于独立的两个电感结构，提高了磁芯利用率，电感体积减小，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，用于实现三电平输出，其中为保证功率的单向流通，本发明实施例1采用二极管D₇、D₈进行电压钳位。

实施例1具体实验参数如下：

交流电源u_g输入电压为220V，电源频率50Hz，各绕组激磁电感值均为1mH，电容C₁、C₂容值均为1000uF，负载R阻值为50Ω，直流侧输出电压400V，其中开关频率10kHz。

基于三开关管的双升压三电平整流器，电路正常工作时，共有六种工作模式：

1)正半周期三种工作模式：

如图3所示，模式一：开关管Q₁、Q₂、Q₃全部关断，交流电源u_g和双耦合磁绕组N₁与双耦合磁绕组N₂向负载R提供能量，直流输出电压u_d>u_g，绕组电流线性减小，电容C₁、 C₂处于充电状态，充电电流为i₁-i_d，电压u_ab＝u₁+u₂＝+u_d。

如图4所示，模式二：开关管Q₁关断，Q₂、Q₃导通，电容C₁充电，充电电流为i₁-i_d，电容C₂放电提供负载电流i_d，电压u_ab＝u₁＝+u_d/2。

如图5所示，模式三：开关管Q₁导通，Q₂、Q₃关断，交流电源u_g向双耦合磁绕组N₁与双耦合磁绕组N₂充电，绕组电流呈线性上升状态，此阶段是一个Boost升压过程，同时电容C₁与C₂向负载R供电，电压u_ab＝0。

2)负半周期三种工作模式：

如图6所示，模式四：开关管Q₁、Q₃关断，Q₂导通，交流电源u_g向双耦合磁绕组N₁与双耦合磁绕组N₂充电，绕组电流线性上升，此阶段是一个Boost升压过程，同时电容 C₁与C₂向负载R供电，电压u_ab＝0。

如图7所示，模式五：开关管Q₁、Q₂关断，Q₃导通，电容C₂充电，充电电流是i_o-i_d，电容C₁向负载R供电，电压u_ab＝-u₂＝-u_d/2。

如图8所示，模式六：开关管Q₁、Q₂、Q₃全部关断，交流电源u_g和双耦合磁绕组N₁与双耦合磁绕组N₂向负载R提供能量，直流输出电压u_d>u_g，绕组电流线性减小，电容C₁、 C₂处于充电状态，充电电流为i₁-i_d，电压u_ab＝-u₁-u₂＝-u_d。

在图3～图8所示六种工作模式下，网侧输入电流i_g的返回路径均有两条，即在一个工频周期内，双耦合磁绕组N₁与双耦合磁绕组N₂中均有电流流过。

图9是本发明实施例1中开关管Q₁～Q₃六种工作模式图，如图9所示，在一个周期内，电路共有六种工作模式，当u_g>0时，有0、+u_d/2、+u_d三种状态；当u_g<0时，有0、-u_d/2、 -u_d三种状态，在不同工作模式下，系统各参数也随之变化，其中，1与0分别表示开关管的开通和关断状态。

图10(a)、图10(b)、图10(c)、图10(d)分别是是本发明电路稳态条件下交流侧输入电压u_g和电流i_g波形图、电压u_ab波形图以及直流输出电压u_d波形图：从图10 (a)波形可以看出输入电流与输入电压保持同相位，具有高功率因数；图10(b)为双耦合磁绕组N₁与双耦合磁绕组N₂流过的的电流，分别为i_N1和i_N2，验证了本发明所述网侧输入电流i_g的返回路径均有两条，即在一个工频周期内，双耦合磁绕组N₁与双耦合磁绕组 N₂中均有电流流过，且电流i_N1和i_N2均衡对称，其分流作用有利于减小部分器件的电流应力；在正常工作时，图10(c)中电压u_ab实现了五个电平状态(0、±u_d/2、±u_d)，有利于降低谐波含量以及开关管电压应力，对于功率等级进一步提高有着重要意义；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，从图10(d)波形图可看出，直流输出电压较为稳定。

图11(a)、(b)、(c)分别是本发明实施例1电平转换时电压u_g和电流i_g波形图、电压u_ab波形图、输出电压u_d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11图(a)中所示波形可以看出，输入侧电流波形依然跟随电压波形，无冲击电流，动态调节能力强；由图11(b)中所示波形可看出，双向管在0.2s时发生故障，电路由三电平状态发生跳变转换为两电平状态进行工作，在0.3s时双向管恢复工作，该电路立即恢复为三电平状态，调节速度快，工作稳定；从图11(c)中可以看出，直流侧电压在电平切换状态下依然保持稳定，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。

实施例2：

如图2所示，基于三开关管的双升压三电平整流器，该整流器包括：

交流电源u_g、双耦合磁绕组N₁、双耦合磁绕组N₂、电容C₁、电容C₂、开关管Q₁～Q₃、二极管D₁～D₈；

交流电源u_g的一端、二极管D₁的阴极、双耦合磁绕组N₁的一端连接在一起，构成节点c；

交流电源u_g的另一端、二极管D₂的阴极、双耦合磁绕组N₂的一端连接在一起，构成节点d；

双耦合磁绕组N₁的另一端、二极管D₃的阳极、开关管Q₁的漏极连接在一起，构成节点a；

双耦合磁绕组N₂的另一端、二极管D₄的阳极、开关管Q₂的漏极、开关管Q₃的源极、开关管Q₄的漏极连接在一起，构成节点b；

二极管D₃的阴极、二极管D₄的阴极、二极管D₅的阳极连接在一起，构成节点e；

二极管D₁的阳极、二极管D₂的阳极、二极管D₆的阴极、开关管Q₁的源极、开关管 Q₂的源极连接在一起，构成节点f；

二极管D₇的阴极和开关管Q₃的漏极相连；二极管D₈的阳极开关管Q₄的源极相连；

二极管D₅的阴极、电容C₁的正极、负载R的一端连接在一起，构成节点m；

二极管D₇的阳极、二极管D₈的阴极、电容C₁的负极、电容C₂的正极连接在一起，构成节点o；

二极管D₆的阳极、电容C₂的负极、负载R的另一端连接在一起，构成节点n。

所述双耦合磁绕组N₁包括绕组N₁₁和N₁₂，双耦合磁绕组N₂包括绕组N₂₁和N₂₂，其中绕组N₁₁、N₂₁采用共芯同向绕制，绕组N₁₂、N₂₂采用共芯反向绕制。

所述节点b、节点o之间连接的单元构成双向管插入式结构。

所述电容C₁、C₂为容值相等的电解电容。

所述开关管Q₁～Q₃均为带有反并联体二极管的MOSFET或IGBT或IGCT。

该整流器具有两个升压整流单元，第一个升压整流单元由双耦合磁绕组N₁、二极管 D₃、开关管Q₁组成；第二个升压整流单元由双耦合磁绕组N₂、二极管D₄、开关管Q₂组成。

实施例2采用二极管D₅、D₆进行电压钳位。

实施例1、实施例2两种拓扑结构工作原理类似，本发明仅对实施例1进行工作原理分析。

Claims (8)

1.基于三开关管的双升压三电平整流器，其特征在于：

该整流器包括交流电源u_g、双耦合磁绕组N₁、双耦合磁绕组N₂、电容C₁、电容C₂、开关管Q₁～Q₃、二极管D₁～D₁₀；

交流电源u_g一端、二极管D₁的阴极、双耦合磁绕组N₁一端连接在一起，构成节点c；

交流电源u_g另一端、二极管D₂的阴极、双耦合磁绕组N₂一端连接在一起，构成节点d；

双耦合磁绕组N₁另一端、二极管D₃的阳极、开关管Q₁的漏极连接在一起，构成节点a；

双耦合磁绕组N₂另一端、二极管D₄的阳极、开关管Q₂的漏极、二极管D₅的阳极、二极管D₆的阴极连接在一起，构成节点b；

二极管D₃的阴极、二极管D₄的阴极、二极管D₇的阳极连接在一起，构成节点e；

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的源极、开关管Q₂的源极连接在一起，构成节点f；

二极管D₅的阴极、二极管D₉的阴极均与开关管Q₃的漏极相连；二极管D₆的阳极、二极管D₁₀的阳极均与开关管Q₃的源极相连；

二极管D₇的阴极、电容C₁的正极、负载R一端连接在一起，构成节点m；

二极管D₉的阳极、二极管D₁₀的阴极、电容C₁的负极、电容C₂的正极连接在一起，构成节点o；

二极管D₈的阳极、电容C₂的负极、负载R的另一端连接在一起，构成节点n。

2.根据权利要求1所述基于三开关管的双升压三电平整流器，其特征在于：所述双耦合磁绕组N₁包括绕组N₁₁和N₁₂，双耦合磁绕组N₂包括绕组N₂₁和N₂₂，其中绕组N₁₁、N₂₁采用共芯同向绕制，绕组N₁₂、N₂₂采用共芯反向绕制。

3.根据权利要求1所述基于三开关管的双升压三电平整流器，其特征在于：所述节点b、节点o之间的单元构成双向管插入式结构。

4.根据权利要求1所述基于三开关管的双升压三电平整流器，其特征在于：所述电容C₁、C₂为容值相等的电解电容。

5.根据权利要求1所述基于三开关管的双升压三电平整流器，其特征在于：所述开关管Q₁～Q₃均为带有反并联体二极管的MOSFET或IGBT或IGCT。

6.根据权利要求1～5所述任意一项基于三开关管的双升压三电平整流器，其特征在于：该整流器具有两个升压整流单元，第一个升压整流单元由双耦合磁绕组N₁、二极管D₃、开关管Q₁组成；第二个升压整流单元由双耦合磁绕组N₂、二极管D₄、开关管Q₂组成。

7.根据权利要求1～5所述任意一项基于三开关管的双升压三电平整流器，其特征在于：电路正常工作时，共有六种工作模式：

1)正半周期三种工作模式：

模式一：开关管Q₁、Q₂、Q₃全部关断，交流电源u_g和双耦合磁绕组N₁与双耦合磁绕组N₂向负载R提供能量，直流输出电压u_d>u_g，绕组电流线性减小，电容C₁、C₂处于充电状态，充电电流为i₁-i_d，电压u_ab＝u₁+u₂＝+u_d；

模式二：开关管Q₁关断，Q₂、Q₃导通，电容C₁充电，充电电流为i₁-i_d，电容C₂放电提供负载电流i_d，电压u_ab＝u₁＝+u_d/2；

模式三：开关管Q₁导通，Q₂、Q₃关断，交流电源u_g向双耦合磁绕组N₁与双耦合磁绕组N₂充电，绕组电流呈线性上升状态，此阶段是一个Boost升压过程，同时电容C₁与C₂向负载R供电，电压u_ab＝0；

2)负半周期三种工作模式：

模式四：开关管Q₁、Q₃关断，Q₂导通，交流电源u_g向双耦合磁绕组N₁与双耦合磁绕组N₂充电，绕组电流线性上升，此阶段是一个Boost升压过程，同时电容C₁与C₂向负载R供电，电压u_ab＝0；

模式五：开关管Q₁、Q₂关断，Q₃导通，电容C₂充电，充电电流是i_o-i_d，电容C₁向负载R供电，电压u_ab＝-u₂＝-u_d/2；

模式六：开关管Q₁、Q₂、Q₃全部关断，交流电源u_g和双耦合磁绕组N₁与双耦合磁绕组N₂向负载R提供能量，直流输出电压u_d>u_g，绕组电流线性减小，电容C₁、C₂处于充电状态，充电电流为i₁-i_d，电压u_ab＝-u₁-u₂＝-u_d；

在上述六种工作模式下，网侧输入电流i_g的返回路径均有两条，即在一个工频周期内，双耦合磁绕组N₁与双耦合磁绕组N₂中均有电流流过。

8.基于三开关管的双升压三电平整流器，其特征在于：该整流器包括：

交流电源u_g、双耦合磁绕组N₁、双耦合磁绕组N₂、电容C₁、电容C₂、开关管Q₁～Q₃、二极管D₁～D₈；

交流电源u_g的一端、二极管D₁的阴极、双耦合磁绕组N₁的一端连接在一起，构成节点c；

交流电源u_g的另一端、二极管D₂的阴极、双耦合磁绕组N₂的一端连接在一起，构成节点d；

双耦合磁绕组N₁的另一端、二极管D₃的阳极、开关管Q₁的漏极连接在一起，构成节点a；

双耦合磁绕组N₂的另一端、二极管D₄的阳极、开关管Q₂的漏极、开关管Q₃的源极、开关管Q₄的漏极连接在一起，构成节点b；

二极管D₃的阴极、二极管D₄的阴极、二极管D₅的阳极连接在一起，构成节点e；

二极管D₁的阳极、二极管D₂的阳极、二极管D₆的阴极、开关管Q₁的源极、开关管Q₂的源极连接在一起，构成节点f；

二极管D₇的阴极和开关管Q₃的漏极相连；二极管D₈的阳极开关管Q₄的源极相连；

二极管D₅的阴极、电容C₁的正极、负载R的一端连接在一起，构成节点m；

二极管D₇的阳极、二极管D₈的阴极、电容C₁的负极、电容C₂的正极连接在一起，构成节点o；

二极管D₆的阳极、电容C₂的负极、负载R的另一端连接在一起，构成节点n。

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