CN111756257B - 基于三开关管的双升压三电平整流器 - Google Patents

基于三开关管的双升压三电平整流器 Download PDF

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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～Q3、二极管D1～D10；
交流电源ug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ug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ig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ug和电流ig波形图；
图10(b)是本发明实施例1电压uab波形图；
图10(c)是本发明实施例1电压uab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ud波形图。
图11(a)是本发明实施例1电平转换时电压ug和电流ig波形图；
图11(b)是本发明实施例1电平转换时电压uab波形图；
图11(c)是本发明实施例1电平转换时输出电压ud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～Q3、二极管D1～D10；
交流电源ug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ug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ug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ug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ud>ug，绕组电流线性减小，电容C1、 C2处于充电状态，充电电流为i1-id，电压uab＝u1+u2＝+ud。
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-id，电容C2放电提供负载电流id，电压uab＝u1＝+ud/2。
如图5所示，模式三：开关管Q1导通，Q2、Q3关断，交流电源ug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uab＝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ug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uab＝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io-id，电容C1向负载R供电，电压uab＝-u2＝-ud/2。
如图8所示，模式六：开关管Q1、Q2、Q3全部关断，交流电源ug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ud>ug，绕组电流线性减小，电容C1、 C2处于充电状态，充电电流为i1-id，电压uab＝-u1-u2＝-ud。
在图3～图8所示六种工作模式下，网侧输入电流ig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ug和电流ig波形图、电压uab波形图以及直流输出电压ud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iN1和iN2，验证了本发明所述网侧输入电流ig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iN1和iN2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uab实现了五个电平状态(0、±ud/2、±ud)，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ug和电流ig波形图、电压uab波形图、输出电压ud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～Q3、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的一端连接在一起，构成节点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～Q3、二极管D1～D10；
交流电源ug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ug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任意一项所述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任意一项所述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ug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ud>ug，绕组电流线性减小，电容C1、C2处于充电状态，充电电流为i1-id，电压uab＝u1+u2＝+ud；
模式二：开关管Q1关断，Q2、Q3导通，电容C1充电，充电电流为i1-id，电容C2放电提供负载电流id，电压uab＝u1＝+ud/2；
模式三：开关管Q1导通，Q2、Q3关断，交流电源ug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uab＝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ug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uab＝0；
模式五：开关管Q1、Q2关断，Q3导通，电容C2充电，充电电流是io-id，电容C1向负载R供电，电压uab＝-u2＝-ud/2；
模式六：开关管Q1、Q2、Q3全部关断，交流电源ug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ud>ug，绕组电流线性减小，电容C1、C2处于充电状态，充电电流为i1-id，电压uab＝-u1-u2＝-ud；
在上述六种工作模式下，网侧输入电流ig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～Q3、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的一端连接在一起，构成节点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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