CN111884523B - 功率转换系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种功率转换系统，包括：整流模块，将交流输入电压转化为直流母线电压；逆变模块，将直流母线电压转换为交流输出电压；控制模块，产生整流模块及逆变模块的控制信号；其中，所述整流模块中功率开关管的开关频率为所述逆变模块中功率开关管的开关频率的偶数倍，且所述逆变模块中功率开关管的PWM载波的端点分别与所述整流模块中功率开关管的PWM载波的端点对齐。本发明采用前级整流后级逆变的拓扑结构，能够大幅度减小直流母线储能电容两端的高频纹波电流，减小储能电容的损耗，因此可大大减小直流母线储能电容的容量、体积及成本，提高系统的功率密度以及可靠性。

Description

功率转换系统

技术领域

本发明涉及功率变换领域，特别是涉及一种功率转换系统。

背景技术

现有技术中采用前级带PFC(Power Factor Correction，功率因数校正)的功率转换系统，目的是降低电网的低次谐波，提高电网的功率因数，同时能够控制直流母线电压，提高系统效率。

但缺点是PFC整流前端以及IPM逆变后端的功率器件的高频开关动作，会给直流母线电容带来高频的纹波电流。如图1所示为从PFC流入储能电容的高频纹波；如图2所示为从储能电容流向逆变IPM的高频纹波；如图3所示为实际经过储能电容两端的高频纹波。通常电容厂商在说明书中会给出此款电容纹波电流的耐受值，一般的，电容容值越大，纹波电流的耐受能力越强。但是电容容值越大，其体积和成本也相应增加，非常不利于系统功率密度的提高和成本的降低。

因此，如何减小直流母线储能电容、提高功率密度、降低成本，已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种功率转换系统，用于解决现有技术中储能电容大、功率密度低、成本高等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种功率转换系统，所述功率转换系统至少包括：

整流模块，接收交流输入电压，并将所述交流输入电压转化为直流母线电压；

逆变模块，连接所述整流模块的输出端，将所述直流母线电压转换为交流输出电压；

控制模块，连接所述整流模块及所述逆变模块，用于产生所述整流模块及所述逆变模块的控制信号；

其中，所述整流模块中功率开关管的开关频率为所述逆变模块中功率开关管的开关频率的偶数倍，且所述逆变模块中功率开关管的PWM载波的端点分别与所述整流模块中功率开关管的PWM载波的端点对齐。

可选地，所述整流模块为三电平拓扑结构。

更可选地，所述整流模块为VIENNA整流模块。

更可选地，所述VIENNA整流模块包括第一、第二、第三、第四、第五、第六二极管，第一、第二、第三电感，第一、第二、第三、第四、第五、第六功率开关管，第一组储能电容及第二组储能电容；

所述第一、第三、第五二极管的阴极连接在一起，所述第一二极管的阳极连接所述第二二极管的阴极并经由所述第一电感连接所述交流输入电压的第一相，所述第三二极管的阳极连接所述第四二极管的阴极并经由所述第二电感连接所述交流输入电压的第二相，所述第五二极管的阳极连接所述第六二极管的阴极并经由所述第三电感连接所述交流输入电压的第三相，所述第二、第四、第六二极管的阳极连接在一起；

所述第一组储能电容与所述第二组储能电容串联后并联于所述第一、第三、第五二极管的阴极与所述二、第四、第六二极管的阳极之间；

所述第一功率开关管的第一端连接所述第一二极管与所述第二二极管的连接节点，第二端连接所述第二功率开关管的第一端；所述第三功率开关管的第一端连接所述第三二极管与所述第四二极管的连接节点，第二端连接所述第四功率开关管的第一端；所述第五功率开关管的第一端连接所述第五二极管与所述第六二极管的连接节点，第二端连接所述第六功率开关管的第一端；所述第二、第四、第六功率开关管的第二端均连接所述第一组储能电容与所述第二组储能电容的连接节点；所述第一、第二、第三、第四、第五及第六功率开关管的控制端分别连接所述控制模块。

更可选地，各功率开关管为绝缘栅双极型晶体管。

更可选地，所述第一组储能电容与所述第二组储能电容的容值、纹波电压相同。

更可选地，所述第一组储能电容及所述第二组储能电容均包括单个电容或多个电容串并联的组合。

可选地，所述逆变模块为两电平拓扑结构。

更可选地，所述逆变模块包括第七、第八、第九、第十、第十一及第十二功率开关管；

所述第七、第九、第十一功率开关管的第一端连接于所述直流母线电压的正极，所述第七功率开关管的第二端连接所述第八功率开关管的第一端并输出第一交流输出电压，所述第九功率开关管的第二端连接所述第十功率开关管的第一端并输出第二交流输出电压，所述第十一功率开关管的第二端连接所述第十二功率开关管的第一端并输出第三交流输出电压，所述第八、第十、第十二功率开关管的第二端连接于所述直流母线电压的负极；所述第七、第八、第九、第十、第十一及第十二功率开关管的控制端分别连接所述控制模块。

更可选地，各功率开关管为绝缘栅双极型晶体管。

如上所述，本发明的功率转换系统，具有以下有益效果：

本发明的功率转换系统采用前级整流后级逆变的拓扑结构，能够大幅度减小直流母线储能电容两端的高频纹波电流，减小储能电容的损耗，因此可以大大减小直流母线储能电容的容量，进而减小储能电容的体积及成本，提高系统的功率密度以及可靠性。

附图说明

图1显示为现有技术中从PFC流入储能电容的高频纹波的示意图。

图2显示为现有技术中从储能电容流向逆变IPM的高频纹波的示意图。

图3显示为现有技术中经过储能电容两端的高频纹波的示意图。

图4显示为本发明的功率转换系统的结构示意图。

图5显示为本发明的功率转换系统的工作电流走向示意图。

图6显示为本发明的功率转换系统的工作原理示意图。

图7显示为本发明从PFC流入储能电容的高频纹波的示意图。

图8显示为本发明从储能电容流向逆变IPM的高频纹波的示意图。

图9显示为本发明经过储能电容两端的高频纹波的示意图。

元件标号说明

1 功率转换系统

11 整流模块

12 逆变模块

13 控制模块

2 电机

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图4～图9。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图4所示，本实施例提供一种功率转换系统1，所述功率转换系统1包括：

整流模块11，逆变模块12及控制模块13。

如图4所示，所述整流模块11接收交流输入电压，并将所述交流输入电压转化为直流母线电压DC-BUS。

具体地，在本实施例中，所述整流模块11为三电平拓扑结构。作为示例，所述整流模块11采用VIENNA整流模块，VIENNA拓补的各种变形均适用于本实施例的所述整流模块11。作为示例，所述整流模块11包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6，第一电感L11、第二电感L12、第三电感L13，第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2、第三功率开关管Q3、第四功率开关管Q4、第五功率开关管Q5、第六功率开关管Q6，第一组储能电容C1及第二组储能电容C2。

更具体地，所述第一二极管D1、所述第三二极管D3及所述第五二极管D5的阴极连接在一起作为所述直流母线电压的正极DC-BUS+；所述第一二极管D1的阳极连接所述第二二极管D2的阴极并经由所述第一电感L11连接所述交流输入电压的第一相L1；所述第三二极管D3的阳极连接所述第四二极管D4的阴极并经由所述第二电感L12连接所述交流输入电压的第二相L2；所述第五二极管D5的阳极连接所述第六二极管D6的阴极并经由所述第三电感L13连接所述交流输入电压的第三相L3；所述第二二极管D2、所述第四二极管D4、所述第六二极管D6的阳极连接在一起作为所述直流母线电压的负极DC-BUS-。所述第一组储能电容C1与所述第二组储能电容C2串联后并联于所述直流母线电压的正极DC-BUS+与所述直流母线电压的负极DC-BUS-之间；所述第一组储能电容C1及所述第二组储能电容C2包括单个电容或多个电容串并联的组合，在本实施例中，所述第一组储能电容C1及所述第二组储能电容C2均仅包括单个电容。所述第一功率开关管Q1的第一端连接所述第一二极管D1与所述第二二极管D2的连接节点，第二端连接所述第二功率开关管Q2的第一端；所述第二功率开关管Q2的第二端连接所述第一组储能电容C1与所述第二组储能电容C2的连接节点；所述第三功率开关管Q3的第一端连接所述第三二极管D3与所述第四二极管D4的连接节点，第二端连接所述第四功率开关管Q4的第一端；所述第四功率开关管Q4的第二端连接所述第一组储能电容C1与所述第二组储能电容C2的连接节点；所述第五功率开关管Q5的第一端连接所述第五二极管D5与所述第六二极管D6的连接节点，第二端连接所述第六功率开关管Q6的第一端；所述第六功率开关管Q6的第二端连接所述第一组储能电容C1与所述第二组储能电容C2的连接节点；所述第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2、第三功率开关管Q3、第四功率开关管Q4、第五功率开关管Q5及第六功率开关管Q6的控制端分别连接所述控制模块13。

需要说明的是，在本实施例中，所述第一功率开关管Q1、所述第二功率开关管Q2、所述第三功率开关管Q3、所述第四功率开关管Q4、所述第五功率开关管Q5及所述第六功率开关管Q6采用绝缘栅双极型晶体管，则对应地，各功率开关管的第一端为集电极，第二端为发射极，控制端为基极。在实际使用中可根据需要设定各功率开关管的类型，不以本实施例为限。

需要说明的是，本实施例电网电源为三相四线制(三根火线一根地线)，如果是三相五线制(三根火线一根中线一根地线)，则中线连接两组电容的连接节点。

如图4所示，所述逆变模块12连接所述整流模块11的输出端，将所述直流母线电压DC-BUS转换为交流输出电压。

具体地，在本实施例中，所述逆变模块12为两电平拓扑结构。作为示例，所述逆变模块12包括第七功率开关管Q7、第八功率开关管Q8、第九功率开关管Q9、第十功率开关管Q10、第十一功率开关管Q11及第十二功率开关管功率开关管Q12。

更具体地，所述第七功率开关管Q7、所述第九功率开关管Q9及所述第十一功率开关管Q11的第一端连接于所述直流母线电压的正极DC-BUS+；所述第七功率开关管Q7的第二端连接所述第八功率开关管Q8的第一端并输出第一交流输出电压U；所述第九功率开关管Q9的第二端连接所述第十功率开关管Q10的第一端并输出第二交流输出电压V；所述第十一功率开关管Q11的第二端连接所述第十二功率开关管Q12的第一端并输出第三交流输出电压W；所述第八功率开关管Q8、第十功率开关管Q10、第十二功率开关管Q12的第二端连接于所述直流母线电压的负极DC-BUS-；所述第七功率开关管Q7、第八功率开关管Q8、第九功率开关管Q9、第十功率开关管Q10、第十一功率开关管Q11及第十二功率开关管Q12的控制端分别连接所述控制模块13。

需要说明的是，在本实施例中，所述第七功率开关管Q7、第八功率开关管Q8、第九功率开关管Q9、第十功率开关管Q10、第十一功率开关管Q11及第十二功率开关管Q12为绝缘栅双极型晶体管，对应地，各功率开关管的第一端为集电极，第二端为发射极，控制端为基极。在实际使用中可根据需要设定各功率开关管的类型。所述逆变模块12可根据需要选择任意一种结构，不以本实施例为限。

如图4所示，所述控制模块13连接所述整流模块11及所述逆变模块12，产生所述整流模块11及所述逆变模块12的控制信号。

具体地，所述控制模块13基于采集到的信号，产生所述整流模块11及所述逆变模块12中各功率开关管的控制信号。其中，所述整流模块11中功率开关管的开关频率为所述逆变模块12中功率开关管的开关频率的偶数倍，包括但不限于2倍、4倍、6倍、8倍，在此不一一赘述；作为示例，以所述整流模块11中功率开关管的开关频率为所述逆变模块12中功率开关管的开关频率的2倍为例，所述整流模块11中功率开关管的开关频率设置为16KHz，所述逆变模块12中功率开关管的开关频率设置为8KHz；在实际使用中，可根据实际需要设定开关频率，不以本实施例为限。同时，所述逆变模块12中功率开关管的PWM载波的端点分别与所述整流模块11中功率开关管的PWM载波(包括但不限于三角载波及锯齿载波)的端点对齐(由于开关频率不同，所述逆变模块中功率开关管的PWM载波的各端点与所述整流模块中功率开关管的PWM载波的一端点对应对齐，而所述整流模块中功率开关管的PWM载波的各端点并不是都对应一个所述逆变模块中功率开关管的PWM载波的端点)，其中，端点是指载波的顶点及底点。如图6所示，以三角载波作为示例，所述逆变模块12中功率开关管的PWM三角载波的底点与所述整流模块11中功率开关管的PWM三角载波的顶点对齐，所述逆变模块12中功率开关管的PWM三角载波的顶点与所述整流模块11中功率开关管的PWM三角载波的顶点对齐；也可以使得所述逆变模块12中功率开关管的PWM三角载波的底点与所述整流模块11中功率开关管的PWM三角载波的底点对齐，所述逆变模块12中功率开关管的PWM三角载波的顶点与所述整流模块11中功率开关管的PWM三角载波的底点对齐。而对于PWM锯齿载波的情况，所述逆变模块12中功率开关管的PWM锯齿载波的底点与所述整流模块11中功率开关管的PWM锯齿载波的底点对齐，所述逆变模块12中功率开关管的PWM锯齿载波的顶点与所述整流模块11中功率开关管的PWM锯齿载波的顶点对齐，在此不一一图示。

所述功率转换系统1适用于包括但不限于压缩机变频调速、储能变流器(此时还需要增加电池)等。作为示例，所述功率转换系统1应用于压缩机变频调速，其中，电机2连接于所述逆变模块12的输出端，受所述交流输出电压的驱动运转。

具体地，在本实施例中，所述控制模块13基于所述交流输入电压及所述电机2上采集到的信号产生控制信号。

具体地，在本实施例中，所述电机2为永磁同步电机，当电机的三相定子绕组通入三相交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场带动转子同步旋转。在其他实施例中，所述电机2也可以为交流异步电机等其他三相电机，在此不一一赘述。

在本实施例中，所述功率转换系统1中的所述第一组储能电容C1与所述第二组储能电容C2的参数相同，包括但不限于容值、额定纹波电流及额定电压，因此仅对所述第一组储能电容C1进行分析。

如图5所示，假设：所述交流输入电压的第一相L1、第二相L2、第三相L3的电流方向分别是从电网流入所述整流模块11、从所述整流模块11流出、从所述整流模块11流出，且所述整流模块11中功率开关管的开关频率为16KHz。所述逆变模块12输出的第一交流输出电压U、第二交流输出电压V、第三交流输出电压W的电流方向分别是从所述逆变模块12流出、从所述电机2流入所述逆变模块12、从所述电机2流入所述逆变模块12，且所述逆变模块12中功率开关管的开关频率为8KHz。所述整流模块11与所述逆变模块12中功率开关管的PWM载波端点对齐。

此时，所述整流模块11中六个功率开关管中能影响所述第一组储能电容C1充放电的只能是所述第一功率开关管Q1及所述第二功率开关管Q2。如图5及图6所示，当所述第一功率开关管Q1及所述第二功率开关管Q2导通时，所述第一组储能电容C1不充电(如阴影区域所示)；当所述第一功率开关管Q1及所述第二功率开关管Q2关断时，电感电流通过所述第一二极管D1给所述第一组储能电容C1充电，也就是所述整流模块11在功率开关管的PWM载波顶点附近不会对所述第一组储能电容C1充电。

由于所述逆变模块13中上下功率开关管互补导通，此时，所述逆变模块13中六个功率开关管中能影响所述第一组储能电容C1充放电的是所述第七功率开关管Q7、所述第九功率开关管Q9及所述第十一功率开关管Q11。当所述第七功率开关管Q7、所述第九功率开关管Q9及所述第十一功率开关管Q11均导通或均不导通时，所述第一组储能电容C1不放电(如阴影区域所示)；当第七功率开关管Q7、所述第九功率开关管Q9及所述第十一功率开关管Q11中有一个导通且有一个不导通时，所述第一组储能电容C1放电，也就是所述逆变模块12在功率开关管的载波底点和顶点附近不会对所述第一组储能电容C1放电。

如图6所示，在一个载波周期中，阴影区域都基本重合，即所述整流模块11和所述逆变模块12对电容充放电的时间基本重合，那么流入储能电容的高频纹波电流就会相互抵消，储能电容实际的纹波电流就会大大减小。

需要说明的是，本发明仅以本实施例假设的所述交流输入电压的第一相L1、第二相L2、第三相L3、所述第一交流输出电压U、所述第二交流输出电压V、所述第三交流输出电压W的电流方向做原理说明，在不同的工作状态下电流方向会发生改变，但原理相同，在此不一一赘述。

对比采用现有的前级带PFC的压缩机变频调速以及采用本发明的功率转换系统，参考图3和图9，可以看出本发明中流入储能电容的高频纹波电流有效值大大减小了。基于现有的采用前级带PFC的功率转换系统，逆变侧的开关频率为5.625kHz(如图1所示)，而整流侧的开关频率为16kHz(如图2所示)，则流入储能电容的高频纹波电流有效值为25A(如图3所示)。本发明的功率转换系统1中，逆变侧的开关频率为8kHz(如图7所示)，而整流侧的开关频率为16kHz(如图8所示)，且两者的功率开关管的三角载波端点对齐，则，流入储能电容的高频纹波电流有效值为11A(如图9所示)。可以看出，本发明中流入储能电容的高频纹波电流大大减小，进而储能电容的损耗也减小了，因此可以选择容值较小的储能电容，减小体积和成本，提高功率密度。

综上所述，本发明提供一种功率转换系统，包括：整流模块，接收交流输入电压，并将所述交流输入电压转化为直流母线电压；逆变模块，连接所述整流模块的输出端，将所述直流母线电压转换为交流输出电压；控制模块，连接所述整流模块及所述逆变模块，用于产生所述整流模块及所述逆变模块的控制信号；其中，所述整流模块中功率开关管的开关频率为所述逆变模块中功率开关管的开关频率的偶数倍，且所述逆变模块中功率开关管的PWM载波的端点分别与所述整流模块中功率开关管的PWM载波的端点对齐。本发明的功率转换系统采用前级整流后级逆变的拓扑结构，能够大幅度减小直流母线储能电容两端的高频纹波电流，减小储能电容的损耗，因此可以大大减小直流母线储能电容的容量，进而减小储能电容的体积及成本，提高系统的功率密度以及可靠性。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种功率转换系统，其特征在于，所述功率转换系统至少包括：

整流模块，接收交流输入电压，并将所述交流输入电压转化为直流母线电压；所述整流模块为三电平拓扑结构；

逆变模块，连接所述整流模块的输出端，将所述直流母线电压转换为交流输出电压；所述逆变模块为两电平拓扑结构；

控制模块，连接所述整流模块及所述逆变模块，用于产生所述整流模块及所述逆变模块的控制信号；

其中，所述整流模块中功率开关管的开关频率为所述逆变模块中功率开关管的开关频率的偶数倍，且所述逆变模块中功率开关管的PWM载波的端点分别与所述整流模块中功率开关管的PWM载波的端点对齐。

2.根据权利要求1所述的功率转换系统，其特征在于：所述整流模块为VIENNA整流模块。

3.根据权利要求2所述的功率转换系统，其特征在于：所述VIENNA整流模块包括第一、第二、第三、第四、第五、第六二极管，第一、第二、第三电感，第一、第二、第三、第四、第五、第六功率开关管，第一组储能电容及第二组储能电容；

所述第一、第三、第五二极管的阴极连接在一起，所述第一二极管的阳极连接所述第二二极管的阴极并经由所述第一电感连接所述交流输入电压的第一相，所述第三二极管的阳极连接所述第四二极管的阴极并经由所述第二电感连接所述交流输入电压的第二相，所述第五二极管的阳极连接所述第六二极管的阴极并经由所述第三电感连接所述交流输入电压的第三相，所述第二、第四、第六二极管的阳极连接在一起；

所述第一组储能电容与所述第二组储能电容串联后并联于所述第一、第三、第五二极管的阴极与所述二、第四、第六二极管的阳极之间；

所述第一功率开关管的第一端连接所述第一二极管与所述第二二极管的连接节点，第二端连接所述第二功率开关管的第一端；所述第三功率开关管的第一端连接所述第三二极管与所述第四二极管的连接节点，第二端连接所述第四功率开关管的第一端；所述第五功率开关管的第一端连接所述第五二极管与所述第六二极管的连接节点，第二端连接所述第六功率开关管的第一端；所述第二、第四、第六功率开关管的第二端均连接所述第一组储能电容与所述第二组储能电容的连接节点；所述第一、第二、第三、第四、第五及第六功率开关管的控制端分别连接所述控制模块。

4.根据权利要求3所述的功率转换系统，其特征在于：各功率开关管为绝缘栅双极型晶体管。

5.根据权利要求3所述的功率转换系统，其特征在于：所述第一组储能电容与所述第二组储能电容的参数相同。

6.根据权利要求3～5任意一项所述的功率转换系统，其特征在于：所述第一组储能电容及所述第二组储能电容均包括单个电容或多个电容串并联的组合。

7.根据权利要求1所述的功率转换系统，其特征在于：所述逆变模块包括第七、第八、第九、第十、第十一及第十二功率开关管；

所述第七、第九、第十一功率开关管的第一端连接于所述直流母线电压的正极，所述第七功率开关管的第二端连接所述第八功率开关管的第一端并输出第一交流输出电压，所述第九功率开关管的第二端连接所述第十功率开关管的第一端并输出第二交流输出电压，所述第十一功率开关管的第二端连接所述第十二功率开关管的第一端并输出第三交流输出电压，所述第八、第十、第十二功率开关管的第二端连接于所述直流母线电压的负极；所述第七、第八、第九、第十、第十一及第十二功率开关管的控制端分别连接所述控制模块。

8.根据权利要求7所述的功率转换系统，其特征在于：各功率开关管为绝缘栅双极型晶体管。

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