CN112187071A - 直流侧电容串级式单相七电平整流器 - Google Patents
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Abstract
直流侧电容串级式单相七电平整流器，包括交流电源U g、电感L 1、二极管D1~D8、开关管Q1~Q6、电容C1、电容C2、电容C3。其中电容采用同向串联方式连接，通过开关管与二极管组合使用，电路不仅实现了可控升压整流，而且具有七电平输出功能。本发明直流侧电容串级式单相七电平整流器，电路结构对称，便于集成化，开关管脉冲分配方式简单，控制易于实现；相比于传统两电平整流器，开关器件电压应力及谐波含量较低，适用于大容量、中高压交直流混合微电网等工业应用场合。
Description
技术领域
本发明涉及一种单相多电平整流器,，特别是一种直流侧电容串级式单相七电平整流器。
背景技术
在电力电子技术领域，无论是新能源发电，如光伏、风电等；还是在电动汽车等领域。对系统效率以及电能质量治理要求越来越高，如谐波治理。在市电等级应用领域中，通常采用的是两电平变流器拓扑结构，然而传统的单相两电平整流电路在系统输入、输出电压电流性能等方面难以满足现代电力电子装置的要求。多电平整流技术为其在大容量、中高电压场合提供了新的发展方向，多电平变流器的采用不仅可以提高电压等级，而且获得了更多阶次的输出电压，这将使得输出波形更接近于正弦波，具有系统总损耗小，效率高的优点。但目前所设计的多电平电路结构比较复杂，使用的功率器件较多。
发明内容
本发明提出一种直流侧电容串级式单相七电平整流器，该七电平整流器结构对称，便于集成化；在同等功率等级下，相比于传统两电平整流器，具备谐波含量低、滤波电感体积小、功率器件电压应力低，能够降低器件选用成本的优点。
本发明采取的技术方案为：
直流侧电容串级式单相七电平整流器，该整流器包括：
交流电源Ug、电感L1、二极管D1～D8、开关管Q1～Q6、电容C1、电容C2、电容C3；
交流电源Ug一端与电感L1一端相连，交流电源Ug另一端分别与开关管Q1的源极、开关管Q2的漏极相连，共同连接于节点b；
电感L1的另一端分别与二极管D2的阳极、二极管D3的阴极相连，共同连接于节点a；
开关管Q1的漏极、二极管D1的阴极相连，共同连接于节点c；
开关管Q2的源极、二极管D4的阳极相连，共同连接于节点d；
二极管D1的阳极、二极管D2的阴极与开关管Q3的漏极相连；二极管D3的阳极、二极管D4的阴极与开关管Q4的源极相连；
开关管Q3的源极、开关管Q4的漏极、开关管Q5的源极、二极管D6的阳极、开关管Q6的漏极、二极管D7的阴极，共同连接于节点o；
二极管D5的阴极与开关管Q5的漏极相连；
二极管D5的阳极分别与二极管D6的阴极、电容C1的负极、电容C2的正极相连，共同连接于节点p；
二极管D8的阳极与开关管Q6的源极相连；
二极管D7的阳极分别与二极管D8的阴极、电容C2的负极、电容C3的正极相连，共同构成节点q；
电容C1的负极连接电容C2的正极，电容C2的负极连接电容C3的正极；
电容C1的正极与负载R的一端相连，共同构成节点m，节点m连接节点c；
电容C3的负极、负载R的另一端相连，共同构成节点n，节点n连接节点d。
所述开关管Q1～Q6是含有反并联二极管的MOSFET或IGBT或IGCT。
所述电容C1、电容C2、电容C3，这三个电容值相等，即C1＝C2＝C3；三个电容值相等能实现三个电容上面的电压相等。
直流侧电容串级式单相七电平整流器，包括8种工作模态：
模态1：开关管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6全部关断，电流流经电感L1，二极管D1、D2，电容C1、C2、C3，开关管Q2的反并联二极管后返回电源Ug；此时电感L1与电源Ug同时向电容C1、C2、C3充电，并提供负载电流id，电感电流线性减小，电压Uab＝U1+U2+U3＝+Ud；
模态2：开关管Q1、Q2、Q4、Q5、Q6全部关断，Q3导通，电流流经电感L1，二极管D2、D6，电容C2、C3，开关管Q2的反并联二极管后返回电源Ug；此时电感L1与电源Ug同时向电容C2、C3充电，电容C1提供负载电流id，电感电流线性减小，电压Uab＝U2+U3＝+2/3Ud；
模态3：开关管Q1、Q2、Q4、Q5全部关断，Q3、Q6导通，电流流经电感L1，二极管D2、D8，电容C3，开关管Q2的反并联二极管后返回电源Ug；此时电感L1与电源Ug同时向电容C3充电，电容C1、C2同时提供负载电流id，电感电流继续线性减小，电压Uab＝U3＝+1/3Ud；
模态4：开关管Q2、Q3、Q4、Q5、Q6全部关断，Q1导通，电流流经电感L1，二极管D1、D2，开关管Q1后返回电源Ug；此时电源Ug向电感L1充电，电感电流线性增加，电容C1、C2、C3同时提供负载电流id，电压Uab＝0；
模态5：开关管Q1、Q3、Q4、Q5、Q6全部关断，Q2导通，电流流经开关管Q2，二极管D3、D4，电感L1后返回电源Ug；此时电源Ug向电感L1充电，电感电流线性增加，电容C1、C2、C3同时提供负载电流id，电压Uab＝0；
模态6：开关管Q1、Q2、Q3、Q6全部关断，Q4、Q5导通，电流流经开关管Q1的反并联二极管，电容C1，二极管D3、D5，开关管Q4、Q5，电感L1后返回电源Ug；此时电源Ug与电感L1向电容C1充电，电感电流线性减小，电容C2、C3同时提供负载电流id，电压Uab＝U1＝-1/3Ud；
模态7：开关管Q1、Q2、Q3、Q5、Q6全部关断，Q4导通，电流流经开关管Q1的反并联二极管，电容C1、C2，二极管D3、D7，开关管Q4，电感L1后返回电源Ug；此时电源Ug与电感L1向电容C1、C2充电，电感电流线性减小，电容C3提供负载电流id，电压Uab＝U1+U2＝-2/3Ud；
模态8：开关管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6全部关断，电流流经开关管Q1的反并联二极管，二极管D3、D4，电感L1后返回电源Ug；此时电源Ug与电感L1向电容C1、C2、C3充电，电感电流线性减小，电容C1、C2、C3同时提供负载电流id，电压Uab＝U1+U2+U3＝-Ud。
8种工作模态中，电容电压U1＝U2＝U3＝1/3Ud。
所述七电平整流器的整流桥中四个二极管D1、D2、D3、D4均替换成含有反并联二极管的MOSFET或IGBT或IGCT的开关管，不仅可使电路具备交流-直流AC-DC整流功能。
本发明一种直流侧电容串级式单相七电平整流器，有益效果如下：
1)本发明整流器电路本身具有升压、整流功能，直流侧三个等值电容采用同向串级方式实现七电平电路，功率器件电压应力低，可以选择价格低廉的开关器件，节约成本。
2)采用七电平整流电路相比于传统两电平整流电路，有利于减小滤波电感体积，降低谐波含量。
3)本发明电路结构对称，便于集成化，开关管脉冲分配方式简单，控制易于实现。
附图说明
图1是本发明一种新型直流侧电容串级式单相七电平整流器电路原理图。
图2为七电平整流器工作模态1电流路径示意图；
图3为七电平整流器工作模态2电流路径示意图；
图4为七电平整流器工作模态3电流路径示意图；
图5为七电平整流器工作模态4电流路径示意图；
图6为七电平整流器工作模态5电流路径示意图；
图7为七电平整流器工作模态6电流路径示意图；
图8为七电平整流器工作模态7电流路径示意图；
图9为七电平整流器工作模态8电流路径示意图。
图10是本发明中七电平整流器载波调制策略示意图。
图11为七电平整流器输入电压Ug和电流ig波形图。
图12为七电平整流器电压Uab波形图。
图13为七电平整流器输出直流电压Ud波形图。
图14(a)为七电平整流器负载减半时电压Uab波形图；
图14(b)为七电平整流器负载减半时输出直流电压Ud波形图。
具体实施方式
如图1所示，直流侧电容串级式单相七电平整流器，该整流器包括：
交流电源Ug、电感L1、二极管D1～D8、开关管Q1～Q6、电容C1、电容C2、电容C3；
交流电源Ug一端与电感L1一端相连，交流电源Ug另一端分别与开关管Q1的源极、开关管Q2的漏极相连，共同连接于节点b；
电感L1的另一端分别与二极管D2的阳极、二极管D3的阴极相连，共同连接于节点a；
开关管Q1的漏极、二极管D1的阴极相连，共同连接于节点c；
开关管Q2的源极、二极管D4的阳极相连，共同连接于节点d；
二极管D1的阳极、二极管D2的阴极与开关管Q3的漏极相连；二极管D3的阳极、二极管D4的阴极与开关管Q4的源极相连；
开关管Q3的源极、开关管Q4的漏极、开关管Q5的源极、二极管D6的阳极、开关管Q6的漏极、二极管D7的阴极，共同连接于节点o；
二极管D5的阴极与开关管Q5的漏极相连；
二极管D5的阳极分别与二极管D6的阴极、电容C1的负极、电容C2的正极相连，共同连接于节点p；
二极管D8的阳极与开关管Q6的源极相连；
二极管D7的阳极分别与二极管D8的阴极、电容C2的负极、电容C3的正极相连，共同构成节点q；
电容C1的负极连接电容C2的正极，电容C2的负极连接电容C3的正极；
电容C1的正极与负载R的一端相连，共同构成节点m，节点m连接节点c；
电容C3的负极、负载R的另一端相连，共同构成节点n，节点n连接节点d。
所述开关管Q1～Q6是含有反并联二极管的MOSFET或IGBT或IGCT。
所述电容C1、电容C2、电容C3，电容值C1＝C2＝C3。
下面说明本发明电路一种直流侧电容串级式单相七电平整流器的具体工作原理，七电平整流器共有8种工作模态，其中：电容电压U1＝U2＝U3＝1/3Ud，具体分析过程如下：
图2为模态1电流路径示意图：开关管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6全部关断，电流流经电感L1，二极管D1、D2，电容C1、C2、C3，开关管Q2的反并联二极管后返回电源Ug。此时电感L1与电源Ug同时向电容C1、C2、C3充电，并提供负载电流id，电感电流线性减小，电压Uab＝U1+U2+U3＝+Ud；
图3为模态2电流路径示意图：开关管Q1、Q2、Q4、Q5、Q6全部关断，Q3导通，电流流经电感L1，二极管D2、D6，电容C2、C3，开关管Q2的反并联二极管后返回电源Ug。此时电感L1与电源Ug同时向电容C2、C3充电，电容C1提供负载电流id，电感电流线性减小，电压Uab＝U2+U3＝+2/3Ud；
图4为模态3电流路径示意图：开关管Q1、Q2、Q4、Q5全部关断，Q3、Q6导通，电流流经电感L1，二极管D2、D8，电容C3，开关管Q2的反并联二极管后返回电源Ug。此时电感L1与电源Ug同时向电容C3充电，电容C1、C2同时提供负载电流id，电感电流继续线性减小，电压Uab＝U3＝+1/3Ud；
图5为模态4电流路径示意图：开关管Q2、Q3、Q4、Q5、Q6全部关断，Q1导通，电流流经电感L1，二极管D1、D2，开关管Q1后返回电源Ug。此时电源Ug向电感L1充电，电感电流线性增加，电容C1、C2、C3同时提供负载电流id，电压Uab＝0；
图6为模态5电流路径示意图：开关管Q1、Q3、Q4、Q5、Q6全部关断，Q2导通，电流流经开关管Q2，二极管D3、D4，电感L1后返回电源Ug。此时电源Ug向电感L1充电，电感电流线性增加，电容C1、C2、C3同时提供负载电流id，电压Uab＝0；
图7为模态6电流路径示意图：开关管Q1、Q2、Q3、Q6全部关断，Q4、Q5导通，电流流经开关管Q1的反并联二极管，电容C1，二极管D3、D5，开关管Q4、Q5，电感L1后返回电源Ug。此时电源Ug与电感L1向电容C1充电，电感电流线性减小，电容C2、C3同时提供负载电流id，电压Uab＝U1＝-1/3Ud；
图8为模态7电流路径示意图：开关管Q1、Q2、Q3、Q5、Q6全部关断，Q4导通，电流流经开关管Q1的反并联二极管，电容C1、C2，二极管D3、D7，开关管Q4，电感L1后返回电源Ug。此时电源Ug与电感L1向电容C1、C2充电，电感电流线性减小，电容C3提供负载电流id，电压Uab＝U1+U2＝-2/3Ud；
图9为模态8电流路径示意图：开关管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6全部关断，电流流经开关管Q1的反并联二极管，二极管D3、D4，电感L1后返回电源Ug。此时电源Ug与电感L1向电容C1、C2、C3充电，电感电流线性减小，电容C1、C2、C3同时提供负载电流id，电压Uab＝U1+U2+U3＝-Ud。
表1为整流器开关管脉冲分配方式、直流侧电容工作状态以及电压Uab对应关系表，其中开关管的导通与关断由“1”和“0”分别表示。
表1整流器开关管脉冲分配方式、直流侧电容工作状态以及电压Uab对应关系表
图10是本发明中七电平整流器多载波调制策略示意图。如图10所示，调制信号Uref为正弦波，其与三角载波信号Vi(i＝1，2，3……6，i为正整数)进行比较，当Uref>Vi时，相对应工作模式下的开关管导通，否则关断，进而调制输出近似于正弦化的电压Uab波形，根据七电平整流器的8种工作模式，可将电压Uab划分为六个电压区间，即区间一(+2/3Ud，+Ud)，区间二(+1/3Ud，+2/3Ud)，区间三(0，+1/3Ud)，区间四(-1/3Ud，0)，区间五(-2/3Ud，-1/3Ud)，区间六(-Ud，-2/3Ud)，电压Uab共有七个电平状态：0、+1/3Ud、-1/3Ud、+2/3Ud、-2/3Ud、+Ud、-Ud。
为验证本发明一种新型直流侧电容串级式单相七电平整流器能够实现七电平功能，在多载波调制策略下，进行实验验证，实验参数：输入电压有效值220V，工作频率50Hz，电感2mH，三个等值电容2200uF，开关频率10kHz，负载60Ω。
图11为七电平整流器输入电压Ug和电流ig波形图，本发明通过在节点a、b间实现七个电平，有利于提高输入电流的正弦度，可进一步减小网侧电流谐波含量，如图11波形所示，电压电流同相位，即实现了功率因数校正功能。
图12为七电平整流器电压Uab波形图，如图10所示，本发明七电平整流器通过给各个模态下的开关管分配脉冲，采用多载波调制策略，输出七电平电压波形Uab，实验验证和理论分析结果一致。
图13为七电平整流器输出直流电压Ud波形图，本发明设计了输入220V/输出400V的七电平整流器，由图13波形可知，实现了电压Ud稳定输出。
图14(a)和图14(b)分别为七电平整流器负载减半时电压Uab、输出直流电压Ud波形图。当负载由60Ω在0.15s时突变减载至30Ω，在0.2s恢复至60Ω时，从波形可看出电压Uab无明显波动，输出直流电压Ud波形在0.15s～0.2s略有微调并迅速恢复至稳定状态，表明采用多载波调制策略下的七电平整流器，系统动态调节能力强，抗扰动性能好。
Claims (5)
1.直流侧电容串级式单相七电平整流器，其特征在于该整流器包括：
交流电源Ug、电感L1、二极管D1～D8、开关管Q1～Q6、电容C1、电容C2、电容C3；
交流电源Ug一端与电感L1一端相连，交流电源Ug另一端分别与开关管Q1的源极、开关管Q2的漏极相连，共同连接于节点b；
电感L1的另一端分别与二极管D2的阳极、二极管D3的阴极相连，共同连接于节点a；
开关管Q1的漏极、二极管D1的阴极相连，共同连接于节点c；
开关管Q2的源极、二极管D4的阳极相连，共同连接于节点d；
二极管D1的阳极、二极管D2的阴极与开关管Q3的漏极相连；二极管D3的阳极、二极管D4的阴极与开关管Q4的源极相连；
开关管Q3的源极、开关管Q4的漏极、开关管Q5的源极、二极管D6的阳极、开关管Q6的漏极、二极管D7的阴极，共同连接于节点o；
二极管D5的阴极与开关管Q5的漏极相连；
二极管D5的阳极分别与二极管D6的阴极、电容C1的负极、电容C2的正极相连，共同连接于节点p；
二极管D8的阳极与开关管Q6的源极相连；
二极管D7的阳极分别与二极管D8的阴极、电容C2的负极、电容C3的正极相连，共同构成节点q；
电容C1的负极连接电容C2的正极，电容C2的负极连接电容C3的正极；
电容C1的正极与负载R的一端相连，共同构成节点m，节点m连接节点c；
电容C3的负极、负载R的另一端相连，共同构成节点n，节点n连接节点d。
2.根据权利要求1所述直流侧电容串级式单相七电平整流器，其特征在于：所述开关管Q1～Q6是含有反并联二极管的MOSFET或IGBT或IGCT。
3.根据权利要求1所述直流侧电容串级式单相七电平整流器，其特征在于：所述电容C1、电容C2、电容C3，电容值C1＝C2＝C3。
4.根据权利要求1所述直流侧电容串级式单相七电平整流器，其特征在于：包括8种工作模态：
模态1：开关管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6全部关断，电流流经电感L1，二极管D1、D2，电容C1、C2、C3，开关管Q2的反并联二极管后返回电源Ug；此时电感L1与电源Ug同时向电容C1、C2、C3充电，并提供负载电流id，电感电流线性减小，电压Uab＝U1+U2+U3＝+Ud；
模态2：开关管Q1、Q2、Q4、Q5、Q6全部关断，Q3导通，电流流经电感L1，二极管D2、D6，电容C2、C3，开关管Q2的反并联二极管后返回电源Ug；此时电感L1与电源Ug同时向电容C2、C3充电，电容C1提供负载电流id，电感电流线性减小，电压Uab＝U2+U3＝+2/3Ud；
模态3：开关管Q1、Q2、Q4、Q5全部关断，Q3、Q6导通，电流流经电感L1，二极管D2、D8，电容C3，开关管Q2的反并联二极管后返回电源Ug；此时电感L1与电源Ug同时向电容C3充电，电容C1、C2同时提供负载电流id，电感电流继续线性减小，电压Uab＝U3＝+1/3Ud；
模态4：开关管Q2、Q3、Q4、Q5、Q6全部关断，Q1导通，电流流经电感L1，二极管D1、D2，开关管Q1后返回电源Ug；此时电源Ug向电感L1充电，电感电流线性增加，电容C1、C2、C3同时提供负载电流id，电压Uab＝0；
模态5：开关管Q1、Q3、Q4、Q5、Q6全部关断，Q2导通，电流流经开关管Q2，二极管D3、D4，电感L1后返回电源Ug；此时电源Ug向电感L1充电，电感电流线性增加，电容C1、C2、C3同时提供负载电流id，电压Uab＝0；
模态6：开关管Q1、Q2、Q3、Q6全部关断，Q4、Q5导通，电流流经开关管Q1的反并联二极管，电容C1，二极管D3、D5，开关管Q4、Q5，电感L1后返回电源Ug；此时电源Ug与电感L1向电容C1充电，电感电流线性减小，电容C2、C3同时提供负载电流id，电压Uab＝U1＝-1/3Ud；
模态7：开关管Q1、Q2、Q3、Q5、Q6全部关断，Q4导通，电流流经开关管Q1的反并联二极管，电容C1、C2，二极管D3、D7，开关管Q4，电感L1后返回电源Ug；此时电源Ug与电感L1向电容C1、C2充电，电感电流线性减小，电容C3提供负载电流id，电压Uab＝U1+U2＝-2/3Ud；
模态8：开关管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6全部关断，电流流经开关管Q1的反并联二极管，二极管D3、D4，电感L1后返回电源Ug；此时电源Ug与电感L1向电容C1、C2、C3充电，电感电流线性减小，电容C1、C2、C3同时提供负载电流id，电压Uab＝U1+U2+U3＝-Ud。
5.根据权利要求4所述直流侧电容串级式单相七电平整流器，其特征在于：8种工作模态中，电容电压U1＝U2＝U3＝1/3Ud。
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