CN112202351A - 一种宽范围软开关的单级式隔离型三相ac/dc整流器 - Google Patents

一种宽范围软开关的单级式隔离型三相ac/dc整流器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种宽范围软开关的单级式隔离型三相AC/DC整流器，包括具有三次谐波注入的三相全桥整流电路、正母线带箝位电容的单相全桥电路、负母线带箝位电容的单相全桥电路、正母线单相全桥电路的隔离变压器、负母线单相全桥电路的隔离变压器和倍流整流电路。本发明采用电流源型AC/DC结构，实现了降压（Buck）模式的整流输出，相比较于已有的单级式隔离型三相AC/DC整流器，本发明采用了带箝位电容的移相全桥变换器，其中采用了不对称的隔离变压器，辅助实现功率管宽范围的软开关，减小电路的传输损耗。

Description

一种宽范围软开关的单级式隔离型三相AC/DC整流器
技术领域
本发明涉及直流微网技术领域，尤其涉及一种宽范围软开关的单级式隔离型三相AC/DC整流器。
背景技术
直流微网是电力电子技术、信息电子技术与电力系统融合的产物，涉及多个研究领域。在大功率场合，通常考虑采用三相AC/DC变换器，它是保证微网正常运行的关键变换器。
三相AC/DC变换器根据是否具有直流侧电感可以分为两大类：电流源型和电压源型AC/DC变换器；根据是否存在高频隔离变压器又可以分为隔离型和非隔离型。
中国专利申请(公开号：CN108988676A)中通过采用单级式隔离型结构，省去了两级式变换器中间母线的大体积解耦储能电容，隔离变压器具有调节输出电压值和电气隔离的功能，同时采用了电流源型AC/DC结构，实现了buck型的整流模式；移相角自适应补偿策略弥补了采用移相全桥控制占空比丢失产生的输入交流电流畸变的问题。
中国专利申请(公开号：CN109104108A)中通过加入有源箝位电路，吸收了高频变压器的漏感与高频整流二极管产生的谐振电压，拓宽了整流器的直流电压输出范围。
但单级式结构采用的两个移相全桥电路串联和隔离变压器对称设计的拓扑，致使部分高频开关管仍会在传输功率时不能完全实现软开关，从而产生较大的传输损耗，影响变换器效率的进一步提升。因此，单级式高频隔离整流器无法实现高频开关管宽范围的软开关。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种宽范围软开关的单级式隔离型三相AC/DC整流器。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种宽范围软开关的单级式隔离型三相AC/DC整流器，包括具有三次谐波注入的三相全桥整流电路、正母线带箝位电容的单相全桥电路、负母线带箝位电容的单相全桥电路、正母线单相全桥电路的隔离变压器、负母线单相全桥电路的隔离变压器和倍流整流电路；
所述具有三次谐波注入的三相全桥整流电路包含三个交流侧电感、三个交流侧电容、三相不控整流桥、以及三个双向开关，其中，三个交流侧电感的一端分别和外部三相交流电源端口一一对应相连,三个交流侧电感的另一端分别和三个交流侧电容的一端、三个双向开关的一端、三相不控整流桥的三个桥臂的中点一一对应相连相连；三个交流侧电容的另一端串联；三个双向开关的另一端均连接至公共节点Y；
倍流整流电路的一端连接正母线单相全桥电路的隔离变压器的副边与直流侧滤波电感的一输入端，另一端连接负母线单相全桥电路隔离变压器的副边与直流侧滤波电感的另一输入端，倍流整流电路的二极管公共端与直流侧滤波电容的一端相连，作为整个变换器的直流端口的负端，直流侧滤波电感的公共输出端与直流侧滤波电容的另一端与相连，作为整个变换器的直流端口的正端。
所述正母线带箝位电容的单相全桥电路包含第一至第四开关管以及第一至第二电容；第一开关管的发射极与第二开关管的集电极相连作为正母线带箝位电容的单相全桥电路的一个桥臂，第三开关管的发射极与第四开关管的集电极相连作为正母线带箝位电容的单相全桥电路的另一个桥臂；第一开关管的集电极、第三开关管的集电极均和第一电容的一端相连作为正母线带箝位电容的单相全桥电路的正直流节点和三相不控整流桥的正直流母线节点p相连，第二开关管的发射极、第四开关管的发射极均和第二电容的一端相连作为正母线带箝位电容的单相全桥电路的负直流节点和公共节点Y相连；
所述负母线带箝位电容的单相全桥电路包含第五至第八开关管以及第三至第四电容；第五开关管的发射极与第六开关管的集电极相连作为负母线带箝位电容的单相全桥电路的一个桥臂，第七开关管的发射极与第八开关管的集电极相连作为负母线带箝位电容的单相全桥电路的另一个桥臂，第五开关管的集电极、第七开关管的集电极均和第三电容的一端相连作为负母线带箝位电容的单相全桥电路的正直流节点和公共节点Y相连，第六开关管的发射极、第八开关管的发射极均和第四电容的一端相连作为负母线带箝位电容的单相全桥电路的负直流节点和三相不控整流桥的负直流母线节点n相连；
所述正母线单相全桥电路的隔离变压器包含第一至第二变压器，其中，第一、第二变压器原边的一端相互串联，且串联中点分别和第一电容的另一端、第二电容的另一端相连，第一、第二变压器原边的另一端分别与正母线带箝位电容的单相全桥电路两个桥臂的中点对应相连；第一、第二变压器副边的一端相互串联，第一变压器副边的另一端和倍流整流电路输入侧的一端相连；
所述负母线单相全桥电路的隔离变压器包含第三至第四变压器，其中，第三、第四变压器原边的一端相互串联，且串联中点分别和第三电容的另一端、第四电容的另一端相连，第三、第四变压器原边的另一端分别与负母线带箝位电容的单相全桥电路两个桥臂的中点对应相连，第三、第四变压器副边的一端相互串联，第三变压器副边的另一端和第二变压器副边的另一端相连，第四变压器副边的另一端和倍流整流电路输入侧的另一端相连。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明设计的宽范围软开关的单级式隔离型三相AC/DC整流器中的隔离变压器具有电压变化比例调整和电气隔离功能。输入的三相380V交流电压通过三相不控整流桥以及三组双向开关为高频工作结构提供两个低频周期变化的脉动直流电压，正负母线单相全桥电路通过调整合适占空比，分别将两个低频周期变化的脉动直流电压输入斩波并叠加，形成在一个开关周期内平均绝对值不变的矩阵脉冲电压，最后通过倍流整流电路以及直流侧LC滤波得到稳定的低压直流电压。
本发明设计的宽范围软开关的单级式隔离型三相AC/DC整流器中的隔离变压器具有高频开关管宽范围软开关功能。通过隔离变压器采用不对称的串联结构，正负母线单相全桥电路电路加入中点箝位电容以及配合隔离变压器副边的倍流整流电路，所有的高频开关管能够在很宽的负载范围内实现软开关，从而减小整流器的损耗，提高整体的效率。此外,本发明还具有网侧电流正弦度好、网侧功率因数高、电能传输高效的特点。
附图说明
图1为本发明的电路结构图；
图2为交流侧电压的扇区划分以及通过扇区选择结构后的关键支路与节点的电压与电流波形图；
图3(a)、图3(b)、图3(c)、图3(d)分别为本发明中正母线单相全桥电路与负母线单相全桥电路一起传递功率、只有正母线单相全桥电路传递功率、只有负母线单相全桥电路传递功率、没有全桥电路传递功率的状态示意图；
图4为本发明移相全桥电路开关管实现软开关过程的驱动逻辑示意图；
图5为本发明两组移相全桥电路开关管的开关逻辑及变压器原边电流波形示意图；
图6(a)、图6(b)、图6(c)、图6(d)、图6(e)、图6(f)、图6(g)、图6(h)、图6(i)分别为本发明移相全桥电路开关管实现软开关过程中模态0至模态8的示意图。
图中，1-正母线带箝位电容的单相全桥电路，2-负母线带箝位电容的单相全桥电路，3-正母线单相全桥电路的隔离变压器，4-负母线单相全桥电路的隔离变压器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
图1为本发明宽范围软开关的单级式隔离型三相AC/DC整流器的电路示意图，包括具有三次谐波注入的三相全桥整流电路(包含三个交流侧电感、三个交流侧电容、三相不控整流桥和三个双向开关)、正母线带箝位电容的单相全桥电路1、负母线带箝位电容的单相全桥电路2、正母线单相全桥电路的隔离变压器3、负母线单相全桥电路的隔离变压器4和倍流整流电路组成。图1中的Sya+、Sya-、Syb+、Syb-、Syc+、Syc-、Sc1、Sc2、Sc3、Sc4、Sp1、Sp2、Sp3、Sp4为开关管。每一个开关管均是由一个单向开关管与一个二极管并联而成，并联时单向开关管的发射极(源极)与二极管的阳极相连，集电极(漏极)与二极管的管的阴极相连。并联的二极管可以是IGBT的反并联二极管，也可以是MOSFET的寄生二极管。当开关频率较低时，可采用普通的整流二极管；当开关频率较高时，采用快速恢复二极管或者肖特基二极管。
正母线带箝位电容的单相全桥电路1的结构：第一开关管Sp1的发射极与第二开关管Sp2的集电极相连作为一个桥臂，第三开关管Sp3的发射极与第四开关管Sp4的集电极相连作为一个桥臂，第一开关管Sp1的集电极、第三开关管Sp3的集电极与第一电容Cp1的一端相连作为正母线带箝位电容的单相全桥电路的正直流节点与三相不控整流桥的正直流母线节点p相连，第二开关管Sp2的发射极、第四开关管Sp4的发射极与第二电容Cp2的一端相连作为正母线带箝位电容的单相全桥电路的负直流节点与双向开关的公共节点Y相连，第一电容Cp1与第二电容Cp2的公共端Mp与正母线单相全桥电路的隔离变压器的两个变压器的原边中点相连。
负母线带箝位电容的单相全桥电路2的结构：第五开关管Sn1的发射极与第六开关管Sn2的集电极相连作为一个桥臂，第七开关管Sn3的发射极与第八开关管Sn4的集电极相连作为一个桥臂，第五开关管Sn1的集电极、第七开关管Sn3的集电极与第三电容Cn1的一端相连作为负母线带箝位电容的单相全桥电路的正直流节点与双向开关的公共节点Y相连，第六开关管Sn2的发射极、第八开关管Sn4的发射极与第四电容Cn2的一端相连作为负母线带箝位电容的单相全桥电路的负直流节点与三相不控整流桥的负直流母线节点n相连，第三电容Cn1与第四电容Cn2的公共端Mn与负母线单相全桥电路的隔离变压器的两个变压器的原边中点相连。
正母线单相全桥电路的隔离变压器3的结构：变压器T1与变压器T2串联连接，串联中点与正母线带箝位电容的单相全桥电路的电容中点相连，变压器T1的另一端与第三开关管Sp3和第四开关管Sp4的桥臂中点相连，变压器T2的另一端与第一开关管Sp1和第二开关管Sp2的桥臂中点相连。
负母线单相全桥电路的隔离变压器4的结构：变压器T3与变压器T4串联连接，串联中点与负母线带箝位电容的单相全桥电路的电容中点相连，变压器T3的另一端与第七开关管Sn3和第八开关管Sn4的桥臂中点相连，变压器T4的另一端与第五开关管Sn1和第六开关管Sn2的桥臂中点相连。
下面将以图1中的宽范围软开关的单级式隔离型三相AC/DC整流器为例，结合图2-图5阐述变换器的工作原理。分析之前，有如下假设：1)所有开关管与二极管为理想器件；2)所有电感、电容、变压器为理想元件；3)电网的三相对称理想电网；4)直流侧滤波电感足够大，可视为理想电流源，idc为直流侧电流；5)直流侧滤波电容足够大，可视为理想电压源，Udc为直流侧电压。变换器交流侧为三侧，接三相交流电压源，直流侧为输出侧，接负载。
图2给出了本发明中对三相电压的扇区划分示意。定义0角度时刻A相正弦电压ua为最大值，π角度时刻A相正弦电压ua为最小值。B相电压滞后A相电压2π/3，C相电压滞后B相电压2π/3。设定0-π/3为扇区1，后面以此类推。
三相不控整流桥与三个双向开关为扇区选择开关，只在扇区切换时发生动作，各个扇区切换时开关管的开关状态如表1所示，其中1代表开通，0代表关断。当工作时，第一开关管Sa+、第二开关管Sa-、第三开关管Sb+、第四开关管Sb-、第五开关管Sc+、第六开关管Sc-的导通器件为反并联二极管，会随扇区切换自动切换，不需要驱动信号。
表1
S<sub>a+</sub> S<sub>a-</sub> S<sub>b+</sub> S<sub>b-</sub> S<sub>c+</sub> S<sub>c-</sub> S<sub>ya+</sub>(S<sub>ya-</sub>) S<sub>yb+</sub>(S<sub>yb-</sub>) S<sub>yc+</sub>(S<sub>yc-</sub>)
扇区1 1 0 0 0 0 1 0 1 0
扇区2 0 0 1 0 0 1 1 0 0
扇区3 0 1 1 0 0 0 0 0 1
扇区4 0 1 0 0 1 0 0 1 0
扇区5 0 0 0 1 1 0 1 0 0
扇区6 1 0 0 1 0 0 0 0 1
当低频扇区开关动作时，节点p与节点Y之间的电压UpY，以及节点Y与节点n之间的电压UYn也在低频脉动周期变化，以扇区1为例，此时电压UpY为A相电压与B相电压之差UAB，电压UYn为B相电压与C相电压之差UBC。因此，电压UpY以及电压UYn变换周期为三倍工频周期。低频扇区除了拆分了三相电压外，也拆分了三相电流，当控制正母线电流ip，负母线电流in，以及电流差iY也按照图2中所示的低频脉动变化时可以实现变换器交流电流正弦度以及单位功率因数。如图3(a)、图3(b)、图3(c)和图3(d)所示，根据两组全桥电路传递功率的状态，可以分为四个状态，图3(a)中正母线单相全桥电路与负母线单相全桥电路一起传递功率，图3(b)中只有正母线单相全桥电路传递功率，图3(c)中只有负母线单相全桥电路传递功率，图3(d)中没有全桥电路传递功率。
下面以扇区1为例来计算模态的导通时间，如图4所示，假设Dp为正母线上的斩波电流宽度，Dn为负母线上的斩波电流宽度，两者之差为注入中线Y上的斩波电流宽度，θD为移相全桥电路两组桥臂之间的移相角，由于直流侧的直流滤波电感可以视为恒定直流源，正母线的电流ip可以视作对直流电流idc的斩波电流，类似负母线的电流in可以视作对直流电流idc的斩波电流。
在扇区1中，电流ip基波为A相电流，电流in基波为C相电流，电流iY基波为B相电流，根据平均值等效原理，任意开关周期的平均电流ip可以表示为：
ip(t)＝Dp(t)Idck (1)
其中k为隔离变压器变比。同理有：
Figure BDA0002648035390000061
当任意时刻的电流ip以及in的周期平均值与交流侧电流顺时值相等时，即实现交流电流正弦度与单位功率因数控制，因此，在扇区1中两个电流控制宽度与一个移相角的表达式为：
Figure BDA0002648035390000062
其他五个扇区可以按照此方法类推。
得到两组移相全桥电路的移相角度后，两组移相全桥电路每个开关管的具体逻辑框图以及对应时刻流过变压器原边的电流波形如图5所示。一个功率传递周期内可以分为9个模态，如图6(a)、图6(b)、图6(c)、图6(d)、图6(e)、图6(f)、图6(g)、图6(h)和图6(i)所示，拓扑结构中具有三次谐波注入的三相全桥整流电路模块被简化成两个电压源UpY和UYn。
模态0：在t0时刻前，Sp2，Sp3，Sn2和Sn3四个高频开关导通，原边电流由UpY、UYn流经Sp2，Sp3，Sn2和Sn3四个高频开关及4个变压器原边绕组，副边电流流过二极管D2。此时变换器的功率导通状态变为图6(a)所示。
模态1：t0-t1，Sn2关断。变压器原边电流从Sn2的沟道切换至Sn1与Sn2寄生结电容Cn1和Cn2，并且Cn2充电，Cn1放电。当Cn1放电完毕时，正母线单相全桥电路的隔离变压器的原边电流切换至Cn1的体二极管Dn1。此时变换器的功率导通状态变为图6(b)所示。
模态2：t1-t2，Sn1开通。由于电流在模态1中切换至体二极管Dn1，因此，超前管Dn1零电压开通。此时变换器的功率导通状态变为图6(c)所示。
模态3：t2-t3，Sp2关断。变压器原边电流从Sp2的沟道切换至Sp1与Sp2的寄生结电容Cp1和Cp2，并且Cp2充电，Cp1放电。当放电完毕时，正母线单相全桥电路的隔离变压器的原边电流切换至Sp1的体二极管Dp1，副边电流开始同时流过二极管D1和D2。此时变换器的功率导通状态变为图6(d)所示。
模态4：t3-t4，Sp1开通。由于电流在模态1中切换至体二极管Dp1，因此，超前管Sp1零电压开通。此时变换器的功率导通状态变为图6(e)所示。
模态5：t4-t5，Sp3和Sn3同时关断。正母线单相全桥电路的隔离变压器的原边电流从Sp3的沟道切换至Sp3和Sp4的寄生结电容Cn3和Cn4，负母线单相全桥电路的隔离变压器的原边电流从Sn3的沟道切换至Sn3和Sn4的寄生结电容Cn3和Cn4，此阶段Cp3充电，Cp4放电，Cn3充电，Cn4放电。当变压器T1和T3的漏感Lpr1和Lnr1能量释放完毕后，副边二极管D2关断，流过二极管D2的电流转而流过二极管D2的寄生结电容CD2，并开始一起参与充电过程，直到充至变压器副边两端的电压为止。而后开关管Sp3和Sn3的寄生结电容Cp3和Cn3恒流充电，当Sp4和Sn4的寄生结电容Cp4和Cn4放电完毕后，正母线单相全桥电路的隔离变压器的原边电流切换至Sp4的体二极管Dp4，负母线单相全桥电路的隔离变压器的原边电流切换至Sn4的体二极管Dn4，变压器副边电流仅流过二极管D1。此时变换器的功率导通状态变为图6(f)所示。
模态6：t5-t6，Sp4和Sn4同时开通。由于电流在模态5中切换至体二极管Dp4和Dn4，因此，滞后管Sp4和Sn4零电压开通。此时变换器的功率导通状态变为图6(g)所示。
模态7：t6-t7，Sp1、Sp4、Sn1和Sn4同时处于导通状态。正母线单相全桥电路的隔离变压器的原边电流和负母线单相全桥电路的隔离变压器的原边电流完成了反向，此时副边仍处于续流状态，副边电流开始反向上升至输出电流值。此时变换器的功率导通状态变为图6(h)所示。
模态8：t7-t8，Sp1、Sp4、Sn1和Sn4同时处于导通状态。变压器副边电流已经反向上升至输出电流值。此时变换器的功率导通状态变为图6(i)所示。
随后的模态将类似前面分析的9个模态，从而正负母线单相全桥电路的8个开关管均实现了零电压开通。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种宽范围软开关的单级式隔离型三相AC/DC整流器，其特征在于：包括具有三次谐波注入的三相全桥整流电路、正母线带箝位电容的单相全桥电路、负母线带箝位电容的单相全桥电路、正母线单相全桥电路的隔离变压器、负母线单相全桥电路的隔离变压器和倍流整流电路；
所述具有三次谐波注入的三相全桥整流电路包含三个交流侧电感、三个交流侧电容、三相不控整流桥、以及三个双向开关，其中，三个交流侧电感的一端分别和外部三相交流电源端口一一对应相连, 三个交流侧电感的另一端分别和三个交流侧电容的一端、三个双向开关的一端、三相不控整流桥的三个桥臂的中点一一对应相连相连；三个交流侧电容的另一端串联；三个双向开关的另一端均连接至公共节点Y；
倍流整流电路的一端连接正母线单相全桥电路的隔离变压器的副边与直流侧滤波电感的一输入端，另一端连接负母线单相全桥电路隔离变压器的副边与直流侧滤波电感的另一输入端，倍流整流电路的二极管公共端与直流侧滤波电容的一端相连，作为整个变换器的直流端口的负端，直流侧滤波电感的公共输出端与直流侧滤波电容的另一端与相连，作为整个变换器的直流端口的正端。
所述正母线带箝位电容的单相全桥电路包含第一至第四开关管以及第一至第二电容；第一开关管的发射极与第二开关管的集电极相连作为正母线带箝位电容的单相全桥电路的一个桥臂，第三开关管的发射极与第四开关管的集电极相连作为正母线带箝位电容的单相全桥电路的另一个桥臂；第一开关管的集电极、第三开关管的集电极均和第一电容的一端相连作为正母线带箝位电容的单相全桥电路的正直流节点和三相不控整流桥的正直流母线节点p相连，第二开关管的发射极、第四开关管的发射极均和第二电容的一端相连作为正母线带箝位电容的单相全桥电路的负直流节点和公共节点Y相连；
所述负母线带箝位电容的单相全桥电路包含第五至第八开关管以及第三至第四电容；第五开关管的发射极与第六开关管的集电极相连作为负母线带箝位电容的单相全桥电路的一个桥臂，第七开关管的发射极与第八开关管的集电极相连作为负母线带箝位电容的单相全桥电路的另一个桥臂，第五开关管的集电极、第七开关管的集电极均和第三电容的一端相连作为负母线带箝位电容的单相全桥电路的正直流节点和公共节点Y相连，第六开关管的发射极、第八开关管的发射极均和第四电容的一端相连作为负母线带箝位电容的单相全桥电路的负直流节点和三相不控整流桥的负直流母线节点n相连；
所述正母线单相全桥电路的隔离变压器包含第一至第二变压器，其中，第一、第二变压器原边的一端相互串联，且串联中点分别和第一电容的另一端、第二电容的另一端相连，第一、第二变压器原边的另一端分别与正母线带箝位电容的单相全桥电路两个桥臂的中点对应相连；第一、第二变压器副边的一端相互串联，第一变压器副边的另一端和倍流整流电路输入侧的一端相连；
所述负母线单相全桥电路的隔离变压器包含第三至第四变压器，其中，第三、第四变压器原边的一端相互串联，且串联中点分别和第三电容的另一端、第四电容的另一端相连，第三、第四变压器原边的另一端分别与负母线带箝位电容的单相全桥电路两个桥臂的中点对应相连，第三、第四变压器副边的一端相互串联，第三变压器副边的另一端和第二变压器副边的另一端相连，第四变压器副边的另一端和倍流整流电路输入侧的另一端相连。
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