CN112787523A - 一种z型桥双管结构的单相三电平整流器 - Google Patents

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Abstract

一种Z型桥双管结构的单相三电平整流器，由两个双向管结构组成，其中开关管S1、S2构成双向管结构一，开关管S3、S4和二极管D5、D6组成双向管结构二，双向管结构一、二共同构成双管结构，且都可实现电流双向流通的功能。二极管D2、D3与开关管S1、S2构成Z型桥结构，交流电源US与Z型桥结构连接构成了整流单元，以此构成了Z型桥整流结构。本发明整流器相比于两电平整流器有着谐波含量低，开关管电压应力小、能有效减少开关损耗、有较好的电磁干扰性等优势，相较于传统三电平电路也有应用成本较低、更易控制的优点。

Description

一种Z型桥双管结构的单相三电平整流器
技术领域
本发明涉及电力电能变换技术领域，具体涉及一种Z型桥双管结构的单相三电平整流器。
背景技术
随着技术的发展电网污染的问题愈发严重，这是因为电力电子设备已经广泛的应用于各个领域。其中网侧电流谐波含量的增加，会造成电能的传输、转换及利用效率降低，严重时会导致设备发生故障甚至损坏。与两电平整流器相比，三电平整流器在提高输出电压的同时，减少了输出波形的谐波含量，使输出更接近正弦。并且因其谐波含量低、开关损耗小、供电可靠性高等优势被广泛应用。
随着当今常用设备的功率等级提高，系统的抗干扰能力、供电可靠性及工作效率等问题都成为了不可忽略的问题。所以功率因数校正整流器成为了当前研究的热点问题。国内外研究学者采用较多的方式为有源功率因数校正(PFC)，即通过控制可控的有源器件，如开关管等，让输入电流波形跟随输入电压波形以此达到输入电流、电压同相位的目的。
发明内容
为了克服两电平整流技术中存在的谐波含量高、抗干扰能力差以及工作可靠性不高等问题。本发明提出了一种Z型桥双管结构的单相三电平整流器，使工作效率进一步提高。该整流器由于应用了Z型桥与双管结构，使得电路更具有模块化，便于拓展和分析。
本发明采取的技术方案为：
一种Z型桥双管结构的单相三电平整流器，包括：
开关管S1～S4，二极管：D1～D6、电容C1，电容C2；
交流电源Us一端分别连接二极管D4阴极、开关管S2漏极、二极管D6阳极、开关管S3源极、二极管D3阳极，其连接节点构成端点b；
电感L另一端分别连接二极管D1阳极、二极管D2阴极、开关管S1漏极，其连接节点构成端点a；
电感L一端连接交流电源Us另一端，开关管S1源极连接开关管S2源极；
二极管D1阴极分别连接二极管D3阴极、电容C1一端，其连接节点构成端点c；
二极管D2阳极分别连接二极管D4阳极、电容C2另一端，其连接节点构成端点d；
电容C1另一端分别连接二极管D5阳极、开关管S4源极、电容C2一端，其连接节点构成端点o；
二极管D5阴极连接开关管S3漏极,开关管S4漏极连接二极管D6阴极；
负载R两端分别连接电容C1一端、电容C2另一端。
其中，开关管S1、S2构成双向管结构一，开关管S3、S4和二极管D5、D6组成双向管结构二，双向管结构一、二共同构成双管结构，且都可实现电流双向流通的功能。
其中，二极管D2、D3与开关管S1、S2构成Z型桥结构；交流电源US与电感L串联再与Z型桥结构连接构成了整流单元。
所述电容C1、电容C2均为等值电解电容，用于平衡直流侧中点电位。
所述开关管S1～S4为绝缘栅型双极晶体管IGBT、集成门极换流晶闸管IGCT、或者电力场效应晶体管MOSFET。
所述二极管D1～D4皆为快恢复二极管构成整流桥进行整流。
本发明一种Z型桥双管结构的单相三电平整流器，技术效果如下：
1)本发明提出了一种Z型桥结构与双管嵌入式结构结合的拓扑，使所提出的电路更具有模块化，更易分析和推导。
2)本发明单相三电平整流器的双管嵌入式结构是由两个双向管模块嵌入组成，使得电流流通路径可多样化，具有成本低、损耗小的优点。其中由端点b和结点o构成的双向管插入式结构，既可实现电压钳位，也可做到电流的双向流动；该结构有较高的可靠性。
3)相比于两电平整流电路，本发明电路拓扑结构，仅使用四个电力场效应晶体管MOSFET，使原本的电平抬高到三电平，具有谐波含量低、开关管电压应力小、开关损耗低等特点。本发明适用于中小功率等级下高效、高可靠性的整流电路中。
4)本发明电路相比于两电平整流器有着谐波含量低，开关管电压应力小、能有效减少开关损耗、有较好的电磁干扰性等优势，相较于传统三电平电路也有应用成本较低、更易控制的优点。
附图说明
图1为本发明Z型桥双管结构的单相三电平整流器主拓扑结构图；
图2为本发明Z型桥双管结构的单相三电平整流器工作模态一图；
图3为本发明Z型桥双管结构的单相三电平整流器工作模态二图；
图4为本发明Z型桥双管结构的单相三电平整流器工作模态三图；
图5为本发明Z型桥双管结构的单相三电平整流器工作模态四图；
图6为本发明Z型桥双管结构的单相三电平整流器工作模态五图；
图7为本发明Z型桥双管结构的单相三电平整流器工作模态六图。
图8为本发明电路开关管S1～S3六种工作模态图。
图9为本发明电路电压Uab波形图。
图10为本发明电路交流侧输入电压Us和电流iL波形图。
图11为本发明电路直流输出电压Udc波形图。
图12-1为本发明电路的开关管脉冲电压US1的波形图。
图12-2为本发明电路的开关管脉冲电压US2的波形图。
图12-3为本发明电路的开关管脉冲电压US3的波形图。
图12-4为本发明电路的开关管脉冲电压US4的波形图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明电路做具体说明：
本发明电路详细实验参数如下：交流电源Us输入电压为220V，电源频率50Hz，电感值5mH，电容值均为4700μF，负载阻值80Ω，直流侧输出电压400V，其中开关频率5kHz。
图1是本发明一种Z型桥双管结构的单相三电平整流器拓扑结构图：包括交流电源Us、电感L、电容C1与C2、开关管S1～S4、二极管D1～D6与负载R构成。
图1中，一种Z型桥双管结构的单相三电平整流器，
交流电源Us一端分别连接二极管D4阴极和D3、D6的阳极，连接点构成端点b；
交流电源Us另一侧连接电感L的一端，而电感L的另一端分别连接二极管D2阴极、D1阳极和开关管S1的漏极，连接点构成端点a；
开关管S1、S2反向并联构成双向管结构一，接在电感L与电源Us的两端；
S3的漏极连接D5的阴极连接再与S4的源极与D6的阴极连接的电路并联，嵌入端点b、o中间形成双向管结构二；
二极管D5的阳极连接开关管S4的阴极，且一端与电容C1连接，电容C1另一端与电容C2相连构成结点o，两个电容串联后与电阻R并联，两电容与电阻的连接的端点分别为c、d。
电路中开关管S1、S2、S3均为电力场效应晶体管MOSFET，通过控制其开关状态具有以下六种工作模态：
图2为工作模态一：交流电源Us工作于正半周期，开关管S1～S4全部关断，电流依次通过电感L、二极管D1、电容C1、电容C2、二极管D4返回电源；此时电容C1、C2同时充电，其中充电电流为iL-idc，此时电压Uab＝+Udc；
图3为工作模态二：交流电源Us工作于正半周期，仅有开关管S3导通，电流依次通过电感L、二极管D1、电容C1、二极管D5、开关管S3返回电源；此时电容C1充电，充电电流为iL-idc，此时电压Uab＝+Udc/2；
图4为工作模态三：交流电源Us工作于正半周期，开关管S1、S2导通，其中电源电流也可通过开关管S2的体二极管再返回电源，实现电感L的储能；电容C1、C2同时向负载R放电，放电电流为idc，此时电压Uab＝0；
图5为工作模态四：交流电源Us工作于负半周期，开关管S1、S2导通，其中电源电流也可通过开关管S1的体二极管再返回电源，实现电感L的储能；此时电压Uab＝0；
图6为工作模态五：交流电源Us工作于负半周期，仅有开关管S4导通，电流依次通过二极管D6、开关管S4、电容C2、二极管D2、电感L再返回电源；此时电压Uab＝-Udc/2；
图7为工作模态六：交流电源Us工作于负半周期，开关管S1～S4全部关断，电流依次通过二极管D3、电容C1、电容C2、二极管D2、电感L再返回电源；此时电容C1、C2同时充电，其中充电电流为iL+idc；此时电压Uab＝-Udc。
图8为本发明电路开关管S1～S3六种工作模态图；如图7所示，在一个周期内电路共有六种模式，当iL>0时，有+Udc、+Udc/2、0三种状态；当iL<0时，也有对应的0、-Udc/2、-Udc三种状态，在各个工作模式下，开关管S1～S4相互配合工作实现三电平，在不同工作模式下，系统各参数也随之变化，其中0与1表示开关管的通断状态。
图9为本发明桥臂电压Uab波形图；在正常工作时，电压Uab有五个电平状态(0、±Udc/2、±Udc)，也因其电平的正负状态相对应，故常称为三电平。
图10为本发明电路交流侧输入电压Us和电流iL波形图；其输入电流与输入电压保持同相位，电路实现了功率因数校正目的；其中输入电压Us通过0.1倍增益，使得输入电压Us与电流iL的同相位更易辨别。
图11为本发明电路直流输出电压Udc波形图；本发明属于交直流变换，最终的目的是获取稳定的直流输出电压给负载供电，经过Boost电路升压，使得直流侧输出电压大致稳定在400V，从其波形可看出直流输出电压较为稳定。
图12-1为本发明电路中的开关管脉冲电压US1的波形图；纵轴为单位标幺化量，单位为1；表示出开关管S1对应的开关脉冲分配信号。
图12-2为本发明电路中的开关管脉冲电压US2的波形图；纵轴为单位标幺化量，单位为1；表示出开关管S2对应的开关脉冲分配信号。
图12-3为本发明电路中的开关管脉冲电压US3的波形图；纵轴为单位标幺化量，单位为1；表示出开关管S3对应的开关脉冲分配信号。
图12-4为本发明电路中的开关管脉冲电压US2的波形图；纵轴为单位标幺化量，单位为1；表示出开关管S4对应的开关脉冲分配信号。

Claims (4)

1.一种Z型桥双管结构的单相三电平整流器，其特征在于包括：
开关管S1～S4，二极管：D1～D6、电容C1，电容C2；
交流电源Us一端分别连接二极管D4阴极、开关管S2漏极、二极管D6阳极、开关管S3源极、二极管D3阳极，其连接节点构成端点b；
电感L另一端分别连接二极管D1阳极、二极管D2阴极、开关管S1漏极，其连接节点构成端点a；
电感L一端连接交流电源Us另一端，开关管S1源极连接开关管S2源极；
二极管D1阴极分别连接二极管D3阴极、电容C1一端，其连接节点构成端点c；
二极管D2阳极分别连接二极管D4阳极、电容C2另一端，其连接节点构成端点d；
电容C1另一端分别连接二极管D5阳极、开关管S4源极、电容C2一端，其连接节点构成端点o；
二极管D5阴极连接开关管S3漏极,开关管S4漏极连接二极管D6阴极；
负载R两端分别连接电容C1一端、电容C2另一端；
其中，开关管S1、S2构成双向管结构一，开关管S3、S4和二极管D5、D6组成双向管结构二，双向管结构一、二共同构成双管结构，且都可实现电流双向流通的功能；
其中，二极管D2、D3与开关管S1、S2构成Z型桥结构；交流电源US与电感L串联再与Z型桥结构连接构成了整流单元。
2.根据权利要求1所述一种Z型桥双管结构的单相三电平整流器，其特征在于：电容C1、电容C2均为等值电解电容，用于平衡直流侧中点电位。
3.根据权利要求1所述一种Z型桥双管结构的单相三电平整流器，其特征在于：所述开关管S1～S4为绝缘栅型双极晶体管IGBT、集成门极换流晶闸管IGCT、或者电力场效应晶体管MOSFET。
4.根据权利要求1-3所述任意一种Z型桥双管结构的单相三电平整流器，其特征在于：通过控制电路中开关管S1～S4的通断状态，电路有以下六种工作模态：
工作模态一：交流电源Us工作于正半周期，开关管S1～S4全部关断，电流依次通过电感L、二极管D1、电容C1、电容C2、二极管D4返回电源；此时电容C1、C2同时充电，其中充电电流为iL-idc，此时电压Uab＝+Udc；
工作模态二：交流电源Us工作于正半周期，仅有开关管S3导通，电流依次通过电感L、二极管D1、电容C1、二极管D5、开关管S3返回电源；此时电容C1充电，充电电流为iL-idc，此时电压Uab＝+Udc/2；
工作模态三：交流电源Us工作于正半周期，开关管S1、S2导通，其中电源电流也可通过开关管S2的体二极管再返回电源，实现电感L的储能；电容C1、C2同时向负载R放电，放电电流为idc，此时电压Uab＝0；
工作模态四：交流电源Us工作于负半周期，开关管S1、S2导通，其中电源电流也可通过开关管S1的体二极管再返回电源，实现电感L的储能；此时电压Uab＝0；
工作模态五：交流电源Us工作于负半周期，仅有开关管S4导通，电流依次通过二极管D6、开关管S4、电容C2、二极管D2、电感L再返回电源；此时电压Uab＝-Udc/2；工作模态六：交流电源Us工作于负半周期，开关管S1～S4全部关断，电流依次通过二极管D3、电容C1、电容C2、二极管D2、电感L再返回电源；此时电容C1、C2同时充电，其中充电电流为iL+idc；此时电压Uab＝-Udc。
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