CN112865562A - 一种单相三开关管伪图腾柱式三电平整流器 - Google Patents

一种单相三开关管伪图腾柱式三电平整流器 Download PDF

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Abstract

一种单相三开关管伪图腾柱式三电平整流器，包括单相伪图腾柱结构、滤波器、带双向开关管的单相整流桥。其中：单相伪图腾柱结构由2个全控型功率开关管、2个普通二极管组成非对称的两个桥臂；带双向开关管的单相整流支路由2个二极管组成的桥臂、一组双向开关管以及2个相同的电容和一个负载组成，双向开关管结构由4个二极管和1个全控型开关管组成实现电流的双向流动。该单相三开关管伪图腾柱式三电平整流器融合传统图腾柱整流技术及三电平拓扑技术，相对于传统的升压功率因数校正整流器，能有效地降低开关管的应力，开关管的导通损耗小，同时不存在桥臂直通现象。

Description

一种单相三开关管伪图腾柱式三电平整流器
技术领域
本发明涉及电力电子电能变换技术领域，具体涉及一种单相三开关管伪图腾柱式三电平整流器。
背景技术
为了减少高次谐波导致电网对用电设备造成的危害，大量的电力电子设备被投入使用。传统升压功率因数校正电路由于二极管整流桥的存在，使得效率无法得到进一步提高。近年来，无桥功率因数校正电路由于省去了导通回路中二极管的导通数量，有效降低功率器件的导通损耗而备受关注。其中，传统图腾柱两电平整流器拓扑较其他拓扑有效率高、无桥臂直通、元器件使用较少等优点，但是该结构使得器件承受电网的全部电压，使得元件的成本较高，限制了传统图腾柱两电平整流器的在中、高压功率场合下的应用。
发明内容
本发明提供一种单相三开关管伪图腾柱式三电平整流器，将传统图腾柱式结构与三电平整流桥结合，保持传统图腾柱两电平整流器的优势，同时利用三电平技术解决两电平整流器功率器件所受电压应力高的问题。本发明整流器相对于传统的升压功率因数校正整流器，能有效地降低开关管的应力，开关管的导通损耗小，同时不存在桥臂直通现象。
本发明采取的技术方案为：
一种单相三开关管伪图腾柱式三电平整流器，该整流器包括单相伪图腾柱结构、滤波器、带双向开关管的单相整流桥；
所述单相伪图腾柱结构包括开关管S1、S2，二极管D1、D2；
所述滤波器包括电感L1、L2；
所述带双向开关管的单相整流桥包括二极管D3、D4，一组双向开关管，电容C1、C2，负载RL；双向开关管包括二极管D5、D6、D7、D8和一个开关管S3；
连接关系如下：
开关管S1的漏极分别连接二极管D1阳极、电感L1一端，二极管D2阴极分别连接开关管S2源极、电感L2一端；
二极管D1阴极连接开关管S2漏极，开关管S1的源极连接二极管D2阳极；
电感L1一端、电感L2一端均连接交流电源us一端；
交流电源us另一端分别连接二极管D3阳极、二极管D4阴极、二极管D5阳极、二极管D6阴极；
二极管D5阴极分别连接开关管S3漏极、二极管D7阴极，开关管S3源极分别连接二极管D6阳极、二极管D8阳极；二极管D8阴极连接二极管D7阳极；
二极管D3阴极分别连接开关管S2漏极、电容C1一端、负载RL一端；
二极管D4阳极分别连接二极管D2阳极、电容C2另一端、负载RL另一端；
电容C1另一端分别连接二极管D7阳极、电容C2一端。
所述开关管S1～S3均为：带有二极管的金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET、或绝缘栅双极型晶体管IGBT。
本发明一种单相三开关管伪图腾柱式三电平整流器，技术效果如下：
1)本发明采用了伪图腾柱式结构，保留了伪图腾柱整流器无桥臂直通隐患、无开关管体二极管反向恢复问题、可靠性高、效率高等优点；
2)本发明采用的双向开关管由1个全控器件和4个二极管组成，结构简单，降低了成本，减小了驱动的复杂性；
3)本发明将伪图腾柱结构与三电平整流器相结合，在传统的伪图腾整流器的基础上，增加一组二极管桥臂和双向开关管，降低了开关应力，解决了开关管耐压高的问题，适合高压输出场合。
附图说明
图1为本发明三电平整流器主拓扑结构图。
图2为本发明三电平整流器工作状态阶段图一；
图3为本发明三电平整流器工作状态阶段图二；
图4为本发明柱式三电平整流器工作状态阶段图三；
图5为本发明三电平整流器工作状态阶段图四；
图6为本发明三电平整流器工作状态阶段图五；
图7为本发明三电平整流器工作状态阶段图六。
图8为本发明三电平整流器中开关管S1～S3六种工作模式图；
图9为本发明三电平整流器中开关管S1～S3对应的脉冲分配图。
图10为本发明三电平整流器稳定状态下输入侧电压电流波形图；
图11为本发明三电平整流器稳定状态下电感L1的电流波形图；
图12为发明三电平整流器稳定状态下电感L2的电流波形图；
图13为本发明三电平整流器稳定状态下电压uB1O波形图；
图14为本发明三电平整流器稳定状态下电压uB2O波形图；
图15为本发明三电平整流器稳定状态下直流输出电压udc波形图。
具体实施方式
如图1所示，一种单相三开关管伪图腾柱式三电平整流器，该整流器包括：单相伪图腾柱结构、滤波器、带双向开关管的单相整流桥。
所述的单相伪图腾柱结构包括两个功率开关管：S1、S2，两个二极管：D1、D2，由开关器件和二极管组成伪图腾柱整流桥臂，每支桥臂包括1个功率开关器件，1个二极管。S1源极与二极管D2阳极相连，S1漏极与二极管D1阳极相连；S2源极与二极管D2阴极相连，S2漏极与二极管D1阴极相连。
所述滤波器由两个完全一样的电感L1、L2组成。滤波电感L1、L2并联接在交流电源的一端，另一端分别与S1的漏极、S2的源极相连。
所述带双向开关管的单相整流桥包括6个二极管D3、D4、D5、D6、D7、D8，电容C1、C2，1个功率开关器件S3。二极管D3的阳极连着D4的阴极，其连接点与交流电源的另一端及双向开关管的一端相连；双向开关管包括4个二极管D5、D6、D7、D8和一个全控型开关管S3，二极管D5阳极和二极管D6阴极相连，二极管D5、D6连接点与二极管D3、D4连接点相连，二极管D7阳极和二极管D8阴极相连，连接点与串联电容C1、C2的连接点相连，二极管D5、D7的阴极与全控型开关管S3的漏极相连，二极管D6、D8的阳极与全控型开关管S3的源极相连；电容C1的正极和电容C2的负极分别与负载相连，二极管D3阴极连接电容C1的正极，二极管D4阳极连接电容C2的负极。
具体实验参数如下：
三开关管伪图腾柱式三电平整流器输入侧中电网电压有效值为220V，频率50Hz,直流侧输出电压400V，开关频率为20kHz，滤波电感L1＝L2＝3mH，负载RL的阻值为80Ω，输出电容C1＝C2＝4700μF。
一种单相三开关管伪图腾柱式整流器，电路正常工作时，共有六种工作模式：
(1)正半周期的三种工作模式：
如图2所示，模式一：开关管S1、S2、S3全部关断，交流电源us和电感L1与电感L2向负载RL提供能量，直流输出电压udc>us，电感电流线性减少，电容C1、C2处于充电状态，充电电流等于is-idc,电压uB1O＝uB2O＝uc1+uc2＝+udc；
如图3所示，模式二：开关管S1、S2关断，开关管S3导通，电容C1充电，充电电流为is-idc，电容C2向负载放电，提供电流idc，电压uB1O＝uB2O＝uc1＝+udc/2；
如图4所示，模式三：开关管S2、S3全部关断，开关管S1导通，交流电源us向电感L1充电，电感L1电流呈现线性上升，电容C1和C2向负载RL放电，此时电压uB1O＝0,uB2O＝us；(2)负半周期三种工作方式：
如图5所示，模式四：开关管S2导通，开关管S1、S3关断，交流电源us向电感L2充电，电感L2电流呈现线性上升，电容C1和C2继续向负载RL放电，此时电压uB2O＝0,uB1O＝us；
如图6所示，模式五：开关管S3导通，开关管S1、S2关断，电容C2充电，充电电流为-is-idc，电容C1向负载放电,提供电流idc，电压uB1O＝uB2O＝-uc2＝-udc/2；
如图7所示，模式六：开关管S1、S2、S3全关断，交流电源us和电感L1与电感L2向负载RL提供能量，直流输出电压udc>us，电感电流线性减少，电容C1、C2处于充电状态，充电电流等于is-idc,电压uB1O＝uB2O＝-uc1-uc2＝-udc；
在图2～图7所示的六种工作模式下，网侧输入电流is在模态一、二、五和六下返回路径均有两条，即在一个工频周期内，模态三中只有电感L1有电流，模态四中只有电感L2有电流外，其他模态下，均有电流流过两个电感。
图8是本发明实施中开关管S1～S3六种工作模式图，如图8所示，在一个周期内，电路共有六种工作模式，当us>0时，有0、+udc/2、+udc三种状态；当us<0时，有0、-udc/2、-udc三种状态，在不同的工作模式下，系统各参数也随之变化，其中，用1表示开关管的导通，用0表示开关管的关断。
图9是本发明电路中开关管S1～S3在一个周期中的脉冲分配图，其中us1、us2和us3分别为三个开关管的单位标幺化后的门极驱动电压信号，即三个开关管子的开关脉冲序列，用单位1表示对该开关管施加门极电压，用0表示未对该开关管施加门极电压。
图10、图11、图12、图13、图14、图15分别是本发明电路稳态条件下交流侧输入电压us和电流is的波形图、电感L1和L2的电流波形图、电压uB1O、uB2O波形图以及直流输出电压udc波形图。由图10所示，将交流电压乘以0.1倍的增益，与电感电流用一个示波器进行比较，交流输入电压与输入电流同相位，能实现高功率因数；图11是流过电感L1的电流，用字母iL1表示，图12是流过电感L2的电流，用字母iL2表示，验证了除零模态，其他的状态下两电感均有电流通过；图13是电压uB1O波形图，图14是电压uB2O波形图，电压uB1O在正半周期产生良好的三电平电压，电压uB2O在负半周期产生良好的三电平电压。图15表明，该整流器实现了直流输出电压稳定。
本发明一种单相三开关管伪图腾柱式三电平整流器，该电路所包括的整流回路在传统伪图腾柱整流器进行改造，在串联电容之间增加一组双向开关管实现电流的双向流动，实现桥臂之间的三电平电压输出。
本发明一种单相三开关管伪图腾柱式三电平整流器，该电路在交流电源的一端并联两个相同的电感，双管结构升压变换器使得部分开关管电压/电流应力较低，开关管的导通损耗小，电压增益更高。
本发明一种单相三开关管伪图腾柱式三电平整流器，保留伪图腾柱式结构不存在桥臂直通隐患、无开关管体二极管反向恢复问题，可靠性高、效率高等优点。

Claims (3)

1.一种单相三开关管伪图腾柱式三电平整流器，其特征在于：该整流器包括单相伪图腾柱结构、滤波器、带双向开关管的单相整流桥；
所述单相伪图腾柱结构包括开关管S1、S2，二极管D1、D2；
所述滤波器包括电感L1、L2；
所述带双向开关管的单相整流桥包括二极管D3、D4，双向开关管，电容C1、C2，负载RL；双向开关管包括二极管D5、D6、D7、D8和一个开关管S3；
连接关系如下：
开关管S1的漏极分别连接二极管D1阳极、电感L1一端，二极管D2阴极分别连接开关管S2源极、电感L2一端；
二极管D1阴极连接开关管S2漏极，开关管S1的源极连接二极管D2阳极；
电感L1一端、电感L2一端均连接交流电源us一端；
交流电源us另一端分别连接二极管D3阳极、二极管D4阴极、二极管D5阳极、二极管D6阴极；
二极管D5阴极分别连接开关管S3漏极、二极管D7阴极，开关管S3源极分别连接二极管D6阳极、二极管D8阳极；二极管D8阴极连接二极管D7阳极；
二极管D3阴极分别连接开关管S2漏极、电容C1一端、负载RL一端；
二极管D4阳极分别连接二极管D2阳极、电容C2另一端、负载RL另一端；
电容C1另一端分别连接二极管D7阳极、电容C2一端。
2.根据权利要求1所述一种单相三开关管伪图腾柱式三电平整流器，其特征在于：所述开关管S1～S3均为：带有二极管的MOSFET、或IGBT。
3.根据权利要求1所述一种单相三开关管伪图腾柱式三电平整流器，其特征在于：电路正常工作时，共有6种工作模式：
(1)正半周期三种工作模式：
模式一：开关管S1、S2、S3全部关断，交流电源us和电感L1与电感L2向负载RL提供能量，直流输出电压udc>us，电感电流线性减少，电容C1、C2处于充电状态，充电电流等于is-idc,电压uB1O＝uB2O＝uc1+uc2＝+udc；
模式二：开关管S1、S2关断，开关管S3导通，电容C1充电，充电电流为is-idc，电容C2向负载放电，提供电流idc，电压uB1O＝uB2O＝uc1＝+udc/2；
模式三：开关管S2、S3全部关断，开关管S1导通，交流电源us向电感L1充电，电感L1电流呈现线性上升，电容C1和C2向负载RL放电，此时电压uB1O＝0，uB2O＝us；
(2)负半周期三种工作方式：
模式四：开关管S2导通，开关管S1、S3关断，交流电源us向电感L2充电，电感L2电流呈现线性上升，电容C1和C2继续向负载RL放电，此时电压uB2O＝0,uB1O＝us；
模式五：开关管S3导通，开关管S1、S2关断，电容C2充电，充电电流为-is-idc，电容C1向负载放电,提供电流idc，电压uB1O＝uB2O＝uc2＝-udc/2；
模式六：开关管S1、S2、S3全关断，交流电源us和电感L1与电感L2向负载RL提供能量，直流输出电压udc>us，电感电流线性减少，电容C1、C2处于充电状态，充电电流等于is-idc,电压uB1O＝uB2O＝-uc1-uc2＝-udc。
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Assignee: Hubei Zhikan Technology Co.,Ltd.

Assignor: CHINA THREE GORGES University

Contract record no.: X2023980043945

Denomination of invention: A single-phase three switch pseudo totem pole three-level rectifier

Granted publication date: 20220520

License type: Common License

Record date: 20231024

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