CN113193763A - 基于t型选择单元的混合多电平ac-dc变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于T型选择单元的混合多电平AC‑DC变换器，包括整流单元和T型多电平选择单元，所述整流单元包括二极管D1、D2、D3、D4，二极管D1的阴极分别与开关管S1的漏极、二极管D3的阴极连接；二极管D2的阳极分别与开关管S1的源极、二极管D4的阳极连接；所述T型多电平选择单元包括开关管S2、S3、S4，开关管S2的源极分别与开关管S3的源极、开关管S4的源极连接；开关管S2的漏极与二极管D3的阳极连接，开关管S3的漏极与二极管D4的阴极连接。本发明采用T型的多电平选择单元与整流桥臂连接，实现了多电平混合整流，本发明的AC‑DC变换器可靠性高，灵活性好，可用于不同电压、功率等级的应用场景。

Description

基于T型选择单元的混合多电平AC-DC变换器
技术领域
本发明属于AC-DC变换器领域，具体涉及一种基于T型选择单元的混合多电平AC-DC变换器。
背景技术
传统的多电平变换器应用H桥级联的方式实现多电平，但电路结构中需要较多的二极管及开关管，这样导致电路结构在实际应用中损耗较高且控制复杂，同时电路结构不具有混合整流的功能，无法保证对负载可靠地供电。为解决上述问题，一方面需要减小开关器件的数量，另一方面需要将现有的电路结构进行改进，使其可以实现多电平混合整流，保证对外具有可靠的供电输出。公开号为CN109149986的发明申请“一种类三电平混合式模块化多电平变换器及其控制方法”公开了一种多电平变换器的电路拓扑结构，但电路拓扑结构依然采用H桥型的多电平形式，并没有从根本上解决存在的问题。
因此，研究一种基于T型单元的混合型三电平AC-DC变换器，该变换器具有较少的开关器件，且可以实现多电平混合整流，从根本上解决了已有拓扑结构存在的问题。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提供一种基于T型选择单元的混合多电平AC-DC变换器，3个源极互相连接的开关管形成T型多电平选择单元，T型多电平选择单元与整流单元的一个整流桥臂的中点连接，T型多电平选择单元的其中2个开关管的漏极均经电感与交流电源连接，通过T型多电平选择单元的3个开关管的开关控制，实现多电平的功率路径选择和混合整流。
本发明的技术方案是基于T型选择单元的混合多电平AC-DC变换器，包括连接的整流单元和T型多电平选择单元。
所述整流单元包括二极管D1、D2、D3、D4，二极管D2的阴极与二极管D1的阳极连接，二极管D4的阴极与二极管D3的阳极连接，二极管D1的阴极分别与开关管S1的漏极、二极管D3的阴极连接；二极管D2的阳极分别与开关管S1的源极、二极管D4的阳极连接。
所述T型多电平选择单元包括开关管S2、S3、S4，开关管S2的源极分别与开关管S3的源极、开关管S4的源极连接；开关管S2的漏极与二极管D3的阳极连接，开关管S3的漏极与二极管D4的阴极连接。开关管S2的漏极、源极之间反并联二极管D8，开关管S3的漏极、源极之间反并联二极管D9，开关管S4的漏极、源极之间反并联二极管D7。
电容C1、C2串联，电容C1与电容C2的连接端记为n点，电容C1另一端与二极管D5的阴极连接，电容C2另一端与二极管D6的阳极连接，二极管D5的阳极与二极管D3的阴极连接，二极管D6的阴极与二极管D4的阳极连接；电感L一端与二极管D3的阳极连接，电感L另一端连接交流电源。
进一步地，开关管S1的漏极、源极反并联二极管D10。
优选地，所述开关管S1、S2、S3、S4均为绝缘栅型双极晶体管IGBT。
二极管D3、D4的连接端记为a点，二极管D1、D2的连接端记为b点，二极管D3的阴极记为c点，二极管D4的阳极记为d点，Uab为a、b点电压，Udc为d、c点电压，Uab的电压值为三电平0、Udc/2、Udc其中之一，通过控制开关管S1、S2、S3、S4，对Uab的电压值进行选择。
单个工频周期内，通过控制开关管S1、S2、S3、S4，所述混合多电平AC-DC变换器具有7个工作模态，具体如下：
工作模态1：整流输入电压UN>0V，整流输入电流IN>0V，二极管D2、D3导通，开关管S1导通，三电平电压Uab＝0V，电容C1、C2对负载进行续流；
工作模态2：整流输入电压UN>0V，整流输入电流IN>0V，二极管D2、D6、D7导通，开关管S2导通，三电平电压Uab＝Udc/2，电容C1对负载进行续流，电容C2充电；
工作模态3：整流输入电压UN>0V，整流输入电流IN>0V，二极管D2、D6、D7导通，开关管S3导通，三电平电压Uab＝Udc/2，电容C1对负载进行续流，电容C2充电；
工作模态4：整流输入电压UN>0V，整流输入电流IN<0V，二极管D2、D3、D5、D6导通，开关管S1、S2、S3、S4均关断，三电平电压Uab＝Udc，交流电源对负载供电，电容C1、C2充电；工作模态5：整流输入电压UN<0V，整流输入电流IN<0V，二极管D1、D4导通，开关管S1导通，三电平电压Uab＝0V，电容C1、C2对负载进行续流；
工作模态6：整流输入电压UN<0V，整流输入电流IN<0V，二极管D1、D5、D8、D9导通，开关管S4导通，三电平电压Uab＝-Udc/2，交流电源对负载进行供电，电容C1充电；
工作模态7：整流输入电压UN<0V，整流输入电流IN<0V，二极管D1、D4、D5、D6导通，开关管S1、S2、S3、S4关断，三电平电压Uab＝-Udc，交流电源对负载供电，电容C1、C2充电。
相比现有技术，本发明的有益效果包括：
1)本发明采用T型的多电平选择单元与整流桥臂连接，实现了多电平混合整流，本发明的AC-DC变换器可靠性高，灵活性好，可用于不同电压、功率等级的应用场景；
2)本发明的AC-DC变换器共有7个工作模态，具有保障变换器输出的冗余工作模态，相比现有的隔离型多电平变换器，具有更高的可靠性；
3)本发明的AC-DC变换器的关键工作模态存在可相互替换的双回路，变换器的输出稳定性好；
4)T型多电平选择单元不导通时，本发明的AC-DC变换器即实现H型整流桥整流器的电压变换，为用户提供更多的输出电压选择；
5)本发明的AC-DC变换器具有高效、低纹波、低应力、低电磁干扰的特点，可应用于新能源微电网、电动汽车、UPS和柔性直流输电等新型整流领域。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明实施例的整流单元的示意图。
图2为本发明实施例的T型多电平选择单元的示意图。
图3为本发明实施例的AC-DC变换器的示意图。
图4为本发明实施例的AC-DC变换器的工作模态1的示意图。
图5为本发明实施例的AC-DC变换器的工作模态2的示意图。
图6为本发明实施例的AC-DC变换器的工作模态3的示意图。
图7为本发明实施例的AC-DC变换器的工作模态4的示意图。
图8为本发明实施例的AC-DC变换器的工作模态5的示意图。
图9为本发明实施例的AC-DC变换器的工作模态6的示意图。
图10为本发明实施例的AC-DC变换器的工作模态7的示意图。
图11为本发明实施例的AC-DC变换器的电压Uab波形示意图。
图12a为本发明实施例的交流电源的电压、电流波形示意图。
图12b为本发明实施例的输出直流电压、电流波形示意图。
图13a为本发明实施例的AC-DC变换器的切换过程的交流输入电压的波形示意图。
图13b为本发明实施例的AC-DC变换器的切换过程的交流输入电流的波形示意图。
图13c为本发明实施例的AC-DC变换器的切换过程的电压Uab的波形示意图。
图13d为本发明实施例的AC-DC变换器的切换过程的输出直流电压的波形示意图。
具体实施方式
实施例的混合多电平AC-DC变换器由图2所示的T型多电平选择单元的e、f点分别与图1所示的整流单元的a点连接得到。
图1所示的整流单元包括二极管D1、D2、D3、D4，二极管D2的阴极与二极管D1的阳极连接，二极管D4的阴极与二极管D3的阳极连接，二极管D1的阴极分别与开关管S1的漏极、二极管D3的阴极连接；二极管D2的阳极分别与开关管S1的源极、二极管D4的阳极连接。开关管S1的漏极、源极之间反并联二极管D10。二极管D3、D4的连接端记为a点，二极管D1、D2的连接端记为b点，二极管D3的阴极记为c点，二极管D4的阳极记为d点，Uab为a、b点整流输入电压。
如图2所示，T型多电平选择单元包括开关管S2、S3、S4，开关管S2的源极分别与开关管S3的源极、开关管S4的源极连接；开关管S2的漏极与二极管D3的阳极连接，开关管S3的漏极与二极管D4的阴极连接。开关管S2的漏极、源极之间反并联二极管D8，开关管S3的漏极、源极之间反并联二极管D9，开关管S4的漏极、源极之间反并联二极管D7。
如图3所示，实施例的混合多电平AC-DC变换器还包括分压电容C1、C2，分压电容C1、C2串联，分压电容C1负极与分压电容C2的正极连接端记为n点，分压电容C1正与二极管D5的阴极连接，分压电容C2负极与二极管D6的阳极连接，二极管D5的阳极连接到c点，二极管D6的阴极连接到d点；电感L一端与二极管D3的阳极连接，另一端连接交流电源。分压电容C2与二极管D6的连接端记为m点。
Udc为d、c点电压，Uab的电压值为三电平0、Udc/2、Udc其中之一，通过控制开关管S1、S2、S3、S4对Uab的电压值进行选择,开关管S1、S2、S3、S4的漏极、源极之间均反并联二极管。实施例的开关管S1、S2、S3、S4均为绝缘栅型双极晶体管MOSFET。
交流电源的单个周期内，通过控制开关管S1、S2、S3、S4，实施例的混合多电平AC-DC变换器具有7个工作模态，如表1所示，具体如下：
工作模态1：整流输入电压UN>0V，整流输入电流IN>0V，二极管D2、D3导通，开关管S1导通，三电平电压Uab＝0V，电容C1、C2对负载进行续流，如图4所示；
工作模态2：整流输入电压UN>0V，整流输入电流IN>0V，二极管D2、D6、D7导通，开关管S2导通，三电平电压Uab＝Udc/2，电容C1对负载进行续流，电容C2充电，如图5所示；
工作模态3：整流输入电压UN>0V，整流输入电流IN>0V，二极管D2、D6、D7导通，开关管S3导通，三电平电压Uab＝Udc/2，电容C1对负载进行续流，电容C2充电，如图6所示；
工作模态4：整流输入电压UN>0V，整流输入电流IN<0V，二极管D2、D3、D5、D6导通，开关管S1、S2、S3、S4均关断，三电平电压Uab＝Udc，交流电源对负载供电，电容C1、C2充电，如图7所示；
工作模态5：整流输入电压UN<0V，整流输入电流IN<0V，二极管D1、D4导通，开关管S1导通，三电平电压Uab＝0V，电容C1、C2对负载进行续流，如图8所示；
工作模态6：整流输入电压UN<0V，整流输入电流IN<0V，二极管D1、D5、D8、D9导通，开关管S4导通，三电平电压Uab＝-Udc/2，交流电源对负载进行供电，电容C1充电，如图9所示；
工作模态7：整流输入电压UN<0V，整流输入电流IN<0V，二极管D1、D4、D5、D6导通，开关管S1、S2、S3、S4关断，三电平电压Uab＝-Udc，交流电源对负载供电，电容C1、C2充电，如图10所示。
在交流输入正半周期内，工作模态2和工作模态3具有对称性，在电平选择Uab＝Udc/2时存在有冗余工作模态，在实际的应用中若存在某一模态故障，可通过冗余模态进行替补，保证电路工作的可靠性。工作模态6中二极管D8、D9同时导通，当其中之一出现故障时依然可保证工作模态6的正常工作，提高了可靠性。
表1中，Uam表示整流输入点a到直流侧负母线m点之间的电压，Ubm表示整流输入点b到直流侧负母线m点之间的电压，开关管状态1表示开关管导通，开关管状态0表示开关管关断。
表1本发明的AC-DC变换器的工作模态分析表
Figure BDA0003006344640000051
实施例的电压、电流参数：交流输入电压Uac＝220V，直流输出电压Udc＝400V，直流输出电流Idc＝10A。
图11所示为电压Uab的波形，由图11可得，Uab电压实现了三电平，证实本发明的AC-DC变换器具有三电平整流的功能。
如图12a、12b所示，交流输入电压、电流同相位且电流波形跟随电压波形变化，即实现了功率因数校正，同时，直流侧电压电流实现稳定输出。
本发明的电路拓扑结构具有混合整流的功能，图13a、13b、13c、13d给出了时刻t＝0.3s，本发明的电路拓扑结构由可控整流模式到不控整流模式的切换过程的实验波形，其中UN表示单相整流输入电压，IN表示单相整流输入电流，Uab表示三电平整流输出波形，Udc表示直流输出电压。在t＝0.3s后实施例的电路拓扑结构从可控整流切换到H桥不控整流过程中，直流侧输出电压Udc进入自然整流的300V左右，图13c所示的Uab电压波形出现畸变，无法实现三电平整流输出，但可以保证有输出，图13b所示的IN无法实现正弦化，但保证有整流电流，保证了对直流侧负载的供电。综上所述，本发明的AC-DC变换器具有可控整流和不控整流两种工作模式，证明其在实际的应用中可以保证对直流侧负载的可靠供电。
以上对本发明的较佳实施方式进行具体分析说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提之下还可以作出各种等同变形或替换，这些等同的变换或者替换均属于本年申请权利要求所限定的保护范围内。

Claims (3)

1.基于T型选择单元的混合多电平AC-DC变换器，其特征在于，包括整流单元和T型多电平选择单元，所述整流单元包括二极管D1、D2、D3、D4，二极管D2的阴极与二极管D1的阳极连接，二极管D4的阴极与二极管D3的阳极连接，二极管D1的阴极分别与开关管S1的漏极、二极管D3的阴极连接；二极管D2的阳极分别与开关管S1的源极、二极管D4的阳极连接；
所述T型多电平选择单元包括开关管S2、S3、S4，开关管S2的源极分别与开关管S3的源极、开关管S4的源极连接；开关管S2的漏极、源极之间反并联二极管D8，开关管S3的漏极、源极之间反并联二极管D9，开关管S4的漏极、源极之间反并联二极管D7；
电容C1、C2串联，电容C1与电容C2的连接端记为n点，电容C1另一端与二极管D5的阴极连接，电容C2另一端与二极管D6的阳极连接，二极管D5的阳极与二极管D3的阴极连接，二极管D6的阴极与二极管D4的阳极连接；电感L一端与二极管D3的阳极连接，电感L另一端连接交流电源。
2.根据权利要求1所述的基于T型选择单元的混合多电平AC-DC变换器，其特征在于，二极管D3、D4的连接端记为a点，二极管D1、D2的连接端记为b点，二极管D3的阴极记为c点，二极管D4的阳极记为d点，Uab为a、b点电压，Udc为d、c点电压，Uab的电压值为三电平0、Udc/2、Udc其中之一，通过控制开关管S1、S2、S3、S4，对Uab的电压值进行选择。
3.根据权利要求1或2所述的基于T型选择单元的混合多电平AC-DC变换器，其特征在于，交流电源的单个周期内，通过控制开关管S1、S2、S3、S4，所述混合多电平AC-DC变换器具有7个工作模态，具体如下：
工作模态1：整流输入电压UN>0V，整流输入电流IN>0V，二极管D2、D3导通，开关管S1导通，电压Uab=0V，电容C1、C2对负载进行续流；
工作模态2：整流输入电压UN>0V，整流输入电流IN>0V，二极管D2、D6、D7导通，开关管S2导通，电压Uab=Udc/2，电容C1对负载进行续流，电容C2充电；
工作模态3：整流输入电压UN>0V，整流输入电流IN>0V，二极管D2、D6、D7导通，开关管S3导通，电压Uab=Udc/2，电容C1对负载进行续流，电容C2充电；
工作模态4：整流输入电压UN>0V，整流输入电流IN<0V，二极管D2、D3、D5、D6导通，开关管S1、S2、S3、S4均关断，电压Uab=Udc，交流电源对负载供电，电容C1、C2充电；
工作模态5：整流输入电压UN<0V，整流输入电流IN<0V，二极管D1、D4导通，开关管S1导通，电压Uab=0V，电容C1、C2对负载进行续流；
工作模态6：整流输入电压UN<0V，整流输入电流IN<0V，二极管D1、D5、D8、D9导通，开关管S4导通，电压Uab= - Udc/2，交流电源对负载进行供电，电容C1充电；
工作模态7：整流输入电压UN<0V，整流输入电流IN<0V，二极管D1、D4、D5、D6导通，开关管S1、S2、S3、S4关断，电压Uab= - Udc，交流电源对负载供电，电容C1、C2充电。
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