CN113206600B - 基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器 - Google Patents

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Abstract

基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器，该直流充电器包括伪图腾柱桥臂、滤波电路、双回路带双向开关管的单相整流桥；伪图腾柱桥臂包括开关管S1、S2，二极管D3、D4；所述滤波电路包括电感L1、L2；所述双回路带双向开关管的单相整流桥包括二极管D1、D2，一对双向开关管，电容C1、C2，负载RL；双向开关管包括开关管S3，二极管D5、D6、D7、D8，开关管S4，二极管D9、D10、D11、D12。本发明基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器，融合伪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直流充电器，能有效地降低开关管的应力，开关管的导通损耗小，且不存在桥臂直通现象；同时由于电路中存在双回路双向开关管，电路的可靠性被大大的提高。

Description

基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器
技术领域
本发明涉及电力电子电能变换技术领域，具体涉及一种基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器。
背景技术
经济的快速发展带来了严峻的环境、能源问题。如何提高电源的效率、节省能源的消耗成为人类共同关心的问题。直流充电器作为单相交流电网与直流设备的接口电路，其性能对交流电网和直流设备起着重要作用，直流充电器作为电动汽车等交通工具的充电设备，具有广阔的应用场景。直流充电设备的功率因数低、电流谐波高，会对电网污染严重，受到人们的广泛关注，其中，三电平单位功率因数校正的直流充电器与两电平直流充电器相比具有功率器件电压应力小、电流谐波低、等效开关频率高的优点。近年来三电平结构被广泛的应用于各类电力电子系统中，特别是高压大功率交流变直流的充电桩领域。
发明内容
本发明采用双回路单开关双向管结构，并结合伪图腾柱式结构而提供一种基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器，该直流充电器省去了导通回路中二极管的导通数量，有效降低了功率器件的导通损耗；同时电路中以双回路单开关双向管实现电流的双向流动，从而达到三电平电压输出的目的，降低了开关电压应力且无桥臂直通隐患，提高直流充电电路的可靠性和效率。
本发明采取的技术方案为：
基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器，该直流充电器包括：
伪图腾柱桥臂、滤波电路、双回路带双向开关管的单相整流桥；
所述伪图腾柱桥臂包括开关管S1、S2，二极管D3、D4；
所述滤波电路包括电感L1、L2；
所述双回路带双向开关管的单相整流桥包括二极管D1、D2，一对双向开关管，电容C1、C2，负载RL；
双向开关管包括开关管S3，二极管D5、D6、D7、D8，开关管S4，二极管D9、D10、D11、D12；
交流电源us一侧分别连接二极管D1阳极、二极管D2阴极；交流电源us另一侧分别连接电感L1一端、电感L2一端；
电感L1另一端分别连接开关管S1漏极、二极管D3阳极、二极管D5阳极、二极管D6阴极；
电感L2另一端分别连接开关管S2源极、二极管D4阳极、二极管D9阳极、二极管D10阴极；
开关管S3漏极分别连接二极管D5阴极、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；
开关管S4漏极分别连接二极管D9阴极、二极管D11阴极，开关管S4源极分别连接二极管D10阳极、二极管D12阳极；
二极管D1阴极分别连接二极管D3阴极、开关管S2漏极、电容C1正极；
二极管D2阳极分别连接二极管D4阳极、开关管S1源极、电容C2负极；
电容C1负极分别连接二极管D7阳极、二极管D8阴极、二极管D11阳极、二极管D12阴极、电容C2正极；
负载RL两端分别连接电容C1正极、电容C2负极。
所述伪图腾柱桥臂由开关管S1、S2和二极管D3、D4组成一对整流桥臂，每支桥臂包括1个功率开关器件，1个钳位二极管。
所述双回路带双向开关管的单相整流桥包含两个相同结构的双向开关管，与电感L1相连的双向开关管为上双向开关管，与电感L2相连的双向开关管为下双向开关管；上下双向开关管均由4个二极管和一个全控型开关管组成。
所述双回路带双向开关管的单相整流桥包含双回路的单开关双向开关管，分别与两并联电感L1、L2连接，用于控制电感电流在电容之间的双向流通，实现桥臂之间的三电平输出。
所述开关管S1～S4均为带有体二极管的MOSFET(金属-氧化物半导体场效应晶体管)或IGBT(绝缘栅双极型晶体管)。
该直流充电器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。
该直流充电器的整流桥臂采用了伪图腾住式结构，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。
本发明一种基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器，具有如下有益效果：
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。
4)本发明采用双回路带单开关的双向开关管分别与电感L1、L2相连，任一双向开关管的损坏不会影响电路的三电平输出，使得电路的可靠性大大提高。
5)该基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器，融合伪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直流充电器，能有效地降低开关管的应力，开关管的导通损耗小，且不存在桥臂直通现象；同时由于电路中存在双回路双向开关管，电路的可靠性被大大的提高。
附图说明
图1为本发明一种基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器主拓扑结构图。
图2为本发明一种基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器工作状态阶段图一。
图3为本发明一种基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器工作状态阶段图二。
图4为本发明一种基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器工作状态阶段图三。
图5为本发明一种基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器工作状态阶段图四。
图6为本发明一种基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器工作状态阶段图五。
图7为本发明一种基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器工作状态阶段图六。
图8为本发明一种基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器中开关管S1～S4对应的脉冲分配图。
图9为本发明一种基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器稳定状态下输入侧电压电流波形图。
图10为本发明一种基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器稳定状态下电感L1的电流波形图。
图11为发明一种基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器稳定状态下电感L2的电流波形图。
图12为本发明一种基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器稳定状态下电压uB1O波形图。
图13为本发明一种基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器稳定状态下电压uB2O波形图。
图14为本发明一种基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电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，一种基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器，该直流充电器包括一对伪图腾柱桥臂、滤波电路、带双向开关管的单相整流桥。
一对伪图腾柱桥臂结构包括两个全控功率开关管S1、S2，2个二极管D3、D4，由开关器件和二极管组成一对整流桥臂，每支桥臂包括1个功率开关器件，1个钳位二极管。S1漏极与电感L1和二极管D3阳极相连于节点B1，S2源极与电感L2和二极管D4阴极相连于节点B2。
所述滤波电路由滤波电感L1和L2组成，两个电感完全一致，分别与全控功率开关管S1的漏极、S2的源极相连，另一端并联接在交流电源us上，连接节点为点O。
所述带双向开关管的单相整流桥由2个二极管D1、D2、一对双向开关管以及2个电容C1、C2和一个负载RL组成。其中，二极管D1阳极连接二极管D2阴极，二极管D1、D2连接点连接交流电源的另一端；双向开关管结构包括4个二极管和一个全控型开关管组成，该单相整流桥包含两个相同结构的双向开关管，定义与电感L1相连的双向开关管为上双向开关管；与电感L2相连的双向开关管为下双向开关管。
以上双向开关管为例说明其结构：
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、开关管S1的连接节点B1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的连接点相连于节点n，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。
下双向开关管与上双向开关管一致，二极管D9、D10与电感L2连接于节点B2，二极管D11、D12的连接点与二极管D7、D8的连接节点相连。电容C1的正极和电容C2的负极分别与负载相连，二极管D1、D3的阴极与开关管S2的漏极相连，其连接点与电容C1的正极相交于节点p，二极管D2、D4的阳极与开关管S1的源极相连，其连接点与电容C2的负极相交于节点m。
具体实验参数如下：
基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器，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。
基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器，电路正常工作时，稳定状态下共有六种工作模式：
(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、S4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，二极管D2、D3以及开关管S2上的体二极管正偏导通，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、S4导通，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＝uc1＝+udc/2；
如图4所示，模式三：开关管S2、S3、S4全部关断，开关管S1导通，二极管D2正偏导通，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、S4关断，二极管D1正偏导通，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、S4导通，开关管S1、S2关断，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＝uc2＝-udc/2；
如图7所示，模式六：开关管全关断，交流电源us和电感L1与电感L2向负载RL提供能量，二极管D4、D1和开关管S2上的体二极管正偏导通，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。表1是本发明实施中开关管S1～S4在六种工作模式下状态表。
表1六种工作模式下状态表
如表1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8是本发明电路中开关管S1～S4在一个周期中的脉冲分配图，其中将门极驱动电压单位化，用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。
由图9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10是流过电感L1的电流，用字母iL1表示，图11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12是电压uB1O波形图，图13是电压uB2O波形图，如图12、图13所示，电压uB1O在正半周期能产生三电平电压，由于开关管切换时有冗余模态，因此电压在+udc模态时存在直接切换至+0模态的情况，电压uB2O在负半周期产生与uB2O对称的三电平电压。图14表明，该整流器实现了直流输出电压稳定。

Claims (5)

1.基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器，其特征在于该直流充电器包括：
伪图腾柱桥臂、滤波电路、双回路带双向开关管的单相整流桥；
所述伪图腾柱桥臂包括开关管S1、S2，二极管D3、D4；
所述滤波电路包括电感L1、L2；
所述双回路带双向开关管的单相整流桥包括二极管D1、D2，一对双向开关管，电容C1、C2，负载RL；
双向开关管包括开关管S3，二极管D5、D6、D7、D8，开关管S4，二极管D9、D10、D11、D12；
交流电源us一侧分别连接二极管D1阳极、二极管D2阴极；交流电源us另一侧分别连接电感L1一端、电感L2一端；
电感L1另一端分别连接开关管S1漏极、二极管D3阳极、二极管D5阳极、二极管D6阴极；
电感L2另一端分别连接开关管S2源极、二极管D4阳极、二极管D9阳极、二极管D10阴极；
开关管S3漏极分别连接二极管D5阴极、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；
开关管S4漏极分别连接二极管D9阴极、二极管D11阴极，开关管S4源极分别连接二极管D10阳极、二极管D12阳极；
二极管D1阴极分别连接二极管D3阴极、开关管S2漏极、电容C1正极；
二极管D2阳极分别连接二极管D4阳极、开关管S1源极、电容C2负极；
电容C1负极分别连接二极管D7阳极、二极管D8阴极、二极管D11阳极、二极管D12阴极、电容C2正极；
负载RL两端分别连接电容C1正极、电容C2负极。
2.根据权利要求1所述基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器，其特征在于：所述伪图腾柱桥臂由开关管S1、S2和二极管D3、D4组成一对整流桥臂，每支桥臂包括1个功率开关器件，1个钳位二极管。
3.根据权利要求1所述基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器，其特征在于：所述双回路带双向开关管的单相整流桥包含两个相同结构的双向开关管，与电感L1相连的双向开关管为上双向开关管，与电感L2相连的双向开关管为下双向开关管；上下双向开关管均由4个二极管和一个全控型开关管组成。
4.根据权利要求1所述基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器，其特征在于：所述开关管S1～S4均为带有体二极管的MOSFET、或者IGBT。
5.根据权利要求1所述基于单相三电平伪图腾柱式的直流充电器，其特征在于：电路正常工作时，电感L1的电流为iL1，电感L2的电流为iL2，对电网输出电流is有：is＝iL1+iL2，稳定状态下电路包含6个工作模式：
(1)正半周期三种工作模式：电网电压us和输出电流is均大于0；
模式一：开关管S1、S2、S3、S4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，二极管D2、D3以及开关管S2上的体二极管正偏导通，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、S4导通，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＝uc1＝+udc/2；
模式三：开关管S2、S3、S4全部关断，开关管S1导通，二极管D2正偏导通，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：电网电压us和输出电流is均小于0；
模式四：开关管S2导通，开关管S1、S3、S4关断，二极管D1正偏导通，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、S4导通，开关管S1、S2关断，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＝uc2＝-udc/2；
模式六：开关管全关断，交流电源us和电感L1与电感L2向负载RL提供能量，二极管D4、D1和开关管S2上的体二极管正偏导通，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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