CN113437882A - 基于并联式多二极管串联双向开关的三电平整流器 - Google Patents

基于并联式多二极管串联双向开关的三电平整流器 Download PDF

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Abstract

基于并联式多二极管串联双向开关的三电平整流器，包括有两条多二极管桥臂，两组串联功率开关管，分压电容C1、C2。第一条多二极管桥臂由二极管D1~D4构成，第二条多二极管桥臂由二极管D5~D8构成，两组串联功率开关管分别为功率开关管S1~S4组成，每一组串联功率开关管以箍位的方式与一条多二极管桥臂相连。本发明三电平整流器一共有有四个功率开关管，六种工作状态能够由这四个功率开关管通过合理组合输出，因此该基于并联式多二极管串联双向开关的三电平整流器即使在较低的开关频率下，其输入电流波形的正弦化程度也能够达到较高的要求，同时有益于降低功率开关管的成本。

Description

基于并联式多二极管串联双向开关的三电平整流器
技术领域
本发明涉及一种三电平整流器，具体涉及一种基于并联式多二极管串联双向开关的三电平整流器。
背景技术
随着电力电子技术的进步和功率器件的发展，基于三电平结构的电力电子装置已越来越多地在高压大功率电力变换的各个领域得到应用，以满足人们对电力变换性能和容量不断增长以及节能环保需求。因此国内外很多研究机构和公司对此予以高度的重视，进行了大量的研究。采用三电平结构的电力电子装置，减小了电力电子装置的电流谐波含量，降低了功率开关管两端电压应力，减小了整流过程中元器件损耗。
发明内容
本发明提供一种基于并联式多二极管串联双向开关的三电平整流器，在较低的开关频率下，其输入电流波形的正弦化程度也能够达到较高的要求，同时有益于降低功率开关管的成本；相比于两电平整流器，电平数的增加，网侧电压畸变率将减小，网侧电流波形的谐波含量也减小，同时dv/dt也相应减小，电磁干扰(EMI)问题得到有效抑制。
本发明采取的技术方案为：
基于并联式多二极管串联双向开关的三电平整流器，该整流器包括：
功率开关管S1～S4，二极管D1～D8，电感L，分压电容C1、C2：
交流电源AC一端连接电感L一端；
电感L另一端分别连接二极管D2阳极、二极管D3阴极，其连接点构成节点a；
二极管D2阴极分别连接二极管D1阳极、功率开关管S1漏极；
二极管D3阳极分别连接二极管D4阴极、功率开关管S2源极；
功率开关管S1源极分别连接功率开关管S2漏极、二极管D6阳极、二极管D7阴极、交流电源AC另一端，其连接点构成节点b；
二极管D6阴极分别连接二极管D5阳极、功率开关管S3漏极；
二极管D7阳极分别连接二极管D8阴极、功率开关管S4源极；
二极管D1阴极分别连接二极管D5阴极、分压电容C1一端，其连接点构成节点p；
二极管D4阳极分别连接二极管D8阳极、分压电容C2另一端，其连接点构成节点m；
功率开关管S3源极分别连接功率开关管S4漏极、分压电容C1另一端、分压电容C2一端，其连接点构成节点n；
负载RL两端分别连接节点p、节点m。
该整流器中，二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4构成第一条多二极管桥臂；二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8构成第二条多二极管桥臂。
该整流器中，功率开关管S1、S2；功率开关管S3、S4分别组成两组串联功率开关管，每一组串联功率开关管以箍位的方式与一条多二极管桥臂相连。
该整流器中，功率开关管S1～S4均为绝缘栅型双极晶体管IGBT、或者集成门极换流晶闸管IGCT、或者电力场效应晶体管MOSFET。
本发明一种基于并联式多二极管串联双向开关的三电平整流器，技术效果如下：
1)本发明基于并联式多二极管串联双向开关的三电平整流器，主电路上每个功率开关器件关断时所承受的电压应力仅为两电平整流器的一半，即为直流输出电压的一半，降低了功率开关器件的电压应力；
2)该基于并联式多二极管串联双向开关的三电平整流器，具有四个功率开关管，六种工作状态能够由这四个功率开关管通过合理组合输出，因此该基于并联式多二极管串联双向开关的三电平整流器即使在较低的开关频率下，其输入电流波形的正弦化程度也能够达到较高的要求，同时有益于降低功率开关管的成本。
3)该基于并联式多二极管串联双向开关的三电平整流器，相比于两电平整流器，随着电平数的增加，网侧电压畸变率减小，网侧电流波形的谐波含量减小，同时dv/dt也相应减小，电磁干扰(EMI)问题得到有效抑制。
附图说明
图1为本发明一种基于并联式多二极管串联双向开关的三电平整流器主拓扑结构图。
图2为本发明一种基于并联式多二极管串联双向开关的三电平整流器工作模态一示意图。
图3为本发明一种基于并联式多二极管串联双向开关的三电平整流器工作模态二示意图。
图4为本发明一种基于并联式多二极管串联双向开关的三电平整流器工作模态三示意图。
图5为本发明一种基于并联式多二极管串联双向开关的三电平整流器工作模态四示意图。
图6为本发明一种基于并联式多二极管串联双向开关的三电平整流器工作模态五示意图。
图7为本发明一种基于并联式多二极管串联双向开关的三电平整流器工作模态六示意图。
图8为本发明一种基于并联式多二极管串联双向开关的三电平整流器交流电源电压us和交流电源电流is波形图。
图9为本发明一种基于并联式多二极管串联双向开关的三电平整流器的a点和b点之间电压uab波形图。
图10为本发明一种基于并联式多二极管串联双向开关的三电平整流器直流侧电压udc波形图。
图11为本发明一种基于并联式多二极管串联双向开关的三电平整流器直流侧分压电容C1和分压电容C2上的电压udc1、udc2波形图。
具体实施方式
如图1所示，基于并联式多二极管串联双向开关的三电平整流器，包括有两条多二极管桥臂，两组串联功率开关管，分压电容C1，分压电容C2。
第一条多二极管桥臂由二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4构成；第二条多二极管桥臂由二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8构成；
两组串联功率开关管分别为功率开关管S1、功率开关管S2和功率开关管S3、功率开关管S4组成；
每一组串联功率开关管以箍位的方式与一条多二极管桥臂相连。二极管D2的阳极、二极管D3的阴极、电感L相连于a点；
功率开关管S1的源极、功率开关管S2的漏极、二极管D6的阳极、二极管D7的阴极、交流电源AC的一端相连于b点；
二极管D1的阴极、二极管D5的阴极、分压电容C1的正极相连于p点；
功率开关管S3的源极、功率开关管S4漏极、分压电容C1的负极、分压电容C2的正极相连于n点；
二极管D4的阳极、二极管D8的阳极、分压电容C2的负极相连于m点；
二极管的D1的阳极、二极管D2的阴极、功率开关管S1的漏极相连，二极管D3的阳极、二极管D4的阴极、功率开关管S2的源极相连，二极管D5的阳极、二极管D6的阴极、功率开关管S3的漏极相连，二极管D7的阳极、二极管D8的阴极、功率开关管S4的源极相连，交流电源AC的另一端与电感L相连，负载RL连接于p点和m点之间。
us为交流电源电压，is为交流电源电流，uab为a点和b点之间电压，udc为直流侧电压，udc1和udc2分别为直流侧分压电容C1和分压电容C2上的电压，分压电容C1、分压电容C2共同稳定了直流侧电压，同时又可以储存电能向负载RL提供能量。
线路具体参数如下：交流电源电压us的有效值为220V，频率为50Hz，直流侧输出电压udc＝400V，电感L＝2.2mH，分压电容C1＝C2＝4700μF，开关频率fs＝20kHz，负载RL＝80Ω。
本发明基于并联式多二极管串联双向开关的三电平整流器，根据载波层叠脉宽调制策略(Pulse-Width Modulation，PWM)，将整个工频工作周期分为六种工作模态：
工作模态一：如图2所示，工作在交流电源AC的正半周期，二极管D1、二极管D2、二极管D7、二极管D8导通，功率开关管S1、功率开关管S2、功率开关管S3、功率开关管S4断开。电流从交流电源AC出发，经过电感L、二极管D2、二极管D1、分压电容C1、分压电容C2、二极管D8、二极管D7，最后回到交流电源AC。在这种工作模态下，a点和b点之间电压uab等于直流侧电压udc，分压电容C1、分压电容C2充电，交流电源AC和电感L一起给负载RL供电，电感L电流线性下降；
工作模态二：如图3所示，工作在交流电源AC的正半周期，二极管D1、二极管D2、二极管D7导通，功率开关管S4导通，功率开关管S1、功率开关管S2、功率开关管S3断开。电流从交流电源AC出发，经过电感L、二极管D2、二极管D1、分压电容C1、功率开关管S4、二极管D7，最后回到交流电源AC。在这种工作模态下，a点和b点之间电压uab等于直流侧电压udc的一半，分压电容C1充电，分压电容C2放电，如果交流电源电压us高于udc/2时，在此状态下，电感L电流线性上升，如果交流电源电压us小于udc/2时，在此状态下，电感L电流线性下降；
工作模态三：如图4所示，工作在交流电源AC的正半周期，二极管D2导通，功率开关管S1导通，功率开关管S2、功率开关管S3、功率开关管S4断开。电流从交流电源AC出发，经过电感L、二极管D2、功率开关管S1，最后回到交流电源AC。在这种工作模态下，a点和b点之间电压uab等于零，分压电容C1、分压电容C2共同放电给负载RL充能，交流电源AC给电感L充电；
工作模态四：如图5所示，工作在交流电源AC的负半周期，二极管D3导通，功率开关管S2导通，功率开关管S1、功率开关管S3、功率开关管S4断开，电流从交流电源AC出发，经过功率开关管S2、二极管D3、电感L，最后回到交流电源AC。在这种工作模态下，a点和b点之间电压uab等于零，分压电容C1、分压电容C2共同放电给负载RL充能，交流电源AC给电感L充电；
工作模态五：如图6所示，工作在交流电源AC的负半周期，二极管D3、二极管D4、二极管D6导通，功率开关管S3导通，功率开关管S1、功率开关管S2、功率开关管S4断开，电流从交流电源AC出发，经过二极管D6、功率开关管S3、分压电容C2、二极管D4、二极管D3、电感L，最后回到交流电源AC。在这种工作模态下，a点和b点之间电压uab等于负的直流侧电压udc的一半，分压电容C1放电，分压电容C2充电，如果交流电源电压us的绝对值高于udc/2时，在此状态下，电感L电流线性上升；如果交流电源电压us的绝对值小于udc/2时，在此状态下，电感L电流线性下降；
工作模态六：如图7所示，工作在交流电源AC的负半周期，二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6导通，功率开关管S1、功率开关管S2、功率开关管S3、功率开关管S4断开，电流从交流电源AC出发，经过二极管D6、二极管D5、分压电容C1、分压电容C2、二极管D4、二极管D3、电感L，最后回到交流电源AC。在这种工作模态下，a点和b点之间电压uab等于负的直流侧电压udc，分压电容C1、分压电容C2充电，交流电源AC和电感L一起给负载RL供电，电感L电流线性下降。
图8为本发明一种基于并联式多二极管串联双向开关的三电平整流器交流电源电压us和交流电源电流is波形图，网侧电压与电流同频同相位，也即实现了单位功率因数，证明了拓扑的可行性。
图9为本发明一种基于并联式多二极管串联双向开关的三电平整流器a点和b点之间电压uab波形图，符合三电平电路工作特点，与理论分析一致。
图10为本发明一种基于并联式多二极管串联双向开关的三电平整流器直流侧电压udc波形图，直流侧电压稳定在400V左右，证明了拓扑的可行性。
图11为本发明一种基于并联式多二极管串联双向开关的三电平整流器直流侧分压电容C1和分压电容C2上的电压udc1、udc2波形图，两分压电容电压波形动态平衡，证明该拓扑有效的实现了中点电位平衡。

Claims (5)

1.基于并联式多二极管串联双向开关的三电平整流器，其特征在于该整流器包括：
功率开关管S1～S4，二极管D1～D8，电感L，分压电容C1、C2：
交流电源AC一端连接电感L一端；
电感L另一端分别连接二极管D2阳极、二极管D3阴极，其连接点构成节点a；
二极管D2阴极分别连接二极管D1阳极、功率开关管S1漏极；
二极管D3阳极分别连接二极管D4阴极、功率开关管S2源极；
功率开关管S1源极分别连接功率开关管S2漏极、二极管D6阳极、二极管D7阴极、交流电源AC另一端，其连接点构成节点b；
二极管D6阴极分别连接二极管D5阳极、功率开关管S3漏极；
二极管D7阳极分别连接二极管D8阴极、功率开关管S4源极；
二极管D1阴极分别连接二极管D5阴极、分压电容C1一端，其连接点构成节点p；
二极管D4阳极分别连接二极管D8阳极、分压电容C2另一端，其连接点构成节点m；
功率开关管S3源极分别连接功率开关管S4漏极、分压电容C1另一端、分压电容C2一端，其连接点构成节点n；
负载RL两端分别连接节点p、节点m。
2.根据权利要求1所述基于并联式多二极管串联双向开关的三电平整流器，其特征在于：该整流器中，二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4构成第一条多二极管桥臂；二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8构成第二条多二极管桥臂。
3.根据权利要求1所述基于并联式多二极管串联双向开关的三电平整流器，其特征在于：该整流器中，功率开关管S1、S2；功率开关管S3、S4分别组成两组串联功率开关管，每一组串联功率开关管以箍位的方式与一条多二极管桥臂相连。
4.根据权利要求1所述基于并联式多二极管串联双向开关的三电平整流器，其特征在于：该整流器中，功率开关管S1～S4均为绝缘栅型双极晶体管IGBT、或者集成门极换流晶闸管IGCT、或者电力场效应晶体管MOSFET。
5.如权利要求1～4任意一项三电平整流器，其特征在于：整个工频工作周期分为六种工作模态：
工作模态一：工作在交流电源AC的正半周期，二极管D1、二极管D2、二极管D7、二极管D8导通，功率开关管S1、功率开关管S2、功率开关管S3、功率开关管S4断开；电流从交流电源AC出发，经过电感L、二极管D2、二极管D1、分压电容C1、分压电容C2、二极管D8、二极管D7，最后回到交流电源AC；在这种工作模态下，a点和b点之间电压uab等于直流侧电压udc，分压电容C1、分压电容C2充电，交流电源AC和电感L一起给负载RL供电，电感L电流线性下降；
工作模态二：工作在交流电源AC的正半周期，二极管D1、二极管D2、二极管D7导通，功率开关管S4导通，功率开关管S1、功率开关管S2、功率开关管S3断开；电流从交流电源AC出发，经过电感L、二极管D2、二极管D1、分压电容C1、功率开关管S4、二极管D7，最后回到交流电源AC；在这种工作模态下，a点和b点之间电压uab等于直流侧电压udc的一半，分压电容C1充电，分压电容C2放电，如果交流电源电压us高于udc/2时，在此状态下，电感L电流线性上升，如果交流电源电压us小于udc/2时，在此状态下，电感L电流线性下降；
工作模态三：工作在交流电源AC的正半周期，二极管D2导通，功率开关管S1导通，功率开关管S2、功率开关管S3、功率开关管S4断开；电流从交流电源AC出发，经过电感L、二极管D2、功率开关管S1，最后回到交流电源AC；在这种工作模态下，a点和b点之间电压uab等于零，分压电容C1、分压电容C2共同放电给负载RL充能，交流电源AC给电感L充电；
工作模态四：工作在交流电源AC的负半周期，二极管D3导通，功率开关管S2导通，功率开关管S1、功率开关管S3、功率开关管S4断开，电流从交流电源AC出发，经过功率开关管S2、二极管D3、电感L，最后回到交流电源AC；在这种工作模态下，a点和b点之间电压uab等于零，分压电容C1、分压电容C2共同放电给负载RL充能，交流电源AC给电感L充电；
工作模态五：工作在交流电源AC的负半周期，二极管D3、二极管D4、二极管D6导通，功率开关管S3导通，功率开关管S1、功率开关管S2、功率开关管S4断开，电流从交流电源AC出发，经过二极管D6、功率开关管S3、分压电容C2、二极管D4、二极管D3、电感L，最后回到交流电源AC；在这种工作模态下，a点和b点之间电压uab等于负的直流侧电压udc的一半，分压电容C1放电，分压电容C2充电，如果交流电源电压us的绝对值高于udc/2时，在此状态下，电感L电流线性上升；如果交流电源电压us的绝对值小于udc/2时，在此状态下，电感L电流线性下降；
工作模态六：工作在交流电源AC的负半周期，二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6导通，功率开关管S1、功率开关管S2、功率开关管S3、功率开关管S4断开，电流从交流电源AC出发，经过二极管D6、二极管D5、分压电容C1、分压电容C2、二极管D4、二极管D3、电感L，最后回到交流电源AC；在这种工作模态下，a点和b点之间电压uab等于负的直流侧电压udc，分压电容C1、分压电容C2充电，交流电源AC和电感L一起给负载RL供电，电感L电流线性下降。
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