CN113437884A - 基于并联式二极管钳位双向开关的三电平整流器 - Google Patents

基于并联式二极管钳位双向开关的三电平整流器 Download PDF

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Abstract

基于并联式二极管钳位双向开关的三电平整流器，包括两组二极管钳位双向开关，分压电容C1、C2。其中，第一组二极管钳位双向开关由二极管D1~D4、功率开关管S1、S2组成，第二组二极管钳位双向开关由二极管D5~D8、功率开关管S3、S4组成。二极管D3和二极管D4、二极管D7和二极管D8分别为两组钳位二极管，这两组钳位二极管不但能达到引出中点电位的目的，而且使主管的耐压值降低为中间直流回路电压的一半，从而使这种拓扑结构在高压应用场合成为可能，同时也可以解决功率开关器件耐压值低与直流回路电压高之间的矛盾，同时这两组钳位二极管代替了原本的开关器件，可以降低该基于并联式二极管钳位双向开关的三电平整流器的生产成本。

Description

基于并联式二极管钳位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二极管钳位双向开关的三电平整流器。
背景技术
近年来，多电平功率变换器在大功率应用中得到普遍重视，它们适用于高电压、大功率，并且具有低EMI及低谐波污染的特性，在电力系统及大功率电气传动中具有十分广阔的应用前景。多电平拓扑结构到目前为止并没有形成较为统一的拓扑，例如在实际的高压大功率应用中，不同公司的产品可能采用了不同的拓扑，其中各种拓扑有各自的优缺点。有鉴于此，基于多电平拓扑结构的相关研究是现阶段研究的一个热点。
发明内容
本发明提供一种基于并联式二极管钳位双向开关的三电平整流器，降低生产成本，满足了均压问题、同时整个整流器控制的动态性能和控制精度得到提升。
本发明采取的技术方案为：
基于并联式二极管钳位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，交流电源AC另一端接地；
电感L另一端分别连接功率开关管S1源极、功率开关管S2漏极，其连接点构成节点a；
功率开关管S1漏极分别连接二极管D1阳极、二极管D3阴极；
功率开关管S2源极分别连接二极管D2阴极、二极管D4阳极；
二极管D3阳极分别连接二极管D4阴极、功率开关管S3源极、功率开关管S4漏极、交流电源AC另一端，其连接点构成节点b；
功率开关管S3漏极分别连接二极管D5阳极、二极管D7阴极；
功率开关管S4源极分别连接二极管D6阴极、二极管D8阳极；
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D2阳极分别连接二极管D6阳极、分压电容C2另一端，其连接点构成节点m；
二极管D7阳极分别连接二极管D8阴极、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、功率开关管S1、功率开关管S2组成第一组二极管钳位双向开关；
二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8、功率开关管S3、功率开关管S4组成第二组二极管钳位双向开关。
该整流器中，二极管D3和二极管D4、二极管D7和二极管D8分别为两组钳位二极管。这两组钳位二极管不但能达到引出中点电位的目的，而且使主管的耐压值降低为中间直流回路电压的一半，从而使这种拓扑结构在高压应用场合成为可能，同时也可以解决功率开关器件耐压值低与直流回路电压高之间的矛盾，同时这两组钳位二极管代替了原本的开关器件，可以降低该基于并联式二极管钳位双向开关的三电平整流器的生产成本。
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二极管钳位双向开关的三电平整流器，技术效果如下：
1)该基于并联式二极管钳位双向开关的三电平整流器的二极管D3和二极管D4、二极管D7和二极管D8分别为两组钳位二极管，这两组钳位二极管不但能达到引出中点电位的目的，而且使主管的耐压值降低为中间直流回路电压的一半，从而使这种拓扑结构在高压应用场合成为可能，同时也可以解决功率开关器件耐压值低与直流回路电压高之间的矛盾。同时这两组钳位二极管代替了原本的开关器件，可以降低该基于并联式二极管钳位双向开关的三电平整流器的生产成本。
2)在该基于并联式二极管钳位双向开关的三电平整流器中，上述两组钳位二极管代替了原本的开关器件，可以降低整流器的生产成本。
3)该基于并联式二极管钳位双向开关的三电平整流器，没有串联开关器件的同时满足了均压问题，整个整流器控制系统的动态性能和控制精度得到提升。
附图说明
图1为本发明一种基于并联式二极管钳位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二极管钳位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二极管钳位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二极管钳位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二极管钳位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二极管钳位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二极管钳位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二极管钳位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二极管钳位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二极管钳位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二极管钳位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，基于并联式二极管钳位双向开关的三电平整流器，包括两组二极管钳位双向开关，分压电容C1、分压电容C2。
其中，第一组二极管钳位双向开关由二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、功率开关管S1、功率开关管S2组成；
第二组二极管钳位双向开关由二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8、功率开关管S3、功率开关管S4组成。
功率开关管S1的源极、功率开关管S2的漏极、电感L相连于a点；
二极管D3的阳极、二极管D4的阴极、功率开关管S3的源极、功率开关管S4漏极、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；
二极管D7的阳极、二极管D8的阴极、分压电容C1的负极、分压电容C2的正极相连于n点；
二极管D2的阳极、二极管D6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D3的阴极、功率开关管S1的漏极相连，二极管D2的阳极、二极管D4的阳极、功率开关管S2的源极相连，二极管D5的阳极、二极管D7的阴极、功率开关管S3的漏极相连，二极管D6的阴极、二极管D8的阳极、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＝2mH，分压电容C1＝C2＝4700μF，开关频率fs＝20kHz，负载RL＝80Ω。
基于并联式二极管钳位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，经过电感L、功率开关管S1的体二极管、二极管D1、分压电容C1、分压电容C2、二极管D6、功率开关管S4的体二极管，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D7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，经过电感L、功率开关管S1的体二极管、二极管D1、分压电容C1、二极管D7、功率开关管S3，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D4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，经过电感L、功率开关管S2、二极管D4，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，经过二极管D3、功率开关管S1、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D2、二极管D8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，经过功率开关管S4、二极管D8、分压电容C2、二极管D2、功率开关管S2的体二极管、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D2、二极管D5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，经过功率开关管S3的体二极管、二极管D5、分压电容C1、分压电容C2、二极管D2、功率开关管S2的体二极管、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二极管钳位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二极管钳位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二极管钳位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二极管钳位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.基于并联式二极管钳位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，交流电源AC另一端接地；
电感L另一端分别连接功率开关管S1源极、功率开关管S2漏极，其连接点构成节点a；
功率开关管S1漏极分别连接二极管D1阳极、二极管D3阴极；
功率开关管S2源极分别连接二极管D2阴极、二极管D4阳极；
二极管D3阳极分别连接二极管D4阴极、功率开关管S3源极、功率开关管S4漏极、交流电源AC另一端，其连接点构成节点b；
功率开关管S3漏极分别连接二极管D5阳极、二极管D7阴极；
功率开关管S4源极分别连接二极管D6阴极、二极管D8阳极；
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D2阳极分别连接二极管D6阳极、分压电容C2另一端，其连接点构成节点m；
二极管D7阳极分别连接二极管D8阴极、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所述基于并联式二极管钳位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、功率开关管S1、功率开关管S2组成第一组二极管钳位双向开关；
二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8、功率开关管S3、功率开关管S4组成第二组二极管钳位双向开关。
3.根据权利要求1所述基于并联式二极管钳位双向开关的三电平整流器，其特征在于：该整流器中，二极管D3和二极管D4、二极管D7和二极管D8分别为两组钳位二极管。
4.根据权利要求1所述基于并联式二极管钳位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所述任意一项的三电平整流器，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，经过电感L、功率开关管S1的体二极管、二极管D1、分压电容C1、分压电容C2、二极管D6、功率开关管S4的体二极管，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D7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，经过电感L、功率开关管S1的体二极管、二极管D1、分压电容C1、二极管D7、功率开关管S3，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D4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，经过电感L、功率开关管S2、二极管D4，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，经过二极管D3、功率开关管S1、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D2、二极管D8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，经过功率开关管S4、二极管D8、分压电容C2、二极管D2、功率开关管S2的体二极管、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D2、二极管D5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，经过功率开关管S3的体二极管、二极管D5、分压电容C1、分压电容C2、二极管D2、功率开关管S2的体二极管、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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