CN113437887A - 基于多二极管串联双向开关的三电平整流器 - Google Patents

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Abstract

基于多二极管串联双向开关的三电平整流器，包括一组重构T形桥，一条多二极管串联桥臂，一对串联功率开关管，分压电容C1、C2。其中，一组重构T形桥的第一桥臂由二极管D1构成，第二桥臂由二极管D2构成，第三桥臂由二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、功率开关管S1构成，与之相连的一条多二极管串联桥臂由二极管D7、二极管D8、二极管D9、二极管D10构成，最后由功率开关管S2和功率开关管S3组成的一对串联功率开关管以并联的形式与二极管D8、二极管D9连接。本发明一种基于多二极管串联双向开关的三电平整流器，降低了功率开关管的电压应力，较好的解决了开关器件耐压不够高的问题；降低了输出电压的跳变，减小对负载和本身的损害，对外围电路的干扰也减小。

Description

基于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，具体涉及一种基于多二极管串联双向开关的三电平整流器。
背景技术
随着工业技术的发展，在一些高压大功率应用场合中采用传统的电力电子拓扑结构，则会出现主要开关器件耐压值不够高，造成与电力系统中高压范围不能直接匹配。一般来讲，在高压供电而功率器件耐压能力有限的情况下，可采用功率器件串联的方法来解决。但器件在串联使用时，由于各器件的动态电阻和极电容不同，存在静态和动态均压等一系列问题。而多电平技术由于具有诸如减少了器件的电压应力，勿须器件串联而无均压问题，减少了输出电压的谐波含量，减少了由于dv/dt和di/dt所造成的电磁干扰等优点，因此受到了更多关注，它的出现为高压大功率变换器的研制开辟了一条新思路。
发明内容
本发明提供一种基于多二极管串联双向开关的三电平整流器，降低了功率开关管的电压应力，较好的解决了开关器件耐压不够高的问题；降低了输出电压的跳变，减小对负载和本身的损害，对外围电路的干扰也减小。
本发明采取的技术方案为：
基于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～S3，电感L，分压电容C1、C2，二极管D1～D10；
交流电源AC一端分别连接二极管D1阳极、二极管D2阴极、二极管D3阳极、二极管D4阴极，其连接点构成节点a；
二极管D3阴极分别连接功率开关管S1漏极、二极管D5阴极；
二极管D4阳极分别连接功率开关管S1源极、二极管D6阳极；
交流电源AC另一端连接电感L一端；
电感L另一端分别连接二极管D5阳极、二极管D6阴极、二极管D8阳极、二极管D9阴极，其连接点构成节点b；
二极管D8阴极分别连接二极管D7阳极、功率开关管S2漏极；
二极管D9阳极分别连接二极管D10阴极、功率开关管S3源极；
二极管D1阴极分别连接二极管D7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D10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漏极分别连接功率开关管S2源极、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。
该整流器包括一组重构T形桥，重构T形桥的第一桥臂由二极管D1构成、第二桥臂由二极管D2构成、第三桥臂由二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、功率开关管S1构成。
该整流器中，二极管D7、二极管D8、二极管D9、二极管D10构成一条多二极管串联桥臂；多二极管串联桥臂与重构T形桥的第三桥臂相连。
该整流器中，功率开关管S2和功率开关管S3组成的一对串联功率开关管，该串联功率开关管以并联的形式与二极管D8、二极管D9连接。
该整流器中，功率开关管S1～S3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。
本发明一种基于多二极管串联双向开关的三电平整流器，技术效果如下：
1)该基于多二极管串联双向开关的三电平整流器，每个功率开关器件所承受的电压峰值只有两电平整流器的一半，降低了功率开关管的电压应力，较好的解决了开关器件耐压不够高的问题。
2)该基于多二极管串联双向开关的三电平整流器，在相同的开关频率及控制方式下，由于电平数的增加，三电平整流器的网侧电流波形比两电平中的正弦性要好，且电平数越多，电流越接近正弦，可以获得更好的频谱特性和动态性能。
3)该基于多二极管串联双向开关的三电平整流器，输出电压为五个电平的阶梯波，相对于传统两电平拓扑的三个电平的阶梯波，输出波形阶梯增多，各级间的幅值变化降低，可更加接近正弦波，这也就意味着电压脉动小，降低了输出电压的跳变，减小对负载和本身的损害，而且输出电压谐波含量的减少，对外围电路的干扰也减小。
4)该基于多二极管串联双向开关的三电平整流器，包含的一组重构T形桥的第三桥臂能量双向流动，不管交流电源工作在正周期还是负周期，交流电源和电感L都可以通过该重构T形桥的第三桥臂构成充电回路，实现直流侧升压。
附图说明
图1为本发明一种基于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，基于多二极管串联双向开关的三电平整流器，包括一组重构T形桥，一条多二极管串联桥臂，一对串联功率开关管，分压电容C1，分压电容C2。
其中，一组重构T形桥的第一桥臂由二极管D1构成，第二桥臂由二极管D2构成，第三桥臂由二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、功率开关管S1构成。
二极管D1的阳极、二极管D3的阳极、二极管D2的阴极、二极管D4的阴极和交流电源AC的一端相连于a点；
二极管D5的阳极、二极管D6的阴极、二极管D8的阳极、二极管D9的阴极、电感L相连于b点；
二极管D1的阴极、二极管D7的阴极、分压电容C1的正极相连于p点；
功率开关管S2的源极、功率开关管S3的漏极、分压电容C1的负极、分压电容C2的正极相连于n点；
二极管D2的阳极、二极管D10的阳极、分压电容C2的负极相连于m点；二极管D3的阴极、二极管的D5的阴极、功率开关管S1的漏极相连，二极管D4的阳极、二极管D6的阳极、功率开关管S1的源极相连，二极管D7的阳极、二极管D8的阴极、功率开关管S2的漏极相连，二极管D9的阴极、二极管D10的阴极、功率开关管S3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＝3.3mH，分压电容C1＝C2＝4700μF，开关频率fs＝20kHz，负载RL＝80Ω。
基于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D9、二极管D10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，经过二极管D1、分压电容C1、分压电容C2、二极管D10、二极管D9、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D9导通，功率开关管S3导通，功率开关管S1、功率开关管S2断开。电流从交流电源AC出发，经过二极管D1、分压电容C1、功率开关管S3、二极管D9、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D3、二极管D6导通，功率开关管S1导通，功率开关管S2、功率开关管S3断开。电流从交流电源AC出发，经过二极管D3、功率开关管S1、二极管D6、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；
工作模态四：如图5所示，工作在交流电源AC的负半周期，二极管D4、二极管D5导通，功率开关管S1导通，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D5、功率开关管S1、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S2导通，功率开关管S1、功率开关管S2断开，电流从交流电源AC出发，经过电感L、二极管D8、功率开关管S2、分压电容C2、二极管D2，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断开，电流从交流电源AC出发，经过电感L、二极管D8、二极管D7、分压电容C1、分压电容C2、二极管D2，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 (6)

1.基于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～S3，电感L，分压电容C1、C2，二极管D1～D10；
交流电源AC一端分别连接二极管D1阳极、二极管D2阴极、二极管D3阳极、二极管D4阴极，其连接点构成节点a；
二极管D3阴极分别连接功率开关管S1漏极、二极管D5阴极；
二极管D4阳极分别连接功率开关管S1源极、二极管D6阳极；
交流电源AC另一端连接电感L一端；
电感L另一端分别连接二极管D5阳极、二极管D6阴极、二极管D8阳极、二极管D9阴极，其连接点构成节点b；
二极管D8阴极分别连接二极管D7阳极、功率开关管S2漏极；
二极管D9阳极分别连接二极管D10阴极、功率开关管S3源极；
二极管D1阴极分别连接二极管D7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D10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漏极分别连接功率开关管S2源极、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：该整流器包括一组重构T形桥，重构T形桥的第一桥臂由二极管D1构成、第二桥臂由二极管D2构成、第三桥臂由二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、功率开关管S1构成。
3.根据权利要求2所述基于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D7、二极管D8、二极管D9、二极管D10构成一条多二极管串联桥臂；多二极管串联桥臂与重构T形桥的第三桥臂相连。
4.根据权利要求1所述基于多二极管串联双向开关的三电平整流器，其特征在于：功率开关管S2和功率开关管S3组成的一对串联功率开关管，该串联功率开关管以并联的形式与二极管D8、二极管D9连接。
5.根据权利要求1所述基于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～S3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。
6.根据权利要求1～5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D9、二极管D10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，经过二极管D1、分压电容C1、分压电容C2、二极管D10、二极管D9、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D9导通，功率开关管S3导通，功率开关管S1、功率开关管S2断开；电流从交流电源AC出发，经过二极管D1、分压电容C1、功率开关管S3、二极管D9、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D3、二极管D6导通，功率开关管S1导通，功率开关管S2、功率开关管S3断开；电流从交流电源AC出发，经过二极管D3、功率开关管S1、二极管D6、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；
工作模态四：工作在交流电源AC的负半周期，二极管D4、二极管D5导通，功率开关管S1导通，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D5、功率开关管S1、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S2导通，功率开关管S1、功率开关管S2断开，电流从交流电源AC出发，经过电感L、二极管D8、功率开关管S2、分压电容C2、二极管D2，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断开，电流从交流电源AC出发，经过电感L、二极管D8、二极管D7、分压电容C1、分压电容C2、二极管D2，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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