CN115441757A - 一种五电平pwm整流器及供电设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种五电平PWM整流器，包括并联的第一桥臂与第二桥臂，两桥臂结构相同，均包括第一电力电子开关管、第二电力电子开关管、第三电力电子开关管、第四电力电子开关管、电力二极管与飞跨电容。通过并联的结构相同的第一桥臂与第二桥臂将交流电转换为直流电，改变了传统的整流器拓扑结构，使用的电力电子开关管数量大大减少，降低了装置成本；同时通过第一桥臂与第二桥臂输出电压值的叠加组合，实现了五电平的输出，输出的电平数约为传统二电平整流器可输出电平数的三倍，因此所需要的滤波电感的电感值约为传统二电平整流器的三分之一，减小了滤波电感的电感值与体积，节约了成本，在电能变换系统中有更好的应用前景。

Description

一种五电平PWM整流器及供电设备
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其是指一种五电平PWM整流器及供电设备。
背景技术
随着电力电子技术的发展和用电设备谐波标准的日益严格，高频PWM整流器成为研究热点。与传统整流器相比，PWM高频整流器实现了网侧电流正弦化，而且运行于单位功率因数，甚至能使能量双向传输，真正实现了绿色的电能变换。多电平PWM整流器与二电平PWM整流器相比，具有输出电压/电流波形质量高、变换装置效率高、电压变化率小等优点，近年来在电能变换系统得到广泛的研究和应用。传统多电平整流器主要有二极管箝位式拓扑结构、飞跨电容拓扑结构、级联H桥拓扑结构3种类型。对于二极管箝位式拓扑结构的多电平PWM整流器，当输出电平增加时，其PWM整流器二极管数量成指数倍增加；对于飞跨电容拓扑结构PWM整流器，存在需要较多储存电容器等不足；对于级联H桥拓扑结构的多电平PWM整流器，需要移相变压器进行电气隔离；传统多电平PWM整流器在结构、控制复杂度和效率等方面存在着不足。
目前，实现电能变换的PWM整流器主要集中在二电平和三电平PWM整流器，为了满足网侧电流波形质量高，其滤波电感感值一般为几mH，电能变换的性能不够高，但所需要的滤波电感的电感感值和体积比较大，使用的电力电子管较多，成本较高。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中多电平PWM整流器使用的滤波电感感值和体积较大导致成本较高的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种五电平PWM整流器，包括：并联的第一桥臂与第二桥臂，所述第一桥臂与所述第二桥臂结构相同，均包括：
第一电力电子开关管，其源极与输出电容的正极相连；
第二电力电子开关管，其漏极与所述第一电力电子开关管的漏极相连；
第三电力电子开关管，其漏极与所述第二电力电子开关管的源极相连；
第四电力电子开关管，其源极与输出电容的负极连接，其漏极与所述第三电力电子开关管的源极相连；
电力二极管，其阴极连接输出电容的正极，其阳极连接所述第四电力电子开关管的漏极相连；
飞跨电容，其正极连接所述第一电力电子开关管的漏极，其负极连接所述第三电力电子开关管的源极。
本发明提供的一种五电平PWM整流器，还包括LC滤波电路，其包括：
滤波电感，一端接输出电容的正极；
滤波电容，正极接电感的另一端，负极接输出电容的负极，负载并联在滤波电容的两端。
本发明提供的一种五电平PWM整流器，还包括输入端口，一个输入端口设置在第一桥臂中第二电力电子开关管的源极处，另一输入端口设置在第二桥臂中第二电力电子开关管的源极处，用于连接交流电源。
在本发明的一个实施例中，所述第一桥臂与所述第二桥臂均有三种开关状态，包括：
开关状态1：第一电力电子开关管、第三电力电子开关管与第四电力电子开关管关断，第二电力电子开关管导通；
开关状态2：第一电力电子开关管、第二电力电子开关管与第四电力电子开关管导通，第二电力电子开关管关断；
开关状态3：第一电力电子开关管、第三电力电子开关管与第四电力电子开关管导通，第二电力电子开关管关断。
在本发明的一个实施例中，当第一桥臂处于开关状态1，第二桥臂处于开关状态3时，输出电容两侧的电压为+2Vdc。
在本发明的一个实施例中，当第一桥臂处于开关状态2，第二桥臂处于开关状态3时，输出电容两侧的电压为+Vdc。
在本发明的一个实施例中，当第一桥臂处于开关状态3，第二桥臂处于开关状态3时，输出电容两侧的电压为0。
在本发明的一个实施例中，当第一桥臂处于开关状态3，第二桥臂处于开关状态2时，输出电容两侧的电压为-Vdc。
在本发明的一个实施例中，当第一桥臂处于开关状态3，第二桥臂处于开关状态1时，输出电容两侧的电压为-2Vdc。
本发明还提供了一种五电平整流器供电设备，包括：
交流电源；
如上述任一项所述的五电平PWM整流器，连接所述交流电源，用于将所述交流电源提供的交流电转化为直流电输出。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明所述的五电平PWM整流器改变了传统的整流器拓扑结构，通过并联的结构相同的第一桥臂与第二桥臂将交流电转换为直流电，通过输出电容为负载供电，相较传统二极管钳位型五电平整流器，电力电子开关管数量大大减少，降低了装置成本；同时本发明通过第一桥臂与第二桥臂输出电压值的叠加组合，实现了五电平的输出，输出的电平数约为传统二电平整流器可输出电平数的三倍，因此本发明的五电平PWM整流器中所需要的滤波电感的电感值约为传统二电平整流器的三分之一，减小了滤波电感的电感值与体积，节约了成本，在电能变换系统中有更好的应用前景。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本发明实施例所提供的一种五电平PWM整流器的拓扑结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
参照图1所示，本发明的五电平PWM整流器的拓扑结构为：结构相同的第一桥臂与第二桥臂并联在输出电容的两端。第一桥臂与第二桥臂均包括：第一电力电子开关管，其源极与输出电容的正极相连；第二电力电子开关管，其漏极与所述第一电力电子开关管的漏极相连；第三电力电子开关管，其漏极与所述第二电力电子开关管的源极相连；第四电力电子开关管，其源极与输出电容的负极连接，其漏极与所述第三电力电子开关管的源极相连；电力二极管，其阴极连接输出电容的正极，其阳极连接所述第四电力电子开关管的漏极相连；飞跨电容，其正极连接所述第一电力电子开关管的漏极，其负极连接所述第三电力电子开关管的源极。
其中，电力电子开关管均采用单向低压电力电子开关管。第一桥臂与第二桥臂中的第一电力电子开关管与第二电力电子开关管反向串联，起到双向限幅的作用，用于保护电路。
本实施例所提供的五电平PWM整流器设置有两个输入端口，一个输入端口设置在第一桥臂中第二电力电子开关管的源极，另一输入端口设置在第二桥臂中第二电力电子开关管的源极，用于连接交流电源；输出电容的两端还并联有LC滤波电路，滤波电感，一端接输出电容的正极；滤波电容，正极接电感的另一端，负极接输出电容的负极，负载并联在滤波电容的两端。
基于上述实施例，本实施例所提供的五电平PWM整流器装置一共可以输出五种电平值，其开关状态与输出电压如表1所示，其中“1”代表电力电子开关管导通，“0”代表电力电子开关管关断，输出电压以输出电容负极N为参考点，飞跨电容Ca和飞跨电容Cb的控制电压为Vdc。
第一桥臂与第二桥臂均有三种开关状态，第一桥臂的任意一种开关状态与第二桥臂的任意一种开关状态组合一共有九种工作模式，九种工作模式一共可以产生五种电平值。三种开关状态如下：
开关状态1：第一电力电子开关管、第三电力电子开关管与第四电力电子开关管关断，第二电力电子开关管导通；
开关状态2：第一电力电子开关管、第三电力电子开关管与第四电力电子开关管导通，第二电力电子开关管关断；
开关状态3：第一电力电子开关管、第二电力电子开关管与第四电力电子开关管导通，第三电力电子开关管关断；
两桥臂各三种开关状态可组合出9种工作模式，9种工作模式共可以输出五种电平值，参照表一所示，本发明实施例所提供的五电平整流器装置输出五种电平值的的工作模式如下：
模式1：第一桥臂处于开关状态1，第二桥臂处于开关状态2，整流器输出电压为+2Vdc；
模式2：第一桥臂处于开关状态3，第二桥臂处于开关状态2，整流器输出电压为+Vdc；
模式3：第一桥臂处于开关状态2，第二桥臂处于开关状态2，整流器输出电压为0；
模式4：第一桥臂处于开关状态2，第二桥臂处于开关状态3，整流器输出电压为-Vdc；
模式5：第一桥臂处于开关状态2，第二桥臂处于开关状态1，整流器输出电压为-2Vdc；
综上所述，本发明实施例所提供的PWM整流器共可以输出五种电平值，分别为：+2Vdc、+Vdc、0、-Vdc、-2Vdc。
表1五电平PWM整流器装置工作模式
Figure BDA0003822864330000061
本发明实施例还提供了一种五电平PWM整流器供电设备，包括交流电源与上述五电平PWM整流器；五电平PWM整流器连接所述交流电源，用于将交流电源提供的交流电转化为直流电输出。
本发明实施例所提供的五电平PWM整流器改变了传统的整流器拓扑结构，通过并联的结构相同的第一桥臂与第二桥臂将交流电转换为直流电，相较传统二极管钳位型五电平整流器，电力电子开关管数量大大减少，降低了装置成本；同时通过第一桥臂与第二桥臂输出电压值的叠加组合，实现了五电平的输出，输出的电平数约为传统二电平整流器可输出电平数的三倍，因此本发明的五电平PWM整流器中所需要的滤波电感的电感值约为传统二电平整流器的三分之一，减小了滤波电感的电感值与体积，节约了成本，在电能变换系统中有更好的应用前景。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种五电平PWM整流器，其特征在于，包括结构相同的第一桥臂与第二桥臂，所述第一桥臂与所述第二桥臂并联，每个桥臂均包括：
第一电力电子开关管，其源极与输出电容的正极相连；
第二电力电子开关管，其漏极与所述第一电力电子开关管的漏极相连；
第三电力电子开关管，其漏极与所述第二电力电子开关管的源极相连；
第四电力电子开关管，其源极与输出电容的负极连接，其漏极与所述第三电力电子开关管的源极相连；
电力二极管，其阴极连接输出电容的正极，其阳极连接所述第四电力电子开关管的漏极相连；
飞跨电容，其正极连接所述第一电力电子开关管的漏极，其负极连接所述第三电力电子开关管的源极。
2.根据权利要求1所述的五电平PWM整流器，其特征在于，还包括LC滤波电路，其包括：
滤波电感，一端接输出电容的正极；
滤波电容，正极接电感的另一端，负极接输出电容的负极，负载并联在滤波电容的两端。
3.根据权利要求1所述的五电平PWM整流器，其特征在于，还包括输入端口，一个输入端口设置在第一桥臂中第二电力电子开关管的源极处，另一输入端口设置在第二桥臂中第二电力电子开关管的源极处，用于连接交流电源。
4.根据权利要求1所述的五电平PWM整流器，其特征在于，所述第一桥臂与所述第二桥臂均有三种开关状态，包括：
开关状态1：第一电力电子开关管、第三电力电子开关管与第四电力电子开关管关断，第二电力电子开关管导通；
开关状态2：第一电力电子开关管、第二电力电子开关管与第四电力电子开关管导通，第二电力电子开关管关断；
开关状态3：第一电力电子开关管、第三电力电子开关管与第四电力电子开关管导通，第二电力电子开关管关断。
5.根据权利要求4所述的五电平PWM整流器，其特征在于，当第一桥臂处于开关状态1，第二桥臂处于开关状态3时，输出电容两侧的电压为+2Vdc。
6.根据权利要求4所述的五电平PWM整流器，其特征在于，当第一桥臂处于开关状态2，第二桥臂处于开关状态3时，输出电容两侧的电压为+Vdc。
7.根据权利要求4所述的五电平PWM整流器，其特征在于，当第一桥臂处于开关状态3，第二桥臂处于开关状态3时，输出电容两侧的电压为0。
8.根据权利要求4所述的五电平PWM整流器，其特征在于，当第一桥臂处于开关状态3，第二桥臂处于开关状态2时，输出电容两侧的电压为-Vdc。
9.根据权利要求4所述的五电平PWM整流器，其特征在于，当第一桥臂处于开关状态3，第二桥臂处于开关状态1时，输出电容两侧的电压为-2Vdc。
10.一种五电平PWM整流器供电设备，其特征在于，包括：
交流电源；
如权利要求1至9任一项所述的五电平PWM整流器，连接所述交流电源，用于将所述交流电源提供的交流电转化为直流电输出。
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