CN116054609B - 一种三相电流型pwm整流器的控制系统 - Google Patents

一种三相电流型pwm整流器的控制系统 Download PDF

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CN116054609B CN202310333251.0A CN202310333251A CN116054609B CN 116054609 B CN116054609 B CN 116054609B CN 202310333251 A CN202310333251 A CN 202310333251A CN 116054609 B CN116054609 B CN 116054609B
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Abstract

本发明公开了一种三相电流型PWM整流器的控制方法及系统，所述控制方法包括根据三相输入电压的相对关系，将一个输入电压周期划分为若干个扇区，每个扇区内所述整流器的工作状态为第一模态、第二模态以及第三模态，其中，第一模态和第二模态均有两个桥臂导通，第三模态有三个桥臂均不导通；每个扇区的每个模态下，所述整流器形成至少两条高频电流通路，所述至少两条高频电流通路是共模电流在整流器内部的环流通路；本发明的优点在于：抑制高频共模电流对输入电流的污染，提升输入电流质量；有效降低整流器开关管的电压应力，从而开关管的选型不会受到较大的限制，开关损耗较低，成本低，效率高。

Description

一种三相电流型PWM整流器的控制系统
技术领域
本发明涉及整流器领域，更具体涉及一种三相电流型PWM整流器的控制系统。
背景技术
三相电流型PWM整流器具有输出电压范围宽、启动电流小、可靠的短路电流限制能力等优势，在电动汽车充电机、航空整流器、数据中心电源以及制氢整流器等领域具有良好的应用前景。三相电流型PWM整流器拓扑较多，图1为常用的三相三开关电流型PWM整流器的拓扑电路图。图1所示的整流器主要由三个单元构成：输入滤波单元100、有源开关单元200与输出滤波单元300。输入滤波单元100由三相LC滤波器构成，抑制高次电流谐波流入交流电源端。有源开关单元200包含三个桥臂（即
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），每个桥臂均由一个开关管与四个二极管构成，该单元将能量由交流侧传递到直流侧，并确保三相输入电流高度正弦，且与输入电压同频率与相位。输出滤波单元300由储能电感构成，实现滤波与能量存储。
目前，三相电流型PWM整流器朝着高开关频率、高功率密度与高集成度方向发展。随着三相电流型PWM整流器开关频率与功率密度的提升，该整流器的局限性正逐渐凸显：
第一个局限性问题是随着三相电流型PWM整流器的功率密度提升，寄生电容对其输入电流质量的影响也日趋严重。在三相电流型PWM整流器中，由于共模电压与寄生电容的存在，从而共模电流在输入与输出端串扰，导致输入电流产生明显的高频噪声与低频畸变，影响输入电流质量。
第二个局限性问题是，现有拓扑中桥臂开关管承受输入相电压，较高的电压应力限制了开关管的选型，且产生较大的开关损耗，最终导致现有拓扑的成本高、效率偏低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于现有三相电流型PWM整流器的共模电流在输入与输出端串扰，导致输入电流产生明显的高频噪声与低频畸变，影响输入电流质量。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：所述整流器包括输入滤波单元、有源开关单元、谐波注入单元以及输出滤波单元，所述有源开关单元包括三个并联的桥臂，每个桥臂包括一个开关管，输入滤波单元的每一相分别通过三个桥臂对应的开关管与输出滤波单元连接，所述谐波注入单元分别与输入滤波单元以及输出滤波单元连接，根据输入滤波单元的三相输入电压的相对关系，将一个输入电压周期划分为若干个扇区，每个扇区内所述整流器的工作状态为第一模态、第二模态以及第三模态，其中，第一模态和第二模态均有两个桥臂导通，第三模态有三个桥臂均不导通；每个扇区的每个模态下，所述整流器形成至少两条高频电流通路，所述至少两条高频电流通路是共模电流在整流器内部的环流通路。
进一步地，所述根据输入滤波单元的三相输入电压的相对关系，将一个输入电压周期划分为若干个扇区，包括：根据输入滤波单元的三相输入电压的相对关系，将一个输入电压周期划分为12个扇区，当三相输入电压满足
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本发明还提供一种三相电流型PWM整流器的控制系统，所述控制系统包括：
扇区划分模块，用于根据输入滤波单元的三相输入电压的相对关系，将一个输入电压周期划分为若干个扇区；
模态划分模块，用于每个扇区内将整流器的工作状态划分为第一模态、第二模态以及第三模态，其中，所述整流器包括有源开关单元，所述有源开关单元包括三个并联的桥臂，每个桥臂包括一个开关管，第一模态和第二模态均有两个桥臂导通，第三模态有三个桥臂均不导通；
环流通路形成模块，用于每个扇区的每个模态下，整流器形成至少两条高频电流通路，所述至少两条高频电流通路是共模电流在整流器内部的环流通路。
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本发明的优点在于：
（1）本发明在三相电流型PWM整流器中增加的谐波注入单元，为共模电流提供了内部环流通路，避免共模电流在输入与输出端串扰，避免共模电流流向交流输入端，从而抑制了高频共模电流对输入电流的污染，避免输入电流产生明显的高频噪声与低频畸变，提升输入电流质量。
（2）本发明提出的三相电流型PWM整流器中开关管的电压应力为
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，从而导致开关管的电压应力小于输入相电压峰值。与传统三相电流型PWM整流器中开关管承受输入相电压相比，本发明可以有效降低整流器开关管的电压应力，从而开关管的选型不会受到较大的限制，开关损耗较低，成本低，效率高。
附图说明
图1为传统的三相电流型PWM整流器的拓扑电路图；
图2为本发明实施例1所提供的一种三相电流型PWM整流器的拓扑电路图；
图3为本发明实施例1所提供的一种三相电流型PWM整流器的控制方法中输入滤波单元的三相输入电压的相对关系示意图；
图4
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分别为本发明实施例1所提供的一种三相电流型PWM整流器的控制方法中第一扇区至第十二扇区的工作状态示意图；
图5为本发明实施例1所提供的一种三相电流型PWM整流器的控制方法中第十二扇区在第一模态期间的三条电流流通路径；
图6为本发明实施例1所提供的一种三相电流型PWM整流器的控制方法中第十二扇区在第二模态期间的三条电流流通路径；
图7为本发明实施例1所提供的一种三相电流型PWM整流器的控制方法中第十二扇区在第三模态期间的三条电流流通路径；
图8为本发明实施例1所提供的一种三相电流型PWM整流器的控制方法中开关管电压应力分布示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图2所示，本发明提供一种三相电流型PWM整流器，与现有技术相同的是本发明的整流器包括输入滤波单元100、有源开关单元200以及输出滤波单元300，所述有源开关单元200包括三个并联的桥臂，每个桥臂包括一个开关管，输入滤波单元100的每一相分别通过三个桥臂对应的开关管与输出滤波单元300连接。与现有技术不同的是，本发明的整流器还包括谐波注入单元400，所述谐波注入单元400分别与输入滤波单元100以及输出滤波单元300连接，所述谐波注入单元400为共模电流提供内部环流通路。
继续参阅图2，所述谐波注入单元400包括二极管
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基于上述三相电流型PWM整流器，本发明提供一种三相电流型PWM整流器的控制方法，所述方法包括：
如图3所示，本发明根据所述输入滤波单元100的三相输入电压的相对关系，将一个输入电压周期划分为12个扇区，当三相输入电压满足
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以下结合第十二扇区的开关状态，阐述本发明拓扑的工作原理如下：
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通过以上技术方案，一方面，本发明在三相电流型PWM整流器中增加的谐波注入单元400为共模电流提供了内部环流通路，避免共模电流在输入与输出端串扰，避免共模电流流向交流输入端，从而抑制了高频共模电流对输入电流的污染，避免输入电流产生明显的高频噪声与低频畸变，提升输入电流质量。另一方面，本发明在三相电流型PWM整流器中增加的谐波注入单元400为可以产生低次谐波，并施加到桥臂开关管上，从而降低桥臂开关管的电压应力。
实施例2
本发明还提供一种三相电流型PWM整流器的控制系统，所述控制系统包括：
扇区划分模块，用于根据输入滤波单元的三相输入电压的相对关系，将一个输入电压周期划分为若干个扇区；
模态划分模块，用于每个扇区内将整流器的工作状态划分为第一模态、第二模态以及第三模态，其中，所述整流器包括有源开关单元，所述有源开关单元包括三个并联的桥臂，每个桥臂包括一个开关管，第一模态和第二模态均有两个桥臂导通，第三模态有三个桥臂均不导通；
环流通路形成模块，用于每个扇区的每个模态下，整流器形成至少两条高频电流通路，所述至少两条高频电流通路是共模电流在整流器内部的环流通路。
具体的，所述扇区划分模块，还用于：根据输入滤波单元的三相输入电压的相对关系，将一个输入电压周期划分为12个扇区，当三相输入电压满足
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Claims (7)

1.一种三相电流型PWM整流器的控制系统，所述整流器包括输入滤波单元、有源开关单元、谐波注入单元以及输出滤波单元，所述有源开关单元包括三个并联的桥臂，每个桥臂包括一个开关管，输入滤波单元的每一相分别通过三个桥臂对应的开关管与输出滤波单元连接，所述谐波注入单元分别与输入滤波单元以及输出滤波单元连接，其特征在于，控制系统包括：扇区划分模块，用于根据输入滤波单元的三相输入电压的相对关系，将一个输入电压周期划分为若干个扇区；模态划分模块，用于每个扇区内所述整流器的工作状态为第一模态、第二模态以及第三模态，其中，第一模态和第二模态均有两个桥臂导通，第三模态有三个桥臂均不导通；环流通路形成模块，用于每个扇区的每个模态下，所述整流器形成至少两条高频电流通路，所述至少两条高频电流通路是共模电流在整流器内部的环流通路；
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2.根据权利要求1所述的一种三相电流型PWM整流器的控制系统，其特征在于，所述根据输入滤波单元的三相输入电压的相对关系，将一个输入电压周期划分为若干个扇区，包括：
根据输入滤波单元的三相输入电压的相对关系，将一个输入电压周期划分为12个扇区，当三相输入电压满足
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3.根据权利要求2所述的一种三相电流型PWM整流器的控制系统，其特征在于，所述第一扇区至第六扇区内整流器的工作状态分别一一对应的与第七扇区至第十二扇区内整流器的工作状态对称。
4.根据权利要求3所述的一种三相电流型PWM整流器的控制系统，其特征在于，所述三个并联的桥臂对应的开关管分别为开关管
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导通，开关管/>
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导通，开关管/>
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关断；所述第二扇区在第一模态下开关管/>
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导通，开关管/>
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关断，开关管/>
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导通，所述第二扇区在第二模态下开关管/>
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关断，开关管/>
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导通，开关管/>
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导通；所述第三扇区在第一模态下开关管/>
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关断，开关管/>
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导通，开关管/>
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导通，所述第三扇区在第二模态下开关管/>
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导通，开关管/>
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关断，开关管/>
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导通；所述第四扇区在第一模态下开关管
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关断，开关管/>
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导通，开关管/>
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导通，所述第四扇区在第二模态下开关管/>
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导通，开关管
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导通，开关管/>
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关断；所述第五扇区在第一模态下开关管/>
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导通，开关管/>
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导通，开关管
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关断，所述第五扇区在第二模态下开关管/>
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关断，开关管/>
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导通，开关管/>
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导通；所述第六扇区在第一模态下开关管/>
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导通，开关管/>
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导通，开关管/>
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关断，所述第六扇区在第二模态下开关管/>
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导通，开关管/>
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关断，开关管/>
Figure QLYQS_54
导通。
5.根据权利要求1所述的一种三相电流型PWM整流器的控制系统，其特征在于，所述桥臂中的开关管的电压应力为
Figure QLYQS_85
，其中，/>
Figure QLYQS_86
为谐波注入单元所产生的谐波电压，/>
Figure QLYQS_87
为输入滤波单元加载到第i个开关管的相电压。
6.根据权利要求1所述的一种三相电流型PWM整流器的控制系统，其特征在于，所述输入滤波单元包括三个结构相同的LC滤波器，每个LC滤波器分别与三相输入电压中的一相连接，其中一个LC滤波器包括电容
Figure QLYQS_88
以及电感/>
Figure QLYQS_92
，所述电感/>
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的一端与三相输入电压中的A相输入电压/>
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连接，所述电感/>
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的另一端、电容/>
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的一端以及有源开关单元的一个桥臂连接，所述电容/>
Figure QLYQS_95
的另一端与电容/>
Figure QLYQS_90
的一端连接。
7.根据权利要求6所述的一种三相电流型PWM整流器的控制系统，其特征在于，所述有源开关单元的三个并联的桥臂结构相同，其中一个桥臂包括开关管
Figure QLYQS_96
、二极管D1至二极管D4，所述开关管/>
Figure QLYQS_97
的源极、二极管D3的阳极以及二极管D1的阳极连接，所述二极管D3的阴极作为该桥臂的一端与另外两个桥臂的一端连接，所述二极管D1的阴极、二极管D2的阳极以及电容/>
Figure QLYQS_98
的一端连接，所述二极管D2的阴极、开关管/>
Figure QLYQS_99
的漏极以及二极管D4的阴极连接，所述二极管D4的阳极作为该桥臂的另一端与另外两个桥臂的另一端连接。
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