CN118074542A - 一种单相单管非对称h桥七电平整流器 - Google Patents

Abstract

一种单相单管非对称H桥七电平整流器，包括交流电源U_g、电感L、二极管D₁～D₇、开关管S₁～S₅、电容C₁、电容C₂、电容C₃。其中开关管S₂、S₃串联后并在二极管桥臂D₂、D₃两侧，其中点与两器件单元中点相连，构成嵌入式单元；开关管S₄，二极管D₄、D₅和开关管S₅，二极管D₆、D₇分别连接构成两个器件单元，并与电容C₁、C₂、C₃组成直流侧输出单元，从而实现七个电平的输出电压。本发明与传统桥式整流器相比，通过采用嵌入式结构，能够灵活地调节输出电压，提高功率传输效率，减少谐波产生，提高电流波形质量。七电平整流电路的控制系统可以实现精确的电压和电流控制，满足不同负载的需求，适用于大容量、中高压交直流混合微电网等工业应用场合。

Description

一种单相单管非对称H桥七电平整流器

技术领域

本发明涉及一种单相多电平整流器，特别是一种单相单管非对称H桥七电平整流器。

背景技术

随着电子设备的普及和发展，在市电等级应用领域中，通常采用的是两电平变流器拓扑结构，然而传统的单相两电平整流电路在正常工作时输出电压波动较大，容易引起负载工作不稳定，对负载设备造成不利影响。为了提高电能质量和降低电磁干扰，多电平整流技术成为了发展的方向。通过使用多电平整流技术，可以提高设备的电能转换效率，减少能量损耗，为工业生产提供更可靠的电力支持。通过控制多电平整流器的电压输出，可以实现对电力电子设备供电电压的调节和稳定，对于保证电力电子设备的正常工作，提高设备的稳定性具有重要意义。多电平整流技术相对于传统的两电平整流技术具有更高的系统效率、更高的电能质量、更低的谐波含量、更高的可靠性和更强的适应性。

发明内容

本发明提出一种单相单管非对称H桥七电平整流器，该七电平整流器采用嵌入式结构，可以实现更好的电流和电压分配，减少了二极管的负载压力，从而提高整流器的可靠性。该七电平整流器可以产生七个不同电平的直流输出，相比于传统两电平整流器，可以更好地滤除交流电中的谐波；从而减小谐波失真，提供更加稳定和高效的电力转换。

本发明采取的技术方案为：

一种单相单管非对称H桥七电平整流器，该整流器包括：

交流电源U_g，电感L，二极管D₁～D₇，开关管S₁～S₅，电容C₁、电容C₂、电容C₃；

交流电源U_g一侧连接接地端，交流电源U_g的另一侧连接电感L一端，电感L的一端分别连接开关管S₁的源极、二极管D₁的阴极，其连接点构成节点a；

开关管S₁的漏极分别连接开关管S₂的漏极、二极管D₂的阴极，其连接点构成节点c；

二极管D₁的阳极分别连接二极管D₃的阳极、开关管S₃的源极，其连接点构成节点d；

二极管D₂的阳极、二极管D₃的阴极均连接接地端，其连接点构成节点b；

开关管S₂的源极分别连接开关管S₃的漏极、开关管S₄的源极、开关管S₅的漏极、二极管D₅的阳极、二极管D₆的阴极，其连接点构成节点o；

开关管S₄的漏极连接二极管D₄的阴极；二极管D₄的阳极分别连接二极管D₅的阴极、电容C₁的负极、电容C₂的正极，其连接点构成节点e；

开关管S₅的源极连接二极管D₇的阳极；二极管D₇的阴极分别二极管D₆的阳极、电容C₂的负极、电容C₃的正极，其连接点构成节点f；

电容C₁的正极与负载R_L的一端相连，其连接点构成节点p，节点p连接节点c；

电容C₃的负极与负载R_L的另一端相连，其连接点构成节点m，节点m连接节点d。

所述七电平整流器的整流桥中四个二极管D₁、D₂、D₃、D₄均替换成含有反并联二极管的MOSFET、或者IGBT、或者IGCT的开关管，可以提高整流效率、减小功耗和电压损耗，同时具有较好的可控性、逆向阻断能力和散热性能。

所述七电平整流器中，开关管S₄，二极管D₄、D₅和开关管S₅，二极管D₆、D₇分别连接构成两个器件单元，并与电容C₁、C₂、C₃组成直流侧输出单元。

所述七电平整流器中，开关管S₂、S₃串联后并在二极管桥臂D₂、D₃两侧，其中点与两器件单元中点相连，构成嵌入式单元。

所述七电平整流器，包括8种工作模态：

模态1：开关管S₁、S₂、S₃、S₄、S₅全部关断，电流流经电感L，开关管S₁的反并联二极管，电容C₁、C₂、C₃，二极管D₃后返回电源U_g；此时电感L与电源U_g同时向电容C₁、C₂、C₃充电，并提供负载电流i_dc，电感电流线性减小，电压U_ab＝U₁+U₂+U₃＝+U_dc；

模态2：开关管S₁、S₂、S₄、S₅全部关断，S₃导通，电流流经电感L，开关管S₁的反并联二极管，电容C₁、C₂，二极管D₆，开关管S₃，二极管D₃后返回电源U_g；此时电感L与电源U_g同时向电容C₁、C₂充电，电容C₃提供负载电流i_dc，电感电流线性减小，电压U_ab＝U₁+U₂＝+2/3U_dc；

模态3：开关管S₁、S₂、S₅全部关断，S₃、S₄导通，电流流经电感L，开关管S₁的反并联二极管，电容C₁，二极管D₄，开关管S₃、S₄，二极管D₃后返回电源U_g；此时电感L与电源U_g同时向电容C₁充电，电容C₂、C₃同时提供负载电流i_dc，电感电流继续线性减小，电压U_ab＝U₁＝+1/3U_dc；

模态4：开关管S₁、S₄、S₅全部关断，S₂、S₃导通，电流流经电感L，开关管S₁的反并联二极管，开关管S₂、S₃，二极管D₃后返回电源U_g；此时电源U_g向电感L充电，电感电流线性增加，电容C₁、C₂、C₃同时提供负载电流i_dc，电压U_ab＝0；

模态5：开关管S₂、S₃、S₄、S₅全部关断，S₁导通，电流流经二极管D₂，开关管S₁，电感L后返回电源U_g；此时电源U_g向电感L充电，电感电流线性增加，电容C₁、C₂、C₃同时提供负载电流i_dc，电压U_ab＝0；

模态6：开关管S₁、S₃、S₄全部关断，S₂、S₅导通，电流流经二极管D₂，开关管S₂、S₅，二极管D₇，电容C₃，二极管D₁，电感L后返回电源U_g；此时电源U_g与电感L向电容C₃充电，电感电流线性减小，电容C₁、C₂同时提供负载电流i_dc，电压U_ab＝U₁＝-1/3U_dc；

模态7：开关管S₁、S₃、S₄、S₅全部关断，S₂导通，电流流经二极管D₂，开关管S₂，二极管D₅，电容C₂、C₃，二极管D₁，电感L后返回电源U_g；此时电源U_g与电感L向电容C₂、C₃充电，电感电流线性减小，电容C₁提供负载电流i_dc，电压U_ab＝U₂+U₃＝-2/3U_dc；

模态8：开关管S₁、S₂、S₃、S₄、S₅全部关断，电流流经二极管D₂，电容C₁、C₂、C₃，二极管D₁，电感L后返回电源U_g；此时电源U_g与电感L向电容C₁、C₂、C₃充电，电感电流线性减小，电容C₁、C₂、C₃同时提供负载电流i_dc，电压U_ab＝U₁+U₂+U₃＝-U_dc。

8种工作模态中，电容电压U₁＝U₂＝U₃＝1/3U_dc。

本发明一种单相单管非对称H桥七电平整流器，有益效果如下：

1)本发明整流器电路本身具有升压、整流功能，直流侧三个等值电容采用同向串级方式实现七电平电路，功率器件电压应力低，可以选择价格低廉的开关器件，节约成本。

2)本发明采用嵌入式结构，使得整流器能够根据工作条件和电能质量需求进行动态调整，提高了整流器的通用性。

3)本发明的七电平整流电路，相比于传统两电平整流电路，有利于减少谐波产生，提高功率传输效率，提高电流波形质量。

附图说明

图1是本发明一种单相单管非对称H桥七电平整流器电路原理图。

图2为七电平整流器工作模态1电流路径示意图；

图3为七电平整流器工作模态2电流路径示意图；

图4为七电平整流器工作模态3电流路径示意图；

图5为七电平整流器工作模态4电流路径示意图；

图6为七电平整流器工作模态5电流路径示意图；

图7为七电平整流器工作模态6电流路径示意图；

图8为七电平整流器工作模态7电流路径示意图；

图9为七电平整流器工作模态8电流路径示意图。

图10是本发明中七电平整流器载波调制策略示意图。

图11为七电平整流器输入电压U_g和电流i_g波形图。

图12为七电平整流器电压U_ab波形图。

图13为七电平整流器输出直流电压U_dc波形图。

图14为七电平整流器负载减半时电压U_ab波形图；

图15为七电平整流器负载减半时输出直流电压U_dc波形图。

具体实施方式

如图1所示，一种单相单管非对称H桥七电平整流器，该整流器包括：

交流电源U_g，电感L，二极管D₁～D₇，开关管S₁～S₅，电容C₁、电容C₂、电容C₃；

交流电源U_g一侧连接接地端，交流电源U_g的另一侧连接电感L一端，电感L的一端分别连接开关管S₁的源极、二极管D₁的阴极，其连接点构成节点a；

开关管S₁的漏极分别连接开关管S₂的漏极、二极管D₂的阴极，其连接点构成节点c；

二极管D₁的阳极分别连接二极管D₃的阳极、开关管S₃的源极，其连接点构成节点d；

二极管D₂的阳极、二极管D₃的阴极均连接接地端，其连接点构成节点b；

开关管S₂的源极分别连接开关管S₃的漏极、开关管S₄的源极、开关管S₅的漏极、二极管D₅的阳极、二极管D₆的阴极，其连接点构成节点o；

开关管S₄的漏极连接二极管D₄的阴极；二极管D₄的阳极分别连接二极管D₅的阴极、电容C₁的负极、电容C₂的正极，其连接点构成节点e；

开关管S₅的源极连接二极管D₇的阳极；二极管D₇的阴极分别二极管D₆的阳极、电容C₂的负极、电容C₃的正极，其连接点构成节点f；

电容C₁的正极与负载R_L的一端相连，其连接点构成节点p，节点p连接节点c；

电容C₃的负极与负载R_L的另一端相连，其连接点构成节点m，节点m连接节点d。

所述七电平整流器的整流桥中四个二极管D₁、D₂、D₃、D₄均替换成含有反并联二极管的MOSFET、或者IGBT、或者IGCT的开关管，可以提高整流效率、减小功耗和电压损耗，同时具有较好的可控性、逆向阻断能力和散热性能。

所述七电平整流器中，开关管S₄，二极管D₄、D₅和开关管S₅，二极管D₆、D₇分别连接构成两个器件单元，并与电容C₁、C₂、C₃组成直流侧输出单元。

所述七电平整流器中，开关管S₂、S₃串联后并在二极管桥臂D₂、D₃两侧，其中点与两器件单元中点相连，构成嵌入式单元。

下面说明本发明电路一种单相单管非对称H桥七电平整流器的具体工作原理：

七电平整流器共有8种工作模态，其中：电容电压U₁＝U₂＝U₃＝1/3U_dc，具体分析过程如下：

图2为模态1电流路径示意图：开关管S₁、S₂、S₃、S₄、S₅全部关断，电流流经电感L，开关管S₁的反并联二极管，电容C₁、C₂、C₃，二极管D₃后返回电源U_g；此时电感L与电源U_g同时向电容C₁、C₂、C₃充电，并提供负载电流i_dc，电感电流线性减小，电压U_ab＝U₁+U₂+U₃＝+U_dc。

图3为模态2电流路径示意图：开关管S₁、S₂、S₄、S₅全部关断，S₃导通，电流流经电感L，开关管S₁的反并联二极管，电容C₁、C₂，二极管D₆，开关管S₃，二极管D₃后返回电源U_g；此时电感L与电源U_g同时向电容C₁、C₂充电，电容C₃提供负载电流i_dc，电感电流线性减小，电压U_ab＝U₁+U₂＝+2/3U_dc。

图4为模态3电流路径示意图：开关管S₁、S₂、S₅全部关断，S₃、S₄导通，电流流经电感L，开关管S₁的反并联二极管，电容C₁，二极管D₄，开关管S₃、S₄，二极管D₃后返回电源U_g；此时电感L与电源U_g同时向电容C₁充电，电容C₂、C₃同时提供负载电流i_dc，电感电流继续线性减小，电压U_ab＝U₁＝+1/3U_dc。

图5为模态4电流路径示意图：开关管S₁、S₄、S₅全部关断，S₂、S₃导通，电流流经电感L，开关管S₁的反并联二极管，开关管S₂、S₃，二极管D₃后返回电源U_g；此时电源U_g向电感L充电，电感电流线性增加，电容C₁、C₂、C₃同时提供负载电流i_dc，电压U_ab＝0。图6为模态5电流路径示意图：开关管S₂、S₃、S₄、S₅全部关断，S₁导通，电流流经二极管D₂，开关管S₁，电感L后返回电源U_g；此时电源U_g向电感L充电，电感电流线性增加，电容C₁、C₂、C₃同时提供负载电流i_dc，电压U_ab＝0。

图7为模态6电流路径示意图：开关管S₁、S₃、S₄全部关断，S₂、S₅导通，电流流经二极管D₂，开关管S₂、S₅，二极管D₇，电容C₃，二极管D₁，电感L后返回电源U_g；此时电源U_g与电感L向电容C₃充电，电感电流线性减小，电容C₁、C₂同时提供负载电流i_dc，电压U_ab＝U₁＝-1/3U_dc。

图8为模态7电流路径示意图：开关管S₁、S₃、S₄、S₅全部关断，S₂导通，电流流经二极管D₂，开关管S₂，二极管D₅，电容C₂、C₃，二极管D₁，电感L后返回电源U_g；此时电源U_g与电感L向电容C₂、C₃充电，电感电流线性减小，电容C₁提供负载电流i_dc，电压U_ab＝U₂+U₃＝-2/3U_dc。

图9为模态8电流路径示意图：开关管S₁、S₂、S₃、S₄、S₅全部关断，电流流经二极管D₂，电容C₁、C₂、C₃，二极管D₁，电感L后返回电源U_g；此时电源U_g与电感L向电容C₁、C₂、C₃充电，电感电流线性减小，电容C₁、C₂、C₃同时提供负载电流i_dc，电压U_ab＝U₁+U₂+U₃＝-U_dc。

表1为整流器开关管脉冲分配方式、直流侧电容工作状态以及电压U_ab对应关系表，其中开关管的导通与关断由“1”和“0”分别表示。

表1整流器开关管脉冲分配方式、直流侧电容工作状态以及电压U_ab对应关系表

图10是本发明中七电平整流器多载波调制策略示意图，如图10所示，调制信号U_ref为正弦波，其与三角载波信号V_i(i＝1，2，3……6，i为正整数)进行比较，当U_ref>V_i时，相对应工作模式下的开关管导通，否则关断，进而调制输出近似于正弦化的电压U_ab波形，根据七电平整流器的8种工作模式，可将电压U_ab划分为六个电压区间，即区间一(+2/3U_dc，+U_dc)，区间二(+1/3U_dc，+2/3U_dc)，区间三(0，+1/3U_dc)，区间四(-1/3U_dc，0)，区间五(-2/3U_dc，-1/3U_dc)，区间六(-U_dc，-2/3U_dc)，电压U_ab共有七个电平状态：0、+1/3U_dc、-1/3U_dc、+2/3U_dc、-2/3U_dc、+U_dc、-U_dc。

为验证本发明一种单相单管非对称H桥七电平整流器能够实现七电平功能，在多载波调制策略下，进行实验验证，实验参数：输入电压有效值220V，工作频率50Hz，电感2mH，三个等值电容4000uF，开关频率10kHz，负载50Ω。

图11为七电平整流器输入电压U_g和电流i_g波形图，本发明通过在节点a、b间实现七个电平，有利于提高输入电流的正弦度，可进一步减小网侧电流谐波含量，如图11波形所示，电压电流同相位，即实现了功率因数校正功能。

图12为七电平整流器电压U_ab波形图，如图10所示，本发明七电平整流器通过给各个模态下的开关管分配脉冲，采用多载波调制策略，输出七电平电压波形U_ab，实验验证和理论分析结果一致。

图13为七电平整流器输出直流电压U_dc波形图，本发明设计了输入220V/输出400V的七电平整流器，由图13波形可知，实现了电压U_dc稳定输出。

图14为七电平整流器负载减半时桥臂电压U_ab波形图，当负载由50Ω在0.25s时突变减载至25Ω，在0.3s恢复至50Ω时，从波形可看出电压U_ab无明显波动。

图15为七电平整流器负载减半时输出直流电压U_dc波形图，输出直流电压U_dc波形在0.25s～0.3s略有微调并迅速恢复至稳定状态，表明采用多载波调制策略下的七电平整流器，系统动态调节能力强，抗扰动性能好。

Claims (6)

1.一种单相单管非对称H桥七电平整流器，其特征在于,该整流器包括：

交流电源U_g，电感L，二极管D₁～D₇，开关管S₁～S₅，电容C₁、电容C₂、电容C₃；

交流电源U_g一侧连接接地端，交流电源U_g的另一侧连接电感L一端，电感L的一端分别连接开关管S₁的源极、二极管D₁的阴极，其连接点构成节点a；

开关管S₁的漏极分别连接开关管S₂的漏极、二极管D₂的阴极，其连接点构成节点c；

二极管D₁的阳极分别连接二极管D₃的阳极、开关管S₃的源极，其连接点构成节点d；

二极管D₂的阳极、二极管D₃的阴极均连接接地端，其连接点构成节点b；

开关管S₂的源极分别连接开关管S₃的漏极、开关管S₄的源极、开关管S₅的漏极、二极管D₅的阳极、二极管D₆的阴极，其连接点构成节点o；

开关管S₄的漏极连接二极管D₄的阴极；二极管D₄的阳极分别连接二极管D₅的阴极、电容C₁的负极、电容C₂的正极，其连接点构成节点e；

开关管S₅的源极连接二极管D₇的阳极；二极管D₇的阴极分别二极管D₆的阳极、电容C₂的负极、电容C₃的正极，其连接点构成节点f；

电容C₁的正极与负载R_L的一端相连，其连接点构成节点p，节点p连接节点c；

电容C₃的负极与负载R_L的另一端相连，其连接点构成节点m，节点m连接节点d。

2.根据权利要求1所述一种单相单管非对称H桥七电平整流器，其特征在于：所述七电平整流器的整流桥中四个二极管D₁、D₂、D₃、D₄均替换成含有反并联二极管的MOSFET、或者IGBT、或者IGCT的开关管。

3.根据权利要求1所述一种单相单管非对称H桥七电平整流器，其特征在于：所述七电平整流器中，开关管S₄，二极管D₄、D₅和开关管S₅，二极管D₆、D₇分别连接构成两个器件单元，并与电容C₁、C₂、C₃组成直流侧输出单元。

4.根据权利要求3所述一种单相单管非对称H桥七电平整流器，其特征在于：所述七电平整流器中，开关管S₂、S₃串联后并在二极管桥臂D₂、D₃两侧，其中点与两器件单元中点相连，构成嵌入式单元。

5.如权利要求1～4所述任意一项单相单管非对称H桥七电平整流器，其特征在于：所述七电平整流器，包括8种工作模态：

模态1：开关管S₁、S₂、S₃、S₄、S₅全部关断，电流流经电感L，开关管S₁的反并联二极管，电容C₁、C₂、C₃，二极管D₃后返回电源U_g；此时电感L与电源U_g同时向电容C₁、C₂、C₃充电，并提供负载电流i_dc，电感电流线性减小，电压U_ab＝U₁+U₂+U₃＝+U_dc；模态2：开关管S₁、S₂、S₄、S₅全部关断，S₃导通，电流流经电感L，开关管S₁的反并联二极管，电容C₁、C₂，二极管D₆，开关管S₃，二极管D₃后返回电源U_g；此时电感L与电源U_g同时向电容C₁、C₂充电，电容C₃提供负载电流i_dc，电感电流线性减小，电压U_ab＝U₁+U₂＝+2/3U_dc；

模态3：开关管S₁、S₂、S₅全部关断，S₃、S₄导通，电流流经电感L，开关管S₁的反并联二极管，电容C₁，二极管D₄，开关管S₃、S₄，二极管D₃后返回电源U_g；此时电感L与电源U_g同时向电容C₁充电，电容C₂、C₃同时提供负载电流i_dc，电感电流继续线性减小，电压U_ab＝U₁＝+1/3U_dc；

模态4：开关管S₁、S₄、S₅全部关断，S₂、S₃导通，电流流经电感L，开关管S₁的反并联二极管，开关管S₂、S₃，二极管D₃后返回电源U_g；此时电源U_g向电感L充电，电感电流线性增加，电容C₁、C₂、C₃同时提供负载电流i_dc，电压U_ab＝0；

模态5：开关管S₂、S₃、S₄、S₅全部关断，S₁导通，电流流经二极管D₂，开关管S₁，电感L后返回电源U_g；此时电源U_g向电感L充电，电感电流线性增加，电容C₁、C₂、C₃同时提供负载电流i_dc，电压U_ab＝0；

模态6：开关管S₁、S₃、S₄全部关断，S₂、S₅导通，电流流经二极管D₂，开关管S₂、S₅，二极管D₇，电容C₃，二极管D₁，电感L后返回电源U_g；此时电源U_g与电感L向电容C₃充电，电感电流线性减小，电容C₁、C₂同时提供负载电流i_dc，电压U_ab＝U₁＝-1/3U_dc；

模态7：开关管S₁、S₃、S₄、S₅全部关断，S₂导通，电流流经二极管D₂，开关管S₂，二极管D₅，电容C₂、C₃，二极管D₁，电感L后返回电源U_g；此时电源U_g与电感L向电容C₂、C₃充电，电感电流线性减小，电容C₁提供负载电流i_dc，电压U_ab＝U₂+U₃＝-2/3U_dc；

模态8：开关管S₁、S₂、S₃、S₄、S₅全部关断，电流流经二极管D₂，电容C₁、C₂、C₃，

二极管D₁，电感L后返回电源U_g；此时电源U_g与电感L向电容C₁、C₂、C₃充电，电感电流线性减小，电容C₁、C₂、C₃同时提供负载电流i_dc，电压U_ab＝U₁+U₂+U₃＝-U_dc。

6.根据权利要求5所述一种单相单管非对称H桥七电平整流器，其特征在于：8种工作模态中，电容电压U₁＝U₂＝U₃＝1/3U_dc。