CN118074543A - 一种单相半控非对称多管桥臂七电平整流器 - Google Patents

一种单相半控非对称多管桥臂七电平整流器 Download PDF

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陈伟涛
李文静
陈国芳
刘慧群
杨家星
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Abstract

一种单相半控非对称多管桥臂七电平整流器，包括交流电源Ug，电感L，二极管D1～D6，开关管S1～S8，电容C1～C3；其中，开关管S3，S4，S5，S6共同构成开关管桥；开关管S7，S8和二极管D3，D4，D5，D6分别构成两个对称的回路。本发明相较于传统两电平整流电路，具有更多的电平输出，能够减小谐波含量，并能有效减小滤波电感的体积；由于电压应力分布更均匀，所以功率器件承受的电压应力更小，且连续高频开关的工作时长都不长，没有增加额外的散热需求，所以可以降低选用标准，减少系统的成本；输出的电压更稳定，适用于中高压大功率场合。

Description

一种单相半控非对称多管桥臂七电平整流器
技术领域
本发明涉及一种单相多电平整流器，特别是一种单相半控非对称多管桥臂七电平整流器。
背景技术
随着电力电子技术的高速发展，相关技术对系统效率，电能质量和精度要求越来越高。在中高压大功率场合下，由于高压直流输电系统的电压等级以及功率容量比较高，电力电子器件耐压能力将受到限制，网侧产生的高次谐波也影响着电力系统的正常运行。在现代电力电子的应用领域中，经常使用的单相两电平变流器的拓扑结构逐渐无法满足现代电力电子设备的需求。而多电平整流技术在大容量，中高电压场合具有更多的应用方向，多电平变流器的使用可以获得更多等级的输出电压，同时使输出的电压波形更接近于正弦波，降低对电网的谐波污染，且具有更高的效率。因此结构简单，模块化程度高，换流方式简单的多电平拓扑成为学术界的一个研究热点。
发明内容
本发明提出一种单相半控非对称多管桥臂七电平整流器，采用了较多的开关器件，具有更高的控制性；在同等功率等级下，相比于传统两电平整流器，能够实现更多电平的输出，谐波含量低、滤波电感体积更小、功率器件电压应力低。
本发明采取的技术方案为：
一种单相半控非对称多管桥臂七电平整流器，该整流器包括：
交流电源Ug，电感L，开关管S1～S8，二极管D1～D6，电容C1～C3；
交流电源Ug一侧连接接地端，交流电源Ug另一侧连接电感L一端，电感L的另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的漏极连接开关管S2的漏极，其连接点构成节点p；
二极管D1的阳极连接二极管D2的阳极，其连接点构成节点m；
开关管S2的源极分别连接开关管S3的漏极、开关管S5的漏极；
开关管S3的源极分别连接开关管S4的漏极、接地端，其连接点构成节点b；
开关管S5的源极分别连接开关管S7的源极，二极管D4的阳极，开关管S6的漏极，开关管S8的漏极，二极管D5的阴极；
开关管S4的源极分别连接开关管S6的源极，二极管D2的阴极；
开关管S7的漏极连接二极管D3的阴极，开关管S8的源极连接二极管D6的阳极；
二极管D3的阳极分别连接二极管D4的阴极、电容C1的负极、电容C2的正极，其连接点构成节点e；
二极管D5的阳极分别连接二极管D6的阴极、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RL的一端相连，共同连接于节点p；
电容C3的负极与负载RL的另一端相连，共同连接于节点m。
所述开关管S1～S8均为含有反并联二极管的MOSFET、或者IGBT、或者IGCT。
所述电容C1、电容C2、电容C3，这三个电容值相等，即C1＝C2＝C3。
包括8种工作模态：
(1)电源Ug工作于正半周期：
模态1：开关管S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8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，电容C2，电容C3，二极管D2，开关管S4的反并联二极管后流入共地极；此时电感L和电源Ug同时向电容C1，C2，C3充电，电感电流线性减小。电压Uab＝UC1+UC2+UC3＝+Udc。
模态2：开关管S1，S2，S3，S4，S5，S7，S8全部关断，S6导通。电流流经电感L，开关管S1的反并联二极管，电容C1，电容C2，二极管D5，开关管S6，开关管S4的反并联二极管后流入共地极；此时电感L和电源Ug同时向电容C1，C2充电，电感电流线性减小，同时电容C3向负载提供负载电流。电压
模态3：开关管S1，S2，S3，S4，S5，S8全部关断，S6，S7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D3，开关管S7，开关管S6，开关管S4的反并联二极管后流入共地极；此时电源Ug和电感L同时向电容C1充电，电感电流线性减小，同时电容C2，C3向负载提供负载电流。电压
模态4：开关管S1，S4，S5，S6，S7，S8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，开关管S3后流入共地极；此时电源Ug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。电压Uab＝0。
(2)电源Ug工作于负半周期：
模态5：开关管S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8全部关断，S1导通。电流流经开关管S3的反并联二极管，开关管S2的反并联二极管，开关管S1，电感L后返回电源Ug；此时电源Ug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。电压Uab＝0。
模态6：开关管S1，S2，S3，S4，S6，S7全部关断，S5，S8导通。电流流经开关管S3的反并联二极管，开关管S5，开关管S8，二极管D6，电容C3，二极管D1，电感L后返回电源Ug；此时电源Ug和电感L向电容C3充电，电感电流线性减小，电容C2，C3向负载提供负载电流。
模态7：开关管S1，S2，S3，S4，S6，S7，S8全部关断，S5导通。电流流经开关管S3的反并联二极管，开关管S5，二极管D4，电容C2，电容C3，二极管D1，电感L后返回电源Ug；此时电源Ug和电感L向电容C2，C3充电，电感电流线性减小，电容C1向负载提供负载电流。
模态8：开关管S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8全部关断。电流流经开关管S3的反并联二极管，开关管S2的反并联二极管，电容C1，C2，C3，二极管D1，电感L后返回电源Ug；此时电源Ug和电感L向电容C1，C2，C3充电，电感电流线性减小。Uab＝UC1+UC2+UC3＝-Udc。
8种工作模态中，电容电压
本发明一种单相半控非对称多管桥臂七电平整流器，技术效果如下：
1)本发明七电平整流器电路本身具有升压和整流的功能，直流侧的三个等值电容采用同向串级的方式实现七电平电路，功率器件承受电压应力低，可以降低选择开关器件的标准，节约成本。
2)本发明七电平整流器电路的能够有效降低谐波含量，从而减小所需要使用滤波电感的体积，达到更高的功率密度。
附图说明
图1是本发明一种单相半控非对称多管桥臂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Ug和电流ig波形图。
图12为七电平整流器电压Uab波形图。
图13为七电平整流器输出直流电压Ud波形图。
图14为七电平整流器负载减半时电压Uab波形图；
图15为七电平整流器负载减半时输出直流电压Ud波形图。
具体实施方式
如图1所示，一种单相半控非对称多管桥臂七电平整流器，该整流器包括：
交流电源Ug，电感L，开关管S1～S8，二极管D1～D6，电容C1，电容C2，电容C3；
交流电源Ug一端与电感L相连，另一端连接到共地极；
电感L的另一端分别与开关管S1的源极，二极管D1的阴极相连，共同连接于节点a；
开关管S1的漏极与开关管S2的漏极相连，相连于节点p；
二极管D1的阳极与二极管D2的阳极相连，相连于节点m；
开关管S2的源极与开关管S3的漏极。开关管S5的漏极相连；
开关管S3的源极与开关管S4的漏极相连，连接于节点b；
开关管S4的源极与开关管S6的源极，二极管D2的阴极相连；
开关管S5的源极与开关管S7的源极，二极管D4的阳极，开关管S6的漏极，开关管S8的漏极，二极管D5的阴极相连；
开关管S7的漏极与二极管D3的阴极相连；
开关管S8的源极与二极管D6的阳极相连；
二极管D3的阳极与二极管D4的阴极相连，相连于节点e；
二极管D5的阳极与二极管D6的阴极相连，相连于节点f；
电容C1的正极与负载RL的一端相连，共同连接于节点p；
电容C1的负极与电容C2的正极相连，共同连接于节点e；
电容C2的负极与电容C3的正极相连，共同连接于节点f；
电容C3的负极与负载RL的另一端相连，共同连接于节点m；
其中：开关管S3，S4，S5，S6共同构成开关管桥；开关管S7，S8和二极管D3，D4，D5，D6分别构成两个对称的回路。
所述开关管S1～S8是含有反并联二极管的MOSFET或IGBT或IGCT。
所述电容C1，电容C2，电容C3，电容值C1＝C2＝C3。
下面说明本发明电路一种单相半控非对称多管桥臂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：电容电压具体分析过程如下：(1)电源Ug工作于正半周期：
图2为模态1电流路径示意图：开关管S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8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，电容C2，电容C3，二极管D2，开关管S4的反并联二极管后流入共地极；此时电感L和电源Ug同时向电容C1，C2，C3充电，电感电流线性减小。电压Uab＝UC1+UC2+UC3＝+Udc；
图3为模态2电流路径示意图：开关管S1，S2，S3，S4，S5，S7，S8全部关断，S6导通。电流流经电感L，开关管S1的反并联二极管，电容C1，电容C2，二极管D5，开关管S6，开关管S4的反并联二极管后流入共地极；此时电感L和电源Ug同时向电容C1，C2充电，电感电流线性减小，同时电容C3向负载提供负载电流。电压
图4为模态3电流路径示意图：开关管S1，S2，S3，S4，S5，S8全部关断，S6，S7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D3，开关管S7，开关管S6，开关管S4的反并联二极管后流入共地极；此时电源Ug和电感L同时向电容C1充电，电感电流线性减小，同时电容C2，C3向负载提供负载电流。电压
图5为模态4电流路径示意图：开关管S1，S4，S5，S6，S7，S8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，开关管S3后流入共地极；此时电源Ug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。电压Uab＝0；
(2)电源Ug工作于负半周期：
图6为模态5电流路径示意图：开关管S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8全部关断，S1导通。电流流经开关管S3的反并联二极管，开关管S2的反并联二极管，开关管S1，电感L后返回电源Ug；此时电源Ug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。电压Uab＝0；
图7为模态6电流路径示意图：开关管S1，S2，S3，S4，S6，S7全部关断，S5，S8导通。电流流经开关管S3的反并联二极管，开关管S5，开关管S8，二极管D6，电容C3，二极管D1，电感L后返回电源Ug；此时电源Ug和电感L向电容C3充电，电感电流线性减小，电容C2，C3向负载提供负载电流。
图8为模态7电流路径示意图：开关管S1，S2，S3，S4，S6，S7，S8全部关断，S5导通。电流流经开关管S3的反并联二极管，开关管S5，二极管D4，电容C2，电容C3，二极管D1，电感L后返回电源Ug；此时电源Ug和电感L向电容C2，C3充电，电感电流线性减小，电容C1向负载提供负载电流。
图9为模态8电流路径示意图：开关管S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8全部关断。电流流经开关管S3的反并联二极管，开关管S2的反并联二极管，电容C1，C2，C3，二极管D1，电感L后返回电源Ug；此时电源Ug和电感L向电容C1，C2，C3充电，电感电流线性减小。Uab＝UC1+UC2+UC3＝-Udc。
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Uab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以及电压Uab对应关系表
图10是本发明七电平整流器多载波调制策略的示意图。如图10所示，调制信号Uref为正弦波，其与三角载波信号Vi(i＝1，2，3……6，i为正整数)进行比较，当Uref＞Vi时，相对应工作模态下的开关管导通，否则关断，进而调制输出近似于正弦化的电压Uab波形，根据七电平整流器的8种工作模态，可将电压Uab划分为六个电压区间，即区间一(+2Ud/3，+Ud)，区间二(+Ud/3，+2Ud/3)，区间三(0，+Ud/3)，区间四(-Ud/3，0)，区间五(-2Ud/3，-Ud/3)，区间六(-Ud，-2Ud/3)，电压Uab共有七个电平状态：+Ud，+2Ud/3，+Ud/3，0，-Ud/3，-2Ud/3，-Ud。
为验证本发明一种单相半控非对称多管桥臂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100Ω。
图11为七电平整流器输入电压Ug和电流ig波形图，其中ig为方便查看，图中数值放大了10倍。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，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Uab波形图，如图10所示，本发明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Uab，且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Ud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Ud稳定输出。
图14和图15分别为七电平整流器负载减半时电压Uab、输出直流电压Ud波形图。当负载由100Ω在0.15s时突变减载至50Ω，在0.2s时恢复至原负载100Ω时，从波形可看出电压Uab无明显波动，输出直流电压Ud波形在0.15s～0.25s时发生波动后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。
本发明相较于传统两电平整流电路，具有更多的电平输出，能够减小谐波含量，并能有效减小滤波电感的体积；由于电压应力分布更均匀，所以功率器件承受的电压应力更小，且连续高频开关的工作时长都不长，没有增加额外的散热需求，所以可以降低选用标准，减少系统的成本；输出的电压更稳定，适用于中高压大功率场合。

Claims (5)

1.一种单相半控非对称多管桥臂七电平整流器，其特征在于，该整流器包括：
交流电源Ug，电感L，开关管S1～S8，二极管D1～D6，电容C1～C3；
交流电源Ug一侧连接接地端，交流电源Ug另一侧连接电感L一端，电感L的另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的漏极连接开关管S2的漏极，其连接点构成节点p；
二极管D1的阳极连接二极管D2的阳极，其连接点构成节点m；
开关管S2的源极分别连接开关管S3的漏极、开关管S5的漏极；
开关管S3的源极分别连接开关管S4的漏极、接地端，其连接点构成节点b；
开关管S5的源极分别连接开关管S7的源极，二极管D4的阳极，开关管S6的漏极，开关管S8的漏极，二极管D5的阴极；
开关管S4的源极分别连接开关管S6的源极，二极管D2的阴极；
开关管S7的漏极连接二极管D3的阴极，开关管S8的源极连接二极管D6的阳极；
二极管D3的阳极分别连接二极管D4的阴极、电容C1的负极、电容C2的正极，其连接点构成节点e；
二极管D5的阳极分别连接二极管D6的阴极、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RL的一端相连，共同连接于节点p；
电容C3的负极与负载RL的另一端相连，共同连接于节点m。
2.根据权利要求1所述一种单相半控非对称多管桥臂七电平整流器，其特征在于：所述开关管S1～S8均为含有反并联二极管的MOSFET、或者IGBT、或者IGCT。
3.根据权利要求1所述一种单相半控非对称多管桥臂七电平整流器，其特征在于：所述电容C1、电容C2、电容C3，这三个电容值相等，即C1＝C2＝C3。
4.根据权利要求1或2或3所述一种单相半控非对称多管桥臂七电平整流器，其特征在于：包括8种工作模态：
模态1：开关管S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8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，电容C2，电容C3，二极管D2，开关管S4的反并联二极管后流入共地极；此时电感L和电源Ug同时向电容C1，C2，C3充电，电感电流线性减小；电压Uab＝UC1+UC2+UC3＝+Udc；
模态2：开关管S1，S2，S3，S4，S5，S7，S8全部关断，S6导通；电流流经电感L，开关管S1的反并联二极管，电容C1，电容C2，二极管D5，开关管S6，开关管S4的反并联二极管后流入共地极；此时电感L和电源Ug同时向电容C1，C2充电，电感电流线性减小，同时电容C3向负载提供负载电流；电压
模态3：开关管S1，S2，S3，S4，S5，S8全部关断，S6，S7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D3，开关管S7，开关管S6，开关管S4的反并联二极管后流入共地极；此时电源Ug和电感L同时向电容C1充电，电感电流线性减小，同时电容C2，C3向负载提供负载电流；电压
模态4：开关管S1，S4，S5，S6，S7，S8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，开关管S3后流入共地极；此时电源Ug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；电压Uab＝0；
模态5：开关管S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8全部关断，S1导通；电流流经开关管S3的反并联二极管，开关管S2的反并联二极管，开关管S1，电感L后返回电源Ug；此时电源Ug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；电压Uab＝0；
模态6：开关管S1，S2，S3，S4，S6，S7全部关断，S5，S8导通；电流流经开关管S3的反并联二极管，开关管S5，开关管S8，二极管D6，电容C3，二极管D1，电感L后返回电源Ug；此时电源Ug和电感L向电容C3充电，电感电流线性减小，电容C2，C3向负载提供负载电流；
模态7：开关管S1，S2，S3，S4，S6，S7，S8全部关断，S5导通；电流流经开关管S3的反并联二极管，开关管S5，二极管D4，电容C2，电容C3，二极管D1，电感L后返回电源Ug；此时电源Ug和电感L向电容C2，C3充电，电感电流线性减小，电容C1向负载提供负载电流；
模态8：开关管S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8全部关断；电流流经开关管S3的反并联二极管，开关管S2的反并联二极管，电容C1，C2，C3，二极管D1，电感L后返回电源Ug；此时电源Ug和电感L向电容C1，C2，C3充电，电感电流线性减小；Uab＝UC1+UC2+UC3＝-Udc。
5.根据权利要求4所述一种单相半控非对称多管桥臂七电平整流器，其特征在于：8种工作模态中，电容电压
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