一种九开关管三相高频隔离型整流电路及其调制方法专利检索-功率转换效率太阳能专利检索查询-专利查询网

一种九 开关管三相高频隔离型整流电路及其调制方法

阅读：953发布：2020-05-08

专利汇可以提供一种九开关管三相高频隔离型整流电路及其调制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供了一种九开关管三相高频隔离型整流电路及其调制方法，整流电路包括交流侧滤波电感、交流侧三相桥臂、隔离变压器、直流侧整流桥臂、输出滤波电容，交流侧滤波电感包含三个电感，交流侧三相桥臂由九个开关管和六个二极管构成，直流侧整流桥臂由四个二极管构成。本发明在实现负载与电网之间电气隔离的同时，提高了电能的转换效率和功率密度。，下面是一种九开关管三相高频隔离型整流电路及其调制方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.九开关管三相高频隔离型整流电路，其特征在于，包括交流侧滤波电感1、交流侧三相桥臂2、隔离变压器3、直流侧整流桥臂4、直流侧滤波电容5，交流侧滤波电感1包括A相电感La、B相电感Lb、C相电感Lc；交流侧三相桥臂2每相桥臂分别由三个开关管和两个二极管组成，其中A相桥臂由第一开关管Qa1、第二开关管Qa2、第三开关管Qa3、第一二极管Dp1、第二二极管Dp2组成，B相桥臂由第四开关管Qb1、第五开关管Qb2、第六开关管Qb3、第三二极管Dp3、第四二极管Dp4组成，C相桥臂由第七开关管Qc1、第八开关管Qc2、第九开关管Qc3、第五二极管Dp5、第六二极管Dp6组成；直流侧整流桥臂4的两个桥臂由四个二极管组成，第一桥臂由第七二极管Ds1、第八二极管Ds2组成，第二桥臂由第九二极管Ds3、第十二极管Ds4组成；
A相电感La、B相电感Lb、C相电感Lc的一端分别接第一二极管Dp1的阴极与第二二极管Dp2的阳极的连接点、第三二极管Dp3的阴极与第四二极管Dp4的阳极的连接点、第五二极管Dp5的阴极与第六二极管Dp6的阳极的连接点，A相电感La、B相电感Lb、C相电感Lc的另一端分别与交流侧电源相连；
第一开关管Qa1的发射极与第二开关管Qa2的发射极相连，连接点再与第一二极管Dp1的阳极相连，第二开关管Qa2的集电极与第三开关管Qa3的集电极相连，连接点再与第二二极管Dp2的阴极相连，第一二极管Dp1的阴极与第二二极管Dp2的阳极相连，第一二极管Dp1的阴极与第二二极管Dp2的阳极的连接点与A相电感La的一端相连，A相电感La的另一端与A相交流侧电源相连；第四开关管Qb1的发射极与第五开关管Qb2的发射极相连，连接点再与第三二极管Dp3的阳极相连，第五开关管Qb2的集电极与第六开关管Qb3的集电极相连，连接点再与第四二极管Dp4的阴极相连，第三二极管Dp3的阴极与第四二极管Dp4的阳极相连，第三二极管Dp3的阴极与第四二极管Dp4的阳极的连接点与B相电感Lb的一端相连，B相电感Lb的另一端与B相交流侧电源相连；第七开关管Qc1的发射极与第八开关管Qc2的发射极相连，连接点再与第五二极管Dp5的阳极相连，第八开关管Qc2的集电极与第九开关管Qc3的集电极相连，连接点再与第六二极管Dp6的阴极相连，第五二极管Dp5的阴极与第六二极管Dp6的阳极相连，第五二极管Dp5的阴极与第六二极管Dp6的阳极的连接点与C相电感Lc的一端相连，C相电感Lc的另一端与C相交流侧电源相连；第一开关管Qa1的集电极与第四开关管Qb1的集电极、第七开关管Qc1的集电极相连，连接点再与变压器的原边绕组的同名端相连；第三开关管Qa3的发射极与第六开关管Qb3的发射极、第九开关管Qc3的发射极相连，连接点再与变压器的原边绕组的异名端相连；
第七二极管Ds1的阳极与第八二极管Ds2的阴极相连，连接点再与变压器副边绕组的同名端相连；第九二极管Ds3的阳极与第十二极管Ds4的阴极相连，连接点再与变压器副边绕组的异名端相连；第七二极管Ds1的阴极与第九二极管Ds3的阴极相连，连接点再与直流侧滤波电容5的正端相连；第八二极管Ds2的阳极与第十二极管Ds4的阳极相连，连接点再与直流侧滤波电容5的负端相连。
2.根据权利要求1所述的九开关管三相高频隔离型整流电路，其特征在于，开关管均是由一个单向开关管和二极管反相并联，其中Qa1由一个单向开关管和二极管Da1并联而成，Qa2由一个单向开关管和二极管Da2并联而成，Qa3由一个单向开关管和二极管Da3并联而成；Qb1由一个单向开关管和二极管Db1并联而成，Qb2由一个单向开关管和二极管Db2并联而成，Qb3由一个单向开关管和二极管Db3并联而成；Qc1由一个单向开关管和二极管Dc1并联而成，Qc2由一个单向开关管和二极管Dc2并联而成，Qc3由一个单向开关管和二极管Dc3并联而成。并联时单向开关管的发射极与二极管的阳极相连，单向开关管的集电极与二极管的阴极相连。
3.根据权利要求2所述的九开关管三相高频隔离型整流电路，其特征在于，二极管Da1、Da2、Da3、Db1、Db2、Db3、Dc1、Dc2、Dc3是IGBT反并二极管或者MOSFET寄生二极管。
4.根据权利要求2所述的九开关管三相高频隔离型整流电路，其特征在于，单向开关管是三极管、IGBT或者MOSFET，针对三极管和IGBT，单向开关管的集电极对应三极管或者IGBT的集电极，单向开关管的发射极对应三极管或者IGBT的发射极；针对MOSFET，单向开关管的集电极对应MOSFET的漏极，单向开关管的发射极对应MOSFET的源极。
5.基于权利要求1-4任一项所述的调制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，采用(SaSbSc)T的格式，定义开关状态；
步骤2，利用开关状态与基本电压矢量的对应关系，将整个平面划分为6个扇区，结合三相电流方向，进一步划分成12个扇区；
步骤3，根据参考电压矢量，结合开关切换次数最少以及保证变压器在一个开关周期内伏秒平衡的原则，确定开关切换次序；
步骤4，确定参考电压矢量所在扇区的基本电压矢量的作用时间，结合矢量合成的原理以及变压器伏秒平衡的原则，确定各开关状态的作用时间。
6.根据权利要求5所述的调制方法，其特征在于，步骤1中，定义开关状态的具体方法
为：用Sa、Sb、Sc分别代表交流侧三相桥臂中九个开关管Qa1、Qa2、Qa3、Qb1、Qb2、Qb3、Qc1、Qc2、Qc3的开关状态，当Qi1导通时定义Si为1，当Qi2导通定义Si为0，当Qi3导通时定义Si为-1，其中i＝a、b、c分别代表A相、B相、C相；用T代表变压器两端电压方向，当变压器同名端电压为正时T为+，当变压器同名端电压为负时T为-，当变压器两端电压为零时T为0。

说明书全文

一种九开关管三相高频隔离型整流电路及其调制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种AC/DC整流变换器，具体涉及一种九开关管三相高频隔离型整流电路及其调制方法。

背景技术

[0002] 随着现代工业技术的快速发展，大量电力电子装置和非线性负载接入到电力系统中，产生大量谐波，使电网电压波形失真，电磁干扰严重，影响供电质量以及其它用电设备的正常运行。所以为了降低电网中的谐波含量，合理利用高功率因数的整流装置是很有必要的。

[0003] 目前，从电网供电质量和工业应用要求出发，三相AC/DC整流器设备应具备以下性能：输入功率因数为1；输出直流电压动态响应快；负载与电网之间电气隔离；高变换效率和高功率密度。传统的三相电压型PWM整流器并未实现电气隔离，需要通过工频变压器并网或者两级式的结构才能接到直流母线上。一些隔离型三相AC/DC变换器，虽然实现了电气隔离，但是开关管数量多，限制了电能的转换效率与功率密度的提升。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种九开关管三相高频隔离型整流电路及其调制方法，在实现负载与电网之间电气隔离的同时，提高电能的转换效率和功率密度。

[0005] 实现本发明目的的技术方案为：一种九开关管三相高频隔离型整流电路，包括交流侧滤波电感1、交流侧三相桥臂2、隔离变压器3、直流侧整流桥臂4、直流侧滤波电容5，交流侧滤波电感1包括A相电感La、B相电感Lb、C相电感Lc；交流侧三相桥臂2每相桥臂分别由三个开关管和两个二极管组成，其中A相桥臂由第一开关管Qa1、第二开关管Qa2、第三开关管Qa3、第一二极管Dp1、第二二极管Dp2组成，B相桥臂由第四开关管Qb1、第五开关管Qb2、第六开关管Qb3、第三二极管Dp3、第四二极管Dp4组成，C相桥臂由第七开关管Qc1、第八开关管Qc2、第九开关管Qc3、第五二极管Dp5、第六二极管Dp6组成；直流侧整流桥臂4两个桥臂由四个二极管组成，第一桥臂由第七二极管Ds1、第八二极管Ds2组成，第二桥臂由第九二极管Ds3、第十二极管Ds4组成；

[0006] A相电感La、B相电感Lb、C相电感Lc的一端分别接第一二极管Dp1的阴极与第二二极管Dp2的阳极的连接点、第三二极管Dp3的阴极与第四二极管Dp4的阳极的连接点、第五二极管Dp5的阴极与第六二极管Dp6的阳极的连接点，A相电感La、B相电感Lb、C相电感Lc的另一端分别与交流侧电源相连；

[0007] 第一开关管Qa1的发射极与第二开关管Qa2的发射极相连，连接点再与第一二极管Dp1的阳极相连，第二开关管Qa2的集电极与第三开关管Qa3的集电极相连，连接点再与第二二极管Dp2的阴极相连，第一二极管Dp1的阴极与第二二极管Dp2的阳极相连，第一二极管Dp1的阴极与第二二极管Dp2的阳极的连接点与A相电感La的一端相连，A相电感La的另一端与A相交流侧电源相连；第四开关管Qb1的发射极与第五开关管Qb2的发射极相连，连接点再与第三二极管Dp3的阳极相连，第五开关管Qb2的集电极与第六开关管Qb3的集电极相连，连接点再与第四二极管Dp4的阴极相连，第三二极管Dp3的阴极与第四二极管Dp4的阳极相连，第三二极管Dp3的阴极与第四二极管Dp4的阳极的连接点与B相电感Lb的一端相连，B相电感Lb的另一端与B相交流侧电源相连；第七开关管Qc1的发射极与第八开关管Qc2的发射极相连，连接点再与第五二极管Dp5的阳极相连，第八开关管Qc2的集电极与第九开关管Qc3的集电极相连，连接点再与第六二极管Dp6的阴极相连，第五二极管Dp5的阴极与第六二极管Dp6的阳极相连，第五二极管Dp5的阴极与第六二极管Dp6的阳极的连接点与C相电感Lc的一端相连，C相电感Lc的另一端与C相交流侧电源相连；第一开关管Qa1的集电极与第四开关管Qb1的集电极、第七开关管Qc1的集电极相连，连接点再与变压器的原边绕组的同名端相连；第三开关管Qa3的发射极与第六开关管Qb3的发射极、第九开关管Qc3的发射极相连，连接点再与变压器的原边绕组的异名端相连；

[0008] 第七二极管Ds1的阳极与第八二极管Ds2的阴极相连，连接点再与变压器副边绕组的同名端相连；第九二极管Ds3的阳极与第十二极管Ds4的阴极相连，连接点再与变压器副边绕组的异名端相连；第七二极管Ds1的阴极与第九二极管Ds3的阴极相连，连接点再与直流侧滤波电容5的正端相连；第八二极管Ds2的阳极与第十二极管Ds4的阳极相连，连接点再与直流侧滤波电容5的负端相连。

[0009] 基于上述九开关管三相高频隔离型整流电路的调制方法，包括如下步骤：

[0010] 步骤1，采用(SaSbSc)T的格式，定义开关状态；

[0011] 步骤2，利用开关状态与基本电压矢量的对应关系，将整个平面划分为6个扇区，结合三相电流方向，进一步划分成12个扇区；

[0012] 步骤3，根据参考电压矢量，结合开关切换次数最少以及保证变压器在一个开关周期内伏秒平衡的原则，确定开关切换次序；

[0013] 步骤4，确定参考电压矢量所在扇区的基本电压矢量的作用时间，结合矢量合成的原理以及变压器伏秒平衡的原则，确定各开关状态的作用时间。

[0014] 本发明与现有技术相比，其显著优点在于：1)具有升降压和电气隔离双重功能，三相交流侧电压通过交流侧滤波电感、交流侧三相桥臂变换为变压器两端的单相交流电压，再通过隔离变压器的隔离以及直流侧整流桥臂变换为直流侧电压；2)减少了开关管数量；3)具有交流侧电流为正弦波、交流侧功率因数控制和升降压输出等功能。
附图说明

[0015] 图1是本发明九开关管三相高频隔离型整流电路示意图。

[0016] 图2是本发明九开关管三相高频隔离型整流电路在ia>0、ib<0、ic<0电流区间内的基本电压空间矢量图。

[0017] 图3是本发明九开关管三相高频隔离型整流电路在ia>0、ib>0、ic<0电流区间内的基本电压空间矢量图。

[0018] 图4是本发明九开关管三相高频隔离型整流电路的基本矢量图。

[0019] 图5是本发明九开关管三相高频隔离型整流电路在ia>0、ib<0、ic<0和ia>0、ib>0、ic<0电流区间内的开关管驱动波形图。

[0020] 图6是本发明九开关管三相高频隔离型整流电路的扇区划分图。

具体实施方式

[0021] 下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。

[0022] 如图1所示，九开关管三相高频隔离型整流电路，由交流侧滤波电感1、交流侧三相桥臂2、隔离变压器3、直流侧整流桥臂4、直流侧滤波电容5组成。

[0023] 包括交流侧滤波电感1、交流侧三相桥臂2、隔离变压器3、直流侧整流桥臂4、直流侧滤波电容5，交流侧滤波电感1包括A相电感La、B相电感Lb、C相电感Lc；交流侧三相桥臂2每相桥臂分别由三个开关管和两个二极管组成，其中A相桥臂由第一开关管Qa1、第二开关管Qa2、第三开关管Qa3、第一二极管Dp1、第二二极管Dp2组成，B相桥臂由第四开关管Qb1、第五开关管Qb2、第六开关管Qb3、第三二极管Dp3、第四二极管Dp4组成，C相桥臂由第七开关管Qc1、第八开关管Qc2、第九开关管Qc3、第五二极管Dp5、第六二极管Dp6组成；直流侧整流桥臂4两个桥臂由四个二极管组成，第一桥臂由第七二极管Ds1、第八二极管Ds2组成，第二桥臂由第九二极管Ds3、第十二极管Ds4组成；

[0024] A相电感La、B相电感Lb、C相电感Lc的一端分别接第一二极管Dp1的阴极与第二二极管Dp2的阳极的连接点、第三二极管Dp3的阴极与第四二极管Dp4的阳极的连接点、第五二极管Dp5的阴极与第六二极管Dp6的阳极的连接点，A相电感La、B相电感Lb、C相电感Lc的另一端分别与交流侧电源相连；

[0025] 第一开关管Qa1的发射极与第二开关管Qa2的发射极相连，连接点再与第一二极管Dp1的阳极相连，第二开关管Qa2的集电极与第三开关管Qa3的集电极相连，连接点再与第二二极管Dp2的阴极相连，第一二极管Dp1的阴极与第二二极管Dp2的阳极相连，第一二极管Dp1的阴极与第二二极管Dp2的阳极的连接点与A相电感La的一端相连，A相电感La的另一端与A相交流侧电源相连；第四开关管Qb1的发射极与第五开关管Qb2的发射极相连，连接点再与第三二极管Dp3的阳极相连，第五开关管Qb2的集电极与第六开关管Qb3的集电极相连，连接点再与第四二极管Dp4的阴极相连，第三二极管Dp3的阴极与第四二极管Dp4的阳极相连，第三二极管Dp3的阴极与第四二极管Dp4的阳极的连接点与B相电感Lb的一端相连，B相电感Lb的另一端与B相交流侧电源相连；第七开关管Qc1的发射极与第八开关管Qc2的发射极相连，连接点再与第五二极管Dp5的阳极相连，第八开关管Qc2的集电极与第九开关管Qc3的集电极相连，连接点再与第六二极管Dp6的阴极相连，第五二极管Dp5的阴极与第六二极管Dp6的阳极相连，第五二极管Dp5的阴极与第六二极管Dp6的阳极的连接点与C相电感Lc的一端相连，C相电感Lc的另一端与C相交流侧电源相连；第一开关管Qa1的集电极与第四开关管Qb1的集电极、第七开关管Qc1的集电极相连，连接点再与变压器的原边绕组的同名端相连；第三开关管Qa3的发射极与第六开关管Qb3的发射极、第九开关管Qc3的发射极相连，连接点再与变压器的原边绕组的异名端相连；

[0026] 第七二极管Ds1的阳极与第八二极管Ds2的阴极相连，连接点再与变压器副边绕组的同名端相连；第九二极管Ds3的阳极与第十二极管Ds4的阴极相连，连接点再与变压器副边绕组的异名端相连；第七二极管Ds1的阴极与第九二极管Ds3的阴极相连，连接点再与直流侧滤波电容5的正端相连；第八二极管Ds2的阳极与第十二极管Ds4的阳极相连，连接点再与直流侧滤波电容5的负端相连。

[0027] 作为一种具体实现方式，开关管均是由一个单向开关管和二极管反相并联，其中Qa1由一个单向开关管和二极管Da1并联而成，Qa2由一个单向开关管和二极管Da2并联而成，Qa3由一个单向开关管和二极管Da3并联而成。Qb1由一个单向开关管和二极管Db1并联而成，Qb2由一个单向开关管和二极管Db2并联而成，Qb3由一个单向开关管和二极管Db3并联而成。Qc1由一个单向开关管和二极管Dc1并联而成，Qc2由一个单向开关管和二极管Dc2并联而成，Qc3由一个单向开关管和二极管Dc3并联而成。并联时单向开关管的发射极与二极管的阳极相连，单向开关管的集电极与二极管的阴极相连。

[0028] 作为一种更具体实施方式，二极管Da1、Da2、Da3、Db1、Db2、Db3、Dc1、Dc2、Dc3可以是IGBT的反并二极管，也可以是MOSFET的寄生二极管，当开关频率较低时采用普通的整流二极管，当开关频率较高时，采用快速恢复二极管或者肖特基二极管。

[0029] 作为一种更具体实施方式，单向开关管可以是三极管、IGBT或者MOSFET，针对三极管和IGBT，单向开关管的集电极对应三极管或者IGBT的集电极，单向开关管的发射极对应三极管或者IGBT的发射极；针对MOSFET，单向开关管的集电极对应MOSFET的漏极，单向开关管的发射极对应MOSFET的源极。

[0030] 下面叙述九开关管三相高频隔离型整流电路的具体工作原理。

[0031] 在分析之前，假设所有开关管和二极管均为理想器件；所有电感、电容和变压器均为理想元件；直流侧滤波电容足够大，可近似认为是一个电压源Vdc，Vdc为直流侧电压。假设隔离变压器3中变压器的原、副边绕组匝数为np、ns，ip为变压器原边绕组电流，vTp为变压器原边绕组电压，is为变压器副边绕组电流，ia、ib、ic分别为三相电感电流，ea、eb、ec分别为三相交流侧电压。

[0032] 由于本发明的变换器中交流侧只有9个开关管，且需要同时考虑变压器的磁复位问题，已有的SVPWM调制技术的实施过程并不适用于本发明的变换器，需提出适用于本发明变换器的SVPWM调制方法，包括如下步骤：

[0033] 1、开关状态定义

[0034] 采用(SaSbSc)T的格式定义开关状态，其中Sa、Sb、Sc分别代表交流侧三相桥臂中九个开关管Qa1、Qa2、Qa3、Qb1、Qb2、Qb3、Qc1、Qc2、Qc3的开关状态，当Qi1导通时Si为1，当Qi2导通时Si为0，当Qi3导通时Si为-1，其中i＝a、b、c分别代表A相、B相、C相；T代表变压器两端电压方向，当变压器同名端电压为正时T为+，当变压器同名端电压为负时T为-，当变压器两端电压为零时，T为0。

[0035] 2、开关状态与基本电压矢量的对应关系

[0036] 由于三相电流的对称性，以ia>0、ib<0、ic<0和ia>0、ib>0、ic<0这两个电流区间为例，分析各个开关状态对应的基本电压矢量，表1和表2分别给出了两个电流区间内开关状态与电压矢量的对应关系。

[0037] 表1 ia>0、ib<0、ic<0时开关状态与电压矢量的对应关系

[0038]Sa Sb Sc T v
-1 1 1 - (2np/3ns)Vdc
-1 0 0 0 0
0 1 1 0 0
0 1 0 + -α2(2np/3ns)Vdc
0 0 1 + -α(2np/3ns)Vdc
0 0 0 + (2np/3ns)Vdc

[0039] 表2ia>0、ib>0、ic<0时开关状态与电压矢量的对应关系

[0040] Sa Sb Sc T v0 -1 0 + (2np/3ns)Vdc
-1 0 0 + α(2np/3ns)Vdc
2
-1 -1 1 - -α(2np/3ns)Vdc
-1 -1 0 0 0
0 0 1 0 0
0 0 0 + -α2(2np/3ns)Vdc

[0041] 图2和图3分别为ia>0、ib<0、ic<0和ia>0、ib>0、ic<0这两个电流区间内的基本电压矢量图，这里只考虑参考电压矢量所在区间内的相邻两条基本电压矢量，包括非零电压矢量和零电压矢量。可以看出，由于B相电流方向的改变，基本电压矢量对应的开关状态也相应发生改变。以此类推，图4给出了所述九开关管三相高频隔离型整流电路SVPWM调制方法的基本电压矢量图，可以看出，基本电压矢量的方向将整个平面划分成6个扇区。

[0042] 3、扇区划分方法

[0043] 由以上分析可知，在ia>0、ib<0、ic<0和ia>0、ib>0、ic<0这两个电流区间内，由于B相电流方向的改变，B相开关状态发生变化。因此，需将扇区1按照电流方向划分为两个小扇区进行矢量合成，因此根据三相电流方向可将整个平面划分为12个小扇区，如图6所示。

[0044] 4、开关状态切换次序与电压矢量合成

[0045] 根据参考电压矢量，结合开关切换次数最少以及保证变压器在一个开关周期内伏秒平衡的原则，确定开关切换次序；

[0046] 如果参考电压矢量位于ia>0、ib<0、ic<0这一电流区间内，开关切换次序为：

[0047] (000)+→010)+→011)0→(-111)-→(011)0→(010)+→(000)+ (1)

[0048] 如果参考电压矢量位于ia>0、ib>0、ic<0这一电流区间内，开关切换次序为：

[0049] (000)+→(0-10)+→(-1-10)0→(-1-11)-→(-1-10)0→(0-10)+→000)+ (2)[0050] 图5给出了ia>0、ib<0、ic<0和ia>0、ib>0、ic<0这两个电流区间内的开关管驱动波形以及变压器两端的电压波形。

[0051] 5、矢量时间计算方法

[0052] 确定参考电压矢量所在扇区的基本电压矢量的作用时间，结合矢量合成的原理以及变压器伏秒平衡的原则，确定各开关状态的作用时间。下面以ia>0、ib<0、ic<0这一电流区间为例，说明各开关状态作用时间的计算方法。

[0053] 首先对各个开关状态的作用时间进行如下定义：

[0054]

[0055] 根据图2，假设参考电压矢量u位于第一扇区，在αβ坐标下的分量为vα、vβ，因此需要计算0度方向电压矢量、60度方向电压矢量以及零矢量的作用时间，分别为T1、T2、T0：

[0056]

[0057] 根据矢量合成的原理以及变压器伏秒平衡的原则，可以得到以下表达式：

[0058]

[0059] 解以上方程组得：

[0060]

[0061] 其中开关周期Ts＝T0+T1+T2，由此可以计算出每个开关状态对应的时间，从而对变换器进行准确控制。

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