阅读说明：本技术 基于三开关管的双升压三电平整流器 (Double-boost three-level rectifier based on three switching tubes ) 是由 马辉 郑凯通 鲁海鹏 于 2020-06-16 设计创作，主要内容包括：基于三开关管的双升压三电平整流器,该整流器包括交流电源<I>u</I><Sub>g</Sub>、双耦合磁绕组<I>N</I><Sub>1</Sub>、双耦合磁绕组<I>N</I><Sub>2</Sub>、电容<I>C</I><Sub>1</Sub>、电容<I>C</I><Sub>2</Sub>、开关管Q<Sub>1</Sub>~Q<Sub>3</Sub>、二极管D<Sub>1</Sub>~D<Sub>10</Sub>。本发明一种基于三开关管的双升压三电平整流器,通过采用双向管结构以及开关管的不同组合实现了三电平,谐波含量低,且具有稳定的电平转换功能；当双向管结构处于故障状态下,电路仍可实现对直流侧的功率输出。(Double-boost three-level rectifier based on three switching tubes, comprising an alternating current power supply u g Double-coupling magnetic winding N 1 Double-coupling magnetic winding N 2 Capacitor and method for manufacturing the same C 1 Capacitor and method for manufacturing the same C 2 And a switching tube Q 1 ~Q 3 Diode D 1 ~D 10 . According to the double boost three-level rectifier based on the three switching tubes, the three levels are realized by adopting different combinations of the bidirectional tube structure and the switching tubes, the harmonic content is low, and the double boost three-level rectifier has a stable level conversion function; when the bidirectional tube structure is in a fault state, the circuit can still realize the power output to the direct current side.)

基于三开关管的双升压三电平整流器

技术领域

本发明涉及电力电子电能变换技术领域，具体涉及一种基于三开关管的双升压三电平整流器。

背景技术

随着现代电力电子技术的工业化发展，整流技术已较为成熟，而电力电子装置的广泛应用，尤其是一些非线性电力电子设备产生的谐波污染使得电能传输、转换及利用的效率降低，严重时可导致设备发生故障甚至损坏。如传统两电平整流技术中，存在的谐波含量高、电感体积大及较高的电压/电流应力带来的可靠安全性等问题。

目前所采用的功率因数校正(PFC)技术，通常在交流输入侧加入桥式整流电路，以实现交流-直流变换，减小谐波危害，在开关电源、充电桩及轨道交通等领域被广泛应用。在中大功率应用场合下，为降低损耗，提高功率传输容量，软开关技术以及大量新型拓扑结构被相继提出，其中，无桥PFC电路具有广阔的应用前景，而多电平变流技术的发展为实现其高可靠性、高频性、低输入高输出等高效率应用场合提供了一种全新思路，成为国内外学者的研究的一个热点。

发明内容

本发明提供一种基于三开关管的双升压三电平整流器，通过采用双向管结构以及开关管的不同组合实现了三电平，有利于降低谐波，并具有稳定的电平转换功能；当双向管结构处于故障状态下，电路仍可实现对直流侧的功率输出。

本发明采取的技术方案为：

基于三开关管的双升压三电平整流器，该整流器包括：

交流电源u_g、双耦合磁绕组N₁、双耦合磁绕组N₂、电容C₁、电容C₂、开关管Q₁～Q₃、二极管D₁～D₁₀；

交流电源u_g一端、二极管D₁的阴极、双耦合磁绕组N₁一端连接在一起，构成节点c；

交流电源u_g另一端、二极管D₂的阴极、双耦合磁绕组N₂一端连接在一起，构成节点d；

双耦合磁绕组N₁另一端、二极管D₃的阳极、开关管Q₁的漏极连接在一起，构成节点a；

双耦合磁绕组N₂另一端、二极管D₄的阳极、开关管Q₂的漏极、二极管D₅的阳极、二极管D₆的阴极连接在一起，构成节点b；

二极管D₃的阴极、二极管D₄的阴极、二极管D₇的阳极连接在一起，构成节点e；

二极管D₁的阳极、二极管D₂的阳极、二极管D₈的阴极、开关管Q₁的源极、开关管 Q₂的源极连接在一起，构成节点f；

二极管D₅的阴极、二极管D₉的阴极均与开关管Q₃的漏极相连；二极管D₆的阳极、二极管D₁₀的阳极均与开关管Q₃的源极相连；

二极管D₇的阴极、电容C₁的正极、负载R一端连接在一起，构成节点m；

二极管D₉的阳极、二极管D₁₀的阴极、电容C₁的负极、电容C₂的正极连接在一起，构成节点o；

二极管D₈的阳极、电容C₂的负极、负载R的另一端连接在一起，构成节点n。

所述双耦合磁绕组N₁包括绕组N₁₁和N₁₂，双耦合磁绕组N₂包括绕组N₂₁和N₂₂，其中绕组N₁₁、N₂₁采用共芯同向绕制，绕组N₁₂、N₂₂采用共芯反向绕制。

所述节点b、节点o之间连接的单元构成双向管***式结构。

所述电容C₁、C₂为容值相等的电解电容。

所述开关管Q₁～Q₃均为带有反并联体二极管的MOSFET或IGBT或IGCT。

该整流器具有两个升压整流单元，第一个升压整流单元由双耦合磁绕组N₁、二极管 D₃、开关管Q₁组成；第二个升压整流单元由双耦合磁绕组N₂、二极管D₄、开关管Q₂组成。

在一个工频周期内，网侧输入电流i_g的返回路径均有两条，即双耦合磁绕组N₁与双耦合磁绕组N₂中均有电流流过。

本发明一种基于三开关管的双升压三电平整流器，技术效果如下：

(1)本发明在实现功率因数校正功能的同时，又可为负载提供稳定的直流输出，此外，本发明为三电平整流电路，相比于传统两电平整流器具有谐波含量小，开关器件电压应力低的优势。

(2)电路中开关管Q₁、Q₂的源极与功率地相连，易于实现开关脉冲分配，并且低频二极管D₁、D₂使输出端与输入端建立联系，为回路电流一直提供低阻抗电流通路，具有抑制共模干扰的能力。

(3)电路中节点f、节点o之间连接的双向管，作为实现三电平的关键结构，具有稳定的电平转换功能，当双向管出现故障或损坏时，电路可立即转换到三电平整流电路进行工作，保证对后级电路的功率输出，供电安全可靠。

(4)该整流器具有以下优点：①谐波含量低，抗干扰能力强；②开关管电压应力降低，电路工作可靠性提高；③既可实现功率因数校正，又可保证负载供电可靠。

附图说明

图1为本发明单相双升压无桥五电平整流器实施例1电路原理图。

图2为本发明单相双升压无桥五电平整流器实施例2电路原理图。

图3是本发明实施例1工作模式一电流流通路径图；

图4是本发明实施例1工作模式二电流流通路径图；

图5是本发明实施例1工作模式三电流流通路径图；

图6是本发明实施例1工作模式四电流流通路径图；

图7是本发明实施例1工作模式五电流流通路径图；

图8是本发明实施例1工作模式六电流流通路径图；

图3～图8中，

表示电流流通路径。

图9是本发明实施例1开关管Q₁～Q₃六种工作模式图。

图10(a)是本发明实施例1交流侧输入电压u_g和电流i_g波形图；

图10(b)是本发明实施例1电压u_ab波形图；

图10(c)是本发明实施例1电压u_ab实现了五个电平状态波形图；

图10(d)是本发明实施例1直流侧输出电压u_d波形图。

图11(a)是本发明实施例1电平转换时电压u_g和电流i_g波形图；

图11(b)是本发明实施例1电平转换时电压u_ab波形图；

图11(c)是本发明实施例1电平转换时输出电压u_d波形图。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，基于三开关管的双升压三电平整流器，该整流器包括：

该整流器包括交流电源u_g、双耦合磁绕组N₁、双耦合磁绕组N₂、电容C₁、电容C₂、开关管Q₁～Q₃、二极管D₁～D₁₀；

交流电源u_g一端、二极管D₁的阴极、双耦合磁绕组N₁一端连接在一起，构成节点c；

交流电源u_g另一端、二极管D₂的阴极、双耦合磁绕组N₂一端连接在一起，构成节点d；

双耦合磁绕组N₁另一端、二极管D₃的阳极、开关管Q₁的漏极连接在一起，构成节点a；

双耦合磁绕组N₂另一端、二极管D₄的阳极、开关管Q₂的漏极、二极管D₅的阳极、二极管D₆的阴极连接在一起，构成节点b；

二极管D₃的阴极、二极管D₄的阴极、二极管D₇的阳极连接在一起，构成节点e；

二极管D₁的阳极、二极管D₂的阳极、二极管D₈的阴极、开关管Q₁的源极、开关管 Q₂的源极连接在一起，构成节点f；

二极管D₅的阴极、二极管D₉的阴极均与开关管Q₃的漏极相连；二极管D₆的阳极、二极管D₁₀的阳极均与开关管Q₃的源极相连；

二极管D₇的阴极、电容C₁的正极、负载R一端连接在一起，构成节点m；

二极管D₉的阳极、二极管D₁₀的阴极、电容C₁的负极、电容C₂的正极连接在一起，构成节点o；

二极管D₈的阳极、电容C₂的负极、负载R的另一端连接在一起，构成节点n。

所述节点b、节点o之间连接的单元构成双向管***式结构。

所述电容C₁、C₂为容值相等的电解电容。

所述开关管Q₁～Q₃均为带有反并联体二极管的MOSFET或IGBT或IGCT。

该整流器具有两个升压整流单元，第一个升压整流单元由双耦合磁绕组N₁、二极管 D₃、开关管Q₁组成；第二个升压整流单元由双耦合磁绕组N₂、二极管D₄、开关管Q₂组成。

本发明基于三开关管的双升压三电平整流器，基于无桥Boost PFC拓扑结构，将无桥设计思路拓展到多电平整流器中，电路前端采用匝数比、激磁电感值以及磁芯相同的双耦合磁绕组N₁、双耦合磁绕组N₂。所述双耦合磁绕组N₁包括绕组N₁₁和N₁₂，双耦合磁绕组N₂包括绕组N₂₁和N₂₂，其中绕组N₁₁、N₂₁采用共芯同向绕制，绕组N₁₂、N₂₂采用共芯反向绕制，相比于独立的两个电感结构，提高了磁芯利用率，电感体积减小，对于整体电路而言，有着较好的热管理性能；后端采用双向管***式结构以及两个等值电解电容，用于实现三电平输出，其中为保证功率的单向流通，本发明实施例1采用二极管D₇、D₈进行电压钳位。

实施例1具体实验参数如下：

交流电源u_g输入电压为220V，电源频率50Hz，各绕组激磁电感值均为1mH，电容C₁、C₂容值均为1000uF，负载R阻值为50Ω，直流侧输出电压400V，其中开关频率10kHz。

基于三开关管的双升压三电平整流器，电路正常工作时，共有六种工作模式：

1)正半周期三种工作模式：

如图3所示，模式一：开关管Q₁、Q₂、Q₃全部关断，交流电源u_g和双耦合磁绕组N₁与双耦合磁绕组N₂向负载R提供能量，直流输出电压u_d>u_g，绕组电流线性减小，电容C₁、 C₂处于充电状态，充电电流为i₁-i_d，电压u_ab＝u₁+u₂＝+u_d。

如图4所示，模式二：开关管Q₁关断，Q₂、Q₃导通，电容C₁充电，充电电流为i₁-i_d，电容C₂放电提供负载电流i_d，电压u_ab＝u₁＝+u_d/2。

如图5所示，模式三：开关管Q₁导通，Q₂、Q₃关断，交流电源u_g向双耦合磁绕组N₁与双耦合磁绕组N₂充电，绕组电流呈线性上升状态，此阶段是一个Boost升压过程，同时电容C₁与C₂向负载R供电，电压u_ab＝0。

2)负半周期三种工作模式：

如图6所示，模式四：开关管Q₁、Q₃关断，Q₂导通，交流电源u_g向双耦合磁绕组N₁与双耦合磁绕组N₂充电，绕组电流线性上升，此阶段是一个Boost升压过程，同时电容 C₁与C₂向负载R供电，电压u_ab＝0。

如图7所示，模式五：开关管Q₁、Q₂关断，Q₃导通，电容C₂充电，充电电流是i_o-i_d，电容C₁向负载R供电，电压u_ab＝-u₂＝-u_d/2。

如图8所示，模式六：开关管Q₁、Q₂、Q₃全部关断，交流电源u_g和双耦合磁绕组N₁与双耦合磁绕组N₂向负载R提供能量，直流输出电压u_d>u_g，绕组电流线性减小，电容C₁、 C₂处于充电状态，充电电流为i₁-i_d，电压u_ab＝-u₁-u₂＝-u_d。

在图3～图8所示六种工作模式下，网侧输入电流i_g的返回路径均有两条，即在一个工频周期内，双耦合磁绕组N₁与双耦合磁绕组N₂中均有电流流过。

图9是本发明实施例1中开关管Q₁～Q₃六种工作模式图，如图9所示，在一个周期内，电路共有六种工作模式，当u_g>0时，有0、+u_d/2、+u_d三种状态；当u_g<0时，有0、-u_d/2、 -u_d三种状态，在不同工作模式下，系统各参数也随之变化，其中，1与0分别表示开关管的开通和关断状态。

图10(a)、图10(b)、图10(c)、图10(d)分别是是本发明电路稳态条件下交流侧输入电压u_g和电流i_g波形图、电压u_ab波形图以及直流输出电压u_d波形图：从图10 (a)波形可以看出输入电流与输入电压保持同相位，具有高功率因数；图10(b)为双耦合磁绕组N₁与双耦合磁绕组N₂流过的的电流，分别为i_N1和i_N2，验证了本发明所述网侧输入电流i_g的返回路径均有两条，即在一个工频周期内，双耦合磁绕组N₁与双耦合磁绕组 N₂中均有电流流过，且电流i_N1和i_N2均衡对称，其分流作用有利于减小部分器件的电流应力；在正常工作时，图10(c)中电压u_ab实现了五个电平状态(0、±u_d/2、±u_d)，有利于降低谐波含量以及开关管电压应力，对于功率等级进一步提高有着重要意义；本发明属于交流-直流变换，目的是获取稳定的直流输出电压给负载供电，从图10(d)波形图可看出，直流输出电压较为稳定。

图11(a)、(b)、(c)分别是本发明实施例1电平转换时电压u_g和电流i_g波形图、电压u_ab波形图、输出电压u_d波形图：电路正常工作时，在0.2s时双向管结构突然发生故障，在0.3s时恢复工作，由图11图(a)中所示波形可以看出，输入侧电流波形依然跟随电压波形，无冲击电流，动态调节能力强；由图11(b)中所示波形可看出，双向管在0.2s时发生故障，电路由三电平状态发生跳变转换为两电平状态进行工作，在0.3s时双向管恢复工作，该电路立即恢复为三电平状态，调节速度快，工作稳定；从图11(c)中可以看出，直流侧电压在电平切换状态下依然保持稳定，仍可对后级电路进行稳定的功率输出，供电安全可靠，具有较好的工业实用价值。

实施例2：

如图2所示，基于三开关管的双升压三电平整流器，该整流器包括：

交流电源u_g、双耦合磁绕组N₁、双耦合磁绕组N₂、电容C₁、电容C₂、开关管Q₁～Q₃、二极管D₁～D₈；

交流电源u_g的一端、二极管D₁的阴极、双耦合磁绕组N₁的一端连接在一起，构成节点c；

交流电源u_g的另一端、二极管D₂的阴极、双耦合磁绕组N₂的一端连接在一起，构成节点d；

双耦合磁绕组N₁的另一端、二极管D₃的阳极、开关管Q₁的漏极连接在一起，构成节点a；

双耦合磁绕组N₂的另一端、二极管D₄的阳极、开关管Q₂的漏极、开关管Q₃的源极、开关管Q₄的漏极连接在一起，构成节点b；

二极管D₃的阴极、二极管D₄的阴极、二极管D₅的阳极连接在一起，构成节点e；

二极管D₁的阳极、二极管D₂的阳极、二极管D₆的阴极、开关管Q₁的源极、开关管 Q₂的源极连接在一起，构成节点f；

二极管D₇的阴极和开关管Q₃的漏极相连；二极管D₈的阳极开关管Q₄的源极相连；

二极管D₅的阴极、电容C₁的正极、负载R的一端连接在一起，构成节点m；

二极管D₇的阳极、二极管D₈的阴极、电容C₁的负极、电容C₂的正极连接在一起，构成节点o；

二极管D₆的阳极、电容C₂的负极、负载R的另一端连接在一起，构成节点n。

所述双耦合磁绕组N₁包括绕组N₁₁和N₁₂，双耦合磁绕组N₂包括绕组N₂₁和N₂₂，其中绕组N₁₁、N₂₁采用共芯同向绕制，绕组N₁₂、N₂₂采用共芯反向绕制。

所述节点b、节点o之间连接的单元构成双向管***式结构。

所述电容C₁、C₂为容值相等的电解电容。

所述开关管Q₁～Q₃均为带有反并联体二极管的MOSFET或IGBT或IGCT。

该整流器具有两个升压整流单元，第一个升压整流单元由双耦合磁绕组N₁、二极管 D₃、开关管Q₁组成；第二个升压整流单元由双耦合磁绕组N₂、二极管D₄、开关管Q₂组成。

实施例2采用二极管D₅、D₆进行电压钳位。

实施例1、实施例2两种拓扑结构工作原理类似，本发明仅对实施例1进行工作原理分析。