一种低输出纹波升压型整流器及其控制方法
阅读说明：本技术 一种低输出纹波升压型整流器及其控制方法 (Low-output ripple boost rectifier and control method thereof ) 是由 胡雪峰 何天亚 张乔 穆坤输 于 2021-09-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种低输出纹波升压型整流器及其控制方法,属于电力电子变换器技术领域。其中L-(1)一端连接U-(in)正端,另一端S-(1)连接；L-(2)一端连接U-(in)一端,L-(2)另一端与S-(2)的连接；L-(3)一端连接D-(2)阴极,另一端与S-(4)连接；D-(1)阳极分别接S-(2)和S-(3)以及电容C-(2)和C-(3)的一端；D-(1)阴极分别接L-(1)一端和S-(1)；D-(2)阳极分别接S-(2)和L-(2)一端；D-(2)阴极分别接S-(1)以及L-(3)一端和C-(1)一端。本发明的整流器,属于集成式整流器,利用功率器件的复用技术,显著减少了整流器的元件数量,降低了系统成本并提高了集成度,电路占用空间小；工作过程中无功率开关管的体二极管参与,开关损耗小,效率高、成本低,工作寿命长。(The invention discloses a low-output ripple boost rectifier and a control method thereof, and belongs to the technical field of power electronic converters. Wherein L is 1 One end is connected with U in Positive terminal, the other end S 1 Connecting; l is 2 One end is connected with U in One end, L 2 The other end and S 2 The connection of (1); l is 3 One end is connected with D 2 Cathode, the other end and S 4 Connecting; d 1 The anodes are respectively connected with S 2 And S 3 And a capacitor C 2 And C 3 One end of (a); d 1 The cathodes are respectively connected with L 1 One end and S 1 ；D 2 The anodes are respectively connected with S 2 And L 2 One end; d 2 The cathodes are respectively connected with S 1 And L 3 One end and C 1 One end of the tube. The invention relates to a rectifier, belonging to a rectifier setThe ready rectifier utilizes the multiplexing technology of a power device, obviously reduces the number of elements of the rectifier, reduces the system cost, improves the integration level and has small circuit occupation space; the body diode of the power switch tube is not involved in the working process, the switching loss is small, the efficiency is high, the cost is low, and the service life is long.)
技术领域
本发明涉及电力电子变换器技术领域，尤其涉及一种低输出纹波升压型整流器及其控制方法。
背景技术
随着现代科学技术的发展，新能源产业正蓬勃发展，而新能源需要转换成电能给设备使用，若一次能源在转换成电能的过程中发生了故障，不仅会造成资源浪费，同时还将导致电力系统和用电设备损坏，因此，必须保证电能质量的可靠性。PWM整流技术在电能变换中承担重要角色，因此，开发高效、高可靠性、高功率密度的整流器，具有很大的现实意义。
传统的PWM整流电路以桥式拓扑为主，由于一个桥臂上的两个功率开关管直接串联，存在桥臂直通的隐患，影响系统的可靠性。另外，传统的桥式整流电路，在功率开关管关断时，电感电流通过开关管的体二极管续流，随着开关频率的提高，功率开关管体二极管的反向恢复问题趋于严重，反向恢复损耗在变换器总损耗中的比重大幅增加，在对电源可靠性要求更高的场合下，需要一种高效率，高可靠性的整流电路。
近年来，针对如何解整流器直流母线二次谐波的问题，国内外广大学者对整流谐波装置进行了诸多研究。文献《The Research of Single-phase PWM Rectifier Based onDirect Current Control Technology》，在整流器直流母线端并联LC谐振电路来滤除直流母线电压中的高次谐波部分，然而在单相系统中为了消除二次谐波，所用的滤波电感和电容数值依然很大，尤其是电感加入后体积变大。同时，需要对电感和电容的参数进行精确计算，一旦电网频率出现偏差，系统补偿效果会变差。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种低输出纹波升压型整流器及其控制方法，本发明的变换器能够克服传统桥式整流电路存在桥臂直通隐患和开关管体二极管参与工作的缺点，还可以抑制直流侧电压中的二次谐波。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种低输出纹波升压型整流器，包括主电路和滤波电路，所述的主电路包括功率开关管S1、S2，电感L1、L2，电容C1、C2，二极管D1和D2；交流电源Uin的参考正端与电感L1和L2的一端连接，电感L1另一端与二极管D1阴极相连，电感L2的另一端与二极管D2阳极相连，二极管D1阳极分别与功率开关管S2的端子2、电容C2的一端接于节点B；二极管D2阴极分别与功率开关管S1的端子1、电容C1的一端接于节点A；电容C1和C2的另一端连接交流电源Uin的参考负端；其中，功率开关管S1和S2的两端反并联二极管；节点A和B形成输出端；所述的滤波电路接于节点A和B之间。
更进一步地，所述的滤波电路为有源滤波电路，包括电感L3、电容C3、功率开关管S3和S4，电感L3一端与节点A连接，另一端与功率开关管S4的2端和功率开关管S3的1端连接，电容C3一端与节点B连接，另一端与功率开关管S4的1端连接，功率开关管S3的2端与节点B连接。
更进一步地，所述二极管D1和D2为快恢复二极管。
更进一步地，所述的节点A和B之间还连接有负载R。
本发明的一种低输出纹波升压型整流器的控制方法，其特征在于：整流器在正弦调制波正负半波内的工作原理相同；
在输入电源正半周期内，当调制波大于载波时，控制功率开关管S2导通，S1断开，交流电源Uin和电容C2通过开关管S2给电感L2充电，流过电感L2的电流IL2增加，电容C1放电，给负载R供电；
当调制波小于载波时，控制功率开关管S1关断，S2断开，二极管D2导通，电容C2放电，给负载R供电。
在输入电源负半周期内，当调制波大于载波时，控制功率开关管S1导通，S2断开，交流电源Uin和电容C1通过开关管S1给电感L1充电，流过电感L1的电流IL1增加，电容C2放电，给负载R供电；
当调制波小于载波时，控制功率开关管S2断开，S1断开，二极管D1导通，电容C1放电，给负载供电。
更进一步地，所述的滤波电路控制与主电路控制相互独立；在电感L3的电流IL3大于0时，当调制波大于载波时，功率开关管S4关断，S3导通；功率开关管S3，电感L3和负载R组成闭合回路，电感L3放电，电流IL3通过功率开关管S3体二极管续流注入直流母线；
当调制波小于载波时，功率开关管S4导通，S3关断；电容C3、功率开关管S4、电感L3和负载R组成闭合回路，电容C3放电，电感L3充电，电流IL3通过功率开关管S4注入直流母线；
所述的直流母线为节点A-电容C1-电容C2-节点B支路。
在电感L3的电流IL3小于0时，当调制波大于载波时，功率开关管S3导通，S4闭合，功率开关管S3和直流母线组成闭合回路，电流从直流母线A端通过电感L3和功率开关管S3流向直流母线B端，母线上能量通过S3注入电感L3，电感L3储能；
当调制波小于载波时，功率开关管S3闭合，S4导通；电感L3、电容C3、功率开关管S4和直流母线组成闭合回路，电流IL3通过直流母线A端通过电感L3、功率开关管S4体二极管和电容C3流向直流母线B端，电感L3释放能量，电容C3存储能量。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明的一种低输出纹波升压型整流器，属于集成式整流器，利用功率器件的复用技术，显著减少了整流器的元件数量，降低了系统成本并提高了集成度，电路占用空间小；工作过程中无功率开关管的体二极管参与，开关损耗小，效率高、成本低，工作寿命长。
(2)本发明一种低输出纹波升压型整流器具有较高的升压能力，通过控制2个功率开关管S1和S2的导通与关断，既能实现升压又能实现整流功能，输出直流母线电压大于输入电源峰值电压的两倍，适用于高压大功率场合；整流器采用电压电流双闭环控制，具有高精度和快速动态响应的优点。
(3)本发明的一种低输出纹波升压型整流器的控制方法，在两个升压型桥臂单元根据输入电流的正负情况轮流工作，每半个工频周期内仅有一个功率开关管高频工作，减小了开关管的损耗；将交流侧传输到直流侧功率中的谐波分量传输到滤波电路的电感电容中，从而减小直流侧电容的电压波动，同时也使得电流环的实际电流中不含有谐波成分；本发明采用有源滤波，极大的减小了直流母线侧电容容量，以及滤波电路电感和电容的大小，减小系统损耗。
附图说明
图1是本发明的整体电路图；
图2是本发明主电路的电路结构示意图；
图3是本发明滤波电路的电路结构示意图；
图4是本发明主电路工作模态一示意图；
图5是本发明主电路工作模态二示意图；
图6是本发明主电路工作模态三示意图；
图7是本发明主电路工作模态四示意图；
图8是本发明滤波电路工作模态一示意图；
图9是本发明滤波电路工作模态二示意图；
图10是本发明滤波电路工作模态三示意图；
图11是本发明滤波电路工作模态四示意图；
图12是本发明主电路的控制电路框图；
图13是本发明滤波电路的控制电路框图；
图14是本发明主电路的输入电压、输入电流、电感电流以及驱动波形示意图；
图15是本发明主电路的输出电压波形示意图；
图16是本发明滤波电路的谐波电流波形示意图；
图17是本发明滤波电路的输出电压波形示意图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
实施例1
结合图1和图2，本实施例的一种低输出纹波升压型整流器，其主电路包括功率开关管S1、S2，电感L1、L2，电容C1、C2，二极管D1和D2；交流电源Uin的参考正端与电感L1和L2的一端连接，电感L1的另一端与二极管D1阴极相连，电感L2的另一端与二极管D2阳极相连，二极管D1阳极分别与功率开关管S2的端子2、电容C2的一端接于节点B；二极管D2阴极分别与功率开关管S1的端子1、电容C1的一端接于节点A；电容C1和C2的另一端连接交流电源Uin的参考负端；其中，功率开关管S1、S2的两端反并联二极管。节点A和B形成输出端。
图12为本实施例的主电路所采用的控制电路框图，采用电压电流双闭环控制，即基准电压Uref和输出电压U0采样值比较，经误差放大器得到误差电压信号Ue，误差电压信号Ue与输入电压Uin采样值相乘，得到电流环的基准Iref，将输入电流Iin反馈信号与基准电流Iref比较，由PI调节器进行调节后与高频三角波比较，产生高频脉冲信号，再经过逻辑电路，最终输出功率开关管S1，S2的驱动信号。
图14和15为本实施例主电路的仿真波形，仿真参数如下：输入电压220V/50HZ，输出电压800V，输出功率2KW，由输入电压波形Uin和输入电流Iin可以看出，输入电流可以很好的跟踪输入电压，整流器工作在单位功率因数下，但输出电压纹波大，需要采用滤波电路抑制纹波。由两个电感电流IL1和IL2以及功率开关管S1和S2的驱动波形可以看出，两个功率开关管S1，S2在输入电压的正负半个周期内轮流工作。其工作模态包括模态一、模态二、模态三，模态四，详细情况如下：
模态一
如图4所示，在输入电源正半周期内，当调制波大于载波时，功率开关管S1关断，二极管D1，D2关断，S2导通。输入电压Uin、电感L2、功率开关管S2和电容C2形成闭合回路。交流电源Uin和电容C2通过开关管S2给电感L2充电，流过电感L2的电流IL2增加，电容C1放电，给负载R供电。
模态二
如图5所示，在输入电源正半周期内，当调制波小于载波时，功率开关管S1关断，S2关断，二极管D1关断，二极管D2打开，输入电源Uin、电感L2、二极管D2和电容C1形成闭合回路，流过电感L2的电流IL2减小。电容C2放电，给负载R供电。
模态三
如图6所示，在输入电源负半周期内，当调制波大于载波时，功率开关管S2关断，二极管D1，D2关断，S1导通，输入电压Uin、电感L1、功率开关管S1和电容C1形成闭合回路。交流电源Uin和电容C1通过开关管S1给电感L1充电，流过电感L1的电流IL1增加，电容C2放电，给负载供电。
模态四
如图7所示，在输入电源负半周期内，当调制波小于载波时，功率开关管S1关断，S2关断，二极管D2关断，二极管D1打开，输入电源Uin、电感L1、二极管D1和电容C2形成闭合回路，流过电感L1的电流IL1减小。电容C1放电，给负载供电。
图3是本实施例中滤波电路的结构示意图，包括电感L3和电容C3，功率开关管S3和S4，电感L3一端与节点A连接，另一端与功率开关管S4的2端和功率开关管S3的1端连接，电容C3一端与节点B连接，另一端与功率开关管S4的1端连接，功率开关管S3的2端与节点B连接。
图13为本实施例滤波电路所采用的控制电路框图，它独立于主电路控制之外，采用电压电流双闭环控制，对于电压环，取电容C3上的电压UC3作为电压外环控制对象，与期望电压比较后通过PI调节，再利用功率平衡计算出主电路直流侧需要补偿的期望电流参考值IL3*，控制的关键在于电压环跟踪电容侧C3电压，并输出补偿主电路直流侧的谐波的期望电流IL3，同时电流环让直流侧谐波电流达到该电流期望值。
图16和图17为加入有源滤波后整流器仿真波形，图15为直流侧谐波电流IL3和期望值IL3*的波形，图中可以看出，谐波电流跟踪期望电流，图16为滤波前输出电压波形和滤波后输出电压波形，可以看出输出直流电压纹波明显减小，滤波效果很好，仿真实例达到预期效果，验证了本发明提出的有源滤波电路控制电路是正确可行的。滤波电路模态包括模态一、模态二、模态三，模态四，详细情况如下：
模态一
如图8所示，电感电流IL3大于0，当调制波大于载波时，功率开关管S4关断，S3导通；功率开关管S3，电感L3和负载R组成闭合回路，电感L3放电，电流IL3通过功率开关管S3体二极管续流注入直流母线。
模态二
如图9所示，电感电流IL3大于0，当调制波小于载波时，功率开关管S4导通，S3关断；电容C3、功率开关管S4、电感L3和负载R组成闭合回路，电容C3放电，电感L3充电，电流IL3通过功率开关管S4注入直流母线。其中直流母线为节点A-电容C1-电容C2-节点B支路。
模态三
如图10所示，电感电流IL3小于0，当调制波大于载波时，功率开关管S3导通，S4闭合，功率开关管S3和直流母线组成闭合回路，电流从直流母线A端通过电感L3和功率开关管S3流向直流母线B端，母线上能量通过S3注入电感L3，电感L3储能。
模态四
如图11所示，电感电流IL3小于0，当调制波小于载波时，功率开关管S3闭合，S4导通；电感L3、电容C3、功率开关管S4和直流母线组成闭合回路，电流IL3通过直流母线A端通过电感L3、功率开关管S4体二极管和电容C3流向直流母线B端，电感L3释放能量，电容C3存储能量。
本实施例具有以下优点：
1、与传统的桥式整流电路相比，无桥臂直通问题，无开关管体二极管反向恢复问题；
2、本实施例主电路采用电压电流双闭环控制，动态响应快，输入电流功率因数高，输出电压稳定，对电源及负载的波动具有较强的抑制能力；
3、本实施例调制方式为半周期单极性调制，每半个工频周期内仅有一只功率开关管高频工作，开关管的损耗小；
4、本实施例的电路具有较高的升压能力，输出直流母线电压大于输入电源峰值电压的两倍，适用于高压大功率场合；
5、本实施例的滤波电路控制方式独立于主电路之外，补偿电流跟踪期望值，输出电压纹波小，电流环的实际电流中不含有谐波成分；
6、本实施例采用有源滤波，极大的减小了直流母线侧电容容量，以及滤波电路电感和电容的大小，减小系统损耗。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
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