专利名称：一种整流器的制作方法
技术领域：
本发明涉及整流器。
背景技术：
在电能变换中，整流器是实现将电力系统提供的三相交流电变换到直流电的关键 电路，其在变频调速、开关电源等场合得到广泛的应用。最常用的整流器为二极管不可控整流器，其拓扑结构如图1所示。该整流器利用 二极管D1-D6的单向导电特性，将三相正弦交流电A、B、C整流为每周期六波峰的脉动直流 电，经大容量电解电容C滤波后，得到较稳定的直流电压。但该整流器有以下固有的缺点 因输入侧为脉动电流，故输入功率因数很低；在存在输入侧电压和输出侧负载扰动的应用 场合，输出侧电压不稳定；在输出侧存在再生能量的场合，不能实现能量回馈，只能通过刹 车电阻消耗再生能量，增加了系统的体积和功率耗散；以及，为了稳定输出侧电压，需要在 输出侧并联较大的电解电容器，增加了系统体积和成本，也加重了维护负担。为了克服上述整流器固有的缺点，目前有两种常用的具备更高性能的整流器。第一种整流器称为带功率因数校正功能的二极管不可控整流器。该第一种整流器 在由二极管D1-D6形成的三个桥臂和电容C之间接入一个由电感Li、IGBT功率开关管Ql 和二极管D7形成的升压式(BOOST)电路，以提高输入侧功率因数和稳定输出侧电压，其拓 扑结构如图2所示。然而，该第一种整流器具有如下缺点只能应用于无再生能量回馈要求 的场合；以及，负载的全部有功功率和无功功率都流经该第一种整流器的升压式电路，使该 该第一种整流器的效率较低，体积大，成本高。第二种整流器称为PWM(脉宽调制)整流器。该第二种整流器包括6个IGBT功率 开关管Q1-Q6和三个电感L1-L3，其拓扑如图3所示。通过控制输入电流矢量，该第二种整 流器能够提高功率因数接近于1，并且实现再生能量回馈功能。然而，该第二种整流器具有 如下缺点由于负载的全部有功功率和无功功率都流经功率开关管Q1-Q6形成的桥臂和电 感L1-L3，所以该电路损耗较大，效率较低，电路体积和成本较高。
发明内容
考虑到现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种整流器，其具有更高的效 率以及更小的电路体积和成本。按照本发明实施例的一种整流器，包括主整流模块，与具有第一电压的N相交流 电连接，用于把具有所述第一电压的N相交流电转换为直流电，其中，N为正整数；整流补偿 模块，用于补偿所述主整流模块的输出电压的电压谐波分量和具有所述第一电压的N相交 流电中的各相交流电输入到所述主整流模块的电流的电流谐波分量；以及，母线电容，与所 述主整流模块和所述整流补偿模块并联，其电压作为所述整流器的直流输出电压。
本发明的其他目的、特征和优点通过以下结合附图的详细描述将变得更加显而易 见。其中图1是示出现有技术的最常用的整流器的拓扑结构的示意图；图2是示出现有技术的带功率因数校正功能的二极管不可控整流器的拓扑结构 的示意图；图3是示出现有技术的PWM整流器的拓扑结构的示意图；图4是示出按照本发明一个实施例的整流器的结构示意图；图5是示出按照本发明一个实施例的第一控制模块的结构示意图；以及图6是示出按照本发明一个实施例的第二控制模块的结构示意图。
具体实施例方式下面，将结合附图来详细描述本发明的各个实施例。按照本发明一个实施例的整流器包括主整流模块和整流补偿模块，其中，主整流 模块用于把待整流的交流电转换成直流电，而整流补偿模块与主整流模块电流并联以及电 压串联，用于通过对待整流的交流电中的各相交流电输入到主整流模块的电流(即主整流 模块的各相输入电流)的电流谐波部分和主整流模块的输出电压中的电压谐波部分进行 补偿来实现整流器的功率因数校正和稳定整流器的直流输出电压，从而提高整流器的输入 功率因数和直流输出电压的稳定度。由于提高了整流器的输入功率因数，从而提高了整流 器的效率。此外，由于仅补偿谐波部分，所以整流补偿模块的视在功率很低，而且稳定的整 流器直流输出电压也可以降低整流器的母线电容的容值，所以整体上减小了整流器的体 积，降低了整流器的总成本。图4是示出按照本发明一个实施例的整流器的结构示意图。如图4所示，整流器 100包括主整流模块110、整流补偿模块130和母线电容140。主整流模块110用于把待整流的具有第一相或线电压Vl的三相交流电ACl转换 成直流电。主整流模块110包括三个第一桥臂，每一个第一桥臂包括两个串联的开关器件， 因此，主整流模块Iio总共包括六个开关器件K1-K6，该开关器件K1-K6可以是不可控开关 器件或可控开关器件。三相交流电ACl中的每一相交流电连接到主整流模块110的三个第 一桥臂的其中一个桥臂所包括的两个开关器件之间。整流补偿模块130用于补偿主整流模块110的输出电压u2的电压谐波分量和三 相交流电ACl的各相交流电输入到主整流模块110的电流il、i2和i3的电流谐波分量，以 实现整流器100的功率因数校正和稳定整流器100的直流输出电压。整流补偿模块130包括变压器132、PWM(脉宽调制)整流模块134、第一电容Cl、 逆变器模块136和控制器模块138。变压器132起电气隔离作用，用于根据三相交流电ACl产生一个与三相交流电ACl 隔离的三相交流电AC2，该三相交流电AC2具有第二相或线电压V2，第二相或线电压V2等 于或小于第一相或线电压Vl。优选地，第二相或线电压V2小于第一相或线电压VI，以便 PWM(脉宽调制)整流模块134可以选用容量小的可控开关器件，从而可以进一步节约成本 和降低整流器的体积。
PWM整流模块134包括三个第一电感L1-L3和三个第二桥臂。该三个第二桥臂的 每一个包括两个串联的可控开关器件，因此，该三个第二桥臂总共包括六个可控开关器件 Q1-Q6。第一电感L1-L3中的每一个电感，其一端与三相交流电AC2的其中一相交流电连接， 其另一端连接到该三个第二桥臂的其中一个桥臂所包括的两个可控开关器件之间。在本实 施例中，第一电感L1-L3各自的另一端分别连接到Ql和Q2之间、Q3和Q4之间以及Q5和 Q6之间。第一电容Cl与PWM整流模块134并联。逆变器模块136与第一电容Cl并联。逆变器模块136包括两个第三桥臂、第二电 感L4和第二电容C2。两个第三桥臂中的每一个桥臂包括两个串联的可控开关器件，因此， 两个第三桥臂总共包括四个可控开关器件Q7-Q10。第二电感L4的一端连接到其中一个第 三桥臂所包括的两个可控开关器件之间，第二电感L4的另一端连接到第二电容C2的一端， 第二电容C2的另一端连接到另一个第三桥臂所包括的两个可控开关器件之间，以及主整 流模块110连接到第二电感L4和第二电容C2之间。在本实施例中，第二电感L4的一端连接 到可控开关器件Q7和Q8之间，第二电容C2的另一端连接到可控开关器件Q9和QlO之间。控制器模块138包括第一控制模块138-2和第二控制模块138_4，其中，第一控制 模块138-2用于根据三相交流电ACl中的各相交流电输入到主整流模块110的电流il、i2 和i3的电流谐波分量、第一电容Cl的电压检测值、第一电容Cl的电压给定值和三相交流 电AC2的每一相电流i4、 5和i6的电流检测值，通过执行空间矢量脉宽调制处理来生成 和输出用于控制PWM整流模块134所包括的三个第二桥臂中的各个可控开关器件Q1-Q6的 开关的脉宽调制信号，以及，第二控制模块138-4用于根据第二电容C2的电压ul的电压检 测值、主整流模块110的输出电压u2的电压谐波分量和第二电感L4的电流i7的电流检测 值，通过执行脉宽调制处理来生成和输出用于控制逆变器模块136所包括的两个第三桥臂 中的各个可控开关器件Q7-Q10的开关的脉宽调制信号。母线电容140与主整流模块110和整流补偿模块130并联，其两端电压作为整流 器100的直流输出电压。图5是示出按照本发明一个实施例的第一控制模块的结构示意图。如图5所示， 第一控制模块138-2包括第一滤波模块210、第一比较模块212、第一 PID(比例积分微分) 调节模块214、相加模块216、第二比较模块218、第二 PID调节模块220和空间矢量脉宽调 制模块222。第一滤波模块210用于分别对三相交流电ACl中的各相交流电输入到主整流模块 110的电流il、i2和i3进行滤波，以获取三相交流电ACl中的各相交流电输入到主整流模 块110的电流il、i2和i3的电流谐波分量，分别作为三相交流电AC2的每一相电流i4、i5 和i6的电流谐波分量。即所获取的三相交流电ACl中的A相交流电输入到主整流模块 110的电流il的电流谐波分量作为三相交流电AC2的相电流i4的电流谐波分量，所获取的 三相交流电ACl中的B相交流电输入到主整流模块110的电流i2的电流谐波分量作为三 相交流电AC2的相电流i5的电流谐波分量，以及，所获取的三相交流电ACl中的C相交流 电输入到主整流模块110的电流i3的电流谐波分量作为三相交流电AC2的相电流i6的电 流谐波分量。第一比较模块212用于对第一电容Cl的电压检测值和预先确定的第一电容Cl的给定电压值进行比较，以获取两者之间的差值，作为第一电压误差信号。第一 PID调节模块214用于对第一比较模块212所获取的第一电压误差信号进行 比例积分微分调节处理，以获取一个比例积分微分调节值，作为三相交流电AC2的各相电 流i4、 5和i6的电流基波分量。相加模块216用于分别把第一滤波模块210所获取的三相交流电AC2的每一相电 流i4、i5和i6的电流谐波分量和第一 PID调节模块214所获取的电流基波分量进行相加， 以获取三相交流电AC2的每一相电流i4、i5和i6的电流给定值。具体地，把第一滤波模块 210所获取的三相交流电AC2的相电流i4的电流谐波分量和第一 PID调节模块214所获 取的电流基波分量进行相加所得到的值作为三相交流电AC2的相电流i4的电流给定值，把 第一滤波模块210所获取的三相交流电AC2的相电流i5的电流谐波分量和第一 PID调节 模块214所获取的电流基波分量进行相加所得到的值作为三相交流电AC2的相电流i5的 电流给定值，以及，把第一滤波模块210所获取的三相交流电AC2的相电流i6的电流谐波 分量和第一 PID调节模块214所获取的电流基波分量进行相加所得到的值作为三相交流电 AC2的相电流i6的电流给定值。第二比较模块218用于对相加模块216所获取的三相交流电AC2的每一相电流 i4、i5和i6的电流给定值和三相交流电AC2的每一相电流i4、i5和i6的电流检测值进行 分别比较，以获取三相交流电AC2的每一相电流i4、 5和i6的电流给定值和三相交流电 AC2的每一相电流i4、i5和i6的电流检测值之间的差值，作为三相交流电AC2的每一相电 流i4、i5和i6的电流误差信号。具体地，相加模块216所获取的三相交流电AC2的相电流 i4的电流给定值和三相交流电AC2的相电流i4的电流检测值之间的差值作为三相交流电 AC2的相电流i4的电流误差信号，相加模块216所获取的三相交流电AC2的相电流i5的电 流给定值和三相交流电AC2的相电流i5的电流检测值之间的差值作为三相交流电AC2的 相电流i5的电流误差信号，以及，相加模块216所获取的三相交流电AC2的相电流i6的电 流给定值和三相交流电AC2的相电流i6的电流检测值之间的差值作为三相交流电AC2的 相电流i6的电流误差信号。第二 PID调节模块220用于对第二比较模块218所获取的三相交流电AC2的每一 相电流i4、i5和i6的电流误差信号分别执行比例积分微分调节处理，以得到PWM整流模块 134的三个第二桥臂中与三相交流电AC2中的每一相交流电连接的桥臂的调制信号。具体 地，在本实施例中，对三相交流电AC2的相电流i4的电流误差信号执行比例积分微分调节 所得到的信号作为PWM整流模块134的三个第二桥臂中包含可控开关器件Ql和Q2的桥臂 的调制信号，对三相交流电AC2的相电流i5的电流误差信号执行比例积分微分调节所得到 的信号作为PWM整流模块134的三个第二桥臂中包含可控开关器件Q3和Q4的桥臂的调制 信号，以及，对三相交流电AC2的相电流i6的电流误差信号执行比例积分微分调节所得到 的信号作为PWM整流模块134的三个第二桥臂中包含可控开关器件Q5和Q6的桥臂的调制 信号。空间矢量脉宽调制模块230用于利用第二 PID调节模块220所获取的PWM整流模 块134的三个第二桥臂中各个桥臂的调制信号来执行空间矢量脉宽调制，以生成和输出用 于控制PWM整流模块134的三个第二桥臂中各个桥臂所包括的两个可控开关器件的开关的 脉宽调制信号。由于利用调制信号执行空间矢量脉宽调制来生成脉宽调制信号的技术对本领域技术人员来说是公知的，因此，这里省略对其的描述。图6是示出按照本发明一个实施例的第二控制模块的结构示意图。如图6所示， 第二控制模块138-4包括第二滤波模块310、反相模块312、第四比较模块314、第三PID调 节模块316、第五比较模块318、第四PID调节模块320和脉宽调制模块322。第二滤波模块310用于对主整流模块110的输出电压u2进行滤波，以获取主整流 模块110的输出电压u2的电压谐波分量。反相模块312用于将所获取的主整流模块110的输出电压u2的电压谐波分量反 相，以获取反相值，作为逆变器模块136中的第二电容C2的电压ul的电压给定值。第四比较模块314用于对所获取的第二电容C2的电压ul的电压给定值和第二电 容C2的电压ul的电压检测值进行比较，以获取两者之间的差值，作为第二电压误差信号。第三PID调节模块316用于对所获取的第二电压误差信号进行比例积分微分调节 处理，以获得第二比例积分微分调节值，作为逆变器模块136中的第二电感L4的电流i7的 电流给定值。第五比较模块318用于对所获取的第二电感L4的电流i7的电流给定值和第二电 感L4的电流i7的电流检测值进行比较，以获取两者之间的差值，作为第三电流误差信号。第四PID调节模块320用于对所获取的第三电流误差信号进行比例积分微分调节 处理，以获得第三比例积分微分调节值，作为逆变器模块136中的两个第三桥臂的调制信号。脉宽调制模块322用于利用所获取的逆变器模块136中的两个第三桥臂的调制信 号来执行脉宽调制处理，以生成和输出用于控制逆变器模块136的两个第三桥臂中的各个 桥臂所包括的两个可控开关器件的开关的脉宽调制信号。由于利用调制信号执行脉宽调制 来生成脉宽调制信号的技术对本领域技术人员来说是公知的，所以在此省略对其的描述。本领域技术人员应当理解，第一控制模块138-2和第二控制模块138-4既可以利 用软件来实现，也可以利用电路来实现。当第一控制模块138-2和第二控制模块138-4利用电路来实现时，第一滤波模块 210和第二滤波模块310是高通滤波器，第一比较模块212、第二比较模块218、第四比较模 块314和第五比较模块318是比较器，第一 PID调节模块214、第二 PID调节模块220、第三 PID调节模块316和第四PID调节模块320是PID调节器，相加模块216是加法器，反相模 块312是反相器，空间矢量脉宽调制模块222是空间矢量脉宽调制器，以及脉宽调制模块 322是脉宽调制器。其他变型本领域技术人员应当理解，虽然在上面的实施例中，第二控制模块138-4包括第 五比较模块318和第四PID调节模块320，然而，本发明并不局限于此。在本发明的其他一 些实施例中，例如当整流器100的负载变化较小时，第二控制模块138-4也可以不包括第五 比较模块318和第四PID调节模块320。在第二控制模块138-4不包括第五比较模块318 和第四PID调节模块320的情况下，第三PID调节模块316所获得的第二比例积分微分调 节值，作为逆变器模块136中的两个第三桥臂的调制信号。本领域技术人员应当理解，上面各实施例所记载的可控开关器件可以是各种可 控制的开关器件，例如门极可关断晶闸管(GT0)、电力晶体管(GTR)、功率场效率晶体管(VM0SFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、集成门极换流晶闸管(IGCT)和对称门极换流晶闸 管(SGCT)等。本领域技术人员应当理解，虽然在上面的实施例中，以三相交流电作为待整流的 交流电的例子来举例说明本发明，然而，本发明并不局限于此。在本发明的其他一些实施例 中，上面实施例所公开的整流器也可以应用于待整流的交流电是单相交流电、两相交流电、 四相或四相以上交流电的情形。换言之，在本发明的实施例中，待整流的交流电可以是N相 交流电，N是正整数。在待整流的交流电是N相交流电的情况下，主整流模块110包括N个第一桥臂， PWM整流模块134包括N个第一电感L1-L3和N个第二桥臂。本领域技术人员应当理解，上面所公开的本发明的各个实施例，可以在没有偏离 发明实质的情况下作出各种改变、变化和修改，并且这些改变、变化和修改都应当落入本发 明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应当由权利要求书来定义。
权利要求
1.一种整流器，包括主整流模块，与具有第一电压的N相交流电连接，用于把具有所述第一电压的N相交流 电转换为直流电，其中，N为正整数；整流补偿模块，用于补偿所述主整流模块的输出电压的电压谐波分量和具有所述第一 电压的N相交流电中的各相交流电输入到所述主整流模块的电流的电流谐波分量；以及母线电容，与所述主整流模块和所述整流补偿模块并联，其电压作为所述整流器的直 流输出电压。
2.如权利要求1所述的整流器，其中，所述整流补偿模块进一步包括变压器、脉宽调制 整流模块、第一电容、逆变器模块、第一控制模块和第二控制模块，其中，所述变压器用于根据具有所述第一电压的N相交流电产生与具有所述第一电压的N相 交流电隔离的具有第二电压的N相交流电，所述脉宽调制整流模块包括N个并联的第二桥臂和N个第一电感，所述N个第二桥臂 中的每一个桥臂包括两个串联的可控开关器件，所述N个第一电感中的每一个电感的一端 与具有所述第二电压的N相交流电的其中一相交流电连接，另一端连接到所述N个第二桥 臂的其中一个桥臂所包括的所述两个可控开关器件之间， 所述第一电容与所述N个第二桥臂并联，所述逆变器模块与所述第一电容并联，包括两个第三桥臂、第二电感和第二电容，其 中，所述两个第三桥臂中的每一个桥臂包括两个串联的可控开关器件，所述第二电感的一 端连接到所述两个第三桥臂的其中一个桥臂所包括的所述两个可控开关器件之间，所述第 二电感的另一端连接到所述第二电容的一端，所述第二电容的另一端连接到所述两个第三 桥臂的另一个桥臂所包括的所述两个可控开关器件之间，以及所述主整流模块连接到所述 第二电感和所述第二电容之间，所述第一控制模块用于利用具有所述第一电压的N相交流电中的每一相交电流电输 入到所述主整流模块的电流的电流谐波分量、所述第一电容的电压检测值、所述第一电容 的电压给定值和具有所述第二电压的N相交流电的每一相电流的电流检测值，通过执行空 间矢量脉宽调制处理来生成和输出用于控制所述N个第二桥臂中的各个可控开关器件的 开关的脉宽调制信号，以及所述第二控制模块用于根据所述第二电容的电压检测值和所述主整流模块的输出电 压的电压谐波分量，通过执行脉宽调制处理来生成和输出用于控制所述两个第三桥臂所包 括的可控开关器件的开关的脉宽调制信号。
3.如权利要求2所述的整流器，其中，所述第一控制模块进一步包括第一滤波模块，用于对具有所述第一电压的N相交流电中的每一相交电流电输入到所 述主整流模块的电流分别进行滤波，以获取具有所述第一电压的N相交流电中的各相交电 流电输入到所述主整流模块的电流的电流谐波分量，作为具有所述第二电压的N相交流电 的各相电流的电流谐波分量；第一比较模块，用于获取所述第一电容的电压检测值和所述第一电容的电压给定值之 间的差值，作为第一电压误差信号；第一比例积分微分调节模块，用于对所述第一电压误差信号进行比例积分微分调节处 理，以获得第一比例积分微分调节值，作为具有所述第二电压的N相交流电的各相电流的电流基波分量；相加模块，用于对所获取的电流基波分量和所获取的具有所述第二电压的N相交流电 的每一相电流的电流谐波分量分别进行相加，以获取具有所述第二电压的N相交流电的每 一相电流的电流给定值；第二比较模块，用于分别获取具有所述第二电压的N相交流电的每一相电流的所述电 流给定值和所述电流检测值之间的差值，作为具有所述第二电压的N相交流电的每一相电 流的电流误差信号；第二比例积分微分调节模块，用于分别对具有所述第二电压的N相交流电的每一相电 流的所述电流误差信号执行比例积分微分调节处理，以获得所述N个第二桥臂中与具有所 述第二电压的N相交流电中的每一相交流电连接的桥臂的调制信号；以及空间矢量脉宽调制模块，用于利用所述N个第二桥臂中的每一个桥臂的所述调制信号 来执行空间矢量脉宽调制，以生成和输出用于控制所述N个第二桥臂中的每一个桥臂所包 括的所述两个可控开关器件的开关的脉宽调制信号。
4.如权利要求2所述的整流器，其中，所述第二控制模块进一步包括第二滤波模块，用于对所述主整流模块的输出电压进行滤波，以获得所述主整流模块 的输出电压的电压谐波分量；反相模块，用于对所获得的所述主整流模块的输出电压的电压谐波分量进行反相，以 获取反相值，作为所述第二电容的电压给定值；第三比较模块，用于获取所述第二电容的电压给定值和所述第二电容的电压检测值之 间的差值，作为电压误差信号；第三比例积分微分调节模块，用于对所述电压误差信号进行比例积分微分调节处理， 以得到第三比例积分微分调节值；以及脉宽调制模块，用于利用所述第三比例积分微分调节值来执行脉宽调制，以生成和输 出用于控制所述所述两个第三桥臂中的每一个桥臂所包括的所述两个可控开关器件的开 关的脉宽调制信号。
5.如权利要求4所述的整流器，其中，所述第三比例积分微分调节值作为所述第二电 感的电流给定值，以及所述第二控制模块还包括第四比较模块和第四比例积分微分调节处 理模块，其中所述第四比较模块用于获取所述第二电感的电流给定值和所述第二电感的电流检测 值之间的差值，作为电流误差信号，所述第四比例积分微分调节模块用于对所述电流误差信号进行比例积分微分调节处 理，以获取第四比例积分微分调节值，以及所述脉宽调制模块进一步用于利用所述第四比例积分微分调节值来执行脉宽调制，以 生成和输出用于控制所述所述两个第三桥臂中的每一个桥臂的所述两个可控开关器件的 开关的脉宽调制信号。
6.如权利要求1所述的整流器，其中，所述主整流模块包括N个并联的第一桥臂，其中，所述N个第一桥臂中的每一个包括两 个串联的开关器件，具有所述第一电压的N相交流电中的每一相交流电连接到所述N个第 一桥臂的其中一个桥臂所包括的所述两个开关器件之间。
7.如权利要求1-6中任意一个权利要求所述的整流器，其中，所述N等于3。
8.如权利要求1-6中任意一个权利要求所述的整流器，其中，所述N个第一桥臂所包括 的开关器件是不可控开关器件或可控开关器件。
9.如权利要求1-6中任意一个权利要求所述的整流器，其中，所述第一电压和第二电 压是相电压或线电压。
10.如权利要求1-6中任意一个权利要求所述的整流器，其中，所述第二电压等于或小 于所述第一电压。
全文摘要
本发明涉及一种整流器，包括主整流模块，与具有第一电压的N相交流电连接，用于把具有所述第一电压的N相交流电转换为直流电，其中，N为正整数；整流补偿模块，用于补偿所述主整流模块的输出电压的电压谐波分量和具有所述第一电压的N相交流电中的各相交流电输入到所述主整流模块的电流的电流谐波分量；以及，母线电容，与所述主整流模块和所述整流补偿模块并联，其电压作为所述整流器的直流输出电压。该整流器具有更高的效率以及更小的电路体积和成本。
文档编号H02M7/04GK102118113SQ20091026576
公开日2011年7月6日 申请日期2009年12月31日 优先权日2009年12月31日
发明者吴学智, 姚吉隆, 宋英华 申请人:西门子公司