基于伪图腾柱结构的单相三电平功率因数校正电路

1.本发明涉及电力电子电能变换技术领域，具体是一种基于伪图腾柱结构的单相三电平功率因数校正电路。


背景技术：

2.经济的高速发展使得能源的消耗急剧增加，随着能源互联网的提出运用，大量的整流逆变设备被运用于实际。其中高次谐波是伤害电网中的用电设备的主要因素之一，传统的升压功率因数校正电路由于二极管整流桥，导致电路的效率提高受到限制。随着研究的深入，无桥功率因数校正以能够有效降低器件的导通损耗得到众多关注。其中的伪图腾柱伪图腾柱两电平整流器拓扑较其他拓扑有效率高、无桥臂直通、元器件使用较少等优点，但是该结构使得器件承受电网的全部电压，使得元件的成本较高，限制了伪图腾柱两电平整流器的在中、高压功率场合下的应用。
3.三电平技术是解决高电压应力的一种常用方式。当整流器运行时，每个开关器件都承受一半的总线电压。并且在相同的直流侧电压条件下，三电平结构的整流器中的功率开关器件承受较小的电压变化率，系统波动更加平缓。所以采用三电平结构有助于使得整流器更耐高压，并且可以减小成本。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是：如何利用三电平技术解决传统的伪图腾柱电路中，功率器件所受电压应力大的问题，同时保留伪图腾柱电路无桥臂直通问题等的优点。本发明提供一种基于伪图腾柱结构的单相三电平功率因数校正电路，在传统的两电平伪图腾柱结构电路中增加一对二极管桥臂及串联电容，同时在二极管桥臂和串联电容之间增加一组由两个全控型开关管反向串联的双向开关管，该基于伪图腾柱式结构的单相三电平功率因数校正电路结合伪图腾柱整流技术及三电平拓扑技术，相对于传统升压功率因数校正整流器，能有效降低开关管的应力，提高变换器效率，开关管的导通损耗小，同时保留了伪图腾柱不存在桥臂直通的优点。
5.本发明采取的技术方案为：
6.基于伪图腾柱结构的单相三电平功率因数校正电路，包括：
7.单相伪图腾柱结构、滤波器、带双向开关管的单相整流桥；
8.所述单相伪图腾柱结构包括开关管s1、s2，二极管d1、d2；
9.所述滤波器包括电感l1、l2；
10.所述带双向开关管的单相整流桥包括二极管d3、d4，一组双向开关管，电容c1、c2，负载r
l
；
11.连接关系如下：
12.开关管s1漏极分别连接二极管d1阳极、电感l1一端；
13.二极管d2阴极分别连接开关管s2源极、电感l2一端；
14.二极管d1阴极分别连接开关管s2漏极、二极管d3阴极、电容c1一端；
15.开关管s1源极分别连接二极管d2阳极、二极管d4阳极、电容c2另一端；
16.电感l1一端、电感l2一端均连接电源一侧；
17.电源另一侧分别连接二极管d3阳极、二极管d4阴极、开关管s3源极；
18.开关管s3漏极连接开关管s4漏极；
19.开关管s4源极分别连接电容c1另一端、电容c2一端；
20.负载r
l
两端分别连接电容c1一端、电容c2另一端。
21.所述开关管s1、s2、s3均为带有体二极管的金属
‑
氧化物半导体场效应晶体管mosfet、或者绝缘栅双极型晶体管igbt。
22.该电路所包括的整流回路在传统的伪图腾柱整流器上改造，在两个电容之间增加一组双向开关管实现电流的双向流通，实现桥臂之间的三电平电压输出。
23.为实现桥臂之间的三电平电压输出，在两个电容和二极管桥臂之间增加一组双向开关管，该双向开关管由2个全控型开关管s3、s4组成，全控型开关管s3的源极与电源的另一端相连，全控型开关管s3的漏极与全控型开关管s4的漏极相连，全控型开关管s4的源极与串联电容的中电相连。
24.本发明基于伪图腾柱结构的单相三电平功率因数校正电路，技术效果如下：
25.1)本发明将两个相同的电感并联在电路中升压，减小了升压电感和输出电容的标称值及体积。
26.2)本发明采用四个全控型开关管，一个周期内，每个开关管仅开通一次，减少了开关损耗。
27.3)本发明的前端采用伪图腾柱结构，保留了伪图腾柱功率因数校正电路无桥臂直通隐患、无开关管体二极管反向恢复问题、可靠性高、效率高等优点；
28.4)本发明利用三电平整流技术能够降低开关管的电压应力这一特点，将伪图腾柱结构与三电平整流技术相结合，在传统的伪图腾整流器的基础上，增加一组二极管桥臂和双向开关管，解决了开关管耐压高的问题，适合高压输出场合。
附图说明
29.图1为本发明功率因数校正电路主拓扑结构图。
30.图2为本发明功率因数校正电路模态一图。
31.图3为本发明功率因数校正电路模态二图。
32.图4为本发明功率因数校正电路模态三图。
33.图5为本发明功率因数校正电路模态四图。
34.图6为本发明功率因数校正电路模态五图。
35.图7为本发明功率因数校正电路模态六图。
36.图8为本发明功率因数校正电路中开关管s1～s3六种工作模式图。
37.图9为本发明功率因数校正电路中开关管s1～s3对应的脉冲分配图。
38.图10为本发明功率因数校正电路稳定状态下输入侧电压电流波形图。
39.图11为本发明功率因数校正电路稳定状态下电感l1的电流波形图。
40.图12为发明功率因数校正电路稳定状态下电感l2的电流波形图。
41.图13为本发明功率因数校正电路稳定状态下电压u
b1o
波形图。
42.图14为本发明功率因数校正电路稳定状态下电压u
b2o
波形图。
43.图15为本发明功率因数校正电路稳定状态下直流输出电压u
dc
波形图。
具体实施方式
44.基于伪图腾柱结构的单相三电平功率因数校正电路，包括单相伪图腾柱结构、滤波器、带双向开关管的单相整流桥；
45.所述伪图腾柱结构，其包括2个全控功率开关管：s1、s2，2个普通二极管：d1、d2，由开关器件和二极管组成2个整流桥臂，每支桥臂包括1个功率开关器件，1个钳位二极管。s1漏极与电感l1和二极管d1阳极相连，s2源极与电感l2和二极管d2阴极相连。
46.所述滤波器由滤波电感l1、l2组成，两个电感完全一致，并联接在交流电源的一端，分别与全控开关管s1的漏极、s2的源极相连。
47.所述带双向开关管的单相整流桥由2个二极管d3和d4、一组双向开关管以及2个电容c1、c2和一个负载r
l
组成。其中，二极管d3阳极连接二极管d4阴极，二极管d3、d4连接点连接交流电源的另一端与双向开关管的一端；双向开关管由两个反向串联的全控型开关管s3、s4组成，全控型开关管s3的源极和二极管的连接点相连，全控型开关管s3的漏极与全控型开关管s4的漏极相连，全控型开关管s4的源极和串联电容c1、c2的连接点相连；电容c1的负极和电容c2的正极相连，电容c1的正极和电容c2的负极分别与负载相连，全控型开关管s4的源极与电容c1的负极和电容c2的正极相连。
48.线路具体参数如下：基于伪图腾柱结构的单相三电平功率因数校正电路的输入侧中电网电压有效值为220v，频率50hz,直流侧输出电压400v，开关频率为20khz，滤波电感l1＝l2＝3mh，负载r
l
的阻值为输出电容c1＝c2＝4700μf。
49.一种单相三开关管伪图腾柱式三电平整流器，电路正常工作时，共有6种工作模式：
50.(1)正半周期三种工作模式：
51.如图2所示，模式一：全控型开关管s1、s2、s3和s4关断，二极管d1及全控型开关管s2上的体二极管正偏导通，电容c1、c2充电，电感l1和l2均承受电压u
s
‑
u
dc
，电感l1、l2均分电流i
s
，有i
s
＝i
l1
+i
l2
＝2i
l
。因输入电压频率远小于开关频率，在一个开关频率内可认为输入电压不变，故电感l1、l2上的电流线性下降，此时，b1点和b2点的电位等于u
dc
。
52.如图3所示，模态二：全控型开关管s1、s2和s4关断，全控型开关管s3打开，二极管d2及全控型开关管s2上的体二极管正偏导通，双向开关管中s3打开，开关管s4上的体二极管正偏导通，电容c1充电，电容c2在负载回路中放电，电感承受电压u
s
‑
u
dc
/2，电感l1、l2均分电流i
s
，同样，认为输入电压在一个开关周期内不变。当电源电压小于u
dc
/2时，电感电流线性下降；当电源电压大于u
dc
/2时，电感电流线性上升，此时，b1点和b2的电位等于u
dc
/2。
53.如图4所示，模态三：全控型开关管s1打开，全控型开关管s2、s3和s4关断，开关管s1、二极管d4、电感l1和电源形成回路，电容c1、c2向负载r
l
供电，l1承受电网电压u
s
，输入电压在一个周期内认为是定值，电感l1电流线性上升，此时，b1点的电位等于0，b2点的电位等于u
s
。
54.(2)负半周期三种工作模式：
55.如图5所示，模态四：全控型开关管s2打开，全控型开关管s1、s3和s4关断，开关管s2、
二极管d3、电感l2和电源形成回路，电容c1、c2向负载r
l
供电，电感l2承受电网电压u
s
，输入电压在一个周期内认为是定值，电感l2电流线性上升，此时，b2点的电位等于0，b1点的电位等于u
s
。
56.如图6所示，模态五：全控型开关s4打开，其余开关关断，二极管d2及全控型开关管s1上的体二极管正偏导通，双向开关管中s4打开，开关管s2上的体二极管正偏导通，电容c1充电，电容c2在负载回路中放电，电感承受电压u
s
‑
u
dc
/2，电感l1、l2均分电流i
s
，同样，认为输入电压在一个开关周期内不变。当电源电压绝对值小于u
dc
/2时，电感电流线性上升；当电源电压绝对值大于u
dc
/2时，电感电流线性下降，此时，b1点和b2的电位等于
‑
u
dc
/2。
57.如图7所示，模态六：全控型开关管全部关断，电感l1的电流经二极管d3和开关管s1的体二极管续流；电感l2的电流经二极管d3和d2续流。电容c1、c2均充电，电感l1承受电压u
s
+u
dc
，电感电流上升，当前模态下，b1、b2点电压为
‑
u
dc
。
58.在图2～2
‑
6所示的六种工作模式下，网侧输入电流i
s
在模态一、二、五和六下返回路径均有两条，即在一个工频周期内，模态三中只有电感l1有电流，模态四中只有电感l2有电流外，其他模态下，均有电流流过两个电感。
59.图8是本发明实施中开关管s1～s4六种工作模式图，如图8所示，在一个周期内，电路共有六种工作模式，当u
s
>0时，有0、+u
dc
/2、+u
dc
三种状态；当u
s
<0时，有0、
‑
u
dc
/2、
‑
u
dc
三种状态，在不同的工作模式下，系统各参数也随之变化，其中，用1表示开关管的导通，用0表示开关管的关断。图9是本发明电路中开关管s1～s3在一个周期中的脉冲分配图，其中将门极驱动电压单位化，用1表示对该开关管施加门极电压，用0表示未对该开关管施加门极电压。
60.图10、图11、图12、图13、图14、图15分别是本发明电路稳态条件下交流侧输入电压u
s
和电流i
s
的波形图、电感l1和l2的电流波形图、电压u
b1o
、u
b2o
波形图以及直流输出电压u
dc
波形图：由图10所示，将交流电压乘以0.1倍的增益，与电感电流用一个示波器进行比较，交流输入电压与输入电流同相位，能实现高功率因数；图11是流过电感l1的电流，用字母i
l1
表示，图12是流过电感l2的电流，用字母i
l2
表示，验证了除零模态，其他的状态下两电感均有电流通过；图13是电压u
b1o
波形图，图14是电压u
b2o
波形图。电压u
b1o
在正半周期产生良好的三电平电压，电压u
b2o
在负半周期产生良好的三电平电压；图14、图15表明，该整流器实现了直流输出电压稳定。