一种三端口箝位型的背对背无桥三电平整流器

本发明涉及涉及单相三电平有源整流器技术领域，具体是一种三端口箝位型的背对背无桥三电平整流器。

背景技术：

对于常规的功率因数校正(pfc)整流器，无法在较宽的输入电压范围，如公共电网作为电源时实现高效率，并且在交变电电压等级较低的时候效率将大大降低。三端口箝位型的背对背无桥三电平整流器由于采用了三电平结构可以灵活地适应于合适的工作模式以获得最大效率。同时，三端口箝位型的背对背无桥三电平整流器能够维持高功率因数的情况下保持对负载输出稳定的电压。相比于传统的两电平整流器，所提出的三端口箝位型的背对背无桥三电平整流器具有更小的纹波水平；更小的器件电压应力；较好的功率因数以及功率密度；减少与公共电网的无功功率交换。同时，由于电路采用三端口箝位电容电压的工作方式，能够有效隔离交流侧扰动的影响。但是由于该电路主回路具有较大的体积，限制了三端口箝位型的背对背无桥三电平整流器在部分场合下的使用。

技术实现要素：

本发明提供一种三端口箝位型的背对背无桥三电平整流器，相对于传统的两电平整流电路，减少了对电路元件的电压应力要求。整流桥有多二极管结构，开关管并联其中部分二极管，所承受的电压应力减小，开关管的成本降低；两个极性电容串联使用，电容电压减小；该整流电路工作时流经的半导体器件不超过3个，电路工作损耗小；电路工作模态切换只需改变一个开关管，有效减少电路开关损耗。直流母线由两个电容串联工作，有效减少输出电流纹波。

本发明采取的技术方案为：

一种三端口箝位型的背对背无桥三电平整流器，包括：

开关管s1、s2、s3，二极管d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7、d8，电感l，电容c1、c2；

交流电源一端连接电感l一端，电感l另一端分别连接开关管s1漏极、二极管d1阳极、二极管d2阴极；

交流电源另一端分别连接开关管s2漏极、二极管d4阳极、二极管d5阴极；

开关管s1源极连接开关管s2源极；

二极管d1阴极分别连接二极管d3阴极、电容c1一端；

二极管d2阳极分别连接二极管d6阳极、电容c2另一端；

开关管s3漏极分别连接二极管d3阳极、二极管d4阴极、二极管d7阴极；

开关管s3源极分别连接二极管d5阳极、二极管d8阳极、二极管d6阴极；

电容c1另一端分别连接二极管d7阳极、二极管d8阴极、电容c2一端；

负载r两端分别连接电容c1一端、电容c2另一端。

本发明一种三端口箝位型的背对背无桥三电平整流器，技术效果如下：

1、所述整流电路由半导体双向开关s1、s2、s3、d4、d5、d7、d8；整流桥二极管d1、d2、d3、d4、d5、d6及其相并联的电容c1、c2所组成其中s3、d7、d8为三端口箝位结构。

2、本发明三端口箝位型的背对背无桥三电平整流器所包括的整流回路在传统单相三电平整流桥进行改进，引入多二极管串联的电路管构造电路方法。

3、本发明三端口箝位型的背对背无桥三电平整流器通过工作模态的转换，分别对两个用来箝位电压的电容充电，对交流电源进行整流，共输出三种电压等级的整流电路。

4、本发明三端口箝位型的背对背无桥三电平整流器利用电感储能特性，用l上的电流不能突变的特性配合二极管以及电容共同箝位电压，维持母线电压稳定，保证直流母线输出的电压纹波较小。

附图说明

图1为本发明三端口箝位型的背对背无桥三电平整流器电路主拓扑结构图；

图2为本发明三端口箝位型的背对背无桥三电平整流器电路工作模态一图；

图3为本发明三端口箝位型的背对背无桥三电平整流器电路工作模态二图；

图4为本发明三端口箝位型的背对背无桥三电平整流器电路工作模态三图；

图5为本发明三端口箝位型的背对背无桥三电平整流器电路工作模态四图；

图6为本发明三端口箝位型的背对背无桥三电平整流器电路工作模态五图；

图7为本发明三端口箝位型的背对背无桥三电平整流器电路工作模态六图；

图8为本发明电路开关管s1～s4六种工作模态图；

图9为本发明电路电压uab波形图；

图10为本发明电路交流侧输入电压us和电流il波形图；

图11为本发明电路直流输出电压udc波形图；

图12(1)为本发明电路的开关管脉冲分配图一；

图12(2)为本发明电路的开关管脉冲分配图二；

图12(3)为本发明电路的开关管脉冲分配图三。

具体实施方式

具体实验参数如下：

一种三端口箝位型的背对背无桥三电平整流器，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l＝3mh，负载rl的阻值为80，输出电容c1＝c2＝4700μf。

一种三端口箝位型的背对背无桥三电平整流器，该整流器包括新型单相三电平pwm整流电路、不控整流桥电路、双向开关管电路、两个串联的稳压电容电路；

所述采用多二极管串联型的背对背无桥三电平整流器为单相三电平pwm整流回路，其包括4个开关管：s1、s2、s3、s4，6个二极管：d1、d2、d3、d4、d5、d6，由mos管和二极管组成的一个多二极管串联式开关管桥臂，桥臂包括2个mos管，6个用于箝位电压的二极管。

所述pwm整流电路由储能滤波电感l，背靠背mos管组s1、s2组成的双向开关、半导体器件s3、s4、d5、d6组成的双向开关，并联稳压支路由电容c1、c2串联组成。电感l与交流电源的另一端相连，该支路与s1、s2所组成的双向开关并联。稳压支路电容c1、c2串联后与直流母线输出端并联。

该整流器电路所包括的整流回路在传统无桥单相两电平整流桥进行改进，引入两个串联的电容稳压结构构造三电平电路。

该整流器电路具有一个功率输入端和两个功率输出端，功率输入端对应电网电源功率输出端对应两个稳压电容。

该整流器电路电路功率输入端引入背对背开关结构，对输入端电压经行升压变换，简化升压回路结构。

由于工频交变电网电压的工作特性，为保证背对背无桥三电平整流电路输出电压的稳定，需要在不同的电网电压区间内调整不同的工作模态：

1)模态1：如图2所示，开关管全部断开。us>+udc/2,uab＝udc，电感l释放能量，il逐渐减小，电容c1、c2充电。

2)模态2：如图3所示，开关管s3导通，其余开关管断开。由于模态2有两种工作状态，故需要分情况讨论。

在us>+udc/2时,uab＝udc/2，此时电感l吸收能量，il逐渐增大，电容c1充电、c2放电。

在us<+udc/2时,uab＝udc/2，此时电感l释放能量，il逐渐减小，电容c1充电、c2放电。

3)模态3：如图4所示，开关管s1、s2导通，其余开关管断开。0<us<+udc/2，uab＝0，电感吸收能量，il逐渐增大，电容c1、c2放电。

4)模态4：如图5所示，开关管s3导通，其余开关管断开。us<-udc/2，uab＝udc，电感l释放能量，il逐渐减小，电容c1、c2充电。

5)模态5：如图6所示，开关管s4导通，其余开关管断开。由于模态2有两种工作状态，故需要分情况讨论。

在us<-udc/2时，uab＝udc/2，此时电感l吸收能量，il逐渐增大，电容c2充电、c1放电。

在0>us>-udc/2时，uab＝udc/2，此时电感l释放能量，il逐渐减小，电容c2充电、c1放电。

6)模态6：如图7所示，开关管s1、s2导通，其余开关管断开。0>us>-udc/2，uab＝0，电感吸收能量，il逐渐增大，电容c1、c2放电。

图8、图9、图10、图11为本发明在负载80ω时的实验波形，为本发明稳态时相关波形图。

图8为本发明电路开关管s1～s4六种工作模态图；用1表示开关管的导通，用0表示开关管的关断。本发明通过不同开关管导通关断的组合，改变电路结构，得到不同的ab端输出电压uab。±1代表输出额定电压，±1/2代表输出额定电压的一半，0代表ab端电压为0。图9为本发明电路电压uab波形图；在图8的基础上通过对电路开关管s1～s3的导通、关断状态的调制，本发明在直流母线udc额定输出电压为400v时，使得ab端的电压能够输出额定电压，额定电压的一半，0三种电压等级，即输出±400v，±200v，0v的电压。图10为本发明电路交流侧输入电压us和电流il波形图；表示本发明稳态交流输入电压us波形保持正弦规律变化；交流输入电流il波形跟随交流输入电压us波形，且波形稳定后趋近于正弦波，通过实验波形对比可以看出该电路的电压电流相位基本相同，能够实现功率因数校正功能。

图11为本发明电路直流输出电压udc波形图；表示本发明以400v为额定电压时，输出得到的直流母线侧电压udc的稳态波形。

图12(1)为本发明电路的开关管脉冲分配图一。为本发明开关管s1开关脉冲电压us1波形图,表示开关脉冲分配信号，即为开关管导通关断的驱动电压。开关管电压达到12v时，对应图8中的1信号，即开关管导通。开关管电压达到0v时，对应图8中的0信号，即开关管关断。

图12(2)为本发明电路的开关管脉冲分配图二。为本发明开关管s2开关脉冲电压us2波形图,表示开关脉冲分配信号，即为开关管导通关断的驱动电压。开关管电压达到12v时，对应图8中的1信号，即开关管导通。开关管电压达到0v时，对应图8中的0信号，即开关管关断。

图12(3)为本发明电路的开关管脉冲分配图三。为本发明开关管s3开关脉冲电压us3波形图,表示开关脉冲分配信号，即为开关管导通关断的驱动电压。开关管电压达到12v时，对应图8中的1信号，即开关管导通。开关管电压达到0v时，对应图8中的0信号，即开关管关断。