单相T型交错并联结构的三电平整流充电器

本发明涉及多电平整流器技术领域，具体涉及一种单相t型交错并联结构的三电平整流充电器。

背景技术：

功率因数校正变换器设备在工业中广泛应用，主要需要实现单位功率因数和交流波形的低谐波失真。在逆变电路中，多电平技术已有相对成熟的研究，目前正逐步对多电平技术在整流充电器中研究。

传统的两电平变换器已经在工业中应用了数十年，但是由于其所承受的电压应力高、输入电流谐波大等缺点，它们正在被新兴的多电平整流充电器技术所取代。多电平变流器产生更多的电压电平，同时以较低的开关频率工作，从而大大降低了电压和电流谐波，此外，多电平变流器还具有效率高、整流充电器体积小、电压应力低等优势。

技术实现要素：

本发明提供一种单相t型交错并联结构的三电平整流充电器，设计有双t形开关管于桥臂结构，该整流充电器能工作在较高功率场所，具有比较低的交流谐波、高可靠性的优点。

本发明采取的技术方案为：

单相t型交错并联结构的三电平整流充电器，该整流器包括：

开关管sa1、sa2、sa3、sa4、sb1、sb2、sb3、sb4，二极管d1、d2，电感l1、l2，电容c1、c2；

交流电源ug一端分别连接二极管d1阳极、二极管d2阴极；

交流电源ug另一端分别连接电感l1一端、电感l2一端；

电感l1另一端分别连接开关管sa1源极、开关管sa3源极、开关管sa2漏极；

电感l2另一端分别连接开关管sb1源极、开关管sb3源极、开关管sb2漏极；

二极管d1阴极分别连接开关管sa1漏极、开关管sb1漏极、电容c1正极；

二极管d2阳极分别连接开关管sa2源极、开关管sb2源极、电容c2负极；

开关管sa3漏极连接开关管sa4漏极，开关管sa4源极分别连接电容c1负极、电容c2正极；开关管sa4漏极连接开关管sb3漏极；

负载rl两端分别连接电容c1正极、电容c2负极。

所述电容c1、c2为串联分裂电容，串联分裂电容c1、c2组成直流母线，且电容c1、c2取相同型号，每个电容承受直流母线电压udc的一半，实现三电平中的±0.5udc电平。

所述开关管sa1、sa2、sa3、sa4、sb1、sb2、sb3、sb4为全控型功率器件绝缘栅型双极晶体管igbt、或者电力场效应管mosfet。

所述开关管sa1、sa2、sa3、sa4、sb1、sb2、sb3、sb4均反向并联了二极管。

该整流充电器包括交错并联t型桥臂结构sa1、sa2、sa3、sa4和sb1、sb2、sb3、sb4并联组成的三电平结构。

本发明一种单相t型交错并联结构的三电平整流充电器，具有如下有益效果：

1)本发明一种单相t型交错并联结构的三电平整流充电器，具有电感连接的并联开关管桥臂结构，本发明应用到两个双向开关管结构单元，两个双向开关分别由开关管sa3、sa4和开关管sb3、sb4组成，主要功能是实现±0.5udc电压流通路径。本发明拓扑具有整流升压、三电平功率因数校正的特点。

2)本发明整流充电器拓扑具有双t形开关管结构，此串联开关管桥臂单元模块可用作三电平模块化的功率单元结构。

3)本发明在单位功率因数校正拓扑中，并联了两个t形开关管结构组成的三电平结构，在整流充电器拓扑中有升压电路单元，具有升压的特点。另外，拓扑结构中两个电感分别连接两个t形开关管结构，任意一处t形开关管结构发生故障情况下，整流充电器依然能正常工作，能实现对后级的功率输出，电路具有高可靠性。

4)本发明提出由全控器件组成的两个t形开关管三电平结构，该结构具有可靠性高，输入电流纹波小。

5)本发明三电平整流充电器拓扑采用三电平结构,该结构具有较大的功率密度，较小的电压应力，一定程度上延长了开关管的使用寿命。

6)本发明三电平整流充电器，在一个交流输入周期内存在六个工作模态,该拓扑结构六个模态中两个t形开关管结构的开关管触发脉冲一致，简化了控制难度。

附图说明

图1为本发明一种单相t型交错并联结构的三电平整流充电器主拓扑结构图。

图2为本发明一种单相t型交错并联结构的三电平整流充电器工作模式一图。

图3为本发明一种单相t型交错并联结构的三电平整流充电器工作模式二图。

图4为本发明一种单相t型交错并联结构的三电平整流充电器工作模式三图。

图5为本发明一种单相t型交错并联结构的三电平整流充电器工作模式四图。

图6为本发明一种单相t型交错并联结构的三电平整流充电器工作模式五图。

图7为本发明一种单相t型交错并联结构的三电平整流充电器工作模式六图。

图8(a)为本发明稳态交流输入电压ug、交流输入电流ig波形图。

图8(b)为本发明稳态输出电压uan、ubn波形图。

图8(c)为本发明稳态输出电压udc波形图。

图9(a)为本发明开关管开关脉冲电压uga1、uga2、uga3、uga4波形图。

图9(b)为本发明开关管开关脉冲电压ugb1、ugb2、ugb3、ugb4波形图。

图10为本发明电感l1、l2电流il1、il2波形图。

图11为本发明直流分裂电容c1、c2电压uc1、uc2波形图。

具体实施方式

如图1所示，单相t型交错并联结构的三电平整流充电器，该整流充电器左侧为一个二极管桥臂d1、d2。该整流充电器右侧为交错并联t型桥臂结构sa1、sa2、sa3、sa4(sb1、sb2、sb3、sb4)并联组成的三电平结构。

本发明整流充电器包括开关管sa1、sa2、sa3、sa4、sb1、sb2、sb3、sb4，二极管d1、d2，交流电源ug，电感l1、l2，电容c1、c2。

具有t型交错并联结构的三电平整流充电器回路中，交流电源ug右侧连接并联电感l1、l2；电感l1连接于一个t形开关管结构sa1源极、sa2漏极、sa3源极上，交点为a；

电感l2连接于另一个t形开关管结构sb1源极、sb2漏极、sb3源极，交点为b；

交流电源ug左侧与二极管桥臂d1、d2连接，交点为n；

二极管d1阴极、开关管sa1漏极、开关管sb1漏极、开关管sa1漏极、开关管sb1漏极以及电容c1正极连接，交点为p；

二极管d2阳极、开关管sa2源极、sb2源极与电容c2负极连接于点m；

开关管sa4源极、sb4源极与电容c1负极、c2正极连接，交点为n；

负载rl接在节点p和节点m之间。

所述整流充电器左侧为二极管桥臂d1、d2，右侧为两个连接电感的交错并联t型桥臂组成的三电平结构。

串联分裂电容c1、c2组成直流母线，电容大小相等，每个电容承受直流母线电压udc的一半，实现±0.5udc电平变化。

两个双向开关分别由开关管sa3、sa4和开关管sb3、sb4组成，主要功能是实现±0.5udc电压流通路径。

开关管sa1、sa2、sa3、sa4、sb1、sb2、sb3、sb4为全控型功率器件，包含但不限于绝缘栅型双极晶体管igbt、电力场效应管mosfet等。

电路具体参数如下：整流充电器输入侧电压有效值为220v，频率为50hz,开关频率为20khz，直流侧输出电压udc＝400v，电感l1＝l2＝3.3mh，直流侧电容c1＝c2＝4700μf，负载rl＝50ω。

单相t型交错并联结构的三电平整流充电器，包括以下工作模式：

(1)、工作模式一：如图2所示，电路工作在电网电压正半周期，电压uan＝0v，ubn＝0v。a点所连的t形开关管结构的开关管sa2导通，b点所连开关管桥臂的开关管sb2导通，二极管d2导通，其余半导体器件均关断。电网电流ig分别通过电感l1、l2流过并联t形开关管结构的开关管sa2和开关管sb2，后通过二极管d2形成通路，实现电路0电平。电容c1、c2放电对负载rl供电。交流电源ug对电感l1、l2充电，电感l1、l2储能，其电流il1、il1增加。

(2)、工作模式二：如图3所示，电路工作在电网电压正半周期，电压uan＝udc/2，ubn＝udc/2。a点所连t形开关管结构的开关管sa3体二极管导通、sa4导通，b点所连t形开关管结构的开关管sb3体二极管导通、sb4导通，二极管d2导通，其余半导体器件均关断。电网电流ig经过电感l1、l2，分别经过开关管sa3体二极管、开关管sa4和开关管sb3体二极管、开关管sb4并联支路，再经电容c2、二极管d2形成通路，实现电路udc/2电平；电感l1、l2放电对电容c2充电，电容c1对负载rl供电。当电网电压ug>udc/2时，电感l1、l2充电，其电流il1、il2增大；当电网电压ug<udc/2时，电感l1、l2放电，其电流il1、il2减小。(3)、工作模式三：如图4所示，电路工作在电网电压正半周期，电压uan＝udc、ubn＝udc。a点所连t形开关管结构的开关管sa1体二极管导通，b点所连t形开关管结构的开关管sb1体二极管导通，二极管d2导通，其余半导体器件均关断。电网电流ig通过电感l1、l2，分别流过并联t形开关管结构的开关管sa1体二极管和开关管sb1体二极管，再通过串联电容c1、c2后经二极管d2形成通路，实现电路+udc电平。电源对电感l1、l2充电，电感l1、l2对电容c1、c2充电，并向负载rl供电；电感l1、l2放电，其电流il1、il2减小。(4)、工作模式四：如图5所示，电路工作在电网电压负半周期，电压uan＝0v，ubn＝0v。a点所连的t形开关管结构的开关管sa1导通，b点所连的t形开关管结构的开关管sb1导通，二极管d1导通，其余半导体器件均关断。电网电流ig通过二极管d1后分别通过并联支路开关管sa1、电感l1和开关管sb1、电感l2形成通路，实现电路0电平。电容c1、c2放电对负载rl供电；交流电源ug对电感l1、l2充电，电感l1、l2储能，其电流il1、il1增加。

(5)、工作模式五：如图6所示，电路工作在电网电压负半周期，电压uan＝-udc/2，ubn＝-udc/2。a点所连t形开关管结构的开关管sa3导通、开关管sa4体二极管导通，b点所连t形开关管结构的开关管sb3导通、开关管sb4体二极管导通，二极管d1导通，其余半导体器件均关断。电网电流ig经过二极管d1、电容c1后分别流经开关管sa4体二极管、开关管sa3、电感l1和开关管sb4体二极管、开关管sb3、电感l2并联支路，形成通路，实现电路-udc/2电平；电感l1、l2放电对电容c1充电，电容c2对负载rl供电。当电网电压幅值︱ug︱>udc/2时，电感l1、l2充电，其电流il1、il2增大；当电网电压幅值︱ug︱<udc/2时，电感l1、l2放电，其电流il1、il2减小。

(6)、工作模式六：如图7所示，电路工作在电网电压负半周期，uan＝-udc，ubn＝-udc。a点所连t形开关管结构的开关管sa2体二极管导通，b点所连t形开关管结构的开关管sb2体二极管导通，二极管d1导通，其余半导体器件均关断。电网电流ig经过二极管d1、电容c1、c2后分别流经开关管sa2体二极管、电感l1和开关管sb2体二极管、电感l2并联支路，形成通路，实现电路-udc电平。电源对电容c1、c2充电，并向负载rl供电；电感l1、l2放电，其电流il1、il2减小。

图8(a)、图8(b)、图8(c)分别表示本发明稳态时相关波形图。

图8(a)表示本发明稳态交流输入电压ug和交流输入电流ig波形同步保持正弦规律变化，电流ig波形光滑，基本实现单位功率因数。

图8(b)为本发明稳态输出电压uan、ubn图，表示本拓扑能实现三电平，uan、ubn波形保持一致，符合并联的特性。

图8(c)表示本发明稳态输出电压udc波形图，表示本发明能维持输出直流电压在400v附近稳定。

图9(a)、图9(b)分别为本发明两个t形开关管结构上开关管的开关脉冲电压uga1、uga2、uga3、uga4与ugb1、ugb2、ugb3、ugb4波形图,表示出一个周期内的开关脉冲分配信号，两个桥臂开关脉冲分配信号完全相同。

图10为本发明两电感l1、l2电流il1、il2波形图。表示出il1、il2波形能够稳定输出正弦波。

图11为本发明直流分裂电容c1、c2电压uc1、uc2波形图，表示本发明直流侧分裂电容电压均能在200v附近波动，电容电压平衡。

综上对实验结果的分析可知，本发明拓扑能实现功率因数校正目的，具有直流电压输出稳定，具有良好的工作性能和可靠性。